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二氟甲烷（difluoromethane，HFC-32）是一类人造化学品，广泛地应用于房间空调、工商制冷以及干刻剂等行业[1 − 3]. 它不含氯或溴原子，不会对臭氧层恢复产生破坏作用，因此被认为是二氟一氯甲烷（chlorodifluoromethane，HCFC-22）和二氯二氟甲烷（dichlorodifluoromethane，CFC-12）等消耗臭氧层物质（ODS）的良好替代品[4 − 5]. 然而，HFC-32是一种强效温室气体，由于其在大气中的寿命约为5.4年，且C—F键的红外吸收作用极强，其全球增温潜势 （global warming potential，GWP） 约为二氧化碳的675倍[3, 6 − 7]. 1997年，《<联合国气候变化框架公约>京都议定》[8]首次对HFC-32提出管控；2018年，《<关于保护臭氧层的蒙特利尔议定书>基加利修正案》对每个缔约国分别设定了基线淘汰减排战略[9]. 自从《关于保护臭氧层的蒙特利尔议定书》签订以来，随着CFC-12和HCFC-22等消耗臭氧层物质的逐步淘汰，HFC-32全球大气本底浓度以及排放逐年迅速增加. 其大气本底浓度在2011—2019年间增长了350%，增速远高于其他温室气体（11%—187%）[10 − 15]. HFC-32总排放量也从2010的每年0.10亿吨 CO2-eq增长到2019年的每年0.40亿吨 CO2-eq[16 − 18]. 因此，减排HFC-32对应对气候变化非常重要.
中国作为世界上最大的发展中国家，其温室气体的减排也会对全球应对气候变化产生重要影响[19 − 21]. 联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）报告显示，中国是2000—2050年全球最主要的HFC-32排放国，其排放约占全球HFC-32累积排放总量的46%，远超排名第二占比12%的印度[17, 22]. 随着中国加入《基加利修正案》并提出碳中和目标，迫切地需要开展科学合理的HFC-32减排路径研究. 然而，目前中国针对HFCs的未来减排路径的研究大多关注的物质为HFC-134a[23 − 28]和HFC-23[29 − 30]. Jiang等[31]基于基加利修正案情景对中国房间空调（HFC-32的主要消费行业）对消费和排放进行了预测并评估了其减排成本和效益，但暂未面向碳中和目标进行消费和排放的预测研究. 仅Bai等[32]开展了中国2060年HFCs近零排放的研究.
本研究基于HFC-32产品的延迟排放特点，构建了消费-库存-排放-环境影响预测模型. 此外由于HFC-32在基加利情景下2060年仍保持了基线水平20%的消费，本研究还基于非线性规划的方法构建了一种在基加利情景下加速淘汰HFC-32消费且满足较高HFC-32消费需求的碳中和减排路径. 分别预测了基线、基加利和碳中和情景下HFC-32的消费、库存和排放，并对其产生的气候影响进行评估.
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为研究不同政策对中国HFC-32减排和气候变化的影响，本研究设置了3个情景：分别为基线情景（BAU，Business as usual）、基加利情景（KA，Kigali amendment）和碳中和情景（CN，Carbon neutrality）.
基线情景下，HFC-32的消费不受基加利修正案管控，仅受市场供需关系影响. 随着社会市场需求的变化以及HFC-32对氟氯烃和氢氟氯烃等ODS的逐步替代，HFC-32的消费需求逐渐增加. 对于房间空调行业，本研究参考Xiang等[27]的汽车空调行业HFC-134a消费预测方法，基于未来的产品保有量对HFC-32消费需求进行预测，产品的寿命函数等参数参考Wu等[20]的研究. 对于工商制冷行业，由于该行业产品类型众多，较难获取保有量统计数据，本研究筛选与历史消费量相关性最强的GDP作为代理参数，通过构建HFC-32历史消费量与GDP的线性回归模型预测HFC-32消费需求. 对于其他行业，本研究基于最新的HFC-32消费占比对未来其他行业消费进行粗略预测. 表1阐释了各行业消费需求预测的具体细节.
基加利情景下，HFC-32消费在2020—2023年不受《基加利修正案》管控，与基线情景一致. 2024年后需在《基加利修正案》的要求在基线水平下逐年削减，基线水平为2020—2022年间HFC的平均消费量与HCFC基线（2009—2010年均值）的65%的总和，根据生态环境部发布的《2024年度氢氟碳化物配额总量设定与分配方案》[37]，中国HFCs的基线总量约为9.05亿吨CO2-eq. 假设未来各个HFCs类物质的消费比例保持不变，根据最新的清单研究结果中各HFCs的消费占比[32]，估算中国HFC-32在基加利情景下的消费基线约为1.85亿吨CO2-eq，此后按照《基加利修正案》[9]的要求在2029、2035、2040、2045年HFC-32消费对比2024年基准消费分别削减10%、30%、50%和80%.
由于基加利情景下HFC-32的消费最终仅削减至基线水平的20%，对实现2060年碳中和目标可能存在较大压力[32]. 本研究采用非线性规划的方法，构建了一种在基加利情景下加速淘汰HFC-32消费且满足较高HFC-32消费需求的碳中和路径. 目标函数及约束条件如下.
式中，P表示2041—2060年的HFC-32消费量之和，本研究设定的情景是满足较高HFC-32消费需求的碳中和减排路径，因此将HFC-32消费量最大作为约束条件之一，本研究将2040—2060年间的HFC-32消费量最大设定为目标函数.
$ {E}_{\mathrm{C}\mathrm{N}} $ 表示CN情景下HFC-32在2060年的排放上限，取值参考参考联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）发布的第六次评估报告中SSP1-2.6[18]的预测情景，$ {E}_{\mathrm{R}\mathrm{C},2060} $ 、$ {E}_{\mathrm{C}\mathrm{R},2060} $ 和$ {E}_{\mathrm{O},2060} $ 分别表示2060年HFC-32在房间空调、工商制冷以及其他行业的排放.$ {K}_{i} $ 为基加利修正案要求的第i年消费量限值，$ {C}_{2040} $ 、$ {C}_{2045} $ 以及分别表示对比基线2040、 2045年HFCs消费的削减比例，$ {C}_{2045+} $ 表示2045年后的每一年相比于前一年的消费削减比例，规划求解约为43%. 各情景的消费削减路径见表2. -
本研究中HFC-32的排放的核算边界为中国境内的HFC-32排放，不考虑出口产品在国外产生的排放. 例如，房间空调行业的排放包括中国生产空调产品在中国充灌导致的排放，以及内销房间空调在全生命周期运行、维修和报废阶段的排放. 针对房间空调和工商制冷行业，本研究参考Bai等[32]采用的中国本地化排放因子，HFC-32排放估算结果与Yao等[38]在2011—2017年大气观测，相对偏差约为1%—46%，除2013年，相对偏差约为1%—16%，这在一定程度上验证了该方法的可靠性. 因此，本研究采用《IPCC2006 国家温室气体清单指南》[39]（以下简称IPCC 2006）方法2a（排放-因子方式）推荐的做法以及Bai等[32]的排放因子，对HFC-32所属产品开展从生产到报废的全生命周期流程的排放估算. 计算公式如下：
其中，
$ {E}_{t} $ 、$ {E}_{t}^{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{i}} $ 、$ {E}_{t}^{\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}} $ 、$ {E}_{t}^{\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}} $ 和$ {E}_{t}^{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{s}} $ 分别代表的是制冷空调在t年的总排放量、初始排放量、运行排放量、维修排放量和报废排放量；$ {C}_{t}^{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{i}} $ 和$ {C}_{t}^{\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}} $ 分别表示制冷空调在t年时的初始和维修消费量；$ {\mathrm{E}\mathrm{F}}_{t}^{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{i}} $ 、$ {\mathrm{E}\mathrm{F}}_{t}^{\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}} $ 、$ {\mathrm{E}\mathrm{F}}_{t}^{\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}} $ 和$ {\mathrm{E}\mathrm{F}}_{t}^{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{s}} $ 分别代表制冷空调初始、运行、维修和报废过程中的排放因子.$ {B}_{t} $ 代表制冷空调在t年年初的库存量；$ {r}_{\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{r}} $ 、$ {r}_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{s}} $ 和$ {r}_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{r}} $ 分别代表制冷空调的维修、报废和存活率.对于其他行业，本研究参考IPCC 2006[36]方法1a（汇总及排放-因子方式），计算公式如下:
式中，
$ {E}_{\mathrm{o},t} $ 表示其他行业的排放量，$ {C}_{t} $ 表示HFC-32在其他行业的总消费量；$ {\mathrm{E}\mathrm{F}}_{t} $ 表示其他行业的排放因子. -
本研究用蒙特卡洛的方法分别估算了BAU、KA和CN情景下排放的不确定性. 考虑了HFC-32的初始消费量、排放因子的不确定性. 对以上参数构建随机抽样函数，每个参数进行
100000 次随机抽样，代入排放方程得到估算的数据集. 计算数据集的均值和标准差. 估计量的95%置信区间为本研究估计量的不确定度范围. 需要说明的是，尽管以往的研究都表明工商制冷行业HFCs消费量与GDP存在显著的相关性[27,31 − 32]，但其仍会引入较大的不确定性. -
如图1所示，如果中国HFC-32不受基加利修正案管控（即BAU情景），随着经济发展和消费需求的增加，HFC-32消费将从2020年的每年1.6亿吨CO2-eq 继续增加，到2060年将达到每年3.6亿吨CO2-eq，约为2020年消费的2.22倍. 值得注意的是，在该情景下，HFC-32的消费需求在2024年以前表现出较快的增长趋势；但随着房间空调行业达到饱和，其新增消费将在2034—2037年期间需求迅速下降；但随着人口的增长，HFC-32总消费需求2038年以后将会呈现缓慢增加的趋势. 2020—2060年间，HFC-32的累积消费需求约为122.8亿吨CO2-eq. 其中，房间空调对HFC-32的消费需求最大，约占HFC-32总累积消费需求的49%（60.4亿吨CO2-eq），工商制冷和其他行业的消费需求占比则相对较低，分别为33%和17%.
如果按照基加利修正案中的淘汰时间逐步消减HFC-32排放（即KA情景），中国需在2024年—2028年间将HFCs消费冻结在基线水平，此后分阶段逐步削减HFCs消费，到2060年消减为基准值的20%，即每年1.9亿吨CO2-eq，相比基线情景淘汰86%（11.6亿吨CO2-eq）的消费. 但其消费仍相对较高，为实现2060年碳中和将带来较大挑战. 因此，若要在2060年达成碳中和目标且完成基加利修正案履约要求，还应进一步加速削减HFC-32的消费. KA情景下，2020—2060年间KA情景下中国HFC-32的累积消费预计约为67亿吨CO2-eq，相比基线情景可累积淘汰56亿吨CO2-eq的消费.
如果执行本研究提出的碳中和情景（即CN情景），中国2060年HFC-32消费约为0，2020年—2060年HFC-32的累积消费将为57.5亿吨CO2-eq，相当于在KA情景基础上进一步削减9.8亿吨CO2-eq. 此外，HFC-32在制冷设备中的维修阶段的消费需求也容忽视. 在CN情景下，HFC-32在维修阶段的累积消费约为12.13亿吨CO2-eq，约占总累积消费的21%，若制冷设备采取更好的密封措施，有助于房间空调维修率的降低，可以进一步降低维修阶段的消费需求，便更有利于2060年碳中和目标的实现和履约任务的完成.
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本研究显示，中国HFC-32库存将从2020年的5.6亿吨CO2-eq迅速增长至2028年的11.4亿吨CO2-eq. 如图2所示，在BAU情景下，HFC-32库存还会逐渐扩大，到2035年将达到16.1亿吨CO2-eq. 此后，由于房间空调行业的消费达到饱和，HFC-32库存增加速度开始放缓，到2060年将达到18.2亿吨CO2-eq，约为2020年的3.25倍. 其中，房间空调行业始终是最主要的库存来源行业，但其占比在BAU情景下逐年下降，工商制冷行业占比逐年上升. 一个主要原因是，在房间空调行业消费达到接近饱和后，工商制冷行业的消费增长率明显高于房间空调行业，因此，尽快淘汰工商制冷HFC-32消费将有效消减库存峰值，进而缓解HFC-32减排压力.
在KA情景下，中国HFC-32库存将于2034年达到峰值14.5亿吨CO2-eq，而后持续下降，到2060年降至3.5亿吨CO2-eq，仅占BAU情景下HFC-32库存的19%. 在CN情景下，HFC-32库存将在KA情景的基础上进一步降低，在2060年降为0.14亿吨CO2-eq，仅是KA情景库存的4%.
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如图3所示，在BAU情景下，中国2020年HFC-32排放量约为每年（0.70±0.05）亿吨CO2-eq ，此后逐年上升，到2035年排放量将达到每年（2.40 ± 0.17）亿吨CO2-eq，相比2020年排放将增长约每年0.16亿吨CO2-eq. 之后由于房间空调行业消费达到饱和，HFC-32排放增长速率放缓至每年0.03亿吨CO2-eq ，到2060年排放达到每年（3.25 ± 0.23）亿吨CO2-eq，相当于2020年的4.63倍. BAU情景下，预计中国2020—2060年将累积排放每年（98.43 ± 6.98）亿吨CO2-eq 的HFC-32，与燃烧33.65亿吨汽油产生的二氧化碳当量相同[39].
在KA情景下，中国HFC-32排放将于2037年达到峰值每年（2.25 ± 0.15）亿吨CO2-eq，此后逐年下降，到2060年排放约为每年（0.58 ± 0.04）亿吨CO2-eq. IPCC SSP-1碳中和情景下2060年全球HFC-32总排放约为每年1.4亿吨CO2-eq，仅中国HFC-32的排放就超过了该情景总排放的33%，会对2060年实现中国和全球的碳中和带来巨大挑战，因此需要制定更严格的减排战略来削减包括HFC-32在内的HFCs物质. 2020—2060年HFC-32的累积排放量为（60.42 ± 4.16）亿吨CO2-eq，与BAU情景相比，可累积避免38.01亿吨CO2-eq排放.
在CN情景下，中国将进一步加速减排HFC-32. 到2060年，中国HFC-32排放仅每年（
0.0656 ± 0.004）亿吨CO2-eq，比KA情景削减99.9%. 2020—2060年中国HFC-32的累积排放量约为（54.976 ± 3.76）亿吨CO2-eq，在KA情景的基础上可额外减排5.45亿吨CO2-eq.需要说明的是，由于中国制冷剂回收工作起步较晚、且无法获得回收的制冷剂数据，本研究假定HFC-32会随着空调产品的报废而直接被排放到大气中，未被有效回收或处置. 未来应重视维修和报废过程中制冷剂的有效回收，并建立制冷剂回收量的统计机制，进一步减少HFC-32的排放量.
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（1）研究建立了HFC-32消费-库存-排放预测模型，并在预测了基线、基加利以及碳中和情景下HFC-32的未来消费、库存以及排放变化趋势. 为HFC-32未来减排战略的制定提供了科学依据，同时对其他国家和地区的HFCs碳中和减排路径研究也有借鉴意义.
（2）在基加利和碳中和情景下，中国将分别避免56.2亿吨和65.3亿吨CO2-eq的HFC-32消费；此外，HFC-32产品的维修消费约占总消费的20%，若增加HFC-32等产品的密封性，可有效减轻碳中目标和基加利修正案履约带来的压力.
（3）仅执行《基加利修正案》的情景下HFC-32在2060年的排放仍有每年（0.58 ± 0.04）亿吨CO2-eq ，这会对2060年碳中和目标带来巨大的挑战. 而本研究提出的碳中和减排路径可在2060年减排HFC-
3243.5 亿吨CO2-eq，执行碳中和战略对《联合国气候变化框架公约<巴黎协定>》的1.5 ℃控温目标具有重要意义.
碳中和背景下中国HFC-32排放预测
Projections of HFC-32 emissions in China with the carbon neutrality
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摘要: 随着中国提出2060年碳中和目标并加入《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，强效温室气体HFCs的排放预测和减排路径研究逐渐受到关注. 本研究针对排放量较大的HFC-32建立了消费-库存-排放预测模型，预测了基线、基加利和碳中和3种情景下，中国2020—2060年HFC-32消费、库存及排放. 结果显示，如果中国不受基加利修正案管控，将在2020—2060年间累积消费HFC-32 达122.8亿吨CO2-eq，库存于2035年达峰值16.1亿吨CO2-eq，排放量于2060年达峰值每年3.6亿吨CO2-eq . 中国如果仅按照基加利修正案的履约要求来逐步淘汰HFC-32，在2060年的排放将仍然有0.58亿吨CO2-eq. 如果按照本研究提出的满足较高HFC-32消费需求的碳中和情景加速淘汰HFC-32，将在顺利完成基加利修正案要求的同时实现HFC-32的近零排放，到
2060 将累积减排HFC-32达43.5亿吨CO2-eq. 上述结果为中国选择HFCs碳中和路径提供了科学依据，建立的相关方法对其他国家和地区也有借鉴意义.Abstract: With China’s goal of achieving carbon neutrality by 2060 and its accession to the Kigali Amendment to the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer, there has been increasing interest in emission projections and emission reduction pathways for the potent greenhouse gas HFCs. In this study, a consumption-bank-emission prediction model was developed for HFC-32,which had a large emission scale, and HFC-32 consumptions, banks, and emissions in China were predicted under three scenarios: Business as usual (BAU), Kigali Amendment (KA), and Carbon neutrality (CN) in China from 2020 to 2060.The results showed that if China were not controlled by the Kigali Amendment, the cumulative consumption of HFC-32 would amount to 12.28 Gt CO2-eq from 2020 to 2060, with banks peaking at 1.61 Gt CO2-eq in 2035 and emissions peaking at 0.36 Gt CO2-eq a−1 in 2060. If China only gradually phases-down HFC-32 according to the compliance requirements of the Kigali Amendment, the emissions in 2060 would still be 0.058 Gt CO2-eq. If China accelerates the phase-down of HFC-32 to meet the high consumption demand for under the carbon neutral scenario proposed in this study, China will achieve near zero emissions of HFC-32 while successfully meeting the requirements of the Kigali Amendment, with cumulative emissions reductions of 4.35 Gt CO2-eq by 2060. These results not only provide a scientific basis for China to choose the pathway of HFCs carbon neutrality, but also the related methods established in this study can also be of reference significance to other countries and regions.-
Key words:
- carbon neutrality /
- HFC-32 /
- global warming /
- emission inventory /
- mitigation pathway
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表 1 基线情景下行业设定和预测方法
Table 1. Pathway settings and forecasting methods in business as usual scenario
行业
Sectors情景描述
Pathway description预测方法
Forecasting methods房间空调 参考生态环境部环境规划院发布的《中国碳达峰碳中和战略及路径研究》[33]，2020—2035年间中国房间空调行业还有较大增长空间，需求持续增加，保有量主要受人均GDP等参数影响. 2035年后房间空调行业消费需求基本饱和，户均保有量维持不变（约每百户221台）[33 − 34]. 保有量-消费预测模型 工商制冷 工商制冷的消费在未来随着GDP的增长持续增加[32, 35 − 36]. 基于GDP的线性回归预测 其他 其他行业消费与HFC-32总消费的比例保持不变 基于最新文献中的其他消费占比进行预测 
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表 2 HFC-32消费的削减时间表
Table 2. HFC-32 consumption phase-down schedules
2029 2035 2040 2045 基加利情景 10% 30% 50% 80% 碳中和情景 10% 30% 59% 87% 注：碳中和情景下，在2045年后每一年HFC-32消费比前一年削减43%. Note: Under the carbon neutrality scenario, after 2045, HFC-32 consumption will decrease by 43% every year compared to the previous year
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