低GWP制冷劑在熱泵行業(yè)的應(yīng)用分析

謝酈卿 李愛國(guó) 黃之敏

XIE Liqing LI Aiguo HUANG Zhimin

上海海立電器有限公司 上海 201206

Shanghai Highly Electrical Appliances Co., Ltd. Shanghai 201206

1 引言

空氣源熱泵產(chǎn)品在2002年前后自中國(guó)南方廣東登陸，憑借其節(jié)能、環(huán)保等特性在長(zhǎng)江以南地區(qū)迅速發(fā)展。在國(guó)內(nèi)熱泵行業(yè)發(fā)展初期，R22的產(chǎn)品占據(jù)超過70%的市場(chǎng)份額，R22是熱泵行業(yè)使用最為廣泛的HCFC類物質(zhì)。據(jù)報(bào)道，中國(guó)在2010年HCFC類物質(zhì)生產(chǎn)總量占全球的78.5%，使用量占全球的48.4%[1]。

隨著世界各國(guó)對(duì)于環(huán)境問題的日益關(guān)注，基于對(duì)ODP（臭氧層破壞能力）和GWP（全球變暖潛能值）值的考慮，率先對(duì)高ODP的HCFC類產(chǎn)品制冷劑進(jìn)行了加速淘汰。2007年9月《蒙特利爾議定書》第19次締約方會(huì)議通過了加速淘汰HCFCs的調(diào)整方案（見表1）。中國(guó)已完成了HCFCs加速淘汰第一階段的目標(biāo)，正在向?qū)崿F(xiàn)第二階段的目標(biāo)邁進(jìn)。

表1 《蒙特利爾議定書》關(guān)于HCFCs淘汰時(shí)間表

2016年10月，國(guó)際社會(huì)在《蒙特利爾議定書》框架下圍繞溫室氣體HFCs的削減達(dá)成了新的基加利修正案。經(jīng)過廣泛協(xié)商，基加利修正案最終確定了包括R134a、R32、R125等在內(nèi)的18種HFCs受控物質(zhì)。中國(guó)等主要發(fā)展中國(guó)家，自2024年開始凍結(jié)，2029年削減10%，最終2045年實(shí)現(xiàn)削減80%，如圖1所示[2]。

圖1 2016年《蒙特利爾議定書》基加利修正案中規(guī)定的中國(guó)HFCs類制冷劑的限控時(shí)間

2 全球熱泵相關(guān)行業(yè)低GWP制冷劑政策法規(guī)

隨著基加利修正案的通過，熱泵行業(yè)主流制冷劑，如R134a、R410A等已經(jīng)被列入受控物質(zhì)范圍，行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展必須充分考慮制冷劑的替換，未雨綢繆。

2.1 歐洲熱泵相關(guān)行業(yè)低GWP制冷劑政策法規(guī)

歐洲熱泵相關(guān)行業(yè)的F-GAS限制如表2所示。

表2 歐洲熱泵相關(guān)行業(yè)的F-GAS限制

更重要的是，歐盟規(guī)定市場(chǎng)銷售的所有制冷劑預(yù)充設(shè)備必須持有歐盟配額，其GWP值范圍覆蓋所有制冷劑。也就是說(shuō)，設(shè)備廠商必須購(gòu)買相應(yīng)配額以銷售產(chǎn)品，當(dāng)產(chǎn)品使用的制冷劑GWP值越高，設(shè)備廠商將付出更高的費(fèi)用。該方案從2017年1月1日就開始正式實(shí)施。圖2中展示了EPEE（歐洲能源與環(huán)境合作伙伴協(xié)會(huì)）在2018年發(fā)布的高GWP制冷劑的價(jià)格走勢(shì)，受歐盟F-GAS政策影響，2017年開始，R410A、R134a等當(dāng)前常用制冷劑價(jià)格顯著提升[3]。

圖2 R404A、R407C、R410A、R134a自2014到2018年2季度的價(jià)格走勢(shì)

2.2 日本熱泵相關(guān)行業(yè)低GWP 制冷劑政策法規(guī)

據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和環(huán)境省估計(jì)，到2020年日本的HFC類物質(zhì)排放量將達(dá)到2010年的2倍，制冷與空調(diào)將會(huì)成為主要的排放來(lái)源。日本內(nèi)閣于2013年4月19日批準(zhǔn)了修改現(xiàn)有《氯氟烴回收與銷毀法》的議案，新法明確區(qū)分HFC類物質(zhì)生產(chǎn)商、設(shè)備制造商及用戶的責(zé)任，建立相應(yīng)的檢漏及管理機(jī)制，并鼓勵(lì)使用低GWP制冷劑[4]。

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI）2015年4月1日開始全面實(shí)施新的F-gas含氟氣體法案，聚焦在用量較大的應(yīng)用領(lǐng)域，如家用空調(diào)、機(jī)柜等，具體如表3所示。

表3 日本熱泵相關(guān)行業(yè)的F-GAS限制

2.3 美國(guó)熱泵相關(guān)行業(yè)低GWP制冷劑政策法規(guī)

美國(guó)環(huán)保署（SNAP）在2015年7月公布了高GWP制冷劑的去除方案，如表4所示。

表4 美國(guó)熱泵相關(guān)行業(yè)的高GWP制冷劑限制

2015年6月，中國(guó)發(fā)表應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家自主貢獻(xiàn)文件《強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)——中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)》，中國(guó)確定的2020年行動(dòng)目標(biāo)是：?jiǎn)挝粐?guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。2030年行動(dòng)目標(biāo)是：二氧化碳排放2030年左右達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰；單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005下降60%～65%。

使用更低GWP的制冷劑成為當(dāng)前全球制冷劑替代技術(shù)的首要訴求，歐洲的F-GAS政策已經(jīng)對(duì)高GWP制冷劑價(jià)格造成重大影響。從全球各個(gè)國(guó)家的制冷劑限制政策中也可以發(fā)現(xiàn)，GWP 750/150可以看作中期和長(zhǎng)期制冷劑限制政策的分界值。

3 低GWP制冷劑在熱泵行業(yè)的應(yīng)用分析

3.1 國(guó)內(nèi)熱泵行業(yè)制冷劑應(yīng)用分析

根據(jù)中國(guó)熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在2018年發(fā)表的熱泵行業(yè)發(fā)展和展望的報(bào)告中指出：熱泵行業(yè)主要細(xì)分市場(chǎng)集中在生活熱水以及清潔取暖行業(yè)，熱泵烘干市場(chǎng)目前市場(chǎng)容量占比不到4%，如圖3所示。

圖3 2015-2017年熱泵行業(yè)細(xì)分市場(chǎng)占比

因此本文主要針對(duì)生活熱水和清潔取暖領(lǐng)域的制冷劑應(yīng)用進(jìn)行分析，并進(jìn)一步將熱泵熱水區(qū)分為高溫?zé)岜煤推胀岜?，詳?xì)如表5所示。

表5 熱泵行業(yè)細(xì)分市場(chǎng)及運(yùn)行特點(diǎn)

R22作為高ODP制冷劑已經(jīng)無(wú)法長(zhǎng)期使用，因此熱泵行業(yè)的低GWP制冷劑主要是針對(duì)R134a、R410A而言的，由于這兩種制冷劑的細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域存在差異，后文分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 適用于替換R134a的低GWP制冷劑分析

表6 R134a及其替換制冷劑特性

對(duì)于普通熱泵來(lái)說(shuō)，以GWP 750/150作為分界，R134a的主流替換制冷劑主要為中短期的R450A和R513A，進(jìn)一步比較這兩種制冷劑在A/T工況（冷凝溫度54.4℃，蒸發(fā)溫度7.2℃，過冷度8.3℃，吸氣溫度35℃）下單位能力和理論COP（見圖4），可以看到R513A單位能力與R134a基本一致，但是理論性能略有下降；R450A則相反。但是兩者與R134a相差幅度接近，因此廠家可以根據(jù)系統(tǒng)匹配結(jié)果、油品相容性等選擇合適的冷媒。R1234ze和R1234yf作為GWP超低的替換制冷劑，是R134a的較為理想的長(zhǎng)期替換品。R1234yf單位能力與R134a接近，但是理論性能略有下降，與R513A相當(dāng)；R1234ze在AT工況下的單位制熱能力約為R134a的75%，但是理論性能優(yōu)勢(shì)大，系統(tǒng)需要相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，由于這兩種制冷劑都屬于A2L類范圍，其充注量受到限制，會(huì)阻礙機(jī)組能力提升；若用于小型家用系統(tǒng)，充注量擔(dān)憂則可規(guī)避。此外，R1234yf目前在歐美國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)領(lǐng)域，對(duì)于緩解其高價(jià)位或有幫助。

圖4 R134a及其替換制冷劑的制熱能力和COP對(duì)比

對(duì)于高溫?zé)岜脕?lái)說(shuō)，首要關(guān)注臨界溫度，這四種制冷劑都可以較好的滿足，其中R1234ze臨界溫度最高。同樣以GWP 750/150作為分界，中短期的替換方案選擇R450A、R513A比較合適，長(zhǎng)期需要考慮R1234ze、R1234yf。針對(duì)兩種長(zhǎng)期替換制冷劑，分別比較其在25℃蒸發(fā)溫度，冷凝溫度不斷上升時(shí)候的單位制熱能力和制熱效率（見圖5和圖6）?？梢钥吹絉1234yf隨著冷凝溫度上升，容積制熱能力從90%下降到80%左右，R1234ze基本穩(wěn)定在75%；在制熱效率上R1234yf隨著冷凝溫度上升，制熱效率從95%下降到88%，R1234ze則基本維持在100%。

圖5 R134a、R1234ze、R1234yf的容積制熱能力對(duì)比

3.3 適用于替換R410A的低GWP制冷劑分析

對(duì)于普通熱泵來(lái)說(shuō)，隨著房間空調(diào)器領(lǐng)域R410A替代R22的大規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用，越來(lái)越多的熱泵企業(yè)推出R410A的熱泵熱水產(chǎn)品，但是R410A的GWP接近2000，需要考慮合適的替換冷媒。熱泵熱水器的運(yùn)行模式為全年高水溫運(yùn)行，R32在同等情況下排氣溫度要高出R410A 15℃以上，因此不建議在不修改運(yùn)行范圍的情況下直接替換R410A制冷劑使用。此處主要對(duì)比R410A、R452B、R454B、R454C這幾種冷媒在A/T工況下的情況，如圖7所示。

圖6 R134a、R1234ze、R1234yf的制熱效率對(duì)比

表7 R410A及其替換制冷劑特性

圖7 R410A及其替換制冷劑的制熱能力和COP對(duì)比

（1）R452B的單位能力與R410A最為接近，性能上也略優(yōu)于R410A，兩者在所選冷凍機(jī)油差別不大的情況下，可以作為R410A的“DROP IN”型（直接灌入系統(tǒng)）替換制冷劑。R454B的能力略有下降，但是其GWP與R410A相比下降1/3，在GWP政策較為嚴(yán)格的歐洲市場(chǎng)，能有效減少企業(yè)向政府支付的碳稅，有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

（2）R454C的GWP已經(jīng)突破150的極限，可以做為未來(lái)長(zhǎng)期替換的制冷劑儲(chǔ)備。但是需要注意，R454C的單位能力在AT工況下比R410A降低1/3，系統(tǒng)需要有較大調(diào)整。同時(shí)在溫度滑移方面，R454C有7℃溫度滑移，不利于系統(tǒng)匹配。當(dāng)然相比其他低GWP制冷劑，如R290，其優(yōu)勢(shì)在于安全系數(shù)為A2L，生產(chǎn)廠家的設(shè)備調(diào)整幅度相對(duì)較小，可以作為過渡階段的一種替換制冷劑考慮。

對(duì)于低溫環(huán)境熱泵來(lái)說(shuō)，則更關(guān)注各種冷媒在冬季的表現(xiàn)情況。現(xiàn)有國(guó)內(nèi)的低溫環(huán)境熱泵設(shè)備有兩大類型，一是以北京地區(qū)為主的家用熱泵水機(jī)，采暖季的長(zhǎng)期運(yùn)行的冷凝溫度在50℃～55℃；二是以北京以外的二三線城市使用的熱風(fēng)機(jī)，其使用環(huán)境與北京地區(qū)接近，其冷凝溫度一般在35℃～40℃。比較名義環(huán)境溫度在-12℃下，分別使用這兩種熱泵采暖設(shè)備時(shí)，各種制冷劑的表現(xiàn)情況，如圖8所示。

圖8 R410A、R32及其替換制冷劑在低溫采暖時(shí)的制熱能力和COP對(duì)比

（1）在使用水機(jī)作為采暖終端時(shí)，R32的理論排氣溫度達(dá)到124℃，實(shí)際排氣溫度在高壓比工況下會(huì)達(dá)到150℃以上。此時(shí)即使采用國(guó)內(nèi)采暖設(shè)備中常用的補(bǔ)氣增焓技術(shù)進(jìn)行降溫，降溫幅度一般在20℃～30℃，仍然超過壓縮機(jī)的正常工作溫度。若采用噴液方式，雖然可以有效降低壓縮機(jī)排氣溫度，但是噴液量在系統(tǒng)中難以控制，不利于系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。此外，噴液降溫非但對(duì)機(jī)組制熱量提升沒有幫助，也會(huì)增加壓縮機(jī)額外功耗，帶來(lái)機(jī)組能效的降低。因此R32制冷劑應(yīng)用于低溫采暖水機(jī)系統(tǒng)是不合適的。當(dāng)使用熱風(fēng)機(jī)作為采暖終端時(shí)，由于出風(fēng)溫度要求降低，R32制冷劑的實(shí)際排氣溫度通過補(bǔ)氣增焓等手段，可以控制在110℃以內(nèi)，熱泵系統(tǒng)可以長(zhǎng)期溫度運(yùn)行。因此，R32作為中期替換制冷劑，憑借其高單位能力，相對(duì)較低GWP，適用于部分熱泵熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，但是無(wú)法用于采暖水機(jī)終端系統(tǒng)。

（2）R452B和R454B的對(duì)比情況和在普通熱泵中接近，兩種冷媒都是替換R410A比較合適的中短期制冷劑，在熱泵水機(jī)和熱泵熱風(fēng)機(jī)兩種主流終端均有較好的適用性。

（3）R454C由于其臨界溫度高于其他幾種冷媒，可以保證更高的出水溫度。因此雖然其單位能力相比R410A有較大降低，但是若考慮需要對(duì)應(yīng)較高出水溫度的采暖+熱泵一體機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合，具有更大溫度優(yōu)勢(shì)。

3.4 天然制冷劑分析

3.4.1 R290

在我國(guó)的空調(diào)領(lǐng)域，R290一直是國(guó)家環(huán)保部門以及家用電器協(xié)會(huì)力推的替換R22的純天然制冷劑。R290的GWP為0，對(duì)環(huán)境友好，臨界溫度可達(dá)96.7℃，本身單位容積制冷量和性能與R22接近，且同等工況下排氣溫度比R22要低10℃以上，因此無(wú)論在普通熱泵還是低溫采暖，R290都能滿足高出水溫度和低環(huán)境溫度的使用需求，具有其特有的優(yōu)勢(shì)。如表8所示，為R22與R290的基本特性理論特性以及在A/T工況下性能比較。

表8 R22與R290的基本特性和理論性能

但是由于R290是A3類制冷劑，各國(guó)對(duì)于其大規(guī)模市場(chǎng)化使用一直在持續(xù)探索中，隨著針對(duì)R290系統(tǒng)的安全措施不斷升級(jí)完善，2019年5月9日，IEC宣布正式批準(zhǔn)將標(biāo)準(zhǔn)IEC 60335-2-89下自含式商用制冷陳列柜的A3類制冷劑充注量限制從150 g提升到500 g。這表明IEC從技術(shù)措施到安全性，對(duì)于可燃制冷劑的認(rèn)識(shí)正在逐步提升。

在歐洲，R290在熱泵型干衣機(jī)已經(jīng)有多年市場(chǎng)實(shí)績(jī)，伴隨IEC標(biāo)準(zhǔn)的放寬，相信R290制冷劑在歐洲的推廣會(huì)更為順暢。國(guó)內(nèi)對(duì)于R290制冷劑的推廣應(yīng)用始終未曾間斷，預(yù)計(jì)在2019冷年將會(huì)實(shí)現(xiàn)20萬(wàn)以上的空調(diào)銷售。

在各方的積極推動(dòng)下，隨著R290充注量在越來(lái)越多的領(lǐng)域放開，以及系統(tǒng)安全措施的不斷升級(jí)，R290或?qū)⒊蔀闊岜眯袠I(yè)的長(zhǎng)期使用的終極制冷劑之一。

3.4.2 CO2（R744）

CO2的ODP為0，GWP基本為0，對(duì)環(huán)境友好。同時(shí)，CO2的臨界溫度為31.3℃，與環(huán)境溫度接近，CO2的制冷循環(huán)高溫放熱溫度必須高于此溫度才能實(shí)現(xiàn)放熱。故CO2制冷循環(huán)為跨臨界循環(huán)，放熱過程位于超臨界區(qū)域進(jìn)行，蒸發(fā)過程位于亞臨界區(qū)域進(jìn)行[6]。

如圖9所示，位于超臨界區(qū)域的CO2放熱過程為變溫過程，有較大的溫度滑移，該滑移過程正好和加熱水所需的變溫?zé)嵩聪嗥ヅ洌?dāng)用于熱泵循環(huán)時(shí)有很高的傳熱效率。

圖9 CO2跨臨界循環(huán)溫-熵圖[6]

與使用普通制冷劑的壓縮機(jī)相比，CO2跨臨界循環(huán)壓縮機(jī)具有工作壓力高、壓差大、壓比小，此外其還有運(yùn)動(dòng)部件間隙難以控制、潤(rùn)滑較困難等特點(diǎn)。CO2壓縮機(jī)與現(xiàn)有其他冷媒壓縮機(jī)相比，無(wú)論在生產(chǎn)線改造還是零部件統(tǒng)一上都存在較大困難。因此CO2壓縮機(jī)的研究開發(fā)以及批量生產(chǎn)一直是技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。在系統(tǒng)配件和管路等方面也因?yàn)樾枰m應(yīng)其高壓力的運(yùn)行特點(diǎn)，成本居高不下。

CO2雖然從物性上在熱泵行業(yè)有較好的適用性，但是距離市場(chǎng)化推廣還缺乏足夠的政策驅(qū)動(dòng)力，相比R290，短期內(nèi)很難預(yù)見其在熱泵行業(yè)的市場(chǎng)化跡象。

4 低GWP制冷劑在熱泵行業(yè)的替換趨勢(shì)分析

在熱泵行業(yè)，主要細(xì)分領(lǐng)域包括高溫?zé)岜谩⑵胀岜煤蜔岜貌膳?。?dāng)前形勢(shì)下，R22作為高ODP制冷劑已經(jīng)無(wú)法長(zhǎng)期使用，因此熱泵行業(yè)的低GWP制冷劑主要是針對(duì)R134a、R410A而言的，這兩種制冷劑貫穿在這三大細(xì)分領(lǐng)域，交叉使用，這三大主流制冷劑的應(yīng)用和替換趨勢(shì)分析如下：

（1）對(duì)于R134a來(lái)說(shuō)，其在高溫?zé)岜煤推胀岜妙I(lǐng)域均有較好的適用性，隨著發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是歐洲對(duì)低GWP的HFC類制冷劑持續(xù)關(guān)注，R450A、R513A將成為短期內(nèi)較為理想的解決方案，并且已經(jīng)擁有批量實(shí)績(jī)，對(duì)于后續(xù)的大范圍使用具有一定的示范作用；R1234ze，R1234yf作為長(zhǎng)期替換R134a的制冷劑有較大優(yōu)勢(shì)，同樣值得關(guān)注。

（2）對(duì)于R410A和R32來(lái)說(shuō)，由于R32的排氣溫度在同等情況下要高出R410A 15℃以上，在主流熱泵領(lǐng)域主要使用還是R410A，其中短期的低GWP替換制冷劑包括R452B、R454B。R452B針對(duì)R410A具有“DROP IN”（直接灌入系統(tǒng)）的優(yōu)勢(shì)；R454C則具有更低的GWP值，相比R410A降低1/3。R454C的GWP在150以下，可以作為長(zhǎng)期替換制冷劑的選項(xiàng)之一。在低溫采暖領(lǐng)域，R32作為中期替換制冷劑，憑借其高單位能力，相對(duì)較低GWP，適用于部分熱泵熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，但是無(wú)法用于水機(jī)終端系統(tǒng)。R452B、R454B、R454C則呈現(xiàn)和普通熱泵領(lǐng)域接近的結(jié)果，在熱泵水機(jī)和熱泵熱風(fēng)機(jī)兩種主流終端均有較好的適用性。

（3）R290能滿足高出水溫度和低環(huán)境溫度的使用需求，具有其特有的優(yōu)勢(shì)。在各方的積極推動(dòng)下，隨著R290充注量在越來(lái)越多的領(lǐng)域放開，以及系統(tǒng)安全措施的不斷升級(jí)，R290或?qū)⒊蔀闊岜眯袠I(yè)的長(zhǎng)期終極制冷劑之一。

（4）CO2雖然從物性上在熱泵行業(yè)有較好的適用性，但是由于其工作壓力高出現(xiàn)有制冷劑3倍以上，現(xiàn)有壓縮機(jī)及系統(tǒng)配件的通用耐壓能力難以滿足其運(yùn)行要求，距離市場(chǎng)化推廣尚不成熟。

5 結(jié)論

我國(guó)已經(jīng)成為全球制冷產(chǎn)品生產(chǎn)基地，熱泵相關(guān)產(chǎn)品大規(guī)模出口到歐洲、美洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，使用更低GWP制冷劑的產(chǎn)品是當(dāng)前全球制冷劑替代的首要訴求。

從制冷劑替代技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)際社會(huì)還沒有形成一致而且清晰的適應(yīng)全球制冷劑替代的技術(shù)路線以及各地區(qū)均可操作的技術(shù)方案，替代制冷劑選擇與技術(shù)開發(fā)交織在一起，相互矛盾又相互促進(jìn)[7]。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，開發(fā)適應(yīng)于我國(guó)國(guó)情又能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)的全新低GWP制冷劑（包括天然制冷劑）熱泵產(chǎn)品，有助于實(shí)現(xiàn)熱泵行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于我國(guó)履行蒙特利爾議定書承諾具有重要價(jià)值。