家用房间空调器R290研究及应用分析

马 闯 李廷勋 ，2

（1.中山大学 广州 510275； 2.广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311）

前言

我国尚处于工业化和城镇化加速发展阶段，受制于产业结构、能源结构、治理投入及技术升级等综合因素，生态环境保护、绿色发展面临一定的困难和挑战。臭氧层破坏和全球变暖已成为日益严峻的全球环境问题，制冷行业特别是家用空调器生产企业面临着严峻的挑战，其中HCFCs制冷剂淘汰、低ODP制冷剂与低GWP制冷剂替代，环境友好的制冷剂应用及产业化已经成为非常紧迫的任务。

目前家用空调行业使用的制冷剂工质，主要是R22、R410A等，为了描述对大气层臭氧的消耗特性，通常使用臭氧消耗潜能值，即ODP值来表示。以R11作为基准，并定义为1.0[1]。其中R22∶ODP值0.05、GWP值1 500，R410A∶ODP值0、GWP值1 997，上述制冷剂属于人工合成物质。前国际制冷学会主席G.Loren tzen认为自然工质是解决制冷行业引起的臭氧层破坏和全球变暖环境问题的最终方案[2]，R290又称丙烷（三碳烷烃，C3H8），ODP值0、GWP值20，获取成本低廉、单位质量制冷量较大，工质物性与常规制冷剂R22相比优势明显，未来制冷行业家用空调器产业化应用前景非常广阔。

1 R290应用及研究情况

1.1 中国HCFCs替代情况

由于制冷、空调、热泵行业广泛采用的CFCs与HCFCs物质对地球臭氧层破坏以及产生温室效应，致使国际和国内的制冷、空调及热泵行业面临严峻挑战，CFCs与HCFCs的替代任重而道远。

随着发达国家、发展中国家以及社会大众对HCFCs对环境危害认识的提升，1985年多个国家政府签署《关于保护臭氧层的维也纳公约》，我国1989年9月正式签署。1987年，24个国家政府签署《关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，我国于1991年6月加入《蒙特利尔议定书》，该协议规定了各国削减CFCs和HCFCs生产及消费的日程表，我国在加入后批准了《中国消耗大气臭氧层物质逐步淘汰国家方案》[3]。

美国及欧盟等西方发达国家1996年已经对CFCs的生产、使用实施全面淘汰及禁用（见表1），中国2007年完成对CFCs的削减工作。当前国际ODS淘汰的主要目标是HCFCs，蒙特利尔议定书基加利修正案于2019年1月1日正式生效实施[4]，我国也在加速氢氯氟烃的淘汰工作进程。

表1 主要国家HCFCs淘汰进程

1.2 HCFCs替代及低ODP值制冷剂选择

在HCFCs替代及低ODP制冷剂寻找选择时，通常从以下几个方面因素考虑[5]：

1.2.1 热力学性质

制冷效率高，制冷剂的热力性质对制冷系数的影响，通常用制冷效率表示，选用制冷效率高的制冷剂可以提高制冷的经济性。

压力适中，制冷剂在低温状态的饱和压力要接近大气压力，最好略微高于大气压力，如果蒸发压力低于大气压力，机器外部空气易渗入，不仅影响空调系统的蒸发器、冷凝器的换热效果，也会增加压缩机的耗功量。空调制冷系统一般均采用水或空气作为冷却介质使制冷剂冷凝为液态，因此常温下制冷剂工质的冷凝压力不应太高，不超2.0 MPa为最佳，可降低制冷系统承受的压力，降低制冷剂向外泄漏的概率。

单位容积制冷能力大，制冷剂单位容积制冷能力越大，产生一定制冷量时，所需制冷剂的体积循环量越小，就可以减少压缩机尺寸，降低充值量等。一般情况，标准大气压力下沸点越低，单位容积制冷能力越大。在蒸发温度4 ℃，无过热，冷凝温度46 ℃，无再冷，制冷剂单位容积制冷能力对比见表2。

表2 制冷剂单位容积制冷能力

制冷剂的临界温度高，有利于一般冷却水或空气对制冷剂进行冷却、冷凝。空调系统制冷工作循环的区域远离临界点，制冷循环越接近逆卡诺循环，节流损失少，系统的制冷系数高。

1.2.2 物理化学性质

制冷剂在空调系统工作循环过程中不发生质变，不应与润滑油产生化学反应，不腐蚀制冷系统的金属和其他材料的部件。

与润滑油的互溶性，蒸汽压缩式制冷系统中，制冷剂一般与润滑油接触，二者相互混合或吸收形成制冷剂-润滑油溶液。故制冷剂与润滑油相容与否，是选择制冷剂的一个重要特性。一般根据制冷剂在润滑油中的可溶性，分为有限溶于润滑油的制冷剂和无限溶于润滑油的制冷剂。具体如表3。

表3 制冷剂与润滑油互溶性

1.2.3 制冷剂安全性

制冷剂毒性指接触制冷剂可能对人体的健康产生危害的能力，根据美国国家标准ANSI/ASHRAE 34-1997、我国国家标准GB/T 7778-2001，毒性按起限值的时间加权平均值（TLV-TWA）[6]，根据一周五个工作日共40 h的时间加权平均浓度，分为A、B两类。TLV-TWA值小于等于400 ppm时未被确定有毒性的制冷剂定为低毒性，列为A类；而小于40 ppm时，有毒性的制冷剂定为高毒性，列为B类。按美国工业卫生协会采用TLV值衡量物质毒性的指标，要求该物质的指标值大于1 000才认定为该物质无毒，反之则为有毒物质。相关制冷剂TLV值如表4。

表4 制冷剂TLV毒性值

制冷剂可燃性，用燃烧极限表示，即可燃物质与空气混合后能够产生火焰的最高及最低浓度。按最低燃烧极限，分为1、2、3三类。针对可燃制冷剂安全性分类如表5。

表5 制冷剂安全分类

1.2.4 密度、粘度

选择密度和粘度小的制冷剂，可以减少制冷剂在管道口径和流动阻力。

1.2.5 其他

选择温室效应效性小低GWP值、不破坏大气臭氧层低ODP值的制冷剂，并且制冷剂原材料应当较为充足，制造加工容易，成本低廉，有利于推广使用，特别是发展中国家产业化应用。

综上，阐述了国内、国外CFCs与HCFCs替代情况，总结概括HCFCs替代及低ODP值制冷剂选择需关注的因素及指导原则，根据相关内容分析了几种常见的替代制冷剂工质的物性。

R290具有优良的热力学性能，价格成本低，提取及加工制造相对容易，并且R290与普通润滑油、机械结构材料部件具有兼容性，ODP值为0、GWP值很小，对温室效应无直接影响。自然工质R290物性与R22较为接近和相似，对原型机和生产线进行改造较小。R290作为替代制冷剂特别适合我国及发展中国家。

2 R290作为替代制冷剂分析及研究

2.1 R290制冷剂优势

自然工质R290与目前家用空调器被广泛使的R22制冷剂物性比较见表6 。

表6 R290与R22制冷剂工质物性对比

R290制冷剂主要考虑对R22系统的替代，相较于R22，R290制冷剂的ODP值为0，R22制冷剂的GWP值为1 500，是R290的75倍。R290的沸点为-42.1 ℃，低于R22，工作范围更宽，在低温条件下相较更有优势。

2.2 R290替代研究分析

R290作为房间家用空调器替代自然工质制冷剂，相较R22有优良的热力性能，具体分析如下：

2.2.1 导热系数（见图1）

图1 R290与R22导热系数对比

相同温度下R290的气体导热系数均比R22高，该热力性能物性表示在相同空调系统配置下，可以提高制冷系统相关换热部件的传热能力，当换热能力提高时，空调系统换热部件尺寸可适当缩小，并进一步减少制冷剂充注量确保安全性。

2.2.2 比热（见图2）

图2 R290与R22液体比热对比

相同温度下，液体R290的比热比R22的大，而比容越大，制冷剂冷凝时达到相同过冷度，放出的热量越多，需要冷凝器换热面积要更大。对于R290系统，应用时需要优化和改善。

2.2.3 气化潜热（见图3）

图3 R290与R22气化潜热对比

相同温度下，R290的气化潜热（kJ/kg）为R22的1.8倍左右，当制冷系统需输出相同制冷量时，使用R290系统作为循环工质的质量流量或体积流量可以明显减少。

2.2.4 运动粘度（见图4）

图4 R290与R22液体运动粘度对比

相同温度下，R290的运动粘度均比R22小很多，粘性低可以减少制冷剂在管路内部流动时液体与管壁、以及流体内部的摩擦，使制冷系统能耗降低。另外制冷剂粘度小，流体在换热管壁内附着液膜厚度薄，故可以减少对换热产生的影响。

2.2.5 可燃性

相较广泛使用的R22制冷剂，R290工质安全性是影响其推广及产业化的瓶颈因素。针对相关问题，可以通过各种技术提升，如：制冷剂中添加阻燃剂、相关电器件防爆；工艺改善，如：提高制造过程中换热器焊接工艺、安装及管路连接采取洛克林环；智能化监控，如空调系统可以采集数据通过算法判断进行预警处理等，尽量避免R290泄漏带来的安全隐患。

在使用环境方面，R290空气器系统制冷剂充注量尽可能少，保障即使制冷剂泄漏在室内空间后，房间内的R290气体浓度小于2.1～9.5 %爆炸浓度范围。对于可燃制冷剂的充注量，IEC 60335-2-40《热泵、空调器、除湿器的特殊要求》已明确了限定。尽管该标准对R290的充注量的相关规定合理性有待商榷，需要蒙特利尔议定书缔约方不限成员名额工作组（OEWG）与来自全球各地的政府机构和非政府协会组织代表一起讨论，为R290全球推广解决好安全性及标准合理性问题。

综上所述，R290制冷剂具有优良的流动性与传热特性、较低的排气温度、较小的充注量、较小的压力比等优良性能。

2.3 R290理论计算及运行分析

对采用自然工质R290制冷剂的家用空调器系统进行理论分析及计算，设定为理想状态，无传热温差。

制冷运行，室内干球温度27 ℃、室外干球温度35 ℃；制热运行，室内干球温度20 ℃、室外干球温度7 ℃。

2.3.1 R290系统循环压焓图（见图5）

图5 R290系统循环压焓图

2.3.2 R290系统循环温熵图（见图6）

图6 R290系统循环温熵图

2.3.3 制热运行（见表7）

表7 R290系统制热运行

R290单位容积制热量远小于R22，冬季制热运行时质量流量会明显下降，需优化R290空调器整机性能以及采用相关技术途径改善制热性能。

2.4 R290家用空调器生产与应用

2.4.1 行业标准方面

我国工业和信息化部发布的，涉及房间空调器行业标准，分别为QB/T 4975-2016《使用可燃性制冷剂生产家用和类似用途房间空调器安全技术规范》，规定了使用可燃性制冷剂生产家用和类似用途房间空调器的安全技术要求、操作程序、安全管理； QB/T 4976-2016《使用可燃性制冷剂房间空调器产品运输的特殊要求》规定了使用可燃性制冷剂的房间空调器出厂后在陆路运输时所涉及的安全要求。

2.4.2 R290空调器产线改造及生产

我国是世界上最大的空调器生产国，空调产量已达到约8千万套/年。需要完成房间空调器及制冷设备产品的制冷剂替代工作，格力示范项目，2011年改造完成一条产能10万台/年的生产线；美的示范项目（多边基金资助），2013年改造完成一条产能20万台/年的生产线；美芝R290压缩机示范项目，2014年改造完成一条产能为180万台/年的压缩机生产线。随着R290制冷剂替代不断深入，制造商越来越多的产线可以用于生产。

2.4.3 R290空调器市场推广

环保部对外合作中心联合中国家用电器协会、联合国环境署、联合国工业发展组织、德国国际合作机构，于2015年5月共同发布环保低碳表示，可以在R290或CO2制冷剂的空调器或热泵热水器上使用，鼓励行业制造商推广R290房间空调器。2018年以来，R290房间空调器的市场化终于打破僵局，分体挂壁式空调器生产和销售达到17.8万台。

3 结 语

由自然工质R290可燃性，产品方面充注量限制、市场方面安全性科普、服务方面安装维修能力与水平等，使得R290替代R22应用及产业化进展比较缓慢，直到欧盟蒙特利尔议定书基加利修正案2019年1月1日正式生效实施，使得R290替代R22，HCFC制冷剂淘汰这一项有利于全球可持续发展的伟大工程加快推进进程，但同时充满挑战。

R290产品的市场化关系到中国的履约目标，关系到保护臭氧层，应对气候变化，关系到企业长远发展，无论企业和全行业都责无旁贷。