一种制冷剂综合性能评价方法探讨

马一太，刘忠彦

(天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072)

随着制冷空调相关技术的进步和人们对环境保护认识的增强，制冷剂的评价标准也相应地发生了变化．当前在制冷空调中大量使用的制冷剂，多为氟氯昂化合物，它们对环境有着破坏作用，会产生温室效应及臭氧层破坏问题[1]．制冷剂的好坏主要是通过环境、安全性能和制冷性能两个方面来进行评估的，其中环境、安全性能评价指标主要包括：温室效应势、臭氧层破坏势、可燃性、毒性等．评价的方法为首先通过毒性和可燃性等安全指标进行评估，再用ODP、GWP 环境指标进行衡量．然而，这种评价方案存在一定的片面性，而且随着各种相关的法规的出台，约束会逐渐增多，会导致可供选择的制冷剂越来越少[2-3]．

因此，笔者从可持续发展的观点来探索制冷剂的发展与评价，并从制冷剂的自然属性角度出发，采用层次分析法，综合考虑制冷剂性能，提出了一种新的制冷剂评价方法——自然度．

1 以制冷剂自然度作为标准制冷剂评价的提出

关于自然度的概念，早在森林系统评价中被提了出来，即森林自然度．它是指地段森林在生长过程中的状态与森林顶级状态的距离，具体含义包括蓄积结构、总蓄积量、树种组成等和顶极状态的相似程度．以未受干预或破坏的原始林或顶级森林为 1 级，按照偏离这个原始状态的程度依次分为2 级、3 级和4 级，已经砍伐殆尽的森林及天然幼林地、火烧迹地和宜林地等为5 级[4-5]．

借鉴森林自然度的概念，将其应用于制冷剂，提出了以制冷剂自然度来评价制冷剂的综合性能．对于制冷剂自然度，综合考虑制冷剂的不同物化性质，建立可衡量比较的量化指标，通过量化计算将指标转化为自然度．

选择制冷剂的安全性能指标即毒性、可燃性，环保性能指标即 ODP、GWP，应用层次分析法计算各指标的权重系数，对制冷剂自然度进行定性分析与定量计算．具体的计算式为

式中：RN 表示制冷剂自然度；λj表示各指标的权重；Bj表示各指标自然度评价值．

2 制冷剂自然度的计算

根据制冷剂自然度的计算公式，要确定所选指标的权重以及各指标的自然度评价值．

2.1 指标权重的确定

对于指标权重的赋值，有主观和客观赋权两种方式．主观赋权是以评价者对不同指标的主观偏好程度来决定权重，客观赋权是依据赋值的信息来自于客观环境，依据各个指标的关联程度或所提供的内容来决定指标的权重．对于主观赋权，虽然所得到的指标权重具有较好的合理性，但无法克服主观随意偏好较大的缺陷；对于客观赋权，不带有主观能动，结果相对客观，但有时得到的权重可能与实际程度有差别．

当前应用较多的用于多方案或多目标权重决策方法为层次分析法[4]．该方法可定性和定量地处理各种决策因素，有灵活、简捷的优点，在社会经济等多个领域内得到了广泛的应用．从本质上讲，它是一种主观赋权方法，但它将人的主观判断用数学方法进行表达和处理，具有逻辑性、有效性和可靠性．

根据层次分析法[6-7]，具体计算过程如下．

步骤 1构造指标判断矩阵，将各指标两两进行比较，根据它们对制冷剂自然度的相对重要性，采用1～9 及其倒数的标度方法，见表1．

表1 判断矩阵标度及其含义Tab.1 Scale and meaning of judgment matrix

由于各种因素对环境和人身安全影响程度不一样，毒性、可燃性、ODP、GWP 4个指标相互比较，笔者认为对于制冷剂自然度，毒性与可燃性的重要性相同；与对人身安全的影响相比，认为对整个环境的影响更为重要，ODP 比毒性、可燃性稍微重要；GWP比毒性、可燃性明显重要，具体判断矩阵见表 2．其中：下标toxi 表示毒性；flam 表示可燃性．

表2 指标判断矩阵Tab.2 Index judgment matrix

步骤2计算特征根(AHP 计算方法)．

(1) 首先计算判断矩阵每一行的乘积，即

(2) 计算Mi的n次方根，即由此得

(3) 对向量

(4) 计算判断矩阵的最大特征根λmax．

由此得

(5) 各指标权重结果检验．

表3 矩阵不同阶数对应的RI值Tab.3 RI corresponding values in different order number of matrix

上述计算过程中，CI ＝0.006,78，RI ＝0.90，则CR ＝0.007,5＜0.1，所以各指标权重结果合理，数值分别为：λtoxi＝0.11，λflam＝0.11，λODP＝0.30，λGWP＝0.48．

2.2 制冷剂自然度指标评价值的确定

根据相关标准及法规政策，对制冷剂自然度的各指标进行标准化处理，将其转化为[0，1]之间．对于毒性、可燃性，根据制冷剂安全分类标准，进行赋值；对于 GWP、ODP，数值越小，对自然环境的影响就小，其自然度评价值就越高，再结合相关政策法规，进行赋值．

2.2.1 制冷剂指标——毒性

对于毒性的分类，ASHREA34 在国际上是普遍被推荐采用的标准，在 ASHREA34 中根据慢性毒性将毒性分为两类，但好的毒性分类应该包括慢性毒性和急性毒性指标，因此采取 GB,7778—2008[8]的分类准则，其将制冷剂分为A、B、C 类．

若为A 类制冷剂，认为其毒性自然度为0.9；B 类制冷剂，认为其毒性自然度为 0.6；C 类制冷剂，认为其毒性自然度为0.3．

2.2.2 制冷剂指标——可燃性

对于可燃性，是根据制冷剂的体积燃烧下限或质量燃烧下限以及单位制冷剂燃烧热量来进行分类，在标准 BS/EN,378—1[9]中又增加了燃烧速度作为分类指标，大于0.1,m/s 为第2 类，不大于 0.1,m/s 的为第2,L 类，第 2,L 类的可燃性低于第 2 类的可燃性．具体分类如下：

第1 组不可燃，在60,℃和101.3 条件下无火焰传播．

第 2,L 组在 23,℃和 101.3,kPa 条件下，最大燃烧速度小于等于0.10,m/s．

第2 组低可燃，LFL＞3.5%，HOC＜19,000,kJ/kg，且燃烧速度大于0.1,m/s，其中HOC 为燃烧热．

第 3 组LFL＜3.5%，或 HOC＜19,000,kJ/kg．

若制冷剂为第 1 组，可燃性自然度为 1；第 2,L组，可燃性自然度为 0.7；第 2 组，可燃性自然度为0.4；第3 组，可燃性自然度为0.1．

2.2.3 制冷剂指标—ODP

根据《蒙特利尔议定书》及其修正案，制冷剂R11、R12、R113 等已经遭到淘汰，是因为它们的ODP 值较高，对臭氧层破坏影响较大，一些制冷剂如R22、R123、R141b 也受到了控制，但它们的 ODP 值相对于R11 等值很小．最近的研究表明，地球臭氧层空洞具有一定的自我恢复能力[2]．根据国家环保局发布《消耗臭氧层物质(ODS)：替代品推荐目录(修定)》[10]，推荐的作为可替代制冷剂中，可以应用的具有最大 ODP 值的制冷剂为 R141b—0.11．选取按R141b 为制冷剂 ODP 的值的分界线，认为大于 0.11的制冷剂对臭氧层破坏的严重程度为 100%，赋值为0；当制冷剂的 ODP 为 0 时，其对臭氧层没有影响，赋值为 1．对 ODP 介于[0，0.11]之间的制冷剂，相对于 R141b 的臭氧层破坏程度值，进行赋值，具体计算式为

2.2.4 制冷剂自然度指标—GWP

赋值过程与 ODP 赋值过程类似．当制冷剂GWP＝0，赋值为 1；根据国家环保局发布的《消耗臭氧层物质(ODS)：替代品推荐目录(修定)》[10]，其中推荐可作为替代的制冷剂中最大 GWP 为R507A—3300，认为大于 R507A—GWP 制冷剂产生的温室效应的严重程度为 100%，赋值为 0．对介于[0，3,300]之间的制冷剂，取值相对于 R507A 产生的温室效应的计算式为

3 计算结果与讨论

根据上述方法，计算了几种常用的制冷剂的自然度，表4 给出一些常用制冷剂的自然度和应用标准GB,7778—2008 中给出的考虑 ODP、GWP 的制冷剂环境评估方法计算得到的结果比较．

从表4 可以看出，以自然度为标准的评价方法与传统的评价方法所得到的结果基本保持一致，但自然度综合考虑了制冷剂的安全性能和环保性能的影响.

表4 比较结果Tab.4 Comparison results

从表 5 中可以看到 R11、R12 自然度较小，说明偏离自然的程度较大，主要是因为其 ODP 及 GWP值较高，对自然环境的影响较大，如今的相关议定书及法规政策已将其列入淘汰的名单．对于混合物制冷剂自然度，相对来说较高，但R411a、R507a 比R22的自然度低，这是因为与 R22 相比，它们的 ODP 值及 GWP 值较高．从表 5 中还可以看出，自然工质的自然度比人工合成工质的自然度高出许多，虽然自然工质在安全性方面有缺点，如 R290 具有可燃性，R717 具有毒性，但从环保方面来说，自然工质是自然界本身存在的物质，其ODP 为零且GWP 很低，对自然环境影响很小，排放到环境中，存在的寿命不是很长，所以自然工质应该是制冷剂未来大力发展的方向，这也符合当前制冷剂发展的趋势．

表5 几种常用制冷剂的ODP、GWP、安全分类及自然度值Tab.5 ODP，GWP，security classification and naturalness degree value of several regular refrigerants

从表 5 还可以看出，如果单一以 GWP 作为评价，给出某一区间作为限定，超出限定范围，就不能作为制冷剂，这样做会有如下情况．如在限定值左右，较高的 GWP 工质的热力学性能可能要比较低的工质要好，然而不幸的是因为超出了限定值一点点，这种整体性能较好的工质不在考虑范围之内．再如可燃性，一些整体热力学性能较好的碳氢化合物由于可燃性，很少被制冷系统作为制冷剂．然而应用制冷剂的自然度，综合考虑并衡量制冷剂的各种性能，就不会出现因为制冷剂某一性能不好而遭到排斥，不去发展并应用．如制冷剂R123，虽然其ODP 不为0，但是最近研究表明，地球臭氧层空洞具有一定的自我恢复功能，因此大气中是可以承受大气寿命不长的、少量的、低 ODP 值的制冷剂，而且 R123 的 GWP 相对很低，热物理性质很好，应用制冷剂自然度的评价方法下，考虑制冷剂综合性能，仅因为其有一定但很低的 ODP 而将其淘汰，不考虑其他的性能因素的影响，做出的评价是不客观的．可见，采用制冷剂自然度的评价方法，可以对制冷剂的性能做出客观的评价．当然，本文中所选取的指标和赋权的方法，还需要实际调研数据进一步完善．

4 结 语

以自然度为标准的评价方法与传统的评价方法所得到的结果基本保持一致；然而不同的是，碳氢化合物等自然工质相对于合成的氟氯烃化合物自然度较高，并且一些综合性能均衡的氟氯烃化合物如R134a 等也有较高的自然度；以自然度对制冷剂进行性能评价，综合考虑制冷剂性能，可避免因某一性质不好，而对制冷剂做出不公正的评价．

［1］James M C. The next generation of refrigerants —Historical review，considerations，and outlook[J].International Congress of Refrigeration，2007，31(7)：1123-1133.

［2］马一太，安青松. 以自然度为基准的制冷剂新的环保性能评价标准探讨[J]. 制冷与空调，2009，39(5)：89-92.Ma Yitai，An Qingsong. Evaluation criterion of refrigerant environmental performance based on natural degree[J].Heating Ventilating and Air Conditioning，2009，39(5)：89-92(in Chinese).

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［10］国家环境保护总局. 消耗臭氧层物质(ODS)：替代品推荐目录(修订)[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/2a60fcfc910ef12d2af9e7e0.html，2007-05-28.State Environmental Protection Administration. The Ozone Depleting Substances(ODS)：Substitute Recommend Directory(Revision)[EB/OL].http: //wenku.baidu. com/view/2a60fcfc910ef12d2af9e7e0.html,2007-05-28 (in Chinese).