陈 佳 君

（上海恺达国际贸易有限公司，上海 200010）

0 引 言

臭氧层的破坏和全球气候变化，是当今世界所面临的主要环境问题。由于广泛使用于制冷、空调、热泵行业的卤化物制冷剂（CFCs与HCFCs）都属于温室气体（Green House Gas），对臭氧层有破坏作用并产生温室效应。为了符合环境保护的要求，需选用ODP（Ozone Depletion Potential）值为零，全球变暖潜能值GWP（Global Warming Potential）值较低HFC替代CFC和HCFC。但在查阅各类出版物，不免发现同一制冷剂的 GWP值在各制冷剂制造商的产品资料或各国学院对各制冷剂性能研究报告和 IPCC（The Intergovernmental Panel on Climate Change）的评估报告中都不一致[1～5]。通过对GWP的计算及演变进行归纳，供相关从业人员参考。

1 全球变暖潜能值及国际评估机构

1.1 全球变暖潜能值

GWP是一个相对值，表示某一种温室气体能够捕获得到的空气中的热量。一定质量的温室气体所捕获得到的热量相对于同样质量的CO2所捕获的热量之比。即将特定气体和相同质量CO2比较之下，造成全球暖化的相对能力，是衡量温室气体对全球暖化的影响。

GWP是在一定时间间隔内计算得到的，表示为CO2的一个因数（CO2的GWP是1）。例如，20a的甲烷气体的GWP是72，这意味着相同质量的甲烷和CO2被释放到大气中，在接下来的20a中，甲烷气体捕获得到的热量是CO2所捕获得到的72倍。

1.2 政府间气候变化专门委员会（IPCC）

IPCC是对全球范围内有关气候变化及其影响、气候变化减缓和适应措施的科学、技术、社会、经济方面的信息进行评估，并根据需求为《联合国气候变化框架公约》（The United Nations Framework Convention on Climate Change（UNFCCC））实施提供科学技术咨询的国际性组织。IPCC不直接评估政策问题，但所评估的科学问题均与政策相关。IPCC 已经于1990年、1995年、2001年和2007年相继完成了四次评估报告，报告已成为国际社会认识和了解气候变化问题的主要科学依据，对气候变化国际谈判产生了重要影响。

2 影响GWP值的辐射强迫（RF）及计算模型

2.1 辐射强迫（RF）

RF（radiative forcing capacity）是对某个因子改变地球–大气系统射入和逸出能量平衡影响程度的一种度量，他同时是一种指数，反映了该因子在潜在气候变化机制中的重要性。

辐射强迫值定义为相对于工业化前（1750年）的差值，并以瓦/平方米（W/m2）为单位表述。气体通过吸收和发射辐射产生直接辐射强迫（Direct RF），即正强迫；另外，由于气体化学反应而影响其他温室气体或颗粒的吸收和发射辐射称之为间接辐射强迫（Indirect FR），即负强迫。正强迫使地球表面变暖，负强迫则使其降冷。目前含溴化物的气体导致地球表面降温作用大于升温；CFCs 和 HCFCs 导致地球表面变暖作用大于降冷；HFCs and PFCs只使地球表面变暖。各卤烃化物相对于工业化前的正强迫和负强迫差值（至2000年），见图1[3]。

2.2 伯尔尼碳循环模型

伯尔尼碳循环模型（Bern Carbon Cycle Model）是被设计用来研究人为的二氧化碳排放量与大气中的二氧化碳浓度间关系，以及前者与在地球的辐射平衡中产生表面温度信号的瞬态响应扰动间关系。伯尔尼的模型于1996年首次被IPCC SAR（Second Assessment Report）定义为CO2情况分析的标准和计算全球变暖潜值的标准。并于2001年出版了Bern碳循环模式的修正版。

图1 各卤烃化物相对于工业化前的正强迫和负强迫差值（至2000年）

3 GWP计算

3.1 单一制冷剂

3.1.1 据1996年版的伯尔尼的模型，GWP的计算

首先，温室气体本身的升温作用依赖于其在大气中的存在时间。如该气体释放到大气中后经过时间L后，其尚存在的部分为原来的l/e，则经过一定的时间t时其尚存在的部分（相对于1kg）可通过式（1）计算[6]：

对于CO2的气体的衰变速率，即CO2的大气寿命，由IPCC SAR建议的式（2）给出 ：

其次，除了气体的大气寿命外，气体的辐射效率，即红外吸收性值（R）也很重要。以CO2为基准，R12和R134a的R值分别为R-CO2=1；R-R12=5740； R-R134a =4130；

升温效果是由物质的气体的衰变速率和各气体辐射效率决定的。升温效果是通过在一定的时间段中的积分来进行：

对于CO2的值也用同样的方式确定。

一化学物质的GWP定义为从开始释放1kg该物质起，一段时间内辐射效应的对时间积分，相对于同条件下释放1kg参考气体（CO2）对应时间积分的比值。故气体的全球变暖潜能值[2]为：

根据碳循环模型、各气体辐射效率和各气体的大气寿命，计算得耗臭氧制冷剂和替代制冷剂对应不同时期的GWP值（见表1）。

表1 耗臭氧制冷剂和替代制冷剂对应不同时期的GWP值（基于IPCC FAR）[1]

3.1.2 据2001年版的伯尔尼的模型，更新的GWP

首先，对于CO2的气体的大气寿命，通过在IPCC AR4建议给出的修正表达式[4]：

式中：a0=0.217，a1=0.259，a2= 0.338，a3= 0.186，τ1= 172.9a，τ2= 18.51a，τ3= 1.186a。

各化学物质的全球变暖潜能值公式为[3]：

式中：TH——计算时的评估期间长度，通常以100a为基准；

ax——1kg气体的辐射效率，W/m2kg；

x(t)——在1kg气体在t=0时间释放到大气后，随时间衰减之后的比例；

ar——1kgCO2的辐射效率，W/m2kg；

r(t)——在1kgCO2在t=0时间释放到大气后，随时间衰减之后的比例。

根据更新的碳循环模型、及最新的各气体辐射效率及气体衰减周期数据，更新了制冷剂的GWP值（见表2）。

表2 耗臭氧制冷剂和替代制冷剂对应不同时期的GWP值（基于IPCC AR4）[4]

3.1.3 小结

1) 温室气体的GWP与以下因素有关：

① 化学物质对于红外线的吸收能力。即相对于CO2的气体辐射效率；

② 各气体在大气中的寿命，即相对于CO2气体的衰变速率。

2) 化学物质的GWP为变量：

① IPCC定义GWP是基于在一个时间线为恒定的背景下，评估微量气体释放对相对辐射产生的影响；

② 随着时间的变化，各气体在大气中的浓度不为定值，以CO2为例，其浓度逐年递增（见表3）[1～4]；

表3 各时期CO2浓度 ppmv

③ CO2在大气中衰减的速率无准确数值，只能根据碳循环模型进行估算（50～200a）；

④ 各气体的红外线吸收量（辐射效率）和其浓度成非线性的关系。以CO2为例子（见图2）。

所以随着未来大气CO2浓度增大，其他气体GWP值也变大。

故在引用GWP于各类学术研究报告时，应标注其数据的来源。可参见表4或日后IPCC出版的评估报告。

表4 单一工质各时期GWP

图2 从冰芯和现代观测资料中得到的CO2浓度变化

3.2 混合制冷剂

3.2.1 替代物混合制冷剂

由于从整体上看，多组分制冷剂能较好地满足多方面的要求，更具有低 GWP、高效、安全、降低转行成本等优点，所以，HFCs类的混合制冷剂，如R404A、R407C和R410A已广泛的成为替代CFC和HCFC制冷剂，应用于各空调制冷系统中。多组分制冷剂的成分见表5。

表5 用于替代HCFC-22的混合制冷剂中各成分（重量混合比*）

3.2.2 混合制冷剂的GWP

在 2008年出版的标准号为 BS EN 3 78-1的英国标准《制冷及热泵系统》第 1册[6]附件 E“Safety Classification and Information about Refrigerants”的表格中罗列了各混合制冷剂的GWP，但在备注中说明该数据是根据IPCC SAR报告中各单一制冷剂的GWP按各混合制冷剂的重量混合比计算而得的。以R404A GWP值为例：以此为参考计算得出各替代混合制冷剂的各时期GWP（见表6）。

表6 混合制冷剂各时期GWP*

3.2.3 小结

单纯地将成分气体的全球变暖潜能值加权计算得出混合制冷剂的GWP是不可取的，原因如下：

1) IPCC 出版的四次报告中均无混合工质的 GWP。即最具权威的国际组织现在还无法定义混合工质GWP的计算方式；

2) 各混合制冷剂的热力循环性能（蒸发压力、冷凝压力、单位制冷量等）数据都不是通过将成分工质的热力学参数简单地加权后计算得出，而是利用各种热力学方程式（工质状态方程、Antoine蒸汽压方程等）详细计算得出的。故反映混合制冷剂生态学信息之一的GWP不可能靠简单数学方程式计算获得。

4 结 语

针对全球变暖潜能值GWP的计算及对相关权威文献内容综合介绍及分析，有如下结论和建议：

1) 衡量温室气体自身对气候变暖影响的GWP不为常数。每年随着温室气体在大气中的浓度，数值将递增；

2) 在引用GWP于各类学术研究报告时，应标注其数据的来源；

3) 期待IPCC能明确定义混合工质GWP的估算方法及数值。

4) 在各规范条款中需明确GWP限制值的引用出处，或及时更新数据。以船舶海事为例，挪威船级社的“CLEAN”环保入级符号要求使用GWP<3500的制冷剂，按IPCC SAR公布的数据估算的R404A允许被使用，但随着R404A GWP逐年递增，导致无法使用。同样问题发生在为了满足使用GWP<2000的制冷剂的各船级社较高环保船级符号要求时，替代R22制冷剂并适用于所有工况（高温(100～0℃)、中温（0～–20℃）、低温（–20～–60℃）的R417A被禁用了。

[1] J.T. Houghton, G.J. Jenkins and J.J. Ephraums. Climate Change 1990: The Intergovernmental Panel on Climate Change Scientific Assessment [R]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 1990：8-17,47-67.

[2] Houghton, J.T., L.G. Meira Filho, J. Bruce, H. Lee, B.A. Callander, E.F. Haites, N. Harris, and K. Maskelll. Climate Change 1994: Radiative Forcing of Climate Change and an Evaluation of the IPCC IS92 Emission Scenarios [R]. USA: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. , 1995：76-124.

[3] Houghton, J.T.,Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [R]. USA: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. ,2001：385-391.

[4] Richard B. Alley, Terje Berntsen, Nathaniel L. Bindoff, Zhenlin Chen, Amnat Chidthaisong. Climate Change 2005 – The Science of Climate Change [R]. USA: the Press Syndicate of the University of Cambridge , 2005: 210-216.

[5] European Standard adopted by UK. BS EN 3 78-1. Refrigerating systems and heat pumps — Safety and environmental Requirements Part 1: Basic requirements, definitions, classification and selection criteria [S]. 2008.

[6] 丁国良. 德国制冷装置CFCs替代方案与TEWI [A]. 上海市制冷学会学术年会论文集. 1997. 153-157.