周子成

1 引言

自從1997年京都會議公告及歐洲的F-氣體法規(guī)以后，全世界范圍內對蒙特利爾議定書提出了進一步規(guī)范修改的建議,由于HFCs的全球氣候變暖潛能值高，在今后十幾年里需要逐步減少生產，直至完全淘汰。

2007年蒙特利爾議定書第19次締約方會議通過了加速淘汰HCFCs的調整案，規(guī)定發(fā)達國家2020年完成淘汰HCFCs，發(fā)展中國家在2013年凍結在2009年到2010年的平均水平上，以此作為基線，2015年要削減基線水平的10%，2020年要削減35%，2025年要削減65%，2030年要完成基本淘汰，只允許有2.5%供維修用的量。

2013年12月16日，歐盟同意了部分禁止在制冷和空調中廣泛使用的導致溫室氣體效應的HFCs的初步協議。修訂的歐盟F-氣體法規(guī)要求到2030年逐步淘汰HFCs為79%。對于GWP的限制，到2025年，在3kg充灌量的單分體空調器中限制使用GWP超過750的制冷劑。

我國是世界房間空調器的第一生產大國，2013年共生產房間空調器11002.2萬臺，銷售11132.8萬臺。其中估計約45%是使用R22，使用R410A的約占55%左右。估計HCFCs非環(huán)保制冷劑一年的消費量超過8萬噸。如果這些空調器全部替代為使用環(huán)保制冷劑，估計一年至少可以減少二氧化碳排放量2.4億噸。

我國房間空調器行業(yè)在HCFCs淘汰的第一階段(2013～2015年)期間獲得了7500萬美元的蒙特利爾多邊基金支持，用于達到以下三個目標：(1)確保2013年將R22的使用量凍結在基線年(2009年和2010年的平均水平)的數量上，2015年的R22使用量削減10%(即基線年的90%);(2)通過改造房間空調器和壓縮機的生產線，實現淘汰1.04萬噸R22;(3)改造不少于18條R290的房間空調生產線數量，并實現R290空調產業(yè)化。

雖然R290替代R22的工作在我國進展順利，格力、美的等公司已經進行了R290房間空調器和空調壓縮機生產線的改造，但R290的可燃性比較大，并非最佳選擇，而且在空調器中的充灌量有嚴格限制，較大制冷量的空調器難以實施。

我國目前有一些高等學校和空調器及空調壓縮機企業(yè)也正在積極開展R32制冷劑替代的研究。

日本在房間空調器中采用R32制冷劑的步伐走在世界的前列。2012年12月，大金在日本市場上首次推出了世界上第一個使用R32的房間空調器Uru-Sara 7系列，到2013年9月已銷售了20萬臺，之后，大金在日本市場銷售的所有掛壁式房間空調器都使用R32。到2013年9月30日已累計銷售了100萬臺，三菱電機在2013年11月在它的2014年新產品霧峰Z系列11個機型中采用了R32制冷劑，計劃每月生產2萬臺。松下在2013年12月1日推出的2014年X系列房間空調器新產品中使用了R32制冷劑，計劃每月生產這個系列的空調器3萬5千臺。聲稱到2015年將在松下印尼工廠生產R32房間空調器。日立在2013年10月在日本市場推出了9個機型使用R32制冷劑的不銹鋼清潔Shirokuma-Kun的Z系列房間空調器，計劃每月生產3萬臺。

R32是二氟甲烷，化學分子式是CH2F2。無色、無味，是組成近共沸混合物R410A的組分之一(質量百分比50%)。R32的熱力性能與R410A十分相似，是一種替代R410A很有潛力的制冷劑。

2 GWP值

GWP值稱為全球氣候變暖潛能值，是在滿足ODP(消耗臭氧潛能值)為零的前提下，作為衡量替代制冷劑對環(huán)境影響的一個重要指標。由于制冷劑排放對大氣溫室效應的影響由直接影響(在生產和運轉生命周期中由于制冷劑泄漏造成對大氣的影響)和間接影響(在生產使用全部材料的能源消耗和運轉生命周期中的能源消耗對大氣的影響)兩部分組成，直接影響所占比例較小，約5%，因此，主要是間接影響。

R-32的GWP值是675，而R410A的GWP值是2100，雖然R32的GWP也不是很低，但滿足歐洲的F-氣體法規(guī)，且排放的影響比R410A減少32%。圖1表示R32、R410A和R290的CO2排放當量的比較?？梢钥闯?，R32最低。

圖1 R32、R410A和R290的排放當量比較

3 安全性

制冷劑的安全性包括可燃性和毒性兩部分。根據最新的美國標準ASHRAE 34標準和國際標準ISO 817所規(guī)定的安全性分類，制冷劑根據它們的可燃性特征分為1級、2級、2L級和3級，和根據無毒或有毒特性分為A級和B級。對可燃性的具體分類是基于它們各自的可燃性參數，如燃燒速度、低爆炸極限(LFL)和燃燒熱量?？扇夹允怯伞叭紵a生的機會”和“燃燒產生的效果”進行評價，“燃燒產生的效果”是指包括燃燒速度和燃燒產生的熱量。燃燒速度是用來區(qū)分2級和2L級制冷劑之間的指標。圖2表示出一些制冷劑相對的燃燒速度，可以看出，R32的燃燒速度約為7cm/s，燃燒熱量為10MJ/kg，而R290(丙烷)的燃燒速度約為40cm/s，燃燒熱量為50MJ/kg，R32的這兩者只有R290的1/6和1/5。ASHRAE 34標準將所有燃燒速度低于10cm/s的制冷劑歸類為“2L”級，從而引入兩個新的制冷劑安全性等級，A2L和B2L(圖3)。R32的安全性等級是A2L,而R290的安全性等級是A3。

圖2 一些制冷劑的燃燒速度和燃燒熱量

圖3 新的2L分級

4 充灌量

屬于溫和可燃等級A2L的R32制冷劑需要有新的標準和規(guī)范，使它們能夠快速商業(yè)化。目前美國，歐洲和中國都在努力對這些A2L制冷劑制訂無風管和帶風管房間空調器的應用標準(ASHRAE標準15和34，UL471-1995，IEC60335-2，ISO5149，PREN378-2等)。這些標準大部分都是基于定義最大允許充灌量，以泄漏量不超過A2L制冷劑的燃燒下限(LFL)的25%作為基礎，以及房間是否通風或不通風。緊湊的安裝空間(壁柜)可能需要有一些應用的限制和/或修改等。R32的LFL約為0.3kg/m3。

美國愛默生氣候技術公司對于A2類制冷劑在通風空間條件下使用時，提出了如下三個等級的充灌量公式m1，m2，m3作為應用的基礎。

m1=1.5· (4 m3) ·LFL

(1)

m2=1.5· (26 m3) ·LFL

(2)

m3=1.5· (130 m3) ·LFL

(3)

式中，LFL是所使用的制冷劑燃燒極限的下限值，kg/m3。如果在系統中的充灌量(M)是低于m1，則需滿足可燃制冷劑的最低需要量。當充灌量水平(M)為大于m1和小于m2時，那么，除了最低的需要量外，同時還對允許使用的房間大小有附加的限制。如果充灌量(M)大于m2和小于m3，那么，還應包括額外的通風要求。最后，如果充灌量(M)大于m3，則應用國家標準。

在上述計算中的1.5乘積系數增量是專門對A2L制冷劑提出的，考慮到A2L類制冷劑相比于A2類的可燃性低的特點。所建議的系數1.5值還處在工作組討論之中，并可能向上修訂為2.0甚至3.0，取決于對A2L制冷劑獲得新的適用數據，以及各種組織機構對這些制冷劑在使用條件下在全世界范圍內進行的風險分析。

對于不通風的空間如果充灌量(M)是在m1和m2之間，確定最大允許充灌量的公式如下，而且也是在評價之中：

mmax=2.5·(LFL)(5/4)·h0·(A)1/2

(4)

式中：

A—房間面積，m2;

LFL—可燃下限，kg/m3;

h0—器具的安裝高度，m；對于落地安裝h0=0.6m;對于掛墻安裝h0=1.8m;對于窗式安裝h0=1.0m;對于天花安裝h0=2.2m。

上述四個公式都還沒有最終確定，因為大部分工作是針對無風管式系統做的，在歐洲和美國的工作組正積極尋求這些文件的定稿，包括考慮風管系統等。

5 R32與R410A的性能比較

對在冷凝溫度43.3℃(110℉)和蒸發(fā)溫度10℃(50℉)條件下R32與R410A的性能比較列于表1。

根據表1中理論性能的對比,可以將R32相對于R410A的優(yōu)缺點歸納如下：

5.1 優(yōu)點：

1)比R410A大大降低了制冷劑的成本和更好的負擔潛力；

2)R32現在已在全球范圍內大批量生產，因為它是組成R410A的50%組分；

3)臨界溫度比R410A高10.8%攝氏度，即8.6%華氏度，在較高的環(huán)境條件下性能更好；

表1 在冷凝溫度43.3℃(110℉)和蒸發(fā)溫度10℃(50℉)條件下R32與R410A的性能比較

參數單位R410AR32臨界溫度℃℉70.5158.978.1172.6冷凝/蒸發(fā)溫度℃℉43.3110105043.31101050飽和蒸氣壓力MPapsia2.62380.01.085157.32.686389.61.107160.5液體密度kg/m3lbm/ft395259.51126.470.4875.254.71017.663.6蒸氣密度kg/m3lbm/ft3114.247.1441.8722.61780.6885.04330.1921.887潛熱kJ/kgBtu/lbm151.8965.3208.6489.7228.6598.3299.12128.6液體比熱kJ/kgBtu/(lbm·R)2.0220.4831.5780.3772.240.5351.8050.431蒸氣比熱kJ/kgBtu/(lbm·R)1.9890.4751.2350.2952.1310.5091.3690.327液體導熱系數W/(m3·K)Btu/(hr.ft·F)0.25950.04570.31970.05630.3680.06480.45090.0794液體粘度MPa·slbm/ft-s7.6288E-025.12E-051.4289E-019.59E-059.089E-026.1E-051.3419E-020.9E-05蒸氣粘度MPa·slbm/ft-s1.5198E-021.02E-051.192E-020.8E-051.341E-020.9E-051.192E-020.8E-05

4)壓力和壓比相似，對R410A可以密封簡易替換，系統不需要大的重新設計；

5)液體密度比R410A低9%，系統需要的充灌量減少；

6)蒸氣密度比R410A低28%和更小的系統質量流量，估計壓降約比R410A低50%；

7)盡管質量流量低28%，但由于潛熱高43%～50%，容積制冷量比R410A高；

8)液體導熱系數比R410A高41%，在相同的質量流量時傳熱系數更高；

9)無溫度滑移和可以用較小體積的傳熱管優(yōu)化換熱器，進一步減少充灌量。

5.2 缺點：

1)R32屬A2L等級的輕度可燃性；

2)由于蒸氣比熱較高，使壓縮機的排氣溫度較高；

3)可能需要新的潤滑油，因為現有的多元醇酯(POE)油與R32不互溶。

從以上比較可以看出，總體而言，R32是利大于弊。R32較低的成本能使研發(fā)耗資節(jié)省，有助于通過壓縮機和系統的優(yōu)化設計改進其缺點。

R32與R410A的飽和蒸汽壓力與飽和溫度間的關系十分相似，見圖4。

圖4 R32與R410A的飽和蒸汽壓力與飽和溫度間的關系

圖5 R32與R410A的理論制冷量相對值的比較

圖5和圖6分別示出了在不同的蒸發(fā)溫度(Te)、冷凝溫度(Tc)和基于標準的11.1℃(20℉)過熱度和8.3℃(15℉)液體過冷度的條件下，假設容積效率和總等熵效率相等時，按照AHRI 540標準，R32與R410A理論制冷量和能效比(EER)的相對比較?？梢钥闯?，R32在A/C的工作范圍(7.2～12.8℃Te,即45～55℉Te)理論上比R410A高出3%～14%的制冷量，和在H/P的工作范圍(-23.3～-1.1℃，即-10～30℉Te)高出7%～16%制熱量。與此相對應，R32在A/C制冷工作范圍具有理論上高-1%到+5%的能效比，并在H/P制熱工作范圍高出0%～7%的能效比，因此H/P比A/C運行有微小的有利性。相對收益隨著Te的降低和Tc的升高而增加。

圖6 R32與R410A的理論EER相對值的比較

6 R32與R410A壓縮機測試對比

上述相對的比較只是以理論性能為基礎。實際壓縮機的性能取決于實際容積效率和等熵效率。圖7和圖8分別表示了對一臺3冷噸渦旋壓縮機在通常遇到的三個A/C和兩個H/P的Te/Tc工況條件下系統試驗的性能評價，在相同的11.1℃(20℉)吸氣過熱度和8.3℃(15℉)液體過冷度下實際制冷量和能效比與理論值的相對比較。

圖7 實際與理論的壓縮機相對制冷量比較

圖8 實際與理論的壓縮機的相對EER比較

可以看出，由于R32的壓縮熱量較高，壓縮機的實際相對制冷量是比理論平均值約低3%～4%，由于其較高的蒸氣比熱以及其低28%的質量流量，導致較高的排氣溫度，最終使容積效率降低，如圖9所示。相應地，由于較低的總等熵效率，壓縮機的實際相對能效比EER是比平均理論值約低2%～3%。預計在更高壓縮比條件下會變得更差。應該指出，這些試驗是在一個R410A優(yōu)化的壓縮機上進行，而不是在一個優(yōu)化的R32壓縮機上進行的。

圖9 R32/R410A在不同Te/Tc和吸氣過熱度20℉(11.1℃)條件下，實際壓縮機的排氣溫度

圖10 排氣溫度的關聯

圖11 R32和R410A的受限制工作范圍

圖10示出了壓縮機排氣管的溫度(DLT)，R32通常比R410A高出約22%華氏度，這意味著，對于相同的約300℉(148.9℃)的最大允許排氣溫度限制，R32的Te/Tc受限制的工作范圍將小于R410A。為減少壓縮時的熱沖擊，措施包括：1)通過采用更好的系統流量控制設備減少吸氣過熱度，如采用電子膨脹閥(EXV)；2)優(yōu)化壓縮機的內部設計；3)采用壓縮機蒸汽噴射(VI)或液體噴射(LI)的循環(huán)；4)改善油的品質，以便最大可能地允許更高的排氣溫度。從對較低成本的R32制冷劑的節(jié)省，通過上述措施能夠開發(fā)出成本效益的系統解決方案。究竟使用那些措施取決于規(guī)定的Te/Tc受限制的工作范圍的要求，如圖11所示。對于美國住宅14SEER空氣-空氣的A/C和H/P系統，按照能源部2015區(qū)域標準的要求，具有較小挑戰(zhàn)性的受限制工作范圍和選擇措施1)和2)可能就足夠了。對于空氣-水可換向的H/P，例如在歐洲，作為供暖熱水使用需要高得多的Te，因而需要增加措施3)。

7 系統替換試驗測試對比

7.1 測試條件

按照AHRI 210/240標準的系統測試條件如表2所示。進行了A(35℃,即95℉的環(huán)境)和B(27.8℃,即82℉的環(huán)境)的兩個制冷模式試驗，和進行了高溫2(8.3℃,即47℉的環(huán)境)和低溫(-8.3℃,即17℉環(huán)境)兩個制熱模式試驗。試驗的目的是調查研究只調整熱力膨脹閥(TXV)或優(yōu)化系統充灌量的替換系統的性能差異。試驗是在一個3冷噸(11.5kW)的R410A帶有TXV的制冷和制熱模式熱泵系統的渦旋壓縮機上進行的，和3/8＂的傳熱管用于室外及室內熱交換器。R410A和R32兩個系統均是充灌到在試驗的A條件約6℉(3.3℃)過冷度，從而導致R32約比R410A低15%的充灌量。

表2 試驗條件

試驗室內DBWBRH室外DBWBRHDP運行擴展條件26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%46.1℃(115℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷 A26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%35.0℃(95℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷 B26.7℃(80℉)19.4℃(67℉)50.66%27.8℃(82℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷 C26.7℃(80℉)≤13.9℃(≤57℉)≤21.41%27.8℃(82℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制冷,干盤管 D26.7℃(80℉)≤13.9℃(≤57℉)≤21.41%27.8℃(82℉)NANANA循環(huán)制冷,干盤管高溫221.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%8.3℃(47℉)6.1℃(43℉)72.9%3.7℃穩(wěn)態(tài)制熱高溫121.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%16.7℃(62℉)14.7℃(58.5℉)81.1%13.4℃穩(wěn)態(tài)制熱低溫21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%-8.3℃(17℉)-9.4℃(15℉)69.8%-12.3℃穩(wěn)態(tài)制熱高溫循環(huán)21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%?8.3℃(47℉)6.1℃(43℉)72.9%3.7℃循環(huán)制熱結霜21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%1.7℃(35℉)0.6℃(33℉)82.0%-0.9℃穩(wěn)態(tài)除霜擴展條件21.1℃(70℉)≤15.6℃(≤60℉)≤56.42%-17.8℃(0℉)NANANA穩(wěn)態(tài)制熱

7.2 系統替換試驗性能比較—R32與R410A

圖12示出了在兩個A/C的環(huán)境條件和兩個H/P的環(huán)境條件時系統制冷量和能效比的變化。與替換系統相比制冷量有3%～4%的增益和能效比降低1%～1.5%。與圖5和圖6中所示的壓縮機的性能數據相接近。如果為了獲得相同的系統制冷量而縮小壓縮機排氣量約5%，則R32系統的能效比可與R410A持平。制熱性能略高于制冷是有利的，如理論分析預期的那樣。圖13顯示出在相同的四個測試工況時，R32相對于R410A的Te、Tc和吸氣過熱度的變化。盡管相對制冷量有提高，但由于較高的蒸發(fā)傳熱和更低的壓降，R32的Te仍然比R410A相應高0.3～1.6℉(0.17～0.89℃)。由于較高的制冷量和更高的排氣溫度和冷凝器熱負荷，Tc略微增加。然而，由于R32的吸氣過熱度是比R410A高2～5℉(1.2～2.8℃)，以及R32較低28%的質量流量，使A/C系統的性能略有下降。

圖12 R32/R410A系統替換試驗的性能比較

圖13 系統不同運行條件時Te、Tc、過熱度變化對比

8 整體評估

圖14歸納了對R32，以及和碳氫化合物(HC)R290的定性比較。與其他的替代物相比，R32的幾個指標似乎更接近R410A。對于充灌量150克在單元式A/C中應用的HC制冷劑，它的A3高易燃性可能會需要一個二次循環(huán)，由于增加了泵和二次HX損失，將會影響成本和效率。

圖14 低GWP方案的評估

9 幾種實際測試結果

表3列出了有關單位發(fā)表的幾種實際測試結果。

10 結論

(1)R32的GWP值為675，可燃性等級為A2L,熱力性能與R410A相似，在相同制冷量的空調器中其EER和COP與R410A接近相同，且目前已大量生產，成本較低，是目前在空調器中較為理想的替換R410A和R22的制冷劑。

(2)R32的排氣溫度比R410A高，使用時應考慮合適的工作范圍。

(3)R32與POE潤滑油不兼容，使用時需考慮采用新的潤滑油。

(4)R32的質量流量和壓損都比R410A小，有利于縮小空調器設備和管路的尺寸，降低成本。

(5)以上對比試驗均是在R410A空調器和壓縮機上進行的，預計對R32的空調系統專門優(yōu)化后，性能還會有進一步的提高。

11 參考文獻

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 部分實際測試結果R32比R410A提高百分數匯總

序號單位工況制冷/制熱量提高%消耗功率提高%EER/COP提高%排氣溫度提高華氏%或℃說明1大金標準制冷高溫制熱低溫制熱2.94.82.46.4華氏16%華氏15%華氏20%在美國德克薩斯州普萊諾安裝的一臺R410A 27kW的EER為12.5,部分負荷性能指標為17的大金VRV lll系統。優(yōu)化后的R32充灌量為8.98公斤(R410A充灌量的83.2%)2Intertak標準制冷高溫制熱低溫制熱2.94.82.46.40.11.6華氏15.8%華氏15.8%華氏15.6%8冷噸(30.7kW)的R410A多聯機更換R32進行對比試驗,制冷劑充灌量8.98kg是R410A的83.2%。3蘇州谷輪標準制冷5.76.34.87.210.86.400025℃22℃22℃谷輪3HP渦旋壓縮機對比試驗谷輪5HP渦旋壓縮機對比試驗谷輪12HP渦旋壓縮機對比試驗4大連三洋標準制冷6.48.8-2.125.3℃C-SBPH17038Q的5馬力渦旋壓縮機對比試驗5西安大金標準制冷13.56.88.9JT140GPPY1渦旋壓縮機對比試驗6鄭州輕工業(yè)學院名義制冷名義制熱8.52.91.49.37.1-0,0067南京天加名義制冷名義制熱1.1051.0921.0981.0901.0071.0021.0591號樣機2號樣機2號樣機