【HETA】制冷空调用制冷剂的选择

2017年，制冷剂两件大事：一个是涨价，另一个是部分制冷剂的限制使用。今天我们就来看一看空调制冷剂的选择。

一：制冷空调用制冷剂现状

从上世纪开始，同温层臭氧层的消耗和全球气候变暖对环境的破坏，已经成为当前全球所面临的主要环境问题。

对于空调业，由于冷水机组使用的制冷剂CFC、HCFC、HFC等对环境造成不同程度的破坏，因此引起了业内外人士的普遍关注。

从表1中看出常用的化学制冷剂（碳氟化合物）对环保均有负面影响，大气寿命越长，影响越大。而天然制冷剂CO2、氨、丙烷等在易燃性、成本、能效等方面也存在弱点（见图2），因此目前还未找到完美的制冷剂。

若把常用制冷剂的ODP和GWP放在一起比较（见图3），可以看出：CFC11、CFC12的ODP和GWP值都很高，最早淘汰；HFC虽然是零ODP，但GWP偏高；R152a、R32看来很理想，但是易燃的；HCFC类当中的HCFC-123的ODP和GWP值都很低，其大气寿命最短 (见表1)，而且HCFC-123离心机的技术能达到最高的效率和最低的排放量,因此是目前离心式冷水机组最适宜的制冷剂。

制冷剂的环保特性还与冷水机组的能效相关，冷水机组耗电产生CO2排放，造成全球气候变暖的间接影响。95%的全球变暖潜在影响是由于设备能耗产生的CO2排放（见图4）。

二：国内外相关的政策和研究

《蒙特利尔议定书》缔约方第19次会议达成分阶段加速淘汰氢氯氟烃(HCFCs)的调整方案，时间表整体上提前了大约10年，在2030年完成生产量与消费量的逐步淘汰, 在2030-2040年期间允许有平均每年2.5％的数量供维修用。

美国消减HFC立法活动包括：

1、利伯曼华纳参议院法案（2008年第二季度提交）在2037年前将减少70％HFC供应；

2、瓦克斯曼-马基法案（ 2009年第二季度众议院通过）在2033年前将减少85％HFC供应；

3、2009年8月，美国在“Information concerning current and potential substitutesfor HFCs”一文中明确提出HFC替代方案。美国环保局分析了在技术上和经济上可行的某些行业的HFC 替代方案。减少HFC消费的最有前途选择包括：

1）在众多应用领域，采用低GWP或无GWP的物质替代HFC（在满足安全和性能要求条件下）；

2）实施新技术显著降低HFC的消费量，并在制造、使用和报废含有HFC设备的过程中，采用各种加工和处理方案降低HFC的消费量；

3）当前和潜在的减少HFC的选择见表2；

欧盟2006年通过消减HFC的规章：

在2011年新车所用的HFCs-GWP不能超过150；目前HFCs禁用范围从汽车空调延伸到商用制冷系统。

日本空调制冷报（JARN杂志）于2009年1月25日发表了对美国环保署（EPA）代表的专访“美国环保署大力支持使用低GWP的新制冷剂” （见图5）。

国标《制冷剂编号方法和安全性分类》GB/T7778-2008采用综合评估方法来评估制冷剂对环境影响，通过制冷剂的ODP、GWP、大气寿命等现有数据，按公式（1）规定的计算方法进行评估。若式（1）的计算结果≤ 100，则为环境友好制冷剂。

LCGWP + LCODP*100,000 ≤ 100 （1）

其中LCODP：寿命周期臭氧层消耗潜值指数

LCGWP：寿命周期直接全球变暖潜值指数

由于公式（1）计算出R134a或R123机组的结果≤ 100，故根据《制冷剂编号方法和安全性分类》GB/T 7778-2008规定，R134a或R123均属于环境友好制冷剂；根据LEED-NC标准，R134a或R123机组均能获得评分。

三：负责任地使用制冷剂

由于目前还未找到完美的制冷剂，现有的机组中仍大量使用对环保不利的制冷剂。因此保护大气臭氧层和抑制全球气候变暖的最有效手段是更新技术，最大限度地减少制冷剂的充注量和泄漏量。

1、选择制冷剂充注量少机组

评价指标：单位制冷量制冷剂充注量。LEED认证中机组默认值为2.5磅/冷吨，除非有机组实际数据。表3和表4分别列出离心机组和水冷螺杆机的单位制冷量制冷剂充注量，表中数据摘自不同厂家的样本。

2、选择制冷剂泄漏率低的机组

评价指标：制冷剂年泄漏率；LEED认证中机组默认值为2% ，除非有机组实际数据。目前仅极少数厂家能提供权威机构认可的数据。

3、建立制冷剂回收与再生的管理体制

加强行业管理与监督，一些知名企业已实施制冷剂回收与管理制度。

4、选择空调用制冷剂的技术指标

基于保护大气臭氧层和全球气候变暖的需要，选择制冷剂时，应对以下特性进行综合评价：

1) 消耗臭氧潜能值（ODP）

2) 全球变暖潜能值（GWP）

3) 性能系数（COP）

4) 大气寿命

5) 安全性

6) 密封性

7) 经济性

5、选择空调用制冷剂的技术要求

制冷剂的特性不仅影响制冷循环的技术经济指标，而且与制冷装置及运行管理密切关系；选择制冷剂时，建议考虑以下因素：

1) 冷凝压力与蒸发压力之比不要过大，以免压缩机排气温度过高、输气系数过低。

2) 制冷剂的临界温度要高，以便于利用常温水或空气进行冷却。

3) 制冷剂的凝固温度要适当低一些，以便得到较低的蒸发温度。

4) 制冷剂的单位容积制冷量要大，这样可以减小压缩机的尺寸。

5) 制冷剂的热导率要高，这样可以提高换热器的传热系数，减少传热面积，使换热设备的金属耗量减少。

6) 密度和粘度都小，这样有利于减少在系统中的流动阻力。

7) 制冷剂对金属设备、管路和附件没有腐蚀和浸蚀作用。

8) 稳定性好，在高温下不分解，不改变其物理-化学性能，与润滑油不起化学作用。

9) 不燃、不爆，不具毒性和刺激性，对人的生命和健康无危害。

10) 易于取得，且价格便宜。

6、 HFC替代物的研究

欧洲喜欢选用天然制冷剂，如CO2，它的特点如下：

CO2优点

1) 环保性好：ODP=0， GWP=1

2) 经济性好：来源广，成本低廉

3) 化学稳定性好：与水混合时呈弱酸性，腐蚀性弱

4) 安全性好：无毒、不可然

5) 热物理性能：单位容积制冷量大，压缩机及部件尺寸较小

CO2缺点

1) 高临界压力和低临界温度使其制冷应用受限

2) 常规空调的制冷效率低，但应用于热泵热水器中能效高

3) CO2浓度过高导致呼吸器官损害，甚至窒息死亡

7、我国的HCFCs替代工作

我国工商制冷行业2015年前淘汰HCFCs方案见表5，主要淘汰R22，其约占HCFCs制冷剂消费量99%。R123 离心机不在淘汰之列。

常用的R22替代制冷剂特性见表6，R290成本最高，可燃性高；R32制冷量最大，可燃性较高。

由于尚未找到非常理想的制冷剂，因此根据用途和工作条件，在满足主要要求的前提下，采取措施弥补其不足之处。

四：未来的技术发展

制冷剂的变迁与淘汰经历了四个阶段，如图6所示。全球变暖是当前最迫切解决的首要问题。