全球變暖潛能值的計(jì)算及其演變

陳 佳 君

（上海愷達(dá)國際貿(mào)易有限公司，上海 200010）

0 引 言

臭氧層的破壞和全球氣候變化，是當(dāng)今世界所面臨的主要環(huán)境問題。由于廣泛使用于制冷、空調(diào)、熱泵行業(yè)的鹵化物制冷劑（CFCs與HCFCs）都屬于溫室氣體（Green House Gas），對(duì)臭氧層有破壞作用并產(chǎn)生溫室效應(yīng)。為了符合環(huán)境保護(hù)的要求，需選用ODP（Ozone Depletion Potential）值為零，全球變暖潛能值GWP（Global Warming Potential）值較低HFC替代CFC和HCFC。但在查閱各類出版物，不免發(fā)現(xiàn)同一制冷劑的 GWP值在各制冷劑制造商的產(chǎn)品資料或各國學(xué)院對(duì)各制冷劑性能研究報(bào)告和 IPCC（The Intergovernmental Panel on Climate Change）的評(píng)估報(bào)告中都不一致[1～5]。通過對(duì)GWP的計(jì)算及演變進(jìn)行歸納，供相關(guān)從業(yè)人員參考。

1 全球變暖潛能值及國際評(píng)估機(jī)構(gòu)

1.1 全球變暖潛能值

GWP是一個(gè)相對(duì)值，表示某一種溫室氣體能夠捕獲得到的空氣中的熱量。一定質(zhì)量的溫室氣體所捕獲得到的熱量相對(duì)于同樣質(zhì)量的CO2所捕獲的熱量之比。即將特定氣體和相同質(zhì)量CO2比較之下，造成全球暖化的相對(duì)能力，是衡量溫室氣體對(duì)全球暖化的影響。

GWP是在一定時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算得到的，表示為CO2的一個(gè)因數(shù)（CO2的GWP是1）。例如，20a的甲烷氣體的GWP是72，這意味著相同質(zhì)量的甲烷和CO2被釋放到大氣中，在接下來的20a中，甲烷氣體捕獲得到的熱量是CO2所捕獲得到的72倍。

1.2 政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）

IPCC是對(duì)全球范圍內(nèi)有關(guān)氣候變化及其影響、氣候變化減緩和適應(yīng)措施的科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)方面的信息進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)需求為《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（The United Nations Framework Convention on Climate Change（UNFCCC））實(shí)施提供科學(xué)技術(shù)咨詢的國際性組織。IPCC不直接評(píng)估政策問題，但所評(píng)估的科學(xué)問題均與政策相關(guān)。IPCC 已經(jīng)于1990年、1995年、2001年和2007年相繼完成了四次評(píng)估報(bào)告，報(bào)告已成為國際社會(huì)認(rèn)識(shí)和了解氣候變化問題的主要科學(xué)依據(jù)，對(duì)氣候變化國際談判產(chǎn)生了重要影響。

2 影響GWP值的輻射強(qiáng)迫（RF）及計(jì)算模型

2.1 輻射強(qiáng)迫（RF）

RF（radiative forcing capacity）是對(duì)某個(gè)因子改變地球–大氣系統(tǒng)射入和逸出能量平衡影響程度的一種度量，他同時(shí)是一種指數(shù)，反映了該因子在潛在氣候變化機(jī)制中的重要性。

輻射強(qiáng)迫值定義為相對(duì)于工業(yè)化前（1750年）的差值，并以瓦/平方米（W/m2）為單位表述。氣體通過吸收和發(fā)射輻射產(chǎn)生直接輻射強(qiáng)迫（Direct RF），即正強(qiáng)迫；另外，由于氣體化學(xué)反應(yīng)而影響其他溫室氣體或顆粒的吸收和發(fā)射輻射稱之為間接輻射強(qiáng)迫（Indirect FR），即負(fù)強(qiáng)迫。正強(qiáng)迫使地球表面變暖，負(fù)強(qiáng)迫則使其降冷。目前含溴化物的氣體導(dǎo)致地球表面降溫作用大于升溫；CFCs 和 HCFCs 導(dǎo)致地球表面變暖作用大于降冷；HFCs and PFCs只使地球表面變暖。各鹵烴化物相對(duì)于工業(yè)化前的正強(qiáng)迫和負(fù)強(qiáng)迫差值（至2000年），見圖1[3]。

2.2 伯爾尼碳循環(huán)模型

伯爾尼碳循環(huán)模型（Bern Carbon Cycle Model）是被設(shè)計(jì)用來研究人為的二氧化碳排放量與大氣中的二氧化碳濃度間關(guān)系，以及前者與在地球的輻射平衡中產(chǎn)生表面溫度信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)擾動(dòng)間關(guān)系。伯爾尼的模型于1996年首次被IPCC SAR（Second Assessment Report）定義為CO2情況分析的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算全球變暖潛值的標(biāo)準(zhǔn)。并于2001年出版了Bern碳循環(huán)模式的修正版。

圖1 各鹵烴化物相對(duì)于工業(yè)化前的正強(qiáng)迫和負(fù)強(qiáng)迫差值（至2000年）

3 GWP計(jì)算

3.1 單一制冷劑

3.1.1 據(jù)1996年版的伯爾尼的模型，GWP的計(jì)算

首先，溫室氣體本身的升溫作用依賴于其在大氣中的存在時(shí)間。如該氣體釋放到大氣中后經(jīng)過時(shí)間L后，其尚存在的部分為原來的l/e，則經(jīng)過一定的時(shí)間t時(shí)其尚存在的部分（相對(duì)于1kg）可通過式（1）計(jì)算[6]：

對(duì)于CO2的氣體的衰變速率，即CO2的大氣壽命，由IPCC SAR建議的式（2）給出 ：

其次，除了氣體的大氣壽命外，氣體的輻射效率，即紅外吸收性值（R）也很重要。以CO2為基準(zhǔn)，R12和R134a的R值分別為R-CO2=1；R-R12=5740； R-R134a =4130；

升溫效果是由物質(zhì)的氣體的衰變速率和各氣體輻射效率決定的。升溫效果是通過在一定的時(shí)間段中的積分來進(jìn)行：

對(duì)于CO2的值也用同樣的方式確定。

一化學(xué)物質(zhì)的GWP定義為從開始釋放1kg該物質(zhì)起，一段時(shí)間內(nèi)輻射效應(yīng)的對(duì)時(shí)間積分，相對(duì)于同條件下釋放1kg參考?xì)怏w（CO2）對(duì)應(yīng)時(shí)間積分的比值。故氣體的全球變暖潛能值[2]為：

根據(jù)碳循環(huán)模型、各氣體輻射效率和各氣體的大氣壽命，計(jì)算得耗臭氧制冷劑和替代制冷劑對(duì)應(yīng)不同時(shí)期的GWP值（見表1）。

表1 耗臭氧制冷劑和替代制冷劑對(duì)應(yīng)不同時(shí)期的GWP值（基于IPCC FAR）[1]

3.1.2 據(jù)2001年版的伯爾尼的模型，更新的GWP

首先，對(duì)于CO2的氣體的大氣壽命，通過在IPCC AR4建議給出的修正表達(dá)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。

各化學(xué)物質(zhì)的全球變暖潛能值公式為[3]：

式中：TH——計(jì)算時(shí)的評(píng)估期間長度，通常以100a為基準(zhǔn)；

ax——1kg氣體的輻射效率，W/m2kg；

x(t)——在1kg氣體在t=0時(shí)間釋放到大氣后，隨時(shí)間衰減之后的比例；

ar——1kgCO2的輻射效率，W/m2kg；

r(t)——在1kgCO2在t=0時(shí)間釋放到大氣后，隨時(shí)間衰減之后的比例。

根據(jù)更新的碳循環(huán)模型、及最新的各氣體輻射效率及氣體衰減周期數(shù)據(jù)，更新了制冷劑的GWP值（見表2）。

表2 耗臭氧制冷劑和替代制冷劑對(duì)應(yīng)不同時(shí)期的GWP值（基于IPCC AR4）[4]

3.1.3 小結(jié)

1) 溫室氣體的GWP與以下因素有關(guān)：

① 化學(xué)物質(zhì)對(duì)于紅外線的吸收能力。即相對(duì)于CO2的氣體輻射效率；

② 各氣體在大氣中的壽命，即相對(duì)于CO2氣體的衰變速率。

2) 化學(xué)物質(zhì)的GWP為變量：

① IPCC定義GWP是基于在一個(gè)時(shí)間線為恒定的背景下，評(píng)估微量氣體釋放對(duì)相對(duì)輻射產(chǎn)生的影響；

② 隨著時(shí)間的變化，各氣體在大氣中的濃度不為定值，以CO2為例，其濃度逐年遞增（見表3）[1～4]；

表3 各時(shí)期CO2濃度 ppmv

③ CO2在大氣中衰減的速率無準(zhǔn)確數(shù)值，只能根據(jù)碳循環(huán)模型進(jìn)行估算（50～200a）；

④ 各氣體的紅外線吸收量（輻射效率）和其濃度成非線性的關(guān)系。以CO2為例子（見圖2）。

所以隨著未來大氣CO2濃度增大，其他氣體GWP值也變大。

故在引用GWP于各類學(xué)術(shù)研究報(bào)告時(shí)，應(yīng)標(biāo)注其數(shù)據(jù)的來源。可參見表4或日后IPCC出版的評(píng)估報(bào)告。

表4 單一工質(zhì)各時(shí)期GWP

圖2 從冰芯和現(xiàn)代觀測(cè)資料中得到的CO2濃度變化

3.2 混合制冷劑

3.2.1 替代物混合制冷劑

由于從整體上看，多組分制冷劑能較好地滿足多方面的要求，更具有低 GWP、高效、安全、降低轉(zhuǎn)行成本等優(yōu)點(diǎn)，所以，HFCs類的混合制冷劑，如R404A、R407C和R410A已廣泛的成為替代CFC和HCFC制冷劑，應(yīng)用于各空調(diào)制冷系統(tǒng)中。多組分制冷劑的成分見表5。

表5 用于替代HCFC-22的混合制冷劑中各成分（重量混合比*）

3.2.2 混合制冷劑的GWP

在 2008年出版的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為 BS EN 3 78-1的英國標(biāo)準(zhǔn)《制冷及熱泵系統(tǒng)》第 1冊(cè)[6]附件 E“Safety Classification and Information about Refrigerants”的表格中羅列了各混合制冷劑的GWP，但在備注中說明該數(shù)據(jù)是根據(jù)IPCC SAR報(bào)告中各單一制冷劑的GWP按各混合制冷劑的重量混合比計(jì)算而得的。以R404A GWP值為例：以此為參考計(jì)算得出各替代混合制冷劑的各時(shí)期GWP（見表6）。

表6 混合制冷劑各時(shí)期GWP*

3.2.3 小結(jié)

單純地將成分氣體的全球變暖潛能值加權(quán)計(jì)算得出混合制冷劑的GWP是不可取的，原因如下：

1) IPCC 出版的四次報(bào)告中均無混合工質(zhì)的 GWP。即最具權(quán)威的國際組織現(xiàn)在還無法定義混合工質(zhì)GWP的計(jì)算方式；

2) 各混合制冷劑的熱力循環(huán)性能（蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、單位制冷量等）數(shù)據(jù)都不是通過將成分工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)簡單地加權(quán)后計(jì)算得出，而是利用各種熱力學(xué)方程式（工質(zhì)狀態(tài)方程、Antoine蒸汽壓方程等）詳細(xì)計(jì)算得出的。故反映混合制冷劑生態(tài)學(xué)信息之一的GWP不可能靠簡單數(shù)學(xué)方程式計(jì)算獲得。

4 結(jié) 語

針對(duì)全球變暖潛能值GWP的計(jì)算及對(duì)相關(guān)權(quán)威文獻(xiàn)內(nèi)容綜合介紹及分析，有如下結(jié)論和建議：

1) 衡量溫室氣體自身對(duì)氣候變暖影響的GWP不為常數(shù)。每年隨著溫室氣體在大氣中的濃度，數(shù)值將遞增；

2) 在引用GWP于各類學(xué)術(shù)研究報(bào)告時(shí)，應(yīng)標(biāo)注其數(shù)據(jù)的來源；

3) 期待IPCC能明確定義混合工質(zhì)GWP的估算方法及數(shù)值。

4) 在各規(guī)范條款中需明確GWP限制值的引用出處，或及時(shí)更新數(shù)據(jù)。以船舶海事為例，挪威船級(jí)社的“CLEAN”環(huán)保入級(jí)符號(hào)要求使用GWP<3500的制冷劑，按IPCC SAR公布的數(shù)據(jù)估算的R404A允許被使用，但隨著R404A GWP逐年遞增，導(dǎo)致無法使用。同樣問題發(fā)生在為了滿足使用GWP<2000的制冷劑的各船級(jí)社較高環(huán)保船級(jí)符號(hào)要求時(shí)，替代R22制冷劑并適用于所有工況（高溫(100～0℃)、中溫（0～–20℃）、低溫（–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] 丁國良. 德國制冷裝置CFCs替代方案與TEWI [A]. 上海市制冷學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 1997. 153-157.