基于工序模塊化的牛仔褲產品碳足跡核算與評價

駱 艷，周榮星，李新苗，朱俐莎，王來力，吳雄英，丁雪梅

(1.東華大學，a.服裝與藝術設計學院；b.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051； 2.浙江森馬服飾股份有限公司，浙江溫州 325000； 3.浙江理工大學，a.紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)；b.服裝學院，杭州 310018； 4.上海海關，上海 200135)

當前全球氣候系統正在發生重大變化。2021年10月，國務院發布《2030年前碳達峰行動方案》，對推進中國碳達峰工作作出總體部署[1]。該方案指出，工業生產是實現碳達峰和碳減排的重點領域。作為全球最大的紡織服裝產品生產國和出口國，中國紡織工業為納稅、就業、穩定世界供應鏈做出了巨大貢獻，在未來的發展中還將承擔起低碳發展的責任。《紡織行業“十四五”發展綱要》明確提出“到‘十四五’末，中國紡織行業單位工業增加值能源消耗、二氧化碳排放量分別降低13.5%和18%，綠色發展水平達到新高度”的發展目標[2]。

碳足跡是描述產品或服務從生產、運輸、消費到廢棄整個生命周期過程溫室氣體排放量的重要工具，已被應用廣泛于紡織服裝領域。Amin等[3]對孟加拉國3種棉針織品，即棉針織T恤、polo衫和羊毛夾克生產過程中的平均碳足跡進行了核算與評價；Chen等[4]基于PAS 2050規范對10種羊絨面料從原材料獲取到產品生產再到染整的碳足跡進行了評估；Qian等[5]計算并比較了原生聚酯紡織品和回收聚酯紡織品生產過程的碳足跡；李一等[6]核算了5種基本款牛仔褲從縫制到包裝過程的工業碳足跡；Morita等[7]調查了在巴西生產的牛仔褲供應鏈環節(包括棉花種植、紗線生產、織造和整理)的碳排放；Cheng等[8]以純棉牛仔夾克為研究對象，探究了裁剪、縫紉、整理3個環節的碳足跡。

上述研究大多局限于特定的產品生命周期階段(如原材料獲取階段、工業生產階段等)或生產工段(即工廠的一個車間內按生產過程劃分的基層生產組織，如紡紗工段、織造工段等)層面，無法推斷不同工藝之間的技術差異，導致所得結論缺乏針對性和可操作性。因此，構建更加精細化的、面向產品工序層級(即產品某個組成部分在一個工位上被加工或生產所連續完成所有工步的工藝過程，如紡紗工段中的清梳聯工序、并條工序等)的碳足跡核算模型對于提高核算結果精度，進而提出更具針對性的節能減排策略具有重要意義。然而，由于紡織服裝產品生產工序鏈復雜、加工模式差異大、涉及物料種類繁多，面向工序層級的碳足跡評價往往工作量龐大，加上大多數紡織服裝企業管理粗放，導致獲取“一手數據”困難。對此，有學者嘗試將模塊化理論引入碳足跡核算方法中，將復雜的紡織服裝產品系統分解成一系列獨立的碳足跡單元(模塊)，以厘清紡織服裝產品碳足跡核算時面臨的各種復雜影響因素及相互關系[9]。Luo等[10]基于文獻數據，對純棉牛仔褲進行了全生命周期的模塊化碳足跡評價，但該研究受二手數據源的限制，生產過程并未細分至工序層級。

牛仔褲作為經典的基礎款紡織服裝類單品之一，深受消費者青睞。根據JustStyle發布的一份全球市場分析報告顯示，2018年全球牛仔市場為573億美元，并預計2023年將達到600億美元，其中牛仔褲在所有牛仔產品中的市場占比超過75%[11]。然而，牛仔褲產品的高需求量也導致了其高資源消耗量和高污染物排放量，對牛仔褲產品開展碳足跡核算與評價具有較高的典型性和代表性。本文將在Luo等[10]的研究基礎上，結合模塊化理論和ISO 14067:2018《溫室氣體-產品碳足跡-量化要求及指南》、T/CNTAC 11—2018《紡織產品溫室氣體排放核算通用技術要求》，對三款牛仔褲產品進行工序層級的碳足跡評價，為面向紡織服裝產品的工業碳足跡核算與評價提供參考。

1 工序模塊化碳足跡核算

1.1 功能單位

根據ISO14067:2018和T/CNTAC 11—2018，功能單位是量化產品溫室氣體排放的參照單位。本文以1件牛仔褲產品為功能單位，選取男式、女式和兒童三款牛仔褲產品作為工序模塊化碳足跡的案例研究，其基本信息如表1所示。

表1 三款牛仔褲產品基本信息Tab.1 Basic information of three jeans products

1.2 核算邊界

牛仔褲產品工序模塊化碳足跡核算邊界可分為時間邊界和空間邊界，如圖1所示。時間邊界為從纖維進廠到成衣制作完成的一系列過程，具體包括紡紗、織造和制衣3個生產工段。每個工段又細分了多個生產工序。其中，紡紗工段包括清梳聯、并條、粗紗、細紗、自絡和成包工序；織造工段包括整經、染色與上漿、織造、后整理和檢驗工序；制衣工段包括裁剪、縫制、洗水和包裝工序。空間邊界包括產品生產區域、生產輔助區域(車間辦公室、太陽能系統)和企業運營區域的能耗(電、水、蒸汽、天然氣)、物耗(縫紉線、拉鏈、吊牌、紙箱、包裝袋等)。原料(如纖維)的耗用，廠房、機器設備等的使用維修和折損，以及工人日常生活等所產生的碳排放量占產品預期總碳排放量小于1%的被排除在核算邊界外；可忽略核算的總體排除項目不超過預計功能單位總碳排放量的5%。

注：自絡工序一般為織造工段織前準備的首道工序，而本文三款牛仔褲產品的生產工序鏈由生產企業提供，根據企業實際生產車間劃分情況，自絡工序被計算在紡紗工段的后道工序中圖1 基于工序模塊化的牛仔褲產品碳足跡核算邊界Fig.1 Carbon footprint accounting boundary for jeans based on process modularity

1.3 核算方法

紡織服裝產品生產加工過程具有生產工藝復雜多變、企業加工模式差異大、投入(能源、物料流)和產出(過程產品流)環節復雜、共生共用數據交叉且計量粗放等特點，導致產品工序層級碳足跡的量化核算面臨難測度、難量化、難應用的技術瓶頸。通過模塊化理論的引入，可將產品復雜多變的生產工序鏈分解為具有相對獨立性和明確特定功能的碳足跡單元(模塊)，如圖2所示。通過獲取生產過程中各工序細分數據，搭建產品碳足跡單元(模塊)數據庫，利用數據庫中模塊的選擇調用與積木式拼裝構建產品生產工藝鏈，利用有限的數據庫模塊解決數目龐大且種類繁多的產品碳足跡核算問題。

本文三款牛仔褲產品碳足跡的核算通過調用產品碳足跡單元(模塊)數據庫中相應的工序層級碳足跡單元(模塊)并進行組合拼裝完成。其中，各工序模塊的碳足跡核算方法如式(1)和式(2)所示：

CF(x)=CFprocess(x)+CFauxiliary(x)+CFoperation(x)

(1)

(2)

式中：CF(x)為工序模塊x的碳足跡，kg CO2e；CFprocess(x)為工序模塊x生產設備所產生的碳排放，kg CO2e；CFauxiliary(x)為生產輔助排放向工序模塊x歸集的碳排放，kg CO2e；CFoperation(x)為企業運營排放向工序模塊x歸集的碳排放，kg CO2e；CFitem(x)為工序模塊x中的某類碳排放，kg CO2e；ADj(x)為工序模塊x排放源j的活動數據，單位根據排放源確定；EFj為排放源j的排放因子，單位根據排放源確定。

通過工序模塊碳足跡值的累加進而得到功能單位產品的總碳足跡值(CFprod，kg CO2e)，如式(3)所示：

(3)

圖2 紡織服裝產品碳足跡模塊化分解Fig.2 Modular decomposition of carbon footprint for textile and apparel products

1.4 核算數據

本文核算過程所調用工序模塊的原始數據均為實地調研的一手數據，由中國某知名服裝品牌供應商(江蘇省某紡紗廠、廣東省某織造廠和某制衣廠)提供，數據收集的時間范圍是2021年5月至10月。數據收集盡可能以設備的三級計量數據為先，公司提供的年度與月度數據、現場實測數據以及工藝流程卡上的數據可用于彌補三級計量的缺失，當以上數據均不可得時，采用設備操作人員的經驗數據。

由于紡紗、織造和制衣整個流程涉及的產品種類繁多，且生產工藝各不相同，為更精確地分配碳排放量，形成完整的碳足跡分布與數據構成，在碳足跡核算邊界內，將相關數據劃分為生產設備碳足跡、公用生產輔助碳足跡及企業運營碳足跡3個層次，如圖3所示。

圖3 牛仔褲產品工序模塊碳足跡數據構成Fig.3 Composition ofcarbon footprint data for the process module of jeans products

核算過程中各種能源和物料的碳排放因子主要來源于2019年度減排項目中國區域電網基準線排放因子和參考文獻[12-15]，包括生產過程中使用的電、水、蒸汽、天然氣、包裝材料(如塑料袋、編織袋、膠帶、紙箱等)以及生產用輔料(如拉鏈、紐扣、洗水嘜、吊牌等)。此外，蒸汽的碳排放因子根據企業提供的蒸汽溫度(170 ℃)和壓力(0.7 MPa)計算得出。由于缺乏污水處理過程的調查數據以及產品染整過程各種染料助劑的碳排放因子，因此污水處理過程的碳足跡和生產過程染料助劑的碳足跡沒有計算在內。

2 結果與分析

2.1 產品碳足跡

根據三款牛仔褲產品生產工藝鏈信息選擇調用相應的工序模塊，并通過組合拼裝得到功能單位產品碳足跡值，如圖4所示。由圖4可知，男式、女式和兒童牛仔褲在核算邊界內的碳足跡分別為7.30 kg CO2e/件、7.24 kg CO2e/件和4.16 kg CO2e/件。其中，制衣工段碳足跡在三款產品中均最大，其次為織造工段，紡紗工段最小。在三款產品中，男式和女式牛仔褲的碳足跡結果接近，而兒童牛仔褲碳足跡約為成人牛仔褲的57%。三款產品所使用的面料及生產加工工藝基本相同，造成兒童牛仔褲與其他兩款牛仔褲產品碳足跡結果差異的原因主要是兒童牛仔褲的單件重量小，導致單件成衣的面料耗用量也較小。此外，兒童牛仔褲在款式上也與成人牛仔褲略有不同，后者比前者多了一個裝飾嘜，如表1中款式圖所示，因此兒童牛仔褲在制衣工段的碳足跡更小。

圖4 三款牛仔褲產品碳足跡Fig.4 Carbon footprint of three jeans products

2.2 工序碳足跡

三款牛仔褲產品各工序模塊的碳足跡結果如 圖5 所示。由圖5可知，對于男式和女式牛仔褲，制衣工段中的縫制工序碳足跡最大，分別占產品碳足跡的28.70%和28.95%，占該工段碳足跡的72.33%。這是由于該工序使用的物料較多、流程長，包括拉鏈、縫紉線、紐扣、尺碼嘜、洗水嘜、裝飾嘜等。其中，由于裝飾嘜重量較大(0.05 kg/件)，其產生的碳足跡比重也較大，約占該工序的61%。對于兒童牛仔褲，染色與上漿工序碳足跡最大，占產品碳足跡的20.39%，占織造工段碳足跡的53.13%。原因在于該工序需要耗用大量蒸汽(2.94 kg/件)。盡管兒童牛仔褲不附加裝飾嘜，但縫制工序仍涉及其他物料的使用，導致該工序也產生了較大碳足跡，相對制衣工段總碳足跡占比50.29%，僅次于染色與上漿工序。

根據上述分析，對于男式和女式牛仔褲產品，優化裝飾嘜的設計，選擇更加環保的原材料，可以大大減少縫制工序的碳足跡，進而減少整個產品的碳足跡；對于兒童牛仔褲，可以通過改善現有的牛仔褲生產工藝，采用新型染色技術，節約染色與上漿工序中的蒸汽耗用量，從而減少產品碳足跡。

圖5 三款牛仔褲產品的工序模塊碳足跡Fig.5 Carbon footprints of process modules for three jeans products

2.3 排放源分析

三款牛仔褲產品工業生產過程涉及各類能源和物料的投入使用，產生了相應的碳排放，結果如圖6所示。由圖6可以看出，在紡紗工段，電力產生的碳足跡最大，約占三款牛仔褲產品該工段碳足跡的92.54%。這是由于該工段的生產設備均會耗用大量電力，同時其他能源和物料的使用較少。在織造工段，蒸汽和電力的占比較大，分別約占52.18%和45.12%。一方面，織造工段中的染色與上漿工序和后整理工序均會耗用蒸汽，尤其是染色與上漿工序，對于蒸汽的需求量非常大；另一方面，牛仔褲產品織造工段加工工序繁多，并且所有工序都會耗用電力，從而產生了較大碳足跡。在制衣工段，包括尺碼嘜、洗水嘜、裝飾嘜等在內的物料對于男式和女式牛仔褲該工段的碳足跡貢獻最大，約占49.84%，尤其是裝飾嘜，因其重量較大，所產生的碳足跡也相對較大。對于兒童牛仔褲，由于在縫制工序中不涉及裝飾嘜的耗用，因此相比兩款成人牛仔褲產品，其在制衣工段由嘜引起的碳足跡偏小。相較之下，貢獻更大的是電力和紐扣，分別占兒童牛仔褲制衣工段碳足跡的27.67%和21.80%。

圖6 三款牛仔褲產品碳足跡排放源構成Fig.6 Emission source composition of the carbon footprint for three jeans products

基于上述分析，可以發現電力對牛仔褲產品各生產工序的碳排放產生了重大影響。因此，通過采用清潔電力(風電、光伏電、核電等)，可顯著減少三款牛仔褲產品的碳足跡。例如，生產中若全部采用光伏電力替代傳統電力(即火電)，男式和女式牛仔褲的碳足跡總體可減少約43%，兒童牛仔褲可減少約48%。

3 結 論

為解決紡織服裝產品工業碳足跡評價面臨的難測度、難量化和難應用問題，研究采用基于模塊化理論的碳足跡核算與評價方法，對三款牛仔褲產品從紡紗、織造到制衣過程的碳足跡進行了核算。通過工序層級的模塊化碳足跡評價可識別出更為明確的碳排放貢獻者，從而提出更有價值的節能減排策略，主要結論如下：

a)男式、女式和兒童牛仔褲的碳足跡分別為7.30 kg CO2e/件、7.24 kg CO2e/件和4.16 kg CO2e/件。

b)在核算邊界內，縫制工序對男式和女式牛仔褲的碳足跡貢獻最大，分別占28.70%和28.95%；染色與上漿工序占兒童牛仔褲碳足跡的20.39%，在所有生產工序中貢獻最大。

c)男式和女式牛仔褲縫制工序碳足跡占制衣工段碳足跡的72.33%，優化裝飾嘜的設計，選擇更加環保的原材料，可減少該工序的碳足跡；對于兒童牛仔褲，染色與上漿工序占織造工段碳足跡的53.13%，采用新型染色技術，節約蒸汽耗用量，是減少該工序碳足跡的關鍵。

d)電力對三款牛仔褲產品各生產工序的碳足跡均產生了重大影響。通過采用清潔電力，如風電、光伏電、核電等，可顯著減少三款牛仔褲產品的碳足跡。