现在可以肯定的是,世界各地的 HFC 制冷剂都将受到逐步减少和可能的使用限制,但有哪些替代品?本文公正地看待它们的优点和缺点。

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未来几年,HFC 制冷剂将不可避免地在世界大部分地区逐步减少和可能的使用限制。欧洲目前正在就这些气体的淘汰时间表进行谈判,世界其他地区可能会在中短期内将类似但不那么严格的时间表作为《蒙特利尔议定书》的一部分。

虽然具体细节尚不清楚,但 HFC,尤其是 GWP 高的 HFC,将不可避免地不再是主要选择,有些将完全消失。

但是有什么替代方案?HFO、“天然制冷剂”、低 GWP 混合混合物?有时很难从化学品制造商和“绿色”团体相互矛盾的主张和既得利益中了解真相。

幸运的是,环境署技术和经济评估小组 (TEAP) 的一份新报告对最有可能的替代方案的利弊提供了公正的见解。虽然表面上是一份关于消耗臭氧层的 HCFC 替代品的报告,但实际上它考虑了当前制冷剂的所有市售或潜在替代品。

TEAP 报告的覆盖范围不偏不倚,范围广泛,它避开了其通常的惯例,只讨论具有 ISO/ASHRAE R 编号指定的制冷剂,包括少量目前未指定的混合物,预计它们将接近商业化并获得 R -数字。

这份范围广泛的报告着眼于这些替代品的效率、潜在应用和市场壁垒,并在天然制冷剂游说团体和化学品制造商的相互矛盾的主张之间找到了一条平衡的道路。例如,该报告将 HFO 称为 HFC,这或许是对事实上这些新的“第四代”气体仅仅是不饱和 HFC 的一种认可。

许多替代品是混合物。“这些混合物中的大多数,”它说,“主要包含各种不饱和碳氟化合物,例如 HFC-1234yf 和 HFC-1234ze [sic] 和 HFC-152a,特别是 HFC-32,以实现更高的蒸气压。

“许多提议的混合物还包括小比例的 R-744 (CO2)、HFC-161 和碳氢化合物。组合物的选择通常是 GWP、可燃性和循环性能测量之间的折衷。大量已宣布的混合物和专利文献中列出的混合物表明正在进行大量的研发活动。”

TEAP 总共确定了 50 多种不同的未指定混合物,目前由不同的制冷剂生产商引用。

应该注意的是,描述为 A2L 的制冷剂被描述为低毒、低可燃性。ISO-5149 和 IEC-60335-2-40 等标准正在更新,以适应对这一新等级更宽松的要求。实际上,这意味着位于室内且装药量大的系统通常会受到限制。同样,由于未来采用的不确定性,意味着目前某些类型的组件(包括压缩机)的可用性存在差距。

该报告还强调,如果要安全地处理这些替代品,由于其易燃性、毒性或高压,工程师需要接受适当的培训并有能力处理这些替代品。一些建筑安全法规也可能禁止在某些类型的建筑物中使用易燃制冷剂。混合物中的温度滑移问题也可能影响设备的设计。

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氨水 (R-717)

广泛使用了 100 多年,氨的 B2 安全分类(更高的毒性,更低的可燃性)限制了它在占用空间中的使用(在直接系统中)。某些国家也有特定的国家法规来控制其使用。

它具有零 ODP 和零 GWP,并提供出色的效率。蒸气压和制冷量与R22相近。然而,它的高排放温度意味着对于较低温度的应用,通常需要两级压缩。

氨被描述为低成本,通常低于 1 美元/公斤,但通常需要使用钢管和组件,因此容量较小的系统可能比 R22 或 HFC 系统成本高得多。TEAP 报告称,随着容量接近并超过 400-600kW,氨系统可以变得具有成本竞争力。

由于与铜及其合金的不相容性,小容量系统缺乏合适的组件,尽管 TEAP 指出一些公司正在努力解决这个问题。

TEAP 的报告还承认缺乏训练有素且称职的技术人员来处理这种有毒制冷剂。

二氧化碳二氧化碳 (R744)

CO2 是一种安全分类为 A1(毒性较低、不易燃)的单组分物质,其 ODP 为零,GWP 为 1。

它一直使用到 1930 年代被 CFC 取代。自 1990 年以来,它的使用被重新审视,目前用于各种不同类型的系统。

CO2 具有热物理特性,可在一定的制冷剂温度水平下产生相当好的效率。蒸汽压比其他制冷剂高几倍,并且容积制冷量相应地高于 25°C 左右。

然而,在临界温度低的情况下,循环效率会随着膨胀装置之前的温度升高而下降,并且需要其他特征才能在高环境条件下实现与 R22 相似的效率。在 35°C 的环境下,基本循环的效率仅为 R22 的 50-60% 左右。与基本循环相比,TEAP 报告指出,使用喷射器代替普通膨胀装置可以实现 10-20% 的能效提升,尽管单独使用膨胀器可以将效率提高到 R22 的 10% 以内。

TEAP 确定的其他有助于提高高环境效率的功能包括省煤器(平行压缩)、液体吸热交换和机械过冷。此外,排放温度非常高,因此,在不使用高温的情况下,系统设计中必须采用额外的压缩级和中间冷却等技术选项。

CO2 的成本非常低,但由于其高压,某些类型的系统需要更坚固的设计来确保压力安全,这会增加成本,而与当前技术相比,特定的管子尺寸要小得多,从而具有紧凑的管道和绝缘材料的优势。

由于 CO2 在较高的环境条件下会导致容量相对较大的下降,因此可能必须将压缩机设计为具有较高的上限,以补偿在非设计条件下的容量降低)。然而,随着容量接近某个值(取决于应用类型,在 50-500 kW 之间),它们可以变得具有成本竞争力。同样,在较高环境温度下提高效率所需的功能也会导致成本增加。

由于其中许多制冷剂具有可燃性/毒性,TEAP 强调工程师还需要专门的培训和工具才能使用它们。

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碳氢化合物

碳氢化合物 (HC) 包括三种主要的纯制冷剂 R290(丙烷)、R1270(丙烯)和 R600a(异丁烷)以及多种混合物,R433A、R433B、R433C、R436A、R436B、R441A 和 R443A,其中一些还包括 R170 (乙烷)。所有产品的安全等级均为 A3(毒性较低,易燃性较高)。它们的 ODP 和 GWP(直接 GWP 加间接 GWP)为零,范围从 1.8 到 5.5。

纯物质已在商业上使用了数十年,而 R436A 和 R436B 等混合物则自 CFC12 淘汰以来一直在使用。TEAP 表示,大多数其他混合物尚未用于商业用途。尽管它们具有出色的热物理和传输特性,但由于占用空间中允许的最大装药尺寸,其使用受到限制。一些建筑安全法规禁止在某些类型的建筑物中使用易燃制冷剂。

一般来说,在大多数情况下效率都很好。原则上,它们具有热物理特性,可导致非常好的效率和低排放温度。高环境条件下的性能比较很少,尽管最近的两项研究表明性能与 R22 相当。

目前某些类型的组件(包括压缩机)的可用性存在差距。此外,如果要安全地处理可燃性,技术人员必须训练有素并胜任处理 HC。

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R1234yf

TEAP 将 1234yf 描述为 HFC,它是一种单组分制冷剂,其 GWP 约为 4。由于压力/温度特性几乎相同,它可以在相同系统中替代 R134a。它被归类为 FDIS ISO 817 和 ASHRAE 标准 34-2010 作为 A2L 制冷剂(低毒、低可燃性)。

该化学品目前在一个中等规模的生产工厂生产。当有足够的市场需求时,预计进一步的商业规模生产。

TEAP 表示,总体而言,据说这种制冷剂的效率水平可与 R134a 相媲美,尽管理论 COP 低于几个百分点。

作为一种需要复杂生产工艺的新分子,这种制冷剂的成本明显高于R134a。

主要障碍与安全使用低可燃性制冷剂有关。TEAP 表示,ISO5149 和 IEC-60335-2-40 等标准正在更新,以适应对这种新型 A2L 制冷剂更宽松的要求。实际上,这意味着位于室内且装药量大的系统通常会受到限制。同样,由于未来采用的不确定性,目前某些类型的组件(包括压缩机)的可用性存在差距。

此外,如果要安全地处理易燃性,技术人员必须训练有素并胜任处理易燃制冷剂。一些建筑安全法规可能禁止在某些类型的建筑中使用易燃制冷剂。

R1234ze(E)

HFC-1234ze(E) 是一种 GWP 为 6 的单组分制冷剂。它可以在新设备中替代 HFC-134a,在设备设计中可以解决其较低的容积容量问题。与 yf 一样,他的制冷剂在 FDIS ISO 817 中被归类为 A2L(低毒、低可燃性),因此将受到与 1234yf 类似的障碍。

这种化学品已经以商业规模生产。预计这种制冷剂将在有市场需求时提供。

当用于往复式或涡旋式压缩机时,这种制冷剂可产生与 R134a 相当的效率水平。用于涡旋式和往复式压缩机时,可使用相同的POE润滑油。

作为一种新分子,这种制冷剂的成本高于R134a。这主要是由于其不同的制造工艺和规模经济。预计随着产量的增加,溢价将会降低,尽管它可能会保持在 134a 的当前成本之上。

HCFC-1233zd(E)

HCFC-1233zd(E) 是一种 GWP 为 6 的单组分制冷剂,可大大减少对环境的直接影响。该制冷剂已提交 ASHRAE 34 进行指定和分类,根据该标准和 ISO 817 很可能是 A1(低毒、不易燃)。

这种化学品已经以商业规模生产,用于溶剂和发泡剂应用。预计这种制冷剂将在有市场需求时提供。

当与离心压缩机一起使用时,这种制冷剂产生的效率水平略高于 HCFC123,允许设计具有非常高能效的系统。

作为一种新分子,这种制冷剂的成本高于R123。由于其高能效降低了最终用户的费用,这一成本仍然是适中的,并且将有一个合理的投资回收期。

TEAP 表示,这种制冷剂不易燃且成本适中,正在快速采用。预计今年将申请 R 编号指定。如果排放到环境中,则存在分解产物的担忧。

L-40

L-40 是 R32、R152a、R1234yf 和 R1234ze(E) 的混合物,比例为 40/10/20/30%。GWP 为 290,它大大减少了对环境的直接影响。由于其压力相似,它旨在取代中低温制冷设备中的 R404A,无需进行任何重大修改。该混合物的成分在 FDIS ISO 817 中为 A2 或 A2L(低毒、低可燃性)。因此,它受到与 1234yf 和 ze 相同的电荷大小障碍。

所有组件都已经以商业规模生产,尽管目前 R1234yf 的生产相对于汽车空调市场对它的需求可能是一个需要克服的初始障碍。TEAP 表示,预计这种制冷剂将在未来 1-2​​ 年内上市。

在当前的 R404A 系统中使用时,据说 L-40 的容量超过了 R404A,效率提高了 10% 左右。

这种制冷剂的直接成本很可能高于R404A。它可能适用于现有的 POE 润滑剂。

这种制冷剂的温和温度滑移被视为某些应用(例如可逆热泵)的潜在问题。也有人担心某些成分在释放到环境中时会分解产物。

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L-20

L-20是R32、R152a和R1234ze的混合物,比例为41.5/10/48.5%。GWP 为 295,它大大减少了对环境的直接影响。由于其压力相似,它无需任何重大修改即可取代交流设备中的 R22。按照配方,这种混合物将归类为 ASHRAE 标准。34 和 FDIS ISO 817 为 A2L(低毒、低可燃性),如 1234yf、ze 和 1233zd(E)。

所有组件都已经以商业规模生产。预计这种制冷剂将在未来 1-2​​ 年内在亚洲(中国、日本、韩国)上市,随后是其他地区(中东、欧洲)。

在当前的 R22 技术中使用时,据说 L-20 与 R22 的容量相匹配,效率从 95% 到 97% 不等。进一步的改进可以产生更好的效率,特别是对于在温暖气候下仅进行冷却的操作。上述在温暖气候下的良好性能主要是由于与 R410A 和 R32 等其他选项相比,它的临界点相对较高(~93°C)。

这种制冷剂的直接成本类似于当前的 HFC,例如 R407C。它适用于现有的 POE 润滑剂。由于其在高环境温度下的良好效率,相对于其他选项,功耗会更低。

这种制冷剂的温和温度滑移对于某些应用(例如可逆热泵)可能是一个问题。

L-41

L-41 是 HFC 的混合物;HFC-32、HFC-1234ze和少量HC-600(丁烷)的比例为68/29/3%。它取代了交流设备中的 R410A。这种混合物很可能被 ASHRAE Std 34 和 FDIS ISO 817 归类为 A2L(低毒、低可燃性)。它已经提交给 ASHRAE 进行分类。它的 GWP 约为 460。

所有组件都已经以商业规模生产。预计这种制冷剂将在未来 1-2​​ 年内在亚洲(中国、日本、韩国)上市,随后是其他地区(中东、欧洲)。由于建筑规范的限制和缺乏监管驱动因素,一些国家或地区可能需要比其他国家或地区更长的时间。

L-41系统的效率与R410A处于同一水平。容量比 R410A 低大约 6% 到 10%,但在新系统中很容易恢复此容量。排气温度略高于 R410A,仍低于现有压缩机技术的极限。由于与其他制冷剂相比,其临界点相对较高,L41 在高环境温度下表现良好。

这种制冷剂的直接成本与R410A相似。它适用于现有的 POE 润滑剂。相对于 R410A,功耗提高了其在高环境温度下的效率。

DR-5

DR-5 是 HFC (HFC-32) 和 HFC-1234yf 的混合物,比例为 72.5/27.5%。它的 GWP 为 490。它取代了交流设备中的 R-410A。FDIS ISO 817 将混合物的所有成分归类为 A2L(低毒、低可燃性)。

所有组件都已经以商业规模生产。预计这种制冷剂将在未来 1-2​​ 年内在亚洲(中国、日本、韩国)上市,随后是其他地区(中东、欧洲)。

L-41系统的效率与R410A处于同一水平。容量比 R410A 低大约 6% 到 10%,但在新系统中很容易恢复。排气温度略高于 R410A,但仍低于现有压缩机技术的极限。由于与其他制冷剂相比,其临界点相对较高,DR-5 在高环境温度下表现良好。

这种制冷剂的直接成本会略高,因为它含有制造成本昂贵的 HFC-1234yf。它适用于现有的 POE 润滑剂。由于其在高环境温度下的良好效率,相对于 R410A,功耗会更低。

N-13

N-13 是 HFC-134a (41%) 和 HFC-1234ze(E) (59%) 的二元混合物,被配制为不易燃。它的 GWP 为 590,因此大大减少了对环境的直接影响。它取代了新设备中的 HFC-134a,在设备设计中可以解决其较低的容积容量问题。这种制冷剂将按 FDIS ISO 817 A1 分类(低毒、不易燃)。

这些化学品已经以商业规模生产。预计这种制冷剂将在未来 1-2​​ 年内在亚洲(中国、日本、韩国)上市,随后是其他地区(中东、欧洲)。

当用于往复式或涡旋式压缩机时,这种制冷剂可产生与 HFC-134a 相当的效率水平。用于涡旋式和往复式压缩机时,可使用相同的POE润滑油。

作为新分子 HFC-1234ze(E) 和现有分子 (HFC-134a) 的混合物,其成本适中,与市场上现有的混合物没有显着差异。

由于不易燃且成本适中,这种制冷剂正在快速普及。预计今年将指定 R 编号。

XP-10

XP-10 是 HFC-134a (44%) 和 HFC-1234yf (56%) 的二元混合物,不易燃。它的 GWP 为 630,因此大大减少了对环境的直接影响。它取代了新设备中的 R134a,产生了相似的容量和效率。按照配方,这种制冷剂将按 ISO FDIS 817 A1 分类(低毒、不易燃)。

这些化学品已经以商业规模生产。预计这种制冷剂将在未来 1-2​​ 年内在亚洲(中国、日本、韩国)上市,随后是其他地区(中东、欧洲)。

当用于往复式或涡旋式压缩机时,这种制冷剂可产生与 R134a 相当的效率水平。用于涡旋式和往复式压缩机时,可使用相同的POE润滑油。由于其临界温度高,它在温暖的气候中表现非常好。

作为高制造成本分子 (HFC-1234yf) 和 HFC-134a 的混合物,预计其成本会很高。

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HFC32

HFC32 是一种单组分制冷剂,最初用作 R410A 的成分,它是 50% HFC32 和 50% HFC125,以及其他混合物。HFC125用于降低HFC32的可燃性和高放电温度。与 R410A 或 R22 相比,它的 GWP 为 716,产生适度的降低。压力和容量比 R22 高约 1.5 倍,相当于 R410A。根据 FDIS ISO 817,它被归类为 A2L(低毒、低可燃性)。

相当大的生产能力已经可用,尽管气缸的商业可用性尚不普遍。

R32 系统的效率与 R410A 相似,在典型空调条件下,理论 COP 比 R410A 好几个百分点。容量大约略高(约 5%),但在新系统中只需稍微调整压缩机排量即可轻松适应。它的系统费用略低于 R410A。由于较低的摩尔质量,它具有比 R410A 更好的传热性能和传输性能。放电温度明显高于 R410A。较高极性的制冷剂使得必须使用新的润滑油。一些缓解装置或控制对于处理压缩机的排放温度是必要的,尤其是在高环境温度下。

这种制冷剂的直接成本低于R410A,因为它不是专利物质,分子结构简单,分子中氟的必要性较低。用于高排放温度的新型润滑油和缓解装置可能会增加一些成本。

N-40

N-40 是饱和 HFCs R32 (26%)、R125 (26%) 和 R134a (21%)) 与不饱和 HFCs R1234yf (20%) 和 R1234ze 的混合物,其配方是不易燃的。它的 GWP 为 1390,因此与纯 HFC-134a (7%) 相似。它取代了现有和新制冷设备中的 R404A,并将按 ASHRAE 34 和 FDIS ISO 817 A1 分类(低毒、不易燃)。

组分化学品已经以商业规模生产。预计这种制冷剂将在未来一到两年内上市。

这种制冷剂的容量略高于 R404A,效率更高。可以使用与 R404A 相同的 POE 润滑油。

作为包含 HFC-1234yf 和 HFC-1234ze 的混合物,其成本可能高于传统的 HFC 混合物。

为了安全起见,预计这种制冷剂不会有明显的障碍。这种制冷剂的温和温度滑移可能是可逆热泵应用的一个问题。温度滑移问题可能会影响设备的设计。

DR-33

DR-33 是饱和 HFC R32 (24%)、R125 (25%) 和 R134a (26%) 和不饱和 HFC R1234yf (25%) 的混合物,其配方为不易燃。它的 GWP 为 1410,因此与纯 R134a 相似。它取代了新制冷设备中的 R404A。这种制冷剂将按 FDIS ISO 817 A1 分类(低毒、不易燃)。

组分化学品已经以商业规模生产。

作为包含 R1234yf 的混合物,其成本可能高于传统的 HFC 混合物。

这种制冷剂的容量略高于 R404A,效率略高。可以使用与 R404A 相同的 POE 润滑油。

预计这种制冷剂不会有明显的障碍。这种制冷剂的温和温度滑移可能是可逆热泵应用的一个问题。温度滑移问题可能会影响设备的设计。

大多数没有指定 R 编号的各种 HFC 混合物的成分尚未最终确定。制造商正在进行广泛的测试,因此仍然可以对成分进行微小的改变。

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