淺談自然工質(zhì)在家用制冷產(chǎn)品中的應(yīng)用

李欣 楊雙 楊亮

（1.中國家用電器研究院，北京 100037；2.中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司，北京 100176）

隨著人民生活水平的提高，空調(diào)器、電冰箱以及冷柜等制冷產(chǎn)品已經(jīng)成為每個家庭中必不可少的電器設(shè)備。作為此類產(chǎn)品關(guān)鍵構(gòu)成的制冷系統(tǒng)，其運行的安全可靠性以及節(jié)能效果是消費者以及政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點方向之一。制冷劑在蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)工作過程中承擔(dān)著能量傳遞的“重?fù)?dān)”，是保證熱力循環(huán)的基本條件。為保護(hù)大氣臭氧層，減少溫室氣體的排放，《蒙特利爾議定書》要求禁止使用CFC 類制冷工質(zhì)并逐步淘汰HCFC 類制冷工質(zhì)[1]。而自然工質(zhì)作為與人類長期共存的物質(zhì)，其特殊的物理化學(xué)性能逐漸被制冷行業(yè)所發(fā)掘，并越發(fā)廣泛的應(yīng)用于家用制冷產(chǎn)品中。

在制冷劑替代過程中，制冷產(chǎn)品對于新制冷劑的選擇主要關(guān)注的因素包括：（1）與潤滑油及其他材料的兼容性；（2）化學(xué)穩(wěn)定性；（3）腐蝕性；（4）較好的傳熱性能；（5）燃爆性能。綜合來說，制冷劑除了需要具備環(huán)境友好性，自身的安全性、穩(wěn)定性也是需要考慮的重要性質(zhì)。從目前環(huán)保制冷劑的選用來看，家用制冷產(chǎn)品中自然工質(zhì)的應(yīng)用方向主要包括R600a、R290 以及R744 等。

1 R600a 及其應(yīng)用

R600a 中文名為異丁烷，化學(xué)式為(CH3)2CHCH3，主要用于冰箱、冷柜以及其他小型的制冷產(chǎn)品中，一般適用于充注量相對較小的低溫制冷設(shè)備，特別是針對冰箱產(chǎn)品，主流制冷劑已經(jīng)大部分完成了從常規(guī)制冷劑向R600a 的轉(zhuǎn)換。R600a作為一種性能優(yōu)良的新型碳?xì)渲评鋭?，不破壞臭氧層，無溫室效應(yīng)，綠色環(huán)保，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值，其主要物性參數(shù)如表1 所示。

R600a 在以冰箱、冷柜為代表的家用制冷產(chǎn)品中的應(yīng)用技術(shù)基本成熟并已實現(xiàn)市場化。但是因其對于系統(tǒng)真空度的要求比較高，一般多用于充注量較少的小型制冷系統(tǒng)，目前關(guān)于R600a 在空調(diào)或熱泵產(chǎn)品中的應(yīng)用鮮有研究。論文[2]對R290（95%）和R600a（5%）的混合制冷劑在房間空調(diào)器上的應(yīng)用開展了對比研究，混合制冷劑的運行壓力要小于R290 純工質(zhì)的系統(tǒng)，通過降低制冷劑充注量可一定程度上實現(xiàn)降低烴類制冷劑易燃的風(fēng)險。

2 R290 及其應(yīng)用

R290 中文名為丙烷，化學(xué)式為CH3CH2CH3，目前R290在商用冷柜以及家用空調(diào)中都有應(yīng)用。作為A3 類易燃制冷劑，R290 的應(yīng)用主要受限于充注量限額要求。國際電工委員會（IEC）于2019 年5 月宣布批準(zhǔn)將A3（易燃）制冷劑的充注限值從150 克增加到500 克，這一公告極大的拓寬了R290 的應(yīng)用范圍，為其在制冷設(shè)備上的使用創(chuàng)造了更為有利的條件。R290 的主要物性參數(shù)如表2 所示。

表1 R600a 的主要物性參數(shù)

表2 R290 的主要物性參數(shù)

從目前行業(yè)應(yīng)用來看，應(yīng)用R290 的制冷產(chǎn)品還未完全實現(xiàn)市場化。國內(nèi)對于R290 的研究起步較晚，但是隨著國家政策的推動，對于R290 的替代技術(shù)逐漸被關(guān)注和深入研究。2011 年，珠海格力建立了全球首條碳?xì)渲评鋭㏑290 分體式空調(diào)示范生產(chǎn)線，廣東美芝建立了聯(lián)合國蒙特利爾多邊基金首條R290 壓縮機(jī)示范生產(chǎn)線。

從現(xiàn)有資料可以看出，無論在制冷劑充注量相對較小的冰箱、冷柜還是充注量稍大的空調(diào)熱泵等產(chǎn)品上，企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都投入了極大的熱情。論文[3]從R290 制冷劑在空調(diào)制冷系統(tǒng)中的分布研究入手，提出R290 壓縮機(jī)在設(shè)計上需要考慮少油量以及小型化，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)及供油系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)減少充注量的目的。論文[4]提出在合理的材料選擇以及節(jié)流裝置匹配的基礎(chǔ)條件下，設(shè)計上嚴(yán)格滿足管路耐壓要求、布置通風(fēng)孔防止因泄露導(dǎo)致制冷劑的聚集、將有可能成為點火源的電器件安裝高度適當(dāng)增加等措施是保證R290 在冷柜應(yīng)用過程中安全性的有益舉措。論文[5]開展了R290 在R22 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中的替代試驗研究，充注量的差異會直接影響到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為保證系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性，嚴(yán)格系統(tǒng)中R290 的充注量是關(guān)鍵。

3 R744 及其應(yīng)用

R744 中文名為二氧化碳，化學(xué)式為CO2，作為天然工質(zhì)的二氧化碳在制冷行業(yè)的應(yīng)用由來已久，在早期的船舶以及民用制冷產(chǎn)品中都作出了積極貢獻(xiàn)。但是CO2在應(yīng)用過程中制冷系統(tǒng)工作壓力較高，安全性難以保證，且循環(huán)效率相對較低，在一段時間內(nèi)逐漸被CFCs 類制冷劑所取代。隨著全球環(huán)境問題的日趨惡化，CO2以其無毒無臭無污染以及不燃不爆的特性重回大眾視野，被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域，特別是在熱泵熱水器等產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)占據(jù)了較大的市場空間。CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)主要分為亞臨界循環(huán)和跨臨界循環(huán)兩類，其主要物性參數(shù)如表3 所示。

表3 R744 的主要物性參數(shù)

CO2成為備受青睞的替代制冷劑優(yōu)選方案之一，主要得益于其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)[6]，在越來越多的制冷產(chǎn)品中得到應(yīng)用和研究：（1）較低的沸點溫度，單位容積制冷能力較強(qiáng)，由此壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸能夠做到更為精簡，在汽車空調(diào)等對于空間限制較大的應(yīng)用場合具有良好的適應(yīng)性，被認(rèn)為是最具潛力的汽車空調(diào)用新型制冷劑[7,8]；（2）CO2的臨界溫度為31℃，跨臨界循環(huán)的CO2制冷系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于具有較高出水溫度要求的熱泵熱水器中，并以此制定了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38734-2020《以CO2為制冷劑的熱泵熱水器技術(shù)要求和試驗方法》來規(guī)范檢測方法確保產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)束語

我國已提出2030 年碳達(dá)峰以及2060 年碳中和的承諾和總體目標(biāo)，實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型是各行各業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。從制冷領(lǐng)域來說，加快環(huán)保制冷劑特別是天然工質(zhì)的應(yīng)用是實現(xiàn)碳減排的重要舉措。以R600a、R290 以及R744 等為代表的自然工質(zhì)作為極具潛力的替代方案在應(yīng)用過程中各具利弊，如何有效應(yīng)對所面臨的挑戰(zhàn)是制冷空調(diào)企業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)需要不斷深入思考和研究的課題。加速自然工質(zhì)在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究及市場化，對于企業(yè)來說是占領(lǐng)市場先機(jī)，提升行業(yè)地位的良好機(jī)遇。