0 综述
美国建筑技术办公室（BTO）归属于美国能源部（DOE）的能效和可再生能源办公室，它与市场研究机构和行业共同合作开发、推广可持续减少住宅和商业建筑中能耗和温室气体（GHG）的技术。建筑中的空调系统对温室气体排放的影响主要有两个方面：通过制冷剂泄漏产生的直接影响和化石燃料燃烧发电产生的间接影响。BTO 推动新一代暖通空调技术的储备性研发，从而支持削减 HFC 的生产和消费，以及完善具有成本效益的能效技术和方案。
近几十年以来，在研发投资和最低能效标准和标识计划等能效政策的推动下，基于不断完善的、高产量的制造和更高的能效，产品成本和空调寿命周期成本在众多国际市场中持续下降。本报告详细介绍了全球空调市场的现状和发展趋势，包括直接和间接气候影响的讨论，以及不断增长的全球空调使用对全球变暖影响的潜在因素。同时，报告还提出了有助于达成能效和温室气体减排全球目标的解决方案，包括使用低GWP值制冷剂、能效创新、长期研发计划和法规行动。
DOE 在报告中提出了全球空调使用的基于事实的未来愿景。DOE 希望这份报告展示一个全面、具有平衡性的综合愿景。DOE 通过整合这些材料，来展示 DOE 为支持国际社会间合作、帮助众多重要讨论聚焦关键事实和前沿目标所做出的努力。
1 空调需求预期增长
现今，空调设备拥有接近 1 000亿美元，每年 1 亿台的全球市场，每年能耗 4.5 EJ（4.26 万亿 Btus），在全球建筑能耗中的占比超过 4%。20世纪，发达国家空调的使用快速增长，21 世纪可看到发展中国家采用更多空调产品，特别是拥有较多人口的湿热地区，如印度、中国、巴西和中东。据国家能源署（IEA）预计，到 2050 年，在非经合组织（OECD）国家中，空调能耗将在 2010 年水平上增长 4.5 倍，OECD 国家的增幅是 1.3 倍。在上述很多国家和地区，不断增加的收入和更好获取的空调设备为数十亿人开启了使用空调的大门，显著提升了居民的健康和舒适性。
2 全球变暖贡献
从全球来看，固定式空调系统每年直接和间接的CO2当量排放总量接近 7 亿 t。其中，来自发电系统的间接排放占比约 74%，HFC 和 HCFC 制冷剂的直接排放分别占 7% 和 19%。虽然电力消耗是空调最大的温室气体排放源，但就质量而言，HCFC 和 HFC制冷剂的排放对全球变暖的影响更大。因此，解决直接排放是持续减低空调温室气体排放的一条重要途径。
向低GWP值制冷剂转换可以消除空调系统的大量直接排放。目前，很多低GWP值替代制冷剂拥有100或更低GWP值，行业有机会针对所有产品应用实施高影响力的方案。理论上看，假设效率不变，100% 采用近零GWP值制冷剂可以每年减少高达 26% 的全球空调排放。初步试验表明，使用低GWP值制冷剂设备具有能效提升的可能，因此降低间接排放也是可能的，特别是如果通过能效标准和标识计划推动全球范围内使用高效设备。对于当前可选的制冷剂方案，DOE 看到了降低20%或更多（75% 或更多的直接排放）的全球空调温室气体排放的机遇。这种转变可能发生在已安装设备的短短一个生命周期内，可以限制直接排放的增长，特别是在缺乏有效制冷剂管理计划的市场。除了向低GWP值制冷剂的转换，在设备最初充灌、维护和报废期间降低排放可以有助于进一步减少直接排放。在使用低GWP值制冷剂和能效提升的长期过程中，更多减排是可能的。
未来几十年，没有国际社会的共同行动，发展中国家的空调需求将极大地增加全球温室气体的排放。导致气候变化的全球温度上升将使得空调需求增长导致的问题更加恶化，导致进一步气候变化。这些影响将不受抑制，除非国际社会采取行动减低空调使用带来的直接和间接排放。蒙特利尔协定书定义的第 5 条款国从破坏臭氧层、高GWP值 HCFCs 制冷剂的转变展示了极大降低直接气候影响的机遇，通过避免采用高GWP值 HFCs 和直接转换到低GWP值替代品。在评估高GWP值制冷剂过渡方法时，考虑到能效和制冷剂排放同等重要，空调系统的整个生命周期气候影响，包括直接和间接排放带来的影响，都应考虑在内。
3 低GWP值空调系统的发展
通过国际合作和技术创新，空调行业长久以来积极参与和推动环境目标的达成。制造商们成功地开发了相关产品，淘汰使用破坏臭氧层制冷剂，同时继续创新研发具有更高效率和性能的低成本产品。以 R410A 和 R134a为代表的非破坏臭氧层物质 HFCs 和HFC 混合物已经替代了 HCFC 和 CFC制冷剂，目前是发达国家的主要制冷剂。但是，当今普遍使用的制冷剂的GWP值已经是温室气体CO2的上千倍。
使用低GWP值制冷剂和与现在普遍使用的设备相比具有相当或更高效率产品已经在 4 个主要设备类别中完成了商业化应用，其中包括无风管式分体系统，该设备类别在目前市场中的占比最大（见图 1）。而在其他类别中，使用低GWP值制冷剂的高效产品仍处于不同阶段的测试和开发过程中。
目前已经应用或即将在短期内得到应用的很多产品的GWP值比现有使用的制冷剂低 50% ～ 75%。例如，制造商纷纷推出使用 R32 制冷剂的小型一体化设备，这种HFC 制冷剂的GWP值是677， 替代GWP值 1 974的 R410A 制冷剂，以及使用 R1234ze的冷水机组，这种 HFO 制冷剂的GWP值小于 1，主要替代GWP值 1 300 的R134a 制冷剂。标准组织、政府机构和其他各方正共同努力，加快相关安全标准和建筑法规的修订，以确保充灌低GWP值制冷剂的空调系统安全使用。
一些设备中，使用替代制冷剂的产品在商业化之前需要很多研发工作，如分体与一体式集中空调已经在研发中。在一个产品商业化之前，改变所用制冷剂需要系统设计的改变，甚至是直接充灌替代的制冷剂，仍需要小范围的优化，如制冷剂充灌优化和调整热力膨胀设备的尺寸。根据应用和制冷剂选择，所需要的工程方面工作是大不相同的。研发工作优化了GWP值、性能、效率、可燃性以及与现有制冷剂相关的成本之间的关系。
为了解不同制冷剂替代品对普遍使用的不同空调设备类别的制冷/ 制热量和效率的影响，美国空调、供暖和制冷协会（AHRI）组织国际制造商进行了一系列的测试，即行业所知的低GWP值替代制冷剂评估计划（Low-GWP AREP）。美国橡树岭国家实验室（ORNL）进行了很多低GWP值制冷剂的测试，作为Low-GWP AREP项目的一部分，如针对使用 R410A 制冷剂的 5.25 kWth（1.5 rt）无风管小型分体空调系统。结果显示，通过适当设计优化，在温和与高环境温度条件下，与R410A 相比，大多数替代制冷剂都显示出了类似或较好的效率 （ － 8 % ～ ＋ 6 % ） 和 制 冷 量 （ － 16% ～＋ 13%）。这些结果是令人鼓舞的，它们展示了直接和间接减少温室气体排放的潜力，同时由于高效，减少了运行成本。通过对低GWP值制冷剂进行整体系统优化，预计将进一步提升现有系统的能效和制冷量。
4 空调系统的能效提升
除了推动低GWP值制冷剂，空调系统能效持续提升也是最大限度降低温室气体排放的关键。通过技术创新和市场改革战略相结合，空调行业已经稳步提升了空调系统的能效。从1990 年至 2013 年，美国家用分体空调系统基于产品销售量加权后得到的效率SEER已经从9.5 提升至14.9（COP从约 2.2 提升至约 3.8）。制造商通过很多单个技术的综合作用推动系统效率，从而取得了这些进步，包括多联和变速驱动、新型压缩机、风机、电动机和换热器设计、电子膨胀阀和先进的控制。
政府和行业计划通过最低能效标准、可比较的和核准的标识（如能源之星）、公共挑战和奖励以及刺激计划，极大地提升了高效空调系统的使用。这些项目使得排放大幅降低，为消费者节约了开支。在美国，DOE 于2015 年底公布的商用暖通空调系统能效修订标准预计将比 DOE 已公布的任何标准节约更多的能源。2016 年 6 月，清洁能源部长级会议（CEM）公布了一项先进的制冷技术挑战，得到了众多政府机构、制造商和非盈利组织的支持，其目的是到 2030 年将空调系统的平均效率提高 30%。涵盖能效和制冷剂有效管理相结合的实践项目、高性能建筑设计和可再生能源一体化的综合方法将成为同时降低未来空调系统直接和间接排放的最有效方式。
5 制冷剂转换的成本影响
在可持续化空调系统的改革中，主要目标之一是开发具有全球性成本效益的创新技术。从过往来看，空调行业已经利用创新和合作来适应和满足环境和能效目标的要求，同时提供安全、可靠和具有成本效益的产品。例如，自 20 世纪 70 年代开始，美国制造商已经逐步降低家用集中式风管空调系统的通货膨胀调整成本，同时保证或提高性能，甚至从臭氧层破坏物质（ODS）向今天的 HFC 制冷剂转换。相对于空调系统生命周期成本而言，较低的制冷剂成本贡献意味着因为低GWP值制冷剂转换带来的初始成本增加应是可管理的（见图 2）。通过寿命周期的节能，能效的提升和充灌量降低可以减少新制冷剂价格昂贵和系统重新设计产生的消费者前期购买成本上升。
尽管能效提升可以抵消部分成本增长，新产品前期较高的成本仍是一个潜在关注点，因为这可能阻碍一些消费者用更新、更高效的设备更换老旧低效产品，甚至在因能效提升使得寿命周期成本不变或更低的情况下。这可能阻碍满足国际温室气体排放目标的所需产品的广泛应用。对于低GWP值制冷剂和相关的转换工程投资来说，目前成本预期都是不确定的。对于使用已批量生产的制冷剂的系统来说，制冷剂的成本可能不会增加，如 R32 和碳氢制冷剂。但是，诸如 HFOs 等新的、更复杂混合物制冷剂的价格预计会更昂贵。同时，也可能还有其他成本的增加，至少是在最初，如系统中的一些特殊配件设计、换热器尺寸增大、更高运行压力或针对可燃制冷剂的额外安全措施等。无论怎样，替代制冷剂性能测试结果显示，通过制造技术进步和能效提升减少寿命周期成本，成本壁垒是可以解决的。同时，涵盖从需求侧管理刺激计划到最低能效标准和标识项目的政策有助于鼓励高效和环保方案的研发和采用，从而降低用户的寿命周期成本。
6 新一代空调系统
未来几十年里，空调系统将转换使用低GWP值制冷剂，包括诸如HFOs 和低GWP值 HFCs 的合成物质，以及碳氢等非氟化流体。一些空调系统可能转换到超越蒸气压缩技术的完全不同的技术，同时确保能效不变或进一步提高。表 1 介绍了目前正在开发的一些先进技术。这些技术如何和在何处适用的长期愿景是随着研发人员通过新材料开发、创新方法或从其他行业借鉴技术过程中不断重新定义而持续演变的。
表 1 新一代空调技术研究领域
7 低GWP值制冷剂的政策前景
国际社会正在讨论修订作为一个国际环境领域合作最成功的案例之一的蒙特利尔议定书，来解决 HFCs 的全球变暖影响。蒙特利尔议定书淘汰了 ODS，已经得到了联合国 197 个成员国的一致批准。自 2014 年起，缔约各方已经取得了减少98% ODP值当量的 ODS 物质消费，其中有从 CFC制冷剂转换到更低ODP值的 HCFC 制冷剂，或零ODP值的 HFC 制冷剂。虽然蒙特利尔议定书主要针对 ODS 物质，现在国际社会正讨论如何利用这一成功的框架解决合成气体的全球变暖影响。为解决 HFCs，北美、欧盟、太平洋岛国和印度 4 大独立团体分别于 2015 年提交了蒙特利尔议定书修订草案，利用几十年的时间持续减排，到 2050 年 将 HFC的GWP值当量的生产和消费降低到“基准线”水平的10%～15%。
根据ODS 淘汰的经验，各国通常会在一些情况下采取比蒙特利尔议定书更激进的行动。在这些 HFC 修订案讨论的时候，很多国家已经根据自身情况采取了减少使用和排放、跟踪生产、进口和出口的行动，削减最高GWP值的 HFCs 制冷剂。在很多国家，包括美国，HFC 的排放禁令已经实施了超过 10 a。
8 空调可持续发展的未来
国际社会在推动可持续空调系统采用的过程中起着重要作用。空调可持续未来的道路将依靠国际社会开发出跨学科和相互协调的、具有凝聚力的一揽子方案。2015 年巴黎气候大会出台的任务创新计划是一个全球化的行动，有力地加快了政府、企业和各类组织协会的清洁能源创新。该计划连同其他类似计划，如清洁能源部长级会议的先进制冷技术挑战，都将在达成减缓全球气候变化目标的过程中起到重要作用。
图 3 表示了在所有降低空调排放的关键技术中，非蒸气 - 压缩技术在长期解决方案中的重要作用，因为他们是唯一一个具备同时降低直接和间接排放的可行技术。近期，通过向低GWP值制冷剂转换来降低直接温室气体排放是重中之重。另外，持续的、同时追求具有成本效益的能效提升对于降低间接排放是重要的。其他技术也可发挥重要作用，如降低空调负荷、废热回收和降低发电行业的碳强度，以限制在气候炎热的发展中国家中空调增长带来的温室气体排放。
表 2 指出了各方在达成全球目标的一揽子方案中应采取的行动。
表 2 可持续空调系统未来的重要举措和具体行动
为确保表 2 中列出的方案实施，以减少与空调相关的排放，这需要以国际合作、国内政策行动和企业/政府资源支持的研发为基础的综合性战略。尽管面临诸多挑战，空调行业仍通过 ODS 制冷剂的淘汰成功解决了全球性环境问题，同时，通过吸取以往的成功和失败的经验教训，仍将在降低全球温室气体排放中发挥重要作用。
版权：美国能源部能效和可再生能源办公室建筑技术办公室
本文刊登于《暖通空调专辑》2016年第9期，三石编译
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