制冷剂的环境影响评价及指标文献综述

制冷剂的环境影响评价及指标文献综述小组成员：何所谓顾笑伟马东郑以翔张明创摘要随着对制冷剂环保性质的不断深入认识，基于制冷剂寿命周期分析以及对各指标进行综合考虑，一些新的更具科学性的评价标准被提出，从而使得现有评价体系逐步完善发展。本文主要介绍了诸如ODP、GWP等传统制冷剂的评价指标，以及CO2减排率、寿命期气候性能LCCP等最新提出的制冷剂环境影响评价指标，并对这些指标做了横向比较，以突出各自的本质特点。关键词制冷剂环境影响评价指标总体温室效应值寿命期气候性能LiteraturereviewoftheenvironmentalimpactevaluationandindexofrefrigerantABSTRACTWiththedeepeningunderstandingofenvironment-friendlyrefrigerantpropertiesbasedonrefrigerantlifecycleanalysisandcomprehend-siveconsiderationofvariousindicators,somenewandscientificevaluations-tandardisproposed,whichmakestheexistingevaluationsystemisgraduallyimprovinganddeveloping.Thispapermainlyintroducesthetraditionalrefrige-rant,suchasODPandGWPofevaluationindex,andCO2emissionreductionrate,lifecycleclimateperformance)andthenewrefrigerantenvironmentalim-pactassessmentindicatorsandtheseindicatorsdohorizontalcomparison,inordertohighlightthecharacteristicsoftheirrespectivenature.KEYWORDSenvironmentalimpactevaluationindexofrefrigerant;TEWI;LCCP1研究背景臭氧层的破坏和全球气候的变化，是当前全球所面临的主要环境问题.而CFCs和HCFCs类制冷剂在使用过程中，存在消耗大气臭氧层和引起全球温室效应的问题。虽然目前大部分制冷剂的使用，已经开始转向HFCs（碳氟烃）类制冷剂，部分HFCs类制冷剂不会消耗大气臭氧层，但是对温室效应的影响比较明显。在全球气温明显上升的情况下，我们对制冷剂的使用要特别关注。M.J.Molina和F.S.Rowland在1974年的论文中指出，CFCs类物质会产生改变自然界臭氧平衡的氯原子，对臭氧层造成破坏，由于臭氧层是地球的保护伞。它对太阳光中波长是200～280nm的短波紫外线UV-C可以全部吸收，对波长280～315nm的中波紫外线UV-B有很强的吸收过滤作用（可以吸收280～300nm的UV-B）。因此，由于臭氧层的存在，只有部分中波紫外线和对生物细胞伤害非常轻微的长波紫外线UV-A能够辐射到地面。据联合国环境署提供的资料，臭氧层每减少1%，紫外线辐射量约增加2%，臭氧层的破坏会危及人类将康和生态平衡。同时CFCs类物质可吸收地球释放的波长是8~12um的红外线，然后将这些能量再次辐射回地球，使地球表面的温度升高。CFCs具有很长的化学寿命，最长的可在大气层中历经400年而不分解，而CFCs在地球大气层的积累，破坏了地球的热辐射平衡能稳定地吸收太阳热，导致大气温度升高，即加剧温室效应。在目前估计的气温变暖的因素中，20％一25％是CFCs类物质作用的结果。因此，近年来国际社会多次召开会议，签署了国际协议，制订了限制和禁止使用消耗臭氧层物质(ODS)的一系列措施，对受控物质的范围及限制和禁止使用的时间表都做了具体的规定。随着环境的变化和替代技术的进步，受控物质范围扩大，替代进度进一步加快。替代工质种类很多。长期的解决方法是采用ODP值为0，且GWP也很小的物质作制冷剂。可采用天然制冷剂，如氨、二氧化碳、烷烃等自然物质也可采用氟利昂中的HFCs物质，如R134a和R152a。近年来还有一些商业化的混合制冷剂，如R404A、R4IOA、R407C等。制冷工商界对采用的制冷工质选取需要从环境、安全、物理、循环特性方面考虑，其中安全、环境方面是首要因素不同的制冷剂，使用的场合不同，制造成本，制冷系统能耗不同，泄漏性能不一样，所以它们对环境的影响也很复杂。从不同的方面研究，其评价的指标也不一样。随着人们对安全、环境问题的研究的探人，不断提出新的评价指标和更新评价数据。当前制冷剂的优劣主要从环境安全性能和制冷性能两个方面来进行评价。制对环境的影响评价指标主要包括：ODP，GWP，毒性，可燃性等；制冷剂的制冷性能的指标主要通过相同工况下制冷设备的COP对比来体现。因此，现今制冷剂选择的评价体系是通过单一筛选、层次评价，即首先用毒性和可燃性指标进行筛选，再逐步用ODP，GWP等评价指标单一地衡量。一般来讲，理想的制冷剂应具有如下特征：对臭氧层无破坏，对地球变暖影响小，毒性符合要求，易燃、易爆性符合要求，具有一定的化学和热稳定性，具有理想的热物理性质，具有一定的材料适用性，经济性好。本文综述了当前采用的制冷工质的环境安全评价指标。2当前几种制冷工质的环境安全评价指标2.1臭氧层消耗潜能值ODPODP(OzenDeressionPotential)消耗臭氧潜能值，表示大气中氯氟碳化物质对臭氧破坏的相对能力，指某种物质在其大气寿命期内，造成的全球臭氧损失相对于同质量的CFC-11排放所造成的臭氧损失的比值，以R11为1.000做基准。ODP值越小，制冷剂的环境特性越好。根据目前的水平，认为ODP值小于或等于0.05的制冷剂是可以接受的。2.2全球变暖潜能值GWP全球变暖潜能值GWP(GlobalWarnmgPotentia1)，是衡量制冷工质对气候变暖影响的指标值。当选用CFC-11的值作为基准值1.0时，称为HGWP。近年来人们将作用100年的CO2作为基准，并将CO2的温室效应潜能值定为1.0。GWP是一种物质产生温室效应的一个指数。GWP是在100年的时间框架内，各种温室气体的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量。二氧化碳被作为参照气体，是因为其对全球变暖的影响最大。要全面反映温室效应必须考虑机器的泄漏量、使用年限、能耗等多方面的因素。一种气体GWP值的大小取决于三方面的因素：a)吸收红外辐射的能力；b)在大气中的寿命；c)与CO2相比较的时间区间框架。某种气体X的GWP值定义为),CO(),X(),X(2ITHAGWPITHAGWPITHGWP其中ITHXXITHXXdttMRRFdttMRRFITHAGWP00)()(),X(式中，ITH为时间区间，a；AGWP为绝对GWP值，W·a/(m2·kg);RFX是体积分数为910的X气体的辐射力，W/m2；t为时间，a；MRX(t)是每kgX气体辐射后的体积混合率，kg1。CO2的绝对GWP值AGWP(CO2,ITH)随时间区间框架的不同而变化。所以，值得注意的是，对于同一种制冷剂，根据所用的不同时间框架，其GWP值会发生变化，通常应说明这个时间区间。2.3总体温室效应值TEWI总体温温室效应值(TotalEquivalentWarrmingImpaet,缩写为TEWI)，可以描述为以下两个部分：第一部分是直接温室效应(DirectWarmingImpact)，它是指制冷空调装置中制冷剂的泄漏以及系统维修或报废时排放的制冷剂对大气温室效应的影响，可以表示为制冷剂的GWP值与系统泄漏量和装置维修或报废时排放量总和的乘积，其中GWP值采用CO2当量为单位；第二部分是间接温室效应(IndierctWarmnigImpact)，是指制冷空调装置在使用寿命中因耗能(主要指电能和燃烧化石燃料)引起的CO2排放。TEWI是一个评价温室效应的综合指标，它不仅包括制冷剂、发泡剂对温室效应的影响，也包括制冷或热泵装置的用能效率COP或SEER(季节能效比)、以及包括化石燃料转变为电能或机械能的效率。总体温室效应方法统一了温室气体的物性和实际用能装置的效率对温室效应的影响，可以更客观、公正地评价制冷工质的温室效应，所以采用TEWI值可以说是一项重要的技术进步。其计算方法如下：nEnlm100GWPTWEI其中：GWP是以CO2基准，m是系统中工质总质量(kg)，l为工质的年泄漏率(%)，n指系统运行年限(年)，E代表系统每年的能耗(kWh)，体现每度电CO2的释放量(kg/kWh)。2.4大气寿命大气寿命，是制冷工质排放到大气中一直到分解前时间，也就是制冷工质在大气中存留的时间。制冷工质的寿命长，说明其潜在的破坏作用就大。2.5寿命期气候性能LCCP寿命期气候性能LCCP(IifeCycleClimatePerformance)概念是由美国ArthurDLittle公司于1999年提出的，它与TEWI指标基本相同，但修正了TEWI分析时的个别疏忽，认为在评价对全球气候变化影响时还应进一步考虑生产任何氟烃化合物时所伴随的影响，即应该考虑下列两个因素：a)生产氟烃化合物及其原料时的耗能(如电能和各种燃料)所伴随的影响，这种影响称为蕴含能量(embeddedenergy)E；b)生产过程排放的作为温室气体的任何副产品所产生的影响，这种影响称为不易收集的排放(fugitiveemissions)F。所以，LCCP的计算式为)1()(recannanLNFEGWPNELCCP此外，ArthurDLittle公司还认为，在分析某些大气寿命长的温室气体时，使用100a的时间框架不太合适，其理由正如前面已指出那样，不同时间框架的GWP值和TEWI值的组成是不同的。这种LCCP指标受到了国际社会和制冷空调行业的重视。联合国环境规划署、美国环保局、美国大气对策联盟以及美国空调制冷协会等认为，在制冷空调行业中，分析环境影响时，焦点不在于制冷剂本身，而是这些设备的LCCP指标。2.6CO2减排率Y全球变暖潜值(GlobalWarmingPotential)评价了制冷工质自身对全球气候变暖的影响,是国际通用的一种指标。但是,从制冷空调设备应用制冷剂的角度来看，单纯使用GWP值来评价并不全面，即使只考虑直接排放对CO2减排的贡献，也不能仅看制冷工质的GWP值，还与机组的充注量直接关联。因此,可以使用兼顾制冷工质GWP值和系统充注量G的一种评价指标，即“同一机组中使用制冷工质替代品时相对于被替代品的CO2减排率Y”(简称CO2减排率Y)，作为替代工质直接排放时对减排CO2的相对影响。Y指标的计算公式如下：)()(-)(被替代品被替代品替代品替代品被替代品被替代品GGWPGGWPGGWPY式中：G为系统充注量。由上式可知：Y值与GWP值有关，但并不等同于GWP值，Y有别于GWP；与GWP值相比，作为衡量替代工质的气候变暖直接效应，Y值更为全面，且与CO2减排目标直接挂钩；Y值可正可负，正值表示有减排作用,正值越大则减排效果越明显，负值表示不但无减排作用，且有增排效益，负值越大则增排效果越明显。2.7环境安全性综合评估方法最近国际上提出了一种新的制冷剂的环境安全性评估方法,它综合考虑制冷剂的GWP,ODP以及大气寿命,并参考国际认可的相关文献计算其排放到大气层后对环境的影响,根据如下条件评估环境安全性:100100000LCGWPLCGWPGWPODP式中LCGWP为寿命周期直接全球变暖潜值指数LCGWP=[GWPr(Lr×Li+Mr)Rc]/Li，其中GWPr为制冷剂的全球变暖潜值,Lr为制冷剂年泄漏率(占制冷剂充注量的百分比,默认值为2%),Mr为寿命终止时的制冷剂损耗率(占制冷剂充注量