Overview of cold chain development in China and methods of studying its environmental impacts
Yabin Dong, Ming Xu,and Shelie A Miller
Abstract
The cold chain (refrigerated supply chain)is an important application of refrigeration technologies.The capacity of the cold chain industry is growing rapidly in emerging economies such as China, leading to significant environmental impacts, especially greenhouse gas(GHG) emissions. By conducting the literature review, this study begins with presenting a comprehensive overview of the cold chain industry in China. We observed that China has a large total cold warehouse capacity but low capacity per capita. Then, we directly link the example of the cold chain in China to the methods of evaluating the GHG emissions from the cold chain industry. It is observed that existing studies either primarily focus on the lifecycle of food with less consideration on the cold chain facilities or primarily focus on the lifetime of a certain stage of the cold chain (e.g., refrigerated transportation)with less
consideration on food. Neither frameworks capture the entire cold chain system. Moreover, we argue that existing studies lack investigations of the cold chain GHG emissions on the national scale. To evaluate the overall GHG emissions, we recommended that one can use the bottom-up approach. First, use the lifecycle assessment(LCA)to estimate the single-unit level(e.g., one kg food, one particular refrigerated warehouse) cold chain emissions. Second, aggregate up to the national scale by the distribution patterns of the cold chain networks. Finally, we identify the crucial future issues regarding collecting cold chain lifecycle inventory data, investigating the cold chain network and the overall environmental impacts in China, regulation and technology needs for expanding the clean refrigeration technologies, and the implications of the cold chain development to water, land, and society.
Keywords:
cold chain, green house gas emissions, China, refrigeration,life cycle assessment
1. Introduction
The refrigerated supply chain, or the lsquo;cold chainrsquo;, is essential to maintain the quality of perishable products(e.g.,fresh food, pharmaceuticals, vaccine) by preventing the spoilage of products and preserving their value (Global Cold Chain Alliance, no date; Heard and Miller 2016). This paper will focus on the food cold chain, which accounts for nearly 75% of the cold chain market share in 2018 (Grand View Research 2019). In the food system, the cold chain is defined as the portion of the supply chain between the point of slaughtering or harvesting and the point of purchasing by consumers(Global Cold Chain Alliance, no date; Wang and Yip 2018). According to James and James(James and James 2010), over 200 million tons of perishable food products are lost in developing countries due to insufficient cold chain facilities; hence, it is critical to develop the cold chain industry. In developed countries, the cold chain carries more than 90% of fruits and vegetables and almost 100% of meat and poultry products(Yuan et al 2015). In developing countries, although the cold chain coverage is still relatively low, it is experiencing rapid expansion, especially in India and China (Salin 2018). The purpose of this paper is to provide insights into the development drivers and current status of the cold chain in China and directly links the big picture of the cold chain in China and its environmental impacts.
The cold chain is a prosperous industry and the global growth rate of the cold chain market value is expected to be over 15% from 2019 to 2025 (Grand View Research 2019). Particularly, the cold chain is growing rapidly in China, exceeding $23 billion in 2015, and being expected to reach $56 billion in 2020 (Teng and Chen 2017). The significant development of the cold chain could potentially reduce the food losses in China. It is reported that China lost about 12 million tons of fruits, 130 million tons of vegetables, and 6.9 million tons of meat products owing to improper storage and refrigeration in 2015 (Hu et al 2019). It is also reported that 8% and 25% of grains are lost at the storage and transportation stage every year in 2014 due to poor storage and transportation conditions(Jiang and Jiang 2015). Consider that China consumes 60% of vegetables, 30% of fruit and meat, and 40% of eggs and aquatic products of the total world production (Wang and Yip 2018), even a small reduction in the percentage of food losses achieved by the cold chain can be significant in the absolute food quantity saving.
As a consequence of food losses, the annual losses in the food industry is approximately $750 billion due to improper facilities and handling (US Department of Commerce 2016). Moreover, the lost food leads to the waste of invested natural resources to produce the food, which is corresponding to 4.4 gton CO2 equivalent (CO2-eq) greenhouse gas(GHG) emissions according to an article in 2017 (Rezaei and Liu 2017). Hence, a fully integrated cold chain has the potential to reduce food losses and its associated carbon emissions and economic losses(US Department of Commerce 2016, Rezaei and Liu 2017). However, it is worth noting that increasing cold chain facilities could lead to significant GHG emissions through refrigerant leakage and energy consumption. In a paper published in 2010 (James and James 2010), it is reported that the cold chain accounts for 1% of global CO2 emissions, and refrigeration used 15% of world electricity. In a report published in 2007 (Garnett 2007), Garnett estimated that food refrigeration contributed to 3%–3.5% of GHG emissions in the UK. During 2010 and 2018, the global refrigerated warehouse capacity increased from 458 million m3 to 616 million m3, which consequently requires more energy and generates more refrigerant leakage emissions(Salin 2010, 2018).
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中国冷链发展概况及其环境影响研究方法
关键词：冷链，温室气体排放，中国，制冷，生命周期评估
摘要
冷链（冷藏供应链）是制冷技术的重要应用。在中国等新兴经济体，冷链产业的产能正在迅速增长，导致了重大的环境影响，尤其是温室气体排放。本研究首先对我国冷链产业进行了全面的综述。我们观察到，中国的冷库总容量很大，但人均容量较低。然后，我们将中国冷链的实例直接与评估冷链行业温室气体排放的方法联系起来。据观察，现有的研究或主要侧重于食品的生命周期，而较少考虑冷链设施，或主要侧重于冷链某一阶段（如冷藏运输）的生命周期，而较少考虑食品。这两个框架都没有涵盖整个冷链系统。此外，我们认为，现有的研究缺乏对国家规模冷链温室气体排放的调查。为了评估温室气体的总体排放量，我们建议可以采用自下而上的方法。首先，使用生命周期评估(LCA)来估计单个单位水平（例如，一个公斤食品，一个特定的冷藏仓库）冷链排放量。第二，通过冷链网络的分布模式聚合到国家规模。最后，确定了未来的关键问题，包括收集冷链生命周期库存数据、调查中国的冷链网络和总体环境影响、扩大清洁制冷技术监管和技术需求，以及冷链发展对水、土地和社会的影响。
1.引言
冷藏供应链，或称“冷链”，对于保持易腐烂产品（如：新鲜食品、药品、疫苗）的质量至关重要（全球冷链联盟，无日期；赫德和米勒，2016）。本文将以食品冷链为重点进行研究。2018年，食品冷链占据将近75%的冷链市场份额（大观研究，2019）。在食品系统中，冷链的定义是供应链中从屠宰或收割点到消费者购买点之间的过程（全球冷链联盟，无日期；王、叶，2018）。据称(James and James 2010)，由于冷链设施不足，发展中国家损失了超过2亿吨易腐食品。因此，发展冷链产业至关重要。在发达国家，90%以上的水果和蔬菜，以及几乎100%的肉类和家禽产品通过冷链进行运输（袁等人，2015）。在发展中国家，尤其是印度和中国，虽然冷链覆盖率仍相对较低，但正处在快速发展的时期（萨林2018）。本文旨在研究中国冷链发展的驱动因素和现状，并直接联系中国冷链及其环境影响进行分析。
冷链是一个繁荣的产业，预计2019年至2025年，全球冷链市场价值的增长率将超过15%（大观研究，2019）。中国冷链发展迅速，2015年冷链市场额度超过230亿美元，预计2020年将达到560亿美元（滕和陈，2017）。据报道，由于储存和冷藏不当，2015年中国损失了约1200万吨水果、1.3亿吨蔬菜和690万吨肉制品（胡等人，2019）。由于储存和运输条件不佳，2014年每年有8%和25%的谷物在储存和运输阶段损失（蒋，江，2015）。中国消耗世界总产量中60%的蔬菜、30%的水果和40%的鸡蛋以及水产品（王，易，2018）。即使冷链造成的粮食损失百分比小幅下，也能对节省绝对粮食数量发挥重要作用。
由于设施和处理不当而造成食品损耗，食品行业年损失约7500亿美元（美国商务部，2016）。此外，损失的食品导致浪费为生产食品而投入的自然资源，这相当于4.4吨二氧化碳当量（CO2-eq）的温室气体（GHG）排放。因此，一个完全一体化的冷链有可能减少食物损失及其相关的碳排放和经济损失（美国商务部，2016年，Rezaei和Liu，2017）。然而，值得注意的是，增加冷链设施可能会通过制冷剂泄漏和能源消耗导致大量温室气体排放。在2010年发表的一篇论（James and James 2010）中，称冷链二氧化碳排放量占全球总排放量的1%，制冷耗能占世界电力的15%。在2007年发表的一份报告（Garnett 2007）中，加内特估计，食品制冷所排放的温室气体占英国温室气体排放量的3%到3.5%。在2010年和2018年期间，全球冷藏仓库容量从4.58亿立方米增加到6.16亿立方米，因此需要更多的能源并产生更多的制冷剂泄漏排放（Salin 2010, 2018）。根据绿色冷却倡议(Green Cooling Initiative)的数据，2010年至2018年，制冷排放在全球温室气体排放中的比例保持在3.5%（绿色制冷倡议2020，国际能源署2020）；然而，人们应该意识到，制冷行业和全球的温室气体绝对排放量已经增加。为了实现《巴黎协定》（2015《巴黎协定》）提出的1.5℃或2℃的路径，此后全球排放量以及制冷排放量都应该出现峰值并呈下降趋势，而排放数量的增加是不可取的（气候行动跟踪器，2020）。因此，在考虑冷链技术的好处时，关键是要在减少食物损失和增加冷链产业的排放之间找到平衡点（胡等人，2019，吴等人，2019年）。
为了推动冷链产业快速发展，研究人员对冷链物流的价值链(王和易，2018)运营管理政策（张等人，2018；Abouee Mehriziet等人，2019年；Estrada Moreno等人，2019）、以及其生命周期内的温室气体排放（赫德等人，2019；胡等人，2019；吴等人，2019）进行了研究。此外还对冷链进行了回顾性研究（James and James 2010；赵等人，2018），以展示行业的大图景，并提出对策。但这些回顾研究主要展示收集的历史数据，并没有提出评估环境影响的新方法。本文首先以我国冷链产业为例，分析了我国冷链产业发展动因和现状，并将其与环境影响评估方法相联系。本文还指出，目前还不清楚随着冷链全球化，环境的总体影响因素是什么。为了解决这一问题，我们根据不同的生命周期边界定义提出了两种视角（基于生命周期评价），以评估国家层面的温室气体排放总量，讨论造成全球变暖的温室气体排放对环境的影响。
为了进行回顾性研究，我们选取了中英文学术期刊出版物以及政府和行业报告。所选文章包括同行评审期刊、中英文政府及行业报告。收集同行评审期刊来自科学网核心收藏，其中包括2000至2019年间的搜索关键词：(一)冷链、中国和食品；(二)冷链和足迹；(三)易腐和供应链管理。政府和行业报告主要来自中国国家统计局（中国国家统计局2020年）、粮农组织（Jiang and Jiang 2015, Rezaei and Liu 2017）、食品与气候研究网（Food Climate Research Network）、美国农业部（US Department of Agriculture）和联合国环境规划署（United Nations Environment Programme 2018a，2018b, 2018c）。接下来，这些文章按两个标准进行筛选：冷链是否与食品系统有关，或者冷链研究是否包括对环境影响的讨论。相应地，删除不相关的文章，并将所选的文章归纳为三类：经济、技术和环境。具体而言，经济学范畴包括中国冷链发展动因及冷链现状。技术类别包括冷链物流管理和制冷技术信息。环境类包括环境影响研究的材料。最后，对94篇文章进行回顾并纳入参考文献。此外，中国的宏观经济数据（如国内生产总值、人口、粮食生产）来自中国国家统计局（National Bureau of Statistics of China 2020）。关于冷库产能和冷藏车数量的信息主要来自全球冷链联盟(Salin 2018)和云端软件(wareincloud)的行业报告。
总的来说，本文的结构如下：第2节简要介绍了冷链物流和制冷技术的机械原理；第3节概述了中国冷链的发展动因和现状；第4节回顾了现有研究对环境影响的评价，并提出当前研究的不足之处。最后，第5节探讨了未来冷链发展的关键问题。
2.冷链物流与制冷技术
冷链是一种独特的供应链类型。由于温控设备的运行和易腐产品的保质期有限，食品的易腐性需要特殊的物流过程，对环境的整体要求比非易腐产品更高。因此，在评估我国冷链产业及其对环境的影响之前，首先要了解冷链物流和制冷技术的机械原理和运行机制。完整的冷链服务周期是从食品生产到消费活动，它主要包括预冷/加工（如冷冻、包装）、冷藏仓储、冷链运输和配送以及冷链零售。
预冷是冷链的第一步（Kayalvizhi等人，2017；Elik等人，2019），预冷的目的是使收采后或加工后食品达到最佳的储存温度（Lyu等人，2015；Mercier等人，2017）。一般来说，易腐食品在收获后阶段的温度最高。因此，预冷可以有效降低现场热量，延长易腐产品的储存寿命。研究发现，预冷水果在0~2摄氏度的冷链环境下能够保证质量。预冷技术包括传统的仓库预冷法和先进技术，如水冷、强制空气预冷和真空冷却（赵等人，2018）。尤其是强制空气预冷，非常有效的且应用简单、成本低。因此，与大型预冷装置和基础设施相比，强制空气预冷更是有发展潜力。
冷藏储存（仓库和零售）和冷藏运输依靠的是基于热力学制冷循环的制冷技术，包括制冷剂的蒸发、压缩、冷凝和膨胀。冷藏库的压缩机通常由电力驱动，而冷藏车的压缩机则由汽车发动机、电动机或辅助发动机驱动（塔苏等，2009；吴等，2013）。制冷剂是制冷系统中的工作流体。目前，氟氯烃（HCFCs）、氢氟碳化合物（HFCs）、R744（CO2）和R717（NH3）被广泛用于冷藏储存设施（Beshr etal 2015，Sawalha、Karampour，Rogstam 2015，Gullo etal 2016）。冷藏车主要使用氢氟碳化合物（HFCs）作为制冷剂。这些制冷系统是封闭式设计，但由于制冷剂泄漏和报废处置，仍然会导致温室气体排放。广泛用氟氯烃（如R22）具有臭氧消耗效应，传统的氢氟碳化合物具有很高的全球升温潜能值（GWP）。制冷剂泄漏会直接导致严重的气候变化。《蒙特利尔议定书》提议逐步淘汰臭氧消耗制冷剂（氟氯烃），《蒙特利尔议定书基加利修正案》还提议逐步淘汰全球升温潜能值较高的制冷剂（氢氟碳化合物）（联合国条约汇编，1987年，2016）因此，预计未来清洁制冷剂的普及率会更高。此外，制冷设施的温室气体排放也来自能源消耗，约占冷链设施温室气体排放总量的70%-80%（国际制冷学会，2015绿色制冷倡议，2020）。每个冷链阶段的温室气体排放总量因食品、温度条件和储存时间而异（Hoang等人2016，Heard等人2019）。一个冷链初级活动排放贡献的例子可以参考（Hoangetal2016）。Hoang（Hoangetal2016）发现，大约40%的温室气体排放来自生产和冷藏仓库，类似的35%的排放来自长途冷链运输，其余部分来自短途冷链运输和冷藏零售展示柜。
除初级活动外，制冷剂和冰箱制造及冷链运营管理活动也是必不可少的。制造业提供必要的制冷设备和制冷剂，运营管理提高了冷链资源的利用效率。开发先进的运营管理平台，增加上下游之间的联系下游冷链各方。学者谢某和乔杜里开发了一个“大数据”框架，以改进冷链物流的运营，该框架可以有效整合冷链的不同阶段并提高其运营效率（Sari 2010）。
3.冷链发展：驱动因素和现状
总的来说，中国冷链产业的现状与中国经济有着相似的模式，中国冷链产业的总产能很大，但人均占有率仍然相对较低。此外，现有的冷链资源分布不均，无法公平地为中国人口服务。中国西部和北部冷链的发展落后于南部和东部。这种状况是由中国的经济增长、粮食需求变化和冷链法规造成的，以下各节将对此进行讨论。此外，中国的人口分布、农作物分布也与冷链资源布局密切相关。
3.1.经济增长与需求的变化
丰富的冷链资源是生活水平高的标志（袁等人，2015）。图2（略）显示了2018年一些国家的人均GDP和人均冷库容量。该趋势表明，如果一个国家的人均GDP较高，则其冷库资源往往较多。发达国家的平均冷库容量明显高于发展中国家，这表明经济发展水平与冷链发展水平有密切关联。过去几十年来，我国经济的快速经济增长推动了城市化发展和收入的增加，推动了冷链的发展。因此，中国的冷库容量从2010年的5400万立方米增加到2018年的1.05亿立方米（Salin 2010， 2018）。
冷链发展与食品生产和消费、供应链以及食品质量需求变化相联系。中国谷物消费下降，粮食生产结构向高价值农产品倾斜，包括水果、蔬菜、畜产品和水产品（加内特和威尔克斯，2014）。2018年，高价值产品占农业生产总量的64.1%比2000年高出6.3%。高价值产品的增加和冷链扩张是相互联系的。研究发现，中国的食品供应链在不断延长。冷链延长了新鲜水果、蔬菜、肉类和水产品此类保质期较短商品的供应链。园艺作物、水产品和肉类分别占中国冷链产业总市场价值的44.8%、29.9%和12.6%（李，2016）。此外，高标准的食品安全和质量是冷链发展的另一个重要驱动力。由于供应链环境的严格控制，冷链在一定程度上具有提高食品安全和质量的自然优势。综上所述，经济发展和人们对安全优质食品的需求推动了中国冷链市场的发展。
3.2.冷链法规和标准
我国针对冷链行业颁布了冷链法规标准条例和行业新规，目的是维护食品质量。食品安全是食品行业的首要问题。2008年，受三聚氰胺污染的牛奶事件引起了公众对食品安全的深切关注（余和华图科，2016；康，2019）。2015年，中国开始实施修订后的《食品安全法》，该法强调了对食品市场的检查，明确了从生产到消费的其他规定（全国人大，2015年；赵等，2018年）。现行的《食品安全法》是2018年的修订版。关于冷链法规，学者赵某等人发现有超过200条关于农业产品的生产、处理、储存和运输的标准。然而，这些标准大多仅涵盖食品物流的某一阶段，而专门针对冷链的国家标准不超过20个。此外，这些标准大多是推荐性的，实际上难以实施，对冷链行业的影响有限。第一项强制性国家标准（GB31605-2020）于2020年通过，并将于2021年3月在冷链市场上实施（中华人民共和国国家卫生健康委员会，2020）。这一强制性国家标准对整个冷链过程进行规范，包括管理和记录规则、温度
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