R32制冷剂

周子成

1 引言

自从1997年京都会议公告及欧洲的F-气体法规以后，全世界范围内对蒙特利尔议定书提出了进一步规范修改的建议,由于HFCs的全球气候变暖潜能值高，在今后十几年里需要逐步减少生产，直至完全淘汰。

2007年蒙特利尔议定书第19次缔约方会议通过了加速淘汰HCFCs的调整案，规定发达国家2020年完成淘汰HCFCs，发展中国家在2013年冻结在2009年到2010年的平均水平上，以此作为基线，2015年要削减基线水平的10%，2020年要削减35%，2025年要削减65%，2030年要完成基本淘汰，只允许有2.5%供维修用的量。

2013年12月16日，欧盟同意了部分禁止在制冷和空调中广泛使用的导致温室气体效应的HFCs的初步协议。修订的欧盟F-气体法规要求到2030年逐步淘汰HFCs为79%。对于GWP的限制，到2025年，在3kg充灌量的单分体空调器中限制使用GWP超过750的制冷剂。

我国是世界房间空调器的第一生产大国，2013年共生产房间空调器11002.2万台，销售11132.8万台。其中估计约45%是使用R22，使用R410A的约占55%左右。估计HCFCs非环保制冷剂一年的消费量超过8万吨。如果这些空调器全部替代为使用环保制冷剂，估计一年至少可以减少二氧化碳排放量2.4亿吨。

我国房间空调器行业在HCFCs淘汰的第一阶段(2013～2015年)期间获得了7500万美元的蒙特利尔多边基金支持，用于达到以下三个目标：(1)确保2013年将R22的使用量冻结在基线年(2009年和2010年的平均水平)的数量上，2015年的R22使用量削减10%(即基线年的90%);(2)通过改造房间空调器和压缩机的生产线，实现淘汰1.04万吨R22;(3)改造不少于18条R290的房间空调生产线数量，并实现R290空调产业化。

虽然R290替代R22的工作在我国进展顺利，格力、美的等公司已经进行了R290房间空调器和空调压缩机生产线的改造，但R290的可燃性比较大，并非最佳选择，而且在空调器中的充灌量有严格限制，较大制冷量的空调器难以实施。

我国目前有一些高等学校和空调器及空调压缩机企业也正在积极开展R32制冷剂替代的研究。

日本在房间空调器中采用R32制冷剂的步伐走在世界的前列。2012年12月，大金在日本市场上首次推出了世界上第一个使用R32的房间空调器Uru-Sara 7系列，到2013年9月已销售了20万台，之后，大金在日本市场销售的所有挂壁式房间空调器都使用R32。到2013年9月30日已累计销售了100万台，三菱电机在2013年11月在它的2014年新产品雾峰Z系列11个机型中采用了R32制冷剂，计划每月生产2万台。松下在2013年12月1日推出的2014年X系列房间空调器新产品中使用了R32制冷剂，计划每月生产这个系列的空调器3万5千台。声称到2015年将在松下印尼工厂生产R32房间空调器。日立在2013年10月在日本市场推出了9个机型使用R32制冷剂的不锈钢清洁Shirokuma-Kun的Z系列房间空调器，计划每月生产3万台。

R32是二氟甲烷，化学分子式是CH2F2。无色、无味，是组成近共沸混合物R410A的组分之一(质量百分比50%)。R32的热力性能与R410A十分相似，是一种替代R410A很有潜力的制冷剂。

2 GWP值

GWP值称为全球气候变暖潜能值，是在满足ODP(消耗臭氧潜能值)为零的前提下，作为衡量替代制冷剂对环境影响的一个重要指标。由于制冷剂排放对大气温室效应的影响由直接影响(在生产和运转生命周期中由于制冷剂泄漏造成对大气的影响)和间接影响(在生产使用全部材料的能源消耗和运转生命周期中的能源消耗对大气的影响)两部分组成，直接影响所占比例较小，约5%，因此，主要是间接影响。

R-32的GWP值是675，而R410A的GWP值是2100，虽然R32的GWP也不是很低，但满足欧洲的F-气体法规，且排放的影响比R410A减少32%。图1表示R32、R410A和R290的CO2排放当量的比较。可以看出，R32最低。

图1 R32、R410A和R290的排放当量比较

3 安全性

制冷剂的安全性包括可燃性和毒性两部分。根据最新的美国标准ASHRAE 34标准和国际标准ISO 817所规定的安全性分类，制冷剂根据它们的可燃性特征分为1级、2级、2L级和3级，和根据无毒或有毒特性分为A级和B级。对可燃性的具体分类是基于它们各自的可燃性参数，如燃烧速度、低爆炸极限(LFL)和燃烧热量。可燃性是由“燃烧产生的机会”和“燃烧产生的效果”进行评价，“燃烧产生的效果”是指包括燃烧速度和燃烧产生的热量。燃烧速度是用来区分2级和2L级制冷剂之间的指标。图2表示出一些制冷剂相对的燃烧速度，可以看出，R32的燃烧速度约为7cm/s，燃烧热量为10MJ/kg，而R290(丙烷)的燃烧速度约为40cm/s，燃烧热量为50MJ/kg，R32的这两者只有R290的1/6和1/5。ASHRAE 34标准将所有燃烧速度低于10cm/s的制冷剂归类为“2L”级，从而引入两个新的制冷剂安全性等级，A2L和B2L(图3)。R32的安全性等级是A2L,而R290的安全性等级是A3。

图2 一些制冷剂的燃烧速度和燃烧热量

图3 新的2L分级

4 充灌量

属于温和可燃等级A2L的R32制冷剂需要有新的标准和规范，使它们能够快速商业化。目前美国，欧洲和中国都在努力对这些A2L制冷剂制订无风管和带风管房间空调器的应用标准(ASHRAE标准15和34，UL471-1995，IEC60335-2，ISO5149，PREN378-2等)。这些标准大部分都是基于定义最大允许充灌量，以泄漏量不超过A2L制冷剂的燃烧下限(LFL)的25%作为基础，以及房间是否通风或不通风。紧凑的安装空间(壁柜)可能需要有一些应用的限制和/或修改等。R32的LFL约为0.3kg/m3。

美国爱默生气候技术公司对于A2类制冷剂在通风空间条件下使用时，提出了如下三个等级的充灌量公式m1，m2，m3作为应用的基础。

m1=1.5· (4 m3) ·LFL

(1)

m2=1.5· (26 m3) ·LFL

(2)

m3=1.5· (130 m3) ·LFL

(3)

式中，LFL是所使用的制冷剂燃烧极限的下限值，kg/m3。如果在系统中的充灌量(M)是低于m1，则需满足可燃制冷剂的最低需要量。当充灌量水平(M)为大于m1和小于m2时，那么，除了最低的需要量外，同时还对允许使用的房间大小有附加的限制。如果充灌量(M)大于m2和小于m3，那么，还应包括额外的通风要求。最后，如果充灌量(M)大于m3，则应用国家标准。

在上述计算中的1.5乘积系数增量是专门对A2L制冷剂提出的，考虑到A2L类制冷剂相比于A2类的可燃性低的特点。所建议的系数1.5值还处在工作组讨论之中，并可能向上修订为2.0甚至3.0，取决于对A2L制冷剂获得新的适用数据，以及各种组织机构对这些制冷剂在使用条件下在全世界范围内进行的风险分析。

对于不通风的空间如果充灌量(M)是在m1和m2之间，确定最大允许充灌量的公式如下，而且也是在评价之中：

mmax=2.5·(LFL)(5/4)·h0·(A)1/2

(4)

式中：

A—房间面积，m2;

LFL—可燃下限，kg/m3;

h0—器具的安装高度，m；对于落地安装h0=0.6m;对于挂墙安装h0=1.8m;对于窗式安装h0=1.0m;对于天花安装h0=2.2m。

上述四个公式都还没有最终确定，因为大部分工作是针对无风管式系统做的，在欧洲和美国的工作组正积极寻求这些文件的定稿，包括考虑风管系统等。

5 R32与R410A的性能比较

对在冷凝温度43.3℃(110℉)和蒸发温度10℃(50℉)条件下R32与R410A的性能比较列于表1。

根据表1中理论性能的对比,可以将R32相对于R410A的优缺点归纳如下：

5.1 优点：

1)比R410A大大降低了制冷剂的成本和更好的负担潜力；

2)R32现在已在全球范围内大批量生产，因为它是组成R410A的50%组分；

3)临界温度比R410A高10.8%摄氏度，即8.6%华氏度，在较高的环境条件下性能更好；

表1 在冷凝温度43.3℃(110℉)和蒸发温度10℃(50℉)条件下R32与R410A的性能比较

参数单位R410AR32临界温度℃℉70.5158.978.1172.6冷凝/蒸发温度℃℉43.3110105043.31101050饱和蒸气压力MPapsia2.62380.01.085157.32.686389.61.107160.5液体密度kg/m3lbm/ft395259.51126.470.4875.254.71017.663.6蒸气密度kg/m3lbm/ft3114.247.1441.8722.61780.6885.04330.1921.887潜热kJ/kgBtu/lbm151.8965.3208.6489.7228.6598.3299.12128.6液体比热kJ/kgBtu/(lbm·R)2.0220.4831.5780.3772.240.5351.8050.431蒸气比热kJ/kgBtu/(lbm·R)1.9890.4751.2350.2952.1310.5091.3690.327液体导热系数W/(m3·K)Btu/(hr.ft·F)0.25950.04570.31970.05630.3680.06480.45090.0794液体粘度MPa·slbm/ft-s7.6288E-025.12E-051.4289E-019.59E-059.089E-026.1E-051.3419E-020.9E-05蒸气粘度MPa·slbm/ft-s1.5198E-021.02E-051.192E-020.8E-051.341E-020.9E-051.192E-020.8E-05

4)压力和压比相似，对R410A可以密封简易替换，系统不需要大的重新设计；

5)液体密度比R410A低9%，系统需要的充灌量减少；

6)蒸气密度比R410A低28%和更小的系统质量流量，估计压降约比R410A低50%；

7)尽管质量流量低28%，但由于潜热高43%～50%，容积制冷量比R410A高；

8)液体导热系数比R410A高41%，在相同的质量流量时传热系数更高；

9)无温度滑移和可以用较小体积的传热管优化换热器，进一步减少充灌量。

5.2 缺点：

1)R32属A2L等级的轻度可燃性；

2)由于蒸气比热较高，使压缩机的排气温度较高；

3)可能需要新的润滑油，因为现有的多元醇酯(POE)油与R32不互溶。

从以上比较可以看出，总体而言，R32是利大于弊。R32较低的成本能使研发耗资节省，有助于通过压缩机和系统的优化设计改进其缺点。

R32与R410A的饱和蒸汽压力与饱和温度间的关系十分相似，见图4。

图4 R32与R410A的饱和蒸汽压力与饱和温度间的关系

图5 R32与R410A的理论制冷量相对值的比较

图5和图6分别示出了在不同的蒸发温度(Te)、冷凝温度(Tc)和基于标准的11.1℃(20℉)过热度和8.3℃(15℉)液体过冷度的条件下，假设容积效率和总等熵效率相等时，按照AHRI 540标准，R32与R410A理论制冷量和能效比(EER)的相对比较。可以看出，R32在A/C的工作范围(7.2～12.8℃Te,即45～55℉Te)理论上比R410A高出3%～14%的制冷量，和在H/P的工作范围(-23.3～-1.1℃，即-10～30℉Te)高出7%～16%制热量。与此相对应，R32在A/C制冷工作范围具有理论上高-1%到+5%的能效比，并在H/P制热工作范围高出0%～7%的能效比，因此H/P比A/C运行有微小的有利性。相对收益随着Te的降低和Tc的升高而增加。

图6 R32与R410A的理论EER相对值的比较

6 R32与R410A压缩机测试对比

上述相对的比较只是以理论性能为基础。实际压缩机的性能取决于实际容积效率和等熵效率。图7和图8分别表示了对一台3冷吨涡旋压缩机在通常遇到的三个A/C和两个H/P的Te/Tc工况条件下系统试验的性能评价，在相同的11.1℃(20℉)吸气过热度和8.3℃(15℉)液体过冷度下实际制冷量和能效比与理论值的相对比较。

图7 实际与理论的压缩机相对制冷量比较

图8 实际与理论的压缩机的相对EER比较

可以看出，由于R32的压缩热量较高，压缩机的实际相对制冷量是比理论平均值约低3%～4%，由于其较高的蒸气比热以及其低28%的质量流量，导致较高的排气温度，最终使容积效率降低，如图9所示。相应地，由于较低的总等熵效率，压缩机的实际相对能效比EER是比平均理论值约低2%～3%。预计在更高压缩比条件下会变得更差。应该指出，这些试验是在一个R410A优化的压缩机上进行，而不是在一个优化的R32压缩机上进行的。

图9 R32/R410A在不同Te/Tc和吸气过热度20℉(11.1℃)条件下，实际压缩机的排气温度

图10 排气温度的关联

图11 R32和R410A的受限制工作范围

图10示出了压缩机排气管的温度(DLT)，R32通常比R410A高出约22%华氏度，这意味着，对于相同的约300℉(148.9℃)的最大允许排气温度限制，R32的Te/Tc受限制的工作范围将小于R410A。为减少压缩时的热冲击，措施包括：1)通过采用更好的系统流量控制设备减少吸气过热度，如采用电子膨胀阀(EXV)；2)优化压缩机的内部设计；3)采用压缩机蒸汽喷射(VI)或液体喷射(LI)的循环；4)改善油的品质，以便最大可能地允许更高的排气温度。从对较低成本的R32制冷剂的节省，通过上述措施能够开发出成本效益的系统解决方案。究竟使用那些措施取决于规定的Te/Tc受限制的工作范围的要求，如图11所示。对于美国住宅14SEER空气-空气的A/C和H/P系统，按照能源部2015区域标准的要求，具有较小挑战性的受限制工作范围和选择措施1)和2)可能就足够了。对于空气-水可换向的H/P，例如在欧洲，作为供暖热水使用需要高得多的Te，因而需要增加措施3)。

7 系统替换试验测试对比

7.1 测试条件

按照AHRI 210/240标准的系统测试条件如表2所示。进行了A(35℃,即95℉的环境)和B(27.8℃,即82℉的环境)的两个制冷模式试验，和进行了高温2(8.3℃,即47℉的环境)和低温(-8.3℃,即17℉环境)两个制热模式试验。试验的目的是调查研究只调整热力膨胀阀(TXV)或优化系统充灌量的替换系统的性能差异。试验是在一个3冷吨(11.5kW)的R410A带有TXV的制冷和制热模式热泵系统的涡旋压缩机上进行的，和3/8＂的传热管用于室外及室内热交换器。R410A和R32两个系统均是充灌到在试验的A条件约6℉(3.3℃)过冷度，从而导致R32约比R410A低15%的充灌量。

表2 试验条件

试验室内DBWBRH室外DBWBRHDP运行扩展条件26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%46.1℃(115℉)NANANA稳态制冷 A26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%35.0℃(95℉)NANANA稳态制冷 B26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%27.8℃(82℉)NANANA稳态制冷 C26.7℃(80℉)≤13.9℃(≤57℉)≤21.41%27.8℃(82℉)NANANA稳态制冷,干盘管 D26.7℃(80℉)≤13.9℃(≤57℉)≤21.41%27.8℃(82℉)NANANA循环制冷,干盘管高温221.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%8.3℃(47℉)6.1℃(43℉)72.9%3.7℃稳态制热高温121.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%16.7℃(62℉)14.7℃(58.5℉)81.1%13.4℃稳态制热低温21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%-8.3℃(17℉)-9.4℃(15℉)69.8%-12.3℃稳态制热高温循环21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%〛8.3℃(47℉)6.1℃(43℉)72.9%3.7℃循环制热结霜21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%1.7℃(35℉)0.6℃(33℉)82.0%-0.9℃稳态除霜扩展条件21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%-17.8℃(0℉)NANANA稳态制热

7.2 系统替换试验性能比较—R32与R410A

图12示出了在两个A/C的环境条件和两个H/P的环境条件时系统制冷量和能效比的变化。与替换系统相比制冷量有3%～4%的增益和能效比降低1%～1.5%。与图5和图6中所示的压缩机的性能数据相接近。如果为了获得相同的系统制冷量而缩小压缩机排气量约5%，则R32系统的能效比可与R410A持平。制热性能略高于制冷是有利的，如理论分析预期的那样。图13显示出在相同的四个测试工况时，R32相对于R410A的Te、Tc和吸气过热度的变化。尽管相对制冷量有提高，但由于较高的蒸发传热和更低的压降，R32的Te仍然比R410A相应高0.3～1.6℉(0.17～0.89℃)。由于较高的制冷量和更高的排气温度和冷凝器热负荷，Tc略微增加。然而，由于R32的吸气过热度是比R410A高2～5℉(1.2～2.8℃)，以及R32较低28%的质量流量，使A/C系统的性能略有下降。

图12 R32/R410A系统替换试验的性能比较

图13 系统不同运行条件时Te、Tc、过热度变化对比

8 整体评估

图14归纳了对R32，以及和碳氢化合物(HC)R290的定性比较。与其他的替代物相比，R32的几个指标似乎更接近R410A。对于充灌量150克在单元式A/C中应用的HC制冷剂，它的A3高易燃性可能会需要一个二次循环，由于增加了泵和二次HX损失，将会影响成本和效率。

图14 低GWP方案的评估

9 几种实际测试结果

表3列出了有关单位发表的几种实际测试结果。

10 结论

(1)R32的GWP值为675，可燃性等级为A2L,热力性能与R410A相似，在相同制冷量的空调器中其EER和COP与R410A接近相同，且目前已大量生产，成本较低，是目前在空调器中较为理想的替换R410A和R22的制冷剂。

(2)R32的排气温度比R410A高，使用时应考虑合适的工作范围。

(3)R32与POE润滑油不兼容，使用时需考虑采用新的润滑油。

(4)R32的质量流量和压损都比R410A小，有利于缩小空调器设备和管路的尺寸，降低成本。

(5)以上对比试验均是在R410A空调器和压缩机上进行的，预计对R32的空调系统专门优化后，性能还会有进一步的提高。

11 参考文献

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 部分实际测试结果R32比R410A提高百分数汇总

序号单位工况制冷/制热量提高%消耗功率提高%EER/COP提高%排气温度提高华氏%或℃说明1大金标准制冷高温制热低温制热2.94.82.46.4华氏16%华氏15%华氏20%在美国德克萨斯州普莱诺安装的一台R410A 27kW的EER为12.5,部分负荷性能指标为17的大金VRV lll系统。优化后的R32充灌量为8.98公斤(R410A充灌量的83.2%)2Intertak标准制冷高温制热低温制热2.94.82.46.40.11.6华氏15.8%华氏15.8%华氏15.6%8冷吨(30.7kW)的R410A多联机更换R32进行对比试验,制冷剂充灌量8.98kg是R410A的83.2%。3苏州谷轮标准制冷5.76.34.87.210.86.400025℃22℃22℃谷轮3HP涡旋压缩机对比试验谷轮5HP涡旋压缩机对比试验谷轮12HP涡旋压缩机对比试验4大连三洋标准制冷6.48.8-2.125.3℃C-SBPH17038Q的5马力涡旋压缩机对比试验5西安大金标准制冷13.56.88.9JT140GPPY1涡旋压缩机对比试验6郑州轻工业学院名义制冷名义制热8.52.91.49.37.1-0,0067南京天加名义制冷名义制热1.1051.0921.0981.0901.0071.0021.0591号样机2号样机2号样机