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氢氟碳（HFCs）减排背景下VRF系统制冷剂替代路径研究。基于蒙特利尔议定书基加利修正案要求，建立VRF系统发展预测模型和全生命周期排放评估模型，提出兼顾能效提升的替代方案。结果显示：至2050年常规替代路径可实现58%减排，若同步提升系统能效可达61%减排。研究为VRF行业低碳转型提供技术路线参考。
俞正英|崔梦迪|周玉珏|史文星|王宝龙
清华大学建筑科学系室内空气质量评估与控制重点实验室，北京100084，中国
摘要
《蒙特利尔议定书》的《基加利修正案》对氢氟碳化物的生产和消费制定了明确的逐步减少限制。作为氢氟碳化物的最大消费国，制冷行业在制冷剂替代方面面临着巨大挑战。变流量（VRF）空调系统是非住宅建筑中最流行的空调类型，并且呈现出持续增长的显著趋势。VRF系统的制冷剂替代路径直接影响《基加利修正案》的实施。因此，本文采用系统化方法规划了VRF系统的制冷剂替代路径。首先，提出了一个预测VRF空调系统未来发展的模型，并利用自下而上的方法开发了VRF空调系统行业的氢氟碳化物消耗和排放评估模型。在此基础上，在《基加利修正案》的约束下，通过优化方法规划了VRF系统的制冷剂替代路径。研究结果表明，应尽快将使用替代制冷剂的VRF空调系统投入市场销售。预测显示，到2050年可实现58%的排放减少目标。然而，如果这些系统的能效进一步提高，这一协同减排方案到2050年可实现61%的更大减排量。
引言
作为第三大非二氧化碳温室气体（GHG），氟化气体（F-gases）在减少全球温室气体排放方面发挥着重要作用。与其他单一成分的温室气体不同，氟化气体包含多种气体。氢氟碳化物（HFCs）是氟化气体的主要成分，广泛应用于制冷、空调和热泵领域。为了减少氟化气体排放，已经制定了许多国际协议。2016年，《蒙特利尔议定书》的缔约方通过了《基加利修正案》，将18种HFCs列入逐步减少名单，以降低其生产、消费和最终排放量。此外，2023年在迪拜举行的联合国气候变化框架公约第二十八次缔约方大会上启动了“全球制冷承诺”国际倡议，旨在减少制冷领域的温室气体排放[1]。一些主要经济体也制定了自己的路线图，逐步减少制冷、空调和热泵领域的HFCs和二氧化碳排放。欧盟制定了氟化气体法规，旨在加速HFCs的淘汰并提高制冷设备的能效标准[2]。2024年，氟化气体法规得到了更新，设定了更为雄心勃勃的目标。美国实施了《美国创新与制造法案》以符合《基加利修正案》的要求。2023年，中国发布了《中国推荐替代消耗臭氧层物质清单》，提出了一些适用于制冷设备的替代制冷剂，以加快含氢氯氟碳化合物物质的淘汰进程。
HFC制冷剂广泛应用于房间空调、变流量（VRF）空调系统、冷水机、商业和工业制冷以及热泵等领域。由于具有高可控性和低室外机占地面积等优点，VRF系统已超越传统冷水机，到2022年在中国中央空调市场中占比超过50%[3]。此外，它们具有较大的发展潜力，未来将更加普及[4]。然而，由于制冷剂充注量较大、现场安装要求高以及连接管复杂且较长，VRF系统比房间空调和冷水机更容易发生制冷剂泄漏。此外，全球范围内VRF系统中主要使用R-410A制冷剂，其全球变暖潜能值（GWP）为2087.5，因此直接减少VRF系统的排放非常重要。然而，同时满足热力学、环境和安全性能要求的合适替代品仍存在不足。因此，各国和地区的VRF系统制冷剂替代路线图普遍落后于其他产品类型。例如，欧洲法规规定，到2029年，冷却或加热能力小于12千瓦的产品所使用的氟化气体GWP应低于150；从2035年起将禁止使用氟化气体。同样，美国指南要求新安装的VRF系统使用GWP低于700的制冷剂，该规定生效日期从2026年推迟至2027年[6]。
如前所述，研究VRF系统的制冷剂替代路径非常重要。与VRF系统相比，房间空调的制冷剂替代研究更为深入。已经建立了多种模型来预测排放趋势并评估减排措施的有效性，包括自下而上的模型和不同的减排情景。胡等人[7]建立了一个自下而上的模型，分析了在中国假设排放情景下房间空调整个生命周期内的氟化温室气体排放趋势，结果表明排放量将在2025年左右达到峰值，随后由于低GWP制冷剂的替代和加强的管理措施而下降。蒋等人[8]开发了一个需求-排放-成本模型，评估了在《基加利修正案》能效提升和加速转型情景下中国房间空调行业的协同减排潜力和成本，其中一个情景通过加速过渡到低GWP制冷剂实现了接近零的直接排放。王等人[9]采用自下而上的建模方法预测了中国住宅空调的普及趋势，并评估了能效提升和采用低GWP制冷剂的综合效益。白等人[10]采用了一个自下而上的DECAF模型，整合了制冷和空调、泡沫发泡剂以及消防行业的特定活动数据和排放因子，结合对中国HFC生产和出口的生命周期分析，提出了到2060年实现HFCs接近零排放的路径。现有文献为房间空调行业的减排策略提供了宝贵的见解。
大多数先前的研究依赖于自定义的假设情景来分析不同条件下的二氧化碳当量排放。虽然这些研究认识到制冷剂替代是一种有效的减排措施，一些研究甚至在基于情景的排放评估中包含了替代制冷剂，但大多数情景都是人为创建的。在符合《基加利修正案》规定的HFCs逐步减少目标的详细分析方面仍存在关键差距。特别是，关于替代制冷剂达到修正案规定的减排阈值所需的具体时间表和市场渗透水平尚不明确。此外，现有研究主要集中在房间空调的制冷剂替代路径上，而对VRF行业的替代方法研究仍不足。
本研究调查了中国VRF系统的制冷剂替代路径。本文预测了中国VRF行业的未来发展，并为VRF行业提供了全面的制冷剂替代计划。该计划包括两种限制替代情景：《基加利修正案》（KA）情景和加速《基加利修正案》（AKA）情景。该计划的目的是满足HFCs的减排要求。为VRF行业开发的自下而上的排放模型探讨了制冷剂替代与能效提升相结合的减排潜力，并确定了中国VRF行业的最佳替代路径，并进行了技术可行性分析。本研究旨在为VRF系统的低碳转型提供参考。
第2节描述了研究方法，包括VRF发展预测、自下而上的消耗和排放模型以及情景假设。第3节展示了研究结果，包括制冷剂替代的时间规划和市场应用份额，以及制冷剂替代的减排效果。第4节对研究进行了讨论，包括替代制冷剂的技术可行性及未来制冷剂替代路径的改进方向。最后，第5节总结了研究结论。
部分摘录
方法论
本研究采用的方法如图1所示。首先，建立了一个VRF空调系统的库存发展预测模型，即需求预测模块（图1）。该模型基于市场研究获得的基础数据构建，包括VRF的历史生产和销售量信息。在此基础上，进一步开发了VRF的自下而上的制冷剂消耗核算模型
《基加利修正案》下的VRF制冷剂替代路线图
鉴于VRF冷却能力的显著差异，国家库存评估应使用冷却能力（而非设备数量）作为主要指标。本研究通过分析每单位冷却能力的价格，得出了2012年至2022年的国内销售数据，从而更准确地描述了市场情况。
根据中国IOL的研究结果，可以获得2012年至2022年VRF的年度国内销售冷却能力数据（单位：千瓦；[冷却能力]/年）。VRF的冷却库存
讨论
尽管本研究取得了一些重要发现，但也存在一些局限性。具体来说，需要解决两个问题。首要问题是替代制冷剂的技术进步能否在规定的时间内满足替代要求。其次，VRF行业的减排计划不一定与《基加利修正案》的减排计划完全一致，因为《基加利修正案》的要求
结论
本研究采用自下而上的方法评估了VRF行业中替代制冷剂路径和排放的潜力，以促进HFCs消费的减少并实现既定目标。研究结果如下：
- 1)
预计中国的VRF库存将继续增长，尽管增长率预计将从2035年开始下降。预计到2050年，中国所有VRF的总冷却能力将达到8.8亿千瓦。
- 2)
替代
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了清华大学国际气候变化与碳中和联合任务的支持。
