【封面故事】“碳中和”下新冷媒的新路径

　　

　　全球空调需求的增长已经成为我们这个时代最关键但常常被忽视的能源问题之一，满足空调的电力需求，特别是高峰用电需求，成为未来的一大挑战；另一方面，除了能源消耗造成的温室气体间接排放外，制冷剂也是温室气体直接排放的重要来源，目前使用的大多数制冷剂具有很高的全球变暖潜力。因此，通过提高制冷水机组等主要设备的能效来降低能耗和发展低GWP制冷剂是制冷领域的迫切课题。

　　

　　“碳中和”指路

　　

　　已成为国家战略实现“碳中和”是国家层面的顶层设计，是国家经济长期健康可持续发展的必要条件。根据国家政策，“十四五”期间，单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%。到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。为实现“碳中和”，我国经济增速可能在短期内出现阵痛，这主要体现在环境政策约束对资源配置方案的倒逼作用上。但长期来看，实现“碳中和”会加速推动我国经济结构转型，高能耗、高污染产能将被逐步淘汰，高新产业占经济的比重持续提升，未来经济发展将由科技创新驱动。实现“碳中和”目标将促使中国经济增长方式更加绿色、低碳和更可持续。

　　

　　正如浙江省制冷与低温重点实验室主任陈光明教授所说：“在‘碳中和’‘碳达峰’实现的过程当中，采用优秀冷媒的产品对‘碳中和’‘碳达峰’有非常大的贡献，所以我觉得政府、社会各方面都要强调节能意识，提高能源效率。” “可以说，各类政策和协议的提出，也在推动着行业朝着低碳节能的方向发展，也同样推动了冷媒的切换进度。”丹佛斯（上海）投资有限公司市场部总监李爱丽也这样表示。

　　

　　对于新冷媒替换的趋势而言，比泽尔也认为，中国作为一个发展中的国家从冷媒替换的时间点要求方面可能不会如同发达国家那样紧迫，但从国家的大格局来看，中国既然遵守了《蒙特利尔议定书》以及《基加利补充协议》，就定然会如期完成冷媒替换的使命。不置可否的是，如若冷媒替换现在还是处于观望的慢速推进中，那么在项目的生命周期内很可能会发生冷媒替代及二次设计，这将会对项目及资源造成不必要的浪费。

　　

　　在当前的市场形势下，陈光明认为新冷媒的替代存在比较多的阻力，其中最重要的是成本压力。“生产企业对成本比较关注，新冷媒的替代或多或少都要带来成本的上升，对于生产企业市场的推广会有较大的影响。我认为新冷媒的替代目前来说不是特别急迫的事，按照现在国际上的规则，实际上我们还有比较多的时间来做这件事。

　　

　　随着技术的发展，我相信成本逐渐会降下来，这样一来生产企业就会有比较大的动力来主动推进新冷媒替代这件事。”陈光明在接受采访时如此说道。

　　

　　浙江盾安机电科技有限公司冷水机组产品线总监柳玉春也发表了同样的观点，他认为，当前新冷媒的替代存在较多阻力，最大的阻力表现在以下两个方面：首先是供应链不完整、不成熟，例如采用R32冷媒的风冷涡旋机组，很多配件规格不全；其次是成本问题，比如像水冷螺杆机组的替代制冷剂R513A价格很高，整机成本明显增加，导致客户接受度较差。

　　

　　深圳麦克维尔空调有限公司市场部经理张传友也表示，新冷媒的机组意味着更高的造价，所以即便在技术研发领域，新冷媒的应用技术已然成熟，但何时能够真正实现市场化，则更多的需要交给时间。

　　

　　针对目前的冷媒替代的进程和市场现状，李爱丽也坦言，对于整个企业和行业来说，冷媒替代还有很长的一段路要走。特别是目前来看，新冷媒的应用还并不普遍，即便是目前采用的R410A、R32、R134a也属于过渡性冷媒，再加上一系列新型冷媒的使用成本较高，综合来看，整个行业在新冷媒的切换并大规模投入应用还需要一定的时间。

　　

　　从各产品新冷媒的替代率来看，替代率不高是普遍现象。处于“有技术储备，但是还没有真正进行到商用领域”的阶段。不管是离心机、螺杆机组、模块机等冷水机组，还是多联机、单元机这类氟系统产品，新冷媒使用率普遍都不高。这点也和艾默生的判断一致：“虽然在商用空调、热泵、冷冻冷藏领域，低GWP值的制冷剂替代方案呼声很高，但实际应用比例不高。”

　　

　　据陈光明表示，现在成本比较容易接受的是R22替换成R32、R410A等，这种成本上比较容易接受，所以推广起来也比较快，技术上相对也比较成熟。所以解决成本问题的方法，陈光明认为最重要的是通过技术上的创新，其次是政府政策上的支持，还有就是提升大众的环保意识，这些都有利于推进新冷媒的替换进程。

　　

　　以下内容和图表均来源于《冷水机组技术新进展》（作者：王宝龙 李先庭）

　　

　　最后，我们节选了2021年3月发布的第42期制冷技术信息简报《冷水机组技术新进展》中关于制冷剂技术发展部分的内容，以供读者参考。

　　

　　为了满足对能源效率和环境性能的更高要求，冷水机组相关技术得到了不断的发展。一方面，针对制冷剂、蒸发器和压缩机等部件进行了多项新技术研发，另一方面针对特定的应用需求也开发出了更多更高效的设备系统。在制冷剂的替代方面，联合国环境规划署(UNEP)给出了目前不同类型冷水机组使用的主要制冷剂，如表1《目前不同类型冷水机组使用的主要制冷剂》所示。其中，HCFC123以其良好的能效和较低的容积容量被广泛应用于离心式冷水机组中，HFC134a是采用涡旋压缩机、螺杆压缩机等容积式压缩机的大中型冷水机组的主要制冷剂，而R410A和通常用于中小型冷水机组。一般来说，HCFCs和HFCs仍然是现有冷水机组使用的主要制冷剂，这可归因于冷水机组较长的使用寿命以及HCFCs和HFCs仍在逐步淘汰的过程中。

　　

　　随着《蒙特利尔议定书》的197个缔约方于2016年在基加利签署了逐步削减HFCs的修正案，具有高GWP的HFCs制冷剂的逐步削减方案已经确定。因此，为目前广泛使用的制冷剂开发合适的替代品已成为制冷技术发展中最迫切的课题之一。

　　

　　研究者们很早就在寻找新的低GWP制冷剂，但通过对化学数据库的大规模筛选发现，现有的制冷剂很少能够同时满足未来制冷剂对安全性、热力学性能和环境性能的所有要求。在这种情况下，天然制冷剂、碳氢化合物、氢氟烃)及其混合物越来越受到人们的关注。

　　

　　天然制冷剂，例如R717、R744和R718，以及碳氢化合物，由于其良好的环境性能，正被重新考虑作为冷水机组的潜在替代制冷剂。目前，尤其是在欧洲，使用GWP接近零的天然工质及碳氢化合物工质的产品在市场上获得了较好的发展势头。

　　

　　R717(氨)具有良好的热力学和流体力学性能，已经在工业冷水机组中应用了几十年。R717的主要缺点是毒性、易燃性和对铜的腐蚀性。在工业应用中，通过合理选择机房位置、设置氨传感器和喷水系统、采用开式压缩机等措施和手段，可以有效地控制这些缺点所带来的风险。近来，R717也被考虑应用于舒适空调系统，但是这需要更仔细的管理和更加健全的建筑规范来防范可能存在的风险。

　　

　　R744(二氧化碳)是一种广泛应用于热泵热水器中的高效制冷剂。但是，研究也发现，在室外环境较低， 例如室外温度低于15°C下，制冷模式下R744系统在能效和全生命期气候性能(LCCP)方面与采用氟化物制冷剂的系统相当。因此，R744风冷冷水机组已被引入北欧市场。

　　

　　R718(水)冷水机组可用于闭式循环制取冷冻水或用开式循环系统结构直接从水池中蒸发制备冰浆，具有较好的成本优势。但是，吸气压力低、压缩比高和吸气密度低等因素导致采用R718的设备需要设计高容积 流量的轴流式压缩机，这限制了其在制冷领域的应用。然而，欧洲、中东和南非也已经展示了几种冷水机组和商用真空制冰机。

　　

　　冷水机组中常用的碳氢化合物制冷剂是HC290和。HC290和具有很好的热力学性能，类似于HCFC22。利用碳氢化合物的最大挑战是其高可燃性，这在很大程度上限制了最大制冷剂充注量和在室内等较为密闭空间的安装使用。目前，碳氢化合物已成功地应用于小容量制冷系统，如冰箱和房间空调器。对于冷水机组，只有在丹麦、挪威、英国、德国、爱尔兰、美国和新西兰等地有小容量风冷冷水机组使用， 且安装数量有限。

　　

　　HFOs是由氢、氟和碳组成的不饱和有机化合物，具有零臭氧消耗潜能(ODP)和极低的GWP。许多HFO制冷剂本质上是稳定的、无毒的、不易燃或轻度易燃的，其中一些具有合适的凝固点和沸点，可用于常温下的制冷。在纯HFOs中，HFO1234yf、HFO1234ze(E)、和HCFO1224yd(Z)等被广泛应用于空调用冷水机组。

　　

　　与HFC134a具有相似的热力学性能，GWP<1，被认为是HFC134a的一种潜在替代品。一般情况下，的容积制冷量比HFC134a低6~20%。同时，制冷系统的性能系数(COP)比HFC134a制冷系统低8~20%。但HFO1234yf系统的性能可以通过部件和循环优化来提高。HFO1234ze(E)也被认为是HFC134a的低GWP替代品。HFO1234ze(E)的容积制冷量较HFC134a系统低26%，而两者制冷能效系数则基本相当。

　　

　　具有与HCFC123相近的能效比和1.4倍的容积制冷量，被认为是HCFC123的良好替代品。HCFO1224yd(Z)是的潜在替代品，它的COP和HCFC123接近，而的容积制冷量比HCFC123高出60%，在设计新的冷水机组时应注意这一点。

　　

　　正如前面提及，由于制冷量、可燃性等方面的差异，绝大多数纯HFOs不能直接在冷水机组中直接冲注使用。因此，研究者开发了许多HFOs混合制冷剂用于制冷剂替代。其中，R444A、R445A、R450A、R513A、R515A被用于替代R134a，R514A是R123的非共沸替代品之一，R32/HFOs混合物(包括R446A、R447A、R452B等)则是的替代制冷剂。

　　

　　用于冷水机组的新出现的低GWP替代制冷剂见表2。

　　

　　尽管现有的主流冷水机组仍然采用传统制冷剂，但领先的冷水机组制造商已经评估了这些替代品，并逐步发布了使用这些低GWP制冷剂的新型冷水机组。开利于2016年4月发布了采用HCFO1233zd(E)的离心式制 冷水机组。除此之外，他们还开发了可使用R513A的19XR离心式冷水机组、23XRV水冷式冷水机组和30XV/ XA风冷螺杆式冷水机组。2017年，特灵发布了采用R513A和R514A的离心式冷水机组，HFO1234ze(E)螺杆式冷水机组。2019年，约克公司扩展了采用HCFO1233zd(E)制冷剂的磁悬浮冷水机组产品类型。此外，其他重要的冷水机组制造商也推出了自己的采用低GWP新型冷水机组。表3列出了主要的商业化程度较高 的低GWP 的HFO制冷剂。

　　

　　在制冷剂替代过程中，《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》发挥了非常重要的作用。许多发达国家已经逐步淘汰了HCFCs的应用，发展中国家也在2015年开始了相关的淘汰进程，并计划在2030年前完成。欧盟于2014年发布了新的含氟气体(F-gas)法规，即欧盟指令2014/517/EC。

　　

　　根据规定，2025年1月1日后，包括R410A在内的GWP高于750的制冷剂将被禁止在单元式空调器中使用。2020年1月1日以后，商用制冷设备中禁止使用GWP超过2500的制冷剂，包括R404A。近年来，低GWP制冷剂的商业化进程加快，尤其是HFO及其混合物。各大制冷剂、压缩机和冷水机组制造商不断推出与低GWP制冷剂相关的新产品。

　　

　　后疫情时代，经销商想要实现自救，厂家的帮扶必不可少。在渠道多元化的新局势中，构建新型的厂商关系成为必然，其最本质的特征就是厂商之间的合作能够实现协同发展。正如行知汇营销咨询机构创始人邵策所说：“不论家装还是公装，我们要重回创业时代的状态，大家一起敬业，一起拼搏，才可以把市场做好。”