R290家用空調產業(yè)化關鍵技術問題分析

龍建佑，吳治將，林

（1.順德職業(yè)技術學院廣東高校熱泵工程技術開發(fā)中心，廣東佛山 528333；2.廣東志高空調有限公司，廣東佛山 528244）

0 引言

從當前房間空調器的制冷劑的發(fā)展狀況來看，對臭氧層有破壞作用的R22的加速淘汰已不可避免，而目前替代R22的 R134a、R410a、R407C等高GWP的HFC類制冷劑也將面臨被管制 （淘汰）的命運。R290因其優(yōu)異的環(huán)保性能、R32因其低的GWP和較高的最低燃燒極限，而成為當前潛在的最有可能的替代物。通過全面比較R290和R32的性質我們發(fā)現(xiàn)，R290在環(huán)保性能、熱力性能、絕大多數(shù)熱物理性能以及全面的實用性質方面均優(yōu)于R32，R32僅在極少數(shù)的熱物理性質和最低燃燒極限上略優(yōu)于R290。而在燃燒性方面，目前的技術發(fā)展已經可以使得R290房間空調器的充灌量能夠滿足歐盟標準的要求，并且還在不斷的研究開發(fā)中。總之，在房間空調器制冷劑的替代方面，R290總體上要優(yōu)越R32很多[1-5]，R290必然成為家用空調替代制冷劑的首要選擇。

歐盟、日本都傾向于研究開發(fā)自然工質空調系統(tǒng)，并制定了該類產品的行業(yè)標準。歐洲采用R290、R600a為工質的冰箱、小型空調和汽車空調已超1000萬例，尚未發(fā)現(xiàn)因此造成的工質泄漏引起的爆炸傷人事故。目前在歐洲已經開始生產和銷售R290空調，圖1為意大利的DeLonghi公司開發(fā)的使用自然制冷劑R290的分體式空調，其技術數(shù)據如下[6]：制冷量3500W，制熱量3530W，COP達到3.34，噪音：36dB（A）。

圖1 DeLonghi公司R290分體空調器

2009年6月18日及2009年11月31日-12月1日，環(huán)保部外經辦和中國家用電器協(xié)會在北京組織召開了中國房間空調器行業(yè)HCFCs替代技術專家委員會第一及第二次會議。來自于家用空調器企業(yè)和相關領域的科研院所、高等院校的專家，環(huán)保部外經辦領導、中國家用電器協(xié)會領導、聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織的官員參加了會議。專家委員會會議的召開將有效推動房間空調器行業(yè)HCFC-22的替代工作，可以說在我國房間空調器行業(yè)的HCFC-22淘汰過程中是一個里程碑性的事件。會議交流了國際國內空調器替代工質替代技術研究成果和進展，討論了我國房間空調器HCFC淘汰管理計劃。專家一致同意繼續(xù)在碳氫工質的安全性和性能等共性問題上開展深入的研究和合作，并依托專家委員會平臺，共同開展工作，包括提出制冷劑評價意見、建立空調器產品安全風險評價的試驗方法、各種制冷劑性能比對試驗等。有關的專家和企業(yè)都明確表明要在這些方面加快進行深入的研究。

我國各空調公司和高校都已經展開R290空調及其相關問題研究工作[7-14]，它們的研究結果均表明，只要解決好易燃易爆問題，R290替代R22作為家用空調器制冷劑是可行，同時整機成本會降低，效率會提高。從國內外空調行業(yè)的走向可以看出，雖然目前R290空調國內市場正處于啟動前的準備階段，但隨人們的認同度提高，R290必然成為家用空調替代制冷劑的主要選擇。

1 R290空調產品設計方面關鍵問題

1.1 減少系統(tǒng)充注量

為徹底杜絕因工質泄漏引起的爆炸傷人事故情況的發(fā)生，應盡量減少R290空調的制冷劑灌注量，保證即使制冷劑短時間內完全泄漏也不會發(fā)生事故。按照IEC 60335-2-40和EN 378-1：2008中的最大灌注量公式來限制灌注制冷劑，碳氫制冷劑最大灌注量公式：

式中：LFL—制冷劑最低可燃濃度，R290=0.038kg/m3；

Mmax—空調系統(tǒng)的最大灌注量，kg；

h0—室內機的安裝高度，m；

A—房間面積，m3

根據該公式，對不同高度、不同面積房間所用空調器的最大工質灌注量，以及不同工質灌注量可以應用的不同高度的最小房間面積作了部分計算統(tǒng)計，其結果如表1所示。

由表可知：室內機的安裝高度為2.2m，面積為10m2的房間所使用的R290房間空調器的最大工質灌注量為290g。對于兩匹以上的大機組，很難將充注量控制在 IEC 60335-2-40和 EN 378-1：2008限量范圍內，因此對于兩匹以上的大機組可以考慮采用二次制冷劑，而對于兩匹以下的小機組可通過以下措施減少系統(tǒng)充注量。

1）壓縮機腔體優(yōu)化。由于滾動轉子式壓縮機采取直接吸氣、間接排氣的方式，壓縮機機殼內充滿排氣壓力下的R290蒸氣，是R290房間空調器的制冷劑儲存量較大的部分，可以根據R290制冷劑的特性，進一步優(yōu)化壓縮機空腔容積。目前，國外一些廠家 （如Danfoss）等已經成功開發(fā)出R290活塞式壓縮機，因此開發(fā)出結構緊湊、性能優(yōu)良的R290滾動轉子式壓縮機也是可能的。另外，氣液分離器對于旋轉式壓縮機具有重要的作用，對于改善旋轉壓縮機的工作狀況、提高效率以及延長使用具有重要意義。但氣液分離器容積也成為增加制冷劑充注量的重要組成部分，應優(yōu)化其結構，在保證壓縮機安全運行的情況下減小其容積[11]。

2）采用小管徑或微通道冷凝器。冷凝器中的制冷劑約占整個循環(huán)系統(tǒng)的40%～50%左右，可將冷凝器7mm管改為5mm或微通道冷凝以減少充注量，但需要解決小管徑冷凝器制熱量下降的問題和采用平行流微通道換熱器結霜排水問題[10]。

表1 不同高度、不同房間面積所用空調器的最大工質灌注量 （kg）

3）減少蒸發(fā)器流程。R290的傳熱系數(shù)是R22的109.7%（液體）～174.5%（氣體），蒸發(fā)潛熱是R22的180%。因此可考慮采用小管徑蒸發(fā)器來減小蒸發(fā)器內容積，從而降低工質灌注量。但是蒸發(fā)器換熱管內大部分為氣體或氣液兩相混合物，由于小管徑換熱管內螺紋齒的擾流作用，氣體的阻力損失要遠遠大于液體。若減小換熱管管徑，將大大增加系統(tǒng)的阻力損失，降低系統(tǒng)的能效比。因此，可以對原蒸發(fā)器采取減少換熱管的流程來減少充注容積，而不考慮蒸發(fā)器采用微管徑方案[8]。

4）縮短連接管長度和管徑?？紤]到R290氣態(tài)和液態(tài)的動力粘滯系數(shù)都低于相同狀態(tài)下的R22工質，制冷劑系統(tǒng)管路沿程阻力損失對R290系統(tǒng)性能影響低于R22系統(tǒng)，因此R290分體空調系統(tǒng)內外機連接管可以使用較R22系統(tǒng)更小直徑的連接管，同時可以在滿足用戶使用要求的前提下，盡可能地縮短內外機連接管的長度，減少系統(tǒng)容積，從而達到減少系統(tǒng)工質灌注量目的。

1.2 開發(fā)R290專用高效壓縮機

R290的單位容積制冷量比R22略低，單位容積制冷量影響到壓縮機的工作容積，Ki-JungPark等[4]認為R290直接使用R22壓縮機需要將工作容積增大6%～10%。因此，應根據針對R290的熱物理性質，討論R290替代R22時對空調用旋轉壓縮機制冷量和功率消耗的影響，提出了R290替代R22時空調用旋轉壓縮機優(yōu)化措施，開發(fā)R290專用壓縮機，改進電動機設計，優(yōu)化壓縮機結構、排氣系統(tǒng)、泄露間隙、選擇冷凍油。文獻 [11]提出的一系列措施可進一步提高R290空調用旋轉壓縮機的性能，實現(xiàn)替代即可節(jié)能的目的。圖2為美芝公司的R290壓縮機。

圖2 美芝公司R290壓縮機

1.3 研究電控系統(tǒng)防火設計

必須保證在制冷劑泄漏可能聚積處必須沒有火花源，可采用非火花源元器件 （封裝繼電器、封閉式通斷裝置、能量有限的儀器和回路等），也可把火花源元器件置于萬一有制冷劑泄漏時也沒有制冷劑聚積的位置 （比如在封閉的外殼內），尤其是空調器內部元件 （變壓器、發(fā)光二極管顯示、搖擺電機、風扇電機、插線板、繼電器等），如采用帶有滅弧裝置、防爆型、防靜電設計的接觸器，最大限度減少電火花的產生。

1.4 加入混合阻燃劑提高制冷劑的燃燒下限

R290在空氣中的最低可燃濃度為0.038kg/m3，如果通過加入混合阻燃劑提高 R290的燃燒下限（即提高R290在空氣中的最低可燃濃度），按照IEC 60335-2-40和EN 378-1：2008中的最大灌注量計算公式，同樣高度和面積的房間允許使用R290空調的最大充灌量限額就增大了，這就提高R290空調的使用安全性。徐明仿等[15]提出了加入混合阻燃劑的抑爆方法，根據制冷劑的燃燒極限，如加入R134a、R125、R227ea等阻燃劑，可以提高泄露后空氣中制冷劑的燃燒下限。王懷信等人[16]提出在加入阻燃劑R134a、R125、R227ea的基礎上，同時加入輔助阻燃劑CO2的方法。這些措施都能很好的阻止可燃工質的燃燒等危險。

1.5 安裝收氟電磁截止閥和室內機檢測報警裝置

室外側使用兩個電磁截止閥。室內一旦發(fā)生泄漏報警，空調器立刻自動切換至收氟狀態(tài)，將室內制冷劑完全收至冷凝器，整機強行中止運行直到專業(yè)人士維修正常，并手動恢復為止。

在空調器室內機換熱器上增加制冷劑濃度檢測裝置，當制冷劑在發(fā)生泄漏達到輕微濃度時即給空調器斷電，切斷可能的火源，并發(fā)出聲光警報提醒使用者通風撤離。由于R290密度大于空氣，檢測裝置應安裝在室內換熱器的下方位置。

2 R290空調制造方面關鍵問題

空調企業(yè)通過控制生產精度而減少不必要的制冷劑泄漏量，保證通風而有效稀釋環(huán)境中的制冷劑濃度，改造生產線減少電火花并增加濃度檢測裝置，是完全可以做到安全生產的。

2.1 改造生產線關鍵工序

1）定量充注。該工序泄漏R290的可能性最大，一般完成充注后拔下充注槍，會有R290從快速接頭處溢出，接頭周圍的R290瞬間濃度比較大，因此充注工序屬于重點監(jiān)控防護區(qū)域。必須采用專用的R290充注機，在R290儲灌周圍設立隔離區(qū)，并安裝可靠的濃度探測儀器、加強周圍特別是充注口的通風、禁止明火、防止靜電等，這些措施足以保證充注安全。

2）封口。目前R22空調器的生產采用封口鉗夾扁工藝管，取下快速接頭，然后立刻進行焊接封口。工藝管雖然被夾扁了，但不能保證完全不漏氣，通常情況下都會有少量制冷劑泄漏出來。如果按照現(xiàn)有方法對R290制冷劑密封，少量的R290氣體聚集在工藝管口周圍很有可能形成爆炸危險，使用明火焊接顯然不適合?？梢栽诠に嚬苌霞友b截止閥，充注完畢立即關閉閥門，在保證有充足的流動空氣下拔下充注槍頭完成充注。也可采用洛克環(huán)（LOKRING）技術 （圖3所示）封口，它是一種“冷”的管路連接工藝，可以在不產生高溫和其它污染雜質的前提下，可靠地將金屬管路連接起來，其密封性非常好，可以阻止小分子物質如制冷劑的泄漏，而且可以承受相當大的內壓。

圖3 德國產洛克環(huán)封口技術

3）檢漏。加大器具在工廠內的檢漏程度和頻度。可采用三次檢漏：在生產線上灌注制冷劑時在制冷回路使用氦檢，在生產線上整機灌注丙烷之后檢漏，還有就是在倉庫里檢查包裝箱內是否存在丙烷。

2.2 確保生產區(qū)安全

1）測試房。目前R22生產線上的測試房主要使用環(huán)線結構方式，供電全部由環(huán)線導軌電刷取電，而電刷受彈簧力和摩擦間隙等影響，會出現(xiàn)打火的隱患，相對R290是個危險源。而目前測試房里主要使用快速接頭進行測試連接，不可避免會發(fā)生泄漏。這兩點導致測試房產生危險的可能性非常大。因此在測試房內，需改進環(huán)線導軌電刷取電方式，保證測試房有充足的送風和排風以便可以及時帶走泄漏出來的R290，設置濃度檢測報警設施，防止靜電產生。

2）成品庫房和氣庫。必須在成品庫房安裝強制通風設備、報警設施和滅火裝置，以確保成品庫房安全。氣庫須設置在離生產車間50m以外，由增壓系統(tǒng)送至充注機。氣庫須配置有濃度監(jiān)測儀器（可與制冷劑增壓系統(tǒng)一體）、滅火器和防爆通風設備。

3 R290空調安裝、維修等關鍵問題

（1）安裝：分體式需要進行連接安裝時，須使用抽真空方式，而不可采用制冷劑排空方式。

（2）維修：維修現(xiàn)場要保證良好的通風條件。在灌注制冷劑時，為避免靜電產生火花，要求返修或維修現(xiàn)場所有設備必須可靠接地，所有的接線必須牢固可靠，絕對不允許有接錯現(xiàn)象。

拋棄目前使用壓力表和3～5公斤補氟瓶組合補氟的維修方案，設計無泄漏補氟的方案，維修工無需攜帶危險的大型R290氟瓶，僅需要攜帶可重復使用的手掌大小的罐狀R290補氟器，連接至專門設計的低壓閥體，即可進行安全快速的補氟操作。

（3）用戶使用：室內機必須安裝可靠的探測儀器，在發(fā)生泄漏時能發(fā)出聲光報警，并且空調在停機或斷電的情況下也能正常工作。

4 結語

雖然按現(xiàn)行版本的GB9237《制冷和制熱用機械制冷系統(tǒng)安全要求》的規(guī)定，無論是直接系統(tǒng)還是間接系統(tǒng)，都完全禁止使用這些易燃易爆的天然制冷劑的家用空調系統(tǒng)進入市場。但我國在安全標準的制定方面主要還是以等同和等效采用國際和國外先進標準的方式轉換為國內相應的標準。隨著IEC 60335-2-40和EN 378-1：2008等新版的國際標準的相繼頒布，并且經過轉換程序變?yōu)橹袊南鄳踩珮藴实臈l文后，在國內房間空調器制冷系統(tǒng)中使用可燃制冷劑的安全要求問題也就迎刃而解。因此，只要解決好R290可燃性引起的安全問題，攻克R290空調產品設計方面、制造方面和安裝維修及用戶使用方面關鍵問題，R290空調必將成為未來空調市場的主流。

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