R32制冷劑

周子成

1 引言

自從1997年京都會議公告及歐洲的F-氣體法規(guī)以后，全世界范圍內(nèi)對蒙特利爾議定書提出了進一步規(guī)范修改的建議,由于HFCs的全球氣候變暖潛能值高，在今后十幾年里需要逐步減少生產(chǎn)，直至完全淘汰。

2007年蒙特利爾議定書第19次締約方會議通過了加速淘汰HCFCs的調(diào)整案，規(guī)定發(fā)達國家2020年完成淘汰HCFCs，發(fā)展中國家在2013年凍結在2009年到2010年的平均水平上，以此作為基線，2015年要削減基線水平的10%，2020年要削減35%，2025年要削減65%，2030年要完成基本淘汰，只允許有2.5%供維修用的量。

2013年12月16日，歐盟同意了部分禁止在制冷和空調(diào)中廣泛使用的導致溫室氣體效應的HFCs的初步協(xié)議。修訂的歐盟F-氣體法規(guī)要求到2030年逐步淘汰HFCs為79%。對于GWP的限制，到2025年，在3kg充灌量的單分體空調(diào)器中限制使用GWP超過750的制冷劑。

我國是世界房間空調(diào)器的第一生產(chǎn)大國，2013年共生產(chǎn)房間空調(diào)器11002.2萬臺，銷售11132.8萬臺。其中估計約45%是使用R22，使用R410A的約占55%左右。估計HCFCs非環(huán)保制冷劑一年的消費量超過8萬噸。如果這些空調(diào)器全部替代為使用環(huán)保制冷劑，估計一年至少可以減少二氧化碳排放量2.4億噸。

我國房間空調(diào)器行業(yè)在HCFCs淘汰的第一階段(2013～2015年)期間獲得了7500萬美元的蒙特利爾多邊基金支持，用于達到以下三個目標：(1)確保2013年將R22的使用量凍結在基線年(2009年和2010年的平均水平)的數(shù)量上，2015年的R22使用量削減10%(即基線年的90%);(2)通過改造房間空調(diào)器和壓縮機的生產(chǎn)線，實現(xiàn)淘汰1.04萬噸R22;(3)改造不少于18條R290的房間空調(diào)生產(chǎn)線數(shù)量，并實現(xiàn)R290空調(diào)產(chǎn)業(yè)化。

雖然R290替代R22的工作在我國進展順利，格力、美的等公司已經(jīng)進行了R290房間空調(diào)器和空調(diào)壓縮機生產(chǎn)線的改造，但R290的可燃性比較大，并非最佳選擇，而且在空調(diào)器中的充灌量有嚴格限制，較大制冷量的空調(diào)器難以實施。

我國目前有一些高等學校和空調(diào)器及空調(diào)壓縮機企業(yè)也正在積極開展R32制冷劑替代的研究。

日本在房間空調(diào)器中采用R32制冷劑的步伐走在世界的前列。2012年12月，大金在日本市場上首次推出了世界上第一個使用R32的房間空調(diào)器Uru-Sara 7系列，到2013年9月已銷售了20萬臺，之后，大金在日本市場銷售的所有掛壁式房間空調(diào)器都使用R32。到2013年9月30日已累計銷售了100萬臺，三菱電機在2013年11月在它的2014年新產(chǎn)品霧峰Z系列11個機型中采用了R32制冷劑，計劃每月生產(chǎn)2萬臺。松下在2013年12月1日推出的2014年X系列房間空調(diào)器新產(chǎn)品中使用了R32制冷劑，計劃每月生產(chǎn)這個系列的空調(diào)器3萬5千臺。聲稱到2015年將在松下印尼工廠生產(chǎn)R32房間空調(diào)器。日立在2013年10月在日本市場推出了9個機型使用R32制冷劑的不銹鋼清潔Shirokuma-Kun的Z系列房間空調(diào)器，計劃每月生產(chǎn)3萬臺。

R32是二氟甲烷，化學分子式是CH2F2。無色、無味，是組成近共沸混合物R410A的組分之一(質(zhì)量百分比50%)。R32的熱力性能與R410A十分相似，是一種替代R410A很有潛力的制冷劑。

2 GWP值

GWP值稱為全球氣候變暖潛能值，是在滿足ODP(消耗臭氧潛能值)為零的前提下，作為衡量替代制冷劑對環(huán)境影響的一個重要指標。由于制冷劑排放對大氣溫室效應的影響由直接影響(在生產(chǎn)和運轉(zhuǎn)生命周期中由于制冷劑泄漏造成對大氣的影響)和間接影響(在生產(chǎn)使用全部材料的能源消耗和運轉(zhuǎn)生命周期中的能源消耗對大氣的影響)兩部分組成，直接影響所占比例較小，約5%，因此，主要是間接影響。

R-32的GWP值是675，而R410A的GWP值是2100，雖然R32的GWP也不是很低，但滿足歐洲的F-氣體法規(guī)，且排放的影響比R410A減少32%。圖1表示R32、R410A和R290的CO2排放當量的比較?？梢钥闯觯琑32最低。

圖1 R32、R410A和R290的排放當量比較

3 安全性

制冷劑的安全性包括可燃性和毒性兩部分。根據(jù)最新的美國標準ASHRAE 34標準和國際標準ISO 817所規(guī)定的安全性分類，制冷劑根據(jù)它們的可燃性特征分為1級、2級、2L級和3級，和根據(jù)無毒或有毒特性分為A級和B級。對可燃性的具體分類是基于它們各自的可燃性參數(shù)，如燃燒速度、低爆炸極限(LFL)和燃燒熱量?？扇夹允怯伞叭紵a(chǎn)生的機會”和“燃燒產(chǎn)生的效果”進行評價，“燃燒產(chǎn)生的效果”是指包括燃燒速度和燃燒產(chǎn)生的熱量。燃燒速度是用來區(qū)分2級和2L級制冷劑之間的指標。圖2表示出一些制冷劑相對的燃燒速度，可以看出，R32的燃燒速度約為7cm/s，燃燒熱量為10MJ/kg，而R290(丙烷)的燃燒速度約為40cm/s，燃燒熱量為50MJ/kg，R32的這兩者只有R290的1/6和1/5。ASHRAE 34標準將所有燃燒速度低于10cm/s的制冷劑歸類為“2L”級，從而引入兩個新的制冷劑安全性等級，A2L和B2L(圖3)。R32的安全性等級是A2L,而R290的安全性等級是A3。

圖2 一些制冷劑的燃燒速度和燃燒熱量

圖3 新的2L分級

4 充灌量

屬于溫和可燃等級A2L的R32制冷劑需要有新的標準和規(guī)范，使它們能夠快速商業(yè)化。目前美國，歐洲和中國都在努力對這些A2L制冷劑制訂無風管和帶風管房間空調(diào)器的應用標準(ASHRAE標準15和34，UL471-1995，IEC60335-2，ISO5149，PREN378-2等)。這些標準大部分都是基于定義最大允許充灌量，以泄漏量不超過A2L制冷劑的燃燒下限(LFL)的25%作為基礎，以及房間是否通風或不通風。緊湊的安裝空間(壁柜)可能需要有一些應用的限制和/或修改等。R32的LFL約為0.3kg/m3。

美國愛默生氣候技術公司對于A2類制冷劑在通風空間條件下使用時，提出了如下三個等級的充灌量公式m1，m2，m3作為應用的基礎。

m1=1.5· (4 m3) ·LFL

(1)

m2=1.5· (26 m3) ·LFL

(2)

m3=1.5· (130 m3) ·LFL

(3)

式中，LFL是所使用的制冷劑燃燒極限的下限值，kg/m3。如果在系統(tǒng)中的充灌量(M)是低于m1，則需滿足可燃制冷劑的最低需要量。當充灌量水平(M)為大于m1和小于m2時，那么，除了最低的需要量外，同時還對允許使用的房間大小有附加的限制。如果充灌量(M)大于m2和小于m3，那么，還應包括額外的通風要求。最后，如果充灌量(M)大于m3，則應用國家標準。

在上述計算中的1.5乘積系數(shù)增量是專門對A2L制冷劑提出的，考慮到A2L類制冷劑相比于A2類的可燃性低的特點。所建議的系數(shù)1.5值還處在工作組討論之中，并可能向上修訂為2.0甚至3.0，取決于對A2L制冷劑獲得新的適用數(shù)據(jù)，以及各種組織機構對這些制冷劑在使用條件下在全世界范圍內(nèi)進行的風險分析。

對于不通風的空間如果充灌量(M)是在m1和m2之間，確定最大允許充灌量的公式如下，而且也是在評價之中：

mmax=2.5·(LFL)(5/4)·h0·(A)1/2

(4)

式中：

A—房間面積，m2;

LFL—可燃下限，kg/m3;

h0—器具的安裝高度，m；對于落地安裝h0=0.6m;對于掛墻安裝h0=1.8m;對于窗式安裝h0=1.0m;對于天花安裝h0=2.2m。

上述四個公式都還沒有最終確定，因為大部分工作是針對無風管式系統(tǒng)做的，在歐洲和美國的工作組正積極尋求這些文件的定稿，包括考慮風管系統(tǒng)等。

5 R32與R410A的性能比較

對在冷凝溫度43.3℃(110℉)和蒸發(fā)溫度10℃(50℉)條件下R32與R410A的性能比較列于表1。

根據(jù)表1中理論性能的對比,可以將R32相對于R410A的優(yōu)缺點歸納如下：

5.1 優(yōu)點：

1)比R410A大大降低了制冷劑的成本和更好的負擔潛力；

2)R32現(xiàn)在已在全球范圍內(nèi)大批量生產(chǎn)，因為它是組成R410A的50%組分；

3)臨界溫度比R410A高10.8%攝氏度，即8.6%華氏度，在較高的環(huán)境條件下性能更好；

表1 在冷凝溫度43.3℃(110℉)和蒸發(fā)溫度10℃(50℉)條件下R32與R410A的性能比較

參數(shù)單位R410AR32臨界溫度℃℉70.5158.978.1172.6冷凝/蒸發(fā)溫度℃℉43.3110105043.31101050飽和蒸氣壓力MPapsia2.62380.01.085157.32.686389.61.107160.5液體密度kg/m3lbm/ft395259.51126.470.4875.254.71017.663.6蒸氣密度kg/m3lbm/ft3114.247.1441.8722.61780.6885.04330.1921.887潛熱kJ/kgBtu/lbm151.8965.3208.6489.7228.6598.3299.12128.6液體比熱kJ/kgBtu/(lbm·R)2.0220.4831.5780.3772.240.5351.8050.431蒸氣比熱kJ/kgBtu/(lbm·R)1.9890.4751.2350.2952.1310.5091.3690.327液體導熱系數(shù)W/(m3·K)Btu/(hr.ft·F)0.25950.04570.31970.05630.3680.06480.45090.0794液體粘度MPa·slbm/ft-s7.6288E-025.12E-051.4289E-019.59E-059.089E-026.1E-051.3419E-020.9E-05蒸氣粘度MPa·slbm/ft-s1.5198E-021.02E-051.192E-020.8E-051.341E-020.9E-051.192E-020.8E-05

4)壓力和壓比相似，對R410A可以密封簡易替換，系統(tǒng)不需要大的重新設計；

5)液體密度比R410A低9%，系統(tǒng)需要的充灌量減少；

6)蒸氣密度比R410A低28%和更小的系統(tǒng)質(zhì)量流量，估計壓降約比R410A低50%；

7)盡管質(zhì)量流量低28%，但由于潛熱高43%～50%，容積制冷量比R410A高；

8)液體導熱系數(shù)比R410A高41%，在相同的質(zhì)量流量時傳熱系數(shù)更高；

9)無溫度滑移和可以用較小體積的傳熱管優(yōu)化換熱器，進一步減少充灌量。

5.2 缺點：

1)R32屬A2L等級的輕度可燃性；

2)由于蒸氣比熱較高，使壓縮機的排氣溫度較高；

3)可能需要新的潤滑油，因為現(xiàn)有的多元醇酯(POE)油與R32不互溶。

從以上比較可以看出，總體而言，R32是利大于弊。R32較低的成本能使研發(fā)耗資節(jié)省，有助于通過壓縮機和系統(tǒng)的優(yōu)化設計改進其缺點。

R32與R410A的飽和蒸汽壓力與飽和溫度間的關系十分相似，見圖4。

圖4 R32與R410A的飽和蒸汽壓力與飽和溫度間的關系

圖5 R32與R410A的理論制冷量相對值的比較

圖5和圖6分別示出了在不同的蒸發(fā)溫度(Te)、冷凝溫度(Tc)和基于標準的11.1℃(20℉)過熱度和8.3℃(15℉)液體過冷度的條件下，假設容積效率和總等熵效率相等時，按照AHRI 540標準，R32與R410A理論制冷量和能效比(EER)的相對比較?？梢钥闯?，R32在A/C的工作范圍(7.2～12.8℃Te,即45～55℉Te)理論上比R410A高出3%～14%的制冷量，和在H/P的工作范圍(-23.3～-1.1℃，即-10～30℉Te)高出7%～16%制熱量。與此相對應，R32在A/C制冷工作范圍具有理論上高-1%到+5%的能效比，并在H/P制熱工作范圍高出0%～7%的能效比，因此H/P比A/C運行有微小的有利性。相對收益隨著Te的降低和Tc的升高而增加。

圖6 R32與R410A的理論EER相對值的比較

6 R32與R410A壓縮機測試對比

上述相對的比較只是以理論性能為基礎。實際壓縮機的性能取決于實際容積效率和等熵效率。圖7和圖8分別表示了對一臺3冷噸渦旋壓縮機在通常遇到的三個A/C和兩個H/P的Te/Tc工況條件下系統(tǒng)試驗的性能評價，在相同的11.1℃(20℉)吸氣過熱度和8.3℃(15℉)液體過冷度下實際制冷量和能效比與理論值的相對比較。

圖7 實際與理論的壓縮機相對制冷量比較

圖8 實際與理論的壓縮機的相對EER比較

可以看出，由于R32的壓縮熱量較高，壓縮機的實際相對制冷量是比理論平均值約低3%～4%，由于其較高的蒸氣比熱以及其低28%的質(zhì)量流量，導致較高的排氣溫度，最終使容積效率降低，如圖9所示。相應地，由于較低的總等熵效率，壓縮機的實際相對能效比EER是比平均理論值約低2%～3%。預計在更高壓縮比條件下會變得更差。應該指出，這些試驗是在一個R410A優(yōu)化的壓縮機上進行，而不是在一個優(yōu)化的R32壓縮機上進行的。

圖9 R32/R410A在不同Te/Tc和吸氣過熱度20℉(11.1℃)條件下，實際壓縮機的排氣溫度

圖10 排氣溫度的關聯(lián)

圖11 R32和R410A的受限制工作范圍

圖10示出了壓縮機排氣管的溫度(DLT)，R32通常比R410A高出約22%華氏度，這意味著，對于相同的約300℉(148.9℃)的最大允許排氣溫度限制，R32的Te/Tc受限制的工作范圍將小于R410A。為減少壓縮時的熱沖擊，措施包括：1)通過采用更好的系統(tǒng)流量控制設備減少吸氣過熱度，如采用電子膨脹閥(EXV)；2)優(yōu)化壓縮機的內(nèi)部設計；3)采用壓縮機蒸汽噴射(VI)或液體噴射(LI)的循環(huán)；4)改善油的品質(zhì)，以便最大可能地允許更高的排氣溫度。從對較低成本的R32制冷劑的節(jié)省，通過上述措施能夠開發(fā)出成本效益的系統(tǒng)解決方案。究竟使用那些措施取決于規(guī)定的Te/Tc受限制的工作范圍的要求，如圖11所示。對于美國住宅14SEER空氣-空氣的A/C和H/P系統(tǒng)，按照能源部2015區(qū)域標準的要求，具有較小挑戰(zhàn)性的受限制工作范圍和選擇措施1)和2)可能就足夠了。對于空氣-水可換向的H/P，例如在歐洲，作為供暖熱水使用需要高得多的Te，因而需要增加措施3)。

7 系統(tǒng)替換試驗測試對比

7.1 測試條件

按照AHRI 210/240標準的系統(tǒng)測試條件如表2所示。進行了A(35℃,即95℉的環(huán)境)和B(27.8℃,即82℉的環(huán)境)的兩個制冷模式試驗，和進行了高溫2(8.3℃,即47℉的環(huán)境)和低溫(-8.3℃,即17℉環(huán)境)兩個制熱模式試驗。試驗的目的是調(diào)查研究只調(diào)整熱力膨脹閥(TXV)或優(yōu)化系統(tǒng)充灌量的替換系統(tǒng)的性能差異。試驗是在一個3冷噸(11.5kW)的R410A帶有TXV的制冷和制熱模式熱泵系統(tǒng)的渦旋壓縮機上進行的，和3/8＂的傳熱管用于室外及室內(nèi)熱交換器。R410A和R32兩個系統(tǒng)均是充灌到在試驗的A條件約6℉(3.3℃)過冷度，從而導致R32約比R410A低15%的充灌量。

表2 試驗條件

試驗室內(nèi)DBWBRH室外DBWBRHDP運行擴展條件26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%46.1℃(115℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷 A26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%35.0℃(95℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷 B26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%27.8℃(82℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷 C26.7℃(80℉)≤13.9℃(≤57℉)≤21.41%27.8℃(82℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷,干盤管 D26.7℃(80℉)≤13.9℃(≤57℉)≤21.41%27.8℃(82℉)NANANA循環(huán)制冷,干盤管高溫221.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%8.3℃(47℉)6.1℃(43℉)72.9%3.7℃穩(wěn)態(tài)制熱高溫121.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%16.7℃(62℉)14.7℃(58.5℉)81.1%13.4℃穩(wěn)態(tài)制熱低溫21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%-8.3℃(17℉)-9.4℃(15℉)69.8%-12.3℃穩(wěn)態(tài)制熱高溫循環(huán)21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%?8.3℃(47℉)6.1℃(43℉)72.9%3.7℃循環(huán)制熱結霜21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%1.7℃(35℉)0.6℃(33℉)82.0%-0.9℃穩(wěn)態(tài)除霜擴展條件21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%-17.8℃(0℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制熱

7.2 系統(tǒng)替換試驗性能比較—R32與R410A

圖12示出了在兩個A/C的環(huán)境條件和兩個H/P的環(huán)境條件時系統(tǒng)制冷量和能效比的變化。與替換系統(tǒng)相比制冷量有3%～4%的增益和能效比降低1%～1.5%。與圖5和圖6中所示的壓縮機的性能數(shù)據(jù)相接近。如果為了獲得相同的系統(tǒng)制冷量而縮小壓縮機排氣量約5%，則R32系統(tǒng)的能效比可與R410A持平。制熱性能略高于制冷是有利的，如理論分析預期的那樣。圖13顯示出在相同的四個測試工況時，R32相對于R410A的Te、Tc和吸氣過熱度的變化。盡管相對制冷量有提高，但由于較高的蒸發(fā)傳熱和更低的壓降，R32的Te仍然比R410A相應高0.3～1.6℉(0.17～0.89℃)。由于較高的制冷量和更高的排氣溫度和冷凝器熱負荷，Tc略微增加。然而，由于R32的吸氣過熱度是比R410A高2～5℉(1.2～2.8℃)，以及R32較低28%的質(zhì)量流量，使A/C系統(tǒng)的性能略有下降。

圖12 R32/R410A系統(tǒng)替換試驗的性能比較

圖13 系統(tǒng)不同運行條件時Te、Tc、過熱度變化對比

8 整體評估

圖14歸納了對R32，以及和碳氫化合物(HC)R290的定性比較。與其他的替代物相比，R32的幾個指標似乎更接近R410A。對于充灌量150克在單元式A/C中應用的HC制冷劑，它的A3高易燃性可能會需要一個二次循環(huán)，由于增加了泵和二次HX損失，將會影響成本和效率。

圖14 低GWP方案的評估

9 幾種實際測試結果

表3列出了有關單位發(fā)表的幾種實際測試結果。

10 結論

(1)R32的GWP值為675，可燃性等級為A2L,熱力性能與R410A相似，在相同制冷量的空調(diào)器中其EER和COP與R410A接近相同，且目前已大量生產(chǎn)，成本較低，是目前在空調(diào)器中較為理想的替換R410A和R22的制冷劑。

(2)R32的排氣溫度比R410A高，使用時應考慮合適的工作范圍。

(3)R32與POE潤滑油不兼容，使用時需考慮采用新的潤滑油。

(4)R32的質(zhì)量流量和壓損都比R410A小，有利于縮小空調(diào)器設備和管路的尺寸，降低成本。

(5)以上對比試驗均是在R410A空調(diào)器和壓縮機上進行的，預計對R32的空調(diào)系統(tǒng)專門優(yōu)化后，性能還會有進一步的提高。

11 參考文獻

Hung Pham et al.，R32 and HFO as low-GWP refrigerants for air conditioning，International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue，2012

表3 部分實際測試結果R32比R410A提高百分數(shù)匯總

序號單位工況制冷/制熱量提高%消耗功率提高%EER/COP提高%排氣溫度提高華氏%或℃說明1大金標準制冷高溫制熱低溫制熱2.94.82.46.4華氏16%華氏15%華氏20%在美國德克薩斯州普萊諾安裝的一臺R410A 27kW的EER為12.5,部分負荷性能指標為17的大金VRV lll系統(tǒng)。優(yōu)化后的R32充灌量為8.98公斤(R410A充灌量的83.2%)2Intertak標準制冷高溫制熱低溫制熱2.94.82.46.40.11.6華氏15.8%華氏15.8%華氏15.6%8冷噸(30.7kW)的R410A多聯(lián)機更換R32進行對比試驗,制冷劑充灌量8.98kg是R410A的83.2%。3蘇州谷輪標準制冷5.76.34.87.210.86.400025℃22℃22℃谷輪3HP渦旋壓縮機對比試驗谷輪5HP渦旋壓縮機對比試驗谷輪12HP渦旋壓縮機對比試驗4大連三洋標準制冷6.48.8-2.125.3℃C-SBPH17038Q的5馬力渦旋壓縮機對比試驗5西安大金標準制冷13.56.88.9JT140GPPY1渦旋壓縮機對比試驗6鄭州輕工業(yè)學院名義制冷名義制熱8.52.91.49.37.1-0,0067南京天加名義制冷名義制熱1.1051.0921.0981.0901.0071.0021.0591號樣機2號樣機2號樣機