王樹信 王玉國 彭佳杰 林 睿 陳 勇

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.中港疏浚有限公司 上海 201200）

引 言

船舶承擔著90%世界貨物貿(mào)易運輸量，其運輸過程中溫室氣體（GHG）年排放當量約為10億t，約占全球CO排放總當量的3%。船舶行業(yè)的發(fā)展，帶來了世界經(jīng)濟繁榮的同時也加劇了空氣污染。

1987年9月，《蒙特利爾議定書》提出破壞臭氧層的物質(zhì)（ODS）和淘汰時間表。1997年9月，國際海事組織（IMO）海上環(huán)境保護委員會（MEPC）通過《經(jīng)1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約），對船舶臭氧消耗物質(zhì)進行限制。但是，該公約沒有考慮溫室效應(yīng)問題。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護日益重視，國際社會對船舶制冷劑的溫室效應(yīng)提出進一步限制。2011年7月，IMO通過MARPOL公約附則VI有關(guān)船舶能效規(guī)則修正案，對國際海運溫室氣體減排進一步要求。2018年4月，IMO通過全球首個航運業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，計劃到2050年溫室氣體年度總排放量相比2008年至少減少50%。2019年1月1日正式生效的《蒙特利爾議定書》基加利修正案，對常用較高GWP的HFCs及其混合制冷劑（R134a、R404A和R410A）進行管控和削減。2019年5月，MEPC第74屆會議制訂船舶溫室氣體減排影響評估程序及減排后續(xù)審議方案，進一步推動低碳進程。

目前，歐盟F-Gas、美國SNAP以及加拿大ODSHAR等法規(guī)政策，針對陸用制冷劑GWP提出嚴格的限制。但是，各大船級社還沒有針對船舶制冷劑GWP做出強制性要求。各船級社針對申請和授予綠色環(huán)保附加標志的船舶，對制冷劑使用和限制有明確要求。夏善伍和胡企尤介紹BV環(huán)保標志CLEANSHIP在某化學(xué)品船舶中的具體實施。陳佳君、王井豐和錢明、安毓輝歸納了2015年之前船級社環(huán)保符號對船舶制冷劑使用和限制。隨著船舶行業(yè)的高速發(fā)展，船舶制冷技術(shù)也不斷更新，法規(guī)政策逐步實施，各船級社規(guī)范不斷增加和完善。目前，各大船級社規(guī)范眾多，關(guān)于船舶制冷劑的要求不盡相同且比較分散，因此有必要進行新規(guī)范下船舶制冷系統(tǒng)和制冷劑使用和限制的分析和歸納。

本文分析現(xiàn)階段船舶主要制冷系統(tǒng)的制冷劑使用現(xiàn)狀，總結(jié)船級社對制冷劑使用和限制，簡述船舶制冷劑發(fā)展趨勢，歸納可能應(yīng)用于船舶的低GWP制冷劑，為船舶制冷設(shè)計和研究提供參考。

1 船舶制冷劑的使用現(xiàn)狀

目前，船用船舶制冷系統(tǒng)主要有集中式制冷系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)和單元式空調(diào)冷藏系統(tǒng)等。集中式制冷系統(tǒng)包含滿足船員生活所需的伙食冷庫和冷藏貨艙等，伙食冷庫保鮮通常采用普通冷藏保鮮、氣調(diào)冷藏保鮮和精確控溫冷藏保鮮。中央空調(diào)系統(tǒng)一般用于住艙、辦公室、會議室等船員經(jīng)?；顒拥呐撌?，通常采用壓縮冷凝機組直接蒸發(fā)冷卻或采用冷水機組間接冷卻，結(jié)合空調(diào)器、布風(fēng)器、風(fēng)機盤管進行空氣溫濕度調(diào)節(jié)。單元式空調(diào)冷藏系統(tǒng)包含全新風(fēng)空調(diào)器、水冷柜機、風(fēng)冷柜機等應(yīng)用于局部工作環(huán)境調(diào)節(jié)，一般作為中央空調(diào)系統(tǒng)的備用以及關(guān)鍵機械處所溫度控制。

由于船舶使用環(huán)境惡劣，且與陸用相比維修保養(yǎng)不便，對制冷裝置穩(wěn)定性要求更高。因此，船舶制冷技術(shù)的發(fā)展相較于陸用更為保守。船舶主要制冷裝置及制冷劑使用情況見下頁表1。

表1 船舶主要制冷裝置及制冷劑

目前，船舶制冷裝置設(shè)計中，主要采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理進行制冷，制冷劑主要為A1安全級別的氫氟烴（HFCs）制冷劑。由于R22受MARPOL公約限制，現(xiàn)階段只用于現(xiàn)有船舶維修保養(yǎng)，新建船舶較多采用R134a、R404A、R410A、R407C和R407F等制冷劑。通過溴化鋰/氨吸收式制冷機組進行船舶余熱回收也有少量應(yīng)用。船舶常用制冷劑的物性參數(shù)見下頁表2。

表2 船舶常用制冷劑的物性參數(shù)

R134a為中溫制冷劑，適合用于-23℃及以上蒸發(fā)溫度的冷水機組、壓縮冷凝機組、小型分體式制冷機，但是當蒸發(fā)溫度低于-20℃，其制冷性能明顯降低，壓縮機容積效率較低，系統(tǒng)充注量和壓縮機組偏大，且對系統(tǒng)干燥和清潔性要求很高，限制其在船舶制冷裝置中的應(yīng)用。

R404A（44%R125、4%R143a和52%R134a）為近共沸制冷劑，不滿足主要船級社環(huán)境保護標志對船用制冷劑的GWP要求。但是，目前- 40℃~ -20℃低溫和超低溫制冷裝置，還未找到合適的環(huán)保制冷劑。因此，R404A廣泛應(yīng)用于船舶蒸發(fā)溫度較低的冷藏系統(tǒng)及無環(huán)保要求的空調(diào)系統(tǒng)。

R410A（50%R32、50%R125）是替代R22的二元混合近共沸中高溫制冷劑。但是，R410A運行壓力較高，替代R22要求更高冷凝器承壓能力，更換壓縮機，現(xiàn)階段部分冷水機組有應(yīng)用。

R407C（23%R32、25%R125和52%R134a）和R407F（30%R32、30%R125和40%R134a）制冷劑是目前應(yīng)用于船舶空調(diào)和冷藏系統(tǒng)的主流制冷劑，作為替代R22中高溫制冷劑，符合主要船級社環(huán)保附加標志中ODP和GWP要求，滿足一般船舶伙食冷庫-18℃庫溫要求，進行R22系統(tǒng)改造不需要更換壓縮機。其中R407C進行R22系統(tǒng)改造，只需更換壓縮機潤滑油、密封圈、干燥過濾器和安全閥等少量設(shè)備，改造之后系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但是R407C中R134a濃度較高，蒸發(fā)溫度低于-20℃，壓縮機排氣溫度和壓力過高，可能導(dǎo)致潤滑油碳化，使制冷量和性能系數(shù)急劇下降，熱力膨脹閥穩(wěn)定性降低，庫溫-18℃以下船舶伙食冷藏系統(tǒng)R407C不適用。而R407F制冷劑低溫區(qū)域制冷量與R22更相近，可達到-25℃庫溫，是比R407C更合適的替代R22制冷劑，但是其成本比R407C高約1.5倍，一定程度上限制了其應(yīng)用。此外，R407系列為三元非共沸制冷劑，發(fā)生泄漏以后，系統(tǒng)組分濃度改變，將導(dǎo)致運行可靠性降低。

R507A（50% R125、50% R143a）為共沸混合制冷劑，主要應(yīng)用于-50℃~ -30℃的低溫冷凍領(lǐng)域。其泄露之后，系統(tǒng)組分變化比R404A小，制冷性能比R404A更好。但是，其GWP相比于比R404A高35%，實際項目中的應(yīng)用較少。

自然工質(zhì)R717（NH）為中溫制冷劑制冷劑，價格低廉，適用于蒸發(fā)溫度大于-65℃大型、大中型制冷系統(tǒng)，主要應(yīng)用于南極磷蝦、金槍魚等漁船冷藏速凍裝置，在歐美發(fā)達國家應(yīng)用比較普遍。但是，NH具有較大毒性和可燃性，船級社和船檢對氨制冷系統(tǒng)設(shè)計和管理提出更高要求。

自然工質(zhì)R718（HO）無毒、無味、不可燃。但是，其蒸氣比體積大，蒸發(fā)壓力小，系統(tǒng)處于高真空，不適宜蒸氣壓縮式制冷機組，現(xiàn)階段在船舶吸收式制冷機組中有所應(yīng)用。

2 船舶制冷劑的限制

目前，IMO MEPC和船級社對船舶制冷劑提出具體要求。MARPOL公約附則VI規(guī)定，自2020年1月1日起，船舶禁止使用含有臭氧消耗物質(zhì)的新裝置。主要船級社均要求船舶滿足MARPOL公約，對于申請環(huán)境保護標志有進一步要求，各船級社環(huán)境保護標志對船用制冷劑要求，如表3所示。

表3 船級社環(huán)境保護標志對船用制冷劑的要求

2.1 中國船級社（CCS）

2.1.1 鋼制海船及海洋工程

《鋼制海船入級規(guī)范》之前規(guī)定，船舶附加標志為：CLEAN——潔凈，其要求2020年1月1日起，使用的制冷劑ODP=0；RSC（Refrigeration System Control）——冷藏系統(tǒng)控制，其要求ODP = 0，GWP<2 000。CCS發(fā)布《鋼制海船入級規(guī)范》2020第2次變更通告規(guī)定，自2020年7月1日起，新申請入CCS船級的海船將按照2020年6月17日CCS發(fā)布《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》2020，進行船舶附加標志的申請及檢驗，已經(jīng)獲得或申請原CLEAN或原綠色船舶附加標志的船舶，可繼續(xù)按照原CCS規(guī)范要求進行維護或授予相關(guān)附加標志，也可按照新規(guī)范申請?zhí)娲郊訕酥尽?/p>

新規(guī)范對消耗臭氧物質(zhì)的排放控制提出具體要求，與船用制冷劑有關(guān)的為：環(huán)境保護附加標志G-EP和G-EP（X）（國際航行海船），Gd-EP和Gd-EP（X）（國內(nèi)航行海船）；RSCx為環(huán)境保護子要素附加標志中消耗臭氧物質(zhì)管理及排放控制水平附加標志，適用船舶貨物冷藏、中央空調(diào)和集中式制冷系統(tǒng)，不包括無制冷劑充注接頭和不含有消耗臭氧物質(zhì)可拆卸部件的永久密封設(shè)備。RSCx分為RSC1、RSC2兩級。

RSC1要求：

（1）船上主要制冷系統(tǒng)制冷劑ODP = 0。

（2）采取合理的維修隔離措施，防止維保期間制冷劑大量泄漏。

（3）壓縮機能夠?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)制冷劑排空至貯液器。

（4）設(shè)置制冷劑回收裝置，能夠?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)最大制冷單元的全部制冷劑排空至現(xiàn)有貯液器或?qū)ｉT制冷劑接收容器。

（5）設(shè)置制冷劑泄漏探測器，連續(xù)監(jiān)測泄漏隱患點，人員值班室設(shè)置報警器，超過預(yù)先設(shè)定值能夠報警和采取處理措施。制冷系統(tǒng)年度泄漏量小于其制冷劑全部充裝量的10%。

（6）避免多種制冷劑混合。

（7）設(shè)置制冷劑管理計劃，包含：船名及船舶識別號，制冷系統(tǒng)清單、簡圖、泄漏探測系統(tǒng)等部件描述，制冷劑消耗、泄漏、排空、處置的管理控制方法及泄露處理措施，制冷劑更換、泄漏、回收、補充及處置等記錄方式方法。

（8）建立和維持船上制冷劑清單和制冷劑更換、泄漏、回收、補充及處置等記錄方式方法的記錄簿，在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)保持3年以備驗船師核查。

RSC2進一步要求：制冷劑GWP<2 000。

2020年7月1日生效的《海上浮式裝置入級規(guī)范》2020和《海上移動平臺入級規(guī)范》2020規(guī)定海上浮式裝置、海上移動平臺船用環(huán)境保護附加標志采用《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2020要求。

新規(guī)范船舶附加標志針對航行區(qū)域、制冷劑管理及排放控制水平進行多級劃分，與原CLEAN和RSC附加標志存在差異，但對船舶制冷系統(tǒng)制冷劑的使用和限制基本相同。

2.1.2 內(nèi)河船舶

2020年2月1日生效的《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》2020，規(guī)定中國境內(nèi)內(nèi)河和特定航線江海直達自航船舶，根據(jù)綠色船舶等級評估總分授予“綠色船舶-1、2、3”（Green Ship -1、2、3）附加標志和單項附加標志。針對貨物冷藏裝置、中央空調(diào)系統(tǒng)、集中式制冷系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)管理和控制水平，授予制冷劑-1、2、3對應(yīng)不同指標分值，取其中一個綠色船舶要素指標分值。

制冷劑-1：

（1）船上使用的制冷劑GWP< 3 500，禁止使用氯氟化碳（CFC）制冷劑，允許使用氫氟烴（HFC）、自然制冷劑（NH/CO）；

（2）制冷系統(tǒng)設(shè)置隔離措施、制冷劑回收裝置和液體儲存容器；

（3）避免多種制冷劑混合。

制冷劑-2：除滿足制冷劑-1要求，還要求：

（1）船上使用的制冷劑ODP = 0，GWP<1 890；

（2）制冷劑每年的泄露量應(yīng)盡可能小，設(shè)置1個泄漏探測器連續(xù)監(jiān)測可能泄漏的場所，有人值班的位置設(shè)置報警器，能夠及時發(fā)現(xiàn)泄漏并且采取相應(yīng)措施；

（3）建立制冷系統(tǒng)管理計劃，形成記錄薄。

制冷劑-3：除滿足制冷劑-1和制冷劑-2的要求，還禁止使用氫化氯氟烴（HCFC）制冷劑。

2.2 挪威船級社（DNV GL）

DNV GL環(huán)保符號為Clean和Clean（Design），適用于充注量大于10 kg貨物冷藏裝置、中央空調(diào)系統(tǒng)、伙食冷庫、船用燃油冷水機組等制冷系統(tǒng)。

Clean要求船用制冷劑ODP = 0，其余與《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》2020中RSC1要求基本一致；Clean（Design）進一步要求GWP≤2 000。

2.3 美國船級社（ABS）

ABS環(huán)保符號為ENVIRO、ENVIRO+和EP2020+，替代原有ES標志，適用于船舶集中式貨物冷藏或非貨物冷藏系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)。

ENVIRO要求制冷劑ODP = 0，設(shè)置制冷劑泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，氨制冷劑濃度超過25 ppm，鹵代烴制冷劑濃度超過300 ppm報警，其余與《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》2020中RSC1要求基本一致；ENVIRO+進一步要求制冷劑GWP< 2 000；此外，EP2020+要求船東承諾在2020年1月前，船用主要制冷系統(tǒng)用GWP≤2 000制冷劑替代現(xiàn)有GWP＞2 000制冷劑。

2.4 法國船級社（BV）

BV環(huán) 保 符 號 為CLEANSHIP和CLEANSHIP SUPER，適用于與船舶集中式制冷裝置、中央空調(diào)系統(tǒng)、氣體再液化裝置。

CLEANSHIP與《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》2020中RSC1要求基本一致；CLEANSHIP SUPER要求船舶制冷劑ODP = 0，GWP≤2 000，禁止使用乙烷、乙烯等空氣爆炸極限低于3.5%的易燃制冷劑。

2.5 英國勞氏船級社（LR）

LR環(huán)保符號為ECO，適用于船上制冷劑超過3 kg的制冷空調(diào)系統(tǒng)。

ECO要求：

（1）禁止使用CFCs、HCFCs制冷劑在現(xiàn)有和新的制冷空調(diào)設(shè)備使用，提倡使用自然工質(zhì)制冷劑NH、CO，HFOs。

（2）制冷劑ODP = 0，GWP<1 950。

（3）制冷劑最大泄漏量：充注量3~30 kg，3個月10%；充注量30~300 kg，1個月5%；充注量超過300 kg，1個月3%。

（4）設(shè)置制冷劑泄漏連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，氨制冷劑濃度超過25 ppm，鹵代烴制冷劑濃度超過300 ppm報警，其余與《綠色生態(tài)船舶規(guī)范》2020中RSC1要求基本一致；ECO（R）要求船舶貨物冷藏、空調(diào)系統(tǒng)、糧食庫等主要制冷系統(tǒng)采用自然工質(zhì)制冷劑，小型制冷系統(tǒng)GWP<1 950。

此外，LR對安全等級高于A1的制冷劑有進一步限制：

（1）改進、改造制冷系統(tǒng)不能直接使用A2L或超過A2L制冷劑替代A1制冷劑。

（2）采用A2L或高于A2L制冷劑針對可燃性和毒性進行特殊設(shè)計和考慮。

（3）采用獨立無火花型機械通風(fēng)，每小時換氣次數(shù)至少30次。

（4）在安全區(qū)域設(shè)置泄漏監(jiān)測裝置，在人員進入通道前監(jiān)測氧氣濃度等級；泄漏監(jiān)測裝置能設(shè)置氣體濃度高于30%著火下線報警。

（5）進行更新設(shè)備、設(shè)備安放、制冷劑充注的風(fēng)險評估。

（6）作業(yè)人員需具備操作該制冷劑證明。

（7）制冷劑使用空間設(shè)置危險區(qū)平面圖。

3 船舶制冷劑的發(fā)展趨勢

隨著全球生態(tài)環(huán)保要求日趨嚴格，船舶制冷劑基本實現(xiàn)零ODP，溫室氣體減排也勢在必行，制冷劑逐步向低GWP發(fā)展。目前，低GWP制冷劑研究集中在2個方向：

（1）HFOs及其混合制冷劑；

（2）自然工質(zhì)制冷劑。

下頁表4總結(jié)了幾種具應(yīng)用前景的船舶低GWP替代制冷劑。

表4 低GWP的替代制冷劑物性參數(shù)

3.1 HFOs及其混合制冷劑

美國等國家積極開發(fā)低GWP第4代制冷劑HFOs（不飽和氫氟烴類）及其混合制冷劑，其不飽和鍵能夠與大氣中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，GWP通常很低且同時帶來一定的可燃性和毒性。目前，研究和應(yīng)用較多的為A1和A2L安全等級制冷劑，主要原因是ISO、IEC國際標準和EN標準對制冷劑的充注量、設(shè)備和操作提出了嚴格的限制。

其中，R1234yf作為極低GWP的HFOs制冷劑的代表，相比于R134a，GWP降低99%，傳熱系數(shù)和制冷系數(shù)相近。其主要用于汽車空調(diào)來替代R134a進行系統(tǒng)改造，不需要新設(shè)備重大改造，近年來正逐步應(yīng)用于高于-20℃冷水機組、冰柜等小型冷凍領(lǐng)域。不過，R1234yf單位容積制冷量較小，適用溫度范圍窄，具有一定可燃性，船舶領(lǐng)域應(yīng)用的安全性研究還不夠。

受限于自身物理化學(xué)性質(zhì)，HFOs制冷劑的應(yīng)用有一定局限性，通常與不可燃制冷劑混合成為HFOs混合制冷劑，改善制冷劑熱物性。其中，HFOs混 合 制 冷 劑R449A的GWP<1 300，R513A的GWP<600，屬于無毒、不可燃的A1安全等級，可作為過渡期較低的GWP替代制冷劑，具有較好的可行性和應(yīng)用前景。為進一步降低GWP，需進一步提高HFOs混合制冷劑中可燃制冷劑的比例。R454B、R454A、R454C無毒、微可燃，進行合理可燃性考慮后，可作為低蒸發(fā)溫度較低GWP替代制冷劑。

但是，上述制冷劑大部分專利為美國科慕和霍尼韋爾公司壟斷，價格非常昂貴。以R1234yf為例，其售價為1 400元/kg（進口，不含運費）。相比常用船舶制冷劑，R407C售價為40元/kg（進口，不含運費），R407F售價為60元/kg（進口，不含運 費），R1234yf制冷劑應(yīng)用于實際工程項目，僅制冷劑的更換成本就提高約30倍，并且R1234yf為易燃危險品，增加了運輸和儲存成本。因此，船舶實際工程應(yīng)用很少，技術(shù)經(jīng)驗不成熟。

3.2 自然工質(zhì)制冷劑

德國、意大利和丹麥等歐盟國家傾向于以NH、CO為代表的自然工質(zhì)環(huán)保制冷劑替代現(xiàn)有制冷劑。目前，對于NH制冷系統(tǒng)的設(shè)計和研究比較成熟，應(yīng)用經(jīng)驗較多，現(xiàn)階段主要考慮其毒性、可燃性，以及NH作為船舶燃料和制冷劑解決方案，實現(xiàn)零碳排放；CO無毒、不可燃，現(xiàn)階段主要解決其高運行壓力和成本問題。

而NH/CO復(fù)疊制冷系統(tǒng)及載冷劑系統(tǒng)，既能將有毒、可燃氨限制在一定區(qū)域內(nèi)，又能夠發(fā)揮兩種制冷劑優(yōu)異熱力學(xué)性能，是目前的研究熱點。

自然工質(zhì)不需要專利授權(quán)，制取和使用費用較低。隨著壓縮機、換熱器、安全保護等關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)的突破，系統(tǒng)成本也不斷降低，未來船舶制冷空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用自然工質(zhì)制冷劑，具有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論與展望

本文分析目前船舶制冷主要系統(tǒng)制冷劑使用現(xiàn)狀，歸納各船級社對制冷劑要求和限制，分析可能應(yīng)用于船舶的低GWP制冷劑，為船舶制冷劑應(yīng)用提供參考，同時得到如下結(jié)論：

（1）船舶主要制冷系統(tǒng)采用蒸汽壓縮式制冷，制冷劑通常為多種。制冷劑主要為R134a、R404A、R410A、R407C、R407F，其制冷劑GWP較高，適用溫度范圍有限。船舶余熱回收多采用吸收式制冷，制冷劑以R718為主。

（2）CCS、DNV GL、ABS、BV和LR對 船 舶制冷劑使用和限制不盡相同，環(huán)境保護標志存在差異，分為兩級或多級。各船級社環(huán)境保護標志均要求船舶制冷劑ODP = 0，對申請較高等級的環(huán)保標志，均要求制冷劑GWP≤2 000，配置制冷劑監(jiān)測、報警和回收裝置，制定專門制冷劑管理計劃。

（3）CCS、DNV GL、ABS要求制冷劑年度泄漏量不超過系統(tǒng)總充注量的10%，LR依據(jù)充注量限制泄漏量，要求更為嚴格。不同船級社對制冷劑泄漏量報警下限值基本相同，氨濃度為25 ppm，HFCs濃度為300 ppm。

（4）LR對具有可燃性、毒性（高于A1）的制冷劑，如R717（B2L）、R1234yf（A2L）、R600a（A3）進行可燃性、毒性特殊考慮，不能直接用于A1制冷劑的制冷系統(tǒng)替代。

（5）船舶低GWP替代制冷劑非常有限。主要為A1、A2L安全等級HFOs制冷劑和HFOs混合制冷劑，以及自然工質(zhì)NH和CO。自然工質(zhì)制冷劑具有很好的應(yīng)用前景。