在家用_商用空调中用R32替代R22的探索

第9卷　第6期制冷与空调
2009年12月
REFRIGERA TION AND A IR CONDITIONIN G
31234
3此文系根据在2009210212环保部外经办召开的“中国工商制冷行业HCFCs 替代技术第二次专家委员会”上发言整理而成。

在家用/商用空调中用R32替代
R22的探索
3
朱明善　史琳
(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室)
摘　要　在R 22的替代工作进入实质性阶段,但国内外成熟替代品又尚不明朗之际,本文在分析国内外
R 22替代物的现状、存在的问题以及国际上对环保工质要求的新趋向的前提下,探索提出在家用/商用空调
中使用R 32替代R 22的设想,并从其热物理性质、环保特性、安全性、热工性能、市场可获得性等几个方面,与现有的R 22替代物R 410A ,R 290和R 1234yf 等进行比较,认为R 32是一种兼顾减排、安全、节能和市场诸方面要求的、很有前景的R 22替代制冷剂。

关键词　制冷剂;空调;制冷;R 22;R 32;R 410A ;R 290;R 1234yf
Exploration of using R32to substitute for R 22in household/
commercial air 2conditioning
Zhu Mingshan Shi Lin
(Key laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education ,
Depart ment of Thermal Engineering ,Tsinghua University )ABSTRACT Phase 2out of R 22will start in t he world.And t he existing alternatives to R 22are not good in some application.The present stat us ,analyzes p roblems and require 2ment s for new environment 2friendly alternative.Also advances an idea using R 32to re 2place R 22in household/commercial air 2conditioning ,compares and analyzes t he t hermo 2p hysical p roperties ,environmental characteristics ,safety ,t heoretic cycle performance ,market availability of R 32,R 410A ,R 290and R 1234yf.It shows t hat R 32is an elect ric choice considering carbon dioxide emissions ,safety ,energy 2saving and market availabili 2ty ,and is an ideal refrigerant alternative to replace R 22.
KE Y WOR DS refrigerant ;air 2conditioning ;refrigeration ;R 22;R 32;R 410A ;R 290;R 1234yf
2007年9月,《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,规定发达国家在2020年完成HCFCs 淘汰;发展中国家2013年冻结在2009—2010年的平均水平,2015年要完成消减基线水平10%的任务,2020年要削减35%,2025年要削减67.5%,2030—2040年只允许2.5%的维修量[1]。

目前我国是世界上最大的HCFC 222(R 22)生产国和使用国,据中国制冷空调工业协会统计,2008年,我国在家用空调中使用R 22约为5.71万吨,在商用空调中使用R 22约为4.13万
吨,HCFCs 总使用量达10.46万吨,且以每年超过20%的速度增长,预计2013年的冻结用量(基线水平)为13.81万吨。

要在2015年完成消减基线水平10%的任务,必须尽快明确替代路线,研究合适的替代技术。

从上述数据可以看出,我国家用/商用空调行业的R 22使用量约占HCFCs 总使用量的94%。

所以笔者主要以家用/商用空调中的R 22的替代进行讨论。

目前国际国内主要的R 22的替代物是H FCs
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及其混合物,包括R134a,R410A,R407C等。

其他还包括小容量机组的R290和R161[2]以及CO2和R1234yf等。

这些替代物中,R134a,R410A和R407C 等由于具有较高的GW P值,在目前的环保大趋势下受到越来越多的限用压力,R290和R161虽然其GW P值低,但因其可燃性等安全指标在很多领域的应用受到限制,CO2由于压力过高在使用范围上受局限,R1234yf在家用/商用空调领域的应用有待商榷。

在目前HCFCs淘汰迫在眉睫的时候,又面临替代品的不确定性,因此需要重新审视R22的替代物。

以下从热物理性质、环保特性、安全性、热工性能、市场可获得性等几个方面,比较R32与现有R22替代物的优劣,并指出应用R32可能遇到的问题。

1　热物理性质和环保特性
表1列出了R22可能的替代物的沸点、摩尔质量、GW P、相对充注量、泄漏时的相对CO2排放当量、CO2减排比例。

从表中可以看出,R32在沸点上与目前成熟的R22替代物R410A最为接近,实际上R32就是它的主要组元,热物理性质与R410A和R22也较为接近。

R32的GW P值适中(675),但其摩尔质量是R22的0.6倍,而充注量大体上与摩尔质量成正比,因而R32充注量仅为R22的0.6倍,泄漏时的相对CO2排放当量为405,因而与R22相比,CO2减排比例可达77.6%,与美国环保局SNAP(August 2009)在家用、商用空调部分要求减排CO250%～90%的措施很为吻合,而R
410A仅为2.5%。

表1　R22可能的替代物的热物理和环保特性
制冷剂/特性沸点/℃摩尔质量GW P相对充注量泄漏时的相对CO2排放当量CO2减排比例/% R22-40.886.4718101.01810—
R32-51.752.026750.6405-77.6
R290-42.144.10200.5110.2-99.4
R161-37.648.06120.566.7-99.6
R410A-51.472.5821000.841764-2.5
R407C-43.686.2018001.018000
R134a-26.1102.0314301.181687-0.1
R1234yf-29.4114.0441.325.3-99.7
CO2-78.444.0110.510.51-100
图1　R22几种替代物的TEWI分析
图1所示为日本大金公司提供的R32等的
TEWI分析[3],从图可以看出,在R32,R290,
R410A,R1234yf和CO2中,R32的CO2排放当量
最小,约为6000kgCO2当量,而R290和R1234yf
基本相当,约为7000kgCO2当量,R410A约为7
500kg CO2当量,CO2最大,约为8400～8500
kgCO2当量。

由此也可以看出,对T EW I分析,
R32对CO2排放的影响最小。

2　安全性
2.1　可燃性极限
表2是几种R22替代物中具有可燃性的工质
的可燃性极限数据。

从表中可看出,R32的可燃性
最弱,处于“不可燃”与“弱可燃”的边缘,燃烧下限
(L FL)仅为0.306kg/m3,是2类可燃制冷剂中可燃
性最低的一种(仅次于N H3),比R1234yf还低。

表2　几种R22可燃替代物的可燃性极限
工质R32R290R161R1234yf
L FL/%14.42.13.86.2
L FL/(kg/m3)0.3060.0380.0760.293
U FL/%29.310.0—12.3
HOC/(kJ/kg)940050400——
2.2　可燃性分类
表3列出了R22替代物中具有可燃性的工质
在一些标准中的可燃性分类。

从表中可看出,R32
是相对最安全的,被A S HRA E34,ISO5149和
EN37821列为弱可燃“2”。

ISO817标准最新修
　第6期朱明善等:在家用/商用空调中用R32替代R22的探索・33　・　
订讨论稿[4](计划于2010年公布)明确将“2”类中燃烧速度≤0.1m/s的单列为“2L”。

由于R32燃烧速度约为0.067m/s,因而在表3中被列为“A2L”类。

按美国交通部运输标准DO T173.115和联合国(UN)危险货物运输规定,在运输过程中认为是“不可燃”的。

表3　几种标准中R22可燃替代物的可燃性分类
工质R32R290R161R1234yf ASHRA E34①2332
ISO5149②,EN37821②2332
DO T173.115③不燃可燃可燃可燃
UN危险货物运输规定④不燃可燃可燃?
注:①———L FL>0.1kg/m3且HOC<19000kJ/kg,为“2”;L FL
≤0.1kg/m3或HOC≥19000kJ/kg,为“3”。

②———有火焰传播、L FL≥3.5%且HOC<19000kJ/kg,为
“2”;有火焰传播、L FL<3.5%或HOC≥19000kJ/kg,
为“3”。

③———L FL≤%,为“可燃”。

④———L FL≥0.1kg/m3或HOC<20000kJ/kg,为“不可燃”。

2.3　最大充注量限制
表4列出了IEC6033522240:2005和EN3782 1:2008标准关于舒适空调/热泵机组以及ISO 5149或EN37821:2008标准中除舒适空调/热泵外的制冷系统的最大充注量限制值。

按IEC6033522240:2005和EN37821:2008标准,在舒适空调/热泵机组中,R32的允许最大充注量比R290约大10倍,比R161约大5倍。

一般建筑的制冷要求为150～200W/m2,若取折衷,即180W/m2,表4所列案例的30m2房间面积约须配冷量为5.4kW的机组。

按UN EP TOC(1995)报告,冷量为2～20kW的分体式空调,R22充注量约为0.32～0.34kg/kW,若取平均值0.33kg/ kW,则该机组R22充注量约为1.78kg,而R32充注量约为0.6×1.78=1.07kg,比表4中所允许的最大充注量(5.61kg)小很多,留有很多余量。

若充R290,其充注量约为0.51×1.78=0.91kg,则已大大超过表4中所允许的最大充注量(0.41 kg),表明此时已无法使用R290。

若充R161,其充注量约为0.56×1.78=1.0kg,也已超过表4中所允许的最大充注量(0.98kg),即使超过不多,但表明也无法使用R161。

在除舒适空调/热泵外的制冷系统中,按ISO
5149或EN37821:2008标准,R32的允许最大充注量比R290和R161也约大10倍。

由此可见,按目前可燃性安全标准,其适用范围比R290和R161宽得多,如按A2L,预计将更为放宽。

表4　相关标准中空调/热泵系统的最大充注量限制值
制冷剂/特性舒适空调/热泵机组除舒适空调/热泵外的制冷系统　最大充注量/kg实际限量①/(kg/m3)最大充注量②/kg
R2216.2③0.357.8⑤
R325.61④0.06111.6⑥
R2900.41④0.0081.5⑦
R1610.98④0.0151.5⑦
R410A23.8③0.4484.7⑤
R407C16.7③0.3159.7⑤
R134a13.5③0.2548.1⑤
R1234yf5.31④0.05911.4⑥
CO25.4③0.119.3⑤
注:①———20%L FL,或ISO5149与EN37821中的规定。

②———此表仅列出一般用房人居空间及直接系统的情况,其他
情况参看标准表C.1。

表中数字以房间体积为55m2×
3.5m为案例。

③———室内允许最大充注量m max=实际限量×房间体积,表中
数值是房屋高度为1.8m,房屋面积为30m2时的计
算值。

④———据IEC6033522240:2005Annex GG.2和EN37821:
2008C.3,室内允许最大充注量m max=2.5×L FL1.25×
h o×A0.5(kg),其中,A为房屋面积(m2);h o为电器安装
高度(m),地面安装h o=0.6m,墙面安装h o=1.8m,
窗式安装h o=1.0m,天花板安装h o=2.2m。

表中数
值为h o=1.8m,A=30m2时的计算值。

⑤———最大充注量=实际限量×房间体积。

⑥———最大充注量=实际限量×房间体积,但≤38×L FL(kg/
m3)。

⑦———最大充注量=实际限量×房间体积,但≤1.5kg。

3　热工性能
在美国A RI Standard520标准的空调工况下,即蒸发温度7.2℃,冷凝温度54.4℃,过热度11.1℃,过冷度8.3℃,压缩机等熵效率为0.75时,计算得到上述各种替代物的热工性能参数如表5所示。

表5中,p e为蒸发压力,p c为冷凝压力,t2为压缩机排气温度,Δt为滑移温度,CO P为性能系数,q0为单位质量制冷量,q V为单位体积制冷量。

从表中可以看出,R32的热工性能比R410A好, CO P约高5.3%,冷量约大12.7%,排气压力约高0.4bar,但排气温度约高24℃。

从热工性能分析可以看出,应用R32时须注意解决高排气温度、采用小管径或微通道换热器和R410A压缩机简单改型或优化或开发专用压缩机等问题。

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表5　各种R22替代物的热工性能
制冷剂/特性p e/bar p c/bar t2/℃Δt/℃CO P q0q V R226.2721.79100.3703.43151.823779.61 R3210.2935.23122.2303.15231.495876.06 R2905.9019.0077.6503.34256.153095.94 R1615.5419.3793.9203.49279.783386.42 R410A10.4134.8597.550.12.99142.405212.58 R407C6.7824.9889.144.73.12137.683750.77 R134a3.7814.8178.4103.44138.842401.29 R1234yf3.9914.5374.4303.30108.732262.59
4　市场可获得性
R32的市场可获得性好,价格便宜,国内有大量生产,不少氟化工企业(如山东东岳、浙江巨化、江苏梅兰、上海三爱富、浙江蓝天等)均有产品,且无侵权问题。

由于R22生产路线略经改动,就能转产R32,因此这就为面临R22淘汰巨大压力的我国氟化工行业提供了一线机遇,有利于实现R22生产路线的转轨。

5　结束语
1)R32与R22以及R410A的热物理性质较为接近,且GW P值适中,充注量仅为R22的0.6倍,CO2减排比例可达77.6%,比R410A优越,综合环境性能较好。

2)R32的可燃性是R22替代物可燃性工质中最弱的,可燃性极限比R1234yf还低,属于A2L 类,运输过程中认为是“不可燃”的。

在空调/热泵机组中,目前标准R32的允许最大充注量比R290约大10倍,比R161约大5倍到10倍以上,如按A2L,预计将更为放宽。

3)R32的热工性能比R410A好,CO P约高5.3%,冷量约大12.7%。

但须解决其排气温度高等问题。

4)R32的市场可获得性好,价格便宜,国内有大量生产,且无侵权问题。

总之,在家用/商用空调中R32是一种兼顾减排、安全、节能和市场诸方面要求的、很有前景的替代R22的制冷剂。

希望今后能加强其实际应用的研究,顺利且经济地完成HCFCs淘汰的国家目标。

致谢:
在研究过程中,山东东岳化工有限公司王鑫博士帮助收集了部分国外标准、有关国际机构信息和进行了有关理论计算等工作,日本大金公司朴春成博士也提供了有关信息,特此致谢。

参考文献
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