制冷劑的發(fā)展趨勢(shì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展
摘要： 論述了當(dāng)前使用的制冷劑以及其存在的 問(wèn)題 ，指出現(xiàn)行制冷劑對(duì)臭氧層的破壞作用及引起的溫室效應(yīng)，將嚴(yán)重 影響 了環(huán)境的可持續(xù) 發(fā)展 。 總結(jié) 了當(dāng)前制冷劑的替代工作及取得的成果。在論述可持續(xù)發(fā)展概念的基礎(chǔ)上 分析 了制冷劑的替代 研究 與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，得出了是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求推動(dòng)了制冷劑的替代研究工作，并為替代研究指明了方向，同時(shí)制冷劑的替代進(jìn)一步促進(jìn)了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。總結(jié)了在環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求下的制冷劑的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞： 制冷劑替代 可持續(xù)發(fā)展
1引言
目前 制冷空調(diào)行業(yè)中使用的制冷劑多為CFC(氯氟烴的統(tǒng)稱)和HCFC(含氫氯氟烴)。這些物質(zhì)由于對(duì)臭氧層具有破壞作用并產(chǎn)生溫室效應(yīng)，因此其替代研究已成為熱點(diǎn)課題[1]。本文在回顧制冷劑發(fā)展的 歷史 中，發(fā)現(xiàn)制冷劑的替代發(fā)展有兩條主線。一條是提高系統(tǒng)的能效比，另一條就是可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境觀。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)越來(lái)越深入人心。因此作者認(rèn)為，在當(dāng)前的制冷劑替代研究中，應(yīng)首先考慮對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
2當(dāng)前的制冷劑與制冷劑的替代
2.1 當(dāng)前的制冷劑及其存在的問(wèn)題
制冷劑的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段[1]：
第一階段，從1830年到1930年，主要采用NH3、CO2、H2O等作為制冷劑，它們有的有毒，有的可燃，有的效率低，用了約100年的時(shí)間。
第二階段，從1930年到1990年，主要采用CFCs和HCFCs制冷劑，使用了約60年。
第三階段，從1990年至今，進(jìn)入了以HFCs(含氟烴)為主的時(shí)期。
由于行業(yè)發(fā)展的慣性，目前使用較多的制冷劑是CFCs和HCFCs，其次是HFCs。(對(duì)于CFCs發(fā)達(dá)國(guó)家已于1996年1月1日起禁止生產(chǎn)和使用，但一些發(fā)展 中國(guó) 家仍然在使用。)
CFCs的禁用是因?yàn)镃FCs會(huì)在大氣中分裂并釋放出破壞臭氧層的氯原子[2]。據(jù)UNEP(聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署)提供的資料，如果平流層的臭氧總量減少1%，預(yù)計(jì)到達(dá)地面的有害紫外線將增加2%。有害紫外線的增加，會(huì)產(chǎn)生以下一些危害[3]：
使皮膚癌和白內(nèi)障患者增加，損壞人的免疫力，使傳染病的發(fā)病率增加。 破壞生態(tài)系統(tǒng)。過(guò)量的紫外線輻射會(huì)使植物的生長(zhǎng)和光合作用受到抑制，使農(nóng)作物減產(chǎn)。紫外線輻射也可能導(dǎo)致某些生物物種的突變。 引起新的環(huán)境問(wèn)題。過(guò)量的紫外線能使塑料等高分子材料更加容易老化和分解，結(jié)果又帶來(lái)光化學(xué)大氣污染。
因此保護(hù)臭氧已經(jīng)引起了各國(guó)的高度重視，成為一項(xiàng)全球性的緊迫任務(wù)[4]。
而HCFCs與CFCs同樣能夠破壞臭氧，兩者只不過(guò)是所含的氯原子多少不同而已。同時(shí)CFCs、HCFCs和新一代HFCs制冷劑都被認(rèn)為是溫室氣體[5]，它們對(duì)全球氣候變暖影響的大小，取決于它們吸收紅外能量的能力和它們?cè)诖髿庵醒永m(xù)的時(shí)間，可用GWP(全球變暖潛值)來(lái)度量它們對(duì)全球變暖作用的大小，其大小是相對(duì)于CO2的溫室效應(yīng)而言的，規(guī)定CO2的GWP值為1。物質(zhì)對(duì)于臭氧層破壞能力的大小是以O(shè)DP(大氣臭氧層損耗潛能值)來(lái)衡量的，以CFC11為基準(zhǔn)，規(guī)定CFC11的ODP值為1。部分制冷劑的ODP和GWP值見(jiàn)表1[4]。
表1部分制冷劑的ODP和GWP值[4]
物質(zhì)ODP值(R 11=1)GWP值(CO2=1)
CFC11(R11)1.01500
CFC12(R12)1.04500
HCFC22(R22)0.05510
HFC32(R32)0
CFC113(R113)0.82100
CFC114(R114)1.05500
CFC115(R115)0.67400
HCFC123(R123)0.0229
HCFC124(R124)0.02150
HFC125(R125)0860
HFC134a(R134a)0420
HCFC141b(R141b)0.08150
HCFC142b(R142b)0.08540
HFC143a(R143a)01800
HFC152a(R152a)047
HC600a(R600a)015
由于溫室效應(yīng)將引起氣候變化，目前國(guó)際 社會(huì) 所討論的氣候變化問(wèn)題，主要是指溫室氣體增加產(chǎn)生的氣候變暖問(wèn)題。近年來(lái)，世界各國(guó)出現(xiàn)了幾百年來(lái)歷史上最熱的天氣，厄爾尼諾現(xiàn)象也頻繁發(fā)生，給各國(guó)造成了巨大 經(jīng)濟(jì) 損失。人類對(duì)氣候變化，特別是氣候變暖，所導(dǎo)致的氣象災(zāi)害的適應(yīng)能力是相當(dāng)弱的，需要采取行動(dòng)防范。按現(xiàn)在的一些發(fā)展趨勢(shì)， 科學(xué) 家預(yù)測(cè)有可能出現(xiàn)的影響和危害有[2]：
海平面上升
全球氣候變暖導(dǎo)致的海洋水體膨脹和兩極冰雪融化，沿海地區(qū)可能會(huì)遭受淹沒(méi)或海水入侵，海灘和海岸遭受侵蝕，土地惡化，海水倒灌并影響沿海養(yǎng)殖業(yè)。
影響農(nóng)業(yè)和 自然 生態(tài)系統(tǒng)
全球氣溫和降雨形態(tài)的迅速變化，可能使世界許多地區(qū)的農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)或不能很快適應(yīng)這種變化，造成大范圍的森林植被破壞和農(nóng)業(yè)災(zāi)害。
加劇洪澇、干旱及其他氣象災(zāi)害
全球平均氣溫略有上升，就可能帶來(lái)頻繁的氣候?yàn)?zāi)害——過(guò)多的降雨、大范圍的干旱和持續(xù)的高溫，造成大規(guī)模的災(zāi)害損失。
影響人類健康
氣候變暖有可能加大疾病危險(xiǎn)和死亡率，增加傳染病。高溫會(huì)給人類的循環(huán)系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān)，熱浪會(huì)引起死亡率的增加。
正因?yàn)楝F(xiàn)行的制冷劑對(duì)環(huán)境的巨大的破壞作用，促使著人們積極的尋求能夠與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展相適應(yīng)的新型替代制冷劑。
2.2 制冷劑的替代
自1987年《蒙特利爾議定書(shū)》簽訂以來(lái)，各國(guó)紛紛展開(kāi)了對(duì)CFCs和HCFCs物質(zhì)的替代物的研究，在1997年簽訂《京都議定書(shū)》以前，CFCs和HCFCs類的制冷劑替代研究主要以保護(hù)臭氧為目的，主要研制HCFs類制冷劑。但《京都議定書(shū)》簽訂以后，人們轉(zhuǎn)而同時(shí)注重臭氧保護(hù)和減小溫室效應(yīng)，要求制冷劑不但要OPD值較小，GWP值也要較小。
根據(jù)《蒙特利爾議定書(shū)》CFCs在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)被禁用，HCFCs因?yàn)閷?duì)臭氧仍具有破壞作用也即將被淘汰。由于GWP較高，《京都議定書(shū)》將替代CFCs和HCFCs的HFCs物質(zhì)列入限控物質(zhì)清單中，要求發(fā)達(dá)國(guó)家控制HFCs的排放。所有這些都對(duì)制冷劑的替代研究提出了更高的要求。因此理想的替代制冷劑除應(yīng)有較低的ODP值和GWP值外，還應(yīng)具有良好的安全性、經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)良的熱物性等優(yōu)點(diǎn)，爭(zhēng)取做到既環(huán)保又節(jié)能。
新型的替代制冷劑主要包括人工合成型和天然型兩大類，有單一工質(zhì)和混合工質(zhì)兩個(gè)方面，混合工質(zhì)又可分為共沸混和物、近共沸混和物和非共沸混和物三種。
目前合成制冷劑方面主要有以下幾種：
1)R134a
R134a的ODP=0，GWP=420，不可燃，無(wú)毒，無(wú)味，使用安全，其熱物性質(zhì)與R12十分接近，可用來(lái)替代R12，用于汽車(chē)空調(diào)和家用冰箱等領(lǐng)域。但使用R134a，會(huì)使能耗增大，且與CFC—12用的潤(rùn)滑油不相溶，與材料的兼容性方面也不同CFC-12。另外它還是一種溫室效應(yīng)氣體，所以仍然存在一定的缺陷。
2)R152a
從物化性方面看HFC-152a也與CFC-12接近，用R152a替代R12后能耗可降低3%～7%，但其在空氣中含量達(dá)4.8%-16.8%時(shí)具有可燃性，因此推廣使用收到一定的限制。而它可與其它物質(zhì)混合，組成非共沸混合物來(lái)替代CFC-12。
3)R410A
R410A是近共沸混合制冷劑，是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%R32和50%R125組成。ODP=0，主要用來(lái)替代R22，單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動(dòng)性能較好，但同溫度下壓力值比R22高約60%。
4)R407C
R407C是非共沸混合制冷劑，是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%的R32、25%的R125和51%的R134a組成，ODP=0，單位容積制冷量大，但傳熱性能較差。
天然制冷劑方面主要有：
5)碳?xì)浠衔颷6]
目前作為制冷劑 應(yīng)用 的碳?xì)浠衔镏饕潜?R290)、丁烷(R600)和異丁烷(R600a)等，其中R600a已在歐洲和一些發(fā)展中國(guó)家廣泛用于冰箱中，并且它符合《京都議定書(shū)》的要求，ODP=0，GWP=15，環(huán)保性能好，成本低，運(yùn)行壓力低，噪聲小，但其易燃，易爆。此外R290和R600a組成的混合制冷劑也有一定的發(fā)展使用。
6)氨(R717)
氨已被使用達(dá)120年之久而至今仍在使用。其ODP=0、GWP=0，具有優(yōu)良的熱力性質(zhì)，價(jià)格廉且容易檢漏。不過(guò)氨有毒性而且可燃，應(yīng)當(dāng)引起注意，不過(guò)一百多年的使用記錄表明，氨的事故率是很低的，今后必須找到更好的安全辦法，如減少充灌量，采用螺桿式壓縮機(jī)，引入板式換熱器等等。然而，其油溶性、與某些材料不容性、高的排氣溫度等問(wèn)題也需合理解決？磥(lái)，NH3會(huì)有更大的市場(chǎng)份額。
7)二氧化碳(R744)
CO2是自然界天然存在的物質(zhì)， ODP=0， GWP=1。來(lái)源廣泛、成本低廉，CO2安全無(wú)毒，不可燃，適應(yīng)各種潤(rùn)滑油常用機(jī)械零部件材料，即便在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體。CO2的蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量相當(dāng)高，故壓縮機(jī)及部件尺寸較小;絕熱指數(shù)較高K=1.30，壓縮機(jī)壓比約為2.5~3.0，比其它制冷系統(tǒng)低，容積效率相對(duì)較大，接近于最佳經(jīng)濟(jì)水平，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
當(dāng)然除了以上提到的制冷劑外還有很多新型的替代產(chǎn)品，如清華大學(xué)研制的清華三號(hào)，清華四號(hào)等混合制冷劑也取得了不錯(cuò)的效果。
3制冷劑的替代中的可持續(xù) 發(fā)展 觀
3.1可持續(xù)發(fā)展的概念
可持續(xù)發(fā)展的概念源于環(huán)境保護(hù)？沙掷m(xù)發(fā)展的思想是從70年代以后逐漸形成的。1980年，聯(lián)合國(guó)向全世界呼吁：“必須 研究 自然 的、 社會(huì) 的、生態(tài)的、 經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展及自然資源利用過(guò)程中的基本關(guān)系，確保全球持續(xù)發(fā)展[7]。” 1987年，聯(lián)合國(guó)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)在《我們共同的未來(lái)》報(bào)告中指出，可持續(xù)發(fā)展是指“既滿足當(dāng)代人的需要，又不損害后代人滿足需要的能力的發(fā)展”。這一定義在1992年聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)上得到了各國(guó)的共識(shí)。
可持續(xù)發(fā)展是指生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三者的協(xié)調(diào)發(fā)展。其中生態(tài)可持續(xù)發(fā)展以保護(hù)自然為基礎(chǔ)，與資源和環(huán)境的承載能力相適應(yīng)。在發(fā)展的同時(shí)，必須保護(hù)環(huán)境，包括控制環(huán)境污染和改善環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)生物多樣性和地球生態(tài)的完整性，保證以持續(xù)的方式使用可再生資源，使人類的發(fā)展保持在地球承載能力之內(nèi)[8]。
3.2制冷劑的替代中的可持續(xù)發(fā)展觀
當(dāng)前環(huán)境變暖引起的氣候變化，臭氧層空洞等已成為全球性的環(huán)境 問(wèn)題 ，如果任其發(fā)展下去將對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此在制冷劑的替代研究過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)，不能只看到眼前的利益，而同時(shí)要注重生態(tài)環(huán)境與人類的協(xié)調(diào)的，可持續(xù)的發(fā)展。可持續(xù)發(fā)展的核心是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與保護(hù)資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)一致，是為了讓子孫后代能夠享有充分的資源和良好的自然環(huán)境。
通過(guò)近年來(lái)制冷劑替代工作的進(jìn)展，我們可以看到人們不再只注重制冷劑的熱物性，而更加注重其環(huán)保性。在《蒙特利爾議定書(shū)》簽訂以前制冷劑的研究一般以良好的熱力學(xué)性質(zhì)和物理、化學(xué)性質(zhì)等為主，如CFC系列的R11，R12等都具有良好的熱力性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且無(wú)毒，不燃，不爆等，但對(duì)臭氧層有很大的破壞作用，且能夠引起溫室效應(yīng)。在《蒙特利爾議定書(shū)》簽訂以后，在制冷劑的研究替代中首先考慮到的是減小制冷劑對(duì)臭氧的破壞作用，比如HCFC系列的R22雖然仍對(duì)臭氧有破壞作用但比R11和R12小的多。而HFC制冷劑如R134a已對(duì)臭氧沒(méi)有任何破壞作用。1997年簽訂的《京都議定書(shū)》對(duì)于制冷劑的替代提出了很高的要求，也更加順應(yīng)了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求，其不但要求替代制冷劑要有較低的ODP，而且具有較低的GWP，這樣HFCs也面臨淘汰的危險(xiǎn)。從上面這些 內(nèi)容 可以看出，在制冷劑的替代中是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展這只無(wú)形的大手在起著作用，它不但推動(dòng)這制冷劑的替代研究工作的發(fā)展，而且也為制冷劑的發(fā)展指明了發(fā)展方向。
制冷劑的發(fā)展趨勢(shì)
總得來(lái)說(shuō)制冷劑的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該滿足生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，并且推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展中經(jīng)濟(jì)發(fā)展與保護(hù)資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)一致的核心要求，制冷劑的發(fā)展方向有兩個(gè)：
一個(gè)是環(huán)保，使用綠色環(huán)保的制冷劑已經(jīng)是大勢(shì)所趨，綠色環(huán)保制冷劑可以是合成的，也可以是天然的，雖然合成的環(huán)保制冷劑也對(duì)臭氧不會(huì)造成破壞，但從地球生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展來(lái)看天然制冷劑是最理想的選擇，因?yàn)樘烊恢评鋭┍緛?lái)就是地球生態(tài)系統(tǒng)中存在的，無(wú)論是使用還是排放到環(huán)境中，取之于自然回之于自然，對(duì)環(huán)境的 影響 比合成制冷劑都小的多，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，天然制冷劑必將大有發(fā)展。
一直以來(lái)制冷劑的替代研究工作也是沿著環(huán)保的方向發(fā)展的，并且已經(jīng)對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用，2003年9月為紀(jì)念“國(guó)際臭氧層日”，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署和國(guó)際氣象組織在巴黎發(fā)表了由37個(gè)國(guó)家250名專家聯(lián)合作出的關(guān)于大氣臭氧層狀況的評(píng)估報(bào)告。報(bào)告指出，自從保護(hù)臭氧層的蒙特利爾協(xié)議得到183個(gè)國(guó)家簽署之后，各國(guó)做了很多努力，大氣臭氧層已出現(xiàn)了恢復(fù)的跡象，但在今后幾十年中依然很脆弱。
1998年以來(lái)的研究表明，破壞同溫層臭氧層的氣體水平幾乎已經(jīng)達(dá)到頂點(diǎn)，但是破壞對(duì)流層內(nèi)臭氧層的化學(xué)物質(zhì)總量正在以緩慢的速度下降。其表現(xiàn)形式是：南極上空的臭氧層空洞近幾十年來(lái)一直在擴(kuò)大，但近年來(lái)速度已經(jīng)放慢低于上世紀(jì)80年代水平;北極上空的臭氧層空洞正在縮小，表明臭氧層正在恢復(fù)。
第二個(gè)是節(jié)能，隨著人們生活水平的提高制冷空調(diào)等設(shè)備越來(lái)越普及，同時(shí)其消耗的大量的能源也越來(lái)越引起人們的注意，今夏我國(guó)18個(gè)省市出現(xiàn)電力緊缺問(wèn)題， 中國(guó) 電監(jiān)會(huì)的一項(xiàng)調(diào)查顯示，供需矛盾加劇造成今夏電力吃緊，其中空調(diào)制冷負(fù)荷快速增長(zhǎng)是不可忽視因素。今夏我國(guó)華東、華中、華南地區(qū)持續(xù)高溫，空調(diào)制冷負(fù)荷猛增。華東電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、華中電網(wǎng)空調(diào)制冷負(fù)荷比重已超過(guò)30%，個(gè)別省電網(wǎng)甚至接近40%。而電能的產(chǎn)生又要消耗大量的化石燃料，如煤、石油等，不但造成大量的不可再生能源的消耗，而且燃燒產(chǎn)物如CO2等還可引起溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題。因此除了改進(jìn)制冷技術(shù)外還可從制冷劑上下手，通過(guò)研制新型節(jié)能制冷劑降低制冷空調(diào)設(shè)備的能耗也是一個(gè)發(fā)展方向。
綜上所述，制冷劑的發(fā)展是與環(huán)境保護(hù)和地球生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的，制冷劑的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求。
4結(jié)論
從制冷劑的替代過(guò)程以及其替代研究與環(huán)境的關(guān)系中我們可以看到，在整個(gè)制冷劑的替代研究中環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的思想起了很重要的作用，應(yīng)該說(shuō)是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求推動(dòng)了制冷劑替代研究的發(fā)展，并且為其發(fā)展指明了方向，同時(shí)制冷劑的替代又進(jìn)一步促進(jìn)了環(huán)境的可持續(xù)的發(fā)展。
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