碳?xì)淅涿皆陔娦艡C(jī)房的應(yīng)用初探

吳 劍，方元昌

（中國(guó)電信股份有限公司福建分公司，福建 福州350000）

1 概 述

傳統(tǒng)氟利昂類(lèi)冷媒以其獨(dú)具特性在空調(diào)行業(yè)廣泛應(yīng)用。而隨著人們對(duì)節(jié)能與環(huán)保事業(yè)的關(guān)注度不斷提高，傳統(tǒng)氟利昂對(duì)臭氧層的巨大破壞使得人們加大了對(duì)替代冷媒的研究。碳?xì)漕?lèi)冷媒以其獨(dú)具的臭氧層零破壞系數(shù)，溫室效應(yīng)系數(shù)低，溶水性良好、冷凝壓力低、蒸發(fā)壓力、排氣溫度和真空度要求低等優(yōu)勢(shì)，逐漸引起了人們的關(guān)注。

2 碳?xì)淅涿胶?jiǎn)介

將冷媒以物質(zhì)屬性分類(lèi)可分為自然冷媒與合成冷媒。早期商業(yè)化的自然冷媒主要有氨與水，隨著技術(shù)的發(fā)展，合成冷媒以其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)慢慢推廣開(kāi)來(lái)，人類(lèi)也在不斷地完善開(kāi)發(fā)高效冷媒，通常要具有無(wú)毒、不爆炸、對(duì)金屬及非金屬無(wú)腐蝕作用、不燃燒、泄漏時(shí)易于察覺(jué)、化學(xué)性安定、對(duì)潤(rùn)滑油無(wú)破壞性、具有較大的蒸發(fā)潛熱、對(duì)環(huán)境無(wú)害等特性。

2.1 通用的冷媒選用準(zhǔn)則

（1）制冷性能好：冷媒的冷凝壓力不太高，蒸發(fā)壓力在大氣壓以上，壓力比較適中，排氣溫度不太高，單位容積制冷量大，循環(huán)的性能系數(shù)高，傳熱性好。

（2）實(shí)用性：冷媒的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，在制冷循環(huán)過(guò)程中不分解，不變質(zhì)；無(wú)毒，無(wú)害；來(lái)源廣，價(jià)格便宜。

（3）環(huán)境可接受性：應(yīng)滿足保護(hù)大氣臭氧層和減少溫室效益的環(huán)境保護(hù)要求，冷媒的臭氧破壞指數(shù)必須為0，溫室效益指數(shù)應(yīng)盡可能小。

2.2 冷媒的制冷效果取決因素

（1）冷媒冷凝壓力低，壓縮比越小，壓縮機(jī)運(yùn)行功率越低。

（2）冷媒汽化潛熱越大，可快速制冷，減少壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

（3）冷媒與潤(rùn)滑油的相溶性越高，則回油越好，可減少換熱器油膜厚度，強(qiáng)化傳熱效果。

（4）冷媒存在溫度滑移，減少傳熱溫差，降低不可逆損耗，提高制冷循環(huán)的熱力完善度。

2.3 碳?xì)淅涿教攸c(diǎn)

（1）完全環(huán)保：碳?xì)淅涿饺∽蕴烊?，是無(wú)氟產(chǎn)品，不損害臭氧層，無(wú)溫室效應(yīng)，完全環(huán)保。

（2）經(jīng)濟(jì)實(shí)惠：按重量計(jì)，新型碳?xì)洵h(huán)保節(jié)能冷媒的用量只是R22、R502、R404、R406的40%～55%，更為經(jīng)濟(jì)。

（3）高效節(jié)能：凝固點(diǎn)低，蒸發(fā)潛熱更大，單位時(shí)間內(nèi)降溫更快，等熵壓縮比更小，壓縮機(jī)工作更輕松，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命；分子量小，流動(dòng)性好，輸送壓力低，減小了壓縮機(jī)的負(fù)載。

（4）油混率高：碳?xì)洵h(huán)保冷媒的油混率極高，與所有常用冷凍潤(rùn)滑油（礦物潤(rùn)滑油、合成潤(rùn)滑油）兼容，無(wú)毒，對(duì)金屬和耐油橡膠均無(wú)腐蝕性。而許多冷媒需要專(zhuān)門(mén)配套的冷媒潤(rùn)滑油，如使用不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，使用碳?xì)淅涿娇煞乐钩霈F(xiàn)冷媒和冷媒潤(rùn)滑油不兼容造成的問(wèn)題。制冷設(shè)備需換用碳?xì)洵h(huán)保冷媒無(wú)需進(jìn)行改裝。

（5）適應(yīng)性強(qiáng)：碳?xì)洵h(huán)保冷媒對(duì)酷熱氣候具有獨(dú)到的適應(yīng)性，由于它流動(dòng)性好，更適用于長(zhǎng)管道制冷系統(tǒng)，氟利昂類(lèi)冷媒不適合酷熱或熱帶地區(qū)使用。

（6）用途廣泛：碳?xì)洵h(huán)保冷媒系列產(chǎn)品可應(yīng)用于大多數(shù)制冷系統(tǒng)。

3 各種冷媒性能比較

冷媒性能比較見(jiàn)表1。

3.1 R22與R123的比較

（1）R22與R123同屬氫氯氟烴，但R22的臭氧層破壞力是R123的2.5倍，溫室效應(yīng)數(shù)是R123的17倍。

（2）R123是低壓制冷劑，工作時(shí)蒸發(fā)器為負(fù)壓，冷凝器為0.04 mPa，停機(jī)時(shí)機(jī)內(nèi)為－0.004 mPa，因此，即便機(jī)組泄漏也只存在外界空氣進(jìn)入機(jī)組的可能。

（3）R22臨界壓力比R123高1 300 kPa，機(jī)組內(nèi)部壓力升高，泄漏幾率升高。

表1 冷媒性能比較

3.2 R22與R134a的比較

（1）R134a的比容是R22的1.47倍，且蒸發(fā)潛熱小，因此對(duì)于相排氣體積的壓縮機(jī)而言，R134a機(jī)組的冷凍能力僅為R22機(jī)組的60%。

（2）R134a的熱傳導(dǎo)率比R22下降10%，因此換熱器的換熱面積增大。

（3）R134a的吸水性很強(qiáng)，是R22的20倍，因此對(duì)R134a機(jī)組系統(tǒng)中干燥器的要求較高，以避免系統(tǒng)的冰堵現(xiàn)象。

（4）R134a對(duì)銅的腐蝕性較強(qiáng)，使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生“鍍銅現(xiàn)象”，因此系統(tǒng)中必須增加添加劑。

（5）R134a對(duì)橡膠類(lèi)物質(zhì)的膨潤(rùn)作用較強(qiáng)，在實(shí)際使用過(guò)程中，冷媒泄漏率高。

（6）R134a系統(tǒng)需要專(zhuān)用的壓縮機(jī)及專(zhuān)用的脂類(lèi)潤(rùn)滑油，脂類(lèi)潤(rùn)滑油由于具有高吸水性、高起泡性及高擴(kuò)散性，在系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性上劣于R22系統(tǒng)所使用的礦物油。

（7）HFC類(lèi)冷媒及其專(zhuān)用脂類(lèi)油的價(jià)格高于R22，設(shè)備的運(yùn)行成本將上升。

3.3 R22與R407c的比較

R407c在熱工特性上與R22最為接近，除了在制冷性能、效率上略差以及具有上述HFC類(lèi)物質(zhì)存在的技術(shù)問(wèn)題之外，還由于這類(lèi)物質(zhì)屬于非共沸混合物，其成分濃度隨溫度、壓力的變化而變化，這對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的生產(chǎn)、調(diào)試及維修都帶來(lái)一定的困難，對(duì)系統(tǒng)熱傳導(dǎo)性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。特別是當(dāng)R407c泄漏時(shí)，系統(tǒng)制冷劑在一般情況下均需要全部置換，以保證各混合組分的比例，達(dá)到最佳制冷效果。

3.4 R22與R410A的比較

R410A和R22一樣，都屬于氟利昂的一種，兩者都具有一定的溫室效應(yīng)，而R22在制冷系統(tǒng)方面的性能表現(xiàn)要優(yōu)于R410A，室外溫度在27.8℃時(shí)，R410空調(diào)系統(tǒng)的能效比（EER）較R22空調(diào)系統(tǒng)的略高，而在最高的環(huán)境溫度54.4℃時(shí)，R410A空調(diào)系統(tǒng)的能效比（EER）較R22空調(diào)系統(tǒng)的低15%。

R410A冷媒所用的壓縮機(jī)使用POE油潤(rùn)滑，POE油和水能夠發(fā)生反應(yīng)，生成水和酸，生成的水又能促使POE油進(jìn)一步反應(yīng)，長(zhǎng)期下去，可能會(huì)使毛細(xì)管發(fā)生冰堵現(xiàn)象；同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)工質(zhì)的酸性會(huì)越來(lái)越高（PH值越來(lái)越低），有可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的零部件發(fā)生腐蝕和產(chǎn)生鍍銅現(xiàn)象。

R410A冷媒應(yīng)存放在30℃以下的環(huán)境中，若在高于30℃的環(huán)境中存放過(guò)，必須在30℃以下的環(huán)境中存放24 h以上才能使用，否則冷媒的組分會(huì)變化，影響空調(diào)的性能。

4 碳?xì)淅涿教娲鶵22的可行性論證

碳?xì)淅涿脚c原有R22潤(rùn)滑油的相溶性高，回油好，能減少換熱器油膜厚度，杜絕潤(rùn)滑油分層現(xiàn)象，可直接用在現(xiàn)有R22的制冷設(shè)備中；

碳?xì)淅涿嚼淠龎毫π?，壓縮比小，壓縮機(jī)運(yùn)行功率低；再者，碳?xì)淅涿降哪厅c(diǎn)低，蒸發(fā)潛熱是R22的2倍，單位時(shí)間內(nèi)降溫速度更快，可延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。

碳?xì)淅涿降姆肿恿啃?，冷媒用量只是R22的35%左右，流動(dòng)性好，輸送壓力更低，降低了壓縮機(jī)的工作壓力，大大提高了壓縮機(jī)的壽命。

因此，理論上碳?xì)淅涿娇梢杂糜谔鎿Q原有R22系統(tǒng)制冷劑。

5 實(shí)地測(cè)試

為研究新型碳?xì)漕?lèi)冷媒替換通信機(jī)房中原有空調(diào)系統(tǒng)的R22冷媒是否可行，協(xié)同廠家進(jìn)行碳?xì)漕?lèi)冷媒在通信機(jī)房的試用測(cè)試。測(cè)試主要包括安全測(cè)試、防腐蝕測(cè)試與節(jié)能測(cè)試三個(gè)方面。

（1）安全測(cè)試

在定空間釋放定量的碳?xì)淅涿胶簏c(diǎn)火試驗(yàn)：選定1個(gè)19 m2的空房間，55 m3（房間規(guī)格為3.4 m×5.6 m×2.9 m），模擬機(jī)房需求配置3P空調(diào)1臺(tái)，機(jī)房?jī)?nèi)充進(jìn)350 g液態(tài)碳?xì)淅涿?，通過(guò)窗戶扔1團(tuán)點(diǎn)燃紙團(tuán)，未立即出現(xiàn)爆炸；該項(xiàng)測(cè)試受各種現(xiàn)場(chǎng)因素的限制，需由測(cè)試產(chǎn)品廠家委托有資質(zhì)的第三方進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。

（2）防腐蝕測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)不具備測(cè)試條件，由測(cè)試產(chǎn)品廠家委托有資質(zhì)的第三方測(cè)試。

（3）節(jié)能測(cè)試及節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)分析

為了便于直接、直觀地進(jìn)行能效對(duì)比，測(cè)試特地選取供冷模型類(lèi)似的兩個(gè)機(jī)房針對(duì)不同的氣候進(jìn)行測(cè)試。

a.瞬間節(jié)電率測(cè)試

機(jī)房1：空調(diào)設(shè)置溫度25°，采用R22冷媒電流為8.4 A，采用碳?xì)淅涿诫娏鳛?.6 A，瞬時(shí)節(jié)電率為21.42%，；

機(jī)房2：空調(diào)設(shè)置溫度25°，采用R22冷媒電流為7.5 A，采用碳?xì)淅涿诫娏鳛?.2 A，瞬時(shí)節(jié)電率為17.3%；

b.長(zhǎng)時(shí)間掛表測(cè)試

（1）第1階段，戶外平均溫度20.12℃，測(cè)試時(shí)間8天，采用碳?xì)淅涿降臋C(jī)房平均節(jié)電率為16.37%；

（2）第2階段，戶外平均溫度20.38℃，測(cè)試時(shí)間49天，采用碳?xì)淅涿降臋C(jī)房平均節(jié)電率為20.64%；

（3）第3階段，戶外平均溫度25.95℃，測(cè)試時(shí)間21天，采用碳?xì)淅涿降臋C(jī)房平均節(jié)電率為23.95%；

（4）第4階段，戶外平均溫度32.05℃，測(cè)試時(shí)間35天，采用碳?xì)淅涿降臋C(jī)房平均節(jié)電率為25.37%；

（5）第5階段，戶外平均溫度31.82℃，測(cè)試時(shí)間23天，采用碳?xì)淅涿降臋C(jī)房平均節(jié)電率為27.3%。

c.成效分析

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，使用碳?xì)淅涿狡骄?jié)電率26.34%；其中低溫時(shí)段，最低節(jié)電率16.37%，最高節(jié)電率20.64%，低溫時(shí)段平均節(jié)電率18.5%；中溫時(shí)段平均節(jié)電率23.95%；高溫時(shí)段，最低節(jié)電率25.37%，最高節(jié)電率27.3%，高溫時(shí)段平均節(jié)電率26.34%。

理論上，1臺(tái)3P空調(diào)采用R22冷媒每天平均用電量為14.26 kWh，采用碳?xì)涔?jié)能冷媒，若以平均節(jié)電率26.34%計(jì)算，每天節(jié)電3.76 kWh；若以低溫時(shí)段平均節(jié)電率16.37%計(jì)算，每天節(jié)電2.33 kWh；若以中溫時(shí)段平均節(jié)電率23.95%計(jì)算，每天節(jié)電3.42 kWh；若以高溫時(shí)段平均節(jié)電率26.34%計(jì)算，每天節(jié)電3.76 kWh。按照福建正常天氣情況，一般低溫天氣占3個(gè)月，中溫天氣占6個(gè)月，高溫天氣占3個(gè)月，一年大約節(jié)電1 163.7 kWh，按照每度電0.88元，以每臺(tái)3P空調(diào)采用碳?xì)淅涿胶馁Y1 350元計(jì)算，需要1年零4個(gè)月收回投資。

6 測(cè)試結(jié)論

（1）安全測(cè)試

碳?xì)湎盗欣涿娇扇夹缘?，只有同時(shí)滿足濃度在可燃濃度范圍且溫度高于著火點(diǎn)兩個(gè)條件才能燃燒，碳?xì)涞目扇紳舛葹轶w積濃度在2.1%～9.5%之間，著火點(diǎn)為470℃。燃燒爆炸極限值為：空氣中碳?xì)淅涿胶辛?9 g～180 g／m3。按照電信基站平均實(shí)際體積計(jì)算，每個(gè)基站面積為10 m2，高度為2.4 m，體積為24 m3，該空間內(nèi)含有碳?xì)淅涿降娜紵O限為：936 g～4 320 g。10 m2基站的空調(diào)功率平均為3匹，3匹空調(diào)加注環(huán)保冷媒量為700 g～750 g，因此即使壓縮機(jī)中的冷媒全部泄漏至基站室內(nèi)，也達(dá)不到發(fā)生燃燒與爆炸的最小極限；并且冷媒全部泄露到室內(nèi)的概率極低，所以基站空調(diào)更換碳?xì)洵h(huán)保冷媒在理論上無(wú)安全問(wèn)題。

為慎重起見(jiàn)，參與測(cè)試產(chǎn)品的防爆危害性由參檢廠家委托保險(xiǎn)公司承保。

（2）防腐測(cè)試

本次參與測(cè)試產(chǎn)品的防腐特性檢驗(yàn)由參檢廠家委托福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院（原福建省中心檢驗(yàn)所）完成，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，主要測(cè)試空調(diào)銅管浸入試樣23℃×24 h，其測(cè)試結(jié)果為銅管無(wú)可見(jiàn)粗糙度，顏色、狀態(tài)無(wú)變化。

（3）節(jié)能測(cè)試

在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)節(jié)能效果顯著，節(jié)能率達(dá)20%以上，而且戶外溫度越高，其節(jié)能效果越明顯，長(zhǎng)時(shí)間效果需要下一階段繼續(xù)跟蹤獲取數(shù)據(jù)。

受客觀測(cè)試條件限制，測(cè)試數(shù)據(jù)僅具相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)性。由于原有舊空調(diào)冷媒可能不足，重新添加冷媒可以提高冷媒效率；另外，更換冷媒也是對(duì)管道的清潔，本身也會(huì)降低傳熱熱阻，提高冷媒效率，因此測(cè)試數(shù)據(jù)并不代表真正的節(jié)能效果。

7 應(yīng)用場(chǎng)景建議

新型碳?xì)淅涿焦?jié)能效果顯著，但碳?xì)湎盗欣涿娇扇家妆?，在?shí)際應(yīng)用中需要特別注意對(duì)其應(yīng)用有如下建議：

（1）碳?xì)淅涿脚c原有R22潤(rùn)滑油的相溶性高，回油好，且冷媒冷凝壓力小，壓縮比小，壓縮機(jī)運(yùn)行功率低；凝固點(diǎn)低，蒸發(fā)潛熱高，單位時(shí)間內(nèi)降溫速度更快，節(jié)能環(huán)保，技術(shù)理論上適用所有采用R22風(fēng)冷式空調(diào)。

（2）碳?xì)湎盗欣涿骄G色環(huán)保，節(jié)能降耗效果明顯；雖然可燃易爆，但定量可控，通常的小面積小容量空調(diào)加注量均在安全使用范圍內(nèi)，可以在自有接入網(wǎng)機(jī)房，自有基站對(duì)空調(diào)進(jìn)行試點(diǎn)碳?xì)淅涿礁脑臁?/p>

（3）針對(duì)碳?xì)湎盗欣涿降奶攸c(diǎn)，考慮通風(fēng)等因素，可在辦公場(chǎng)所進(jìn)行試點(diǎn)碳?xì)淅涿礁脑臁?/p>

（4）由于碳?xì)湎盗欣涿缴形从休^長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用（雖廠家已提供防腐報(bào)告），無(wú)法把握碳?xì)湎盗欣涿绞褂煤笃趯?duì)設(shè)備的影響，建議僅對(duì)使用超過(guò)3年以上的空調(diào)設(shè)備進(jìn)行改造。

（5）大型中央空調(diào)主機(jī)的冷媒加注量需求大，超過(guò)可燃濃度范圍，一旦出現(xiàn)泄漏，灌注在中央空調(diào)的巨量碳?xì)淅涿綄⒆兂删薮蟀踩◤?，不建議對(duì)大型中央空調(diào)進(jìn)行碳?xì)淅涿礁脑臁?/p>

（6）考慮到機(jī)房精密空調(diào)的冷媒管道多是由多根銅管焊接而成，中間焊接環(huán)節(jié)眾多，出現(xiàn)管道泄漏的概率相對(duì)較大，同時(shí)機(jī)房精密空調(diào)主要安裝在機(jī)房?jī)?nèi)，密閉性好，一旦灌注泄露不易排出，管道內(nèi)的大量碳?xì)淅涿綄⒆兂删薮蟀踩[患，不建議對(duì)安裝在機(jī)房?jī)?nèi)的機(jī)房精密空調(diào)進(jìn)行碳?xì)淅涿礁脑臁?/p>

（7）考慮到管道較長(zhǎng)的分體空調(diào)中間焊接環(huán)節(jié)眾多，出現(xiàn)管道泄露的概率相對(duì)較大，不建議對(duì)管道較長(zhǎng)的分體空調(diào)進(jìn)行碳?xì)淅涿礁脑臁＝ㄗh管道長(zhǎng)度不大于5 m。

（8）考慮普通民眾對(duì)碳?xì)淅涿降慕邮芏葧簳r(shí)不高以及冷媒泄露可能帶來(lái)的糾紛，建議非自有的外租民房接入網(wǎng)與外租民房基站的配套空調(diào)暫不使用碳?xì)淅涿健４圏c(diǎn)一段時(shí)間后，視情況進(jìn)行推廣。

8 碳?xì)淅涿礁脑焱顿Y模式探討

當(dāng)前，合同能源管理作為新興的合作改造方式引起廣大使用商的關(guān)注，對(duì)于碳?xì)淅涿降母脑炜煽紤]選用此模式。

（1）節(jié)能量保證模式

使用商和產(chǎn)品廠家雙方共同投資，而使用商作為主要投資方，產(chǎn)品廠家向使用商承諾一定比例的節(jié)能量，達(dá)不到承諾節(jié)能量的部分，由產(chǎn)品廠家負(fù)擔(dān)；超出承諾節(jié)能量的部分，廠家獨(dú)享，直至使用商收回全部節(jié)能項(xiàng)目的投資收益后，項(xiàng)目合同結(jié)束，節(jié)能設(shè)備移交給使用商使用，以后所產(chǎn)生的節(jié)能收益全歸使用商享受。

（2）能源費(fèi)用管理模式

使用商委托產(chǎn)品廠家進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理和節(jié)能改造，并按照雙方約定支付空調(diào)托管費(fèi)用；產(chǎn)品廠家負(fù)責(zé)管理使用商整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造、運(yùn)行和維護(hù)工作。項(xiàng)目合同結(jié)束后，節(jié)能設(shè)備無(wú)償移交給使用商使用，以后所產(chǎn)生的節(jié)能收益全歸使用商享受。

（3）節(jié)能效益分享模式

節(jié)能改造工程前期投入由產(chǎn)品廠家支付，使用商無(wú)需投入資金。項(xiàng)目完成后，使用商在一定的合同期內(nèi)，先保證產(chǎn)品廠家收回改造成本，再按比例與使用商分享由項(xiàng)目產(chǎn)生的節(jié)能效益。

（4）節(jié)能效益支付模式

使用商委托產(chǎn)品廠家進(jìn)行節(jié)能改造，前期支付一定比例的工程投資，項(xiàng)目完成后，經(jīng)過(guò)雙方驗(yàn)收達(dá)到合同規(guī)定的節(jié)能量，使用商支付余額，或用節(jié)能效益分享支付，直至項(xiàng)目合同結(jié)束后，節(jié)能設(shè)備無(wú)償移交使用商使用，以后所產(chǎn)生的節(jié)能收益全歸使用商享受。

9 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，碳?xì)淅涿绞褂迷絹?lái)越廣泛。目前，還須進(jìn)行更深入的研究與測(cè)試，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。