碳氢冷媒在电信机房的应用初探

吴 剑，方元昌

（中国电信股份有限公司福建分公司，福建 福州350000）

1 概 述

传统氟利昂类冷媒以其独具特性在空调行业广泛应用。而随着人们对节能与环保事业的关注度不断提高，传统氟利昂对臭氧层的巨大破坏使得人们加大了对替代冷媒的研究。碳氢类冷媒以其独具的臭氧层零破坏系数，温室效应系数低，溶水性良好、冷凝压力低、蒸发压力、排气温度和真空度要求低等优势，逐渐引起了人们的关注。

2 碳氢冷媒简介

将冷媒以物质属性分类可分为自然冷媒与合成冷媒。早期商业化的自然冷媒主要有氨与水，随着技术的发展，合成冷媒以其具有的独特优势慢慢推广开来，人类也在不断地完善开发高效冷媒，通常要具有无毒、不爆炸、对金属及非金属无腐蚀作用、不燃烧、泄漏时易于察觉、化学性安定、对润滑油无破坏性、具有较大的蒸发潜热、对环境无害等特性。

2.1 通用的冷媒选用准则

（1）制冷性能好：冷媒的冷凝压力不太高，蒸发压力在大气压以上，压力比较适中，排气温度不太高，单位容积制冷量大，循环的性能系数高，传热性好。

（2）实用性：冷媒的化学稳定性和热稳定性好，在制冷循环过程中不分解，不变质；无毒，无害；来源广，价格便宜。

（3）环境可接受性：应满足保护大气臭氧层和减少温室效益的环境保护要求，冷媒的臭氧破坏指数必须为0，温室效益指数应尽可能小。

2.2 冷媒的制冷效果取决因素

（1）冷媒冷凝压力低，压缩比越小，压缩机运行功率越低。

（2）冷媒汽化潜热越大，可快速制冷，减少压缩机运行时间。

（3）冷媒与润滑油的相溶性越高，则回油越好，可减少换热器油膜厚度，强化传热效果。

（4）冷媒存在温度滑移，减少传热温差，降低不可逆损耗，提高制冷循环的热力完善度。

2.3 碳氢冷媒特点

（1）完全环保：碳氢冷媒取自天然，是无氟产品，不损害臭氧层，无温室效应，完全环保。

（2）经济实惠：按重量计，新型碳氢环保节能冷媒的用量只是R22、R502、R404、R406的40%～55%，更为经济。

（3）高效节能：凝固点低，蒸发潜热更大，单位时间内降温更快，等熵压缩比更小，压缩机工作更轻松，延长压缩机的使用寿命；分子量小，流动性好，输送压力低，减小了压缩机的负载。

（4）油混率高：碳氢环保冷媒的油混率极高，与所有常用冷冻润滑油（矿物润滑油、合成润滑油）兼容，无毒，对金属和耐油橡胶均无腐蚀性。而许多冷媒需要专门配套的冷媒润滑油，如使用不当，就会出现问题，使用碳氢冷媒可防止出现冷媒和冷媒润滑油不兼容造成的问题。制冷设备需换用碳氢环保冷媒无需进行改装。

（5）适应性强：碳氢环保冷媒对酷热气候具有独到的适应性，由于它流动性好，更适用于长管道制冷系统，氟利昂类冷媒不适合酷热或热带地区使用。

（6）用途广泛：碳氢环保冷媒系列产品可应用于大多数制冷系统。

3 各种冷媒性能比较

冷媒性能比较见表1。

3.1 R22与R123的比较

（1）R22与R123同属氢氯氟烃，但R22的臭氧层破坏力是R123的2.5倍，温室效应数是R123的17倍。

（2）R123是低压制冷剂，工作时蒸发器为负压，冷凝器为0.04 mPa，停机时机内为－0.004 mPa，因此，即便机组泄漏也只存在外界空气进入机组的可能。

（3）R22临界压力比R123高1 300 kPa，机组内部压力升高，泄漏几率升高。

表1 冷媒性能比较

3.2 R22与R134a的比较

（1）R134a的比容是R22的1.47倍，且蒸发潜热小，因此对于相排气体积的压缩机而言，R134a机组的冷冻能力仅为R22机组的60%。

（2）R134a的热传导率比R22下降10%，因此换热器的换热面积增大。

（3）R134a的吸水性很强，是R22的20倍，因此对R134a机组系统中干燥器的要求较高，以避免系统的冰堵现象。

（4）R134a对铜的腐蚀性较强，使用过程中会发生“镀铜现象”，因此系统中必须增加添加剂。

（5）R134a对橡胶类物质的膨润作用较强，在实际使用过程中，冷媒泄漏率高。

（6）R134a系统需要专用的压缩机及专用的脂类润滑油，脂类润滑油由于具有高吸水性、高起泡性及高扩散性，在系统性能的稳定性上劣于R22系统所使用的矿物油。

（7）HFC类冷媒及其专用脂类油的价格高于R22，设备的运行成本将上升。

3.3 R22与R407c的比较

R407c在热工特性上与R22最为接近，除了在制冷性能、效率上略差以及具有上述HFC类物质存在的技术问题之外，还由于这类物质属于非共沸混合物，其成分浓度随温度、压力的变化而变化，这对空调系统的生产、调试及维修都带来一定的困难，对系统热传导性能也会产生一定的影响。特别是当R407c泄漏时，系统制冷剂在一般情况下均需要全部置换，以保证各混合组分的比例，达到最佳制冷效果。

3.4 R22与R410A的比较

R410A和R22一样，都属于氟利昂的一种，两者都具有一定的温室效应，而R22在制冷系统方面的性能表现要优于R410A，室外温度在27.8℃时，R410空调系统的能效比（EER）较R22空调系统的略高，而在最高的环境温度54.4℃时，R410A空调系统的能效比（EER）较R22空调系统的低15%。

R410A冷媒所用的压缩机使用POE油润滑，POE油和水能够发生反应，生成水和酸，生成的水又能促使POE油进一步反应，长期下去，可能会使毛细管发生冰堵现象；同时系统内循环工质的酸性会越来越高（PH值越来越低），有可能导致系统内的零部件发生腐蚀和产生镀铜现象。

R410A冷媒应存放在30℃以下的环境中，若在高于30℃的环境中存放过，必须在30℃以下的环境中存放24 h以上才能使用，否则冷媒的组分会变化，影响空调的性能。

4 碳氢冷媒替代R22的可行性论证

碳氢冷媒与原有R22润滑油的相溶性高，回油好，能减少换热器油膜厚度，杜绝润滑油分层现象，可直接用在现有R22的制冷设备中；

碳氢冷媒冷凝压力小，压缩比小，压缩机运行功率低；再者，碳氢冷媒的凝固点低，蒸发潜热是R22的2倍，单位时间内降温速度更快，可延长压缩机的使用寿命。

碳氢冷媒的分子量小，冷媒用量只是R22的35%左右，流动性好，输送压力更低，降低了压缩机的工作压力，大大提高了压缩机的寿命。

因此，理论上碳氢冷媒可以用于替换原有R22系统制冷剂。

5 实地测试

为研究新型碳氢类冷媒替换通信机房中原有空调系统的R22冷媒是否可行，协同厂家进行碳氢类冷媒在通信机房的试用测试。测试主要包括安全测试、防腐蚀测试与节能测试三个方面。

（1）安全测试

在定空间释放定量的碳氢冷媒后点火试验：选定1个19 m2的空房间，55 m3（房间规格为3.4 m×5.6 m×2.9 m），模拟机房需求配置3P空调1台，机房内充进350 g液态碳氢冷媒，通过窗户扔1团点燃纸团，未立即出现爆炸；该项测试受各种现场因素的限制，需由测试产品厂家委托有资质的第三方进行详细测试。

（2）防腐蚀测试

现场不具备测试条件，由测试产品厂家委托有资质的第三方测试。

（3）节能测试及节能测试数据分析

为了便于直接、直观地进行能效对比，测试特地选取供冷模型类似的两个机房针对不同的气候进行测试。

a.瞬间节电率测试

机房1：空调设置温度25°，采用R22冷媒电流为8.4 A，采用碳氢冷媒电流为6.6 A，瞬时节电率为21.42%，；

机房2：空调设置温度25°，采用R22冷媒电流为7.5 A，采用碳氢冷媒电流为6.2 A，瞬时节电率为17.3%；

b.长时间挂表测试

（1）第1阶段，户外平均温度20.12℃，测试时间8天，采用碳氢冷媒的机房平均节电率为16.37%；

（2）第2阶段，户外平均温度20.38℃，测试时间49天，采用碳氢冷媒的机房平均节电率为20.64%；

（3）第3阶段，户外平均温度25.95℃，测试时间21天，采用碳氢冷媒的机房平均节电率为23.95%；

（4）第4阶段，户外平均温度32.05℃，测试时间35天，采用碳氢冷媒的机房平均节电率为25.37%；

（5）第5阶段，户外平均温度31.82℃，测试时间23天，采用碳氢冷媒的机房平均节电率为27.3%。

c.成效分析

根据测试数据分析，使用碳氢冷媒平均节电率26.34%；其中低温时段，最低节电率16.37%，最高节电率20.64%，低温时段平均节电率18.5%；中温时段平均节电率23.95%；高温时段，最低节电率25.37%，最高节电率27.3%，高温时段平均节电率26.34%。

理论上，1台3P空调采用R22冷媒每天平均用电量为14.26 kWh，采用碳氢节能冷媒，若以平均节电率26.34%计算，每天节电3.76 kWh；若以低温时段平均节电率16.37%计算，每天节电2.33 kWh；若以中温时段平均节电率23.95%计算，每天节电3.42 kWh；若以高温时段平均节电率26.34%计算，每天节电3.76 kWh。按照福建正常天气情况，一般低温天气占3个月，中温天气占6个月，高温天气占3个月，一年大约节电1 163.7 kWh，按照每度电0.88元，以每台3P空调采用碳氢冷媒耗资1 350元计算，需要1年零4个月收回投资。

6 测试结论

（1）安全测试

碳氢系列冷媒可燃性低，只有同时满足浓度在可燃浓度范围且温度高于着火点两个条件才能燃烧，碳氢的可燃浓度为体积浓度在2.1%～9.5%之间，着火点为470℃。燃烧爆炸极限值为：空气中碳氢冷媒含有量39 g～180 g／m3。按照电信基站平均实际体积计算，每个基站面积为10 m2，高度为2.4 m，体积为24 m3，该空间内含有碳氢冷媒的燃烧爆炸极限为：936 g～4 320 g。10 m2基站的空调功率平均为3匹，3匹空调加注环保冷媒量为700 g～750 g，因此即使压缩机中的冷媒全部泄漏至基站室内，也达不到发生燃烧与爆炸的最小极限；并且冷媒全部泄露到室内的概率极低，所以基站空调更换碳氢环保冷媒在理论上无安全问题。

为慎重起见，参与测试产品的防爆危害性由参检厂家委托保险公司承保。

（2）防腐测试

本次参与测试产品的防腐特性检验由参检厂家委托福建省产品质量检验研究院（原福建省中心检验所）完成，根据检测报告，主要测试空调铜管浸入试样23℃×24 h，其测试结果为铜管无可见粗糙度，颜色、状态无变化。

（3）节能测试

在测试时间段内节能效果显著，节能率达20%以上，而且户外温度越高，其节能效果越明显，长时间效果需要下一阶段继续跟踪获取数据。

受客观测试条件限制，测试数据仅具相对严谨性。由于原有旧空调冷媒可能不足，重新添加冷媒可以提高冷媒效率；另外，更换冷媒也是对管道的清洁，本身也会降低传热热阻，提高冷媒效率，因此测试数据并不代表真正的节能效果。

7 应用场景建议

新型碳氢冷媒节能效果显著，但碳氢系列冷媒可燃易爆，在实际应用中需要特别注意对其应用有如下建议：

（1）碳氢冷媒与原有R22润滑油的相溶性高，回油好，且冷媒冷凝压力小，压缩比小，压缩机运行功率低；凝固点低，蒸发潜热高，单位时间内降温速度更快，节能环保，技术理论上适用所有采用R22风冷式空调。

（2）碳氢系列冷媒绿色环保，节能降耗效果明显；虽然可燃易爆，但定量可控，通常的小面积小容量空调加注量均在安全使用范围内，可以在自有接入网机房，自有基站对空调进行试点碳氢冷媒改造。

（3）针对碳氢系列冷媒的特点，考虑通风等因素，可在办公场所进行试点碳氢冷媒改造。

（4）由于碳氢系列冷媒尚未有较长时间的应用（虽厂家已提供防腐报告），无法把握碳氢系列冷媒使用后期对设备的影响，建议仅对使用超过3年以上的空调设备进行改造。

（5）大型中央空调主机的冷媒加注量需求大，超过可燃浓度范围，一旦出现泄漏，灌注在中央空调的巨量碳氢冷媒将变成巨大安全炸弹，不建议对大型中央空调进行碳氢冷媒改造。

（6）考虑到机房精密空调的冷媒管道多是由多根铜管焊接而成，中间焊接环节众多，出现管道泄漏的概率相对较大，同时机房精密空调主要安装在机房内，密闭性好，一旦灌注泄露不易排出，管道内的大量碳氢冷媒将变成巨大安全隐患，不建议对安装在机房内的机房精密空调进行碳氢冷媒改造。

（7）考虑到管道较长的分体空调中间焊接环节众多，出现管道泄露的概率相对较大，不建议对管道较长的分体空调进行碳氢冷媒改造。建议管道长度不大于5 m。

（8）考虑普通民众对碳氢冷媒的接受度暂时不高以及冷媒泄露可能带来的纠纷，建议非自有的外租民房接入网与外租民房基站的配套空调暂不使用碳氢冷媒。待试点一段时间后，视情况进行推广。

8 碳氢冷媒改造投资模式探讨

当前，合同能源管理作为新兴的合作改造方式引起广大使用商的关注，对于碳氢冷媒的改造可考虑选用此模式。

（1）节能量保证模式

使用商和产品厂家双方共同投资，而使用商作为主要投资方，产品厂家向使用商承诺一定比例的节能量，达不到承诺节能量的部分，由产品厂家负担；超出承诺节能量的部分，厂家独享，直至使用商收回全部节能项目的投资收益后，项目合同结束，节能设备移交给使用商使用，以后所产生的节能收益全归使用商享受。

（2）能源费用管理模式

使用商委托产品厂家进行空调系统的运行管理和节能改造，并按照双方约定支付空调托管费用；产品厂家负责管理使用商整个空调系统的节能改造、运行和维护工作。项目合同结束后，节能设备无偿移交给使用商使用，以后所产生的节能收益全归使用商享受。

（3）节能效益分享模式

节能改造工程前期投入由产品厂家支付，使用商无需投入资金。项目完成后，使用商在一定的合同期内，先保证产品厂家收回改造成本，再按比例与使用商分享由项目产生的节能效益。

（4）节能效益支付模式

使用商委托产品厂家进行节能改造，前期支付一定比例的工程投资，项目完成后，经过双方验收达到合同规定的节能量，使用商支付余额，或用节能效益分享支付，直至项目合同结束后，节能设备无偿移交使用商使用，以后所产生的节能收益全归使用商享受。

9 结束语

随着人们节能环保意识的增强，碳氢冷媒使用越来越广泛。目前，还须进行更深入的研究与测试，进一步提高系统性能，增强系统的可靠性和安全性。