產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中不確定度與敏感度相結(jié)合的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

陳 莎,李燚佩,曹 磊,劉尊文,陳迎新 (.北京工業(yè)大學(xué)區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 004；.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境認(rèn)證中心,北京 0009；.中國(guó)印刷技術(shù)協(xié)會(huì),北京 00085)

為減緩氣候變化,將全球溫室氣體濃度控制在安全范圍之內(nèi),有關(guān)溫室氣體減排、碳足跡評(píng)價(jià)等問題已經(jīng)引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注.碳足跡評(píng)價(jià)中涉及的數(shù)據(jù)量大且不易獲取[1],需對(duì)數(shù)據(jù)有選擇性地分析,這將直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性[2].同時(shí),碳足跡評(píng)價(jià)過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)誤差、關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺乏、數(shù)據(jù)代表性不足、核算模型和分配方法的選取等不確定因素[3-4].收集到的數(shù)據(jù)是否可靠,對(duì)數(shù)據(jù)的種類、來源、獲取途徑及客觀量化處理方法如何選擇,已成為制約碳足跡評(píng)價(jià)方法應(yīng)用的最大因素[5-6].因此,判斷和量化輸入數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果所產(chǎn)生的不確定性是碳足跡評(píng)價(jià)結(jié)果分析的重要組成部分,它可為研究者選擇更為可靠的數(shù)據(jù)來源[7-8],并有效地優(yōu)化數(shù)據(jù)收集方案,從而促進(jìn)產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用和發(fā)展.

目前,有關(guān)碳足跡評(píng)價(jià)中數(shù)據(jù)不確定度對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果所產(chǎn)生影響的研究較少,且側(cè)重不一,缺少相對(duì)簡(jiǎn)單、易行的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方法.本文建立了結(jié)合敏感度與 DQI-Monte Carlo的數(shù)據(jù)不確定度定量分析方法.首先通過敏感度分析識(shí)別出產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中的主要數(shù)據(jù),再結(jié)合DQI-Monte Carlo不確定度分析方法對(duì)主要數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量判定,甄選出碳足跡評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù),并據(jù)此有針對(duì)性地提出數(shù)據(jù)質(zhì)量改進(jìn)意見,從而有效地優(yōu)化數(shù)據(jù)收集,減少評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度.建立的方法應(yīng)用于我國(guó)某塑料軟包裝印刷企業(yè)的印刷前階段碳足跡評(píng)價(jià),驗(yàn)證了方法的可行性.

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模型

產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)收集的數(shù)據(jù)主要包括:企業(yè)年度統(tǒng)計(jì)/報(bào)表、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或?qū)嶒?yàn)?zāi)M等初級(jí)活動(dòng)水平數(shù)據(jù);現(xiàn)有碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)、正式出版的文獻(xiàn)/論文、各類統(tǒng)計(jì)年鑒、行業(yè)協(xié)會(huì)提供的分析資料等次級(jí)數(shù)據(jù)[9].

本文建立的基于敏感度和不確定度方法的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模型,流程如圖1所示.

圖1 產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模型流程Fig.1 Data quality analysis model of the carbon footprint assessment for products

1.1 敏感度分析

敏感度分析是通過測(cè)定一個(gè)或多個(gè)不確定因素的變化,了解各因素變化對(duì)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的影響程度[11].本文采用單因素敏感體法,在僅有一個(gè)參數(shù)變動(dòng) 1%的情況下,采用敏感度參數(shù)來定量描述輸入變量的重要性程度,計(jì)算公式如(1)所示[12].

式中,Ei是輸入變量 Fi的敏感度系數(shù);ΔFi表示輸入變量 Fi的變化率%,為 1%;ΔAi表示輸入變量Fi發(fā)生 ΔFi變化率時(shí),評(píng)價(jià)結(jié)果 A的相應(yīng)變化率(%).

|E|越大,表明評(píng)價(jià)結(jié)果A對(duì)輸入變量F越敏感,即這一數(shù)據(jù)在相應(yīng)的單元過程中對(duì)結(jié)果的影響最大.

1.2 DQI-Monte Carlo不確定度分析法

不確定度分析(UA)是指因數(shù)據(jù)的估計(jì)誤差或無法預(yù)期的變動(dòng)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果所產(chǎn)生影響進(jìn)行分析.

本文建立了數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)(DQI)法與蒙特卡模擬(Monte Carlo Simulation)相結(jié)合的數(shù)據(jù)不確定度分析方法.

1.2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)法 數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)法是采用譜系矩陣,從統(tǒng)計(jì)代表性、時(shí)間代表性、數(shù)據(jù)來源、地理代表性、技術(shù)代表性等屬性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)分分級(jí)以辨別數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的方法.雖然對(duì)各指標(biāo)的賦值并非數(shù)據(jù)質(zhì)量的具體量化值,不同研究中的指標(biāo)賦值大小各異[13-16],也不能直接轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的概率分布函數(shù),但并不影響對(duì)碳足跡評(píng)價(jià)各單元過程內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析結(jié)果.DQI方法的優(yōu)點(diǎn)在于無論選取指標(biāo)值的異同,都能方便地發(fā)現(xiàn)特定研究項(xiàng)目下存在的典型數(shù)據(jù)質(zhì)量問題.但該方法有一定的主觀性,常常需要結(jié)合其他方法進(jìn)行不確定度分析.

本文基于國(guó)內(nèi)外的研究成果,建立了我國(guó)碳足跡評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)表,如表1所示.

1.2.2 蒙特卡洛模擬法 蒙特卡洛模擬法是一種不確定性隨機(jī)模擬分析法,是將某一原始輸入數(shù)據(jù)經(jīng) n次重復(fù)抽樣,所構(gòu)成的概率分布代表數(shù)據(jù)質(zhì)量的不確定度[17].常用的蒙特卡洛模擬分析軟件也較多,包括Simpro,gabi,ECO-KCL等.在應(yīng)用蒙特卡羅模擬方法前,需對(duì)原始數(shù)據(jù)取值范圍的統(tǒng)計(jì)分布狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置,常見的有4種:正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、均勻分布和三角分布[18].通常假設(shè)為正態(tài)分布類型.

表1 數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)及不確定度Table 1 Data quality indicators and uncertainties

目前,Monte Carlo模擬法也廣泛應(yīng)用于碳足跡評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)分析中,例如土豆碳足跡、牛奶制品的全球變暖潛力,電力生產(chǎn)中生命周期清單等[19-22].蒙特卡洛模擬法的最大優(yōu)點(diǎn)是可將輸入數(shù)據(jù)的不確定性表達(dá)得比較清楚,不足是未能考慮碳足跡評(píng)價(jià)中數(shù)據(jù)質(zhì)量的具體特征.

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析模型

基于 DQI-Monte Carlo的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方法,可簡(jiǎn)單易行地分析產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題.其中,產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中輸入數(shù)據(jù)的不確定度將隨核算方法等不斷累積至最終的評(píng)價(jià)結(jié)果上.本文的不確定度分析分為輸入數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)結(jié)果2部分.

1.3.1 敏感度分析 對(duì)數(shù)據(jù)敏感度的分析,主要是對(duì)敏感度系數(shù)的求解,步驟如下:

在產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)的系統(tǒng)邊界內(nèi),將研究對(duì)象逐項(xiàng)列出,包括某碳排放源的碳排放結(jié)果、收集到的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)、物耗/能耗的碳排放系數(shù)、交通運(yùn)輸距離、交通運(yùn)輸碳排放系數(shù)等;

將研究對(duì)象增加 1%,結(jié)合由此產(chǎn)生的總碳排放結(jié)果增加率,得到此研究對(duì)象的敏感度系數(shù);

在同一研究層面上,將各變量敏感度系數(shù)的大小進(jìn)行比對(duì),值越大,表明最終的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)該研究對(duì)象越敏感,是產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中的主要數(shù)據(jù).

1.3.2 輸入數(shù)據(jù)的不確定度分析 輸入數(shù)據(jù)包括活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和碳排放系數(shù)2種,來源可為初級(jí)數(shù)據(jù)和次級(jí)數(shù)據(jù).基于研究對(duì)象的系統(tǒng)邊界,對(duì)所有輸入輸出碳排放項(xiàng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,步驟如下:

(1)結(jié)合DQI表,辨識(shí)出收集過程中的數(shù)據(jù)特點(diǎn)(包括技術(shù)覆蓋面、時(shí)間跨度、地域范圍、數(shù)據(jù)來源等),得到這一數(shù)據(jù)的1×5DQI矩陣.

(2)根據(jù)DQI矩陣,計(jì)算出數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)基于最高賦值 5的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,經(jīng)由蒙特卡洛模型模擬,得到活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和碳排放系數(shù)的不確定度分別為Ua和Uf.

以表 3中的電力活動(dòng)水平數(shù)據(jù)為例,根據(jù)DQI表得到這一 2kWh耗電量的 DQI矩陣為(4,5,5,5,5),經(jīng)蒙特卡洛模擬后,可知該數(shù)據(jù)的Ua=4.99%.

1.3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度 政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)指出,在確定了活動(dòng)水平數(shù)據(jù)、碳排放系數(shù)的不確定度后,可將其合并,以提供總清單的不確定度估算[23].本文采用誤差傳遞的方法確定評(píng)價(jià)輸入數(shù)據(jù)的不確定度在結(jié)果中的傳播.不確定度越高,在產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中對(duì)優(yōu)化評(píng)價(jià)結(jié)果越重要,為重點(diǎn)數(shù)據(jù).

(1) 單一碳排放結(jié)果的不確定度

產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中,根據(jù)誤差傳遞對(duì)某一碳排放源碳排放結(jié)果進(jìn)行不確定度計(jì)算的公式如(2)所示.

式中,Ui是碳排放源 i的碳排放結(jié)果的不確定度;EMi1、EMi2分別為碳排放源 i的直接碳排放量和因交通運(yùn)輸所產(chǎn)生的碳排放量;Uti為碳排放源i的運(yùn)輸距離的不確定度;Uai、Ufi、Ufti分別為碳排放源i的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)(即物耗/能耗的單位功能單位下的消耗量)、活動(dòng)水平碳排放系數(shù)和運(yùn)輸方式碳排放系數(shù)的不確定度.

(2) 評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度

產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)的結(jié)果,是由各碳排放源的碳排放量相疊加得到,根據(jù)誤差傳遞的原理得到其不確定度的計(jì)算公式如(3)所示:

式中,U是最終碳排放結(jié)果的不確定度;EMi是碳排放源 i的總碳排放量,為直接碳排放量與交通運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量之和.

2 應(yīng)用示例

根據(jù)我國(guó)印刷行業(yè)特點(diǎn)以及典型塑料軟包裝企業(yè)的實(shí)際調(diào)研,確定印刷服務(wù)的評(píng)價(jià)邊界如圖 2所示.并將建立的上述數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方法應(yīng)用于印刷前階段的碳足跡評(píng)價(jià)之中.

圖2 塑料軟包裝印刷服務(wù)碳足跡評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界Fig.2 System boundary of the carbon footprint assessment for plastic flexible packaging printing service

評(píng)價(jià)邊界是以客戶下達(dá)訂貨需求為始,至將印刷產(chǎn)品轉(zhuǎn)交至客戶為終的過程,即從原材料生產(chǎn)、印刷、運(yùn)至訂貨商指定處,并包含運(yùn)輸及生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生廢棄物的處置,而不涵蓋印刷品的使用和回收處理階段及承印物的消耗.

其中,印刷前階段,包括所有原材料的輸入、廢棄物的產(chǎn)生等在內(nèi),功能單位為1支版輥.基于功能單位的初級(jí)數(shù)據(jù),包括產(chǎn)量、原料消耗量、能源使用量等,由企業(yè)報(bào)表等處獲取;基于功能單位的次級(jí)數(shù)據(jù),包括運(yùn)輸距離、碳排放系數(shù)等,由數(shù)據(jù)庫(kù)、文獻(xiàn)、統(tǒng)計(jì)年鑒等處獲得.

2.1 敏感度分析

2.1.1 評(píng)價(jià)結(jié)果的敏感度分析 按照 1.1的計(jì)算公式對(duì)某塑料軟包裝印刷企業(yè)的印刷前階段各碳排放源的敏感度進(jìn)行分析,結(jié)果如表2所示.

由表 2的分析結(jié)果可知,印刷前階段的主要碳足跡來源為制版加工過程中的版材、電力和洗版水,應(yīng)重點(diǎn)分析.

2.1.2 各影響因素的敏感度分析 通常,影響碳排放源碳排放結(jié)果的因素有 4種,包括活動(dòng)水平數(shù)據(jù)、碳排放系數(shù)、交通運(yùn)輸距離和交通運(yùn)輸碳排放系數(shù).因此,對(duì)各影響因素進(jìn)行逐項(xiàng)的敏感度分析,有利于準(zhǔn)確辨識(shí)出能提高碳足跡評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性的最佳優(yōu)化點(diǎn),且可大大節(jié)約時(shí)間.

表2 某塑料軟包裝印刷公司碳排放結(jié)果的敏感度Table 2 Sensitivities of the carbon emissions of the company

基于2.1.1的判定結(jié)果,按1.1的計(jì)算公式對(duì)影響這一階段的主要碳足跡來源的影響因素進(jìn)行敏感度分析,結(jié)果如表3所示.

表3 印刷前階段各評(píng)價(jià)因素的敏感度系數(shù)Table 3 Sensitivity coefficients of the evaluation factors in the pro-printing stage

從表 3可以看出,對(duì)碳足跡評(píng)價(jià)結(jié)果較敏感的依次為版材的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)、版材的碳排放系數(shù)、電力的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和碳排放系數(shù),它們是印刷前階段碳足跡評(píng)價(jià)中的主要數(shù)據(jù).

2.2 不確定度分析

基于對(duì)印刷前階段主要數(shù)據(jù)的辨識(shí)結(jié)果,本研究對(duì)主要數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了 DQI矩陣確定、Monte-Carlo模擬,并按照公式(2)核算得出其不確定度,如表4所示.

表4 印刷前階段主要數(shù)據(jù)的碳排放量及其不確定度Table 4 Carbon emissions and uncertainties of the key data in the pro-printing stage

由表 4可知,不確定度最大的是版材的碳排放系數(shù),這也是影響該塑料軟包裝印刷企業(yè)印刷前階段碳足跡評(píng)價(jià)結(jié)果不確定度的關(guān)鍵數(shù)據(jù),應(yīng)著重優(yōu)化.

2.3 數(shù)據(jù)收集優(yōu)化方案

結(jié)合2.3.2分析步驟和公式(2)、(3)對(duì)印刷前階段碳排放數(shù)據(jù)及其不確定度進(jìn)行核算、疊加,得出這一階段碳足跡結(jié)果及最終不確定度分別為 210.89kgCO2-eq和 18.01%.其中,這一階段研究中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是版材碳排放系數(shù),由Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得,為4.14kg/kg,其DQI矩陣和Ua依次是(3,4,4,1,4)和23.31%.

根據(jù)上述分析可知,采用更好的數(shù)據(jù)來替代版材碳排放系數(shù),將有效地降低評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度.隨著我國(guó)碳足跡評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善和發(fā)展,相關(guān)碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)也將具有更趨良好的時(shí)間代表性、統(tǒng)計(jì)代表性、地理代表性、數(shù)據(jù)來源和技術(shù)代表性.假設(shè)此項(xiàng)版材碳排放系數(shù)為最優(yōu)狀態(tài),即DQI矩陣為(5,5,5,5,5),則其Ua為0.此時(shí),該塑料軟包裝印刷企業(yè)印刷前階段的碳足跡結(jié)果不確定度將從 18.01%減小為 12.52%,由此可見,有效地降低了碳足跡評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度.

3 結(jié)論

3.1 為簡(jiǎn)化產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析過程,對(duì)各碳排放源及其影響因素先經(jīng)敏感度分析識(shí)別出主要數(shù)據(jù),再結(jié)合對(duì)主要數(shù)據(jù)進(jìn)行的不確定度分析情況,從而甄選出影響碳足跡評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性的關(guān)鍵數(shù)據(jù).

3.2 采用DQI-Monte Carlo方法對(duì)產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)中的不確定度進(jìn)行分析.對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行半定量分析的DQI的1×5矩陣,經(jīng)Monte Carlo模擬得出其不確定度.

3.3 針對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)制定的數(shù)據(jù)優(yōu)化方案,將有效降低評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度.本文以某塑料軟包裝在印刷前服務(wù)階段碳足跡為例,對(duì)版材碳排放系數(shù)這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,單一地減小其不確定度,可使評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定度由 18.01%降至12.52%.

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