基于低碳與成本約束的機電產品包裝概念設計

邱定春

(廣東晟豐建設工程有限公司,廣東 東莞523000)

我國是世界上最大的機電出口國之一，每年出口到國外的機電產品為我國增加了大量的外匯收入，也為推動我國的外貿發展做出了巨大的貢獻。然而，與此同時，每年用于出口機電產品包裝所需的原木數量也達到了驚人的地步。資料顯示,僅2012年就達到了1000m3，折合森林固碳達到47.6萬t。可見，從碳排放的角度來審視，機電產品包裝與當前我國追求低碳經濟發展的目標產生了嚴重沖突，與《京都議定書》等一系列的國際環保法令宗旨也格格不入；從企業經營效益來看，也提高了產品的成本，影響到了企業的經濟效益。如何從實現低碳和控制成本的角度來設計機電產品的包裝概念，成為國內外機電行業一個亟待解決的重要課題。

近年來，包括美、日、韓在內的一些發達經濟體，紛紛致力于機電產品代木包裝材料的研發，我國在這一課題的研究雖然起步較晚，但是也在包裝材料生產設備的低碳低溫制造領域取得了一些突破。不過，機電產品包裝低碳與成本的綜合優化問題還僅僅是看見了冰山一角，尚需開展進一步的研究和探索。

1 基于低碳與成本約束的機電產品包裝模式

機電產品的包裝，受到客戶需求和產品物性的約束，產品的工件規格、運輸方式和去向等信息決定了對產品的包裝形式，基于低碳和低成本約束的機電產品包裝概念設計，是對包裝“雙需求”約束下的平衡和優化，因而，它需要對傳統的包裝模式進行繼承和創新，也就是將過去那種包裝概念設計的需求分析——功能原理設計——方案形成的流程進行分解和變形，成為：需求層——方法層——技術層——方案形成的模式，使低碳與成本控制在方法選擇與技術實現中得到約束，這也是對“雙需求”約束和“雙低”約束的分解，為“雙低”約束的實施選擇了獨立可行的途徑。

2 機電產品包裝概念設計低碳與成本的計算模型

2.1 機電產品包裝概念設計低碳計算模型

產品包裝的碳足跡可以分為實體碳足跡（LEn）和過程碳足跡（Lpr）兩個部分：

Lpk為機電產品包裝生命周期在概念設計階段的可控碳足跡。

實體與過程碳足跡的碳源除二氧化碳外，還應該包含其他溫室氣體(Greenhouse gas,GHG)排放源，GHG排放應按溫室氣體的質量衡量，并由全球增溫潛勢(Global warming potential,GWP)系數轉換成 二氧化碳當量排放，

式中的Gi表示第i類GHG氣體的GWP系數,Mi表示第i類GHG氣體排放量。

對于機電產品包裝而言，GHG的排放源可以分為土地變化、能源使用、設備運行、物流運輸、化學反應與廢棄物處理等等，各種因素的碳足跡計算要遵循下列原則。

（1）納入產品生命周期碳足跡計算的應當包括非二氧化碳的GHG氣體(如降解產生的CH4)、用于原材料轉變的GHG排放以及所有能源消耗或直接GHG排放源。但是，基于生物碳源產生的二氧化碳應當排除在外。如一般木質包裝材料的選取是建立在土地、森林以及固碳損失的基礎上，因此應當納入碳足跡計算中；而生物質秸稈包裝材料是對農作物的廢物利用，因秸稈損失的固碳不應該納入評估，不過，秸稈材料加工與合成的GHG排放與成本則應當計算在內。

（2）用于機電產品包裝的資產性商品的生產所產生的GHG在碳足跡計算時無需加以考慮，如貼標機、生產裹包機等儀器設備產生的GHG排放。而諸如濕度控制、溫度控制、貨架倉儲搬運消耗等由于機電產品包裝存儲而消耗的成本和能源在碳足跡計算時要予以考慮。

（3）碳足跡計算不能包含機電產品包裝各個環節中的的人體體能(如人工貼標)或運送人工產生的GHG排放；但是物流運輸系統排放以及運輸工具的空載返程或部分路段空載的排放量則要納入計算。

（4）機電產品包裝回收再利用所產生的GHG排放要納入碳足跡計算，其計算方法應以其生命周期排除使用階段的總排放量除以其預計再利用的次數。

基于以上碳足跡的量化原則，要以完備材料的創新性方法作為機電產品包裝概念設計階段的碳足跡評估準則，以實體和過程因素的每功能單位的GHG排放量形式記錄

式中ai表示實體或過程的排放因子；Vi表示實體或過程的直接或間接數據。實體數據包括了結構、材料等相關的要素，材料碳足跡的量化是根據材料數據與排放因子的乘積來獲得的，因為材料Mar與結構Str存在耦合關系，結構碳足跡的量化可以由結構因子和材料碳足跡構成，所以，實體排放可表達為

共同對結構因子起決定作用的因素包括有：機電產品的解體工藝或數量、產品的包裝標準和聯接關系以及結構深度等。過程數據是包裝制作、物流運輸、裝卸存儲、回收重用等一系列過程的物質或能量輸入或輸出，即

式中VMa表示包裝制作，VLo表示物流運輸，VLS表示裝卸存儲，VRe表示回收重用。

由于回收重用階段的碳足跡計算存在著消耗和抵消的加減共生特性，所以需要單獨處理

式中VRy表示回收成本，VLi表示廢棄成本，VRu表示重用成本。

2.2 機電產品包裝概念設計成本計算模型

出于衡量產品為低碳設計所付出成本代價的考慮，同時為了明確產生碳足跡的各實體和過程的低碳與成本平衡，機電產品包裝概念設計的成本計算，以低碳計算模式為參考，在相應的碳足跡實體與過程階段確定單位碳足跡成本，所以，機電產品包裝概念設計的成本計算可以表達為

實體成本跟結構、材料要素相關，并可由結構參數表達為

回收再利用成本的表達式為