家用房間空調(diào)器R290研究及應(yīng)用分析

馬 闖 李廷勛 ，2

（1.中山大學(xué) 廣州 510275； 2.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

前言

我國尚處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段，受制于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、治理投入及技術(shù)升級等綜合因素，生態(tài)環(huán)境保護(hù)、綠色發(fā)展面臨一定的困難和挑戰(zhàn)。臭氧層破壞和全球變暖已成為日益嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題，制冷行業(yè)特別是家用空調(diào)器生產(chǎn)企業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中HCFCs制冷劑淘汰、低ODP制冷劑與低GWP制冷劑替代，環(huán)境友好的制冷劑應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為非常緊迫的任務(wù)。

目前家用空調(diào)行業(yè)使用的制冷劑工質(zhì)，主要是R22、R410A等，為了描述對大氣層臭氧的消耗特性，通常使用臭氧消耗潛能值，即ODP值來表示。以R11作為基準(zhǔn)，并定義為1.0[1]。其中R22∶ODP值0.05、GWP值1 500，R410A∶ODP值0、GWP值1 997，上述制冷劑屬于人工合成物質(zhì)。前國際制冷學(xué)會主席G.Loren tzen認(rèn)為自然工質(zhì)是解決制冷行業(yè)引起的臭氧層破壞和全球變暖環(huán)境問題的最終方案[2]，R290又稱丙烷（三碳烷烴，C3H8），ODP值0、GWP值20，獲取成本低廉、單位質(zhì)量制冷量較大，工質(zhì)物性與常規(guī)制冷劑R22相比優(yōu)勢明顯，未來制冷行業(yè)家用空調(diào)器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景非常廣闊。

1 R290應(yīng)用及研究情況

1.1 中國HCFCs替代情況

由于制冷、空調(diào)、熱泵行業(yè)廣泛采用的CFCs與HCFCs物質(zhì)對地球臭氧層破壞以及產(chǎn)生溫室效應(yīng)，致使國際和國內(nèi)的制冷、空調(diào)及熱泵行業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，CFCs與HCFCs的替代任重而道遠(yuǎn)。

隨著發(fā)達(dá)國家、發(fā)展中國家以及社會大眾對HCFCs對環(huán)境危害認(rèn)識的提升，1985年多個國家政府簽署《關(guān)于保護(hù)臭氧層的維也納公約》，我國1989年9月正式簽署。1987年，24個國家政府簽署《關(guān)于消耗大氣臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，我國于1991年6月加入《蒙特利爾議定書》，該協(xié)議規(guī)定了各國削減CFCs和HCFCs生產(chǎn)及消費(fèi)的日程表，我國在加入后批準(zhǔn)了《中國消耗大氣臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案》[3]。

美國及歐盟等西方發(fā)達(dá)國家1996年已經(jīng)對CFCs的生產(chǎn)、使用實(shí)施全面淘汰及禁用（見表1），中國2007年完成對CFCs的削減工作。當(dāng)前國際ODS淘汰的主要目標(biāo)是HCFCs，蒙特利爾議定書基加利修正案于2019年1月1日正式生效實(shí)施[4]，我國也在加速氫氯氟烴的淘汰工作進(jìn)程。

表1 主要國家HCFCs淘汰進(jìn)程

1.2 HCFCs替代及低ODP值制冷劑選擇

在HCFCs替代及低ODP制冷劑尋找選擇時，通常從以下幾個方面因素考慮[5]：

1.2.1 熱力學(xué)性質(zhì)

制冷效率高，制冷劑的熱力性質(zhì)對制冷系數(shù)的影響，通常用制冷效率表示，選用制冷效率高的制冷劑可以提高制冷的經(jīng)濟(jì)性。

壓力適中，制冷劑在低溫狀態(tài)的飽和壓力要接近大氣壓力，最好略微高于大氣壓力，如果蒸發(fā)壓力低于大氣壓力，機(jī)器外部空氣易滲入，不僅影響空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷凝器的換熱效果，也會增加壓縮機(jī)的耗功量?？照{(diào)制冷系統(tǒng)一般均采用水或空氣作為冷卻介質(zhì)使制冷劑冷凝為液態(tài)，因此常溫下制冷劑工質(zhì)的冷凝壓力不應(yīng)太高，不超2.0 MPa為最佳，可降低制冷系統(tǒng)承受的壓力，降低制冷劑向外泄漏的概率。

單位容積制冷能力大，制冷劑單位容積制冷能力越大，產(chǎn)生一定制冷量時，所需制冷劑的體積循環(huán)量越小，就可以減少壓縮機(jī)尺寸，降低充值量等。一般情況，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下沸點(diǎn)越低，單位容積制冷能力越大。在蒸發(fā)溫度4 ℃，無過熱，冷凝溫度46 ℃，無再冷，制冷劑單位容積制冷能力對比見表2。

表2 制冷劑單位容積制冷能力

制冷劑的臨界溫度高，有利于一般冷卻水或空氣對制冷劑進(jìn)行冷卻、冷凝?？照{(diào)系統(tǒng)制冷工作循環(huán)的區(qū)域遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)，制冷循環(huán)越接近逆卡諾循環(huán)，節(jié)流損失少，系統(tǒng)的制冷系數(shù)高。

1.2.2 物理化學(xué)性質(zhì)

制冷劑在空調(diào)系統(tǒng)工作循環(huán)過程中不發(fā)生質(zhì)變，不應(yīng)與潤滑油產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不腐蝕制冷系統(tǒng)的金屬和其他材料的部件。

與潤滑油的互溶性，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中，制冷劑一般與潤滑油接觸，二者相互混合或吸收形成制冷劑-潤滑油溶液。故制冷劑與潤滑油相容與否，是選擇制冷劑的一個重要特性。一般根據(jù)制冷劑在潤滑油中的可溶性，分為有限溶于潤滑油的制冷劑和無限溶于潤滑油的制冷劑。具體如表3。

表3 制冷劑與潤滑油互溶性

1.2.3 制冷劑安全性

制冷劑毒性指接觸制冷劑可能對人體的健康產(chǎn)生危害的能力，根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASHRAE 34-1997、我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7778-2001，毒性按起限值的時間加權(quán)平均值（TLV-TWA）[6]，根據(jù)一周五個工作日共40 h的時間加權(quán)平均濃度，分為A、B兩類。TLV-TWA值小于等于400 ppm時未被確定有毒性的制冷劑定為低毒性，列為A類；而小于40 ppm時，有毒性的制冷劑定為高毒性，列為B類。按美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會采用TLV值衡量物質(zhì)毒性的指標(biāo)，要求該物質(zhì)的指標(biāo)值大于1 000才認(rèn)定為該物質(zhì)無毒，反之則為有毒物質(zhì)。相關(guān)制冷劑TLV值如表4。

表4 制冷劑TLV毒性值

制冷劑可燃性，用燃燒極限表示，即可燃物質(zhì)與空氣混合后能夠產(chǎn)生火焰的最高及最低濃度。按最低燃燒極限，分為1、2、3三類。針對可燃制冷劑安全性分類如表5。

表5 制冷劑安全分類

1.2.4 密度、粘度

選擇密度和粘度小的制冷劑，可以減少制冷劑在管道口徑和流動阻力。

1.2.5 其他

選擇溫室效應(yīng)效性小低GWP值、不破壞大氣臭氧層低ODP值的制冷劑，并且制冷劑原材料應(yīng)當(dāng)較為充足，制造加工容易，成本低廉，有利于推廣使用，特別是發(fā)展中國家產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

綜上，闡述了國內(nèi)、國外CFCs與HCFCs替代情況，總結(jié)概括HCFCs替代及低ODP值制冷劑選擇需關(guān)注的因素及指導(dǎo)原則，根據(jù)相關(guān)內(nèi)容分析了幾種常見的替代制冷劑工質(zhì)的物性。

R290具有優(yōu)良的熱力學(xué)性能，價格成本低，提取及加工制造相對容易，并且R290與普通潤滑油、機(jī)械結(jié)構(gòu)材料部件具有兼容性，ODP值為0、GWP值很小，對溫室效應(yīng)無直接影響。自然工質(zhì)R290物性與R22較為接近和相似，對原型機(jī)和生產(chǎn)線進(jìn)行改造較小。R290作為替代制冷劑特別適合我國及發(fā)展中國家。

2 R290作為替代制冷劑分析及研究

2.1 R290制冷劑優(yōu)勢

自然工質(zhì)R290與目前家用空調(diào)器被廣泛使的R22制冷劑物性比較見表6 。

表6 R290與R22制冷劑工質(zhì)物性對比

R290制冷劑主要考慮對R22系統(tǒng)的替代，相較于R22，R290制冷劑的ODP值為0，R22制冷劑的GWP值為1 500，是R290的75倍。R290的沸點(diǎn)為-42.1 ℃，低于R22，工作范圍更寬，在低溫條件下相較更有優(yōu)勢。

2.2 R290替代研究分析

R290作為房間家用空調(diào)器替代自然工質(zhì)制冷劑，相較R22有優(yōu)良的熱力性能，具體分析如下：

2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)（見圖1）

圖1 R290與R22導(dǎo)熱系數(shù)對比

相同溫度下R290的氣體導(dǎo)熱系數(shù)均比R22高，該熱力性能物性表示在相同空調(diào)系統(tǒng)配置下，可以提高制冷系統(tǒng)相關(guān)換熱部件的傳熱能力，當(dāng)換熱能力提高時，空調(diào)系統(tǒng)換熱部件尺寸可適當(dāng)縮小，并進(jìn)一步減少制冷劑充注量確保安全性。

2.2.2 比熱（見圖2）

圖2 R290與R22液體比熱對比

相同溫度下，液體R290的比熱比R22的大，而比容越大，制冷劑冷凝時達(dá)到相同過冷度，放出的熱量越多，需要冷凝器換熱面積要更大。對于R290系統(tǒng)，應(yīng)用時需要優(yōu)化和改善。

2.2.3 氣化潛熱（見圖3）

圖3 R290與R22氣化潛熱對比

相同溫度下，R290的氣化潛熱（kJ/kg）為R22的1.8倍左右，當(dāng)制冷系統(tǒng)需輸出相同制冷量時，使用R290系統(tǒng)作為循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量或體積流量可以明顯減少。

2.2.4 運(yùn)動粘度（見圖4）

圖4 R290與R22液體運(yùn)動粘度對比

相同溫度下，R290的運(yùn)動粘度均比R22小很多，粘性低可以減少制冷劑在管路內(nèi)部流動時液體與管壁、以及流體內(nèi)部的摩擦，使制冷系統(tǒng)能耗降低。另外制冷劑粘度小，流體在換熱管壁內(nèi)附著液膜厚度薄，故可以減少對換熱產(chǎn)生的影響。

2.2.5 可燃性

相較廣泛使用的R22制冷劑，R290工質(zhì)安全性是影響其推廣及產(chǎn)業(yè)化的瓶頸因素。針對相關(guān)問題，可以通過各種技術(shù)提升，如：制冷劑中添加阻燃劑、相關(guān)電器件防爆；工藝改善，如：提高制造過程中換熱器焊接工藝、安裝及管路連接采取洛克林環(huán)；智能化監(jiān)控，如空調(diào)系統(tǒng)可以采集數(shù)據(jù)通過算法判斷進(jìn)行預(yù)警處理等，盡量避免R290泄漏帶來的安全隱患。

在使用環(huán)境方面，R290空氣器系統(tǒng)制冷劑充注量盡可能少，保障即使制冷劑泄漏在室內(nèi)空間后，房間內(nèi)的R290氣體濃度小于2.1～9.5 %爆炸濃度范圍。對于可燃制冷劑的充注量，IEC 60335-2-40《熱泵、空調(diào)器、除濕器的特殊要求》已明確了限定。盡管該標(biāo)準(zhǔn)對R290的充注量的相關(guān)規(guī)定合理性有待商榷，需要蒙特利爾議定書締約方不限成員名額工作組（OEWG）與來自全球各地的政府機(jī)構(gòu)和非政府協(xié)會組織代表一起討論，為R290全球推廣解決好安全性及標(biāo)準(zhǔn)合理性問題。

綜上所述，R290制冷劑具有優(yōu)良的流動性與傳熱特性、較低的排氣溫度、較小的充注量、較小的壓力比等優(yōu)良性能。

2.3 R290理論計算及運(yùn)行分析

對采用自然工質(zhì)R290制冷劑的家用空調(diào)器系統(tǒng)進(jìn)行理論分析及計算，設(shè)定為理想狀態(tài)，無傳熱溫差。

制冷運(yùn)行，室內(nèi)干球溫度27 ℃、室外干球溫度35 ℃；制熱運(yùn)行，室內(nèi)干球溫度20 ℃、室外干球溫度7 ℃。

2.3.1 R290系統(tǒng)循環(huán)壓焓圖（見圖5）

圖5 R290系統(tǒng)循環(huán)壓焓圖

2.3.2 R290系統(tǒng)循環(huán)溫熵圖（見圖6）

圖6 R290系統(tǒng)循環(huán)溫熵圖

2.3.3 制熱運(yùn)行（見表7）

表7 R290系統(tǒng)制熱運(yùn)行

R290單位容積制熱量遠(yuǎn)小于R22，冬季制熱運(yùn)行時質(zhì)量流量會明顯下降，需優(yōu)化R290空調(diào)器整機(jī)性能以及采用相關(guān)技術(shù)途徑改善制熱性能。

2.4 R290家用空調(diào)器生產(chǎn)與應(yīng)用

2.4.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面

我國工業(yè)和信息化部發(fā)布的，涉及房間空調(diào)器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別為QB/T 4975-2016《使用可燃性制冷劑生產(chǎn)家用和類似用途房間空調(diào)器安全技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定了使用可燃性制冷劑生產(chǎn)家用和類似用途房間空調(diào)器的安全技術(shù)要求、操作程序、安全管理； QB/T 4976-2016《使用可燃性制冷劑房間空調(diào)器產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)奶厥庖蟆芬?guī)定了使用可燃性制冷劑的房間空調(diào)器出廠后在陸路運(yùn)輸時所涉及的安全要求。

2.4.2 R290空調(diào)器產(chǎn)線改造及生產(chǎn)

我國是世界上最大的空調(diào)器生產(chǎn)國，空調(diào)產(chǎn)量已達(dá)到約8千萬套/年。需要完成房間空調(diào)器及制冷設(shè)備產(chǎn)品的制冷劑替代工作，格力示范項目，2011年改造完成一條產(chǎn)能10萬臺/年的生產(chǎn)線；美的示范項目（多邊基金資助），2013年改造完成一條產(chǎn)能20萬臺/年的生產(chǎn)線；美芝R290壓縮機(jī)示范項目，2014年改造完成一條產(chǎn)能為180萬臺/年的壓縮機(jī)生產(chǎn)線。隨著R290制冷劑替代不斷深入，制造商越來越多的產(chǎn)線可以用于生產(chǎn)。

2.4.3 R290空調(diào)器市場推廣

環(huán)保部對外合作中心聯(lián)合中國家用電器協(xié)會、聯(lián)合國環(huán)境署、聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織、德國國際合作機(jī)構(gòu)，于2015年5月共同發(fā)布環(huán)保低碳表示，可以在R290或CO2制冷劑的空調(diào)器或熱泵熱水器上使用，鼓勵行業(yè)制造商推廣R290房間空調(diào)器。2018年以來，R290房間空調(diào)器的市場化終于打破僵局，分體掛壁式空調(diào)器生產(chǎn)和銷售達(dá)到17.8萬臺。

3 結(jié) 語

由自然工質(zhì)R290可燃性，產(chǎn)品方面充注量限制、市場方面安全性科普、服務(wù)方面安裝維修能力與水平等，使得R290替代R22應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展比較緩慢，直到歐盟蒙特利爾議定書基加利修正案2019年1月1日正式生效實(shí)施，使得R290替代R22，HCFC制冷劑淘汰這一項有利于全球可持續(xù)發(fā)展的偉大工程加快推進(jìn)進(jìn)程，但同時充滿挑戰(zhàn)。

R290產(chǎn)品的市場化關(guān)系到中國的履約目標(biāo)，關(guān)系到保護(hù)臭氧層，應(yīng)對氣候變化，關(guān)系到企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展，無論企業(yè)和全行業(yè)都責(zé)無旁貸。