21世纪制冷空调行业绿色环保制冷剂的趋势与展望(三)

  3 国际共同关注的几个关于替代物的问题

  3.1 如何正确协调《蒙特利尔议定书》(以下简称《蒙》)与《京都协议》(以下简称《京》)的要求。

  《蒙》与《京》两个协议是有联系的,均是为了保护环境的需要,但又有不同要求。《蒙》要求限期逐步淘汰 CFC 和 HCFC 等物质,是强制的;而《京》要求控制温室气体的排放,并不对温室气体的产生、使用采取强制性手段。

  制冷空调行业为了适应 CFC 和 HCFC 类制冷剂的淘汰,纷纷转轨使用 HFC 物质。但现在《京》又将 HFC 物质列入了温室气体清单中,要对它们的排放加以控制。显然,后者的要求,对于制冷空调行业的近些年来为采限 HFC 所作的各种努力,确实产生了一些负面的影响,以致造成无所适从的感觉。

  为了正确协调《蒙》与《京》的要求,为了全面正确衡量制冷剂对全球气候变化的影响,制冷空调行业界认为,除了制冷剂的 GWP 值外,空调制冷系统会以另一种方式对全球变暖起作用。由于这些系统均需依靠电力或化石燃料的消耗来维持运行,而煤、石油和天然气燃料生产电力时都产生 CO2 ,进而也会影响全球变暖。因此提出了变暖影响总当量 TEWI 指标,它考虑了这两种主要方式,也就是制冷剂排放的直接效应和能源利用引起的间接效应。直接效应取决于制冷剂的 GWP 值、气体释放量和考虑时间框架长度,间接效应取决于这种空调制冷系统的效率以及能源来自何处。

  表 2 给出了不同制冷空调系统的 TEWI 值,这是基于 500 年时间框架,如果使用较长的时间框架,直接效应就较小。

  从表 2 看出,对于整体式空调器、离心式冷水机组、热泵等制冷空调系统,间接效应对 TEWI 的影响要比直接效应在得多。

  表 2 主要制冷用途的变暖影响总当量(TEWI)

制冷用途 TEWI(以 1000kgCO2 为基准) HCFC , HFC 为替代品 TEWI 的组成
CFC 基准 HCFC/HFC 替代品 直接效应 /% 间接效应 /%
零售业制冷 116000 28000 37 63
汽车空调 49 7 32 68
8.8kW(2.5rt) 整体式空调器 83 93 2 98
冰箱/冰柜 25 20 1 99
8.8kW(2.5rt) 热泵 368 474 0.5 99.5
1000kW(300rt) 离心式冷水机组 19000 15000 0.5 99.5

  对于制冷空调系统,间接效应对 TEWI 的影响要比直接效应大得多。

  对于空调制冷行业来说,为防止气候变暖所需 作出 的努力主要是:

  ①提供高效节能设备,减少 CO2 排放量。

  ②尽可能减少制冷设备使用和销毁时制冷剂的排放量或泄漏量,并采取有效的回收再生设备,加强制冷剂的回收利用。这些努力也就意味着考虑保护臭氧层的同时,要注意到防止气候变暖的措施。在选择制冷剂时,不仅要考虑它们的 ODP 值为零,而且还要求 GWP 值低,热工性能好,具有节能效果和充注量少。在 21 世纪内要求促进并推广使用这类制冷剂并使相应的空调制冷设备实现商业化。

  近来,对于离心式冷水机组中的 CFC-11 替代物 HCFC-123 ,由于其 GWP 值很低(90),而且这类机组的泄漏率也很低(约 1%),也就是说直接效应也非常低,如表 2 所示,仅为 0.5% ,甚至可以低至 0.2% ,而且这类机组的效率也很高,即使用 HCFC-123 对全球气候变化的影响是很小的,尽管其 ODP 不为零,但也很低(0.012)。因此有的专家认为,虽然 HCFC-123 属于 HCFC 类物质,但对其盲目淘汰并不合理。他们认为若用 HFC-134a 替代 HCFC-123 , GWP 值将提高 13.3 倍,而 ODP 仅减少了 0.012%。综合《蒙》与《京》的要求,他们认为在淘汰 HCFC 物质时,不应"一刀切",与其淘汰 HCFC-123 ,不如设法提高,此类机组的效率。否则反而会对全球气候变化产生更为不利的影响。由推知,在 HFC 物质中, HFC-152 也就是一种很为理想的替代物,因为其 GWP 仅为 140。我国开发采用的 HFC-152a 类混合物也应是较为理想的替代物。

  3.2 如何正确总结历史经验

  在 21 世纪即将来临之际,国内外制冷空调行业均在探索如何总结历史经验,寻求正确、科学地解决由于环保要求提出的制冷剂替代问题,力争少走弯路。

  从历史上看,制冷剂的发展经历了 3 个阶段。

  第一阶段,从 1830 年至 1930 年,主要采用 NH3 , HC , CO2 ,空气等作为制冷剂,有的有毒,有的可燃,有的效率很低,主要出安全代表性的考虑。尽管使用了 100 年之久,当出现了 CFC 和 HCFC 制冷剂后,还是当机立断,实现了重大的第一次转轨。

  第二阶段,从 1930 年到 1990 年,主要用 CFC 和 HCFC 制冷剂。使用了 60 年后,发现这些制冷剂破坏臭氧层。出于环保的需要,不得不被迫实现第二次转轨。

  第三阶段,从 1990 年至今,进入以 HFC 制冷剂为主的时期。

  目前,国外有些专家担忧,会不会过了若干年后,又发现 HFC 制冷剂有什么新问题,特别是由于 HFC 制冷剂的 GWP 大都在 1000 以上,又重蹈第二阶段经历了 60 年才发现释放了大量破坏臭氧层气体的错误。

  这个问题的实质,是对 HFC 与天然工质,特别是碳氢化合物,这两类制冷剂的认识。

  主张采用碳氢化合物作制冷剂的,其主要观点是:① HFC 物质的 GWP 太高,已被列入京都协议温室气体清单;② HFC 物质还可能有不可预测的后果,发现它们的问题,是否又得花上几十年时间,会不会又遭遇另一次淘汰;③尽管碳氢化合物可燃,但是随技术发展和安全性度量的改进,已经并会进一步减少不安全伤害;④目前,欧洲已有约 1500 万台家用冰箱,仅德国每天生产几千台,在 130L 冰箱中只用 20gR600a ,而且其中有 12gR600a 能溶于油中,也就是说泄漏 R600a 数量是很少的,认为注意到这一点是很重要的;⑤在承认 HFC 制冷剂在启动淘汰 CFC 计划中的作用的同时,认为碳氢化合物将是长期方案,尽管开发新设备需要较长的时间,相信 21 世纪将是天然工质的世纪。

  主张 HFC 制冷剂的,其主要观点是:①根据计算和预测, HFC 排放占整个温室气体排放的比例也很小, 1997 年约为 1% , 2030 年预计也仅为 2.4 ;②即便高 GWP 气体,也只有当制冷剂排放时,才构成影响,因此只需采取措施,减少它们的泄漏排放,而不是淘汰或禁用;③不应反 GWP 作为衡量影响全球气候变化的唯一指标,应以变暖影响总当量 TEWI 为指标,全面综合考虑。用 TEWI 这种指标分析,除了汽车空调和商业制冷外,间接效应占了主要分额,因此提高能效是关键;④对于制冷空调,寿命一般均为 15 ~ 20 年。若考虑到整个寿命期的能量消耗引起的间接效应,对温室效应的影响将更为观。此,美国最近提出了寿命期气候性能 LCCP(Life Cycle Climate Performance)指标,全面考虑了寿命期内人产品温室气体直接排放引起的影响和产品耗能伴随而产生的间接效应,包括制冷剂和制冷空调设备生产过程的能耗。若用 LCCP 衡量和分析,直接效应均很小,而且可通过提高能效为补偿。例如对于家用空调,直接效应仅占 5% 左右,而且间接效应随着季节能效比(SEER)的提高而有较大的降低。对于离心式和螺杆式冷水机组,直接效应仅为 3% 以内,而直燃、双效溴化 锂 -- 水吸收式冷水机组的 LCCP 平均比前两种要高 65% 左右,也就是说如用这种吸收式冷水机组来替代 HCFC-123 机组,将引起更严重的环境影响。即使对于直接效应影响较大的汽车空调来说,若以 LCCP 衡量,使用 HFC-134a , HC 和 CO2 制冷剂的机组,它们的 LCCP 值相差并不多,在 134a 时的 LCCP 值甚至比 CO2 还低;⑤认为不能由于为了解决全球环境问题而无视对现场和当地环境的伤害;⑥为了解决天然工质的可燃性和毒性等问题,势必提高成本和费用。据测算,典型的美国中央空机组(约 10KW 冷量,充注量为 3kg),改用 HC 时,为达到安全标准,成本将提高 30% 左右; ⑦使用 HC ,同样存在着不可预测后果的可能性,例如 HC 光 雾反应 V℃ 值比 HFC 大几百倍,有可能引发新的环境问题。总之,认为 HFC 制冷剂是一种很好的替代物。若拒绝使用 HFC ,工业界面临重大压力,预计近 20 年内将因没有合适的制冷剂而面临严重的威胁。

  目前,国际制冷空调行业的倾向是,在小型家用冰箱类制冷设备中,可使用 HC ,而对大型制冷空调设备,在没有证据表明其安全性可靠时,拒绝使用 HC 作制冷剂。

  3.3 如何正确对待替代物的多样性

  从近 10 年替代物的发展看,无论从理论上或从实践上,很难找到一种完全理想的替代物(ODP=0 ,低 GWP 值(100 以下),高效,安全,与价格不贵的高润滑性的油互溶等。为了替代一种原先使用的 CFC 或 HCFC 制冷剂(无论 CFC-12 , CFC-11 , R502 或 HCFC-22),客观上往往存在多种解。在许多替代物中,只有更好,很难说最好。究竟如何选择替代物,必须因地制宜。

  例如 HCFC-22 的主要替代物,就有 R134a , R407C , R410A , R290 等等。就以 R407C 和 R410A 两种替代物来看,也很难绝对地说哪一种最好,因为它们各有优缺点。 R410A 的优点是亚共沸,传热性能好,压损小,但其缺点是压力太高,比原 HCFC-22 提高了 1.5 倍,容积制冷量又太大,约为 HCFC-22 的 1.4 ~ 1.5 倍,因此无法直接充灌,必须重新设计压缩机和主要部件,提高成本。反之, R407C 的优点是可直接充灌(除换酯类油外),能效接近于 HCFC-22 ,但其缺点是非共沸,成分的变化对性能和维修会产生影响。

  目前,国际上不同国家和地区,对不同类型的设备,往往采用不同的替代物,例如日本,以及美国,对于家用空调器,倾向于 R410A ,对于大中型制冷空调倾向于 R407C ;而欧共体国家则均倾向于 R407C。国外这种态热,势必会对我国制冷空调行业产生影响,特别是由于我国空调行业大都是 90 年代刚引进的技术和生产线,情况与国外大不相同,而且实际上国外对这两种替代物,还都认为不够理想,倘若盲目跟进,势必造成不良后果。

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