王 月 宓 宏 徐 宏 臧建彬 王海鷹

(1 同濟大學機械與能源工程學院 制冷與低溫工程研究所 上海 201804；2 浙江衢州聯州致冷劑有限公司 衢州 324000；3 浙江衢化氟化學有限公司 衢州 324004)

我國是全球最大的制冷設備與制冷劑生產國和消費國。2020年，工商制冷空調行業(yè)預計實現利潤165億元[1]。預計至2030年，我國制冷空調行業(yè)制冷劑消費總量將達15.4～17.8萬噸[2]，進入HCFCs制冷劑淘汰末期，我國將于2024年啟動HFCs的產量和消費量削減[3]。以建筑空調和冷凍冷藏領域長期使用的制冷劑R22為例，其產能配額從2013年的30.8萬噸削減至2020年的22.5萬噸[4]，2030—2040年除保留少量(約2.5%)維修用途外將實現全面淘汰。對制冷系統(tǒng)內原有的制冷劑進行回收再生處理，是應對制冷劑產能配額削減壓力和減少制冷劑排放的有效方法[5]。

20世紀80年代末我國開始對CFC制冷劑回收凈化開展應用研究，制造了樣機[6]。目前我國對制冷劑的回收再生處理依然落后于歐美國家，維修及報廢制冷機組時大量廢制冷劑直接排放，污染大氣環(huán)境，加重節(jié)能減排負擔。中國制冷空調工業(yè)協會制定的制冷空調行業(yè)“十三五”規(guī)劃提出，配合行業(yè)HCFCs制冷劑淘汰工作，建立健全環(huán)境友好性評價技術，重點突破制冷空調產品全壽命周期的能效評價、環(huán)境友好性評價等關鍵技術，建立完備的評價體系[1]。

當前碳排放評價方法主要有3種。全球變暖潛能(global warming potentials，GWP)，評價制冷劑的溫室效應，受制冷劑吸收紅外輻射能力、大氣壽命及與CO2相比使用的時間[7]；總當量變暖影響(total equivalent warming impact，TEWI)，由《京都議定書》提出，評估制冷劑在制冷系統(tǒng)中運行一定年限的氣候性能[8]，計算制冷劑直接/間接排放量、制冷系統(tǒng)運行能耗、制冷系統(tǒng)及制冷劑運輸能耗，過程中總碳排放對溫室效應的影響；全生命周期氣候性能指標(life cycle climate performance，LCCP)，由美國Arthur D Little公司[7]于1999年提出，對制冷劑及制冷系統(tǒng)運行生命周期內的溫室效應進行綜合評價[9]。在TEWI基礎上，LCCP評價指標加入了制冷劑與制冷系統(tǒng)生產和回收過程以及制冷劑分解產物對溫室效應的影響[10]。

制冷劑碳排放評估方面，趙宇[9]使用GREEN-MAC-LCCP模型計算工具，對比了汽車空調系統(tǒng)使用R1234yf和R134a的LCCP值；王子偉等[10]使用Visual Studio軟件建立了部分城市汽車空調適用的LCCP模型；史琳等[7]基于LCCP評價方法和CO2減排率(CO2emissions reduction rate，ERR)，研究了拓展CO2減排率的評價方法；P.Jihwan等[11]基于韓國某廢棄電器設備回收工廠分析了制冷劑回收對溫室氣體排放的抵消效應。當前，制冷劑碳排放評估研究大多基于考慮因素全面的LCCP指標。同時，氣候環(huán)境及行業(yè)數據需求量大、計算過程繁瑣、參數、選取差異對結果影響較大[7]。經濟性能評估方面，方文敏等[12]對上海地區(qū)200余家制冷相關企業(yè)的調研顯示空調行業(yè)對于制冷劑的回收比例較低。對制冷劑進行回收可以較好地維護制冷空調企業(yè)的利益，經濟性顯著。

隨著全球環(huán)保要求升級、環(huán)保工作深入開展，制冷劑再生過程成為制冷劑生命周期中不可或缺的一環(huán)。制冷劑再生過程的能源消耗及對應碳排放，以及再生制冷劑替代新生產制冷劑的碳減排量評估等有待探討。本文基于制冷劑回收再生技術方法及處置流程，構建制冷劑回收再生過程的碳排放評估模型；分析制冷劑再生處理的經濟效益，包括制冷劑處理過程中資源、能源的消耗、環(huán)境保護效益等。

1 制冷劑回收再生過程

“冷卻法”、“壓縮冷凝法”和“推拉法”是目前進行制冷劑回收的3種主要方法[13]，常用壓縮冷凝法、壓縮冷凝法與推拉法的復合方法，其中，制冷壓縮機是主要耗能設備。制冷劑回收過程中或回收后需要進行凈化并去除其中的水、潤滑油、顆粒物和不凝性氣體等。制冷劑凈化前需進行純度檢測，純度大于96%直接利用；純度在75%～95%選擇性凈化；純度小于75%需進行制冷劑凈化[14]。回收后的制冷劑分為可再生制冷劑和不可再生制冷劑。氧化程度高再生困難的制冷劑及難以分離的制冷劑混合物都屬于不可再生制冷劑，必須破壞處理[15]。使用簡易再生方法，制冷劑一次或多次通過過濾器、油分離器和干燥器除雜，制冷劑簡易再生裝置體積小，適用于現場少量再生。再生后制冷劑純度不高，只能在原設備中再利用，不能用于其它設備。蒸餾再生方法能獲得純度高、可用于其它設備的制冷劑。蒸餾精制裝置龐大、運行能耗高，適合集中處理制冷劑。從回收容器中對制冷劑取樣進行光譜分析確認成分，然后進行蒸餾精制，經過濾器、油分離器、在分餾塔內分餾，再經脫酸、脫水工序后進入壓力容器貯藏[15]。在日本，蒸餾再生的制冷劑產品才能根據標準進行分級管理。

2 制冷劑回收再生過程的碳排放模型

將制冷劑的生產、運輸、回收、再生等過程的碳排放及能源消耗所導致的間接碳排放納入全生命周期模型，如圖1所示，以評價包含制冷劑回收再生過程的全生命周期相對碳排放特性。

圖1 制冷劑全生命周期Fig.1 The whole life cycle of refrigerant

傳統(tǒng)碳排放評價方法LCCP模型的計算流程如圖2所示[8]，計算過程中的主要數據輸入包括制冷劑泄漏量、系統(tǒng)各部件材料等的生產能耗、系統(tǒng)制冷量、能源轉換效率之比(額定制冷量/制熱量與額定功率的比值，簡稱能效比)及全年系統(tǒng)運行氣象參數等。該模型中并未包括制冷劑的回收、再生環(huán)節(jié)的碳排放計算。制冷劑行業(yè)中，為促進碳中和目標的達成，對待維修或拆解機組內的制冷劑進行回收再生是重要的碳減排途徑之一。因此，本文嘗試在傳統(tǒng)LCCP模型補充制冷劑回收凈化環(huán)節(jié)的碳排放模型，分別對制冷劑回收并再生、制冷劑不回收兩種情況進行建模。其中，制冷劑回收并再生情況下，又對不同制冷劑回收再生處置方式進行建模。

圖2 LCCP模型構成[8]Fig.2 LCCP model composition[8]

制冷劑回收再生需要用到回收/凈化再生設備、運輸設備等耗能設備，同時，過程中不可避免地會發(fā)生部分制冷劑的泄漏，各設備能耗和泄漏損失的質量等數據是模型求解的重要輸入數據。

在運輸、使用等過程中，制冷劑直接泄漏、排放進入大氣造成直接排放，制冷劑生產、運輸、回收、凈化再生等過程中的能源消耗造成間接排放。依據美國汽車工程學會標準SAE J2766-2019[16]制冷劑生命周期氣候性能評估指標，其所包含的引起溫室效應的直接排放和間接排放如表1所示。直接排放量以CO2當量排放表示，其值根據每種化學物質的全球變暖潛能值(GWP)和釋放到大氣中的制冷劑量來評估。間接排放計算與制造、使用、處理制冷系統(tǒng)相關的能源消耗，求取該能耗對應CO2當量總和。

制冷劑總當量CO2排放=直接排放當量CO2排放+間接排放當量CO2排放

(1)

制冷劑造成溫室效應的直接排放和間接排放如表1所示。在制冷劑回收凈化再生環(huán)節(jié)，部分制冷劑在回收凈化過程中直接泄漏至外部環(huán)境，且回收后系統(tǒng)內仍有少量殘余制冷劑在維修過程中泄漏至環(huán)境中，這兩部分共同構成影響溫室效應的直接排放；回收凈化設備的運行能耗構成影響溫室效應的間接排放。將該拓展環(huán)節(jié)列入表1。建立制冷系統(tǒng)中制冷劑生命周期碳排放評估模型的計算過程為：(1)獲取制冷機組充注制冷劑類型及充注量；(2)查閱文獻、行業(yè)資料，獲取制冷劑的常規(guī)泄漏量、非常規(guī)泄漏量、維修過程泄漏量、回收過程泄漏量等數據，以制冷劑的總泄漏量計算直接排放的當量CO2排放量；(3)獲取制冷劑的生產、運輸、回收、凈化、再生等過程的能源消耗，并計算間接排放的當量CO2排放量；(4)計算得到制冷劑生命周期中總當量CO2排放量。經拓展的制冷劑生命周期碳排放計算流程如圖3所示。

表1 制冷劑造成溫室效應的直接排放和間接排放Tab.1 Direct and indirect emissions of the greenhouse effect caused by refrigerants

圖3 制冷劑全生命周期模型計算流程圖Fig.3 Flow chart of calculation of refrigerant life cycle model

3 案例計算

3.1 碳排放評估模型參數

1)制冷劑泄漏引起的直接碳排放

本文以汽車空調用制冷劑R134a為研究對象，分析其全生命周期碳排放量。普通轎車空調的制冷劑充注量約為600～900 g，汽車空調每年正常損失10%～15%的制冷劑。每年每臺汽車空調維修補充約250 g制冷劑。

制冷劑的泄漏量由直接排放至大氣中的制冷劑量構成，包括常規(guī)泄漏量、非常規(guī)泄漏量、維修過程泄漏量和回收再生過程泄漏量等。參考汽車空調系統(tǒng)制冷劑R134a排放評級相關泄漏數據[17]，估計R134a常規(guī)泄漏量均值為11.5 g/a，制冷劑非常規(guī)泄漏取17 g/a[16]，專業(yè)維修造成的泄漏量約為35 g[18]，用戶自行維修造成的泄漏量約為52 g[18]。每臺報廢汽車回收過程制冷劑泄漏量為100～450 g，實際泄漏量取決于其中制冷劑回收處理的程度[8]。

假定制冷劑回收的兩個極端情況分別進行計算：1)汽車空調中的殘余制冷劑盡最大可能回收，制冷劑的回收率取90%，只有10%排放至大氣中；2)制冷劑沒有進行回收，全部直接排放至大氣中，即制冷劑泄漏率為100%。汽車空調的使用時長與汽車的使用壽命一致。據調查數據[19]，如表2所示，汽車使用壽命隨著技術進步逐年增加。本文計算取汽車平均使用壽命為10年。

表2 汽車壽命調查估計[19]Tab.2 Estimated vehicle life survey[19]

制冷劑的直接泄漏量可采用式(2)估算CO2當量排放量[16]：

RefrigLeakage=(Mr+Mir)vLife+Mx+Me+Ma

(2)

(3)

Mx=(1-percentDiy)Mpx+percentDiyMdx

(4)

Mpx=n(profServLoss+Mpr)

(5)

Mdx=n(diyServLoss+Mdr)

(6)

當汽車達到使用壽命，如進行制冷劑回收，生命周期結束后的泄漏量表示為：

(7)

當汽車達到使用壽命，如不進行制冷劑回收，生命周期結束后的泄漏量表示為：

Me=RefMass-BeforeServLoss(nr-n)

(8)

制冷劑因泄漏造成的當量CO2排放量(kg)為：

(9)

2)制冷劑R134a的大氣分解產物引起的碳排放排放至大氣中的制冷劑不僅本身會對溫室效應造成影響，其在大氣中的分解產物包含的溫室氣體也會對環(huán)境造成影響。制冷劑R134a主要大氣分解產物如表3所示。

表3 制冷劑R134a主要大氣分解產物[8]Tab.3 Main atmospheric decomposition products of refrigerant R134a[8]

制冷劑因其大氣分解產物造成的當量CO2排放量(kg)可計算為：

AtmoBreak=(AtmoBreakManu+

AtmoBreakLeak)GWPdp

(10)

3)制冷劑相關的間接當量碳排放

制冷劑相關的間接當量碳排放量，由制冷劑生產、運輸、回收、凈化等過程中消耗的化石能源及電能等能源能耗導致。本文取生產R134a造成的間接當量CO2排放量為8 kg[20]。制冷劑生產過程中其他副產品所造成的間接當量CO2排放量為1.59 kg。

(1)制冷劑運輸過程的間接排放

在將廢棄的殘余制冷劑進行收集并回收處理的過程中，殘余制冷劑首先隨廢舊汽車空調一同送至汽車空調裝配處理廠，集中收集之后再送往制冷劑回收處理廠，假設制冷劑的運輸距離為位于上海市的某汽車空調公司和位于浙江省某地區(qū)的制冷劑生產公司之間，公路交通距離取385 km。制冷劑罐運輸汽車選擇2.5噸廂式物流貨車，尺寸為4.2 m×1.9 m×1.8 m(長×寬×高)。根據卡車的運輸排放因子，如表4所示，計算制冷劑運輸過程對應卡車化石能源消耗造成的間接當量CO2排放量。

表4 卡車的運輸排放因子Tab.4 Truck transportation emission factors

(2)制冷劑回收再生過程的間接排放

制冷劑回收、再生處理設備的運行需要消耗電能等資源，壓縮機為主要耗能設備。由于缺乏相關實驗數據，參考Robinair R690全自動制冷劑回收凈化充注一體機銘牌，取功率值為700 W，制冷劑回收速率為5 kg/h，回收單臺汽車空調系統(tǒng)中的制冷劑耗電0.062 kWh。

參考美國環(huán)境保護署(US Environmental Protection Agency，EPA)發(fā)布的《美國溫室氣體排放清單》計算排放因子，如表5所示?；诟鞣N能源(燃料)來源的排放因子計算因電力消耗造成的間接當量CO2排放量，溫室氣體計算包括CO2、CH4、N2O)。該計算方法由EPA溫室氣體當量計算和澳大利亞國家溫室氣體計算推薦。

表5 基于各種能源(燃料)來源的排放因子Tab.5 Emission factors based on various energy (fuel)sources

3.2 碳排放估算

根據3.1節(jié)所述模型，進行R134a制冷劑回收凈化過程的氣候性能評估，計算結果如圖4所示。當對汽車空調中的殘余制冷劑進行回收時，R134a的直接泄漏量為535 g；當對制冷劑不進行回收處理時，R134a的直接泄漏量為935 g。R134a的總當量CO2排放量，以是否對汽車空調中的殘余制冷劑進行回收處理分別計算得704.6 kg、1 224.8 kg。對制冷劑進行回收凈化處理可減少當量CO2排放約42%。

圖4 制冷劑不同處理方式導致的碳排放量Fig.4 Carbon emissions caused by different refrigerant treatment methods

4 制冷劑回收再生的經濟性分析

以回收再生汽車空調系統(tǒng)R134a為例，簡要分析設備投資回收期和回收凈化制冷劑售價的關系，計算結果如圖5所示。當工廠達到20年的使用年限和10 000 t的年產量時[20]，每噸產品的建筑能源成本可以忽略。本文假設長期運營或年產量不少于1 000 t，暫不考慮建筑成本。首先，購買制冷劑回收再生處理設備，初投資為單臺全自動制冷劑回收凈化再充注一體機價格約72 000元。設備按每日工作時長6 h，每小時處理回收制冷劑5 kg，年工作時長按300 d計。則單臺制冷劑回收處理設備年處理量為9 000 kg。設備使用年限設為5年。

圖5 制冷劑單價與回收成本所需時間關系Fig.5 The relationship between the unit price of refrigerant and the time required for recovery cost

參照ISO 11650∶1999[21]，每隔30 d或凈化200 kg制冷劑就需要更換干燥過濾器。取分子篩干燥劑單價約為15.4 元/kg，機器年維護費用為762 元，2.5噸貨車每百公里交通運輸費用為460元。按貨車每月運輸一次，年運輸12次計(運輸距離按上文估算為385 km)，制冷劑年交通運輸費用約為21 252元?；厥赵O備的功率取700 W，年耗電量為1 260 kWh，電費單價取上海市一般工商業(yè)用電價格為0.72 元/kWh，年設備耗電費用為907元。以每臺一體機配一名工人計，人工費用分別按2019年上海市月最低工資標準或年平均工資計，則年人工成本約為29 760元或78 045元，每年運行成本為52 681元或100 966元。

以R134a制冷劑售賣單價為22 元/kg計，單臺制冷劑回收凈化設備年處理量為9 000 kg，回收凈化率按90%計，凈化后制冷劑年產量為8 100 kg。工人工資若按2019年上海市月最低工資標準，則回收凈化生產制冷劑售價低于6.6 元/kg時(新制冷劑市場價的30%)投資成本回收期過長；工人工資若按2018年上海市年平均工資計，則回收凈化生產制冷劑售價低于14 元/kg時(新制冷劑市場價的64%)投資成本回收期過長。

工人工資若按月最低工資標準，則凈化后制冷劑售價應在11 元/kg以上可在2年內回收制冷劑回收凈化設備的初投資；工人工資若按年平均工資計，則凈化后制冷劑售價應在16.9 元/kg以上可在2年內回收制冷劑回收再生設備的初投資。

5 小結

本文以制冷劑的回收再生過程為研究對象，基于LCCP氣候性能模型，構建了制冷劑回收再生過程的碳排放量評估模型，并對所構建模型，以汽車空調制冷劑R134a的回收再生為案例，計算其碳排放量及回收再生經濟性，得到如下結論：

1)制冷劑的再生主要分為簡易再生和蒸餾再生兩種方法，其中簡易再生裝置小、能耗低，但再生后制冷劑純度低只能在原設備中使用，而蒸餾再生裝置復雜、能耗高，但再生后制冷劑純度高。

2)制冷劑回收再生過程的碳排放模型基于LCCP氣候性能模型構建，本文補充了制冷劑凈化再生環(huán)節(jié)的碳排放模型，包括制冷劑凈化、再生過程的制冷劑泄漏和凈化、再生過程能耗。

3)以汽車空調用制冷劑R134a為例進行碳排放評估，計算結果表明，對汽車空調廢舊制冷劑進行回收凈化可減少約42%的當量CO2排放。

4)對上述算例進行經濟性分析表明，若以月最低工資為工人工資標準，則凈化后制冷劑售價為11元/kg時可在2年內收回設備初投資成本。

符號說明

RefrigLeakage——制冷劑的直接泄漏量，g

Mr——每個城市汽車空調系統(tǒng)制冷劑的平均定期泄漏量，g/a

leakRate——制冷劑年泄漏量，取SAE J2727計算出的估計制冷系統(tǒng)年泄漏量，g/a

AvgTemp——各城市平均加權環(huán)境溫度，℃。取上海市平均溫度17.35℃[22]

Mir——因汽車事故導致系統(tǒng)不定期平均制冷劑泄漏，g/a。取17 g/a

vLife——汽車使用壽命，年。取10年

Mx——汽車空調系統(tǒng)使用期間維修造成的泄漏，g

Me——制冷劑在汽車使用壽命結束時的損失，g

Ma——汽車裝配過程中損失的制冷劑，g。取3.5 g

percentDiy——由未經培訓的技術人員維修的百分比，%

Mpx——因專業(yè)服務人員維修而造成的服務泄漏損失，g

Mdx——因非專業(yè)服務人員維修而造成的服務泄漏損失，g

n——汽車使用壽命內維修服務的次數，次。按兩年一次共計需要5次，n為實際維修次數取4次，nr為實際需要次數取5次

profServloss——每次專業(yè)維修造成的泄漏，g

Mpr——每次專業(yè)維修時制冷劑罐內殘余制冷劑損耗，g。取5 g

diyServLoss——每次自主維修造成的泄漏，g

Mdr——每次自主維修時制冷劑罐內殘余制冷劑損耗，g。取108 g

Refmass——制冷劑初始充注量，g

BeforeServLoss——維修前的泄漏量，g

RefrigLeakageEq——制冷劑因泄漏造成的當量CO2排放量，kg

GWPdp——制冷劑大氣分解產物的全球變暖潛能

AtmoBreakManu——制冷劑生產過程的分解產物，kg

AtmoBreakLeak——制冷劑泄漏導致的分解產物，kg