1 Summary and analysis report on the baseline and the Kigali Amendment scenarios, and the energy demand of cooling 基加利修正案基线与控制情景和相关电力需求预测 2018 年 12 月 28 日 北京 大学 环境 科学 与工 程学 院 摘 要 制冷空调行业是温室气体氢氟碳化物 （HFCs ） 的主要消费行业。 当前， 国际 社会已经就 HFCs 的逐步削减达成了 蒙特利 尔议定书 （基加利修正案） 。 在履 行 基加利修正案 的同时提高制冷空调设备 的能效， 减少制冷空调行业的温室 气体排放总量，实现协同效益，已成为当前全球制冷空调行业的共同目标。 本报告旨在 （1） 明确在 基加利修正案 下中 国的 HFCs 消费基线， 并通过 情景分析， 评估我国 HFCs 的减排潜力； （2） 预测制冷空调行业未来的电力需求， 评估行业在使用低 GWP 值制冷剂替代品或 （ 和） 提高能效的情景下， 能实现的 环境和能源效益。 由于当前家用制冷空调子行业对制冷空调行业电力消费总量的贡献极大， 本 报告首先完成了对家用制冷空调子行业电力需求基线的预测。 现阶段， 本报告 （草 稿） 包含以下两项核心内容： （1） 我国 HFCs 消费基线和减排潜力； （2） 家用制 冷空调行业在基线情景下未来的电力需求。 3 目 录 摘 要 . 2 1. 研究背景 . 1 2. 基线和控制情景的建立（研究）方法 . 3 2.1. HFCs 消费基线与减排情景分析 . 3 2.1.1. HFCs 消费量估算与预测 . 3 2.1.2. HFCs 排放量估算 . 6 2.1.3. 情景分析 . 7 2.2. 家用制冷空调行业电力需求预测. 8 2.2.1. 保有量的估算与预测 . 8 2.2.2. 耗电量的估算与预测 . 10 3. 基加利修正案基线与 HFCs 减排潜力 . 11 3.1. 中国 HFCs 历史消费量和排放量 . 11 3.2. 基加利修正案基线 . 13 3.3. 中国 HFCs 减排潜力 . 16 3.4. 削减 HFCs 消费量的政策与技术建议 . 17 4. 家用制冷空调行业电力需求预测 . 19 4.1. 行业历史耗电量 . 19 4.1.1. 变化趋势 . 19 4.1.2. 区域差异 . 21 4.2. 驱动因素预测 . 22 4.3. 基线情景的电力需求 . 26 5. 主要结论 . 27 参考文献 . 28 基 加利 修正 案 基线 与控 制情 景和 相关 电力 需求 预测 1 1. 研究背景 氢氟碳化物 （Hydrofluorocarbons, HFCs ） 是一类含氟的烃类化合物。 由于不 含氯、溴原子，HFCs 不会破坏平流层臭氧，因此被认为是理想的消耗臭氧层物 质（Ozone Depleting Substance, ODS ） 的替代品 ， 于上世纪 80 年代末引入市场， 目前被广泛用作制冷剂、发泡剂、灭火剂、喷雾剂和清洗剂等。HFCs 能吸收地 表反射的长波辐射， 具有较高的全球变暖潜势 （Global Warming Potential, GWP）， 多数 HFCs 的 GWP 值是 CO2 的千倍甚至上万 倍 1 ， 因此其在 1997 年被纳入 京 都议定书 附件 A ， 成为受控的六类温室气体 之一。2009 年已有研究表明 2 ，若 不对 HFCs 的消费加以限制，可能在本世纪末造成全球升温 0.5! ，而这一预测 在近些年得到了进一步地确认 3 。 在 ODS 的淘汰进程中，替代品 HFCs 的生产消费量和排放量都不可避免地 呈现快速增长趋势。2015 年，世界主要 HFCs 的产量已达 56.7 万吨/ 年，其中， 中国产量占比约 70% 4 。作为 HFCs 的生产消 费大国，中国 HFCs 的产量和表观 消费量目前正以 20% 的年均增长率迅速上涨。 与此同时， 中国 HFCs 排放量占世 界 HFCs 排放量的比重也由 2005 年的 3% 增长 至 2012 年的 17% （以 CO2 当量 计） 5 。 相应地，AGAGE 的观测数据见证了 HFCs 大气浓度的抬升 6 ，如 HFC- 134a 、HFC-125 和 HFC-32 的全球平均浓度正 分别以 5.6、2.3 和 1.6 pptv/yr 的速 率上升，至 2015 年分别达 83.3、18.4 和 10.5pptv。我国城镇地区的主要 HFCs 浓度普遍高于北半球背景浓度， 且增长速率略快于全球平均水平 7,8 。 根据预测， 在不受控的情景下， 至 2050 年全球 HFCs 排放 量将高达 4.0-5.3 Gt CO2-eq/yr，相 当于当年全球 CO2 排放量的 6-9% ， 产生的辐射 强迫达 0.22-0.25W/m 2 ， 其中， 中 国对累计排放量的贡献将超过 30% 9 。 为了减缓因 HFCs 排放导致的气候变化，国际社会于 2016 年达成了基加 利修正案 ，其 核心内容是将 ODS 的替代 品 HFCs 纳入 蒙特利尔议定书 的管 控物质名单， 并规定了各缔约国的替代和减排时间表。 非第 5 款国家 （发达国家 为主）中的美国、日本、加拿大和欧盟等国将率先于 2019 年开始削减 HFCs 的 使用，俄罗斯等国则于 2020 年启动减排。第 5 款国家（发展中国家为主）也分 两组，中国、巴西和阿根廷等国应于 2024 年将 HFCs 的消费冻结在基准水平， 印度以及海湾国家等则于 2029 年冻结消费。按照规定，我国应在 2024 年冻结北京 大学 环境 科学 与工 程学 院 HFCs 的消费， 基准水平为 2020-2022 年间 HFCs 的平均消费量与 HCFCs 基准量 （2009-2010 年均值）的百分之六十五的总和 。 值得注意的是，对于 HFCs 的主要消费行业 制冷空调行业而言，HFCs 只是其排放的温室气体总量的一部分， 削减 HFCs 的使用并不能完全有效地减少 其对全球变暖的贡献。 联合国环境署技术与经济评估组 （UNEP TEAP ） 的报告 10 显示， 在制冷空调行业，80% 的温室气体来自于设备运行的能源消耗 （即间接排 放） ，制冷剂的排放（即直接排放）仅占温室气体排放总量的 20% ，且这个比例 因制冷剂 GWP 值的降低还将继续减少。 因此 ， 在按 基加利修正案 路线削减 HFCs 的同时提高设备能源效率，降低制冷空调行业的总体温室效应，实现协同 效益，是当前全球制冷空调行业的共同目标。 国际能源署（International Energy Agency, IEA ）的报告称 11 ，若保持当前能 效水平，到本世纪中叶，全球建筑供冷能耗将达到 6200TWh ，间接排放的 CO2 达 1135Mt ，而中国对此的贡献仅次于印度；若实现全球能效的显著提升，能耗 将降低 45% ，而 CO2 的排放量将下降 93% 。 作为制冷空调设备的生产和消费大 国， 中国制冷空调产品的平均能效水平远低于市场上的最高能效水平， 仍有较高 的提升空间和相应的减排潜力， 若能在履行 基加利修正案 的同时提高制冷空 调产品的能效，将有效地降低行业总体温室气体的排放，减缓全球气候变化。 基 加利 修正 案 基线 与控 制情 景和 相关 电力 需求 预测 3 2. 基线和控制情景的建立（研究）方 法 2.1. HFCs 消 费 基 线与 减排 情景 分 析 本报告研究的 HFCs 包括 HFC-134a 、HFC-125 、HFC-32、HFC-143a 、HFC- 227ea 、HFC-236fa 和 HFC-245fa ，这些物质被 广泛应用于汽车空调、家用空调、 工商制冷空调、 泡沫塑料和消防灭火等行业。 我国的 HFC-152a 虽然产量高， 但 大部分用作出口和原料用途，因此不列入本报告的研究范围。此外，由于 HFC- 23 主要作为 HCFC-22 副产物排放， HFC-161、 HFC-365mfc 等物质消费量占比很 小， 也不对其进行估算。 本报告 根据上述各行 业产品的产销量及其对 HFCs 的消 费特点，估算各行业的 HFCs 历史（1995-2017 年）消费量；基于宏观经济和行 业的发展前景，预测未来（2018-2050 年）各行业的 HFCs 消费量；在消费量的 基础上利用自下而上的方法计算排放量。 2.1.1. HFCs 消费量估算 与预测 制冷空调行业的 HFCs 消费量包括产品生产和维修两个环节的 HFCs 制冷剂 灌注量，如式 1 所示。泡沫和灭火装置不考虑 维修，仅在生产环节使用 HFCs 。 “ #$%$?$?$PQRS $:IJOLNG HIJLJ :;I= 式中，nMAC 表示汽车空调的需求量；a、b 为回 归系数；下标t 表示时间。 （二）家用空调行业 我国家用空调行业起步与上世纪 60 年代，随着经济的增长和城镇化水平的 不断提高， 家用空调的需求也在急速增长， 采用 的制冷剂逐步从 CFC-12、 HCFC- 22 过渡到 HFCs 。2017 年， HCFC-22、R410A 和 HFC-32 型家用空调在国内的市 场份额（按销量计）分别为 38% 、44% 和 18% 。R410A 和 R32 型家用空调的制 冷剂生产灌注量约为 0.96kg/ 台 18 。根据行业 预测，随着 HCFC-22 的逐步淘汰， R410 型产品将主导市场；同时，由于 2013 年 来格力等主流厂商强力推广 HFC-基 加利 修正 案 基线 与控 制情 景和 相关 电力 需求 预测 5 32 型产品， 可以预见，HFC-32 型空调的需求 量也将持续上涨。 由此， 本报告以 城镇化率估算国内家用空调需求总量并假设其在 2040 年达到饱和（如公式 3 所 示） ， 同时假设 R410A 、 HFC-32 型空调比重逐 步增加， 求得此两种家用空调的需 求量。城镇化率的预测采用联合国常用的方法 19 ，如式 4 所示。 / T?$O= V W= 式中， nRAC 为家用空调需求量； Ut 表示第t 年的城镇人口比重 （即城镇化率） ， U(2010) 表示 2010 年我国人口普查时统计的城镇人口比重， 历年城镇人口比重的 数据从中国统计年鉴中获取；a、b、k 为 回归系数。 （三）商业空调行业 商业空调指的是除家庭之外其它室内场所使用的空调设备。 国际应用系统分 析研究所 （IIASA ） 的研究结果显示， 公共建 筑面积的扩张将推动对商业空调的 需求 20 。 因此， 本报告选用公共建筑竣工面积对当年的商业空调制冷剂生产灌注 量进行预测， 回归方程如式 5 所示。当前我国商业空调行业常用的 制冷剂有 HCFC-22、HFC-134a 、R410A 和 R407C ， 其中 ，HFC-134a 主要用于中大型冷水 机组，而 R410A 、R407C 则多用于多联机以 及小功率的冷水机组。本报告假设 HCFC-22 型空调 至 2030 年全部淘汰，三种 HFC 型商业空调之间的需求比例与 当前保持一致，进而预测商业空调行业 HFCs 制冷剂消费量。 “()*+ ?$L= 式中， C_proCAC 表示商业空调制冷剂生产灌注 量； St 表示公共建筑竣工面积， 数据来自中国建筑 业统计年鉴 ， 这里的公 共建筑包括办公、批 发和零售、住 宿和餐饮、 居民服务业、 教育、 文化体育和娱乐、 卫生医疗、 科研及其他商业用 途但不属于以上领域的用房；a、b 为回归系数。 （四）冷链行业 本报告的冷链行业包含商业和运输制冷， 前者包括在超市、 餐馆及其它服务 行业所使用的制冷设备， 后者则指商品在完成生产和终端销售之间的运输、 储存 环节所使用的制冷设备。 由于冷链行业的设备种类繁多， 本报告并未通过预测各北京 大学 环境 科学 与工 程学 院 类设备需求量估算 HFCs 消费总量，而是参考 IIASA 的方法 20 以相关行业的增 加值预测 HFCs 消费量 （公式 6） 。 当前我国冷 链行业使用的 HFCs 制冷剂主要为 R404A 。 “()*+ $a= 式中， C_proCC 表示冷链行业制冷剂生产灌注量 ； GDPVA 等于批发和零售业、 住宿和餐饮业及交通运输、 仓储和邮政业三个冷链设备集中应用行业的增加值之 和，行业增加值数据来自中国统计年鉴 ；a、b 为回归系数。 （五）泡沫行业和消防行业 在泡沫行业，依据蒙特利尔议定书的要求，HFC-245fa 逐步替代 CFC- 11 、 HCFC-141b， 作为聚氨酯硬泡的发泡剂， 应 用于冰箱冰柜保温层、 保温管道、 保温板材等的生产。 在消防行业， 随着 Halon-1211、 Halon-1301 灭火剂退出市场， HFC-236fa 、 HFC-227ea 在移动式灭火器和固定 灭火系统中的应用已初具规模 21 。 由于与其它常用 HFCs 相比，我国 HFC-245fa 、HFC-236fa 和 HFC-227ea 的产能 相对较小，详细数据也难以获取，本报告采用较为简单的方式，直接以 GDP 预 测三者未来的消费量。 2.1.2. HFCs 排放量估算 本报告参考 2006 年 IPCC 发布的 国家温室气 体排放清单指南 ， 通过自下 而上的方法， 基于 HFCs 在各行业的消费数据 ， 估算其排放量。 制冷空调、 泡沫 塑料和消防灭火行业均属于延迟排放行业， 即 HFCs 的排放发生在产品寿命期内 的生产、 运行、 维修和报废等各个环节， 消费 量和排放量之间的差异累积形成库 存（Bank） 。本研究采用排放因子方式，计算了各行业在各环节的排放量，方法 如式 7-12 所示。 bB/c #$%$bB/c #$%$<O= h3/ #$%$<KV %$q #$% 0r %$<L= 式中， Dif 为城镇或农村居民家庭每百户保有量； I 为城镇居民人均可支配收 入或农村居民人均纯收入， 历史数据从 中国统计年鉴 获取， 未来趋势通过灰 色模型 GM(1,1) 预测；l 表示每百户保有量的饱和水平； 下标 i 、j 、t 分别表示设 备类型、地区和年份；m 和 为回归系数。 模型中家用空调保有量的饱和水平l 由当地气候条件（气温）决定，而气温 因素用冷度日 （Cooling Degree Days, CDD ） 表征。 假设以省会城市 CDD 值代表 全省，如式 16 计算可得我国各省的年 CDD，暂不考虑未来 CDD 因全球变暖而 升高，假设某一地区的 CDD 为常数。 “DD;s t = % 2u;s #$% Ks t = RvS #89 :;<a= 式中，T 为日平均温度， 从中国气象局发布的 中国地面气候资料日值数据 集 获取；s t 为阈值温度， 当 T 高于s t 时，u 取 1， 反之取 0；CDD(Tc) 表示以 Tc 为阈值温度计算的年 CDD 值； 下标 i 、 j 表示天 数和地区。 在美国， s t 通常取 18! ， 而中国 采暖通风与空气调节设计规范 和 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标 准均以 26! 为阈值。 北京 大学 环境 科学 与工 程学 院 LBNL 的研究中假设，在给定 CDD 值下，美 国每百户家庭家用空调的保有 量水平代表最高水平l 。 利用美国 39 个城市 2001 年居民能源消费调查 （RECS ） 数据，对美国每百户家庭空调保有量和 CDD(18) 的关系进行拟合，得到式 17。 由于我国居民家庭对空调的购买行为和使用习惯与美国存在一定差别， 本报告 使 用各省的年 CDD(26) 对利用式 17 得到的l 进行校正。 l % <JJKZWYZ0nopwKJYJJ<xy0“DD;<x= % z:;<y= 家用冰箱保有量受气温因素的影响相对较弱， 因此， 模型中的饱和水平l 取 发达国家最高观察值，且全国各省取同一值。 2.2.2. 耗电 量的估算与预测 各省家用制冷空调设备的逐年耗电量可以通过式 18 计算得到。 d“ #$%$<x= 式中，EC 表示设备的耗电量，Own 为设备保有量，P 表示设备运行功率， OT 表示设备的年运行时间。下标i 、j 、t 分别 表示设备类型、地区和年份。 由于缺乏详细的市场数据， 难以获知我国各类家用空调、 冰箱 （柜） 的运行 功率。 本报告 根 据中 国标 准 化研 究院 29 和 中国家 电 协会 30 等发 布 的产 品能 效 调 查报告， 获得当前不同能效等级产品的市场份额、 定变频产品的市场占有率， 计 算得到我国家用空调、 冰箱 （柜） 运行功率的 平均水平， 如表 4 所示。 各省家用 空调的年运行时间参考文献 31 ，而冰箱的运行 时间假设为全年。 表 4 我国家用空调、冰箱（柜）的平均功率 设备类型 平均功率/kW 家用空调 2004 年：1.49 2012 年：1.22 2016 年：1.13 家用冰箱（柜） 2000 年：0.05 2008 年：0.04 2016 年：0.03 为了评估未来能效提升所节省的能源和减少的温室气体排放， 可分别设置基 线情景 （即能效保持当前水平不变） 和能效提 高情景对电力需求进行预测。 本报 告假设能效水平与 2016 年保持一致，完成了 对电力需求的基线预测。 基 加利 修正 案 基线 与控 制情 景和 相关 电力 需求 预测 11 3. 基加利修正案基线与 HFCs 减排潜力 本章对 HFCs 的历史消费和排放特点进行了总 结， 在此基础上， 预测了中国 履行 基加利修正案 的基线， 同时， 通过对比受控和不受控情景下未来的消费 和排放量，评估了我国履行基加利修正案的减排潜力。 3.1. 中国 HFCs 历史 消费 量 和排 放量 如图 1 所示，我国 HFCs 消费量正处于快速增长阶段。从 1995 年仅有少数 汽车企业使用 HFC-134a 作为汽车空调制冷剂 ，到 2006 年制冷空调、泡沫和消 防各行业均逐步使用 HFCs 替代 ODS 类制冷剂、发泡剂和灭火剂，到如今我国 已成为 HFCs 的生产和消费大国。据估算，2006 年至 2017 年，我国 HFCs 消费 量的年均复合增长率约为 30% ，2006 年我国共 消费 HFCs 约 9.12kt ，而 2017 年 HFCs 消费量已 达 163.58kt 。 图 1 主要 HFCs 的历史消费量 HFC-134a 是我国应用最早的一类 HFCs ， 其消费量从 2006 年的 5.76kt/yr 稳 步上涨至2017 年的44.23kt/yr ， 但其对HFCs 消 费总量的贡献一直呈现下降趋势，北京 大学 环境 科学 与工 程学 院 从 2006 年的 63% 跌至 2017 年的 30% 。随着 R410A 、R407C 等混配制冷剂需求 的快速增加，HFC-32 和 HFC-125 的消费量实现了大幅度增长，逐步赶超 HFC- 134a 。 以实物计， 2006 年， HFC-32 和 HFC-125a 的消费量均在 1kt/yr 左右； 2017 年 HFC-32 消费量最高，达 59.34kt/yr ，其次是 HFC-125，消费量约 45.51kt/yr ， 两者对 HFCs 消费量的贡献分别为 36% 和 27% 。 由于 HFC-125 的 GWP 值为 3500 ， 高于 HFC-134a 和 HFC-32， 因此， 以 CO2 当量 计算时，2017 年 HFC-125 的消费 量为 159.29Mt CO2-eq/yr ， 远高于其它 HFCs ， 在当年 HFCs 消费总量 （310.65Mt CO2-eq/yr ） 的占比超过 50% 。HFC-143a 、HFC-245fa 、HFC-236fa 和 HFC-227ea 在 2017 年的消费量虽不足万吨， 但这四种物质 的 GWP 值均高 于 3000，且 HFC- 227ea 灭火剂和 HFC-245fa 发泡剂的消费量近 年有较快增长， 因此也应给予重视。 图 2 各行业的 HFCs 历史消费量 从行业的角度分析，如图 2 所示，家用空调行业的 HFCs 消费量增幅最大， 以 48% 的年均增长率从 2006 年的 10.92kt/yr 上涨至 2017 年的 80.82kt/yr 。在家 用空调领域，HCFC-22 型产品的主导地位虽尚 未改变，但 R410A 和 HFC-32 型 产品的比重也在逐步提升， 尤其是 HFC-32 型空 调， 受主流厂商的大力推广， HFC- 32 制冷剂在家用空调行业的消费量 （不包括用于配制 R410A 的部分） 已 从 2013 年的 674t/yr 大幅增长至 2017 年的 15.93kt/yr 。其它行业的 HFCs 消费量也在稳 步增长中。2017 年，商业空调和汽车空调行业的 HFCs 消费量分别达 36.14kt/yr