HCFCs面临被替 空调业制冷技术压力重重

HCFCs面临被替空调业制冷技术压力重重根据《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议的要求，HCFCs替代的限期提前了，所以研究HCFC的替代物质及相关的技术迫在眉睫。2007年9月17～21日，在加拿大蒙特利尔的蒙特利尔会议中心召开了《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议。在此会议上加速了HCFC的淘汰，把1992在哥本哈根修正案中所确定的HCFCs冻结年度提前3年，从原定的2016年提早到2013年，而且是以2009年与2010年的生产量与消费量的平均值为统计核算基础；所确定的HCFC完全淘汰时间提前了10年，从原定的2040年提早到2030年。作为生产和消耗HCFCs的大国，要做到HCFCs完全替代，是需要很长时间和一定技术积累的，所以研究HCFC的替代物质及相关的技术迫在眉睫。目前中国生产和使用的受控HCFCs包括：HCFC-22、HCFC-123、HCFC-124、HCFC-141b和HCFC-142b，其中HCFC-22的生产量占全部HCFCs的80%以上，主要用于制冷剂、发泡剂和其他化工产品的原料。在我国冰箱行业现在已经基本采用了R600a替代CFC-12，消耗HCFC-22的行业主要包括空调器行业（包括房间空调器、汽车空调器）、工商制冷行业、泡沫行业和以其为原料的化工行业。由于未来中国经济将保持较高的增长速度，HCFCs的产量及各终端行业排放的HCFCs均处于上升阶段，至2020年将达到峰值，这会增加淘汰HCFCs的压力，同时在淘汰HCFCs相关产品时，也要考虑到技术的可行性，使其对相关行业的影响最小。制冷行业和泡沫行业是我国HCFCs的两大主要排放源，约占总量的99%，其中房间空调排放量位居第一。所以要重点考虑房间空调器制冷剂的替代问题。有效的HCFCs替代物质要求满足以下要求：第一，考虑到目前全球变暖的因素，HCFCs的替代物质要求ODP（ozonedepressionpotential）消耗臭氧潜能值和GWP（GlobalWarmingPotential）全球变暖潜能值均为零或近似为零。第二，热力学要求：替代品应与原制冷剂、发泡剂有近似的沸点、热力学特性及传热特性。第三，可行性要求：具有可供应性（工艺成熟、价格适宜、能被市场接受），易采用性（无需对原有装置进行大改动即可达到要求）。现有HCFCs替代物主要分为：HFC型制冷剂，如：R134a、R410A、R404A、R407C等；自然制冷剂，如：CO2、R717（氨）和HC型制冷剂，如：R600a和R290。HFC型制冷剂的特点是与现有的制冷剂性能较为接近，制冷系统不需要做大的改动。R410A是由HFC-32和HFC-125各50%组成的混合制冷剂R410A，这是一种近共沸混合制冷剂，是由质量分数为50%R32和50%R125组成。R410A的ODP值为0，GWP值为1975。目前，中国企业出口欧盟国家的空调产品主要用它来替代HCFC-22，技术应用比较成熟，日本、美国和欧洲部分国家采用此方案。R410A单位容积制冷量较大，传热性能及流动性能较好，但是，由于R410A的冷凝温度和蒸发温度较高，制冷系统设计时需要提高系统的耐压能力，制冷配件也要选择专门供R410A使用的配件。虽然ODP为零，但是GWP较高，这种制冷剂并不是完全的“绿色制冷剂”，我们选择此种制冷剂作为HCFCs的替代物时要慎重，当限制GWP时，那么我们发展中国家的制冷空调行业到那时恐怕就将面临第三次制冷剂的大淘汰。所谓的自然制冷剂是在自然中存在的能够作为制冷剂使用的物质。由于他们一直存在大气中，对生物界无危害，所以在当前臭氧层遭到破坏、全球气候变暖的情况下，重新使用那些自然制冷剂是一种非常安全的选择。?氨制冷剂NH3，代号R717，应用于制冷技术已有近130年历史。目前氨制冷剂在大型冷库、超市食品陈列柜中得到了广泛的应用。氨制冷剂合成工艺成熟，制取容易，价格低廉。氨制冷剂在冷凝器和蒸发器中的压力适中（冷凝压力一般为0.981MPa，蒸发压力一般为0.098-0.49MPa）；其单位容积制冷量较CFC-12、HCFC-22大；制冷系数高，放热系数大，故相同温度及相同制冷量时，氨压缩机尺寸最小。氨制冷剂的缺点是易燃、有毒、遇水后对锌、铜、青铜合金（磷青铜除外）有腐蚀作用、有刺鼻的气味。所以采用氨作为制冷剂的制冷系统要具备两个特点：其一是安全性，要有完善的密封系统和检漏系统以及完善的报警系统。其二是耐腐蚀，在氨制冷装置中，其管道、仪表、阀门等均不能采用铜和铜合金材料。?CO2制冷剂CO2在本世纪初曾经广泛应用于空调及船舶的制冷系统，跨临界循环的CO2制冷循环在热泵、空调、商用制冷装置、食品冷藏冷冻、洗衣机干燥器等方面的应用前景很好。与HCFCs相比，CO2有其自身的优点，其ODP=0，GWP=1；容易获取；不燃烧，无毒，使用安全；化学稳定性好，与润滑油不反应，对装置无腐蚀作用；比容较小，单位容积制冷量大，使得压缩机尺寸减小，其制冷性能相当于原来采用R22或R12或R134a的制冷装置。目前日本的一些热泵热水器产品采用了以CO2作为制冷剂的跨临界制冷循环，系统不仅效率高，而且结构紧凑，产生的热水温度高。在美国、挪威、德国等国家将CO2应用于汽车空调中，也取得了成功。CO2制冷系统主要的问题是具有较高的临界压力和低的临界温度，制冷系统压力高，如：蒸发温度为0℃时，蒸发压力为3.55MPa，冷凝温度为50℃时，冷凝压力为10MPa，所以采用CO2的制冷系统必须具备高承压能力，高可靠性等特点，同时，该系统的成本很高。碳氢化合物（HCs）碳氢化合物在19世纪末到20世纪初是广泛使用的制冷剂，但由于其具有可燃性，后被卤代烃替代。臭氧层消耗与全球变暖两大全球问题提出后，碳氢化合物再次走进了制冷行业。具有代表性的是R600a、R290，目前中国的冰箱企业多数已经采用了R600a制冷剂的制冷系统。其主要特点是：环保；易获得、价格低；热力性能好；与原制冷系统兼容。由于碳氢化合物易燃、易爆，采用碳氢化合物的制冷系统主要的问题是可燃性问题，对于封闭式压缩机系统，认为制冷剂灌注量少于150g是安全的，所以目前在冰箱产品应用较为普遍，而对于空调产品应用较少。在IEC60335-2-40：2005《家用和类似用途电器的安全热泵、空调器和除湿机的特殊要求》中已经对使用可燃制冷剂的制冷器具作了特殊规定，如：器具的安装、运行、储存的房间面积应大于规定值，器具的运输、标识和存放要符合标准要求，详细的列出了说明书应包含的安装书、维修和使用信息，经过模拟泄漏的测试器具的带电部件附近的制冷剂浓度在规定范围内。该标准已经充分考虑了空调器产品使用可燃制冷剂时可能带来的安全隐患。在产品设计时要考虑以下三个方面：第一是对可能成为点火源的部件的限定。有些电器部件的内部有起着接通或断开电气回路作用的敞开式触点，在触点接通或断开的瞬间，由于两个触点间电势突变而会产生电弧火花。相关部件如：继电器、电容器、非封闭压缩机的过载保护器等。对于此类部件，可采用符合IEC60079-15:2001标准要求的密封型电气零部件或用固态型电气件，以避免电火花的产生。若无法满足IEC60079-15的要求，则应设法将其放置在密闭的金属盒或塑料盒中，达到使潜在点火源与可燃性制冷剂隔离开的目的。第三是对部件之间连接方式以及连接部位周围的环境的规定。电路中由于在不同部件之间、同一部件的不同极性之间存在着电势差，如果由于安装设置的原因造成电器部件之间或某个电器部件的不同极性之间的间距过小的话，就存在着电气击穿而产生电火花的潜在危险。所以，在产品的电气连接方式上要采取有效的紧固措施，以避免因电气连接松动而产生电火花。具体的实施方法可以是：设计合理的布线方式，使导线易于与接线端子的接线柱可靠连接；在导线被夹紧时不应减少其被夹持的截面积，并能可靠地保持恒定接触压力；为防止在偶然情况下不同极性带电体之间的电气间隙变小，拟选用的接线端子的结构应为不同极性接线柱之间的绝缘隔板高度不小于接线柱的高度。第三是避免制冷剂泄漏。采用厚管壁的铜管，制冷系统的管路要焊接牢固，避免由于安装、运输过程造成铜管或焊缝破裂。由于HCFCs完全替代的时间提前了，该项工作也更加紧迫了。笔者对两类HCFCs的替代物质进行了分析，概况如下：HFC型制冷剂：具有ODP为零，使用HFC型制冷剂的制冷系统与现有的HCFC22制冷系统比较接近，改造容易，制冷性能与HCFC22相似。缺点是GWP较高，随着对环保要求的提高，此类制冷剂可能会再次被替代。自然制冷剂：具有ODP为零，GWP非常低的优点，是真正的环保型制冷剂。但是将自然制冷剂广泛应用到空调制冷系统中，还有许多技术问题需要解决，其中比较可行的是采用碳氢化合物，如R290。要依据IEC60335-2-40：2005标准要求，从限定使用可能成为点火源的部件、合理地规定电气部件之间的连接方式、可靠地进行制冷系统管路之间的焊接等方面合理地进行产品设计，解决其可燃性的问题。根據《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議的要求，HCFCs替代的限期提前瞭，所以研究HCFC的替代物質及相關的技術迫在眉睫。2007年9月17～21日，在加拿大蒙特利爾的蒙特利爾會議中心召開瞭《蒙特利爾議定書》第19次締約方會議。在此會議上加速瞭HCFC的淘汰，把1992在哥本哈根修正案中所確定的HCFCs凍結年度提前3年，從原定的2016年提早到2013年，而且是以2009年與2010年的生產量與消費量的平均值為統計核算基礎；所確定的HCFC完全淘汰時間提前瞭10年，從原定的2040年提早到2030年。作為生產和消耗HCFCs的大國，要做到HCFCs完全替代，是需要很長時間和一定技術積累的，所以研究HCFC的替代物質及相關的技術迫在眉睫。目前中國生產和使用的受控HCFCs包括：HCFC-22、HCFC-123、HCFC-124、HCFC-141b和HCFC-142b，其中HCFC-22的生產量占全部HCFCs的80%以上，主要用於制冷劑、發泡劑和其他化工產品的原料。在我國冰箱行業現在已經基本采用瞭R600a替代CFC-12，消耗HCFC-22的行業主要包括空調器行業（包括房間空調器、汽車空調器）、工商制冷行業、泡沫行業和以其為原料的化工行業。由於未來中國經濟將保持較高的增長速度，HCFCs的產量及各終端行業排放的HCFCs均處於上升階段，至2020年將達到峰值，這會增加淘汰HCFCs的壓力，同時在淘汰HCFCs相關產品時，也要考慮到技術的可行性，使其對相關行業的影響最小。制冷行業和泡沫行業是我國HCFCs的兩大主要排放源，約占總量的99%，其中房間空調排放量位居第一。所以要重點考慮房間空調器制冷劑的替代問題。有效的HCFCs替代物質要求滿足以下要求：第一，考慮到目前全球變暖的因素，HCFCs的替代物質要求ODP（ozonedepressionpotential）消耗臭氧潛能值和GWP（GlobalWarmingPotential）全球變暖潛能值均為零或近似為零。第二，熱力學要求：替代品應與原制冷劑、發泡劑有近似的沸點、熱力學特性及傳熱特性。第三，可行性要求：具有可供應性（工藝成熟、價格適宜、能被市場接受），易采用性（無需對原有裝置進行大改動即可達到要求）。現有HCFCs替代物主要分為：HFC型制冷劑，如：R134a、R410A、R404A、R407C等；自然制冷劑，如：CO2、R717（氨）和HC型制冷劑，如：R600a和R290。HFC型制冷劑的特點是與現有的制冷劑性能較為接近，制冷系統不需要做大的改動。R410A是由HFC-32和HFC-125各50%組成的混合制冷劑R410A，這是一種近共沸混合制冷劑，是由質量分數為50%R32和50%R125組成。R410A的ODP值為0，GWP值為1975。目前，中國企業出口歐盟國傢的空調產品主要用它來替代HCFC-22，技術應用比較成熟，日本、美國和歐洲部分國傢采用此方案。R410A單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動性能較好，但是，由於R410A的冷凝溫度和蒸發溫度較高，制冷系統設計時需要提高系統的耐壓能力，制冷配件也要選擇專門供R410A使用的配件。雖然ODP為零，但是GWP較高，這種制冷劑並不是完全的“綠色制冷劑”，我們選擇此種制冷劑作為HCFCs的替代物時要慎重，當限制GWP時，那麼我們發展中國傢的制冷空調行業到那時恐怕就將面臨第三次制冷劑的大淘汰。所謂的自然制冷劑是在自然中存在的能夠作為制冷劑使用的物質。由於他們一直存在大氣中，對生物界無危害，所以在當前臭氧層遭到破壞、全球氣候變暖的情況下，重新使用那些自然制冷劑是一種非常安全的選擇。?氨制冷劑NH3，代號R717，應用於制冷技術已有近130年歷史。目前氨制冷劑在大型冷庫、超市食品陳列櫃中得到瞭廣泛的應用。氨制冷劑合成工藝成熟，制取容易，價格低廉。氨制冷劑在冷凝器和蒸發器中的壓力適中（冷凝壓力一般為0.981MPa，蒸發壓力一般為0.098-0.49MPa）；其單位容積制冷量較CFC-12、HCFC-22大；制冷系數高，放熱系數大，故相同溫度及相同制冷量時，氨壓縮機尺寸最小。氨制冷劑的缺點是易燃、有毒、遇水後對鋅、銅、青銅合金（磷青銅除外）有腐蝕作用、有刺鼻的氣味。所以采用氨作為制冷劑的制冷系統要具備兩個特點：其一是安全性，要有完善的密封系統和檢漏系統以及完善的報警系統。其二是耐腐蝕，在氨制冷裝置中，其管道、儀表、閥門等均不能采用銅和銅合金材料。?CO2制冷劑CO2在本世紀初曾經廣泛應用於空調及船舶的制冷系統，跨臨界循環的CO2制冷循環在熱泵、空調、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍、洗衣機幹燥器等方面的應用前景很好。與HCFCs相比，CO2有其自身的優點，其ODP=0，GWP=1；容易獲取；不燃燒，無毒，使用安全；化學穩定性好，與潤滑油不反應，對裝置無腐蝕作用；比容較小，單位容積制冷量大，使得壓縮機尺寸減小，其制冷性能相當於原來采用R22或R12或R134a的制冷裝置。目前日本的一些熱泵熱水器產品采用瞭以CO2作為制冷劑的跨臨界制冷循環，系統不僅效率高，而且結構緊湊，產生的熱水溫度高。在美國、挪威、德國等國傢將CO2應用於汽車空調中，也取得瞭成功。CO2制冷系統主要的問題是具有較高的臨界壓力和低的臨界溫度，制冷系統壓力高，如：蒸發溫度為0℃時，蒸發壓力為3.55MPa，冷凝溫度為50℃時，冷凝壓力為10MPa，所以采用CO2的制冷系統必須具備高承壓能力，高可靠性等特點，同時，該系統的成本很高。碳氫化合物（HCs）碳氫化合物在19世紀末到20世紀初是廣泛使用的制冷劑，但由於其具有可燃性，後被鹵代烴替代。臭氧層消耗與全球變暖兩大全球問題提出後，碳氫化合物再次走進瞭制冷行業。具有代表性的是R600a、R290，目前中國的冰箱企業多數已經采用瞭R600a制冷劑的制冷系統。其主要特點是：環保；易獲得、價格低；熱力性能好；與原制冷系統兼容。由於碳氫化合物易燃、易爆，采用碳氫化合物的制冷系統主要的問題是可燃性問題，對於封閉式壓縮機系統，認為制冷劑灌註量少於150g是安全的，所以目前在冰箱產品應用較為普遍，而對於空調產品應用較少。在IEC60335-2-40：2005《傢用和類似用途電器的安全熱泵、空調器和除濕機的特殊要求》中已經對使用可燃制冷劑的制冷器具作瞭特殊規定，如：器具的安裝、運行、儲存的房間面積應大於規定值，器具的運輸、標識和存放要符合標準要求，詳細的列出瞭說明書應包含的安裝書、維修和使用信息，經過模擬泄漏的測試器具的帶電部件附近的制冷劑濃度在規定范圍內。該標準已經充分考慮瞭空調器產品使用可燃制冷劑時可能帶來的安全隱患。在產品設計時要考慮以下三個方面：第一是對可能成為點火源的部件的限定。有些電器部件的內部有起著接通或斷開電氣回路作用的敞開式觸點，在觸點接通或斷開的瞬間，由於兩個觸點間電勢突變而會產生電弧火花。相關部件如：繼電器、電容器、非封閉壓縮機的過載保護器等。對於此類部件，可采用符合IEC60079-15:2001標準要求的密封型電氣零部件或用固態型電氣件，以避免電火花的產生。若無法滿足IEC60079-15的要求，