國際間已開發國家已經削減90%氟氯烴(HCFCs)消費量,開發中國家也自2013年開始管制,2015年應削減10%。因此,各用途別的替代品已陸續商業化。不過,過去已開發國家主要使用的替代品HFC-134a及其混合物,多因具有高全球暖化潛勢值(GWP值),屬於溫室氣體,會惡化目前氣候變遷問題。因此,蒙特婁議定書締約方也開始關注,希望研發與推廣低GWP值替代品。

依據蒙特婁議定書規範與締約方會議決議,各締約方共同成立的技術暨經濟評估委員會(簡稱TEAP, Technology and Economic Assessment Panel),應每年針對列管化學物質替代品的技術與經濟層面進行評估。此外,第25次蒙特婁議定書締約方會議也決議(Decision XXV/5)要求TEAP針對低GWP值替代品是否適合開發中國家,以及全球各區域使用可行性的差異提供相關資訊。
 
TEAP於2014年報告中,推估全球為削減HCFCs而轉為使用具GWP值之替代品後所造成的溫室氣體排放量。資料顯示2011年已開發國家因冷凍空調設備造成的溫室氣體排放量約500百萬公噸CO2-eq,而開發中國家約300百萬公噸CO2-eq;推估在未減量的基準情境下(BAU)2030年已開發國家將排放900百萬公噸CO2-eq,而開發中國家約排放2,300百萬公噸CO2-eq。此外,該報告也針對減量成本進行評估,結果顯示開發中國家在兩種減量情境下的減量成本為459~972百萬美元(情境一),以及1,080~3,240百萬美元(情境二)。 
 
我國目前HCFCs多數應用用途皆已轉為使用替代品,以下重點摘要TEAP最新報告中針對冷凍空調與發泡用途之全球替代品發展趨勢供讀者參考。
 

一、不飽和HFCs

Honeywell與DuPont共同設立生產線製造不飽和HFCs類冷媒,包括HFO-1234yf、HFO-1234ze、HCFC-1233zd等,ASHRAE已陸續審核提供這些產品冷媒編號,包括R-444(原產品名是AC-5)、R-444B(L-20)、R-445A(AC-6)、R-446A(L-41-1)、R-447A(L-41-2)、R-448A(N-40)、R-449A(DR-33)、R-450A(N-13)。
 
R-446A、R-447A、R-444B和DR5等混合物皆適用於小型空調,但考量經濟與便利性,目前尚未有任何生產計畫,其中:
  • R-447A:之前稱為L41,為HFC-32、HFC-1234ze、HFC-125之混合,其GWP為572,可取代HFC-410A之空調設備。
  • R-444B:之前稱為L20,為HFC-32、HFC-152a及HFC-1234ze之混合,其GWP為295。使用上,若HCFC-22之空調設備沒有重大改變,且壓力相似的情況下,可直接取代HCFC-22。
  • DR-5:為HFC-32和HFC-1234yf之混合,其GWP為490,可取代HFC-410A之空調設備。
 
二、家用冰箱

家用冰箱目前使用的冷媒為HC-600a(異丁烷)和HFC-134a,其中全球目前新生產的冰箱主要以HC-600a為主(超過50%以上),故HC-600a仍為HFC-134a主要的替代品。HC-600a本身成本較HFC-134a便宜,但由於HC-600a具可燃性,其對於冰箱的安全性要求更高,故整體設備成本較HFC-134a高。而在美國的冰箱市場,為符合UL-250的標準,填充的冷媒量降至57g。
 
 
三、家用空調

2013年TEAP評估報告已說明R-407C和R-410A已替代HCFC-22應用於小型空調(Small self-contained air conditioning unit, SSC ACs),其中使用HFC-32替代R-410A,其設備在設計上幾乎一樣,甚至需求的材料更少(銅、鋁),故HFC-32替代R-410A具經濟可行性。此外,TEAP報告亦討論HC-290和HC-1270應用於小型空調設備,亞洲地區已生產HC-290之窗型空調機,但其具易燃性,雖然設備設計上較HCFC-22或R-410A便宜,但HC-290需要較高的安全性,且限制使用於小容量且冷媒充填量較少的設備。中國大陸主要空調設備生產廠商和環保部簽訂合作協議,共有13條HC-290空調設備生產線、3條壓縮機生產線、8條R-410A空調設備生產線。印度與歐洲市場已經有HC-290冷媒的設備上市。
 
四、商用空調
 
(一)熱泵
 
目前大部分已開發國家的熱泵系統已經使用非ODS冷媒,包括R-410A、HFC-134a、R-407C、HC-290、HC-600a、R-717、R-744等,幾乎是目前所有常用的冷媒。不過,新的中小型設備還是以R-410A為主,大型設備則以HFC-134a比較有效率。而開發中國家還是以HCFC-22為主,但其替代並無困難,且R-410A使用量比HCFC-22少,熱泵系統使用R-410A並沒有周界溫度高的問題。不過,使用HFC-32或其他低GWP值HFCs混合冷媒的商業化產品仍在發展中。
 
 
(二)冰水機
 
1. 容積式冰水機
容積式冰水機(Positive Displacement Chillers)以大於350kW水冷式為大宗,有的甚至大於MWs,使用的冷媒主要包括R-407C、R-410A、HFC-134a等。而R-717(氨)也已普遍用於往復式和螺旋式的冷凍冷藏與空調系統,且相對於HCFC-22已被確認具有很好的效率,適用於200kW至6MW之機組。而對於氣溫高的地區,要關心的是國家法規是否禁止使用於高人口密度的都市區域,因為部分國家有訂定冷媒充填量的限制(如幾百kg)。R-744(CO2)用於氣溫低於30℃的地方可以有好的效率。
 
HC-290和HC-1270在歐洲已有40kW至1MW的設備,不過,設備服務的工程師需完成訓練,以具有處理可燃性冷媒的能力。
 
HFC-1234ze(E)在歐洲有測試設備,且有好的效率。HFC-1234yf也被測試獲得較HFC-134a好的效率。不過,這兩種冷媒在溫暖氣候的區域表現較好,且設備成本影響不大。但工程師仍應接受處理可燃性冷媒的相關安全訓練。HFC-32設備的效率相當,已有部分廠商研發模型機。
 
混合冷媒R-444B、R-446A、R-447A及DR-5也可作為HCFC-22、R-407C、R-410A的替代品。不過,目前不確定是否有廠商研發製造這些冷媒的設備。此外,HPR1D相對於R-410A的COP和負載會下降8%;而ARM-70可提升7% COP,但負載下降11%;ARM-32可提升6% COP但負載下降26%,且相較於HCFC-22可下降11% COP但負載上升6%;LTR4X與LTR6A可提供相同負載但COP分別下降10%與19%。以ARM-42a和HFC-134a的水冷式冰水機比較結果其效率不好,但和氣冷式比較下,負載範圍在-1~6%,COP在-7 ~ -3%。
 
R-450A只要稍做修正也可用於既有的HFC-134a設備,且在氣候溫暖的區域其使用效果很好。同樣的,XP-10也是稍做修正即可使用於既有的HFC-134a設備,效率相當。
 
2. 離心式冰水機
 
R-718(水)冰水機已在歐洲使用,且已在日本商業化上市(低於350kW,使用特殊軸流式(Axial)壓縮機的機組)。不過,稍大的機組於未來兩年也將問世。其成本資料並不確定,但理論上用於氣候高溫的區域,效率應該也很好。
 
HFC-1234ze(E)已有測試機組,且應可提供比HFC-134a效率高的機種。使用於氣候溫暖的區域其效率應該不錯,
HFC-1233zd被認為應是低壓離心式冰水機的主要替代冷媒,且應該比HCFC-123的效率稍高,適用於氣溫在中高溫度的區域。目前僅有測試機組,而成本可能稍高,但應該還是經濟可行。
 
 
五、商業用冷凍冷藏
 
商業用製冷設備以冷藏食品(約0 °C)及冷凍食品(約-18 °C)為主,故冷媒的選擇需考量其填充量、製冷溫度、能源效率及區域性法規,以下重點說明商業用冷凍冷藏冷媒使用趨勢。
 
(一)獨立式設備(Stand-alone equipment或稱plug-in)
此商品冷媒以HFC-134a和R-404A為主,由於歐盟F-gas規範,R-404A將於2020年1月1日起禁止使用在新設備中,因此目前歐洲和美國以R-407F(GWP為1800)、R-407A(GWP為2100)作為R-404A或HCFC-22之過渡冷媒。
而HC-600a用於製冷能力需求較低的設備,如飲水機;HC-290用於製冰機和小型展示櫃;R-744用於自動販賣機和瓶罐飲料的冷卻器(bottle cooler)。
 
(二)冷凝設備(Condensing units)
冷凝設備使用之冷媒以HFC-134a、R-404A及R-410A為主,其中HFC-134a適用於蒸發溫度小於-15°C之小容量設備,R-404A和R-410A適用於任何溫度之大容量設備。在歐洲,獨立式設備冷媒以R-407F、R-407A 取代R-404A,但在冷凝設備部分,由於價格的關係,仍可能選擇R-404A充填於新設備。目前有製造商正開發低GWP混合冷媒取代R-404A。
 
(三)集中式系統(Centralised systems)
歐洲約有1,600家超商超市使用R-744(CO2)串聯式系統(cascade systems),而大型商業冷凍冷藏設備冷媒以HFC-134a(-10至-15 °C)串聯R-744(-35至-38 °C)為首選。R-744為未來商業用冷凍冷藏設備之重要選擇,尤其在與另一種冷媒串聯或跨臨界系統。
 
 
六、工業用冷凍冷藏
 
超過90%工業用冷凍冷藏設備使用R-717(NH3),且由於R-717具有良好的製冷效率,故在食品工業中常以R-717串聯R-744使用。
 
 
七、汽車空調
 
汽車空調於1950年代至1992年皆使用CFC-12,此後就被HFC-134a取代至今。甚至歐洲地區雖然有公告管制規範,但也僅限於新設計型式的汽車,廠商仍可以生產目前使用HFC-134a冷媒的車輛,至2017年1月1日起才會正式完全禁用。因此,各車廠正努力研發使用低GWP值冷媒的汽車。HFC-1234yf是美國積極推廣的汽車冷媒,另外歐洲也嘗試使用R-744(CO2)冷媒。不過,美歐日等主要汽車公司已在開發HFC-1234yf冷媒的汽車,但因其屬為可燃性冷媒,仍受到部分汽車廠(特別是德國)的質疑。因此,國際汽車工程師學會Society of Automotive Engineers(SAE)和德國汽車運輸政府部門German Federal Motor Transport Authority(KBA, Kraftfahrt-Bundesamt)分別進行安全研究,SAE的結論是確認HFC-1234yf用於汽車空調是安全的,而KBA則表示在特殊情形下HFC-1234yf較HFC-134a危險,但目前歐洲商品安全法規中似乎沒有立即防範行動,因此KBA強烈建議進一步進行HFC-1234yf的使用調查,並應確認汽車製造商對其產品安全性的責任歸屬。目前資料顯示,HFC-1234yf冷媒的價格是HFC-134a的10倍,不過,冷媒價格會因為商品大量上市後而下降。有一家OEM製造商表示,使用HFC-1234yf汽車空調的費用(包括冷媒與零組件)將比使用HFC-134a高75美元。至於市公車方面,德國已經有超過50台使用R-744(CO2)冷媒的公車。
 
 
八、發泡
 
擠壓聚苯乙烯(extrusion polystyrene, XPS)是發泡用途中和聚胺基甲酸酯(Polyurethane, PU)不同的一個領域,產品主要用於建築隔熱。且因其具防潮性,因此在寒帶地區的地下室保溫用途具競爭力。此外,XPS還可用於屋頂隔板和包裝材。
 
目前XPS已有商業化的可行替代品包括丁烷、HFC-134a/HFC-152a混合物、CO2 /Ethanol/DME等,其各有優缺點。其中,丁烷有可燃性,所以HFCs混合物在北美/日本使用,但此混合物具有高GWP值,所以未來可能還是會受到管制。另一方面,HFC-1234ze則在研發中。
 

整體來說,2014年TEAP評估各種替代品應用資訊詳如表1。

 

表1、冷凍空調之替代品發展趨勢

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