由制冷劑替代談起：制冷技術(shù)對人類(lèi)社會(huì )的巨大推動(dòng)作用

【鑫合機電】美國工程院與30多家美國專(zhuān)業(yè)工程協(xié)會(huì )一起評出20世紀對人類(lèi)社會(huì )生活影響最大的20項工程技術(shù)成就，制冷空調技術(shù)名列第十，理由是：“制冷空調技術(shù)成為人們的健康、運輸、食品保鮮不可缺少的設施，人們可以在地球上最冷和最熱的地方工作和生活”?？梢哉f(shuō)，制冷空調技術(shù)對人類(lèi)社會(huì )的文明進(jìn)步產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。

　　1、人工制冷技術(shù)的誕生

　　自有人類(lèi)文明以來(lái)，“冷”與“熱”就是與人類(lèi)生活和文明進(jìn)步息息相關(guān)、密不可分的話(huà)題。早在遠古時(shí)代，人類(lèi)就開(kāi)始了對天然冷量的利用。中華民族在3600年以前就開(kāi)始了對冰、雪等天然冷源的應用。

　　1755年，蘇格蘭人WilliamCullen發(fā)明了第一臺采用減壓水蒸氣的制冰機，標志著(zhù)人工制冷的起點(diǎn)。1834年，美國人Perkins發(fā)明了采用乙醚作為制冷劑的蒸氣壓縮式制冷機，為人類(lèi)大規模應用人工制冷開(kāi)啟了新的篇章。由于當時(shí)的工業(yè)技術(shù)尚不發(fā)達，選擇制冷劑主要從“易獲得性”方面考慮，采用的制冷劑除了乙醚之外，還有二氧化碳(CO2)、氨(NH3)、二氧化硫(SO2)、異丁烷(HC-600a)、丙烷(HC-290)等天然物質(zhì)。這些制冷劑或有毒、或可燃、或兼而有之，個(gè)別制冷劑還有很強的腐蝕性和不穩定性，或者壓力過(guò)高。限于當時(shí)的技術(shù)水平，使用時(shí)事故時(shí)有發(fā)生。

　　2、“氟利昂”制冷劑的出現

　　隨著(zhù)第一次世界大戰的結束，人類(lèi)社會(huì )從戰亂走向和平，恢復建設帶來(lái)制冷機的需求和產(chǎn)量增加，對各方面性能優(yōu)良的制冷劑的需求導致制冷劑選擇的注意力轉向了安全和性能。1930年，梅杰雷在亞特蘭大舉行的美國化學(xué)學(xué)會(huì )年會(huì )上，公布了第一份關(guān)于有機氟化物制冷劑的文章，評價(jià)了單碳族15種含氫、氯和氟的化合物，最終從中選出了CFC-12用作制冷劑，并于1931年得到商業(yè)化。隨后，一系列CFCs和HCFCs制冷劑陸續得到開(kāi)發(fā)，并在美國杜邦公司得到大量生產(chǎn)，杜邦公司將這些產(chǎn)品系列注冊商標為“Freon”，音譯為“氟利昂”，這也就是后來(lái)我們大家都使用“氟利昂”稱(chēng)謂的由來(lái)。這些CFCs和HCFCs制冷劑安全、高效，因此逐步替代了已使用100年之久的早期天然制冷劑(NH3除外)，而且很快獲得了廣泛的應用。氟利昂制冷劑的誕生促進(jìn)了制冷空調行業(yè)真正意義上的變革與發(fā)展，為制冷空調產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的黃金發(fā)展階段。

　　3、臭氧層保護

　　1974年，美國加利福尼亞大學(xué)教授羅蘭(F.S.Rowland)和莫利納(M.J.Molina)通過(guò)觀(guān)測研究首先提出，世界上大量生產(chǎn)和使用的CFCs類(lèi)物質(zhì)，排放后會(huì )擴散進(jìn)入大氣臭氧層，受紫外線(xiàn)催化會(huì )分解出Cl自由基，進(jìn)而破壞成千上萬(wàn)個(gè)臭氧分子，屬消耗臭氧層物質(zhì)(ODS)。隨著(zhù)排放到大氣中的消耗臭氧層物質(zhì)不斷增多，大氣層中臭氧數量急劇減少，進(jìn)而形成巨大的“臭氧空洞”。而臭氧層是地球大氣層的重要組成部分，它能吸收大部分太陽(yáng)紫外線(xiàn)，使地球生物免受過(guò)多紫外線(xiàn)的危害，從而可以避免地球生態(tài)圈破壞等一系列環(huán)境災難的產(chǎn)生。

　　由臭氧空洞造成的生態(tài)破壞和環(huán)境危害體現在多個(gè)方面：

　　1)人類(lèi)健康：引起白內障疾病，誘發(fā)皮膚癌等；

　　2)農業(yè)生產(chǎn)：豆類(lèi)瓜果類(lèi)作物大量減產(chǎn)；

　　3)海洋生物：淺海中浮游生物數量減少，導致魚(yú)類(lèi)貝類(lèi)死亡；

　　4)社會(huì )經(jīng)濟：加速人工合成材料的老化，增加經(jīng)濟成本；

　　5)空氣污染：導致大氣化學(xué)反應更為活躍，產(chǎn)生有害氣體。

　　在科學(xué)研究的基礎上，國際社會(huì )于1985年達成并簽訂了《關(guān)于保護臭氧層的維也納公約》，這標志著(zhù)保護臭氧層國際統一行動(dòng)的開(kāi)始。為了進(jìn)一步加強對消耗臭氧層物質(zhì)的控制，國際社會(huì )于1987年在加拿大進(jìn)一步簽署了關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的《蒙特利爾議定書(shū)》，并建立起多邊基金作為議定書(shū)實(shí)施的財務(wù)機制，推動(dòng)大氣臭氧層保護由科學(xué)研究轉向全球范圍的具體行動(dòng)。

　　迄今為止，全球共有197個(gè)國家和地區簽署了《蒙特利爾議定書(shū)》，加入了相關(guān)的ODS淘汰行動(dòng)。在人類(lèi)社會(huì )的共同行動(dòng)和努力下，到2010年1月1日，在全球范圍內已實(shí)現了對氯氟烴(CFCs)的全面淘汰?！?010年臭氧層消耗科學(xué)評估》報告指出：通過(guò)《蒙特利爾議定書(shū)》履約行動(dòng)的全面實(shí)施，最近十年來(lái)已成功遏止了臭氧層的進(jìn)一步耗損，地表紫外線(xiàn)輻射基本保持恒定水平，在可預見(jiàn)的未來(lái)，大氣臭氧層有望開(kāi)始逐步恢復。另一方面《蒙特利爾議定書(shū)》的實(shí)施也為減緩氣候變化帶來(lái)了重大的協(xié)同效益，每年全球通過(guò)削減消耗臭氧層物質(zhì)帶來(lái)的溫室氣體減排量已超過(guò)100億噸CO2當量，其效益是《京都議定書(shū)》首個(gè)承諾期(2008—2012年)的目標削減量的5倍。聯(lián)合國前秘書(shū)長(cháng)安南在2003年贊揚道：“《蒙特利爾議定書(shū)》可能是人類(lèi)社會(huì )迄今為止最為成功的一項國際協(xié)議”。

　　在國際社會(huì )共同合作推進(jìn)CFCs物質(zhì)淘汰的基礎上，在2007年9月舉行的《蒙特利爾議定書(shū)》第19次締約方大會(huì )上，國際社會(huì )又進(jìn)一步達成了加速淘汰含氫氯氟烴(HCFCs)物質(zhì)的修正案，向有大氣臭氧層破壞作用的最后一部分制冷劑—HCFCs類(lèi)制冷劑(主要是HCFC-22，也包括HCFC-141b，HCFC-142b等)的淘汰發(fā)起行動(dòng)，根據新的修正案，發(fā)達國家應在2020年實(shí)現HCFCs的全面淘汰，發(fā)展中國家應在2030年完成HCFCs的全面淘汰。目前全球的HCFCs淘汰工作已全面展開(kāi)。

　　4、溫室氣體減排與相關(guān)協(xié)定

　　全球變暖是當今人類(lèi)社會(huì )所面臨的又一個(gè)巨大的環(huán)境問(wèn)題，相關(guān)觀(guān)測表明，工業(yè)革命以來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放致使全球氣溫持續升高，并導致氣候異常事件頻發(fā)。最近一個(gè)世紀以來(lái)，大氣中CO2的濃度提高了近100ppm，地球表面溫度提高了約0.78℃

　　為了應對全球氣候變暖給人類(lèi)經(jīng)濟和社會(huì )帶來(lái)不利影響，國際社會(huì )于1992年達成了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》。在該框架下于1997年進(jìn)一步簽署了《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書(shū)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《京都議定書(shū)》)。根據《京都議定書(shū)》的規定，包括二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氧化亞氮(N2O)，氫氟碳化物(HFCs)，全氟化碳(PFCs)，六氟化硫(SF6)等在內的6大類(lèi)物質(zhì)均屬于可導致全球變暖的溫室氣體，《京都議定書(shū)》鼓勵各個(gè)國家對其進(jìn)行控制和減排，并規定從2008年到2012年的議定書(shū)第一承諾期內，主要工業(yè)發(fā)達國家的溫室氣體排放量要在1990年的基礎上平均減少5.2%。

　　隨著(zhù)《京都議定書(shū)》第一承諾期的完結，國際社會(huì )對后續的溫室氣體減排行動(dòng)開(kāi)展了進(jìn)一步的磋商。2015年12月，在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》框架下召開(kāi)的巴黎氣候變化大會(huì )上，近200個(gè)締約方一致同意通過(guò)了全球氣候變化的新協(xié)議《巴黎協(xié)定》，以此為2020年后全球應對氣候變化行動(dòng)做出安排?！栋屠鑵f(xié)定》的主要內容是要求國際社會(huì )加強對氣候變化威脅的全球應對，目標是在本世紀內把全球平均氣溫升高幅度相較于工業(yè)化前水平控制在2℃之內，并為把升溫控制在1.5℃之內而努力。同時(shí)全球將盡快的實(shí)現溫室氣體排放達峰，在本世紀下半葉實(shí)現溫室氣體凈零排放。2016年10月5日,聯(lián)合國秘書(shū)長(cháng)潘基文宣布，已有74個(gè)國家正式批準了《巴黎協(xié)定》，這些國家的溫室氣體排放量占全球總量的58.8%，《巴黎協(xié)定》于2016年11月4日正式生效。盡管美國從其自身利益的角度考慮，總統特朗普于2017年6月1日在白宮宣布美國將正式退出應對全球氣候變化的《巴黎協(xié)定》，但是國際社會(huì )普遍支持溫室氣體減排的主體思潮沒(méi)有改變。

　　5、HFCs削減與基加利修正案

　　如前所述，在全球開(kāi)展《蒙特利爾議定書(shū)》履約行動(dòng)中，為了淘汰CFCs和HCFCs制冷劑，在過(guò)去的二十年間國際上普遍采用HFCs作為替代品，主要包括HFC-134a、R410A、R404A、R407C和R507A等。但目前常用的HFCs均具有較高的GWP值，屬于溫室氣體，大量推廣使用將會(huì )進(jìn)一步加劇全球變暖的趨勢。因此，近年來(lái)國際社會(huì )中控制高GWP值的HFCs制冷劑的消費、采用對氣候環(huán)境更加友好的制冷劑的呼聲日趨高漲。

　　2016年10月于盧旺達首都基加利召開(kāi)的《蒙特利爾議定書(shū)》第28次締約方會(huì )議最終達成了“關(guān)于HFCs削減的基加利修正案”，這一修正案是迄今為止為推動(dòng)實(shí)現《巴黎協(xié)定》所商定的“到本世紀末將全球氣溫上升幅度控制在2℃以?xún)取蹦繕怂龀龅淖畲笈?。修正案的?shí)施將會(huì )有效減少強溫室效應氣體HFCs的排放，從而在本世紀末通過(guò)控制HFCs的消費實(shí)現減少全球升溫0.5℃。相比不受控情景，中國通過(guò)履約行動(dòng)到2050年削減HFCs可帶來(lái)減排300億噸～400億噸CO2當量的氣候效益，為減緩全球升溫0.5℃可做出三分之一的貢獻。

　　6、未來(lái)替代制冷劑的選擇方向與實(shí)踐

　　按照《基加利修正案》的規定，目前普遍采用的消耗臭氧層潛值(ODP)為零的多種HFCs替代制冷劑，因其具有較高的全球變暖潛值(GWP)，均被納入了控制使用目錄清單，很快將面臨逐步削減甚至淘汰。但目前在全球范圍內都無(wú)法找到一種零ODP值、低GWP值、安全、高性能的完全理想的制冷劑。未來(lái)的新型替代制冷劑的選擇，將是一種各方面因素統疇考慮和綜合平衡的結果。2011年，國際空調制冷和供熱制造商協(xié)會(huì )聯(lián)合會(huì )(ICARHMA)正式發(fā)布了“制冷劑負責任使用聲明”，從全球制造業(yè)同行的角度出發(fā)，明確提出在選擇未來(lái)的替代制冷劑時(shí)，除滿(mǎn)足零ODP值、盡可能低的GWP值外，還應綜合考慮制冷劑的整個(gè)壽命期氣候性能(LCCP)，選擇對全球氣候變化影響更低的替代物，這樣才能實(shí)現環(huán)境效益的最大化。對于未來(lái)可用的替代制冷劑，應當在綜合考慮制冷劑本身的性質(zhì)、制冷系統的節能性、環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟性等各方面的性質(zhì)下做出選擇。正是在這種形勢下，零ODP值、低GWP值的替代品，如CO2、NH3、HC-290、HFC-32、HFOs等將成為未來(lái)新一代的替代技術(shù)的主要選擇方向。

　　當前，新型替代制冷劑受到了業(yè)界和社會(huì )各方面的頗多關(guān)注。由于新一代的替代品更關(guān)注其環(huán)境性能，不可避免地或多或少存在著(zhù)如工作壓力高、可燃易爆或具有毒性等問(wèn)題。在缺乏深入了解的情況下，很多人受到一些不負責任的說(shuō)法和消息的誤導，對新型制冷劑有時(shí)會(huì )產(chǎn)生誤解和不必要的顧慮。首先必須說(shuō)明的是，人類(lèi)使用可燃制冷劑已有漫長(cháng)的歷史和成功的經(jīng)驗。當前零ODP值、低GWP值的環(huán)境友好型的替代制冷劑，是國內外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界綜合分析權衡各方面的因素后做出的科學(xué)合理選擇，這些替代制冷劑在國內外均已取得大量成功應用的范例和實(shí)踐。通過(guò)對不同制冷劑存在的問(wèn)題進(jìn)行“缺陷管理”的模式加以處理和制約，可以確保這些替代品在規定條件下的安全使用。當前我國在HCFCs淘汰“國家方案”和“行業(yè)計劃”中所確定的替代技術(shù)路線(xiàn)和新型替代制冷劑，都經(jīng)過(guò)了多方面的測試試驗和嚴格的風(fēng)險評估，在制造、運輸、存儲、使用和維護過(guò)程中都有相應的標準規范安全設置和防護措施，只要嚴格按照相關(guān)法規和標準的規定規范使用，這些新型制冷劑的使用風(fēng)險都是可控的。

　　對于HFC-32燃燒會(huì )產(chǎn)生有毒的氫氟酸氣體的說(shuō)法，事實(shí)上各類(lèi)含氟制冷劑，包括CFCs、HCFCs和HFCs，不論其可燃與否，如果將其暴露在明火中，都會(huì )有微量的氫氟酸產(chǎn)生。但這些CFCs、HCFCs及HFCs制冷劑在近百年的使用過(guò)程中，發(fā)生因燃燒造成氫氟酸中毒事件在國內外聞所未聞，對弱可燃制冷劑HFC-32空調機因其可燃性導致的燃燒爆炸造成用戶(hù)的財產(chǎn)和人身傷害事故在全球范圍迄今也未見(jiàn)報道。因此，問(wèn)題的關(guān)鍵在于要有完善的標準規范并嚴格執行這些標準規范來(lái)確保這些制冷劑的安全使用，而不是渲染出現事故后有何二次產(chǎn)物。再比如，強可燃制冷劑HC-600a在冰箱中已有長(cháng)期安全使用的歷史，現在中國制造的家用電冰箱中，絕大部分已采用HC-600a作為制冷劑，這說(shuō)明只要嚴格按照標準規定的安全措施進(jìn)行生產(chǎn)和安裝操作，并嚴格執行對充注量的限值規定，可燃制冷劑使用的安全性也是有保證的。

　　可燃制冷劑并不可怕，真正可怕的是對制冷劑不負責任的使用。如近年來(lái)市場(chǎng)上有一些單位打著(zhù)節能環(huán)保的旗號，對在用的原設計為HCFCs或HFCs制冷劑的一些老產(chǎn)品直接換裝可燃性的碳氫制冷劑，因而造成巨大的安全隱患，這是極不負責任的。事實(shí)上，最近一段時(shí)間因這種不負責任的換裝制冷劑行為帶來(lái)的安全事故已有多起發(fā)生，只要嚴格遵循標準法規和產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的規定，對各類(lèi)新型環(huán)保替代產(chǎn)品可以放心使用。

　　最后，再對目前中小型空調設備中推薦采用的HFC-32替代制冷劑來(lái)進(jìn)行分析。HFC-32作為經(jīng)中國政府主管部門(mén)和《蒙特利爾議定書(shū)》多邊基金執委會(huì )正式批準和推薦的工商制冷空調產(chǎn)品領(lǐng)域重要的新型替代品，是一種性能優(yōu)良的制冷劑，其對臭氧層無(wú)破壞作用，無(wú)毒性，具有良好的傳熱性能，容積制冷量大，理論效率高，市場(chǎng)可獲得性好，價(jià)格便宜。HFC-32的GWP值僅為675，約是HCFC-22的40%，R410A的1/3，同時(shí)相同制冷量條件下所需的制冷劑充灌量可大幅減少。研究結果表明，與相同制冷量的HCFC-22產(chǎn)品相比，使用HFC-32制冷劑其溫室氣體直接減排率可達77.6%。雖然HFC-32具有弱可燃性(根據ISO5149:2014《制冷系統及熱泵—安全與環(huán)境要求》的分類(lèi)為A2L)，但在嚴格執行相關(guān)標準規范的前提下，其安全性能夠得到保證。迄今為止在全球已有超過(guò)50個(gè)國家批量上市了采用HFC-32制冷劑的空調器，銷(xiāo)售量已超過(guò)2700萬(wàn)臺，這些空調均處在正常的運行中，并未發(fā)生安全事故。同時(shí)由于HFC-32系統能效高，使用過(guò)程中給用戶(hù)帶來(lái)的節能效益顯著(zhù)?？紤]到運行能耗降低帶來(lái)的生命周期的溫室氣體間接減排量，采用HFC-32的系統將比傳統產(chǎn)品具有更好的溫室氣體減排效果。因此HFC-32是目前在中小型工商用空調系統中最合理可行的替代品，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。中國目前已成為全球最大的制冷空調設備生產(chǎn)國，生產(chǎn)的各類(lèi)空調產(chǎn)品已出口到包括發(fā)達國家在內的全球市場(chǎng)，產(chǎn)品品質(zhì)也得到了全球范圍內的認可。目前國內市場(chǎng)上銷(xiāo)售的HFC-32空調產(chǎn)品均是經(jīng)過(guò)了嚴格設計、制造、性能測試和安全評估，并相繼獲得了VDE、CCC、CB、CE、RCM、global-mark等國內外權威認證，產(chǎn)品質(zhì)量和性能都是有保障的。在未來(lái)工作中，行業(yè)和企業(yè)應重點(diǎn)加強的工作是進(jìn)一步關(guān)注對新型替代產(chǎn)品在安裝維修服務(wù)方面的培訓和宣傳，提升維修安裝人員和用戶(hù)端的安全意識，避免違規違章行為，確保使用的安全性和合理性。

　　當前，中國大力推動(dòng)構建資源節約型、環(huán)境友好型社會(huì )。制冷劑替代行動(dòng)是與節能減排、環(huán)境保護密切相關(guān)的利國利民的大好事，社會(huì )各界應以高度的責任感積極配合《議定書(shū)》的履約行動(dòng)，普及環(huán)保理念，推動(dòng)環(huán)保進(jìn)程，為我國綠色可持續經(jīng)濟的建設發(fā)展做出貢獻。（摘自制冷網(wǎng)）