制冷劑的區(qū)別、特性、應(yīng)用
90年代中期，空調(diào)和制冷工業(yè)因蒙特利爾議定書要求淘汰CFC族物質(zhì)而發(fā)生了巨大改變。許多那時(shí)未聽說過的制冷劑(R-134a和R-123)進(jìn)入了老制冷劑如R-12和R-11的替代前沿。即將發(fā)生的另一個(gè)改變是HCFC族將被禁用 (R-22 到2010年將在美國被禁用)。人們也開始感覺到京都議定書生效后給HVAC行業(yè)帶來的新的挑戰(zhàn)。
盡管可獲得許多種制冷劑，但只有幾種被認(rèn)真考慮。本章將看一看這些可能的選擇。
11.1. 水 (R-718)
水用作吸收式制冷機(jī)中的制冷劑。它無毒、來源豐富、不可燃且ODP和 GWP為0。主要的缺點(diǎn)是吸收式制冷機(jī)的效率?，F(xiàn)今的商用雙效直燃（天燃?xì)猓┪帐街评錂C(jī)的COP只有比1多一些。而離心機(jī)的COP為6.4以上。對(duì)于吸收機(jī)和電動(dòng)離心機(jī)，考慮到氣候改變的影響最好是比較TEWI值。兩者的TEWI值將取決于發(fā)電效率。也有一種觀點(diǎn)，也許吸收機(jī)的一次能源效率比較好，但如果電價(jià)低而油氣價(jià)高時(shí)，客戶的運(yùn)行費(fèi)用在用吸收機(jī)時(shí)卻并不能節(jié)省，因此客戶無法從一次能源效率獲得好處。
在日本市場(chǎng)，吸收式制冷機(jī)是主流而離心機(jī)很少。但在北美，吸收式制冷機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用是電驅(qū)動(dòng)離心機(jī)的約2倍，使得吸收式制冷機(jī)很難銷售。
預(yù)測(cè)：吸收式制冷機(jī)將繼續(xù)在北美的一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用（如混合機(jī)房）。如果能源費(fèi)率變化很大，吸收式制冷機(jī)就可能扮演一個(gè)更重要的角色。吸收式制冷機(jī)將越來越多地使用在余熱利用場(chǎng)合，并在電熱冷聯(lián)供中占有一席之地。
11.2. 氨(R-717)
氨的性能優(yōu)良，ODP值為零且GWP值很小。但因?yàn)橹钡慕】岛鸵兹紗栴}，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用，有一些在商業(yè)上使用。
預(yù)測(cè)：氨將繼續(xù)在工業(yè)和商業(yè)中有一些應(yīng)用。
11.3. 二氧化碳(R-744)
二氧化碳無毒、不可燃，且ODP等于零，GWP較低。但是其低臨界點(diǎn)特性，使得它在典型的商用工況下的性能也很差。而且，工作壓力也相當(dāng)高（6MPA）。目前正在進(jìn)行超臨界工況使用的研究。另外，二氧化碳被成功地應(yīng)用于復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中。
預(yù)測(cè)：將來可能應(yīng)用于汽車空調(diào)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中。
11.4. 丙烷 (R-290) 和異丁烷 (R-600a)
丙烷和異丁烷毒性低、性能好、無ODP值且GWP值低。但它們易燃。北歐已經(jīng)將它們用于冰箱中?？煽诳蓸饭拘紝⒎艞塇FC而考慮使用可燃制冷劑。但在美國，更加關(guān)注可燃性引起的安全問題。
有一些研究評(píng)價(jià)了可燃制冷劑冷卻鹽水再將鹽水泵送到用冷點(diǎn)（類似于干式冷卻）的效率。研究報(bào)告顯示丙烷和異丁烷比傳統(tǒng)的R22干式系統(tǒng)效率要低些，但應(yīng)想到這是在冷卻鹽水。目前在世界上只有不到十處安裝了大型可燃制冷劑制冷設(shè)備。
預(yù)測(cè)：可燃制冷劑最有可能繼續(xù)用于家用和小型系統(tǒng)上。
11.5. R-134a
R-134a是A1類 (低毒性不可燃) 制冷劑，ODP值為零但GWP為1300。它的換熱性能很好，是螺桿和離心壓縮機(jī)的一種好的備選制冷劑。它在汽車空調(diào)上已被廣泛接受。
R-134a在蒙特利爾議定書和京都議定書中都提及了。蒙特利爾議定書正在全面地排除ODP值大于0的常用制冷劑，議定書正在將ODP=0 如R-134a制冷劑推向市場(chǎng)。但京都議定書卻將HFC族物質(zhì)列入了限排目標(biāo)氣體清單。
R-134a是一種最好的解決方案。它的ODP值為0，因此在蒙特利爾議定書中沒有規(guī)定其要淘汰。盡管HFC族是京都議定書的目標(biāo)氣體，但只有排放控制而沒有淘汰日期。雖然 CFC族和HCFC族物質(zhì)是臭氧消耗的主要貢獻(xiàn)者 (占人為臭氧消耗的28%), HFC族、CFC族和HCFC族對(duì)氣候改變的影響非常小 (占人為全球變暖的4%)。
所有新一代離心和螺桿制冷機(jī)都已經(jīng)圍繞R-134a 展開設(shè)計(jì)。
預(yù)測(cè)：在可預(yù)見的未來，R-134a將繼續(xù)是大型空調(diào)工業(yè)的主要制冷劑。
11.6. R-22的替代
R-22是A1類 (低毒性不可燃) 制冷劑。它是世界上最受歡迎的制冷劑。 R-22也是一種HCFC物質(zhì)而將被淘汰。在美國，R-22 已被限產(chǎn)并將在2010年完全淘汰，除了少量用于維修。R-22非常通用，它被用于超市冷凍、溜冰場(chǎng)、各種形式的壓縮制冷機(jī)、單元屋頂機(jī)組和大部分家用空調(diào)中 。
R-22沒有直接的替代物。不同制冷劑將替代R-22的不同應(yīng)用需要。表8列出了R-22 的幾種替代物及它們的相對(duì)性能。圖28顯示了替代制冷劑在54℃ 冷凝溫度下的COP值。
圖 28-R-22替代物的COP
表8-R-22替代物的相對(duì)性能
R-290 R-134a R-404A R-407C R-410A R507
制冷量 85% 67% 106% 95% 141% 109%
效率 99% 100% 93% 98% 100% 94%
吸氣壓力（絕壓） 94% 59% 121% 91% 159% 125%
冷凝壓力（絕壓） 90% 68% 120% 115% 157% 122%
溫度滑差 0 0 0.5℃ 4.4℃ 0.5℃ 0
離心機(jī)中使用的R-22已經(jīng)大部分轉(zhuǎn)移成R-134a?，F(xiàn)在螺桿機(jī)也正向R-134a轉(zhuǎn)移，所有新一代螺桿壓縮機(jī)都將用R-134a為工質(zhì)。R404A和R-507正用于替代冷凍裝置中的R-22。
剩下的所有小型壓縮機(jī)包括單元屋頂機(jī)組、小型風(fēng)冷和水冷制冷機(jī) (小于200冷噸)和整個(gè)家用空調(diào) (數(shù)十億美圓產(chǎn)值)怎么辦呢？兩種主要候選制冷劑是R407C和R-410A。丙烷 (R-290)能被用于家用市場(chǎng)，但北美地區(qū)對(duì)可燃性問題的關(guān)注將使其受到限制。
11.7. R-407C
R-407C是一種由HFC-32、HFC-125和 HFC-134a組成的非共沸混合物。其性質(zhì)已被調(diào)配到很接近R-22但有4.4℃ 的溫度滑差。 R-407C能方便地置換原有制冷系統(tǒng)的R22，雖然性能有些損失。很多時(shí)候只要將制冷系統(tǒng)的部件作一些細(xì)微的改變（如將冷凝器面積加大些），就可增強(qiáng)性能。
較大的溫度滑差將R-407C限制在只能用于干式系統(tǒng)如屋頂機(jī)組和溫度滑差不成問題的場(chǎng)合。R-407C常被看作是，將原有系統(tǒng)升級(jí)為HFC系統(tǒng)的一種順便拿來的替代物。有限的幾種新產(chǎn)品是基于R-407C開發(fā)的。
預(yù)測(cè)：R-407C將是原有R-22 系統(tǒng)的一種隨便替代物，是新產(chǎn)品開發(fā)出來之前原有產(chǎn)品升級(jí)的一種過渡方案。
11.8. R-410A
R-410A是一種由HFC-32和HFC-125組成的非共沸混合物，溫度滑差小 (小于0.5℃ )，且容積制冷量大 (1.5 cfm/ton)，工作壓力比R-22高（為3MPA）。它不能隨便置換原有R-22系統(tǒng)而必須進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。
在小系統(tǒng)中替代R-22而設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)R-410A引起了人們的廣泛興趣。壓縮機(jī)供應(yīng)商已開始提供R410A的小壓縮機(jī)(0.5~ 5冷噸)，這種壓縮機(jī)已開始用于家用市場(chǎng)（開利推出了稱為Pureon的R410A家用系統(tǒng)）。如果開發(fā)出大壓縮機(jī)的話， R-410A 將擴(kuò)展到商用產(chǎn)品。因?yàn)镽-410A的工作壓力高，所有二級(jí)部件（閥、視鏡、過濾干燥器等）都需要重新設(shè)計(jì)，這將減緩R-410A 進(jìn)入商用市場(chǎng)的步伐。
R-410A的一個(gè)問題是臨界點(diǎn)低。如風(fēng)冷設(shè)備用于高溫環(huán)境時(shí)，性能將下降很多。R-410A用于水冷機(jī)組一般不會(huì)受影響，因?yàn)槠淅淠郎囟鹊汀?
預(yù)測(cè)：由于更多的二級(jí)部件可以買到，新得家用和小型商用產(chǎn)品將使用R-410A。關(guān)于低臨界點(diǎn)問題也將獲得技術(shù)突破。
11.9. R-123的替代
ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)34將R-123歸入B1 類制冷劑 (毒性較高不可燃)。它是CFC-11的 HCFC替代物，即將被淘汰。在美國， R-123 已經(jīng)被限產(chǎn)，并將在2020年產(chǎn)量減少到0.5%，在2020年到2030年之間只準(zhǔn)用于維修。 R-123特別適合于負(fù)壓離心式制冷機(jī)。
R-123沒有清楚的替代物。本來R-601 (N-戊烷)或 R-601a (異戊烷)可能用于代替，但這兩種物質(zhì)非常易燃，在離心機(jī)中的充注量很大而極可能發(fā)生爆炸，而且，運(yùn)行時(shí)的負(fù)壓將漏入空氣，極易在機(jī)組中聚集爆炸混和物，要替代R-123似乎不可能。
兩種最接近的HFC物質(zhì)是R245ca和 R-245fa (兩者互為同分異構(gòu)體-原子種數(shù)一樣但排列不同)。起先人們集中于R-245ca的研究，但后來發(fā)現(xiàn)它易燃。而R-245fa 是一種B1類 制冷劑(毒性較高不可燃)，其工作壓力比R-123要高些。R-123不需作為壓力容器設(shè)計(jì)（常壓容器），但R-245fa的冷凝器將是壓力容器 (見圖29)。R-245fa不能置換原有R-123制冷機(jī)，除非原制冷機(jī)符合壓力容器規(guī)范。
圖 29 低壓制冷劑的蒸發(fā)壓力
對(duì)制冷劑制造商而言，用于負(fù)壓離心機(jī)的R-123是一個(gè)小市場(chǎng)。幸運(yùn)的是，R-123可從制造其他更常用制冷劑的副產(chǎn)品中得到。而R-245fa是一種更加昂貴的制冷劑，從現(xiàn)實(shí)的角度講，R-245fa需要擴(kuò)展其應(yīng)用范圍（如發(fā)泡），來提高產(chǎn)量降低成本。
預(yù)測(cè)：R-123將用于副壓離心制冷機(jī)，直到被蒙特利爾議定書淘汰。由于R-123的效率高，ODP和GWP值很低，大氣存活時(shí)間短，一些人們?nèi)缣仂`公司正在積極爭(zhēng)取將R-123從淘汰清單中拿掉。但由于可以有替代技術(shù)，又需要大部分蒙特利爾議定書成員投票同意，看起來比較困難。
12. 結(jié)論
制冷劑涉及到許多主要環(huán)境問題，因而使用何種制冷劑將是制造和采購空調(diào)和冷凍設(shè)備時(shí)決策的重大影響因素。至少，在比較系統(tǒng)和權(quán)衡其他技術(shù)問題時(shí)，或多或少會(huì)涉及到制冷劑選擇問題。在很多應(yīng)用中，制冷劑將對(duì)決策產(chǎn)生更大的影響。
盡管制冷劑對(duì)氣候改變的直接影響才3%到4 % ，但制冷系統(tǒng)的能耗問題將使人們更加追求高效制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 制冷劑滿足其他所有標(biāo)準(zhǔn)但如果性能很差將對(duì)環(huán)境沒有改善助益。
R-22的淘汰日期正在不斷逼近，迫使人們又將目光投向制冷劑，空調(diào)從業(yè)人員應(yīng)為決策者提供決策建議。同樣，R-123的開始淘汰也將再次引起爭(zhēng)論的熱潮。