浅谈“减碳”目标下暖通空调行业发展方向
发表于： 来自：制冷空调换热器
本文从“减碳”的角度对暖通空调行业的未来发展方向进行分析，总结出产品节能、绿色工厂、技术升级及循环利用等四方面将会是未来重点关注的方向，并分析了“减碳”过程中新的商业机会。
01、产品节能减碳
根据国家统计局发布的数字，2020年我国空调器市场保有量约6.5亿台。根据IEA的预测，从2016年到2050年，空调器的市场保有量将从12亿台增加至45亿台。若不采取积极措施提升能效、降低排放，空调器的总排放将超过3亿吨CO2当量。
2019年国家发展改革委等七部委出台了《绿色高效制冷行动方案》，方案提出了到2022年及到2030年两个阶段性的节能减排目标，如表1所示。
表1 制冷空调产品的节能目标要求
同时，2030年制冷产品总体能效水平较2021年提升25%；同期大型公共建设空调系统能效提升30%。绿色高效制冷产品市场占有率2022年较2021年提升20%，2030年较2021年提升40%。
产品节能减碳需要从研发阶段就引入全生命周期低碳设计理念，基于这一理念，未来的空调行业将呈现3个特点。
1.1、空调更高效
从国家强制性标准来看，2021年7月1日起，《房间空气调节器能效限定值及能效等级》缓冲期结束。表明新的家用空调市场能效准入门槛提高，定频空调在能效分级能效上的优势消失。
电子膨胀阀（图1）在部分负荷及超负荷的工况下可以有效控制制冷剂流量，在提高安全性的同时提升能效。目前韩国、日本市场的房间空调器电子膨胀阀配套比例近乎100%，我国市场目前约为70%，可以预见接下来配套比例将不断提升。
图1 电子膨胀阀
1.2、变频更普及
变频技术在多联机、家用空调领域普及率高，但是在冷库、冷冻冷藏运输设备和冷柜等方面的应用有限。冷冻冷藏应用较空调应用工作环境更复杂、对于可靠性和售后服务的要求更高。变频技术结合电子膨胀阀的应用可以实现快速降温，运输过程中的精确控温，结合IT技术对全过程进行实时监控，在食物保鲜及延长储存时间方面起到重要的作用。
由于核心零部件（压缩机、电子膨胀阀和控制器等）价格高，导致变频普及率很低，随着主要核心零部件厂家在技术方面的不断突破，价格合理的变频压缩机、控制器及低内漏电子膨胀阀都已经推向市场，预计变频技术将在冷冻冷藏领域得到更普遍的应用。
1.3、制冷剂更环保
2021年6月17日，中国常驻联合国代表团向联合国秘书长交存了中国政府接受《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》的接受书。该修正案于2021年9月15日对我国生效。该修正案明确将HFC134、HFC134a、HFC143等18种氢氟碳化物（HFCs）列入受控物质清单。
根据《基加利修正案》设定的削减时间表，大部分发达国家将从2019年开始削减HFCs，到2036年在基线水平上削减85%；包括中国在内的绝大部分发展中国家将在2024年对HFCs生产和消费冻结，2029年在基线的水平上削减10%，到2045年削减80%。
基加利修正案明确了限制使用的制冷剂清单及不同国家的碳排放削减要求，其中包括目前在国内大量使用的R410A、R32等制冷剂。R32由于其弱可燃性及相对较低的全球变暖潜能值，将在国内空调领域制冷剂过渡阶段扮演重要的角色。其它应用领域当前制冷剂产品及未来可能替代物情况可参考表2。
目前国外用HFO-1234yf和HFO-1234ze(E)替代R134a作为制冷剂的初步评估已经开始，但于HFO类制冷剂成本较高，且开发和部署新产品需要重大的投资要求，使新一代制冷剂的推广困难重重。我国作为《蒙特利尔议定书》的第五条款国，按照该2016年基加利修正案的要求，将于2024年之前开展实质性削减HFCs的管控工作。
表2 当前制冷剂产品及未来可能替代物情况
02、绿色生产减碳
绿色生产包含材料选择、制造工艺、工程应用及可回收性等方面的综合考虑。
材料方面：
不锈钢由于其更高的抗拉强度、更好的耐腐蚀性、更长的使用寿命、更低廉的价格及更环保的焊接方式，将在流体控制元器件上替代一部分铜。目前不锈钢四通阀和球阀等产品已经大批量应用于制冷空调市场，其中不锈钢四通阀的销售规模超过1000万只。
工艺方面：
激光焊接由于其速度快、深度大、变形小和工艺环保等特点，应用领域将进一步拓展。在实际工程安装过程中，免焊接的连接器（图3）将成为一种趋势。
图3 免焊接的连接器
03、技术升级减碳
“碳中和”目标某种程度上也在倒逼行业技术升级、思考更有效的解决方案，主要体现在冷热一体、冷链升级和冷库改造三个方面。
3.1、冷热一体
目前大部分空气源空调热泵机组，其室外机一般会采用风冷换热器，没有安装冷热回收装置，某种程度上也是一种“浪费”。由于制冷系统的两端同时产生冷源或热源，冷热同时利用可以实现能源利用的最大化，将会成为未来的发展趋势。诸如冷库机组、空气源冷热水机组和机房空调等，如何同时高效利用两侧的能量是进一步研究的关键。
3.2、冷链升级
冷链物流是以冷冻及冷藏技术为基础、制冷技术为措施，使物品在流通中各环节（生产、存储、运输和销售）始终处于适宜的低温环境下的食品冷藏运输技术。冷链物流的目的是保证冷链物品质量，减少冷链物品损耗。冷链物流行业贯穿第一产业、第二产业和第三产业，有效衔接乡村振兴、促进消费升级的重要产业。根据相关数据显示，2020年整体市场规模超4 000 亿元。2015—2020年国内市场规模持续增长，其年均复合增长率约为17%。
3.3、冷库改造
冷库行业一直是我国在节能方面管理相对薄弱的应用环节，从冷库设备生产企业竞争力看，市场集中度不高，存在“小而散、缺专人和缺资金”等问题。中小型冷库因其施工标准不统一，安装人员缺乏专业的培训和指导，很多老旧制冷设备成为耗能大户。随着以变频压缩机、电子膨胀阀为代表的核心零部件技术不断突破，节能技术将广泛应用于新建冷冻冷藏设备，很多高能耗的老旧设备也将迎来升级换代的高峰。
04、循环利用减碳
环保回收包括两个层面的内容：
1）选材方面关注回收处理方法简单、回收价值高的材料，从而达到资源消耗最低、环境污染最小的目的；
2）在制冷空调设备的维修及更换方面，要特别关注制冷剂的回收利用或环保处理。据了解，目前在设备维修及更换过程中，绝大多的操作都将系统中制冷剂直接排放到空气中。这是目前在设备全生命周期中碳排放较高的环节，该方面的改善有赖于国家及行业层面出台相关的技术规范，并对从事该工作的人员进行专门的培训。
中国循环经济协会于2020年12月批准发布《废弃电器电子产品制冷剂回收技术规范》（T/CACE 023—2020）、《废弃电冰箱处理技术规范》（T/CACE 024—2020）两项团体标准，可以作为技术规范参考执行。
05、减碳过程中新的机遇
5.1、热泵热水器采暖
热泵作为高效清洁供热的有效手段，在民用、工业方面发挥了越来越重要的作用。作为连接电能和热能的高效能量转换技术，热泵技术必将成为热能供应的核心技术。随着消费者对于生活质量及舒适性的高要求，地暖的市场占有率在不断提升，目前最大比例为传统的室内暖气片供暖。传统的供暖系统主要使用燃煤对锅炉内的水进行加热并分布至不同的供热单元，大量的燃煤消耗是导致雾霾及高碳排放的主要原因之一。
随着国家对于北方冬季采暖的清洁性、环保性的要求不断提高，热泵热水机组作为冬天热水加热的高效设备，近年来在北方广泛应用。根据IEA（International Energy Agency）发布的ETP（Energy Technologies Perspectives）预测，到2030年，市场保有量将达到目前的3倍，到2040年热泵热水器将成为主流建筑供暖及制冷设备。
5.2、电动汽车
交通领域用能是能源消耗重要的组成部分之一，交通领域实现降低碳排放最主要的途径是电气化。有数据显示到2025年我国新生产的轿车渗透率将达到20%，到2035年将主要生产电动轿车。
电动轿车电池冷却、电控系统冷却、电驱系统冷却和乘客舱冷却将带来汽车热管理领域大量的业务机会。大量的充电桩会建设起来，充电桩冷却市场同样巨大。余热利用热泵系统与电加热相比，根据不同的驾驶工况，可增加13%～15%的续航里程数。
5.4、风力发电变流器冷却
海上风电起源于欧洲，目前在国内沿海地区有一定程度应用，预计接下来将迎来快速发展期。风电变流器发热量大，工作环境多为高温、高湿。目前10 kW以下设备变流器使用传统风冷散热及热虹吸冷却散热技术较多；对于10 kW以上的设备，压缩机氟泵双循环冷却散热技术（图4）有望得到广泛应用。
图4 氟泵双循环原理
5.5、数据中心冷却
随着社会经济和科技的发展，数据中心等高热流密度空间迅速增加。据中国信息通信研究院公开数据，2018年中国数据中心用电量为630×108kW·h，约占中国总用电量的0.9%，其中制冷能耗占总用电量的30%以上。
目前全球规模数据中心的数量已经超过42万个，能耗已经约占全球发电量的3%。根据美国市场研究和咨询公司的研究，2018年度数据中心的全球制冷市场规模为86亿美金，到2025年将保持每年13.5%的增长。除了采用液体冷却技术外，高效冷源是数据中心节能的主要方向，与清洁能源发电相结合的全年运行冷水机组将会成为实现高效冷却的主要途径之一。
