制冷工質(zhì)的溫室效應(yīng)及其敏感性分析

黃曉璜+崔國(guó)民+張智欽

摘要： 氟氯烴及其替代品是近代工業(yè)發(fā)展起來(lái)的制冷工質(zhì).該制冷工質(zhì)氣體排放到大氣中會(huì)吸收地表長(zhǎng)波輻射，造成地表溫度升高，引起溫室效應(yīng).研究了12種制冷工質(zhì)氣體的溫室效應(yīng)情況，分別計(jì)算了由制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)改變引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度變化，計(jì)算并分析了氣體溫室效應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的敏感性系數(shù).結(jié)果表明：隨著制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的增加，其引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度均增加，其中CFC12是氟氯烴及其替代品中對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)最大的制冷工質(zhì)；氟氯烴比其替代品的溫室效應(yīng)強(qiáng)，氟氯烴相對(duì)含量的敏感性系數(shù)大于其替代品.該結(jié)果為尋求有效的減排措施提供了理論指導(dǎo)，以便于優(yōu)先使用對(duì)環(huán)境友好的制冷工質(zhì)，減少甚至停止使用對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重的制冷工質(zhì)，從而在滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求基礎(chǔ)上達(dá)到保護(hù)環(huán)境的要求.

關(guān)鍵詞：

制冷工質(zhì)； 溫室效應(yīng)； 地表輻射能

中圖分類(lèi)號(hào)： TM 124文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第4次報(bào)告，在1906—2005年短短的100年間，近地球表面空氣和海洋溫度已經(jīng)升高了（0.74 ± 0.18）℃[1]，其產(chǎn)生的根源是人類(lèi)活動(dòng)造成溫室氣體含量大幅提高的結(jié)果[2-3].地球上的溫室氣體主要包括H2O、CO2、CH4、N2O、O3以及氟氯烴等[4].氯氟烴（CFCs）等化合物在制冷、空調(diào)、泡沫、溶劑等工業(yè)上廣泛使用，因此它們的生產(chǎn)量、庫(kù)存量和排放量大大增加[5].這些CFCs與氫氟氯烴（HCFCs）類(lèi)制冷劑對(duì)臭氧層有破壞作用并會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng).這類(lèi)物質(zhì)在大氣中的化學(xué)壽命很長(zhǎng)，所以它們有足夠的時(shí)間在大氣中累積，從而對(duì)地球輻射平衡和氣候產(chǎn)生持續(xù)的影響[6].彌散在大氣中的這些制冷工質(zhì)CFCs氣體會(huì)吸收地面的長(zhǎng)波輻射，具有溫室氣候效應(yīng).目前提出的制冷工質(zhì)CFCs的替代品，如氫氟烴（HFCs）和HCFCs，仍然具有一定的溫室效應(yīng).

本文基于壓縮模型[7]，研究CFC11、CFC12、CFC113、HCFC22、HCFC141b、HCFC142b、CCl4、HFC125、HFC134a、HFC152a、SF6、C2F6等12種制冷工質(zhì)氟氯烴及其替代品的定量溫室效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算可反映制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)的敏感性系數(shù)，比較氟氯烴、氟氯烴替代品、大氣主要溫室氣體（CO2、H2O、N2O、CH4、O3）的溫室效應(yīng)強(qiáng)度及其敏感性系數(shù)，從而更好地選擇性控制制冷工質(zhì)氣體的排放，優(yōu)先控制敏感性最強(qiáng)的制冷工質(zhì)氣體.

1制冷工質(zhì)的溫室效應(yīng)

1.1計(jì)算方法

本文在研究溫室效應(yīng)時(shí)主要考慮氣體對(duì)地表長(zhǎng)波輻射能量的吸收作用.根據(jù)地表溫度288.0 K，氣體體積混合比[8]、HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)[9]中氯氟烴及其替代品的吸收截面數(shù)據(jù)，利用壓縮模型計(jì)算12種制冷工質(zhì)氯氟烴及其替代品和5種主要溫室氣體的溫室效應(yīng)強(qiáng)度.

1.2溫室效應(yīng)計(jì)算結(jié)果及分析

1.2.1制冷工質(zhì)的溫室效應(yīng)

只考慮5種主要溫室氣體對(duì)地表輻射能量的吸收量時(shí)，得到的溫室效應(yīng)強(qiáng)度為288.31 W·m-2；考慮17種混合氣體時(shí)，溫室效應(yīng)強(qiáng)度為288.81 W·m-2.

由于這類(lèi)氣體（氯氟烴及其替代品）在波長(zhǎng)為8～14 μm的大氣窗區(qū)具有很強(qiáng)的吸收作用，因此可近似認(rèn)為其吸收與其他主要溫室氣體的吸收少有重疊.因此，兩種條件下的溫室效應(yīng)強(qiáng)度差值（0.50 W·m-2）即是12種制冷工質(zhì)氯氟烴及其替代品共同作用所引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度.

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到各制冷工質(zhì)氯氟烴及其替代品吸收地面長(zhǎng)波輻射能量的大小，即溫室效應(yīng)強(qiáng)度.12種制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)強(qiáng)度如表1所示.由表可見(jiàn)，制冷工質(zhì)氣體按溫室效應(yīng)強(qiáng)度從大到小依次為CFC12、CFC11、HCFC22、CFC113、C2F6、CCl4、SF6、HCFC141b、HCFC142b、HFC125、HFC152a、HFC134a.制冷工質(zhì)氯氟烴（CFCs）的替代品中，HCFC22的溫室效應(yīng)強(qiáng)度最大，這也是中國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)將面臨淘汰HCFC22[10]制冷劑的原因.另外8種替代品的溫室效應(yīng)強(qiáng)度均較小.制冷工質(zhì)氯氟烴中溫室效應(yīng)強(qiáng)度最小的為CFC113，比CFCs的替代品中溫室效應(yīng)強(qiáng)度最大的C2F6大3倍，可見(jiàn)，制冷工質(zhì)氯氟烴的替代品的溫室效應(yīng)強(qiáng)度均小于氯氟烴.

1.2.2制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)的趨勢(shì)

為了預(yù)測(cè)當(dāng)某種制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，該種制冷工質(zhì)的溫室效應(yīng)強(qiáng)度的增大趨勢(shì)，在計(jì)算模型中引入相對(duì)含量θ，即

θ=X-X0X0

（1）

式中：X0為2005年各制冷工質(zhì)的初始體積分?jǐn)?shù)；

X為所計(jì)算年份各制冷工質(zhì)的體積分?jǐn)?shù).

例如：CFC11初始體積分?jǐn)?shù)為2.51×10-10，當(dāng)計(jì)算工況下體積分?jǐn)?shù)為2.76×10-10，則相對(duì)含量θ為0.1，以此類(lèi)推.

CO2是人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)所排放的首要溫室氣

體.為了更好地分析制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)強(qiáng)度，引入

該氣體的溫室效應(yīng)強(qiáng)度作為參照.計(jì)算溫室效應(yīng)強(qiáng)度隨相對(duì)含量逐漸遞增0.1的變化規(guī)律，結(jié)果如圖1所示.氣體溫室效應(yīng)隨相對(duì)含量增加有如下變化規(guī)律：同一相對(duì)含量下，溫室效應(yīng)強(qiáng)度從大到小依次為CO2、CFC12、CFC11、HCFC22、CFC113、CCl4、SF6、HCFC141b、HCFC142b、HFC125、HFC134a、HFC152a、C2F6；隨著氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，溫室效應(yīng)強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)；在同一相對(duì)含量下，制冷工質(zhì)氣體CFC12的溫室效應(yīng)強(qiáng)度比其他12種制冷工質(zhì)氣體的大；氯氟烴及其替代品的溫室效應(yīng)強(qiáng)度小于CO2的溫室效應(yīng)強(qiáng)度；制冷工質(zhì)氯氟烴及其替代品隨著相對(duì)含量的增加其溫室效應(yīng)增加較小.

計(jì)算制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)加倍（相對(duì)含量為1）引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度變化如表2所示.由表中可知，當(dāng)制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)加倍

時(shí)，CFC12的溫室

效應(yīng)強(qiáng)度最大，HFC134a、

C2F6最小.CFC12溫

室效應(yīng)強(qiáng)度是CO2的17.6%，CFC11溫室效應(yīng)強(qiáng)度為CO2的6.9%，12種制冷工質(zhì)中有8種的溫室效應(yīng)強(qiáng)度與CO2溫室效應(yīng)強(qiáng)度的比值小于1%.可見(jiàn)，氯氟烴引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度不容忽視，但部分制冷工質(zhì)引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于CO2的貢獻(xiàn)程度.

2制冷工質(zhì)的敏感性

2.1敏感性概念

從上文分析可知，隨著某一制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的增加，溫室效應(yīng)強(qiáng)度也相應(yīng)增大.但每一種制冷工質(zhì)隨著其體積分?jǐn)?shù)的增加，其溫室效應(yīng)強(qiáng)度增大的速率是否一致還值得研究.

因此，從控制溫室氣體排放的角度出發(fā)，本課題組提出了制冷工質(zhì)的敏感性概念[6]，其定義為溫室效應(yīng)強(qiáng)度的變化量與該制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)變化量的比值.敏感性系數(shù)可表示為制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)強(qiáng)度對(duì)其體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)，是描述制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)強(qiáng)度與其體積分?jǐn)?shù)變化關(guān)系的一種方式.制冷工質(zhì)的敏感性表明了制冷工質(zhì)氣體的溫室效應(yīng)強(qiáng)度隨體積分?jǐn)?shù)變化的增長(zhǎng)速率.敏感性強(qiáng)的制冷工質(zhì)，其溫室效應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)速率快，對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)大，則應(yīng)該優(yōu)先控制其排放.

2.2敏感性系數(shù)計(jì)算方法

計(jì)算制冷工質(zhì)的敏感性系數(shù)時(shí)，需注意：

（1） 溫室效應(yīng)強(qiáng)度用制冷工質(zhì)吸收地表輻射能量表示，單位為W·m-2；

（2） 計(jì)算某種制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加引起溫室效應(yīng)強(qiáng)度增加時(shí)，保持其他混合氣體體積分?jǐn)?shù)不變，只增加所研究的制冷工質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)；

（3） 制冷工質(zhì)的初始體積分?jǐn)?shù)取2005年的值，本文以相對(duì)含量為0.1等量遞增，由此得到的

結(jié)果稱(chēng)為制冷工質(zhì)相對(duì)含量的敏感性系數(shù)；

（4） 初始體積分?jǐn)?shù)取2005年的值，在此基礎(chǔ)上，以1×10-12等量增加，由此得到的結(jié)果稱(chēng)為制冷工質(zhì)絕對(duì)含量的敏感性系數(shù)；

（5）計(jì)算4種主要溫室氣體的敏感性并作比較，以更好地體現(xiàn)制冷工質(zhì)的敏感性大小.

敏感性系數(shù)γi的計(jì)算式為

γi=EiXi

（2）

式中：i為制冷工質(zhì)種類(lèi)；E為溫室效應(yīng)強(qiáng)度；X為制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù).

3敏感性比較分析

3.1制冷工質(zhì)相對(duì)含量的敏感性

計(jì)算制冷工質(zhì)相對(duì)含量從0.1到10時(shí)的敏感性系數(shù)，得到在同一相對(duì)含量下，氣體敏感性系數(shù)從大到小依次為CO2、CFC12、CFC11、HCFC22、CFC113、CCl4、SF6、HCFC141b、HCFC142b、HFC125、HFC152a、HFC134a、C2F6.通過(guò)計(jì)算得到，氟氯烴相對(duì)含量的敏感性大于其替代品.制冷工質(zhì)CFC12與CFC11相對(duì)含量的敏感性較強(qiáng)，另外10種制冷工質(zhì)的敏感性隨相對(duì)含量增加呈微小的下降趨勢(shì).

圖2為制冷工質(zhì)隨其相對(duì)含量變化的敏感性系數(shù)變化趨勢(shì).當(dāng)相對(duì)含量為0.1時(shí)，制冷工質(zhì)中敏感性最大的為CFC12（0.282 W·m-2），是制冷工質(zhì)中敏感性系數(shù)最小的C2F6（0.000 567 W·m-2）的497.4倍，而溫室氣體CO2的敏感性系數(shù)（2.23 W·m-2）是制冷工質(zhì)CFC12的7.9倍，是C2F6的3 932.9倍.隨著相對(duì)含量的增加，12種制冷工質(zhì)的敏感性系數(shù)均保持微小的下降速度.

3.2制冷工質(zhì)絕對(duì)含量的敏感性

各制冷工質(zhì)均在原有制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)下增加等量體積分?jǐn)?shù)，考察其對(duì)應(yīng)的溫室效應(yīng)強(qiáng)度的增加情況.因此，各制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)以1×10-12等量增加時(shí)，計(jì)算得到的絕對(duì)含量的敏感性系數(shù)如圖3所示.

由計(jì)算結(jié)果可得，絕對(duì)含量的敏感性系數(shù)從大到小依次為SF6、CFC12、CFC113、CFC11、HCFC22、HCFC142b、HCFC141b、HFC125、HFC152a、C2F6、CCl4、HFC134a、CO2.可

見(jiàn)，絕對(duì)含量的敏感性系數(shù)順序與相對(duì)含量的敏感性系數(shù)順序不一致.這主要是由于各制冷工質(zhì)氣體本身體積分?jǐn)?shù)的數(shù)量級(jí)不一致引起的.比如2005年，CO2體積分?jǐn)?shù)為3.79×10-4，而C2F6體積分?jǐn)?shù)為2.90×10-12，其數(shù)量級(jí)相差108.另外，體積分?jǐn)?shù)每增加1×10-12，制冷工質(zhì)SF6所增加的溫室效應(yīng)強(qiáng)度最大，它的敏感性最強(qiáng)，制冷工質(zhì)CCl4所增加的溫室效應(yīng)強(qiáng)度最小，它在12種制冷工質(zhì)中敏感性最弱，但比主要溫室氣體CO2的敏感性還要強(qiáng).除了SF6外，制冷工質(zhì)氟氯烴絕對(duì)含量的敏感性比其替代品的強(qiáng).從圖3可見(jiàn)，制冷工質(zhì)絕對(duì)含量的敏感性系數(shù)較為穩(wěn)定.

4結(jié)論

本文研究了制冷工質(zhì)氟氯烴及其替代品排放到大氣中引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度及其敏感性系數(shù)，得到如下結(jié)論：

（1） 隨著制冷工質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加，制冷工質(zhì)引起的溫室效應(yīng)強(qiáng)度均增加，其中CFC22是氟氯烴及其替代品中對(duì)溫室效應(yīng)現(xiàn)象貢獻(xiàn)最大的制冷工質(zhì).氟氯烴相比其替代品對(duì)溫室效應(yīng)現(xiàn)象貢獻(xiàn)要大.

（2） 氟氯烴相對(duì)含量的敏感性系數(shù)大于其替代品.該結(jié)果為尋求有效的減排措施提供了理論指導(dǎo).優(yōu)先使用對(duì)環(huán)境友好的制冷工質(zhì)，減少甚至停止使用對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重的制冷工質(zhì)，從而在經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求基礎(chǔ)上，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的要求.

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