摘要： 論述了當前使用的制冷劑以及其存在的問題，指出現行制冷劑對臭氧層的破壞作用及引起的溫室效應，將嚴重影響了環境的可持續發展。總結了當前制冷劑的替代工作及取得的成果。在論述可持續發展概念的基礎上分析了制冷劑的替代研究與環境的可持續發展的關系，得出了是環境的可持續發展的要求推動了制冷劑的替代研究工作，并為替代研究指明了方向，同時制冷劑的替代進一步促進了環境的可持續發展。總結了在環境可持續發展要求下的制冷劑的發展趨勢。
關鍵詞： 制冷劑替代 可持續發展
1引言
目前制冷空調行業中使用的制冷劑多為CFC（氯氟烴的統稱）和HCFC（含氫氯氟烴）。這些物質由于對臭氧層具有破壞作用并產生溫室效應，因此其替代研究已成為熱點課題[1]。本文在回顧制冷劑發展的歷史中，發現制冷劑的替代發展有兩條主線。一條是提高系統的能效比，另一條就是可持續發展的環境觀。隨著人們環保意識的增強，可持續發展的觀點越來越深入人心。因此作者認為，在當前的制冷劑替代研究中，應首先考慮對環境的可持續發展。
2當前的制冷劑與制冷劑的替代
2.1 當前的制冷劑及其存在的問題
制冷劑的發展經歷了三個階段[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，進入了以HFCs（含氟烴）為主的時期。
由于行業發展的慣性，目前使用較多的制冷劑是CFCs和HCFCs，其次是HFCs。（對于CFCs發達國家已于1996年1月1日起禁止生產和使用，但一些發展中國家仍然在使用。）
CFCs的禁用是因為CFCs會在大氣中分裂并釋放出破壞臭氧層的氯原子[2]。據UNEP(聯合國環境規劃署)提供的資料，如果平流層的臭氧總量減少1％，預計到達地面的有害紫外線將增加2％。有害紫外線的增加，會產生以下一些危害[3]：
- 使皮膚癌和白內障患者增加，損壞人的免疫力，使傳染病的發病率增加。
- 破壞生態系統。過量的紫外線輻射會使植物的生長和光合作用受到抑制，使農作物減產。紫外線輻射也可能導致某些生物物種的突變。
- 引起新的環境問題。過量的紫外線能使塑料等高分子材料更加容易老化和分解，結果又帶來光化學大氣污染。
因此保護臭氧已經引起了各國的高度重視，成為一項全球性的緊迫任務[4]。
而HCFCs與CFCs同樣能夠破壞臭氧，兩者只不過是所含的氯原子多少不同而已。同時CFCs、HCFCs和新一代HFCs制冷劑都被認為是溫室氣體[5]，它們對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在大氣中延續的時間，可用GWP(全球變暖潛值)來度量它們對全球變暖作用的大小，其大小是相對于CO2的溫室效應而言的，規定CO2的GWP值為1。物質對于臭氧層破壞能力的大小是以ODP（大氣臭氧層損耗潛能值）來衡量的，以CFC11為基準，規定CFC11的ODP值為1。部分制冷劑的ODP和GWP值見表1[4]。
表1部分制冷劑的ODP和GWP值[4]
|
物質 |
ODP值（R 11＝1） |
GWP值（CO2＝1） |
|
CFC11(R11) |
1.0 |
1500 |
|
CFC12(R12) |
1.0 |
4500 |
|
HCFC22(R22) |
0.05 |
510 |
|
HFC32(R32) |
0 |
|
|
CFC113(R113) |
0.8 |
2100 |
|
CFC114(R114) |
1.0 |
5500 |
|
CFC115(R115) |
0.6 |
7400 |
|
HCFC123(R123) |
0.02 |
29 |
|
HCFC124(R124) |
0.02 |
150 |
|
HFC125(R125) |
0 |
860 |
|
HFC134a(R134a) |
0 |
420 |
|
HCFC141b(R141b) |
0.08 |
150 |
|
HCFC142b(R142b) |
0.08 |
540 |
|
HFC143a(R143a) |
0 |
1800 |
|
HFC152a(R152a) |
0 |
47 |
|
HC600a(R600a) |
0 |
15 |
由于溫室效應將引起氣候變化，目前國際社會所討論的氣候變化問題，主要是指溫室氣體增加產生的氣候變暖問題。近年來，世界各國出現了幾百年來歷史上最熱的天氣，厄爾尼諾現象也頻繁發生，給各國造成了巨大經濟損失。人類對氣候變化，特別是氣候變暖，所導致的氣象災害的適應能力是相當弱的，需要采取行動防范。按現在的一些發展趨勢，科學家預測有可能出現的影響和危害有[2]：
- 海平面上升
全球氣候變暖導致的海洋水體膨脹和兩極冰雪融化，沿海地區可能會遭受淹沒或海水入侵，海灘和海岸遭受侵蝕，土地惡化，海水倒灌并影響沿海養殖業。
- 影響農業和自然生態系統
全球氣溫和降雨形態的迅速變化，可能使世界許多地區的農業和自然生態系統無法適應或不能很快適應這種變化，造成大范圍的森林植被破壞和農業災害。
- 加劇洪澇、干旱及其他氣象災害
全球平均氣溫略有上升，就可能帶來頻繁的氣候災害——過多的降雨、大范圍的干旱和持續的高溫，造成大規模的災害損失。
- 影響人類健康
氣候變暖有可能加大疾病危險和死亡率，增加傳染病。高溫會給人類的循環系統增加負擔，熱浪會引起死亡率的增加。
正因為現行的制冷劑對環境的巨大的破壞作用，促使著人們積極的尋求能夠與環境的可持續發展相適應的新型替代制冷劑。
2.2 制冷劑的替代
自1987年《蒙特利爾議定書》簽訂以來，各國紛紛展開了對CFCs和HCFCs物質的替代物的研究，在1997年簽訂《京都議定書》以前，CFCs和HCFCs類的制冷劑替代研究主要以保護臭氧為目的，主要研制HCFs類制冷劑。但《京都議定書》簽訂以后，人們轉而同時注重臭氧保護和減小溫室效應，要求制冷劑不但要OPD值較小，GWP值也要較小。
根據《蒙特利爾議定書》CFCs在發達國家已經被禁用，HCFCs因為對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》將替代CFCs和HCFCs的HFCs物質列入限控物質清單中，要求發達國家控制HFCs的排放。所有這些都對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有較低的ODP值和GWP值外，還應具有良好的安全性、經濟性、優良的熱物性等優點，爭取做到既環保又節能。
新型的替代制冷劑主要包括人工合成型和天然型兩大類，有單一工質和混合工質兩個方面，混合工質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，無毒，無味，使用安全，其熱物性質與R12十分接近，可用來替代R12，用于汽車空調和家用冰箱等領域。但使用R134a，會使能耗增大，且與CFC—12用的潤滑油不相溶，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4.8％－16.8％時具有可燃性，因此推廣使用收到一定的限制。而它可與其它物質混合，組成非共沸混合物來替代CFC-12。
3）R410A
R410A是近共沸混合制冷劑，是由質量分數為50％R32和50％R125組成。ODP＝0，主要用來替代R22，單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動性能較好，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，是由質量分數為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）碳氫化合物[6]
目前作為制冷劑應用的碳氫化合物主要是丙烷（R290）、丁烷（R600）和異丁烷（R600a）等，其中R600a已在歐洲和一些發展中國家廣泛用于冰箱中，并且它符合《京都議定書》的要求，ODP＝0，GWP＝15，環保性能好，成本低，運行壓力低，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展使用。
6）氨（R717）
氨已被使用達120年之久而至今仍在使用。其ODP=0、GWP=0，具有優良的熱力性質，價格廉且容易檢漏。不過氨有毒性而且可燃，應當引起注意，不過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，引入板式換熱器等等。然而，其油溶性、與某些材料不容性、高的排氣溫度等問題也需合理解決。看來，NH3會有更大的市場份額。
7）二氧化碳（R744）
CO2是自然界天然存在的物質， ODP＝0， GWP=1。來源廣泛、成本低廉，CO2安全無毒，不可燃，適應各種潤滑油常用機械零部件材料，即便在高溫下也不分解產生有害氣體。CO2的蒸發潛熱較大，單位容積制冷量相當高，故壓縮機及部件尺寸較小；絕熱指數較高K=1.30，壓縮機壓比約為2.5~3.0，比其它制冷系統低，容積效率相對較大，接近于最佳經濟水平，有很大的發展潛力。
當然除了以上提到的制冷劑外還有很多新型的替代產品，如清華大學研制的清華三號，清華四號等混合制冷劑也取得了不錯的效果。
3制冷劑的替代中的可持續發展觀
3.1可持續發展的概念
可持續發展的概念源于環境保護。可持續發展的思想是從70年代以后逐漸形成的。1980年，聯合國向全世界呼吁：“必須研究自然的、社會的、生態的、經濟的發展及自然資源利用過程中的基本關系，確保全球持續發展[7]。” 1987年，聯合國世界環境與發展委員會在《我們共同的未來》報告中指出，可持續發展是指“既滿足當代人的需要，又不損害后代人滿足需要的能力的發展”。這一定義在1992年聯合國環境與發展大會上得到了各國的共識。
可持續發展是指生態、經濟和社會三者的協調發展。其中生態可持續發展以保護自然為基礎，與資源和環境的承載能力相適應。在發展的同時，必須保護環境，包括控制環境污染和改善環境質量，保護生物多樣性和地球生態的完整性，保證以持續的方式使用可再生資源，使人類的發展保持在地球承載能力之內[8]。
3.2制冷劑的替代中的可持續發展觀
當前環境變暖引起的氣候變化，臭氧層空洞等已成為全球性的環境問題，如果任其發展下去將對人類的生存和發展構成嚴峻的挑戰。因此在制冷劑的替代研究過程中應該加強對生態環境的保護意識，不能只看到眼前的利益，而同時要注重生態環境與人類的協調的，可持續的發展。可持續發展的核心是經濟發展與保護資源、保護生態環境的協調一致，是為了讓子孫后代能夠享有充分的資源和良好的自然環境。
通過近年來制冷劑替代工作的進展，我們可以看到人們不再只注重制冷劑的熱物性，而更加注重其環保性。在《蒙特利爾議定書》簽訂以前制冷劑的研究一般以良好的熱力學性質和物理、化學性質等為主，如CFC系列的R11，R12等都具有良好的熱力性能和化學穩定性，且無毒，不燃，不爆等，但對臭氧層有很大的破壞作用，且能夠引起溫室效應。在《蒙特利爾議定書》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臭氧的破壞作用，比如HCFC系列的R22雖然仍對臭氧有破壞作用但比R11和R12小的多。而HFC制冷劑如R134a已對臭氧沒有任何破壞作用。1997年簽訂的《京都議定書》對于制冷劑的替代提出了很高的要求，也更加順應了環境的可持續發展的要求，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。從上面這些內容可以看出，在制冷劑的替代中是環境的可持續發展這只無形的大手在起著作用，它不但推動這制冷劑的替代研究工作的發展，而且也為制冷劑的發展指明了發展方向。
制冷劑的發展趨勢
總得來說制冷劑的發展趨勢應該滿足生態環境可持續發展的要求，并且推動其進一步發展。根據可持續發展中經濟發展與保護資源、保護生態環境的協調一致的核心要求，制冷劑的發展方向有兩個：
一個是環保，使用綠色環保的制冷劑已經是大勢所趨，綠色環保制冷劑可以是合成的，也可以是天然的，雖然合成的環保制冷劑也對臭氧不會造成破壞，但從地球生態的可持續發展來看天然制冷劑是最理想的選擇，因為天然制冷劑本來就是地球生態系統中存在的，無論是使用還是排放到環境中，取之于自然回之于自然，對環境的影響比合成制冷劑都小的多，相信隨著技術的不斷進步，天然制冷劑必將大有發展。
一直以來制冷劑的替代研究工作也是沿著環保的方向發展的，并且已經對環境的可持續發展起到了很大的促進作用，2003年9月為紀念“國際臭氧層日”，聯合國環境規劃署和國際氣象組織在巴黎發表了由37個國家250名專家聯合作出的關于大氣臭氧層狀況的評估報告。報告指出，自從保護臭氧層的蒙特利爾協議得到183個國家簽署之后，各國做了很多努力，大氣臭氧層已出現了恢復的跡象，但在今后幾十年中依然很脆弱。
1998年以來的研究表明，破壞同溫層臭氧層的氣體水平幾乎已經達到頂點，但是破壞對流層內臭氧層的化學物質總量正在以緩慢的速度下降。其表現形式是：南極上空的臭氧層空洞近幾十年來一直在擴大，但近年來速度已經放慢低于上世紀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。
第二個是節能，隨著人們生活水平的提高制冷空調等設備越來越普及，同時其消耗的大量的能源也越來越引起人們的注意，今夏我國18個省市出現電力緊缺問題，中國電監會的一項調查顯示，供需矛盾加劇造成今夏電力吃緊，其中空調制冷負荷快速增長是不可忽視因素。今夏我國華東、華中、華南地區持續高溫，空調制冷負荷猛增。華東電網、南方電網、華中電網空調制冷負荷比重已超過30％，個別省電網甚至接近40％。而電能的產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，而且燃燒產物如CO2等還可引起溫室效應等環境問題。因此除了改進制冷技術外還可從制冷劑上下手，通過研制新型節能制冷劑降低制冷空調設備的能耗也是一個發展方向。
綜上所述，制冷劑的發展是與環境保護和地球生態環境的可持續發展密切相關的，制冷劑的發展趨勢體現了環境的可持續發展的要求。
4結論
從制冷劑的替代過程以及其替代研究與環境的關系中我們可以看到，在整個制冷劑的替代研究中環境的可持續發展的思想起了很重要的作用，應該說是環境的可持續發展的要求推動了制冷劑替代研究的發展，并且為其發展指明了方向，同時制冷劑的替代又進一步促進了環境的可持續的發展。
參考文獻
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