一種制冷劑綜合性能評(píng)價(jià)方法探討

馬一太，劉忠彥

(天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著制冷空調(diào)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)的增強(qiáng)，制冷劑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)地發(fā)生了變化．當(dāng)前在制冷空調(diào)中大量使用的制冷劑，多為氟氯昂化合物，它們對(duì)環(huán)境有著破壞作用，會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)及臭氧層破壞問題[1]．制冷劑的好壞主要是通過環(huán)境、安全性能和制冷性能兩個(gè)方面來進(jìn)行評(píng)估的，其中環(huán)境、安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：溫室效應(yīng)勢、臭氧層破壞勢、可燃性、毒性等．評(píng)價(jià)的方法為首先通過毒性和可燃性等安全指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，再用ODP、GWP 環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行衡量．然而，這種評(píng)價(jià)方案存在一定的片面性，而且隨著各種相關(guān)的法規(guī)的出臺(tái)，約束會(huì)逐漸增多，會(huì)導(dǎo)致可供選擇的制冷劑越來越少[2-3]．

因此，筆者從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來探索制冷劑的發(fā)展與評(píng)價(jià)，并從制冷劑的自然屬性角度出發(fā)，采用層次分析法，綜合考慮制冷劑性能，提出了一種新的制冷劑評(píng)價(jià)方法——自然度．

1 以制冷劑自然度作為標(biāo)準(zhǔn)制冷劑評(píng)價(jià)的提出

關(guān)于自然度的概念，早在森林系統(tǒng)評(píng)價(jià)中被提了出來，即森林自然度．它是指地段森林在生長過程中的狀態(tài)與森林頂級(jí)狀態(tài)的距離，具體含義包括蓄積結(jié)構(gòu)、總蓄積量、樹種組成等和頂極狀態(tài)的相似程度．以未受干預(yù)或破壞的原始林或頂級(jí)森林為 1 級(jí)，按照偏離這個(gè)原始狀態(tài)的程度依次分為2 級(jí)、3 級(jí)和4 級(jí)，已經(jīng)砍伐殆盡的森林及天然幼林地、火燒跡地和宜林地等為5 級(jí)[4-5]．

借鑒森林自然度的概念，將其應(yīng)用于制冷劑，提出了以制冷劑自然度來評(píng)價(jià)制冷劑的綜合性能．對(duì)于制冷劑自然度，綜合考慮制冷劑的不同物化性質(zhì)，建立可衡量比較的量化指標(biāo)，通過量化計(jì)算將指標(biāo)轉(zhuǎn)化為自然度．

選擇制冷劑的安全性能指標(biāo)即毒性、可燃性，環(huán)保性能指標(biāo)即 ODP、GWP，應(yīng)用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)制冷劑自然度進(jìn)行定性分析與定量計(jì)算．具體的計(jì)算式為

式中：RN 表示制冷劑自然度；λj表示各指標(biāo)的權(quán)重；Bj表示各指標(biāo)自然度評(píng)價(jià)值．

2 制冷劑自然度的計(jì)算

根據(jù)制冷劑自然度的計(jì)算公式，要確定所選指標(biāo)的權(quán)重以及各指標(biāo)的自然度評(píng)價(jià)值．

2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的賦值，有主觀和客觀賦權(quán)兩種方式．主觀賦權(quán)是以評(píng)價(jià)者對(duì)不同指標(biāo)的主觀偏好程度來決定權(quán)重，客觀賦權(quán)是依據(jù)賦值的信息來自于客觀環(huán)境，依據(jù)各個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度或所提供的內(nèi)容來決定指標(biāo)的權(quán)重．對(duì)于主觀賦權(quán)，雖然所得到的指標(biāo)權(quán)重具有較好的合理性，但無法克服主觀隨意偏好較大的缺陷；對(duì)于客觀賦權(quán)，不帶有主觀能動(dòng)，結(jié)果相對(duì)客觀，但有時(shí)得到的權(quán)重可能與實(shí)際程度有差別．

當(dāng)前應(yīng)用較多的用于多方案或多目標(biāo)權(quán)重決策方法為層次分析法[4]．該方法可定性和定量地處理各種決策因素，有靈活、簡捷的優(yōu)點(diǎn)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用．從本質(zhì)上講，它是一種主觀賦權(quán)方法，但它將人的主觀判斷用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行表達(dá)和處理，具有邏輯性、有效性和可靠性．

根據(jù)層次分析法[6-7]，具體計(jì)算過程如下．

步驟 1構(gòu)造指標(biāo)判斷矩陣，將各指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較，根據(jù)它們對(duì)制冷劑自然度的相對(duì)重要性，采用1～9 及其倒數(shù)的標(biāo)度方法，見表1．

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Tab.1 Scale and meaning of judgment matrix

由于各種因素對(duì)環(huán)境和人身安全影響程度不一樣，毒性、可燃性、ODP、GWP 4個(gè)指標(biāo)相互比較，筆者認(rèn)為對(duì)于制冷劑自然度，毒性與可燃性的重要性相同；與對(duì)人身安全的影響相比，認(rèn)為對(duì)整個(gè)環(huán)境的影響更為重要，ODP 比毒性、可燃性稍微重要；GWP比毒性、可燃性明顯重要，具體判斷矩陣見表 2．其中：下標(biāo)toxi 表示毒性；flam 表示可燃性．

表2 指標(biāo)判斷矩陣Tab.2 Index judgment matrix

步驟2計(jì)算特征根(AHP 計(jì)算方法)．

(1) 首先計(jì)算判斷矩陣每一行的乘積，即

(2) 計(jì)算Mi的n次方根，即由此得

(3) 對(duì)向量

(4) 計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax．

由此得

(5) 各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果檢驗(yàn)．

表3 矩陣不同階數(shù)對(duì)應(yīng)的RI值Tab.3 RI corresponding values in different order number of matrix

上述計(jì)算過程中，CI ＝0.006,78，RI ＝0.90，則CR ＝0.007,5＜0.1，所以各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果合理，數(shù)值分別為：λtoxi＝0.11，λflam＝0.11，λODP＝0.30，λGWP＝0.48．

2.2 制冷劑自然度指標(biāo)評(píng)價(jià)值的確定

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)政策，對(duì)制冷劑自然度的各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將其轉(zhuǎn)化為[0，1]之間．對(duì)于毒性、可燃性，根據(jù)制冷劑安全分類標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行賦值；對(duì)于 GWP、ODP，數(shù)值越小，對(duì)自然環(huán)境的影響就小，其自然度評(píng)價(jià)值就越高，再結(jié)合相關(guān)政策法規(guī)，進(jìn)行賦值．

2.2.1 制冷劑指標(biāo)——毒性

對(duì)于毒性的分類，ASHREA34 在國際上是普遍被推薦采用的標(biāo)準(zhǔn)，在 ASHREA34 中根據(jù)慢性毒性將毒性分為兩類，但好的毒性分類應(yīng)該包括慢性毒性和急性毒性指標(biāo)，因此采取 GB,7778—2008[8]的分類準(zhǔn)則，其將制冷劑分為A、B、C 類．

若為A 類制冷劑，認(rèn)為其毒性自然度為0.9；B 類制冷劑，認(rèn)為其毒性自然度為 0.6；C 類制冷劑，認(rèn)為其毒性自然度為0.3．

2.2.2 制冷劑指標(biāo)——可燃性

對(duì)于可燃性，是根據(jù)制冷劑的體積燃燒下限或質(zhì)量燃燒下限以及單位制冷劑燃燒熱量來進(jìn)行分類，在標(biāo)準(zhǔn) BS/EN,378—1[9]中又增加了燃燒速度作為分類指標(biāo)，大于0.1,m/s 為第2 類，不大于 0.1,m/s 的為第2,L 類，第 2,L 類的可燃性低于第 2 類的可燃性．具體分類如下：

第1 組不可燃，在60,℃和101.3 條件下無火焰?zhèn)鞑ィ?/p>

第 2,L 組在 23,℃和 101.3,kPa 條件下，最大燃燒速度小于等于0.10,m/s．

第2 組低可燃，LFL＞3.5%，HOC＜19,000,kJ/kg，且燃燒速度大于0.1,m/s，其中HOC 為燃燒熱．

第 3 組LFL＜3.5%，或 HOC＜19,000,kJ/kg．

若制冷劑為第 1 組，可燃性自然度為 1；第 2,L組，可燃性自然度為 0.7；第 2 組，可燃性自然度為0.4；第3 組，可燃性自然度為0.1．

2.2.3 制冷劑指標(biāo)—ODP

根據(jù)《蒙特利爾議定書》及其修正案，制冷劑R11、R12、R113 等已經(jīng)遭到淘汰，是因?yàn)樗鼈兊腛DP 值較高，對(duì)臭氧層破壞影響較大，一些制冷劑如R22、R123、R141b 也受到了控制，但它們的 ODP 值相對(duì)于R11 等值很?。罱难芯勘砻鳎厍虺粞鯇涌斩淳哂幸欢ǖ淖晕一謴?fù)能力[2]．根據(jù)國家環(huán)保局發(fā)布《消耗臭氧層物質(zhì)(ODS)：替代品推薦目錄(修定)》[10]，推薦的作為可替代制冷劑中，可以應(yīng)用的具有最大 ODP 值的制冷劑為 R141b—0.11．選取按R141b 為制冷劑 ODP 的值的分界線，認(rèn)為大于 0.11的制冷劑對(duì)臭氧層破壞的嚴(yán)重程度為 100%，賦值為0；當(dāng)制冷劑的 ODP 為 0 時(shí)，其對(duì)臭氧層沒有影響，賦值為 1．對(duì) ODP 介于[0，0.11]之間的制冷劑，相對(duì)于 R141b 的臭氧層破壞程度值，進(jìn)行賦值，具體計(jì)算式為

2.2.4 制冷劑自然度指標(biāo)—GWP

賦值過程與 ODP 賦值過程類似．當(dāng)制冷劑GWP＝0，賦值為 1；根據(jù)國家環(huán)保局發(fā)布的《消耗臭氧層物質(zhì)(ODS)：替代品推薦目錄(修定)》[10]，其中推薦可作為替代的制冷劑中最大 GWP 為R507A—3300，認(rèn)為大于 R507A—GWP 制冷劑產(chǎn)生的溫室效應(yīng)的嚴(yán)重程度為 100%，賦值為 0．對(duì)介于[0，3,300]之間的制冷劑，取值相對(duì)于 R507A 產(chǎn)生的溫室效應(yīng)的計(jì)算式為

3 計(jì)算結(jié)果與討論

根據(jù)上述方法，計(jì)算了幾種常用的制冷劑的自然度，表4 給出一些常用制冷劑的自然度和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB,7778—2008 中給出的考慮 ODP、GWP 的制冷劑環(huán)境評(píng)估方法計(jì)算得到的結(jié)果比較．

從表4 可以看出，以自然度為標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法所得到的結(jié)果基本保持一致，但自然度綜合考慮了制冷劑的安全性能和環(huán)保性能的影響.

表4 比較結(jié)果Tab.4 Comparison results

從表 5 中可以看到 R11、R12 自然度較小，說明偏離自然的程度較大，主要是因?yàn)槠?ODP 及 GWP值較高，對(duì)自然環(huán)境的影響較大，如今的相關(guān)議定書及法規(guī)政策已將其列入淘汰的名單．對(duì)于混合物制冷劑自然度，相對(duì)來說較高，但R411a、R507a 比R22的自然度低，這是因?yàn)榕c R22 相比，它們的 ODP 值及 GWP 值較高．從表 5 中還可以看出，自然工質(zhì)的自然度比人工合成工質(zhì)的自然度高出許多，雖然自然工質(zhì)在安全性方面有缺點(diǎn)，如 R290 具有可燃性，R717 具有毒性，但從環(huán)保方面來說，自然工質(zhì)是自然界本身存在的物質(zhì)，其ODP 為零且GWP 很低，對(duì)自然環(huán)境影響很小，排放到環(huán)境中，存在的壽命不是很長，所以自然工質(zhì)應(yīng)該是制冷劑未來大力發(fā)展的方向，這也符合當(dāng)前制冷劑發(fā)展的趨勢．

表5 幾種常用制冷劑的ODP、GWP、安全分類及自然度值Tab.5 ODP，GWP，security classification and naturalness degree value of several regular refrigerants

從表 5 還可以看出，如果單一以 GWP 作為評(píng)價(jià)，給出某一區(qū)間作為限定，超出限定范圍，就不能作為制冷劑，這樣做會(huì)有如下情況．如在限定值左右，較高的 GWP 工質(zhì)的熱力學(xué)性能可能要比較低的工質(zhì)要好，然而不幸的是因?yàn)槌隽讼薅ㄖ狄稽c(diǎn)點(diǎn)，這種整體性能較好的工質(zhì)不在考慮范圍之內(nèi)．再如可燃性，一些整體熱力學(xué)性能較好的碳?xì)浠衔镉捎诳扇夹裕苌俦恢评湎到y(tǒng)作為制冷劑．然而應(yīng)用制冷劑的自然度，綜合考慮并衡量制冷劑的各種性能，就不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)橹评鋭┠骋恍阅懿缓枚獾脚懦猓蝗グl(fā)展并應(yīng)用．如制冷劑R123，雖然其ODP 不為0，但是最近研究表明，地球臭氧層空洞具有一定的自我恢復(fù)功能，因此大氣中是可以承受大氣壽命不長的、少量的、低 ODP 值的制冷劑，而且 R123 的 GWP 相對(duì)很低，熱物理性質(zhì)很好，應(yīng)用制冷劑自然度的評(píng)價(jià)方法下，考慮制冷劑綜合性能，僅因?yàn)槠溆幸欢ǖ艿偷?ODP 而將其淘汰，不考慮其他的性能因素的影響，做出的評(píng)價(jià)是不客觀的．可見，采用制冷劑自然度的評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)制冷劑的性能做出客觀的評(píng)價(jià)．當(dāng)然，本文中所選取的指標(biāo)和賦權(quán)的方法，還需要實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善．

4 結(jié) 語

以自然度為標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法所得到的結(jié)果基本保持一致；然而不同的是，碳?xì)浠衔锏茸匀还べ|(zhì)相對(duì)于合成的氟氯烴化合物自然度較高，并且一些綜合性能均衡的氟氯烴化合物如R134a 等也有較高的自然度；以自然度對(duì)制冷劑進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，綜合考慮制冷劑性能，可避免因某一性質(zhì)不好，而對(duì)制冷劑做出不公正的評(píng)價(jià)．

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