恒溫恒濕空調(diào)應(yīng)對(duì)可燃制冷劑的 低風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)策略分析

張慶倫，姚卉，劉培沖，于同山(大連斯頻德環(huán)境設(shè)備有限公司，遼寧 大連 116033)

0 引言

恒溫恒濕空調(diào)是一種重要的環(huán)境溫濕度精密調(diào)控設(shè)備，主要用于對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度波動(dòng)和區(qū)域偏差都有嚴(yán)格要求的場合，例如：電子元器件生產(chǎn)車間、生物培養(yǎng)裝置、醫(yī)療潔凈室、數(shù)據(jù)中心機(jī)房、高等級(jí)儲(chǔ)藏室及實(shí)驗(yàn)室等，相關(guān)技術(shù)要求如表1 所示。普通恒溫恒濕空調(diào)能同時(shí)或單獨(dú)保持被調(diào)控封閉域內(nèi)的溫度波動(dòng)±1 ℃～±0.5 ℃和濕度波動(dòng)±5%～ ±2%；而高精密恒溫恒濕空調(diào)能同時(shí)或單獨(dú)保持溫度±0.5 ℃～±0.3 ℃和濕度±2%[1]。斯頻德及友商當(dāng)前市售部分超高端機(jī)組調(diào)溫精度可達(dá)±0.1 ℃。

表1 部分場合對(duì)環(huán)境溫濕度調(diào)控技術(shù)需求

恒溫恒濕空調(diào)的核心四大部件是壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器以及節(jié)流裝置。此外，通常還包括風(fēng)機(jī)、加濕器、電加熱器、儲(chǔ)液罐、油分離器、氣液分離器、干燥過濾器、傳感器與控制器以及閥門等部件。不同恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的工作原理并不完全相同，其基本運(yùn)行原理描述如下：恒溫恒濕空調(diào)工作時(shí)，低溫低壓制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱相變，產(chǎn)生的冷量由風(fēng)機(jī)吹入送風(fēng)管道，經(jīng)溫濕度調(diào)節(jié)后，送至被調(diào)控目標(biāo)區(qū)域。從蒸發(fā)器流出的過熱氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮成高溫高壓氣體后進(jìn)入冷凝器。經(jīng)風(fēng)冷或水冷釋放熱量后，變成溫度壓力仍然較高的液體，再流經(jīng)節(jié)流裝置后，變回低溫低壓的制冷劑。然后再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱產(chǎn)生冷量，如此循環(huán)。借助制冷劑在不同過程中的相態(tài)與物性變化，經(jīng)熱質(zhì)傳遞過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的溫濕度控制。制冷劑是恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的血液，是基于物質(zhì)相變的吸熱效應(yīng)而發(fā)展出的常規(guī)制冷空調(diào)技術(shù)中必不可少的要素。然而新一代環(huán)保制冷劑的發(fā)展，卻給恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的安全運(yùn)行帶來了燃爆風(fēng)險(xiǎn)和安全挑戰(zhàn)。

1 制冷劑的發(fā)展與挑戰(zhàn)

1805 年Evans 提出使用具有揮發(fā)性物質(zhì)作為制冷劑的構(gòu)想，發(fā)展至今經(jīng)歷了三次重大發(fā)展；1834 年，Perkins 將乙醚用在蒸氣壓縮式循環(huán)制冷系統(tǒng)；1853 年，Twining.取得關(guān)于使用乙醚制冷劑的專利；1866 年，Lowe 制出以二氧化碳為制冷劑的制冰機(jī)；1877 年，德國Linde 建成一套以氨為制冷劑的壓縮式制冷系統(tǒng)；1875 年，瑞典Picket 開發(fā)出一種以二氧化硫?yàn)橹评鋭┑膲嚎s式制冷系統(tǒng)；1878 年，法國學(xué)者研究甲基氯作為制冷劑[2]；20 世紀(jì)初，丙烷等一些碳?xì)浠衔镆脖挥米髦评鋭?/p>

制冷劑發(fā)展的第一次重大轉(zhuǎn)折發(fā)生在20 世紀(jì)30 年代。美國Dupont 公司根據(jù)Midgley T.等的研究成果，推出了氟利昂(Freon)系列氯氟烴類(CFCs)制冷劑，典型代表如R12(1931年)，隨后在家用冰箱和汽車空調(diào)中被大量使用。相較于之前的制冷劑，這些氯氟烴類制冷劑因熱力學(xué)參數(shù)適宜而且低毒、不易燃爆、不易腐蝕等特點(diǎn)，而迅速發(fā)展應(yīng)用，并逐漸占據(jù)市場主體地位，直至臭氧層破壞問題的提出。

1974 年，Molina 和Rowland 提出氯氟烴類物質(zhì)中的氯離子對(duì)大氣臭氧層具有破壞性。1987 年國際性條約《蒙特利爾議定書》簽訂，隨后經(jīng)不斷修訂，增加受控物質(zhì)。在第19 次締約方會(huì)議上又通過了加速淘汰氫氯氟烴(HCFCs) 物質(zhì)的方案。在國際社會(huì)共同努力下，曾經(jīng)廣泛使用的CFCs 制冷劑已成過去，而HCFCs 制冷劑(使用量最大的是R22)也正在按計(jì)劃被逐步淘汰。根據(jù)世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的科學(xué)評(píng)估，臭氧層正在以每十年1%～3%的速度逐步恢復(fù)。然而，另一個(gè)環(huán)境問題—全球變暖愈發(fā)凸顯。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)報(bào)告顯示，自1850—1900 年，人類活動(dòng)排放的溫室氣體導(dǎo)致地球溫度升高約1.1 ℃，而未來20 年，全球平均溫升或?qū)ⅰ?.5 ℃[3]。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，第21 屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)通過《巴黎協(xié)定》，各方承諾將全球平均氣溫增幅控制在低于2 ℃水平，并向1.5 ℃溫控目標(biāo)努力。次年通過《基加利修正案》，將18 種氫氟烴(HFCs)類物質(zhì)納入管控范疇，并規(guī)定了具體的淘汰時(shí)間表[4]。HFCs 類物質(zhì)由碳、氫、氟三種元素組成，是一類對(duì)臭氧層的破壞潛能值為零的人工合成制冷劑，在淘汰CFCs 和HCFCs 進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用，例如在恒溫恒濕空調(diào)中廣泛應(yīng)用的R134a、R410A 等。斯頻德生產(chǎn)的R410A 型恒溫恒濕空調(diào)的制冷量涵蓋2.8 kW至32 kW。

人工合成的制冷劑對(duì)于全球變暖的“貢獻(xiàn)”總量雖然不及二氧化碳、甲烷及氮氧化物，但很多合成鹵代烴類制冷劑的溫室效應(yīng)潛能值(GWP)是二氧化碳的千百倍。人們希望對(duì)環(huán)境友好的新一代制冷劑，如表2 所示，總結(jié)了部分有潛力作為新一代恒溫恒濕空調(diào)制冷劑的候選物(或是混合制冷劑組元)。然而研究發(fā)現(xiàn)這些候選物大多具有可燃性。

表2 部分新一代恒溫恒濕空調(diào)制冷劑候選物

2 使用可燃制冷劑機(jī)組的約束

根據(jù)ISO 817—2017 《Refrigerants-designation and safety classification》、ASHRAE standard 34—2016 《Designation and safety classification of refrigerants》、GB/T 7778—2017 《制冷劑編號(hào)方法和安全性分類》等國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制冷劑從可燃性角度被分為1 類、2 類、3 類和2L 類。歸于1 類的制冷劑在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測試方法下，無火焰?zhèn)鞑ケ挥^察到。而3 類制冷劑可燃易爆，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測試方法下有火焰?zhèn)鞑?，且最低可燃下?LFL)≤3.5%；或燃燒熱≥19 MJ/kg。居于1 類和3 類之間的是2 類，在101 kPa 和60 ℃大氣環(huán)境中被測時(shí)，有火焰?zhèn)鞑?，且LFL ＞3.5% 以及燃燒熱＜19 MJ/kg。當(dāng)滿足2 類條件，并且在101 kPa 和23 ℃實(shí)驗(yàn)時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣取?0 cm/s 的制冷劑，屬于2L 類(弱可燃)。

表2 中列出了11 種制冷劑的可燃性分類，出于安全性考慮，不同分類的制冷劑應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)中時(shí)受到不同程度的約束。典型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 9237—2017 《制冷系統(tǒng)及熱泵安全與環(huán)境要求》、ISO 5149—2014 《Refrigerating systems and heat pumps—Safety and environmental requirements》等。使用了可燃性制冷劑的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)以及售后等方面，必須在符合相關(guān)技術(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)下，結(jié)合用戶使用環(huán)境，強(qiáng)化實(shí)施相關(guān)安全性策略。

3 恒溫恒濕空調(diào)低風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)策略

燃燒反應(yīng)的三要素是可燃物、助燃物與點(diǎn)火源[5]。對(duì)于恒溫恒濕空調(diào)而言，燃燒反應(yīng)引發(fā)通常需要以下條件：可燃制冷劑發(fā)生泄漏，泄漏濃度達(dá)到可燃濃度極限[6]，遭遇能量足夠大的點(diǎn)火源。對(duì)于設(shè)備制造商而言，首先需要改造生產(chǎn)線，典型的使用可燃性制冷劑的且在廠內(nèi)充注的制冷空調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)線主要由零部件組裝區(qū)、氦檢漏區(qū)、充注封口區(qū)、制冷劑儲(chǔ)存房、檢漏區(qū)、在線檢測區(qū)、返修區(qū)和打包區(qū)，共8 大區(qū)域組成[7]。此外，從阻斷上述燃燒引發(fā)的某一或某些必要條件角度入手，恒溫恒濕空調(diào)應(yīng)對(duì)新一代可燃制冷劑的低風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)策略分析如下。

為降低制冷劑發(fā)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)：(1) 強(qiáng)化機(jī)組的密封性，用材需優(yōu)選各類高品質(zhì)的金屬、非金屬材料與零配件，并提升器件間的連接密封技術(shù)；(2)強(qiáng)化焊接水平，杜絕未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊、焊瘤、燒穿、未填滿及裂紋等缺陷；(3)強(qiáng)化對(duì)系統(tǒng)打壓/抽真空、保壓、檢漏環(huán)節(jié)的操作與復(fù)檢，特別是一些高壓型可燃制冷劑；(4)強(qiáng)化表面涂敷層的均勻度、覆蓋度以及防腐耐蝕性；(5)強(qiáng)化產(chǎn)品包裝，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于含可燃性化學(xué)品貨物的運(yùn)輸包裝規(guī)定；(6)針對(duì)可燃制冷劑設(shè)計(jì)特殊安全裝置，例如非專業(yè)勿拆裝置。已有同行生產(chǎn)商為R32 機(jī)組設(shè)計(jì)了防拆卸螺母，當(dāng)涉及機(jī)組檢修時(shí)，需返回專業(yè)網(wǎng)點(diǎn)維修，由經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人士啟封防拆卸螺母后，才可進(jìn)行維修。

為降低泄漏濃度達(dá)到可燃濃度極限風(fēng)險(xiǎn)：(1)嚴(yán)格控制制冷劑充注量。針對(duì)恒溫恒濕空調(diào)的實(shí)際使用環(huán)境，按照GB/T 9237—2017 等標(biāo)準(zhǔn)中列出的對(duì)應(yīng)制冷劑最大允許充注量限定要求來執(zhí)行。(2)單機(jī)模塊化設(shè)計(jì)。既可以通過靈活組合以滿足客服對(duì)較大冷量的需求，又能降低機(jī)組各單元的制冷充注量。(3)開展技術(shù)革新，降低產(chǎn)生單位制冷量所需的制冷劑循環(huán)量，例如：提高換熱能力，縮小換熱器、優(yōu)化循環(huán)流程、使用高精度加注機(jī)等。(4)對(duì)于需要現(xiàn)場灌注制冷劑的機(jī)組，要嚴(yán)控排放，并配套專業(yè)的回收。(5) 很多恒溫恒濕空調(diào)并不是安裝在室外，因而需要在機(jī)房安裝專用的氣體濃度傳感器并連接報(bào)警器與通風(fēng)設(shè)備開關(guān)；有遠(yuǎn)程客服功能的，還需將發(fā)生制冷劑泄漏的信號(hào)上傳至云端，由平臺(tái)自動(dòng)向相關(guān)負(fù)責(zé)人發(fā)送警報(bào)。(6)與客戶約定需要定期對(duì)機(jī)組進(jìn)行密封性檢查、維護(hù)、多點(diǎn)采樣與分析。

為降低遭遇能量足夠大的點(diǎn)火源風(fēng)險(xiǎn)：(1) 向用戶明確警示。在機(jī)組側(cè)身外表面銘牌上、用戶說明書等處，醒目告知用戶本機(jī)組使用了可燃制冷劑，通常使用的是外三角形加內(nèi)火苗符號(hào)。要求客服嚴(yán)禁明火和高溫?zé)岜砻妫€需特別注意電氣火花和靜電。(2)嚴(yán)厲車間管理，嚴(yán)肅職工教育，嚴(yán)控明火、熱表面、電氣火花、靜電等潛在點(diǎn)火源。而且考慮到氟代烴燃燒產(chǎn)物中存在HF 等有毒物質(zhì)[8]，增加相關(guān)安全保障器具。(3)機(jī)組所用關(guān)鍵零部件需要達(dá)到防爆等級(jí)，一些配件也特殊訂做，例如使用的滅弧插座、阻火型接觸器等。(4)對(duì)于不宜使用常規(guī)焊接方法的區(qū)域，應(yīng)調(diào)整方案，例如專用洛克環(huán)密封法、使用超聲波焊接法等。(5)向涉及儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的人員強(qiáng)調(diào)本機(jī)組內(nèi)含可燃制冷劑，在嚴(yán)禁煙火的同時(shí)，保持通風(fēng)順暢。(6)強(qiáng)化對(duì)安裝人員與維修人員的培訓(xùn)，提升業(yè)務(wù)能力與安全意識(shí)。并且更新專用維修設(shè)備等。

4 結(jié)語

本文以設(shè)備制造商視角，分析了恒溫恒濕空調(diào)使用新一代可燃制冷劑的原因，并從阻斷燃爆引發(fā)必要條件方面，分別分析了機(jī)組的低風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行技術(shù)策略。論文所提出的3 組18 條建議涉及到恒溫恒濕空調(diào)的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、安裝、運(yùn)行以及維護(hù)等諸多環(huán)節(jié)，可為相關(guān)生產(chǎn)和安全管理提供一定參考。

制冷劑替代勢在必行，而安全無小事。除了需要實(shí)施降低機(jī)組安全風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)技術(shù)措施，提高所有相關(guān)人員的安全意識(shí)并切實(shí)踐行，也是相當(dāng)重要的。