空调用制冷剂选用的探讨

替代冷媒的特性，并就几种替代冷媒与制冷效率的关系进行了对比。在对比分析基础上对未来几年的空调用替代冷媒选用战略提出了建议。

国际限制用制冷剂近况

京都议定书将HFCs与CO2、CH4、N2O、PFCs、SF6并列为温室气体，要求发达国家将温室气体排放量降低到1990年的水平。此决议已对蒙特 利尔议定书造成不小的冲击，在1998年11月举行的蒙特利尔议定书第十次会议中引起热烈讨论，与会国担心一旦京都议定书开始对HFCs的使用设限，其作 为CFCs与HCFCs长期替代品的地位势必受到挑战。由于HFCs目前是CFCs与HCFCs的主要替代品，其应用范围包括冷媒、清洗溶剂、发泡剂、喷 雾剂及灭火剂等，对我们生活的影响甚大，因此，必须更仔细探讨HFCs的能源效率、环境冲击、安全性与经济性等问题。

根据蒙特利尔议定书的规定，自2004年1月1日起，HCFCs的消费量要比1998年减少35%。为此，部分国家已针对HCFCs不同用途分别订立禁用 时间表。美国环保署规定自2003年1月1日起禁止生产及进口HCFC—141b；欧共体也将自2004年起全面禁用HCFCs。

美国环保署规定自2010年1月1日起禁止生产及进口含HCFC-22的设备，但2010年1月1日前制造的设备不受此限；欧共体也于2001年1月1日起禁止冷冻设备使用HCFCs，2004年起全面禁用HCFCs。

2 代冷媒特性

目前空调设备大量采用HFC-134a来取代R-22。使用HFC-134a的螺杆式压缩机最小制冷能力约为80kW，未来会有更小的HFC-134a螺 杆制冷机出现。R-407C的热力性质与R-22相近，可直接更换。由于R-407C非共沸的特性，R-407C在绝对压力1 bar时，有7.2K滑落温差，无法用于满液式蒸发器或低压贮液器，但可以采用逆流热交换器以增加热传效率。如今欧洲使用R-407C空调设备，制冷范围 由2 kW至250~300 kW，主要搭配回转式、涡旋式与往复式压缩机。近两年来，一些制造厂也供应R-404A的冷水机组，性能亦与R-22 系统相近，其低临界点特性（72 ℃）较适合水冷式系统。

美、日本开发的R-410A冷媒，高压比R-22高约50%，无法直接更换原有的R-22系统。预计R-410A将应用于小型家用空调机与多联机系统中。

部分欧洲国家已于1998年1月1日起禁止新设备使用HCFCs，使得HFCs空调设备明显增加占有比例。一些主要制造商已正式宣布选用HFC-134a 与R-407C作为新产品的冷媒。根据IIR的调查结果，欧洲已有超过50家以上的公司可提供技术纯熟的HFCs系统，特别是HFC-134a与R- 407C冷媒系统。R-407C热力性质与R—22相近，适合中大型空调设备，制冷范围由5 kW至300 kW，世界各国已有大量全新R-407C系统上市，并已运转五年以上。另外还有许多旧系统换装R-407C也相当成功。在欧洲，R-407C几乎全面替代 R-22中大型空调机，风冷热泵系统主要搭配回转式、涡旋式与往复式压缩机，或水冷系统搭配螺杆式压缩机。不可否认，比起R-134a与R- 404A，R-407C有更多值得深入研究的课题。原则上，利用其较大滑移温差的特性，并避免不适当的安装，应该可以得到很好的结果。使用在板式热交换器 时，可利用其逆向流的优点，使其性能与R-22接近，若对系统进行最优化设计，性能可再提升。要计算直接膨胀的空气热交换器要比液体热交换器困难，对于较 大滑移温差冷媒而言，更需考虑一些额外的问题，例如空气冷凝器冷媒分布的平均与否，或热负荷的分布均匀度，这些都会影响主机性能。壳管式冷凝器要关注的问 题更多。研究表明，R-407C的冷凝温度会增加3 ~ 5 K，对温寒带地区而言，并不会造成高压过高的危险，但会使电费成本增加。目前有许多方法可改善冷凝压力上升问题，如同时加快冷媒排出冷凝器速度，使过冷器 造成更多的过冷度，或者用其它方法使冷凝器上方的气体能更快冷凝下来。壳管式蒸发器相当适用于R-407C，但必须注意防冻保护问题。因为在蒸发器入口温 度会比R— 22低，可能会导致冷水结冰而影响机组性能。即使当液视镜完全无泡时，可能已有相当大的过冷度。也就是说冷凝器中单相过冷热交换面积增加，而双 相冷凝面积减少，因此冷凝温度升高。某些系统在长时间停止而再次启动时会由于压力开关动作而停机。这是冷凝器与蒸发器中的气体成份变化，需要更高的冷凝压 力。为避免此现象，可以在压缩机启动时，由操作人员强制冷却水进入冷凝器，使冷凝压力不致过高。有时此问题可通过MOP阀或吸气压力控制阀来降低蒸发压 力，以减少压缩机启动后进入冷凝器的冷媒量。要减少系统的故障，最重要的是要了解非共沸冷媒滑移温差的特性，以便分析制冷循环以及调整膨胀阀与冷媒充填 量。同时必须以液态充填系统，否则系统将无法正常运转。

冷效率与冷媒的关系

(1) 温室气体的分析工具 —— TEWI与LCCP

总等价暖化效应TEWI，是一个衡量温室效应的指标。它将整个系统的运转年限内，化学品的直接泄漏量，加上能源使用间接造成的二氧化碳排放量，换算成CO2等价量，作为该系统对温室效应影响程度的指标。TEWI愈大表示对温室效应影响程度愈大。

冷媒生产过程需要消耗能源，冷媒制造过程中也要排放一些副产品到大气中，为了能更彻底分析冷媒对环境的冲击，于是有所谓的生命周期气候性能LCCP分 析。它除了将TEWI中的直接泄漏量与能源使用的间接排放量列入计算外，冷媒生产过程所耗费的能源(间接)，与副产品排放至大气中(直接)所造成的温室效 应，也一并换算成CO2的等价量。

表1.HCFC与HFC冷媒考虑LCCP之后的GWP值

(2). 冷水机组的替代冷媒

表2为蒸气压缩式冷水机组的替代冷媒一览表。蒸气压缩式可按制冷能力与压缩机型式进一步分类。主要的替代冷媒为HFC—134a、R—407C、R—410A及HFC—245fa。

表2.蒸气压缩式冷水机组替代冷媒一览表

表3为上述替代冷媒应用于冷水机组的理想效率值，此结果是使用REFPROP软件计算得出的结果。其中HFC—245fa比HCFC—123低了 2~3%，由于目前无实验验证，估计HFC—245fa的部分负荷时的效率IPLV将比HCFC—123低3%。另外R—410A的理论效率值比HCFC —22低了6%，但是由小型空调机的开发经验得知，R—410A的实际效率比HCFC—22高5%，其原因在于R—410A的压力与密度都比HCFC— 22高很多，提升了冷媒侧的传热系数。因此在大型冷水机组上运用R—410A的效率应可与HCFC—22相当。

表3. 替代冷媒应用于冷水机组的理想效率值

美国亚特兰大市不同效率的冷水机组(IPLV：0.45~0.60 kW/ton)每冷吨每年运转所需耗费的电力与CO2排放量，其计算基础为： ·每年操作2,125小时·设备寿命30年·发电厂发电每kWh的CO2排放量为0.65 kg

表4为推算1999年所能取得效率最高的350 RT与1000 RT冷水机组的年平均运转耗能比较。

表4. 1999年350 RT与1000 RT冷水机组的效率水准与年平均运转耗能

(3). LCCP分析

上述的效率分析可用来作为LCCP分析中的间接排放的计算基础。直接排放的部分则以表5来表示。表5为冷水机组每年的冷媒泄漏量，根据美国目前的工业水 平，每年的冷媒泄漏量应可控制在0.5%以下，但下文的LCCP分析仍然以1%泄漏作为计算基础。

表5. 冷水机组每年的冷媒泄漏量

经过上述一连串的计算分析，可以得到最后结果，即为1999年效率水准的350 RT与1,000 RT冷水机组，在美国亚特兰大市办公大楼运转30年后，直接与间接排放至大气中等价的CO2量。由于计算方式相同，表6仅列出350 RT的分析结果。

由表6可以看出，LCCP等价CO2排放量中，占大多数比例的为间接的二氧化碳排放量，直接排放的部分仅占3%以下。若离开亚特兰大市到较冷或较热的城市 情况也差不多，因为对大型建筑物而言，室外气候变化，并不是唯一的空调负荷，照明、办公设备及电梯等机电设备、人员多寡等也占有 相当大的比例。

表6. 亚特兰大市办公大楼使用350 RT(1999年效率)冷水机组之LCCP分析

结束语

1、制冷系统的选择主要以选择系统工作冷媒及能 源效率作为指标。冷媒的选择则一定要注意蒙特利尔议定书及未来温室效应对冷媒的限制。

2、使用HCFC做为CFC替代的制造商，应密切注意国际对HCFC限制的动向，以利于及早采取应对措施。替代品HFC属温室气体，其GWP值高，未来是否会限制使用，也值得密切关注。

3、R-407C风冷热泵系统性能较佳，许多旧风冷热泵系统换装R-407C也相当成功。水冷式系统若善用非共沸冷媒滑移温差的特性，加以最优化设计，也可以得到很好的结果。