吴晓丽 任飞
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可燃制冷剂充注量限值是确保可燃制冷剂空调安全使用的一项重要措施,通过限制空调器中可燃制冷剂充注量,以避免制冷剂泄漏可能造成的火灾危险。可燃制冷剂充注量限值要求从可燃制冷剂要求第一次出现在IEC 60335-2-40-2005(ed.4.2)标准上就有相应的规定,但随着IEC标准不同版本的发布,对该项要求也有较大调整,涉及章节主要是标准22章结构(以下简称:标准的22章)及附录GG充注量限定值、通风及二次回路要求(以下简称:标准的附录GG)的相关内容[1]。为了便于相关人员理解,从可燃制冷剂充注量相关术语和定义、可燃制冷剂充注量要求、不同版本IEC标准可燃制冷剂充注量要求对比等进行分析。
(1)制冷剂充注量mc:是指单个制冷系统的实际制冷剂充注量,单位:kg。
(2)制冷剂最大充注量mmax:通过房间面积、可燃下限LFL以及其他类似条件计算出的单个制冷系统的制冷剂最大充注量,单位:kg。
(3)释放量mrl:制冷系统泄漏瞬间可以释放到室内空间的制冷剂质量,其可以通过计算、实测等获得,单位:kg。
(4)可燃制冷剂上限量限值m1、m2、m3:
标准中给出了m1、m2、m3三个可燃制冷剂上限量限值,它们是通过可燃制冷剂最低可燃限值与常数计算获得的,其中常数的单位是m3,代表不同的房间型号,如4 m3、26 m3、130 m3,这些常数与为了避免房间达到最低可燃限值而增加的充注量及允许的通风类型或要求有关。
制冷剂充注量在不同的上限量限值范围时,所要求的安装空间、通风要求、最小房间面积等有所不同。可燃制冷剂可燃等级不同上限量限值m1、m2、m3取值不同,表1给出了上限量限值的计算公式及R32、R290对应的上限量取值。
表1 可燃制冷剂上限量限值m1、m2、m3
(1)加强气密制冷系统
加强气密制冷系统是一种制冷系统,其室内单元的设计和制造可以确保在正常操作和异常操作中不会出现较大的制冷剂泄漏率。加强气密制冷系统除要求压缩机、压力释放装置以及压力容器安装在使用空间外,对制冷系统接头、制冷剂承载部件、制冷管路防护、换热器防冻等都提出相应的要求[2]。
(2)循环空气流
循环空气流是指空间或管道连接空间内的机械(如风机、风道等实现通风)导致的气流运动。
自带循环空气流是指器具内风扇的持续运行产生的空气流动。
对所有自带循环空气流的器具,其循环空气流运行应满足以下要求:
①若通过连续循环空气流,则除了短期的保养和服务时室内风扇可以暂停运行,其他时间室内风扇应连续运行。空气流应被连续监测,在循环空气流低于Qmin瞬间10 s内,应采取如下措施:
a.警告用户空气流降低;
b.使压缩机不运行,除非压缩机运行降低泄漏率或降低进入室内空间的释放总量。
②若使用泄漏监测系统激活循环空气流,则如果泄漏监测系统激活,应采取如下措施且在泄漏监测系统复位后至少持续5 min:
a.使器具的风扇工作,应让室内空气流量大于等于Qmin;
b.除非压缩机运行可以降低泄漏率或降低进入室内空间的释放总量,否则应使压缩机不运行;
c.对经由管道连接到一个或多个房间的器具:
应能完全打开器具的所有分区挡风板,并使控制信号通电以打开任何外部分区风阀(如适用)或使附加机械通风启动,通风量应大于等于Qmin。
注:Qmin为最小循环空气流,通风方式不同,Qmin计算公式不同。
(3)直接系统和间接系统
直接系统和间接系统是相对于制冷剂泄漏到使用空间的可能性来定义的。
直接系统是指与使用空间有一层隔离的制冷系统,其不受制冷管路位置的影响,只要单个制冷管路的破裂就会导致制冷剂释放到室内空间。直接系统根据制冷剂充注量mc的范围不同,需要通过制冷剂最大充注量、最小房间面积、附加要求(如自带循环气流、加强气密系统等)或附加通风等条件来确保其符合要求。
间接系统是指与使用空间有不止一层隔离的系统。该系统不受制冷管路位置的影响,单个制冷管路的破裂不会使制冷剂泄漏到室内空间。间接系统没有具体房间面积和制冷剂最大充注量的限制,只要mc≤m3且满足标准附录GG.6使用二次热交换器的制冷系统要求即可。
在IEC 60335-2-40:2022的22章结构中明确规定对使用可燃制冷剂的器具每个制冷系统的制冷剂充注量mc不应超过附录GG规定的m3,且要求使用可燃制冷剂的制冷系统结构应符合附录GG的规定,图1给出了附录GG的可燃制冷剂充注量限值评估流程图。
整个评估是在制冷剂充注量mc≤m3的情况下,而对制冷剂充注量mc>m3的情况不在IEC 60335-2-40:2022标准的考核范围内。
从图1可以看出,可燃制冷剂充注量与器具的系统类型、安装的房间面积、是否采用通风措施等多方面有关系。对间接系统,由于其制冷管路破裂不会导致制冷剂泄漏到所处的室内房间,因此其充注量不受房间大小限制,仅符合标准附录GG.6针对使用二次换热器制冷系统的相关要求即可。而对直接系统,如果制冷剂充注量mc≤m1或mrl≤m1,则认为即使泄漏也不会对安全产生影响,因此没有房间面积、通风等其他要求;而当制冷剂充注量mc>m1后,则根据器具的结构和充注量的大小,需在制冷剂最大充注量、室内最小房间面积以及通风等各方面满足相应的要求。
图1 可燃制冷剂充注量限值评估流程
对直接系统,当制冷剂充注量为m1<mc≤m3时,根据器具的结构形式、室内侧通风情况、是否有附加通风等条件不同,制冷剂最大充注量和最小房间面积的要求也各不相同,具体如下:
非通风区域充注量限值适用于制冷剂充注量为m1<mc≤m2的器具以及制冷剂充注量为m1<mc≤2×m1工厂封装单一包装单元的非固定式器具。
2.1.1 制冷剂充注量为m1<mc≤2×m1工厂封装单一包装单元的非固定式器具(GG.7)
对制冷剂充注量在m1<mc≤2×m1之间的工厂封装单一包装单元的非固定式器具,其制冷剂最大充注量mmax和最小房间面积Amin按照图2中GG.7给出的公式计算,且应满足标准GG.7相应的要求,具体如下:
图2 制冷剂最大充注量及最小房间面积计算公式
(1)放置高度要求:器具可以放置在地面上的任意高度。
(2)运行要求:当器具打开时,风扇可以连续运转以供应在正常稳定运行状态下的最小空气流,即使在压缩机因温控器而停机的状态下。
(3)机械要求:器具应经受带包装的跌落试验、不带包装跌落试验、960周期的运转试验(压缩机运行至少10 min,停运至少5 min,往复循环)、模拟运输的振动试验等,试验后器具不应有泄漏。
2.1.2 制冷剂充注量在m1<mc≤m3之间使用A2L制冷剂的加强气密制冷系统器具(GG.10)
对制冷剂充注量在m1<mc≤m3之间使用A2L制冷剂的加强气密制冷系统器具,如果器具室内单元多于一个,则要求每个独立室内单元按照ISO 5151、ISO 13253或ISO 15042在T1或H1(冷暖)下制冷量和/或制热量不超过35 kW。此外,根据具体充注量的不同,需要采取一些附加的措施如通风(自然或机械)、安全切断阀、安全报警、泄漏监测系统等,具体如下:
(1)如果制冷剂充注量不超过图2中GG.10.3.1计算获得的制冷剂最大充注量mmax,则不需要附加措施;
(2)建筑物的地下部分的最底层以外空间
①器具的释放高度h0≥1.8 m或自带循环空气流,且制冷剂充注量不超过图2中GG.10.3.2计算获得的制冷剂最大充注量mmax,则不需要附加措施;
注:释放高度h0是指器具释放口距地面的垂直距离。
②对不带循环空气流且释放高度h0<1.8 m的器具,如果制冷剂充注量超过图2中GG.10.3.1计算的制冷剂最大充注量mmax,但不超过图2中GG.10.3.2计算获得的制冷剂最大充注量mmax,则需要满足安全切断阀、安全报警或通风等三项措施中的一项附加措施;
③对制冷剂充注量超过图2中GG.10.3.2计算获得的制冷剂最大充注量mmax,则器具应有安全报警,并且还要具有安全切断阀或通风中的一项措施。
(3)建筑物的地下部分的最底层空间
①对不带循环空气流且释放高度h0<1.8 m的器具,若制冷剂充注量大于图2中GG.10.3.1计算获得的制冷剂最大充注量mmax,但小于等于图2中GG.10.3.2计算获得的制冷剂最大充注量mmax,则器具应有安全报警,并且还要具有安全切断阀或通风中的一项措施。
②对自带循环空气流或释放高度h0≥1.8 m的器具,若制冷剂充注量大于图2中GG.10.3.1计算获得的制冷剂最大充注量mmax,但小于等于图2中GG.10.3.2计算获得的制冷剂最大充注量mmax,则需要满足安全切断阀、安全报警或通风等三项措施中的一项附加措施;
③不允许有制冷剂充注量超过图2中GG.10.3.2计算获得的制冷剂最大充注量mmax。
2.1.3 制冷剂充注量在m1<mc≤m2之间使用A2、A3制冷剂的加强气密制冷系统器具(GG.14)
对制冷剂充注量在m1<mc≤m2之间使用A2、A3制冷剂的加强气密制冷系统器具应符合如下要求:
(1)对没有自带循环空气流的加强气密单元
制冷剂的最大充注量和最小房间面积应不超过图2中GG.14.2给出的公式计算值。
注:单元是指制冷系统的某一独立封装部分,如蒸发单元、冷凝单元。
(2)对自带循环空气流的加强气密单元
对自带循环空气流的加强气密单元,其循环空气流运行要符合运行要求,制冷剂的最大充注量和最小房间面积应不超过图2中GG.14.3给出的公式计算值,其中转换因数CF应小于等于0.5,且与最小循环空气流Qmin计算时所用CF值保持一致。
2.1.4 制冷剂充注量在m1<mc≤m2制冷器具(GG.2.1)
对于2.1.1~2.1.3节之外的其他器具,包括经由管路系统连接至一个或多个房间的器具,制冷剂最大充注量mmax和最小房间面积Amin均不应超过图2中GG.2.1给出公式的计算值。
但对自带循环空气流的固定式器具,若器具自带的风扇连续运行或通过带有足够循环空气流(流速≥1 m/s,流量≥30×mc/LFLm3/h)的泄漏监测系统使其启动运行,则最大充注量mmax可以增加且最小房间面积Amin可以减小。对自带循环空气流使用A2L制冷剂的固定式器具,制冷剂最大充注量mmax和最小房间面积Amin均应不超过图2中GG.2.2给出的公式计算值;对使用A2、A3制冷剂的自带循环空气流固定式器具,制冷剂最大充注量mmax和最小房间面积Amin均应不超过图2中GG.2.3给出的公式计算值,此处转换因数CF没有直接取0.5,而是要求不超过0.5,且与标准GG.2.1中规定最小循环空气流量Qmin计算时用值保持一致。此外,自带循环空气流的运行也应满足运行要求。
机械通风区域充注量限值要求适用于制冷剂充注量m1<mc≤m3,且仅适用于固定式器具。当器具外壳或房间提供了用来稀释制冷剂使得制冷剂浓度不会导致一些部件成为潜在点火源,或稀释气体至易于分散的区域的通风系统,则泄漏出现瞬间,机械通风应运行。这些应满足器具外壳内的机械通风要求,或安装在符合ISO 5149-3规定的机械通风房间要求的房间内,具体要求如下:
(1)器具外壳内机械通风要求
要求制冷回路具有一个单独的外壳使得气体不会从外壳进入房间。器具外壳应有一个通风系统,其通过抽气式排气管将器具内部产生的空气流至外界。器具外壳内负压要大于等于20 Pa且规定了排气量不低于Qmin,Qmin最小为2 m3/h。Qmin与制冷剂的摩尔质量以及泄漏率有关,具体如下:
①对非加强气密制冷系统,泄漏率为制冷剂的充注量mc/240,也就是以平均速率在4 min内将充注的制冷剂泄漏完。
②对加强气密制冷系统,根据制冷剂的可燃等级不同,泄漏速率不同,具体如下:
a.对A2L制冷剂:泄漏速率为0.00278 kg/s;
b.对A2或A3制冷剂:则根据制冷剂不同,泄漏速率取值不同,如R290的泄漏速率为0.00112 kg/s。
根据通风系统是连续运行还是通过制冷剂监测系统来激活等情况不同,在需要通风的情况下应能采取通风措施,通过是否满足自带空气循环流运行的要求来判定是否采取通风措施。
(3)符合ISO 5149-3规定的机械通风房间要求
ISO 5149-3[3]对机械通风房的使用空间、通风、管路管道、远程应急开关、尺寸、可访问性等进行了要求,并针对可燃制冷剂的附加措施进行要求,具体如下:
机械通风房的位置应根据制冷系统制冷剂充注量来确定,可能暴露在超过可燃制冷剂低爆限值的区域的潜在点火源元件应符合爆炸危险区域的要求(如电弧、火花元件符合标准22.116章规定);
要有独立于其他通风系统的通风系统,一旦制冷剂发生泄漏应能将制冷剂泄漏产生的通风排放至室外;
机械通风房设计应避免排出的空气再循环进入房间;
当机械通风房被使用时,应确保每小时换气4次;
需要对机械通风房内空气进行监测,还需提供紧急机械通风,该通风应由位于机械通风房内的监测器启动,紧急机械通风系统要有至少两个独立的紧急控制装置,室内、室外至少各有一个紧急控制装置,房间内能实现至少每小时1.5次换气;最高表面温度低于自燃温度100 K。
本条款适用于制冷剂充注量为m1<mc≤m3经由管道系统连接至一个或多个房间的使用A2L制冷剂器具,对制冷剂充注量mc>m2或制冷剂充注量在m1<mc≤m2之间所有房间的最小面积中有任意一个最小房间面积小于GG.2.1规定的最小房间面积Amin时,可以通过满足如下要求来实现制冷剂充注量的增加和最小房间面积的减小:
(1)器具必须经由一个空气管路系统进入一个或多个房间,进气和回气应直接通过管路进入空间;
(2)循环空气流运行应符合上文1.2节中给出的要求;
(3)制冷剂最大充注量mmax计算时用所有调节空间的面积TA,当TA小于规定的TAmin时,则需要满足下文2.4.1节中机械通风的要求。
制冷剂充注量相关附加措施是当以上制冷剂最大充注量和最小房间面积不能满足时,可以通过一些附加措施来提高制冷剂最大充注量限值或降低最小房间面积限值。
2.4.1 使用A2L制冷剂器具的通风面积要求(GG.8)
使用A2L制冷剂器具的通风面积要求适用于制冷剂充注量在m1<mc≤m3之间的器具,当制冷剂充注量大于mmax时需要提供规定的通风。
(1)向室外的自然通风
如果需要向室外的自然通风,则应满足如下要求:
①通向室外的自然通风不允许低于地面;
②向使用空间的自然通风应不与室外相通,如果外面较冷用户可以堵住通向室外的自然通风;
③自然通风开口面积应符合标准规定;
④系统的制冷剂最大充注量mmax和最小开口面积Anv,min≤标准GG.8.2的计算值。
(2)使用A2L制冷剂的机械通风要求
①机械通风系统运行应符合运行要求,最小空气流≥Qmin;
②机械通风应在室外或房间面积大于机械通风排入的房间最小面积EAmin的室内空间进行。
(3)开口要求
①上述机械通风,从房间中抽取空气的开口的下边缘不得高于地板100 mm;
②从房间中抽取空气的开口应相对于向房间供应空气的开口进行定位,以便供应的补充空气与泄漏的制冷剂混合;
③从房间排气的开口应相对于向房间供气的进气口进行定位,以防止再循环回房间。
2.4.2 使用A2L制冷剂的加强气密制冷系统的通风(GG.11)
应在有足够空气稀释泄漏制冷剂的地方进行通风,如室外或大空间。在地面以下不允许通过自然通风向室外通风,使用空间的自然通风不得通向室外,自然通风的开口其最小开口面积应符合图3的规定,在计算自然通风最小开口面积时不应考虑高于地面300 mm的任何开口的面积,且最小开口面积应至少有50%位于地面以上200 mm范围内,并确保单元安装后底部最低开口不应高于释放点,且不超过地面100 mm,如果开口延伸至地板,则开口的高度不应低于地面覆盖物表面以上20 mm;机械通风应为连续运行或由泄漏监测系统激活启动,循环空气流运行应符合要求,机械通风开口应确保室内空气抽出口的上边缘应小于等于制冷剂释放点的高度,从房间抽出的空气应与机械通风进气口相接,以便补充的空气与泄漏的制冷剂气体混合,如果未按照加强气密系统的机械通风要求提供循环空气流,则开口还应使室内空气抽出口的下边缘距地面不应超过100 mm,房间内排气口与补充的新空气位置应确保排出的空气不会再循环回来,机械通风的空气流量应符合图3的规定。
图3 自然通风最小开口面积和机械通风最小空气流量要求
2.4.3 使用A2L制冷剂加强气密制冷系统的安全切断阀和安全报警(GG.12、GG.13)
安全切断阀的位置应便于授权人员进行维护,释放量要小于标准规定值。对不在最低地面上的器具,若器具释放高度h0≥1.8 m或器具自带循环空气流,则释放量限值计算时CF取值0.75,而对其他器具,释放量限值计算时CF取值0.50。
如果使用安全报警器警告使用空间内有泄漏,则安全报警器应能警告制冷剂泄漏。安全警报应通过泄漏监测系统发出的信号开启。安全警报还应提醒授权人员采取适当措施。安全报警系统应发出声音和视觉警告,如响亮的蜂鸣器(声音在背景噪声15 dB(A)以上)和闪光灯。应在使用空间内安装至少一个安全报警器。对于如夜间搬运工的位置的居住情况,安全报警系统还应在监控位置发出警告。
在设计或评估一台空调器制冷剂充注量是否符合标准规定时,可按照如下步骤进行:
(1)制冷剂充注量mc:无论何种情况制冷剂充注量均不应超过m3;
(2)确定其是直接系统还是间接系统,若为间接系统,则不受房间面积限制,其设计结构要符合标准附录GG.6的要求;若为直接系统,则确认其安装条件,若安装条件可确保制冷剂泄漏不会进入室内空间,则无房间面积限制,若无法确保,则再次评估制冷剂充注量mc或制冷剂可释放量mrl;
(3)若mc≤m1或mrl≤m1,则无房间面积限制,即可符合标准要求;
(4)若m1<mc≤m3,则应从其制冷剂最大充注量、最小房间面积、附加要求及附加通风等方面进行评估,具体如下:
①若是工厂密封整体式单元的非固定式器具,如移动式空调或除湿机,其制冷剂充注量要在m1<mc≤2×m1之间,并且制冷剂最大充注量、最小房间面积要符合标准GG.7规定的计算公式,且要满足附录GG.7规定的跌落、振动等附加的机械要求才能满足标准要求;
②若制冷剂充注量在m1<mc≤m2之间的器具,如果可以符合标准GG.2.1规定的制冷剂最大充注量或最小房间面积要求,则不需要其他附加要求即可满足标准要求;但若制冷剂最大充注量或最小房间面积超过标准GG.2.1规定,则对于A2L制冷剂需要满足标准GG.2.2规定的制冷剂最大充注量及最小房间面积计算公式的计算值的要求,并满足附录GG.2.2规定的附加要求,才能符合标准要求,对于A2、A3制冷剂需要满足附录GG.2.3或GG.14规定的制冷剂最大充注量及最小房间面积计算公式的计算值的要求,并符合附录GG.2.3或GG.14中规定的附加要求,才能符合标准要求;
③若制冷剂充注量在m1<mc≤m3之间的器具,若为A2、A3制冷剂,则必须采用附录GG.3规定的机械通风措施,即附录GG.4规定的器具外壳内的机械通风或采用附录GG.5规定的机械通风房间;若为A2L制冷剂,则可以采用附录GG.9或GG.10规定的附加措施、制冷剂最大充注量及最小房间面积计算公式的计算值要求以符合标准要求,也可以通过GG.3、GG.8或GG.10中规定的附加通风措施来符合标准要求。
需要注意的是,如果用标准附录QQ确定了释放量mrl,则当mrl>mc时,制冷系统每个运行状态下至少要符合附录GG.2、GG.3、GG.4、GG.7、GG.9及GG.14中的一条。
新版标准发布对制冷剂充注量究竟有什么样的影响,我们针对GB 4706.32-2012[4](等同采用IEC 60335-2-40:2005)、IEC 60335-2-40:2018[5]以及IEC 60335-2-40:2022等三项标准制冷剂充注量内容进行对比,如表2所示,具体分析如下:
表2 不同版本的标准对可燃制冷剂充注量要求一览表
从可燃制冷剂充注量总体要求来看,上述三项标准的22章均对制冷剂的充注量做了要求,现行的国家标准GB 4706.32-2012中要求器具所有制冷系统制冷剂充注量的总和不超过m3,而IEC 60335-2-40:2018和IEC 60335-2-40:2022则是要求单个系统的制冷剂充注量不超过m3,相较于国家标准对双系统或多系统的器具,制冷剂充注量大幅提升。
从可燃制冷剂充注量上限量限值m1、m2、m3取值上来看,由于IEC 60335-2-40:2018和IEC 60335-2-40:2022针对A2L制冷剂公式调整,使得A2L制冷剂上限量限值相应增加。
从附录GG的要求来看,现行国家标准GB 4706.32-2012仅从非通风区域和机械通风区域给出了制冷量充注量限值的要求,而IEC 60335-2-40:2018版则在非通风区域、机械通风区域的基础上,针对A2L制冷剂在满足一定附件条件下,可以使制冷剂最大充注量mmax增加或最小房间面积Amin减小,比如通过器具自带循环空气流、采用加强气密制冷系统、通风、安全截止阀或安全警告等措施,而IEC 60335-2-40:2022版则在IEC 60335-2-40:2018版的基础上,通过附加措施增加了A2L制冷剂加强气密制冷系统制冷剂充注量上限,并且对A2、A3制冷剂器具如果自带循环空气流,其最大制冷剂充注量可以增加或最小房间面积可以减小。
综上所述,IEC 60335-2-40:2022在制冷剂充注量上的要求主要是对单个系统的制冷剂充注量进行限制,首先是针对间接系统,制冷剂的充注量mc≤m3,能够通过二次换热器制冷系统的相关要求即可;而对直接系统,制冷剂充注量mc≤m1,对制冷剂最大充注量和最小房间面积不做要求,而当m1<mc≤m3时,则需要根据器具是否固定、通风区域和非通风区域等给出制冷剂最大充注量、最小房间面积,当最大充注量或最小房间面积无法满足时,可通过通风、加强气密制冷系统、循环空气流、报警等附加措施来提高制冷剂最大充注量或降低最小房间面积,对A2、A3制冷剂充注量最大不能超过m2,而对A2L制冷剂充注量最大不能超过m3。对直接系统,标准给出的制冷剂最大充注量和最小房间面积计算公式的不同,主要体现在浓缩系数CF取值、所用高度值h以及带入的面积A取值不同所产生。
从GB 4706.32-2012(等同采用IEC 60335-2-40:2005)、IEC 60335-2-40:2018以及IEC 60335-2-40:2022等三个版本在制冷剂充注量要求的差异来看,IEC 60335-2-40:2022与IEC 60335-2-40:2018的差别不大,但较现行的国家标准GB 4706.32-2012差别较大,一方面充注量限值由所有系统的总充注量不超过m3调整为单系统的充注量不超过m3,另一方面,通过循环空气流、加强气密系统、通风、报警及警告等措施来提升制冷剂的最大充注量或降低最小房间面积等。