丙烷、异丁烷等作为空调制冷剂的应用及探索

来源：维普资讯

　　可以用作制冷剂的自然制冷剂有5种：水、CO2、NH3、碳氢化合物（目前主要应用的有高纯丙烷、高纯异丁烷）和空气，丙烷、异丁烷是碳氢化合物的一种。早在19世纪，碳氢化合物已经作为一种制冷剂应用于冰箱等家用制冷器具中，受当时理论和技术所限，人们对其应用和安全性缺乏应有认识，在一台冰箱中充注多达1kg以上的碳氢化合物，使整个系统效率低，容易泄漏，造成火灾等安全事故，从而给人们留下了碳氢化合物制冷效率低、安全性差的印象。1974年，人们发现含氯元素会对臭氧层产生破坏作用，其后，随着“蒙特利尔条约”对CFC和HCFC物质的禁用，碳氢化合物物质替代制冷剂研究才在全球重新展开。

　　一、丙烷在空调中的应用情况
　　目前在世界上房间空调R22制冷剂替代的通行做法是采用R410A或R407C两种制冷剂，但这两种物质属于“京都议定书”中受控排放的HFCs类温室效应气体，另外，人工合成制冷剂虽然有比较好的热力性能，但对自然环境有不同层次，不同方面的影响，解决了一方面环境问题，同时又产生了新问题或无法解决其他方面问题，所以，R410A不属于完全理想的制冷剂。在家用空调替代物方面，欧洲国家和日本走在前列，目前使用R410A和R407C等HFCs类制冷剂替代R22，但欧洲有些企业已经开始研发自然制冷剂制冷系统，自然制冷剂对环境影响最小，是长期替代的理想物质。
　　同R22相比，丙烷对臭氧层破坏系数是0，全球变暖系数GWP值很低，基本可以忽略。但丙烷属于可燃制冷剂，在一定条件下可以燃烧，甚至爆炸。丙烷与矿物油相溶，如果在空调中采用丙烷为替代制冷剂，空调压缩机企业则可以使用现有R22压缩机的生产线，只是压缩机排量需要适当增加，压缩机生产成本较匹配R22的压缩机略有增加。而R410A和R407C压缩机使用POE或PVE油，其中POE油吸湿性强，生产中水分管理严格，一旦水分超标，压缩机极易出现“镀铜”现象，导致空调系统出现故障。
　　中国在制冷空调制冷剂替代方面基本上是追随日本和美国，由于对可燃制冷剂特性、法规不了解或不理解，国内各空调器厂其本上都未进行有关丙烷空调试验研究。世界上对丙烷在空调的应用研究主要集中在美国、日本及欧洲国家。在北欧，丙烷主要应用在以采暖热泵系统方面，近期，意大利DELONGHI/FaAA和美国LENNOX等公司也对丙烷在家用空调上进行了应用研究。其中DELONGHI/FaAA公司在2004年IKK展出了使用丙烷的移动空调（型号PACF130EC0）。
　　通过实验测试，如果用 R22空调系统直接换用丙烷制冷剂，空调系统的制冷量减少10%，能效比提高4%.Y.Hwang用9kW的热泵系统对R22和丙烷进行优化对比试验，对压缩机、膨胀阀以及充注量分别按制冷剂作相应优化。试验结果表明，相同系统情况下，丙烷充注量是R22的48%～49%，在同等过热度不同测试工况下，丙烷比R22制冷量小3%～6%，能效比低2%～8%；额定制热工况时，丙烷比R22能力和COP低1%～6%，当环境温度高于－20℃时，R22系统的COP值高于丙烷；当环境温度低于－20℃时，丙烷系统的COP值高于R22系统。

　　二、丙烷和R22替代物的成本比较
　　R410A和R407C制冷剂目前售价大约为80元/kg，R22大约23元/kg，而丙烷是液化石油气的主要成分，如果有需求，石化行业都可以加工，现在石油价格持续上涨，以一罐15kg液化石油气75元计算，每公斤液化石油气5元，按95%丙烷含量，通过分离杂质，提纯丙烷，按3倍于材料成本作为售价计算，丙烷售价约为15.8元/kg，在相同制冷系统中，R22和R410A充注量相当，而丙烷充注量仅相当于R22的50%，丙烷系统的成本比R22系统要低，比R410A系统低很多。
　　由于丙烷和矿物油相溶，因此匹配丙烷的压缩机生产线兼容R22压缩机生产线，压缩机生产成本降低，在空调整机商检房标准检测机可共用。而R410A、R407C系统和R22系统使用不同的润滑油，所以，R410A空调系统使用的压缩机需要新建生产线，并且需要在空调整机商检房建不同的标准检测机，来分别对应POE油、PVE油和矿物油空调系统。
　　R410A和R407C电控系统和R22完全一致，但丙烷空调电控系统需要考虑将电器部件如继电器、压缩机过载保护器、主令开关、温控器等部件改为密闭式，一些电控部件价格会偏高，所以丙烷系统的电控产品成本高于R407C和R410A.
　　数据是基于R22的一种12000Btu/h热泵分体空调成本采用相对值对比的结果。相比于R410A系统中的R410A冲注量，丙烷的冲注量只相当其50%，所匹配的压缩机生产成本也较低，但电控成本较高。如果能在丙烷空调中采用铝制换热器、铝制管路、铝制阀门，丙烷空调系统的生产成本将大大降低。

　　三、各国对可燃制冷剂态度和安全法规
　　美国、日本等国的很多厂商为研究替代空调CFC类和HCFC类制冷剂做了很大的前期投入，在家用空调用制冷剂方面做了大量R410A和R407C等合成制冷制冷剂研究工作，从前期替代方面指导应用到系列零部件开发规模化、产业化，申请了大量相关专利，可以为空调制造商提供从前期预研、生产线改造，产品配套等一揽子解决方案，但出于自身利益考虑，这些企业不会主动向自然制冷剂转换。另一方面，可燃制冷剂带给人们心理阴影不容忽视，缺乏改造丙烷空调生产线、以及在空调中安全应用等多方面经验，所以丙烷在空调系统中的应用研究进展缓慢。
　　世界各国对于可燃制冷剂立场和态度有很大不同，在能否使用、使用场合以及最大允许充注量等问题上存在较大分歧。目前在冰箱等小型制冷系统中使用高纯异丁烷等碳氢化合物已基本得到欧盟各国认可，一般规定每台冰箱充注量应小于150g（美国UL250标准规定小于50g）。由此可以推测，如果在家用空调中使用少于某个限定值的丙烷应该是可以被大多数国家接受的。
　　由于美国人比较注重安全，所以对可燃制冷剂的使用比较排斥。非洲国家出于对维修人员素质低的考虑，暂时没有采用可燃制冷剂的计划。日本没有限制可燃制冷剂的法规，但按照常理，日本对可燃制冷剂的态度将取决于ISO和IEC的安全指导。欧洲的法国考虑协调国家标准和IEC和ISO一致，英国、德国等欧洲国家出台相关标准允许使用可燃制冷剂，表3 是英国对可燃制冷剂使用方面的规定。我国国家标准GB 9237-2001则明确规定不允许在家用空调采用可燃制冷剂。

　　四、丙烷在家用空调上的应用建议
　　丙烷属于碳氢化合物，是可燃制冷剂，一定条件下可以燃烧，但一个打火机和一个充满液化石油气的钢瓶的结果显然不同——其破坏作用是与碳氢化合物含有量有关的，相对于家用液化石油气钢瓶中丙烷含量15kg（按丙烷>95%含量计算），空调中充注丙烷量非常少，与厨房随时都有明火相比，空调中的丙烷应用环境要比液化石油气安全得多。笔者认为，碳氢化合物作为制冷剂的危险性被过分夸大了。实际上，只要遵照安全规范，就能确保它安全使用，丙烷作为制冷剂并不可怕。
　　和用在冰箱高纯异丁烷制冷剂相比，丙烷燃烧下限比高纯异丁烷高。且一旦发生泄漏，冰箱100%泄漏在室内（箱内），空调一般还要区分室内室外两种情况，空调无论室内和室外均有风扇运转是强制对流，能很快将周围丙烷浓度降低；而冰箱是自然对流，周围环境浓度下降慢。从这一点上，空调使用可燃制冷剂并不比冰箱危险。
　　丙烷有优良的热力性能，在家用空调方面比R410A系统性能更优越。随着安全意识提高以及相关法规陆续制定，丙烷在空调应该有非常广阔应用前景。希望国家有关部门应根据国情考虑中国R22替代物选择，并参照国外标准制定相应可燃制冷剂使用安全标准。当然，目前对R410A的研究数据比较充分，而丙烷研究数据少且陈旧，无法准确评估丙烷性质。只有充分的试验结果和数据，才能使我们更好判断制冷剂优点和缺点，最终确定家用空调制冷剂长期替代方向。

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