“減碳”目標下制冷空調行業發展方向

許偉東 ，陶文銓

（1-西安交通大學能源與動力學院，陜西西安 710049；2-浙江三花智能控制股份有限公司，浙江紹興 312532）

0 引言

“碳中和”指的是“凈零CO2排放量”，即一定時期內通過人為CO2移除使得全球人為CO2排放量達到平衡。據聯合國政府間氣候變化專門委員會定義，人為排放即人類活動造成的CO2排放，包括化石燃料燃燒、工業過程、農業及土地利用活動排放等。人為移除則是人類從大氣中移除CO2，包括植樹造林增加碳吸收、碳捕集等[1]。碳達峰是指碳排放量由增轉減并持續降低過程中，該轉折點處達到排放的峰值[2]?！皽p碳”是達到碳中和目標的重要過程和措施，有賴于每個行業、每個鏈條的共同努力。具體而言，“減碳”的實現路徑需將供給側和消耗側同步推進，開源節流。從供給側而言，要加大供給側綠色、清潔能源的占比，如將當前以化石能源為主的能源系統向以水電、風電、光電、核電和生物質能構成的低碳能源系統轉變。從能源消耗側而言，電力將會成為未來能源系統的主要供給方式，高效、節能的設備將會是降低能源消耗、減碳的主要方式之一。

制冷空調行業作為國家能源消耗的主要行業之一，在此過程中機遇與挑戰并存。根據中國制冷空調工業協會統計數據顯示，截至2020年底，我國擁有制冷空調企業近1 200家，共創造工業總產值約6 700億元人民幣。其中，工商用制冷空調行業工業總產值約3 400億元，主營業務收入約2 540億元，出口交貨值約320億元，累計利潤總額約180億元[3]。基于本文對行業的分析及對國家“雙碳”政策的解讀，制冷空調企業將更加關注整個生命周期的減碳，實現產品節能減碳、綠色生產減碳、創新應用減碳及環?；厥諟p碳。

1 產品節能減碳

隨著經濟的發展、人口增及生活水平的提高，社會對房間空調器的需求越來越大。根據國家統計局發布的數字[4]，2020年我國空調器市場保有量約6.5億臺，其中城鎮空調器每百戶擁有量為148臺，農村城鎮空調器每百戶擁有量為71臺。根據IEA的預測[5]，從2016年到2050年，房間空調器的市場保有量將從12億臺增加至45億臺。若不采取積極措施提升能效、降低排放，房間空調器的總排放將超過3億噸CO2當量。

2019年國家發展改革委等七部委出臺了《綠色高效制冷行動方案》[6]，提出要大幅提高制冷能效和綠色水平，擴大綠色產品供給的要求。并在政策措施上提出“標準引領、供給升級、促進消費、存量改造和深化國際合作”等5方面內容。方案提出了到2022年及到2030年兩個階段性的節能減排目標，暨以2021年度的能效水平為基準，2022年較2021年的能效水平提升比例為A，2030年較2021年的能效水平提升比例為B，如表1所示。

表1 制冷空調產品的節能目標要求

同時，2030年制冷產品總體能效水平較2021年提升25%；同期大型公共建設空調系統能效提升30%。綠色高效制冷產品市場占有率2022年較2021年提升20%，2030年較2021年提升40%。

產品節能減碳需要從研發階段就引入全生命周期低碳設計理念，從而在材料選擇、制造工藝、工程應用及回收環節挖掘潛力、識別機會。基于這一理念，未來的空調行業將呈現3個特點。

1.1 空調更高效

從國家強制性標準來看，2021年7月1日起，《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[7]緩沖期結束。表明新的家用空調市場能效準入門檻提高，定頻空調在能效分級能效上的優勢消失[8]。但是從以往的銷售實績來看，入門級空調的銷售量超過50%，本次新能效的實施雖將準入門檻有一定程度的提升，基于實現進一步“減碳”的目標考慮，仍有進一步提升的需要。

電子膨脹閥（圖1）在部分負荷及超負荷的工況下可以有效控制制冷劑流量，在提高安全性的同時提升能效。目前韓國、日本市場的房間空調器電子膨脹閥配套比例近乎100%，我國市場目前約為70%，可以預見接下來配套比例將不斷提升。

圖1 電子膨脹閥

1.2 變頻更普及

變頻技術在多聯機、家用空調領域普及率高，但是在冷庫、冷凍冷藏運輸設備和冷柜等方面的應用有限。冷凍冷藏應用較空調應用工作環境更復雜、對于可靠性和售后服務的要求更高。長期以來，我國易腐食品在流通環節中損失嚴重，根據相關數據顯示，果蔬、肉類和水產品冷鏈流通率平均分別為15%、30%和40%。產品腐損率較高，僅果蔬等農品在采摘、運輸和儲存等物流環節高達25%～30%[9]。變頻技術結合電子膨脹閥的應用可以實現快速降溫，運輸過程中的精確控溫，結合IT技術對全過程進行實時監控，在食物保鮮及延長儲存時間方面起到重要的作用。由于核心零部件（壓縮機、電子膨脹閥和控制器等）價格高，導致變頻普及率很低，隨著主要核心零部件廠家在技術方面的不斷突破，價格合理的變頻壓縮機、控制器及低內漏電子膨脹閥都已經推向市場，預計變頻技術將在冷凍冷藏領域得到更普遍的應用。

1.3 制冷劑更環保

2021年6月17日，中國常駐聯合國代表團向聯合國秘書長交存了中國政府接受《〈關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書〉基加利修正案》的接受書。該修正案于2021年9月15日對我國生效[10]。該修正案明確將HFC134、HFC134a、HFC143等18種氫氟碳化物（HFCs）列入受控物質清單。根據《基加利修正案》設定的削減時間表，大部分發達國家將從2019年開始削減HFCs，到2036年在基線水平上削減85%；包括中國在內的絕大部分發展中國家將在2024年對HFCs生產和消費凍結，2029年在基線的水平上削減10%，到2045年削減80%。

鄉村旅游培訓作為成人教育的一種形式，采用工作場所學習的培訓方式，較之課堂集中講授式培訓方式有諸多亮點。首選培訓地點設在具體旅游鄉村，能夠突破鄉村旅游的培訓名額限制，實現鄉村旅游從業者廣泛參與；其次培訓內容因具體鄉村的實際需要而設定，拉近學習內容與學習人的距離，避免產生“空中樓閣”培訓效果。再次培訓方式可以采用理論分析、技能指導、成果展示等多樣化培訓措施，實現培訓與工作并行開展，激發學習人的學習興趣，進而產生學習共鳴。

基加利修正案明確了限制使用的制冷劑清單及不同國家的碳排放削減要求，其中包括目前在國內大量使用的R410A、R32等制冷劑。R32由于其弱可燃性及相對較低的全球變暖潛能值，將在國內空調領域制冷劑過渡階段扮演重要的角色[11]。其它應用領域當前制冷劑產品及未來可能替代物情況可參考表2。目前國外用HFO-1234yf和HFO-1234ze(E)替代R134a作為制冷劑的初步評估已經開始，但于HFO類制冷劑成本較高，且開發和部署新產品需要重大的投資要求，使新一代制冷劑的推廣困難重重。我國作為《蒙特利爾議定書》的第五條款國，按照該2016年基加利修正案的要求，將于2024年之前開展實質性削減HFCs的管控工作[12]。

表2 當前制冷劑產品及未來可能替代物情況

1.4 換熱器更高效

微通道換熱器因其換熱效率高、傳熱系數大、優良的耐壓性能及緊湊的結構已經廣泛應用于商用及家用制冷空調行業，替代傳統銅（鋁）管翅片式換熱器，在社會經濟發展中發揮重要價值。隨著國家“碳達峰”、“碳中和”目標的制定，換熱器的換熱性能提升成為系統能效提升的重要措施，受到整個行業的密切關注。

根據日本JARN雜志及產業在線的數據推算，全球制冷空調設備風冷換熱器規模約在600億元左右。上述市場均為微通道潛在可替換市場，受相關技術及成本方面的影響，目前替代風冷換熱器的比例約為5%，2019年總銷售額約34.64億元[13]。

基加利修正案中沒有列入限制使用的環保制冷劑大部分具有可燃、弱可燃性，空調廠家將更加關注如何降低系統制冷劑的充注量。將微通道換熱器應用在3 HP空調柜機：當只更換室內換熱器時，系統的充注量降低15.9%；當將室內外的管片式換熱器都更換為微通道換熱器后，系統的充注量降低大約54.5%[14]。李峰等[15]研究表明，對相同的迎風面積，新型微通道樣件的內容積比傳統微通道樣件內容積降低了71%，系統充注量降低28.3%，在降充注方面優勢明顯。微通道換熱器（圖2）由于其緊湊的結構及高換熱性能，可以大幅度降低制冷劑充注量，將會在更多的領域被廣泛使用。

圖2 微通道換熱器

“減碳”將成為微通道技術和產品普及的重要推手。北美市場有望在2025年用量翻番，市場規模將會從20億元增長至40億元，主要取決于微通道在蒸發器方面的技術突破，從而替換現在的銅管翅片換熱器市場。全球微通道市場預計2025年將達到60億元，市場份額達到10%；2030年有望超過100億，占風冷換熱器市場的20%左右。

2 綠色生產減碳

綠色生產包含材料選擇、制造工藝、工程應用及可回收性等方面的綜合考慮。材料方面，不銹鋼由于其更高的抗拉強度、更好的耐腐蝕性、更長的使用壽命、更低廉的價格及更環保的焊接方式，將在流體控制元器件上替代一部分銅。目前不銹鋼四通閥和球閥等產品已經大批量應用于制冷空調市場，其中不銹鋼四通閥的銷售規模超過1 000萬只。工藝方面，激光焊接由于其速度快、深度大、變形小和工藝環保等特點，應用領域將進一步拓展。在實際工程安裝過程中，免焊接的連接器（圖3）將成為一種趨勢。一方面由于其便捷性，省去焊接的復雜作業；另一方面對于未來可燃制冷劑，安全性會大幅提升。

圖3 免焊接的連接器[16]

在實現綠色工廠的過程中，智慧能源管理平臺將發揮重要的作用，可以有效降低成本、能源消耗及碳排放。以三花智能控制股份有限公司家用業務單元為例，天然氣、電力、熱能和空壓機等大型耗電設備全部通過智慧能源平臺進行管理，所有數據可實時監測。通過對監測數據的深入分析，發現并落實改善工作，從而對整個工廠的能源的合理分配、清潔能源（主要是光伏發電）的有效利用、空調設備的余熱回收、大型耗電設備的高效管理，實現了單位產值能耗的明顯降低，也實現了單位產值碳排放的大幅度降低。

行業內其它公司，如海爾同樣在能源智慧管理平臺及綠色工廠建設方面成績斐然，其智慧能源中心擁有強大的數據支撐：在全國擁有15個工業園區和55家互聯工廠。其應用達到563個場景，擁有60公里光纖和約3 000 km線纜，連接10萬多臺現地計量儀表和變壓器、開關柜、空壓機和水泵等設備[17]。建議整個行業成立一個促進交流和討論的平臺，加快行業向綠色工廠轉型升級。

3 技術升級減碳

“碳中和”目標某種程度上也在倒逼行業技術升級、思考更有效的解決方案，主要體現在冷熱一體、冷鏈升級和冷庫改造三個方面。

3.1 冷熱一體

目前大部分空氣源空調熱泵機組，其室外機一般會采用風冷換熱器，沒有安裝冷熱回收裝置，某種程度上也是一種“浪費”。由于制冷系統的兩端同時產生冷源或熱源，冷熱同時利用可以實現能源利用的最大化，將會成為未來的發展趨勢。諸如冷庫機組、空氣源冷熱水機組和機房空調等，如何同時高效利用兩側的能量是進一步研究的關鍵。

3.2 冷鏈升級

冷鏈物流是以冷凍及冷藏技術為基礎、制冷技術為措施，使物品在流通中各環節（生產、存儲、運輸和銷售）始終處于適宜的低溫環境下的食品冷藏運輸技術。冷鏈物流的目的是保證冷鏈物品質量，減少冷鏈物品損耗[18]。冷鏈物流行業貫穿第一產業、第二產業和第三產業，有效銜接鄉村振興、促進消費升級的重要產業。根據相關數據顯示，2020年整體市場規模超4 000 億元。2015—2020年國內市場規模持續增長，其年均復合增長率約為17%[19]。

國務院辦公廳發布《關于加快發展冷鏈物流保障食品安全促進消費升級的意見》，提出了行業中長期發展規劃，鼓勵企業向國際看齊，使用安全環保節能的制冷劑和制冷工藝，發展新型蓄冷材料，采用先進的節能和蓄能設備，加速淘汰不規范、高能耗的冷庫和冷藏運輸車輛等。

3.3 冷庫改造

冷庫行業一直是我國在節能方面管理相對薄弱的應用環節，從冷庫設備生產企業競爭力看，市場集中度不高，存在“小而散、缺專人和缺資金”等問題[19]。中小型冷庫因其施工標準不統一，安裝人員缺乏專業的培訓和指導，很多老舊制冷設備成為耗能大戶。隨著以變頻壓縮機、電子膨脹閥為代表的核心零部件技術不斷突破，節能技術將廣泛應用于新建冷凍冷藏設備，很多高能耗的老舊設備也將迎來升級換代的高峰。

4 循環利用減碳

環?；厥瞻▋蓚€層面的內容：1）選材方面關注回收處理方法簡單、回收價值高的材料，從而達到資源消耗最低、環境污染最小的目的；2）在制冷空調設備的維修及更換方面，要特別關注制冷劑的回收利用或環保處理。據了解，目前在設備維修及更換過程中，絕大多的操作都將系統中制冷劑直接排放到空氣中。這是目前在設備全生命周期中碳排放較高的環節，該方面的改善有賴于國家及行業層面出臺相關的技術規范，并對從事該工作的人員進行專門的培訓。中國循環經濟協會于2020年12月批準發布《廢棄電器電子產品制冷劑回收技術規范》（T/CACE 023—2020）[20]、《廢棄電冰箱處理技術規范》（T/CACE 024—2020）兩項團體標準[21]，可以作為技術規范參考執行。

5 減碳過程中新的機遇

5.1 熱泵熱水器采暖

熱泵作為高效清潔供熱的有效手段，在民用、工業方面發揮了越來越重要的作用。近20多年來各類熱泵技術和產品得到了創新發展和廣泛應用；近年來，隨著壓縮機低溫制熱技術的不斷突破，其應用范圍不斷拓展。隨著國家“雙碳”目標的制定和具體工作的啟動，在能源供給側的清潔能源電力必將大幅度提升，在需求側“熱能”仍是比重最大的能源形式。作為連接電能和熱能的高效能量轉換技術，熱泵技術必將成為熱能供應的核心技術[22-26]。隨著消費者對于生活質量及舒適性的高要求，地暖的市場占有率在不斷提升，目前最大比例為傳統的室內暖氣片供暖。傳統的供暖系統主要使用燃煤對鍋爐內的水進行加熱并分布至不同的供熱單元，大量的燃煤消耗是導致霧霾及高碳排放的主要原因之一。隨著國家對于北方冬季采暖的清潔性、環保性的要求不斷提高，熱泵熱水機組作為冬天熱水加熱的高效設備，近年來在北方廣泛應用。通過熱泵供暖代替天然氣供暖、燃煤供暖，在提升效率的基礎上，更可以大幅降低對化石能源的消耗。

根據JARN的最新數據[27]，2020年初受新型冠狀病毒影響，大部分熱泵熱水器工廠處于停工狀態。隨著疫情得到一定程度的控制，熱泵熱水器的主要生產及消費國家（包括中國、歐洲和日本等）的生產迅速恢復到2020年之前的水平。從2020年全年來看，生產數量達到328萬臺，同比2019年度下降4.1%。主要生產國中國同比下降9.7%，其它國家都有一定程度的上升，其中歐洲同比增長8.2%，日本同比增長2.9%，美國同比增長2.1%。截至2020年底，歐洲目前熱泵熱水器市場保有量達到66.9萬臺，其中法國、德國和意大利占比約為65.2%。JARN預測的歐洲國家供熱方式的變化如圖5所示。

圖5 2020—2030年歐洲家用供熱方式變化情況

根據IEA（International Energy Agency）發布的ETP（Energy Technologies Perspectives）預測，到2030年，市場保有量將達到目前的3倍，到2040年熱泵熱水器將成為主流建筑供暖及制冷設備[28]。

5.2 電動汽車

交通領域用能是能源消耗重要的組成部分之一，交通領域實現降低碳排放最主要的途徑是電氣化。有數據顯示到2025年我國新生產的轎車滲透率將達到20%，到2035年將主要生產電動轎車[29]。電動轎車電池冷卻、電控系統冷卻、電驅系統冷卻和乘客艙冷卻將帶來汽車熱管理領域大量的業務機會。大量的充電樁會建設起來，充電樁冷卻市場同樣巨大。余熱利用熱泵系統與電加熱相比，根據不同的駕駛工況，可增加13%～15%的續航里程數[30]。

5.3 風力發電變流器冷卻

海上風電起源于歐洲，目前在國內沿海地區有一定程度應用，預計接下來將迎來快速發展期。風電變流器發熱量大，工作環境多為高溫、高濕。目前10 kW以下設備變流器使用傳統風冷散熱及熱虹吸冷卻散熱技術較多；對于10 kW以上的設備，圖7所示壓縮機氟泵雙循環冷卻散熱技術（圖6）[31]有望得到廣泛應用。

圖6 氟泵雙循環原理[30]

5.4 數據中心冷卻

隨著社會經濟和科技的發展，數據中心等高熱流密度空間迅速增加。據中國信息通信研究院公開數據，2018年中國數據中心用電量為630×108kW·h，約占中國總用電量的0.9%，其中制冷能耗占總用電量的30%以上。目前全球規模數據中心的數量已經超過42萬個，能耗已經約占全球發電量的3%[32]。根據美國市場研究和咨詢公司[33]的研究，2018年度數據中心的全球制冷市場規模為86億美金，到2025年將保持每年13.5%的增長。除了采用液體冷卻技術外，高效冷源是數據中心節能的主要方向，與清潔能源發電相結合的全年運行冷水機組將會成為實現高效冷卻的主要途徑之一。

目前，許多數據中心正進行氟泵節能改造。上海建科節能技術有限公司選取某數據中心經過加裝氟泵節能改造后的3臺空調，進行節能改造效果測試，通過比較運行參數、運行效率等數據，得出在相同工況下氟泵空調的節能率。測試結果顯示，當前工程的氟泵全年節能率約為20%，氟泵模式下，室外氣溫越低節能效果越好[34]。

6 結論

本文研究了“減碳”對制冷空調行業的未來發展方向，從產品節能、綠色工廠、技術升級及循環利用等四方面展開論述；分析了減碳對能效提升、節能減排技術普及、環保制冷劑的替代進程的推動作用，得出如下結論：

1）減碳對制冷空調行業挑戰與機遇并存，從中長期的角度來看，有利于行業的良性發展；

2）微通道換熱器由于其在換熱效率、降低充注量及緊湊結構等方面的優勢，其市場規模將會高速成長，預計2025年將達到60億元，較2020年增長1倍，其在風冷換熱器市場份額達到10%；2030年有望超過100億，其在風冷換熱器市場份額達到20%左右；

3）制冷劑的切換進程將進一步加速，尤其是R32，在2025年將成為房間空調器、單元機、小型冷水機組及多聯機的主流使用制冷劑；其它環保制冷劑如R290、CO2等也分別會在小型及大型冷凍冷藏設備得到廣泛應用；

4）熱泵熱水器將成為全球范圍內冬季采暖主要的產品之一；其市場在2025年將超過1 000萬臺，為2020年市場規模的3倍；2040年將成為主流的建筑供暖及制冷產品；

5）數據中心冷卻業務將成為巨大的增量市場，未來10年將保持每年超過10%的增長，預計2025年市場規模達到200億元，2030年將達到400億元，成為繼房間空調器、多聯機后，制冷空調領域第三大應用市場；

6）電動汽車當前滲透率已達10%，預計2025年將超過20%。在汽車熱管理領域，熱泵技術將得到廣泛應用，市場潛力巨大。