产品包装的绿色低碳设计

产品包装的绿色低碳设计

Green and low carbon design for product packaging

彭国勋 教授

中国包装联合会技术顾问

(pengguoxun@gmail.com)

（2012－10－23发中国包装工业）

自从产业200多年以来，人类从大自然的索取已从消极依靠大自然的恩赐转向积极向大自然索取，索取能力和规模惊人提高，索取量呈几何级数增长，无法再生的自然资源急剧减少，几十年内许多资源将完全枯竭；资源消费与废弃物的排放超出地球的再生能力和自我净化能力，生存环境将遭到严重破坏。

在人类对其发展道路经过痛苦的反思、全面总结与回顾后，1972年的第一次联合国人类环境大会通过了《人类环境宣言》；联合国环境与发展委员会于1987年发表了《我们共同的未来》的文件。1992年在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会上，各国就人类发展道路取得了世界范围内的共识，通过了《里约环境与发展宣言》、《21世纪议程》，提出了可持续发展的战略，即在满足当代人需要的同时，不损害人类后代的需要，在满足人类需要的同时，不损害其他物种的需要。总体要求是：（1）人与自然相和谐的生活方式；（2）为持续发展制定，在制定社会、经济发展规划和法规时，要将环境与发展作为一个整体系统考虑；（3）不损害环境的工业发展和适度的消费规模；（4）管理目标的优先顺序应反映适用于环境与发展范畴；（5）加强为发展的资源保护和管理。这些要求成为人类指导自己行为的一种最基本的思想准则和战略，标志着全世界应致力于谋求可持续发展，追求人与自然的和谐，随即在全世界范围内掀起了一个以保护生态环境为核心的绿色浪潮。

我国高度重视《里约环境与发展宣言》和《21世纪议程》，于1994年3月25日讨论通过了《中国21世纪议程》》，并制定了贯彻实施的《中国21世纪议程优先项目计划》。

在过去的10年里，我国开展了大规模生态保护工程。从1998年开始，中国大规模投入生态保护工程及环境保护基础设施，特别是前者的力度之大、影响面之广，超过之前20多年环境保护的总规模，取得了显著效果。

跨入21世纪后，随着中国加入WTO和进入以重化工业增长为主要特征的工业化和城市化快速发展阶段，中国迅速成为“世界制造工厂”，并成为世界第二大经济体，与此同时，中国在2002年开始出现全面的资源、能源、环境的紧张状态。为了解决面临的环境与发展问题，中国提出了一系列与可持续发展相关的新理念，并通过采取了相应的具体行动落实这些理念，从而不断丰富中国特色的可持续发展实践。这些理念包括新型工业化道路(2002)，科学发展观(2003)，循环经济(2004)、资源节约型、环境友好型社会(2004)，节材代木（2005），和谐社会(2005)，节能减排(2006)，创新型国家(2006)，生态文明(2007)，绿色经济和低碳经济(2009)，转变经济发展方式(2010)，绿色低碳发展(2011)。

为了推进绿色低碳发展，我国特别制定了以“节能减排”约束性指标为核心的新时期中国可持续发展战略，并且实现这些目标在国内是具有法律约束力的。从“十一五”开始，中国制定了提高能效20%和减少主要污染物排放10%的约束性指标，并制定了综合性工作方案和重点工作，通过采取法律、行政、经济、技术等一揽子综合措施予以落实。通过努力，“十一五”期间我国单位GDP能耗下降了19.1%，化学需氧量和二氧化硫排放总量分别下降了12.5%和14.3%。“十二五”时期中国应对气候变化的约束性目标是:到2015年，单位GDP二氧化碳排放比2010年下降17％，单位GDP能耗比2010年下降16％，非化石能源占一次能源消费比重达11.4％。

为了实现可持续发展战略和节能减排目标，中国做出了一系列的制度安排。包括制定清洁生产促进法(2002)，环境影响评价法(2002)，水法(2002)，可再生能源法(2005)，循环经济促进法(2008)，修订了节约能源法(2007)、水污染防治法(2008)；出台应对气候变化国家方案(2007)；成立国家应对气候变化和节能减排工作领导小组以及应对气候变化专门管理机构(2008)；全国还通过了“关于积极应对气候变化的决定”。

未来10-20年，中国资源的供需态势仍然非常严峻，水土资源供需结构性紧张，能源供需长期紧张，大宗矿产和森林资源将出现全面短缺。在日益依赖全球资源的背景下，中国的资源安全战略不能适应复杂多变的国际资源形势和世界经济格局变化的要求。第一，资源安全保障不足。人均资源少，大宗、支柱性矿产与森林等资源不足，优势矿产与森林资源浪费严重。第二，资源利用率低，资源开发造成生态破坏。企业集中度低、技术落后、资源开采利用率低；资源使用企业生产粗放，资源浪费现象普遍；资源节约型、环境友好型社会难以在短期内建设完成，资源回收再利用体系发展落后。第三，资源领域的对外依存度不断上升，缺乏国际贸易定价权，致使国内各相关产业损失惨重。第四，国际产业资本通过产业转移或参股控股，不断加大对我国国内资源的掠夺，资源流失严重。第五，资源价格形成机制不合理，初级资源价格市场化与产成品价格管制存在矛盾。

因此，未来我国的资源安全全球战略，应坚持开源与节流并重，把节约放在首位，在全社会树立节约资源的意识，建设节约型社会。要调整产业结构和产品结构，淘汰能耗高、污染重、效益低的企业和产品。转变经济增长方式和优化发展模式，提高国内各产业部门对资源的综合利用效率，全面缓解资源供求矛盾，减轻经济发展日渐面临的资源约束。为了我国的资源安全得到保障，资源压力得以缓解，首先应充分把握通过技术进步应对资源瓶颈的机会，大规模的、普遍的应用新型资源效率技术，提高资源生产力；其次是循环经济的理念应得到切实的实施，资源实现最大程度的循环利用；三是资源的供应实现增长，包括传统资源供应的增长以及替代型资源的开发等。

我国的绿色低碳产业在“十一五”期间获得的快速发展，绿色经济成为经济新的增长点，同时，也面临着诸多发展瓶颈和障碍。在技术创新方上，部分企业在国际分工中尚处于价值链的低端，很多高附加值的、关键原材料、零部件和装备都要依赖进口；产业的创新能力与国际先进水平的差距有可能进一步扩大；部分产业标准体系的完整性和实用性也与发达国家有所差距等，需要加速形成可持续的绿色低碳技术创新能力。在产业组织上，绿色低碳市场还处在初期发展阶段，市场集中度低，规模效应不明显；中国绿色低碳产业中缺少具有整合集成能力的系统解决方案提供商，难以满足工程化的要求。

绿色低碳包装产业的发展同样面临巨大的挑战与机遇。符合绿色低碳发展的包装应是从源头上预先减少用量，尽可能重复使用，能回收利用、对生态环境友好和人体健康无害，可促进国民经济持续发展的包装。也就是说包装产品从原材料选择、系统设计、产品制造、使用、回收和废弃的整个过程均应符合《清洁生产促进法》与《循环经济促进法》等法规的要求，可提高资源利用效率，减少和避免污染物的产生，保护和改善环境，保障人体健康，促进经济与社会可持续发展。

有的学者从全面包装概念出发，根据多学科理论方法对包装进行整体分析，定义绿色低碳包装为：人类以付出最少的代价制造出人类活动中需求的一切包装系统。

前任世界包装组织汤森德提出绿色包装有“3R”原则，即减量（Reduce）、复用（Reuse）和循环再生（Recycle）。

预先减少用量是指经优化设计的包装系统，能实现包装及其物流等其他环节的资源消耗最低，保证在正常物流环境条件下货损满足允许破损率要求，安全便捷，标识清晰，便于物流信息化，方便开包，资料齐全，符合有关法规等。减量在狭义上是指包装重量和体积的减少，广义上应使得在包装系统开发、制造、操作、物流与废弃等整个产品生命周期中的资源消耗最少。

继强制性国家标准GB 19855－2005《月饼》之后公布的GB 23350－2009《商品过度包装——食品和化妆品部分》，是我国实施消费品包装减量的探索性举措。工业品包装的减量问题还没有上升到国家法规的层面上进行探讨。

国内外一般都是通过采用包装的CAD/CAE软件进行优化设计，实现包装从制造到废弃的全过程消耗资源最少。包装系统包括包装技术有关的内包装、外包装用的包装容器、单元包装用的托盘、物流优化所需的装柜或装车等。绿色低碳包装系统需对上述各环节及其整体进行优化设计，给出技术、经济、碳排量与环境冲击等项目评估的所有量化分析结果。对投放市场或交付使用的包装或包装产品负有责任的供应商应证明，在包装和包装组分中使用的任何危害环境的物质或制剂到适当含量，符合GB/T 16716.1 -2008《包装与包装废弃物 第1部分：处理和利用通则》规定的重金属允许含量。

例如，国外的TOPS Pro软件可以实现消费品瓦楞包装的几何尺寸与装柜优化设计，PadCAD软件可以进行缓冲垫设计，Pallet 3D可进行木托盘设计等。青岛科力特信息技术有限公司基于UG或Solidedge平台开发的《整体包装设计系统》（CPS软件），不仅可以实现消费品的包装系统的几何尺寸，还可以进行包括在内的多种产品包装系统的几何尺寸与强度等的全面优化设计与分析。

《整体包装设计系统》（CPS软件）如图1所示，已经开发出的外包装模块包括木托盘、常用木箱、国标框架木箱、与纸箱等，包装技术包括防潮包装、防锈包装、缓冲包装等，以及生产与物流优化有关的下料优化与装柜模块等。

包装技术目前已经定义的有24种，CPS软件已经开发出常用的防潮包装、缓冲包装、防锈包装等设计模块。防潮包装设计模块如图2所示，只需输入环境条件与防潮包装要求，即可进行防潮包装材料的优化设计。

 

图2   CPS软件的防潮包装设计模块

缓冲包装模块如图3所示，可以进行缓冲垫的优化设计。输入选择缓冲材料，给出跌落高度要求和产品脆值后，可自动寻优，能最大程度地减少缓冲材料的用量。

图3 CPS软件的缓冲包装设计模块

纸箱设计模块如图4所示，可以进行纸箱的几何尺寸与堆码强度的优化设计。

 

图4 CPS软件的纸箱包装设计模块

木托盘模块，可以进行多种木托盘的优化设计与有限元分析，其中的中标托盘的参数化设计与分析结果如图5所示。

图5 CPS软件的中标托盘的参数化设计与有限元分析结果

木箱模块中既包括常用普通木箱的参数化设计模块，也给出了3种新型循环包装木箱的参数化设计模块，还特别按GB/T 7284－1998《框架木箱》与JCK 亚洲统一标准：2007 《包装用框架木箱》开发出重型包装设计急需的框架木箱智能设计与分析模块，典型参数的设计界面与有限元分析结果如图6所示。必要时，该模块可以局部修改构件尺寸与位置，进行进一步的优化。

利用装柜模块可以进行单元包装设计与装柜或装车的面积与体积利用率的分析，如图7(a)与(b)所示。这些设计与分析是物流成本分析的主要组成部分。

(a)

(b)

绿色低碳包装系统需要给出碳排量分析结果。由于包装系统大多数采用瓦楞与木包装系统，这类包装系统的碳排量分析可以参考欧洲造纸工业协会CEPI于2007－7发布纸与纸板碳足迹框架文件，分为10项指标。美国公布的木与纸产品的碳排量结果如表1所示。森林生长1m3木材，一般需吸收850kgCO2，但由于美国实现了森林可持续管理，砍伐与生长基本平衡，所以表1中假定木与纸产品的N1指标为0。

表木与纸2/a

美国木与纸制品的碳足迹	木与纸	纸
N1森林的碳吸存	0	0
N2林纸产品的碳存储	-100	-20
N3制造过程的碳排放	69	58
N4生产木纤维的碳排放	4.2	4.2
N5生产其它原料的碳排放	24	24
N6购买能源的碳排放	43.6	43.6
N7运输有关的碳排放	19.6	19.6
N8使用过程中的碳排放	0	0
N9产品终结后的碳排放	50	50
N10减排与补偿	0	0
小计	110.4	179.4

美国某企业从所用的各种包装材料中抽查了715吨，并进行统计分析，图8为各种包装材料的碳排量构成分析结果。可见，纸包装占的比例最大，85％左右，瓦楞纸箱居首位；塑料包装不到15％。

图8各种包装材料的碳排量构成分析典型结果

包装系统的环境评估应按GB/T 24040-1999 《环境管理 生命周期评价 原则与框架》与GB/T 24041 2000《环境管理 生命周期评价 目的与范围的确定和清单分析》等标准进行生命周期评价（LCA）。包装的LCA研究贯穿包装系统从摇篮到坟墓的生命全过程环境因素和潜在影响。全过程包括从包装材料、生产、使用直至废弃的循环再生。须要考虑的环境影响类型包括资源利用、人体健康和生态后果。LCA的框架如图9(a)所示，图9(b)给出了国外某单位对电视机包装中瓦楞纸箱与塑料包装的LCA典型分析结果。

 

(a)                                  (b)

由此可见，评价一个包装系统是否达到预先减少用量目标，须要进行包装系统的全面优化设计，寻求货损、包装成本、物流成本、碳排量、LCA等方面分析的最佳权衡。表2给出了一个典型的包装的适当用量（质量或体积）评估检验表。

表包装的适当用量（质量或体积）评估检验表

性能准则	大部分重要（有关）要求	临界范围	证明
产品保护	防潮与防锈保护	无	见分析报告
包装制造过程	能大批量	无
包装操作	缓冲垫起到运载工具作用，安全便捷	无
物流	适于运输、装卸和上架操作	有	见实验报告
介绍和经销产品	标识清晰	无
使用者（消费者）接受	包装未发现影响产品性能的损害迹象	无	见实验报告
资料	齐全	无
安全	需要提手	无
法规	按客户提出的要求	无
其它	破损率 4×10-6	无
签字：	王小二	日期	2012年10月7日

绿色低碳包装的第二个内涵是尽可能让包装实现重复使用。重复使用包装是指，包装的所有运作是预期的或有计划的在其生命周期之内达到有限次数的周转或循环。

图10所示欧标托盘和由无锡前程工业包装有限公司生产、而由全亚供应链管理(上海)有限公司出租的中标托盘，构成共用系统托盘，是最典型的重复使用包装产品。参考美国环保署发布的《pallet cost calculator》的评估方法，如果我国每年生产的约5000万个托盘中有50%进入共用系统能重复使用，即按2500万个可重复使用托盘计算，结果见表2。计算表明，使用一次性托盘的初始投资虽然可以减少15亿元，但使用标准化木托盘后，第一年便可节约成本近200亿元，到10年时可节约成本2000多亿元。

图10   欧标托盘和中标托盘

表2   可重复使用木托盘与一次性木托盘的成本比较

托盘类型	可重复使用木托盘	一次性木托盘
托盘采购数,Np，万个	2500	2500
每年托盘使用次数,Ty	25	25
托盘单价，元	120	60
初始投资，Ci，亿元	30	15
年更换率	0.5	12.5
每次更换的处理成本，Cr，万元	0.125	3.125
年平均成本,Ca，亿元	45.0625	241.5625
3年成本，C3，亿元	75.1875	694.6875
6年成本，C6，亿元	120.375	1374.375
10年成本，C10，亿元	180.625	2280.625

我国目前每年生产的约5000万个托盘中，木托盘约有4300万个。按每个木托盘消耗0.05m3锯材计算，每年将消耗215万m3锯材；由于我国的木材综合利用率不到60%，木托盘的原木消耗量将达358万m3。如果我国生产的4300万个木托盘中有50%采用重复使用的标准化托盘，每年可以减少原木消耗量179万m3。按照国家科技部公布的节能减排的数据计算，这相当于每年可以节能45万吨标煤，可以减少CO2排放115万吨，减少固体垃圾约100万吨。

除托盘外，国内外大量使用的木质围板箱、卡扣箱、和锁扣箱等，是重复使用木包装的成功案例。周转次数更高的塑料周转箱与折叠式散货箱，在许多行业的物流配送中获得了广泛应用。可重复使用的金属仓储笼和集装架，虽然自重较重，但在某些场合仍然被选用。图11给出了这些产品若干典型结构。

图11   重复使用的包装箱

总部设在美国的循环包装协会（Reusable Packaging Association ，RPA) 开发的《Reusable Cost Comparison Tool》分析结果表明，使用可重复使用的循环包装系统后，可以节省成本，提高运行效率，CO2排放量可减少29%，能耗可降低39%，固体垃圾减少95%。然而，推行循环包装将对内部许多流程带来很大的冲击，涉及整个供应链的各个环节。

当包装不再重复使用成为废弃物时，应符合可回收利用的特定要求。首先要求包装材料能够循环再生应在其后的制造过程中，对用过的材料以某一确定的质量百分比再生成为符合现行法规或标准并且有销售渠道的产品。材料循环再生是指将废弃的包装材料通过有目的生产加工得以利用，包括有机物再生利用（不包括能源回收）的技术与方法。在评估包装材料循环再生可行性时，应充分分析各方面的影响因素，全面考虑来自各个渠道的所有已经发现的问题。包装生命周期包括的设计、制造、使用、收集、分类，直到实现循环再生得以利用为止的各步骤可能影响材料的循环再生。

能量回收利用是指以利用热能为目的，直接燃烧包装废弃物，其间或许加入其它废弃物，是工业化的能源再利用的技术与方法。要求适合能量回收处理的包装废弃物应具有最低的热能值，致使能量回收的效果最佳。

生物降解是指通过微生物活性特别是酶的作用引发包装废弃物材料在化学结构上产生显著变化的技术与方法。环保人士对塑料包装的这一发展趋势极为关注，于是提出了应大力发展生态塑料（Bio-plastics），不仅能解决完全降解的问题，而且要找到替代即将枯竭的石油来制造塑料的新途径。因为现在人类每消耗4桶石油，新发现的石油还不到1桶。按目前的石油消耗量推算，如果找不到新的来源，地球上的石油资源也许只能用几十年。目前已经开发出聚乳酸等十几种生态塑料，当性价比暂时还不如石化原料生产的塑料。

堆肥则是指包装废弃物和其中不同的植物残留物组成的混合物，通过生物降解而获得有机土壤（包含一定量的矿物成分）的技术与方法，要求适合于堆肥处理的包装废弃物应具有可生物降解的性质，不应妨碍分解收集和堆肥处理或向其施加活性。

不同包装材料的可回收利用特性如表3所示。 

表可回收利用特性

据预测，到2012年，国内木材需求量将达到3.5～4亿立方米，缺口近一半，形势十分严峻，开发木材节约和代用技术刻不容缓。包装工业涉及到以木材为主要原料的产业有纸包装和木包装等两大门类，是木材消耗的大户之一，在木材节约和代用技术开发中具有举足轻重的地位。到2020年，如果达到国际上50%以上的木浆比例，要消耗木材1.2亿立方米。这一规划意味着造纸业对我国林木资源的消耗将逐年大幅度递增。但是我国的森林资源非常缺乏，按照现在的发展速度，显然满足不了造纸业的需要，因此木浆供应主要依赖进口。按照目前中国纸业的增长速度，用不了几年全世界木浆净出口量都将全部用于中国，显然，这不现实。 参考国外的数据，按占包装工业总产值的比重为3%左右推算，2008年的木包装总产值应在260亿元左右，消耗木材估计约为1200万立方米。包装用木材和胶合板等需要大量进口的局面 ，长远讲有待改变。为此，国家与科技部、林业局于2005年联合提出《关于加快推进木材节约和代用工作意见的通知》。

木材节约和代用是指在生产、消费及其他经济社会活动中，通过一定的技术与管理手段，对木材及其制品合理开发利用、保护处理、回收复用与再生利用，以及采用非木质材料及其制品经济合理地替代木材及其制品，以达到高效利用和节省木材，提高产品和工程质量，保护森林资源，满足社会需求的目的。其内容包括木材节约和木材代用。 

木材节约和代用包装属于绿色低碳包装的特定研究领域。无论是木材节约品（如层积材、刨花板等木材综合利用品，经过物理或化学技术工业处理后的木材保护品，或回收复用及再生利用木制品 ），还是木材代用品（如桔梗板代木、以纸代木、以塑代木等），前述设计与分析方法都适用。  

拒用无环保观念的包装是消费者一种社会责任，它有利于促进企业科学设计更加环保的包装，应该大力宣传，进一步提高全民的环保意识。但是，要让消费者拒用无环保观念的包装，首先要使消费者真正懂得什么是绿色包装，并自觉地养成习惯，宁愿牺牲一些不方便而能够抵制不很环保的包装。因此，消费者的“拒用”意识提升，是对绿色低碳包装设计的促进和鞭策。

推进低碳绿色包装系统的发展，有待制造业、包装业、物流业、消费者、与部门共同努力，开创新局面。