以制冷节能促进可持续发展

1 可持续发展与制冷技术

可持续发展是一种科学的发展观，已被我国确立为国民经济和社会发展的一项基本战略。

可持续发展是国际上20世纪80年代以来形成的发展观念。它是既满足当代人的需要，又不损害后代人满足需要的能力的发展观念。其核心是实现人口、资源、环境、经济、社会五个因素的协调发展，使经济和社会的发展与资源和环境的保护互相协调一致。

1.1 历史上各种制冷手段与持续发展的关系

在人类社会繁衍发展的历史长河中，曾经利用各种手段满足持续发展的需要，其中包括利用天然的洞穴和冰雪保存食品和其他物品。早在3000年前，我国《诗经·豳风》中就有关于冰窖的诗句：“二之日凿冰冲冲，三之日纳于凌阴”，凌阴就是冰窖。这是人类利用天然冰制冷的最早记载。秦汉以后，天然冰在我国已应用于空气调节，据《艺文志》记载：“大秦国有五宫殿，以水晶为柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开放”。

由于经济和社会发展的需要，在现代制冷方式出现之前，各种天然制冷手段得到了推广应用。在近代，由于制冷的天然冰和雪的贸易在欧洲和美国发展起来。到19世纪下半叶美国实现了天然冰的收集、储存和运输的工业化和机械化，在1899年采集和利用了将近2500万吨天然冰。当时，英国工人就是依靠天然冰储存和远洋运输的进口肉类改善了生活^[1]。

1.2 现代制冷技术与可持续发展的关系

近百年来，随着现代经济的发展，各种机械制冷方式得到了迅速的发展，从冷藏和空调需要的降温到气体液化和航天需要的低温满足了经济和社会发展对于冷源的需求，基于制冷技术的现代食品冷藏链和空气调节系统改善了人类的生活。自1930年代以来，含氯卤代烃类衍生物CFCs和HCFCs曾经是主要的制冷工质。但是，这些制冷工质对于生态环境产生了破坏大气臭氧层并增强温室效应的严重危害。同时，制冷技术的应用也带来了大量的能源消耗，增加了二氧化碳等温室效应气体的排放。自1980年代以来，为了实现可持续发展世界各国进行了协调来保护地球上的资源和环境^[2]。在1987年的加拿大蒙特利尔会议上世界各国签署协议限制CFCs和HCFCs类制冷工质以及哈隆等14种破坏臭氧层物质ODS的使用，在后续的一系列会议中制定了逐步淘汰ODS的时间表。1992年在巴西里约热内卢的各国首脑会议上签署的关于气候变化的框架协议中确认：“人类的活动确已增加了大气中温室效应气体的浓度，并导致地球表面和大气变暖，对自然界的生态系统和人类产生了不利的影响”。随后，在1997年的日本京都会议上世界各国签署协议减少二氧化碳等8类使地球升温物质的排放，并将替代CFCs和HCFCs的HFCs物质列入限控物质清单中。

2 根据我国特点发展制冷技术

如上所述，制冷技术是现代经济和社会繁荣发展的一项技术基础。同时，也带来了严峻的能源和环境问题，不利于经济和社会的可持续发展。为此，世界各国正在限制和逐步淘汰CFCs和HCFCs等破坏大气臭氧层物质的使用、减少二氧化碳和CFCs、HCFCs、HFCs等使地球升温物质的排放、提高制冷和空调系统的能源利用率。我国应根据自己特点，从制冷工质、制冷循环、能源利用和绿色建筑设计应用等各个方面采取措施，按可持续发展的要求发展制冷技术。

2.1 采用有益于环境的制冷工质

目前世界各国已淘汰CFCs类制冷工质的使用，采用HCFCs类和HFCs类制冷工质作为过渡性的替代物。同时，也使用水、氨、二氧化碳和烃类等有益于环境的天然制冷工质。表1 列出一些作为替代物的HCFCs类和HFCs类制冷工质特性数据^[3]。表2为我国国家环境保护总局公告（2004-9-13）发布的“消耗臭氧层物质（ODS）替代品推荐目录（第一批）”^[4]。

表1 一些HCFCs类和HFCs类制冷工质的特性数据

制冷工质	大气中寿命（年）	破坏臭氧层潜能ODP	温室效应GWP	理论循环COP
HCFC-22	11.8	0.034	1900	10.85
HCFC-123	1.4	0.012	120	11.38
HFC-134a	13.6	0.0	1600	10.89
R410a	R32 / R125混合物	0.0	1730	10.51
R407c	R32 / R125 / R134a混合物	0.0	1530	10.69
R404a	R125 / R143a / R134a混合物	0.0	4540	10.11

表2 消耗臭氧层物质（ODS）替代品推荐目录（第一批）

替代品	ODP	GWP	主要应用领域（产品）	被替代ODS
HCFC-22	0.055	1780	工商制冷（冷库冷柜机组、运输制冷机组、建筑空调等）	CFC-12
HFC-134a	0	1320	家电、汽车及工商制冷（汽车空调器、冰箱冰柜机组、运输制冷机组、离心式制冷机、建筑空调等）	CFC-12CFC-11
HFC-152a	0	120	家电制冷	CFC-12
R600a	0	20	家电制冷（冰箱冰柜机组）	CFC-12
HCFC-123	0.02	76	工商制冷（离心式制冷机）	CFC-11
HFC-23	0	12240	工商制冷（深冷机组）	CFC-13

表3 已用作替代物的天然制冷工质

天然制冷工质	ODP	GWP	主要应用领域（产品）
R718 / 水	0	0	工商制冷（吸收式制冷机）
R717 / 氨	0	0	工商制冷（压缩/吸收式制冷机）
R744 / 二氧化碳	0	0	汽车及工商制冷（汽车空调器、热泵热水器等）
R600a/ 异丁烷	0	0	家电制冷（冰箱冰柜机组）

由表1和表2可见，HCFCs类制冷工质虽属于高效节能的制冷工质而有破坏臭氧层的潜能，而HFCs类制冷工质也有较高的的温室效应。考虑到我国是一个发展中国家，又是能源消费的大国，在消耗臭氧层物质替代品目录中把它们列为当前的替代制冷工质是符合我国可持续发展的长远利益的。

在自然环境中存在的水、空气、氨、烃类和二氧化碳等曾被用作制冷剂。它们对环境无害，其ODP和GWP为0。表3列出一些已用作替代物的天然制冷工质。其中，水和氨是可以利用余热驱动的吸收式制冷机的制冷工质，在1990年代以水为制冷工质的吸收式制冷技术在政府鼓励下成为我国保护臭氧层和防止地球变暖的一项切实可行的替代技术；空气是飞机中使用的制冷工质；氨、二氧化碳和异丁烷属于高效节能的制冷工质。利用这些天然制冷工质也是符合我国可持续发展的长远利益的。

因此，根据可持续发展的要求，必须同时考虑保护臭氧层和气候变暖的问题，加强低GWP值、高效节能的新制冷剂的开发和利用，包括HCFCs和HFCs类制冷工质提高能效和减少泄漏技术的应用基础研究，以及天然工质的应用基础研究

2.2 开发高效的制冷和热泵循环、进行制冷和空调系统的优化设计

这是提高制冷和空调系统的能源利用率的基本措施，包括以下各个方面：

采用高效的劳伦茨循环^[5]、斯特林循环^[6]、二氧化碳的跨临界循环^[7]、多级压缩循环^[8]和三效吸收式循环^[9]、[10]，提高制冷和热泵循环的性能；

采用高效的制冷压缩机和配套另部件，提高制冷和热泵机组的性能；

采用多机头^[11]、变频^[12]、[13]或数码控制，提高制冷和空调系统的部分负荷性能；

采用大温差小流量的空调水系统^[14]，实现空调系统的节能运行；

采用先进的计算机辅助软件，进行制冷和空调系统的仿真^[15]和优化设计。

随着我国的改革开放和加入WTO，我国已成为制冷和空调设备生产和应用的大国，我国的电冰箱和房间空调器的产量已居世界首位，我国出口的制冷和空调设备已成为世界市场的畅销产品。但是，某些产品的能源效率还比较低，某些制冷压缩机和关键配件的自给率也比较低。我国应根据自己的特点扬长避短，整合近十多年来快速发展所形成的技术优势，开发高效的制冷和热泵循环、进行制冷和空调系统的优化设计，制造品质优良的、有自己特色的制冷和空调设备。

2.3 利用各种可再生能源

中华人民共和国可再生能源法，已于2005年2月28日由第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过，适用于风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源的开发利用。

在我国已经有地热发电和潮汐发电的成功先例，现在上海市的奉贤、南汇和崇明三地的风力发电场已经投入运行，总装机容量为2.44万kW，并已着手筹划在东海大桥附近和崇明二地建设总装机容量达15万kW的海上风力发电场。因此，制冷和空调设备已可利用这种绿色电力来驱动。

利用地热能和太阳能作为供热和空调系统的热源已在我国广大地域推广应用，取得了一定的成效。近年来进行了大量的应用基础研究，降低初投资、保护地热区域环境和做好太阳能蓄能等全天侯利用是研究的热点。

2.4 利用各种余热资源，实现能源综合利用

利用制冷循环排放的冷凝热，实现制冷循环内部的回热利用是行之有效的提高能源利用率的基本措施，已在各种制冷和空调系统得到推广应用。利用天然冷源，如通风冷却和Free cooling，也是实现能源综合利用的基本措施。通过制冷技术实现余热利用和能源综合利用包括下列各个方面：

利用各种余热资源驱动吸收式制冷和热泵机组^[16]、[17]；

利用发电过程的余热驱动吸收式制冷机组，推广热电联供系统^[18]、[19]；

推广以燃气轮机和燃气发动机为原动机的汽电共生系统和分布式发电系统，实现冷热电三联供和能源梯级利用^[20]；

利用吸收式制冷技术“移峰填谷”，平衡燃气供应负荷，减小电网负荷的峰值；

利用冰蓄冷技术“移峰填谷”，平衡电网负荷，提高发电系统的满负荷工作时间^[21]、[22]。

2.5 发展吸收式制冷，促进可持续发展

我国自1960年代开始吸收式制冷技术的研究，自改革开放以来发展迅速，在1990年代达到了世界先进水平，为缓解电力供应紧张、满足生产工艺和空气调节的需求作出了贡献。

根据吸收式制冷机可由各种余热资源驱动也可由燃料能源直接驱动的特点，自1970年代起在工业制冷领域推广应用，并从1980年代起在集中式空调系统推广应用，削减了大量的电网负荷，促进了我国的经济发展；自1990年代后期起研制成功小容量燃气机组和利用油田余热的大容量热泵机组，为满足生产工艺和空气调节的需求作出了贡献。根据吸收式制冷机可实现能源综合利用的特点，我国自1980年代末在热电站和企业自备电站推广热电联供系统，在发电的同时提供蒸汽驱动吸收式制冷机供冷并可供热，提高了发电效率，实现了能源综合利用；在1990年代建设以燃气轮机为原动机的汽电共生系统，用燃气轮机排烟驱动废热锅炉，所产生的蒸汽用于驱动吸收式或离心式制冷机并可供热，实现冷热电三联供；进入新世纪，在京沪等地建立以微型燃气轮机和燃气发动机为原动机的分布式发电系统，以排烟驱动吸收式制冷机并可供热，在实现冷热电三联供的同时提高供电系统的安全性。

我国吸收式制冷技术在适应经济发展需要的同时由小到大、由弱转强，既整合了世界先进技术，也拥有自主创新的技术优势，走过了一条有自己特色的发展道路，达到了世界先进水平。其发展过程是符合可持续发展的要求的，其成功经验是值得其他技术部门借鉴的。

3 推进制冷节能促进社会和经济的可持续发展

由于我国人口众多、资源相对匮乏、环境承载能力较弱，由政府进行宏观调控，引导经济和社会的发展与资源和环境的保护互相协调一致，建设节约型社会是我国的基本国策。自1997年颁布实施了“节约能源法”以后，我国正在逐步制定和完善相关的标准和法规，加强节能管理减少浪费，促进社会和经济的可持续发展。

制冷技术的应用带来了大量的能源消耗。在发达国家，空调的能源消耗占建筑物总能耗的30 %以上。在我国，以上海为例，空调的能源消耗占建筑物总能耗的25 %左右，并达到夏季电网峰值负荷的30 %以上。因此，通过宏观调控推进制冷和空调系统节能已成为我国普遍关注的问题。以下仅就二个方面进行探讨。

3.1 加强电力需求侧管理，节省制冷和空调系统的能耗，降低电网峰值负荷

一个成功的例子是上海市在2004-2005二年实施的电力“迎峰度夏”调控管理。

上海市2004年夏季电网峰值负荷达1500万kW，其中用于制冷和空调的电力占三分之一。预计2005年夏季电网峰值负荷将达1700万kW，并出现200万kW电力缺口。上海市在2004年和2005年的夏季，实施电力“迎峰度夏”的调控管理：坚持限电不拉电，确保市民生活用电，确保重点企业生产需要，确保城市生产生活正常有序。在2005年6月15日到9月23日的100天内优化电力错避峰和有序用电方案，制订和实施正常负荷、高温负荷、极端情况下的三级组合调控预案。正常负荷下的基本预案为：对企业实施让电、错峰、轮休等措施；气温在35 °C以上的高温预案为：优化空调负荷，高档娱乐场所18时前关闭中央空调，适当调高空调温度，一般情况下不低于26℃，非工业企业在高峰时段实行中央空调错峰和部分设备避峰用电，暂停非重点工程和部分工业企业的户外工作，安排相关企业隔日避峰；极端情况下的应急预案为：安排部分大企业协议避峰让电，对负控电力用户实施临时限电，实行超供电能力拉路。

上海市今年夏天到8月17日已出现28个超过35 °C的高温日，其中6天为38 °C以上的黑色高温日，7月3日的气温超过39 °C创造了71年来的高温记录。8月3日电网峰值负荷达1668万kW，由于采取前二级电力调控预案总计减少高峰用电负荷200多万kW，应急预案未启动。

考虑到“迎峰度夏”缓解电力的供需矛盾将是一个长期性的调控管理任务，建议上海市政府进一步予以法制化、规范化，促进城市的可持续发展。

3.2 加强能效和和运行管理，提高制冷和空调系统能源利用率

目前，电冰箱和房间空调器已在我国普及应用。房间空调器的能源消耗在夏季已成为家庭电力消耗的主要部分，并且增加了电网的峰值负荷，必须加强宏观调控。今年3月1日起实施了电冰箱和房间空调器的国家能效标准^[23]，在家电市场上销售的电冰箱和房间空调器已经贴上“中国能效标识”，在能效标识上列出了能效值和能效等级。将电冰箱的年耗电量和24h耗电量、房间空调器的能效值划分成1~5五个能效等级，为消费者提供明确的能耗信息，帮助其购买的选择。

鉴于电力供需矛盾日趋突出，为了减少空调系统设计、选型、生产、安装、运行管理方面的严重浪费，上海市近年来大力宣传贯彻二个国家和地方标准《空气调节系统经济运行》GB/T17981-2000^[24]和 《集中式空调（中央空调）系统节能运行与管理技术要求》DB31/T255-2003^[25]。上述标准规定了空调设备的技术性能指标要求，系统的合理配置，必要的自控措施和运行管理技术要求。上述标准规定的空调系统经济运行评价指标包括：制冷和热泵机组的性能系数COP，冷、热水系统的水输送系数WTF，风系统的单位风量功率消耗W，以及空调系统的能耗系数CEC等。上述标准还提出了减小空调负荷、采用高效的设备、利用废热和自然能源、改善管道保温、优化输送系统、采用优化的运行控制等具体节能措施和运行管理技术要求。

按照今年3月1日起执行的国家标准《冷水机组能效限定值及能源效率等级》GB l9577-2004^[26]和《单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级》GB19576- 2004^[27],将空调用制冷设备按照能源效率指标COP的数值划分成1~5五个能效等级。能效等级的含义为：1等级是企业努力的目标，2等级代表节能型产品的门槛(最小寿命周期成本)，3、4等级代表我国的平均水平，5等级产品是未来淘汰的产品。能效限定值是产品准入市场的门槛，即为5等级的能效值。

按照今年7月1日起执行的国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189- 2005^[28]，考虑到国家的节能政策；我国产品现有的与发展水平；不同压缩方式的技术特点，对其制冷性能系数分别作了不同要求。根据国家标准《冷水机组能效限定值及能源效率等级》GBl9577-2004中“表2能源效率等级指标”，对于活塞／涡旋式机组采用第5级，水冷离心式机组采用第3级，螺杆式机组则采用第4级。同样的考虑，根据国家标准《单元式空气调节机能效限定值及能源效率等级》GBl9576-2004中“表2能源效率等级指标”，对于单元式空气调节机采用第4级。

考虑到上海是一个特大型城市，对于制冷和空调系统选择较高的能效等级作为市场准入条件是合情合理的，也是由政府进行宏观调控，提高制冷和空调系统能源利用率的重要举措。此外，为加强建筑节能管理，降低建筑物使用能耗，提高能源利用率，改善环境质量，上海市已制定《上海市建筑节能管理办法》，自2005年7月15日起施行^[29]。建议在政府投资的建筑中实行更严格的节能节电措施。例如，对于世博建筑应未雨绸缪，尽快出台上海世博建筑的节能标准和规范，为世博建筑的设计和建设的依据。

4 结论

制冷技术是可持续发展的一项技术基础，同时，也带来了严峻的能源和环境问题。本文指出：我国应根据自己的特点扬长避短，整合近十多年来快速发展所形成的技术优势发展制冷技术，由政府进行宏观调控推进制冷节能，促进社会和经济的可持续发展。

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