“减碳”目标下制冷空调行业发展方向

许伟东 ，陶文铨

（1-西安交通大学能源与动力学院，陕西西安 710049；2-浙江三花智能控制股份有限公司，浙江绍兴 312532）

0 引言

“碳中和”指的是“净零CO2排放量”，即一定时期内通过人为CO2移除使得全球人为CO2排放量达到平衡。据联合国政府间气候变化专门委员会定义，人为排放即人类活动造成的CO2排放，包括化石燃料燃烧、工业过程、农业及土地利用活动排放等。人为移除则是人类从大气中移除CO2，包括植树造林增加碳吸收、碳捕集等[1]。碳达峰是指碳排放量由增转减并持续降低过程中，该转折点处达到排放的峰值[2]。“减碳”是达到碳中和目标的重要过程和措施，有赖于每个行业、每个链条的共同努力。具体而言，“减碳”的实现路径需将供给侧和消耗侧同步推进，开源节流。从供给侧而言，要加大供给侧绿色、清洁能源的占比，如将当前以化石能源为主的能源系统向以水电、风电、光电、核电和生物质能构成的低碳能源系统转变。从能源消耗侧而言，电力将会成为未来能源系统的主要供给方式，高效、节能的设备将会是降低能源消耗、减碳的主要方式之一。

制冷空调行业作为国家能源消耗的主要行业之一，在此过程中机遇与挑战并存。根据中国制冷空调工业协会统计数据显示，截至2020年底，我国拥有制冷空调企业近1 200家，共创造工业总产值约6 700亿元人民币。其中，工商用制冷空调行业工业总产值约3 400亿元，主营业务收入约2 540亿元，出口交货值约320亿元，累计利润总额约180亿元[3]。基于本文对行业的分析及对国家“双碳”政策的解读，制冷空调企业将更加关注整个生命周期的减碳，实现产品节能减碳、绿色生产减碳、创新应用减碳及环保回收减碳。

1 产品节能减碳

随着经济的发展、人口增及生活水平的提高，社会对房间空调器的需求越来越大。根据国家统计局发布的数字[4]，2020年我国空调器市场保有量约6.5亿台，其中城镇空调器每百户拥有量为148台，农村城镇空调器每百户拥有量为71台。根据IEA的预测[5]，从2016年到2050年，房间空调器的市场保有量将从12亿台增加至45亿台。若不采取积极措施提升能效、降低排放，房间空调器的总排放将超过3亿吨CO2当量。

2019年国家发展改革委等七部委出台了《绿色高效制冷行动方案》[6]，提出要大幅提高制冷能效和绿色水平，扩大绿色产品供给的要求。并在政策措施上提出“标准引领、供给升级、促进消费、存量改造和深化国际合作”等5方面内容。方案提出了到2022年及到2030年两个阶段性的节能减排目标，暨以2021年度的能效水平为基准，2022年较2021年的能效水平提升比例为A，2030年较2021年的能效水平提升比例为B，如表1所示。

表1 制冷空调产品的节能目标要求

同时，2030年制冷产品总体能效水平较2021年提升25%；同期大型公共建设空调系统能效提升30%。绿色高效制冷产品市场占有率2022年较2021年提升20%，2030年较2021年提升40%。

产品节能减碳需要从研发阶段就引入全生命周期低碳设计理念，从而在材料选择、制造工艺、工程应用及回收环节挖掘潜力、识别机会。基于这一理念，未来的空调行业将呈现3个特点。

1.1 空调更高效

从国家强制性标准来看，2021年7月1日起，《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[7]缓冲期结束。表明新的家用空调市场能效准入门槛提高，定频空调在能效分级能效上的优势消失[8]。但是从以往的销售实绩来看，入门级空调的销售量超过50%，本次新能效的实施虽将准入门槛有一定程度的提升，基于实现进一步“减碳”的目标考虑，仍有进一步提升的需要。

电子膨胀阀（图1）在部分负荷及超负荷的工况下可以有效控制制冷剂流量，在提高安全性的同时提升能效。目前韩国、日本市场的房间空调器电子膨胀阀配套比例近乎100%，我国市场目前约为70%，可以预见接下来配套比例将不断提升。

图1 电子膨胀阀

1.2 变频更普及

变频技术在多联机、家用空调领域普及率高，但是在冷库、冷冻冷藏运输设备和冷柜等方面的应用有限。冷冻冷藏应用较空调应用工作环境更复杂、对于可靠性和售后服务的要求更高。长期以来，我国易腐食品在流通环节中损失严重，根据相关数据显示，果蔬、肉类和水产品冷链流通率平均分别为15%、30%和40%。产品腐损率较高，仅果蔬等农品在采摘、运输和储存等物流环节高达25%～30%[9]。变频技术结合电子膨胀阀的应用可以实现快速降温，运输过程中的精确控温，结合IT技术对全过程进行实时监控，在食物保鲜及延长储存时间方面起到重要的作用。由于核心零部件（压缩机、电子膨胀阀和控制器等）价格高，导致变频普及率很低，随着主要核心零部件厂家在技术方面的不断突破，价格合理的变频压缩机、控制器及低内漏电子膨胀阀都已经推向市场，预计变频技术将在冷冻冷藏领域得到更普遍的应用。

1.3 制冷剂更环保

2021年6月17日，中国常驻联合国代表团向联合国秘书长交存了中国政府接受《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》的接受书。该修正案于2021年9月15日对我国生效[10]。该修正案明确将HFC134、HFC134a、HFC143等18种氢氟碳化物（HFCs）列入受控物质清单。根据《基加利修正案》设定的削减时间表，大部分发达国家将从2019年开始削减HFCs，到2036年在基线水平上削减85%；包括中国在内的绝大部分发展中国家将在2024年对HFCs生产和消费冻结，2029年在基线的水平上削减10%，到2045年削减80%。

乡村旅游培训作为成人教育的一种形式，采用工作场所学习的培训方式，较之课堂集中讲授式培训方式有诸多亮点。首选培训地点设在具体旅游乡村，能够突破乡村旅游的培训名额限制，实现乡村旅游从业者广泛参与；其次培训内容因具体乡村的实际需要而设定，拉近学习内容与学习人的距离，避免产生“空中楼阁”培训效果。再次培训方式可以采用理论分析、技能指导、成果展示等多样化培训措施，实现培训与工作并行开展，激发学习人的学习兴趣，进而产生学习共鸣。

基加利修正案明确了限制使用的制冷剂清单及不同国家的碳排放削减要求，其中包括目前在国内大量使用的R410A、R32等制冷剂。R32由于其弱可燃性及相对较低的全球变暖潜能值，将在国内空调领域制冷剂过渡阶段扮演重要的角色[11]。其它应用领域当前制冷剂产品及未来可能替代物情况可参考表2。目前国外用HFO-1234yf和HFO-1234ze(E)替代R134a作为制冷剂的初步评估已经开始，但于HFO类制冷剂成本较高，且开发和部署新产品需要重大的投资要求，使新一代制冷剂的推广困难重重。我国作为《蒙特利尔议定书》的第五条款国，按照该2016年基加利修正案的要求，将于2024年之前开展实质性削减HFCs的管控工作[12]。

表2 当前制冷剂产品及未来可能替代物情况

1.4 换热器更高效

微通道换热器因其换热效率高、传热系数大、优良的耐压性能及紧凑的结构已经广泛应用于商用及家用制冷空调行业，替代传统铜（铝）管翅片式换热器，在社会经济发展中发挥重要价值。随着国家“碳达峰”、“碳中和”目标的制定，换热器的换热性能提升成为系统能效提升的重要措施，受到整个行业的密切关注。

根据日本JARN杂志及产业在线的数据推算，全球制冷空调设备风冷换热器规模约在600亿元左右。上述市场均为微通道潜在可替换市场，受相关技术及成本方面的影响，目前替代风冷换热器的比例约为5%，2019年总销售额约34.64亿元[13]。

基加利修正案中没有列入限制使用的环保制冷剂大部分具有可燃、弱可燃性，空调厂家将更加关注如何降低系统制冷剂的充注量。将微通道换热器应用在3 HP空调柜机：当只更换室内换热器时，系统的充注量降低15.9%；当将室内外的管片式换热器都更换为微通道换热器后，系统的充注量降低大约54.5%[14]。李峰等[15]研究表明，对相同的迎风面积，新型微通道样件的内容积比传统微通道样件内容积降低了71%，系统充注量降低28.3%，在降充注方面优势明显。微通道换热器（图2）由于其紧凑的结构及高换热性能，可以大幅度降低制冷剂充注量，将会在更多的领域被广泛使用。

图2 微通道换热器

“减碳”将成为微通道技术和产品普及的重要推手。北美市场有望在2025年用量翻番，市场规模将会从20亿元增长至40亿元，主要取决于微通道在蒸发器方面的技术突破，从而替换现在的铜管翅片换热器市场。全球微通道市场预计2025年将达到60亿元，市场份额达到10%；2030年有望超过100亿，占风冷换热器市场的20%左右。

2 绿色生产减碳

绿色生产包含材料选择、制造工艺、工程应用及可回收性等方面的综合考虑。材料方面，不锈钢由于其更高的抗拉强度、更好的耐腐蚀性、更长的使用寿命、更低廉的价格及更环保的焊接方式，将在流体控制元器件上替代一部分铜。目前不锈钢四通阀和球阀等产品已经大批量应用于制冷空调市场，其中不锈钢四通阀的销售规模超过1 000万只。工艺方面，激光焊接由于其速度快、深度大、变形小和工艺环保等特点，应用领域将进一步拓展。在实际工程安装过程中，免焊接的连接器（图3）将成为一种趋势。一方面由于其便捷性，省去焊接的复杂作业；另一方面对于未来可燃制冷剂，安全性会大幅提升。

图3 免焊接的连接器[16]

在实现绿色工厂的过程中，智慧能源管理平台将发挥重要的作用，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业务单元为例，天然气、电力、热能和空压机等大型耗电设备全部通过智慧能源平台进行管理，所有数据可实时监测。通过对监测数据的深入分析，发现并落实改善工作，从而对整个工厂的能源的合理分配、清洁能源（主要是光伏发电）的有效利用、空调设备的余热回收、大型耗电设备的高效管理，实现了单位产值能耗的明显降低，也实现了单位产值碳排放的大幅度降低。

行业内其它公司，如海尔同样在能源智慧管理平台及绿色工厂建设方面成绩斐然，其智慧能源中心拥有强大的数据支撑：在全国拥有15个工业园区和55家互联工厂。其应用达到563个场景，拥有60公里光纤和约3 000 km线缆，连接10万多台现地计量仪表和变压器、开关柜、空压机和水泵等设备[17]。建议整个行业成立一个促进交流和讨论的平台，加快行业向绿色工厂转型升级。

3 技术升级减碳

“碳中和”目标某种程度上也在倒逼行业技术升级、思考更有效的解决方案，主要体现在冷热一体、冷链升级和冷库改造三个方面。

3.1 冷热一体

目前大部分空气源空调热泵机组，其室外机一般会采用风冷换热器，没有安装冷热回收装置，某种程度上也是一种“浪费”。由于制冷系统的两端同时产生冷源或热源，冷热同时利用可以实现能源利用的最大化，将会成为未来的发展趋势。诸如冷库机组、空气源冷热水机组和机房空调等，如何同时高效利用两侧的能量是进一步研究的关键。

3.2 冷链升级

冷链物流是以冷冻及冷藏技术为基础、制冷技术为措施，使物品在流通中各环节（生产、存储、运输和销售）始终处于适宜的低温环境下的食品冷藏运输技术。冷链物流的目的是保证冷链物品质量，减少冷链物品损耗[18]。冷链物流行业贯穿第一产业、第二产业和第三产业，有效衔接乡村振兴、促进消费升级的重要产业。根据相关数据显示，2020年整体市场规模超4 000 亿元。2015—2020年国内市场规模持续增长，其年均复合增长率约为17%[19]。

国务院办公厅发布《关于加快发展冷链物流保障食品安全促进消费升级的意见》，提出了行业中长期发展规划，鼓励企业向国际看齐，使用安全环保节能的制冷剂和制冷工艺，发展新型蓄冷材料，采用先进的节能和蓄能设备，加速淘汰不规范、高能耗的冷库和冷藏运输车辆等。

3.3 冷库改造

冷库行业一直是我国在节能方面管理相对薄弱的应用环节，从冷库设备生产企业竞争力看，市场集中度不高，存在“小而散、缺专人和缺资金”等问题[19]。中小型冷库因其施工标准不统一，安装人员缺乏专业的培训和指导，很多老旧制冷设备成为耗能大户。随着以变频压缩机、电子膨胀阀为代表的核心零部件技术不断突破，节能技术将广泛应用于新建冷冻冷藏设备，很多高能耗的老旧设备也将迎来升级换代的高峰。

4 循环利用减碳

环保回收包括两个层面的内容：1）选材方面关注回收处理方法简单、回收价值高的材料，从而达到资源消耗最低、环境污染最小的目的；2）在制冷空调设备的维修及更换方面，要特别关注制冷剂的回收利用或环保处理。据了解，目前在设备维修及更换过程中，绝大多的操作都将系统中制冷剂直接排放到空气中。这是目前在设备全生命周期中碳排放较高的环节，该方面的改善有赖于国家及行业层面出台相关的技术规范，并对从事该工作的人员进行专门的培训。中国循环经济协会于2020年12月批准发布《废弃电器电子产品制冷剂回收技术规范》（T/CACE 023—2020）[20]、《废弃电冰箱处理技术规范》（T/CACE 024—2020）两项团体标准[21]，可以作为技术规范参考执行。

5 减碳过程中新的机遇

5.1 热泵热水器采暖

热泵作为高效清洁供热的有效手段，在民用、工业方面发挥了越来越重要的作用。近20多年来各类热泵技术和产品得到了创新发展和广泛应用；近年来，随着压缩机低温制热技术的不断突破，其应用范围不断拓展。随着国家“双碳”目标的制定和具体工作的启动，在能源供给侧的清洁能源电力必将大幅度提升，在需求侧“热能”仍是比重最大的能源形式。作为连接电能和热能的高效能量转换技术，热泵技术必将成为热能供应的核心技术[22-26]。随着消费者对于生活质量及舒适性的高要求，地暖的市场占有率在不断提升，目前最大比例为传统的室内暖气片供暖。传统的供暖系统主要使用燃煤对锅炉内的水进行加热并分布至不同的供热单元，大量的燃煤消耗是导致雾霾及高碳排放的主要原因之一。随着国家对于北方冬季采暖的清洁性、环保性的要求不断提高，热泵热水机组作为冬天热水加热的高效设备，近年来在北方广泛应用。通过热泵供暖代替天然气供暖、燃煤供暖，在提升效率的基础上，更可以大幅降低对化石能源的消耗。

根据JARN的最新数据[27]，2020年初受新型冠状病毒影响，大部分热泵热水器工厂处于停工状态。随着疫情得到一定程度的控制，热泵热水器的主要生产及消费国家（包括中国、欧洲和日本等）的生产迅速恢复到2020年之前的水平。从2020年全年来看，生产数量达到328万台，同比2019年度下降4.1%。主要生产国中国同比下降9.7%，其它国家都有一定程度的上升，其中欧洲同比增长8.2%，日本同比增长2.9%，美国同比增长2.1%。截至2020年底，欧洲目前热泵热水器市场保有量达到66.9万台，其中法国、德国和意大利占比约为65.2%。JARN预测的欧洲国家供热方式的变化如图5所示。

图5 2020—2030年欧洲家用供热方式变化情况

根据IEA（International Energy Agency）发布的ETP（Energy Technologies Perspectives）预测，到2030年，市场保有量将达到目前的3倍，到2040年热泵热水器将成为主流建筑供暖及制冷设备[28]。

5.2 电动汽车

交通领域用能是能源消耗重要的组成部分之一，交通领域实现降低碳排放最主要的途径是电气化。有数据显示到2025年我国新生产的轿车渗透率将达到20%，到2035年将主要生产电动轿车[29]。电动轿车电池冷却、电控系统冷却、电驱系统冷却和乘客舱冷却将带来汽车热管理领域大量的业务机会。大量的充电桩会建设起来，充电桩冷却市场同样巨大。余热利用热泵系统与电加热相比，根据不同的驾驶工况，可增加13%～15%的续航里程数[30]。

5.3 风力发电变流器冷却

海上风电起源于欧洲，目前在国内沿海地区有一定程度应用，预计接下来将迎来快速发展期。风电变流器发热量大，工作环境多为高温、高湿。目前10 kW以下设备变流器使用传统风冷散热及热虹吸冷却散热技术较多；对于10 kW以上的设备，图7所示压缩机氟泵双循环冷却散热技术（图6）[31]有望得到广泛应用。

图6 氟泵双循环原理[30]

5.4 数据中心冷却

随着社会经济和科技的发展，数据中心等高热流密度空间迅速增加。据中国信息通信研究院公开数据，2018年中国数据中心用电量为630×108kW·h，约占中国总用电量的0.9%，其中制冷能耗占总用电量的30%以上。目前全球规模数据中心的数量已经超过42万个，能耗已经约占全球发电量的3%[32]。根据美国市场研究和咨询公司[33]的研究，2018年度数据中心的全球制冷市场规模为86亿美金，到2025年将保持每年13.5%的增长。除了采用液体冷却技术外，高效冷源是数据中心节能的主要方向，与清洁能源发电相结合的全年运行冷水机组将会成为实现高效冷却的主要途径之一。

目前，许多数据中心正进行氟泵节能改造。上海建科节能技术有限公司选取某数据中心经过加装氟泵节能改造后的3台空调，进行节能改造效果测试，通过比较运行参数、运行效率等数据，得出在相同工况下氟泵空调的节能率。测试结果显示，当前工程的氟泵全年节能率约为20%，氟泵模式下，室外气温越低节能效果越好[34]。

6 结论

本文研究了“减碳”对制冷空调行业的未来发展方向，从产品节能、绿色工厂、技术升级及循环利用等四方面展开论述；分析了减碳对能效提升、节能减排技术普及、环保制冷剂的替代进程的推动作用，得出如下结论：

1）减碳对制冷空调行业挑战与机遇并存，从中长期的角度来看，有利于行业的良性发展；

2）微通道换热器由于其在换热效率、降低充注量及紧凑结构等方面的优势，其市场规模将会高速成长，预计2025年将达到60亿元，较2020年增长1倍，其在风冷换热器市场份额达到10%；2030年有望超过100亿，其在风冷换热器市场份额达到20%左右；

3）制冷剂的切换进程将进一步加速，尤其是R32，在2025年将成为房间空调器、单元机、小型冷水机组及多联机的主流使用制冷剂；其它环保制冷剂如R290、CO2等也分别会在小型及大型冷冻冷藏设备得到广泛应用；

4）热泵热水器将成为全球范围内冬季采暖主要的产品之一；其市场在2025年将超过1 000万台，为2020年市场规模的3倍；2040年将成为主流的建筑供暖及制冷产品；

5）数据中心冷却业务将成为巨大的增量市场，未来10年将保持每年超过10%的增长，预计2025年市场规模达到200亿元，2030年将达到400亿元，成为继房间空调器、多联机后，制冷空调领域第三大应用市场；

6）电动汽车当前渗透率已达10%，预计2025年将超过20%。在汽车热管理领域，热泵技术将得到广泛应用，市场潜力巨大。