家用房間空調器R290研究及應用分析

馬 闖 李廷勛 ，2

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

前言

我國尚處于工業化和城鎮化加速發展階段，受制于產業結構、能源結構、治理投入及技術升級等綜合因素，生態環境保護、綠色發展面臨一定的困難和挑戰。臭氧層破壞和全球變暖已成為日益嚴峻的全球環境問題，制冷行業特別是家用空調器生產企業面臨著嚴峻的挑戰，其中HCFCs制冷劑淘汰、低ODP制冷劑與低GWP制冷劑替代，環境友好的制冷劑應用及產業化已經成為非常緊迫的任務。

目前家用空調行業使用的制冷劑工質，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，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。前國際制冷學會主席G.Loren tzen認為自然工質是解決制冷行業引起的臭氧層破壞和全球變暖環境問題的最終方案[2]，R290又稱丙烷（三碳烷烴，C3H8），ODP值0、GWP值20，獲取成本低廉、單位質量制冷量較大，工質物性與常規制冷劑R22相比優勢明顯，未來制冷行業家用空調器產業化應用前景非常廣闊。

1 R290應用及研究情況

1.1 中國HCFCs替代情況

由于制冷、空調、熱泵行業廣泛采用的CFCs與HCFCs物質對地球臭氧層破壞以及產生溫室效應，致使國際和國內的制冷、空調及熱泵行業面臨嚴峻挑戰，CFCs與HCFCs的替代任重而道遠。

隨著發達國家、發展中國家以及社會大眾對HCFCs對環境危害認識的提升，1985年多個國家政府簽署《關于保護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《關于消耗大氣臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，我國于1991年6月加入《蒙特利爾議定書》，該協議規定了各國削減CFCs和HCFCs生產及消費的日程表，我國在加入后批準了《中國消耗大氣臭氧層物質逐步淘汰國家方案》[3]。

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

表1 主要國家HCFCs淘汰進程

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 熱力學性質

制冷效率高，制冷劑的熱力性質對制冷系數的影響，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濟性。

壓力適中，制冷劑在低溫狀態的飽和壓力要接近大氣壓力，最好略微高于大氣壓力，如果蒸發壓力低于大氣壓力，機器外部空氣易滲入，不僅影響空調系統的蒸發器、冷凝器的換熱效果，也會增加壓縮機的耗功量。空調制冷系統一般均采用水或空氣作為冷卻介質使制冷劑冷凝為液態，因此常溫下制冷劑工質的冷凝壓力不應太高，不超2.0 MPa為最佳，可降低制冷系統承受的壓力，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，產生一定制冷量時，所需制冷劑的體積循環量越小，就可以減少壓縮機尺寸，降低充值量等。一般情況，標準大氣壓力下沸點越低，單位容積制冷能力越大。在蒸發溫度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行冷卻、冷凝。空調系統制冷工作循環的區域遠離臨界點，制冷循環越接近逆卡諾循環，節流損失少，系統的制冷系數高。

1.2.2 物理化學性質

制冷劑在空調系統工作循環過程中不發生質變，不應與潤滑油產生化學反應，不腐蝕制冷系統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生危害的能力，根據美國國家標準ANSI/ASHRAE 34-1997、我國國家標準GB/T 7778-2001，毒性按起限值的時間加權平均值（TLV-TWA）[6]，根據一周五個工作日共40 h的時間加權平均濃度，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。按美國工業衛生協會采用TLV值衡量物質毒性的指標，要求該物質的指標值大于1 000才認定為該物質無毒，反之則為有毒物質。相關制冷劑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，即可燃物質與空氣混合后能夠產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當較為充足，制造加工容易，成本低廉，有利于推廣使用，特別是發展中國家產業化應用。

綜上，闡述了國內、國外CFCs與HCFCs替代情況，總結概括HCFCs替代及低ODP值制冷劑選擇需關注的因素及指導原則，根據相關內容分析了幾種常見的替代制冷劑工質的物性。

R290具有優良的熱力學性能，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、機械結構材料部件具有兼容性，ODP值為0、GWP值很小，對溫室效應無直接影響。自然工質R290物性與R22較為接近和相似，對原型機和生產線進行改造較小。R290作為替代制冷劑特別適合我國及發展中國家。

2 R290作為替代制冷劑分析及研究

2.1 R290制冷劑優勢

自然工質R290與目前家用空調器被廣泛使的R22制冷劑物性比較見表6 。

表6 R290與R22制冷劑工質物性對比

R290制冷劑主要考慮對R22系統的替代，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的沸點為-42.1 ℃，低于R22，工作范圍更寬，在低溫條件下相較更有優勢。

2.2 R290替代研究分析

R290作為房間家用空調器替代自然工質制冷劑，相較R22有優良的熱力性能，具體分析如下：

2.2.1 導熱系數（見圖1）

圖1 R290與R22導熱系數對比

相同溫度下R290的氣體導熱系數均比R22高，該熱力性能物性表示在相同空調系統配置下，可以提高制冷系統相關換熱部件的傳熱能力，當換熱能力提高時，空調系統換熱部件尺寸可適當縮小，并進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，應用時需要優化和改善。

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，當制冷系統需輸出相同制冷量時，使用R290系統作為循環工質的質量流量或體積流量可以明顯減少。

2.2.4 運動粘度（見圖4）

圖4 R290與R22液體運動粘度對比

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

2.2.5 可燃性

相較廣泛使用的R22制冷劑，R290工質安全性是影響其推廣及產業化的瓶頸因素。針對相關問題，可以通過各種技術提升，如：制冷劑中添加阻燃劑、相關電器件防爆；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；智能化監控，如空調系統可以采集數據通過算法判斷進行預警處理等，盡量避免R290泄漏帶來的安全隱患。

在使用環境方面，R290空氣器系統制冷劑充注量盡可能少，保障即使制冷劑泄漏在室內空間后，房間內的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、空調器、除濕器的特殊要求》已明確了限定。盡管該標準對R290的充注量的相關規定合理性有待商榷，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構和非政府協會組織代表一起討論，為R290全球推廣解決好安全性及標準合理性問題。

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

2.3 R290理論計算及運行分析

對采用自然工質R290制冷劑的家用空調器系統進行理論分析及計算，設定為理想狀態，無傳熱溫差。

制冷運行，室內干球溫度27 ℃、室外干球溫度35 ℃；制熱運行，室內干球溫度20 ℃、室外干球溫度7 ℃。

2.3.1 R290系統循環壓焓圖（見圖5）

圖5 R290系統循環壓焓圖

2.3.2 R290系統循環溫熵圖（見圖6）

圖6 R290系統循環溫熵圖

2.3.3 制熱運行（見表7）

表7 R290系統制熱運行

R290單位容積制熱量遠小于R22，冬季制熱運行時質量流量會明顯下降，需優化R290空調器整機性能以及采用相關技術途徑改善制熱性能。

2.4 R290家用空調器生產與應用

2.4.1 行業標準方面

我國工業和信息化部發布的，涉及房間空調器行業標準，分別為QB/T 4975-2016《使用可燃性制冷劑生產家用和類似用途房間空調器安全技術規范》，規定了使用可燃性制冷劑生產家用和類似用途房間空調器的安全技術要求、操作程序、安全管理； QB/T 4976-2016《使用可燃性制冷劑房間空調器產品運輸的特殊要求》規定了使用可燃性制冷劑的房間空調器出廠后在陸路運輸時所涉及的安全要求。

2.4.2 R290空調器產線改造及生產

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

2.4.3 R290空調器市場推廣

環保部對外合作中心聯合中國家用電器協會、聯合國環境署、聯合國工業發展組織、德國國際合作機構，于2015年5月共同發布環保低碳表示，可以在R290或CO2制冷劑的空調器或熱泵熱水器上使用，鼓勵行業制造商推廣R290房間空調器。2018年以來，R290房間空調器的市場化終于打破僵局，分體掛壁式空調器生產和銷售達到17.8萬臺。

3 結 語

由自然工質R290可燃性，產品方面充注量限制、市場方面安全性科普、服務方面安裝維修能力與水平等，使得R290替代R22應用及產業化進展比較緩慢，直到歐盟蒙特利爾議定書基加利修正案2019年1月1日正式生效實施，使得R290替代R22，HCFC制冷劑淘汰這一項有利于全球可持續發展的偉大工程加快推進進程，但同時充滿挑戰。

R290產品的市場化關系到中國的履約目標，關系到保護臭氧層，應對氣候變化，關系到企業長遠發展，無論企業和全行業都責無旁貸。