低GWP制冷劑在熱泵行業的應用分析

謝酈卿 李愛國 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

空氣源熱泵產品在2002年前后自中國南方廣東登陸，憑借其節能、環保等特性在長江以南地區迅速發展。在國內熱泵行業發展初期，R22的產品占據超過70%的市場份額，R22是熱泵行業使用最為廣泛的HCFC類物質。據報道，中國在2010年HCFC類物質生產總量占全球的78.5%，使用量占全球的48.4%[1]。

隨著世界各國對于環境問題的日益關注，基于對ODP（臭氧層破壞能力）和GWP（全球變暖潛能值）值的考慮，率先對高ODP的HCFC類產品制冷劑進行了加速淘汰。2007年9月《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議通過了加速淘汰HCFCs的調整方案（見表1）。中國已完成了HCFCs加速淘汰第一階段的目標，正在向實現第二階段的目標邁進。

表1 《蒙特利爾議定書》關于HCFCs淘汰時間表

2016年10月，國際社會在《蒙特利爾議定書》框架下圍繞溫室氣體HFCs的削減達成了新的基加利修正案。經過廣泛協商，基加利修正案最終確定了包括R134a、R32、R125等在內的18種HFCs受控物質。中國等主要發展中國家，自2024年開始凍結，2029年削減10%，最終2045年實現削減80%，如圖1所示[2]。

圖1 2016年《蒙特利爾議定書》基加利修正案中規定的中國HFCs類制冷劑的限控時間

2 全球熱泵相關行業低GWP制冷劑政策法規

隨著基加利修正案的通過，熱泵行業主流制冷劑，如R134a、R410A等已經被列入受控物質范圍，行業的可持續發展必須充分考慮制冷劑的替換，未雨綢繆。

2.1 歐洲熱泵相關行業低GWP制冷劑政策法規

歐洲熱泵相關行業的F-GAS限制如表2所示。

表2 歐洲熱泵相關行業的F-GAS限制

更重要的是，歐盟規定市場銷售的所有制冷劑預充設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，設備廠商必須購買相應配額以銷售產品，當產品使用的制冷劑GWP值越高，設備廠商將付出更高的費用。該方案從2017年1月1日就開始正式實施。圖2中展示了EPEE（歐洲能源與環境合作伙伴協會）在2018年發布的高GWP制冷劑的價格走勢，受歐盟F-GAS政策影響，2017年開始，R410A、R134a等當前常用制冷劑價格顯著提升[3]。

圖2 R404A、R407C、R410A、R134a自2014到2018年2季度的價格走勢

2.2 日本熱泵相關行業低GWP 制冷劑政策法規

據日本經濟產業省和環境省估計，到2020年日本的HFC類物質排放量將達到2010年的2倍，制冷與空調將會成為主要的排放來源。日本內閣于2013年4月19日批準了修改現有《氯氟烴回收與銷毀法》的議案，新法明確區分HFC類物質生產商、設備制造商及用戶的責任，建立相應的檢漏及管理機制，并鼓勵使用低GWP制冷劑[4]。

日本經濟產業省（METI）2015年4月1日開始全面實施新的F-gas含氟氣體法案，聚焦在用量較大的應用領域，如家用空調、機柜等，具體如表3所示。

表3 日本熱泵相關行業的F-GAS限制

2.3 美國熱泵相關行業低GWP制冷劑政策法規

美國環保署（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 美國熱泵相關行業的高GWP制冷劑限制

2015年6月，中國發表應對氣候變化國家自主貢獻文件《強化應對氣候變化行動——中國國家自主貢獻》，中國確定的2020年行動目標是：單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。2030年行動目標是：二氧化碳排放2030年左右達到峰值并爭取盡早達峰；單位國內生產總值二氧化碳排放比2005下降60%～65%。

使用更低GWP的制冷劑成為當前全球制冷劑替代技術的首要訴求，歐洲的F-GAS政策已經對高GWP制冷劑價格造成重大影響。從全球各個國家的制冷劑限制政策中也可以發現，GWP 750/150可以看作中期和長期制冷劑限制政策的分界值。

3 低GWP制冷劑在熱泵行業的應用分析

3.1 國內熱泵行業制冷劑應用分析

根據中國熱泵產業聯盟在2018年發表的熱泵行業發展和展望的報告中指出：熱泵行業主要細分市場集中在生活熱水以及清潔取暖行業，熱泵烘干市場目前市場容量占比不到4%，如圖3所示。

圖3 2015-2017年熱泵行業細分市場占比

因此本文主要針對生活熱水和清潔取暖領域的制冷劑應用進行分析，并進一步將熱泵熱水區分為高溫熱泵和普通熱泵，詳細如表5所示。

表5 熱泵行業細分市場及運行特點

R22作為高ODP制冷劑已經無法長期使用，因此熱泵行業的低GWP制冷劑主要是針對R134a、R410A而言的，由于這兩種制冷劑的細分應用領域存在差異，后文分別進行評價。

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

對于普通熱泵來說，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，進一步比較這兩種制冷劑在A/T工況（冷凝溫度54.4℃，蒸發溫度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，因此廠家可以根據系統匹配結果、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；R1234ze在AT工況下的單位制熱能力約為R134a的75%，但是理論性能優勢大，系統需要相應調整。同時，由于這兩種制冷劑都屬于A2L類范圍，其充注量受到限制，會阻礙機組能力提升；若用于小型家用系統，充注量擔憂則可規避。此外，R1234yf目前在歐美國家已經廣泛應用于汽車空調領域，對于緩解其高價位或有幫助。

圖4 R134a及其替換制冷劑的制熱能力和COP對比

對于高溫熱泵來說，首要關注臨界溫度，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，長期需要考慮R1234ze、R1234yf。針對兩種長期替換制冷劑，分別比較其在25℃蒸發溫度，冷凝溫度不斷上升時候的單位制熱能力和制熱效率（見圖5和圖6）。可以看到R1234yf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的容積制熱能力對比

3.3 適用于替換R410A的低GWP制冷劑分析

對于普通熱泵來說，隨著房間空調器領域R410A替代R22的大規模市場化應用，越來越多的熱泵企業推出R410A的熱泵熱水產品，但是R410A的GWP接近2000，需要考慮合適的替換冷媒。熱泵熱水器的運行模式為全年高水溫運行，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行范圍的情況下直接替換R410A制冷劑使用。此處主要對比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對比

（1）R452B的單位能力與R410A最為接近，性能上也略優于R410A，兩者在所選冷凍機油差別不大的情況下，可以作為R410A的“DROP IN”型（直接灌入系統）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政策較為嚴格的歐洲市場，能有效減少企業向政府支付的碳稅，有較大的經濟優勢。

（2）R454C的GWP已經突破150的極限，可以做為未來長期替換的制冷劑儲備。但是需要注意，R454C的單位能力在AT工況下比R410A降低1/3，系統需要有較大調整。同時在溫度滑移方面，R454C有7℃溫度滑移，不利于系統匹配。當然相比其他低GWP制冷劑，如R290，其優勢在于安全系數為A2L，生產廠家的設備調整幅度相對較小，可以作為過渡階段的一種替換制冷劑考慮。

對于低溫環境熱泵來說，則更關注各種冷媒在冬季的表現情況。現有國內的低溫環境熱泵設備有兩大類型，一是以北京地區為主的家用熱泵水機，采暖季的長期運行的冷凝溫度在50℃～55℃；二是以北京以外的二三線城市使用的熱風機，其使用環境與北京地區接近，其冷凝溫度一般在35℃～40℃。比較名義環境溫度在-12℃下，分別使用這兩種熱泵采暖設備時，各種制冷劑的表現情況，如圖8所示。

圖8 R410A、R32及其替換制冷劑在低溫采暖時的制熱能力和COP對比

（1）在使用水機作為采暖終端時，R32的理論排氣溫度達到124℃，實際排氣溫度在高壓比工況下會達到150℃以上。此時即使采用國內采暖設備中常用的補氣增焓技術進行降溫，降溫幅度一般在20℃～30℃，仍然超過壓縮機的正常工作溫度。若采用噴液方式，雖然可以有效降低壓縮機排氣溫度，但是噴液量在系統中難以控制，不利于系統長期穩定運行。此外，噴液降溫非但對機組制熱量提升沒有幫助，也會增加壓縮機額外功耗，帶來機組能效的降低。因此R32制冷劑應用于低溫采暖水機系統是不合適的。當使用熱風機作為采暖終端時，由于出風溫度要求降低，R32制冷劑的實際排氣溫度通過補氣增焓等手段，可以控制在110℃以內，熱泵系統可以長期溫度運行。因此，R32作為中期替換制冷劑，憑借其高單位能力，相對較低GWP，適用于部分熱泵熱風機系統，但是無法用于采暖水機終端系統。

（2）R452B和R454B的對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，在熱泵水機和熱泵熱風機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，但是若考慮需要對應較高出水溫度的采暖+熱泵一體機等應用場合，具有更大溫度優勢。

3.4 天然制冷劑分析

3.4.1 R290

在我國的空調領域，R290一直是國家環保部門以及家用電器協會力推的替換R22的純天然制冷劑。R290的GWP為0，對環境友好，臨界溫度可達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境溫度的使用需求，具有其特有的優勢。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，各國對于其大規模市場化使用一直在持續探索中，隨著針對R290系統的安全措施不斷升級完善，2019年5月9日，IEC宣布正式批準將標準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從技術措施到安全性，對于可燃制冷劑的認識正在逐步提升。

在歐洲，R290在熱泵型干衣機已經有多年市場實績，伴隨IEC標準的放寬，相信R290制冷劑在歐洲的推廣會更為順暢。國內對于R290制冷劑的推廣應用始終未曾間斷，預計在2019冷年將會實現20萬以上的空調銷售。

在各方的積極推動下，隨著R290充注量在越來越多的領域放開，以及系統安全措施的不斷升級，R290或將成為熱泵行業的長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，對環境友好。同時，CO2的臨界溫度為31.3℃，與環境溫度接近，CO2的制冷循環高溫放熱溫度必須高于此溫度才能實現放熱。故CO2制冷循環為跨臨界循環，放熱過程位于超臨界區域進行，蒸發過程位于亞臨界區域進行[6]。

如圖9所示，位于超臨界區域的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熱源相匹配，當用于熱泵循環時有很高的傳熱效率。

圖9 CO2跨臨界循環溫-熵圖[6]

與使用普通制冷劑的壓縮機相比，CO2跨臨界循環壓縮機具有工作壓力高、壓差大、壓比小，此外其還有運動部件間隙難以控制、潤滑較困難等特點。CO2壓縮機與現有其他冷媒壓縮機相比，無論在生產線改造還是零部件統一上都存在較大困難。因此CO2壓縮機的研究開發以及批量生產一直是技術發展的難點。在系統配件和管路等方面也因為需要適應其高壓力的運行特點，成本居高不下。

CO2雖然從物性上在熱泵行業有較好的適用性，但是距離市場化推廣還缺乏足夠的政策驅動力，相比R290，短期內很難預見其在熱泵行業的市場化跡象。

4 低GWP制冷劑在熱泵行業的替換趨勢分析

在熱泵行業，主要細分領域包括高溫熱泵、普通熱泵和熱泵采暖。當前形勢下，R22作為高ODP制冷劑已經無法長期使用，因此熱泵行業的低GWP制冷劑主要是針對R134a、R410A而言的，這兩種制冷劑貫穿在這三大細分領域，交叉使用，這三大主流制冷劑的應用和替換趨勢分析如下：

（1）對于R134a來說，其在高溫熱泵和普通熱泵領域均有較好的適用性，隨著發達國家尤其是歐洲對低GWP的HFC類制冷劑持續關注，R450A、R513A將成為短期內較為理想的解決方案，并且已經擁有批量實績，對于后續的大范圍使用具有一定的示范作用；R1234ze，R1234yf作為長期替換R134a的制冷劑有較大優勢，同樣值得關注。

（2）對于R410A和R32來說，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R410A具有“DROP IN”（直接灌入系統）的優勢；R454C則具有更低的GWP值，相比R410A降低1/3。R454C的GWP在150以下，可以作為長期替換制冷劑的選項之一。在低溫采暖領域，R32作為中期替換制冷劑，憑借其高單位能力，相對較低GWP，適用于部分熱泵熱風機系統，但是無法用于水機終端系統。R452B、R454B、R454C則呈現和普通熱泵領域接近的結果，在熱泵水機和熱泵熱風機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境溫度的使用需求，具有其特有的優勢。在各方的積極推動下，隨著R290充注量在越來越多的領域放開，以及系統安全措施的不斷升級，R290或將成為熱泵行業的長期終極制冷劑之一。

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

5 結論

我國已經成為全球制冷產品生產基地，熱泵相關產品大規模出口到歐洲、美洲、日本等發達國家，使用更低GWP制冷劑的產品是當前全球制冷劑替代的首要訴求。

從制冷劑替代技術發展的現狀來看，國際社會還沒有形成一致而且清晰的適應全球制冷劑替代的技術路線以及各地區均可操作的技術方案，替代制冷劑選擇與技術開發交織在一起，相互矛盾又相互促進[7]。對于我國來說，開發適應于我國國情又能在國際競爭中處于優勢的全新低GWP制冷劑（包括天然制冷劑）熱泵產品，有助于實現熱泵行業的轉型升級和可持續發展，對于我國履行蒙特利爾議定書承諾具有重要價值。