基于環(huán)境問題下新型環(huán)保制冷劑的比較

金孩騫

近年來，隨著環(huán)境問題日益突出，國內(nèi)外學(xué)者一直在加快推進(jìn)R-22制冷劑替代進(jìn)程，制冷劑替代已經(jīng)成為空調(diào)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，新型制冷劑的研究迫在眉睫。目前已全部禁止使用并逐步替代ODP值不為零的制冷劑，朝著GWP降低的方向努力。本文通過分析比較三種較為典型的新型環(huán)保制冷劑：HF0-1336mzz（Z）、R-1234yf以及三元混合（簡(jiǎn)稱NC01），力圖通過分析其性能等因素，得出適用方向，為新型環(huán)保制冷劑的選擇提供一定幫助。

制冷劑行業(yè)發(fā)展背景及分析

制冷劑行業(yè)發(fā)展背景。自1926年托馬斯·米奇尼開發(fā)首臺(tái)氯氟烴機(jī)器以來，氟利昂系列制冷劑進(jìn)入快速發(fā)展階段；1970年代中期，大氣臭氧層的破壞發(fā)現(xiàn)后，致使《蒙特利爾協(xié)議書》簽訂；1990年代人們意識(shí)到全球變暖對(duì)地球構(gòu)成嚴(yán)重威脅，促使《聯(lián)合國氣候變化公約》誕生；進(jìn)入21世紀(jì)，開發(fā)新型環(huán)保制冷劑代替原有制冷劑已成為全球熱門話題。在有機(jī)制冷劑行業(yè)領(lǐng)域，歐美國家在開發(fā)臭氧層消耗潛值（ODP）為零、全球溫室效益潛值（GWP）低的新型環(huán)保制冷劑已經(jīng)走在世界前列。

背景分析制冷劑的發(fā)展始終圍繞環(huán)境安全性能和制冷性能兩個(gè)方面來進(jìn)行，環(huán)境安全性能體現(xiàn)在臭氧層消耗潛值（ODP）、全球溫室效益潛值（GWP）、毒性、易燃性、易爆性，生產(chǎn)和使用時(shí)的能耗及在產(chǎn)生C02方面等方面。制冷劑性能主要由其物性決定，比如蒸氣壓、蒸發(fā)焓、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、表面張力等，還與潤(rùn)滑劑的腐蝕性、穩(wěn)定性相關(guān)。理想的制冷劑應(yīng)具有對(duì)地球變暖影響較小、對(duì)臭氧層無破壞、有一定化學(xué)穩(wěn)定性、有良好的熱物理性質(zhì)等一系列符合要求的優(yōu)點(diǎn)。

氯氟烴類目前已被全面禁止使用，氫氯氟烴類整體上將在2040年全面淘汰，ODP為零，GWP較高的氫氟烴類在歐洲國家已被限制使用，目前汽車內(nèi)空調(diào)中唯一ODP為零的制冷劑為R134a，但其GWP值高達(dá)1300，前景不佳。從2017年起，歐洲將全面禁止GWP>150的含氯氣體用于所有新出廠的汽車空調(diào)器中，這表明氫氟烴類制冷劑在未來只能走下坡路的趨勢(shì)。為了適應(yīng)歐美的新制度體系，這要求我國出口到歐洲的汽車必須具備符合要求的制冷劑，因此我國研發(fā)ODP為零，GWP<150的新型環(huán)保制冷劑迫在眉睫。第四代制冷劑代表R1234yf由于其ODP為零，GWP較小的優(yōu)點(diǎn)被國際上普遍認(rèn)可，除R1234yf制冷劑外，還有許多新型環(huán)保制冷劑正在研發(fā)研究中，例如I-IF0-1336mzz（Z）、三元混合（簡(jiǎn)稱NC01）等。

HF0-1336mzz （Z）制冷劑的性能及應(yīng)用分析

HF0-1336mzz（Z）制冷劑的性能分析

HF0-1336mzz（Z）制冷劑的大氣壽命明顯低于目前廣泛使用的HFCs制冷劑，且安全等級(jí)為Al級(jí)，對(duì)人身體無害，同時(shí)其沸點(diǎn)溫度接近于常溫，采用HFO-1336mzz（Z）制冷劑在工作時(shí)系統(tǒng)壓力不高，這在一定程度上節(jié)約成本。另外，根據(jù)Kontomaris等人用直接成分分析法測(cè)量HF0-1336mzz（Z）在250℃下經(jīng)過1d、7d、14d后在剩余液體中的氟離子和氯離子濃度，結(jié)果顯示HF0-1336mzz（Z）的熱力學(xué)穩(wěn)定性非常好。

HF0-1336mmz（2）制冷劑應(yīng)用分析

結(jié)合表1分析可知：HF0-1336mzz（Z）制冷劑的臨界溫度和臨界壓力較高，更適合于高溫制冷系統(tǒng)或高溫?zé)岜孟到y(tǒng)。目前HF0-1336mzz（Z）制冷劑應(yīng)用主要體現(xiàn)在純質(zhì)和混合流體的應(yīng)用：純質(zhì)上相對(duì)來說，在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，孔托馬里斯曾在離心式冷卻器中將HFO-1336mzz（Z）和CFC-114進(jìn)行比較分析得出兩者具有相似的制冷能力和性能系數(shù)，考慮到前者GWP值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者，因此，HF0-1336mzz（Z）制冷劑具有良好的前景。

R-1234yf制冷劑的性能及應(yīng)用

R-1234yf制冷劑的性能分析

R-1234yf制冷劑的大氣壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前使用的HFCs制冷劑，其安全等級(jí)為A2，具有較低可燃性和較低毒性，其ODP為零，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞性，GWP僅為4，相對(duì)于前幾代制冷劑來說更利于保護(hù)環(huán)境。R-1234yf制冷劑泄漏時(shí)相對(duì)C02的排放量為5.3，與R22的排放量1810相比，C02減排比例可達(dá)99.7%，綜合環(huán)境性能較好。因R-1234yf制冷劑的臨界溫度和R22的臨界溫度96.240C相近，這對(duì)取代R22也是一個(gè)重要的參考依據(jù)。因此廣泛推廣R-1234yf制冷劑作為代替R22的工質(zhì)，在環(huán)保性能上有很大優(yōu)勢(shì)。

R-1234yf制冷劑應(yīng)用分析

結(jié)合表2分析可知：R-1234yf制冷劑由金聽祥等通過毛細(xì)管和充注量?jī)?yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證了R-1234yf比R22的衰減率低10%左右，在高溫工況下COP較R22高2%，排氣溫度比R22平均降低9.80C，可認(rèn)為有潛力代替R22。因其運(yùn)行壓力、排氣壓力、排氣溫度低等優(yōu)點(diǎn)，理論上可以應(yīng)用于家用單元式空調(diào)和車載空調(diào)領(lǐng)域。

NC01混合制冷劑的性能及應(yīng)用

NC01混合制冷劑的性能分析。新型GWP制冷劑（簡(jiǎn)稱NC01）是由R1234ze（E）、R134和R32組成，其質(zhì)量混合比分別為17%、33%和50%，作為一種新型制冷劑，表3列出了NC01制冷劑一些基本物力性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)。

NC01混合制冷劑的臨界溫度、臨界壓力和標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)都與R22工質(zhì)的性質(zhì)相近，其露點(diǎn)溫度與R22接近，安全性為無毒無燃，因其為新型混合制冷劑，還在研究當(dāng)中，因此安全性能不能保證。NC01混合制冷劑的ODP為零，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞性，GWP為755，相比較R22工質(zhì)而言，NC01混合制冷劑的GWP值比R22降低了57%，其汽化潛熱值比R22高，這對(duì)于提高制熱量有一定幫助。

NC01混合制冷劑的應(yīng)用分析。作為新一代新型混合制冷劑，NC01是由R1234ze（E）、R134和R32制冷劑按照一定比例混合而成。趙玉清等人曾在水源熱泵機(jī)組對(duì)其進(jìn)行灌注式實(shí)驗(yàn)，與被替代制冷劑R22進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：新工質(zhì)制熱量比R22平均高5—11%左右，其性能系數(shù)COP值隨著進(jìn)水溫度的提高而增大，當(dāng)冷水溫度高于23℃時(shí)，其COP值上升到與R22齊平，而NC01制冷劑COP上升曲線斜率比R22大，這就說明在溫度較高的地方NC01制冷劑的制熱性能比R22好。NC01混合制冷劑原理上可以應(yīng)用到熱泵系統(tǒng)中，但由于其還在研究開發(fā)中，無論是安全性還是其他因素還不夠穩(wěn)定，當(dāng)前其應(yīng)用的范圍較狹隘，有必要深入研究其成為替代R22制冷劑的可行性。

綜上所述，本文從性能參數(shù)方面人手，歸納了HF0-1336mzz（Z）、R-1234yf和NC01三種較為典型的新型環(huán)保制冷劑在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1）從研究層面來看：目前替代R22的新型環(huán)保制冷劑的研究大多處在理論層面，試驗(yàn)較少，筆者認(rèn)為將理論和試驗(yàn)相結(jié)合，才具有說服力。

2）從應(yīng)用方向來看：HF0-1336mzz（Z）制冷劑比較其他兩種而言，具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，更適用干高溫制冷或熱泵系統(tǒng)；R-1234yf制冷劑具有運(yùn)行排氣壓力、排氣溫度低等優(yōu)點(diǎn)，適用于家用單元式空調(diào)和車載空調(diào)領(lǐng)域；NC01混合制冷劑的制熱性能較好，原理上可以應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)。

3從未來發(fā)展趨勢(shì)來看：HF0-1336mzz（Z）制冷劑具有優(yōu)異的熱力學(xué)性能，并且對(duì)環(huán)境友好，其發(fā)展前景較好；R-1234yf制冷劑因知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常見替代R22的制冷劑，這對(duì)于長(zhǎng)期推廣市場(chǎng)化有一定難度，因此，國內(nèi)若想使用該類性能優(yōu)良但價(jià)格昂貴的制冷劑，需加快對(duì)其制備研究，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這樣才能更好的市場(chǎng)化推廣；NC01混合制冷劑盡管具有較好的制熱性，但由于對(duì)其研究較少，安全性等不確定因素較多，未來短期時(shí)間內(nèi)不會(huì)有太大的發(fā)展趨勢(shì)。