碳氫冷媒在電信機房的應用初探

吳 劍，方元昌

（中國電信股份有限公司福建分公司，福建 福州350000）

1 概 述

傳統氟利昂類冷媒以其獨具特性在空調行業廣泛應用。而隨著人們對節能與環保事業的關注度不斷提高，傳統氟利昂對臭氧層的巨大破壞使得人們加大了對替代冷媒的研究。碳氫類冷媒以其獨具的臭氧層零破壞系數，溫室效應系數低，溶水性良好、冷凝壓力低、蒸發壓力、排氣溫度和真空度要求低等優勢，逐漸引起了人們的關注。

2 碳氫冷媒簡介

將冷媒以物質屬性分類可分為自然冷媒與合成冷媒。早期商業化的自然冷媒主要有氨與水，隨著技術的發展，合成冷媒以其具有的獨特優勢慢慢推廣開來，人類也在不斷地完善開發高效冷媒，通常要具有無毒、不爆炸、對金屬及非金屬無腐蝕作用、不燃燒、泄漏時易于察覺、化學性安定、對潤滑油無破壞性、具有較大的蒸發潛熱、對環境無害等特性。

2.1 通用的冷媒選用準則

（1）制冷性能好：冷媒的冷凝壓力不太高，蒸發壓力在大氣壓以上，壓力比較適中，排氣溫度不太高，單位容積制冷量大，循環的性能系數高，傳熱性好。

（2）實用性：冷媒的化學穩定性和熱穩定性好，在制冷循環過程中不分解，不變質；無毒，無害；來源廣，價格便宜。

（3）環境可接受性：應滿足保護大氣臭氧層和減少溫室效益的環境保護要求，冷媒的臭氧破壞指數必須為0，溫室效益指數應盡可能小。

2.2 冷媒的制冷效果取決因素

（1）冷媒冷凝壓力低，壓縮比越小，壓縮機運行功率越低。

（2）冷媒汽化潛熱越大，可快速制冷，減少壓縮機運行時間。

（3）冷媒與潤滑油的相溶性越高，則回油越好，可減少換熱器油膜厚度，強化傳熱效果。

（4）冷媒存在溫度滑移，減少傳熱溫差，降低不可逆損耗，提高制冷循環的熱力完善度。

2.3 碳氫冷媒特點

（1）完全環保：碳氫冷媒取自天然，是無氟產品，不損害臭氧層，無溫室效應，完全環保。

（2）經濟實惠：按重量計，新型碳氫環保節能冷媒的用量只是R22、R502、R404、R406的40%～55%，更為經濟。

（3）高效節能：凝固點低，蒸發潛熱更大，單位時間內降溫更快，等熵壓縮比更小，壓縮機工作更輕松，延長壓縮機的使用壽命；分子量小，流動性好，輸送壓力低，減小了壓縮機的負載。

（4）油混率高：碳氫環保冷媒的油混率極高，與所有常用冷凍潤滑油（礦物潤滑油、合成潤滑油）兼容，無毒，對金屬和耐油橡膠均無腐蝕性。而許多冷媒需要專門配套的冷媒潤滑油，如使用不當，就會出現問題，使用碳氫冷媒可防止出現冷媒和冷媒潤滑油不兼容造成的問題。制冷設備需換用碳氫環保冷媒無需進行改裝。

（5）適應性強：碳氫環保冷媒對酷熱氣候具有獨到的適應性，由于它流動性好，更適用于長管道制冷系統，氟利昂類冷媒不適合酷熱或熱帶地區使用。

（6）用途廣泛：碳氫環保冷媒系列產品可應用于大多數制冷系統。

3 各種冷媒性能比較

冷媒性能比較見表1。

3.1 R22與R123的比較

（1）R22與R123同屬氫氯氟烴，但R22的臭氧層破壞力是R123的2.5倍，溫室效應數是R123的17倍。

（2）R123是低壓制冷劑，工作時蒸發器為負壓，冷凝器為0.04 mPa，停機時機內為－0.004 mPa，因此，即便機組泄漏也只存在外界空氣進入機組的可能。

（3）R22臨界壓力比R123高1 300 kPa，機組內部壓力升高，泄漏幾率升高。

表1 冷媒性能比較

3.2 R22與R134a的比較

（1）R134a的比容是R22的1.47倍，且蒸發潛熱小，因此對于相排氣體積的壓縮機而言，R134a機組的冷凍能力僅為R22機組的60%。

（2）R134a的熱傳導率比R22下降10%，因此換熱器的換熱面積增大。

（3）R134a的吸水性很強，是R22的20倍，因此對R134a機組系統中干燥器的要求較高，以避免系統的冰堵現象。

（4）R134a對銅的腐蝕性較強，使用過程中會發生“鍍銅現象”，因此系統中必須增加添加劑。

（5）R134a對橡膠類物質的膨潤作用較強，在實際使用過程中，冷媒泄漏率高。

（6）R134a系統需要專用的壓縮機及專用的脂類潤滑油，脂類潤滑油由于具有高吸水性、高起泡性及高擴散性，在系統性能的穩定性上劣于R22系統所使用的礦物油。

（7）HFC類冷媒及其專用脂類油的價格高于R22，設備的運行成本將上升。

3.3 R22與R407c的比較

R407c在熱工特性上與R22最為接近，除了在制冷性能、效率上略差以及具有上述HFC類物質存在的技術問題之外，還由于這類物質屬于非共沸混合物，其成分濃度隨溫度、壓力的變化而變化，這對空調系統的生產、調試及維修都帶來一定的困難，對系統熱傳導性能也會產生一定的影響。特別是當R407c泄漏時，系統制冷劑在一般情況下均需要全部置換，以保證各混合組分的比例，達到最佳制冷效果。

3.4 R22與R410A的比較

R410A和R22一樣，都屬于氟利昂的一種，兩者都具有一定的溫室效應，而R22在制冷系統方面的性能表現要優于R410A，室外溫度在27.8℃時，R410空調系統的能效比（EER）較R22空調系統的略高，而在最高的環境溫度54.4℃時，R410A空調系統的能效比（EER）較R22空調系統的低15%。

R410A冷媒所用的壓縮機使用POE油潤滑，POE油和水能夠發生反應，生成水和酸，生成的水又能促使POE油進一步反應，長期下去，可能會使毛細管發生冰堵現象；同時系統內循環工質的酸性會越來越高（PH值越來越低），有可能導致系統內的零部件發生腐蝕和產生鍍銅現象。

R410A冷媒應存放在30℃以下的環境中，若在高于30℃的環境中存放過，必須在30℃以下的環境中存放24 h以上才能使用，否則冷媒的組分會變化，影響空調的性能。

4 碳氫冷媒替代R22的可行性論證

碳氫冷媒與原有R22潤滑油的相溶性高，回油好，能減少換熱器油膜厚度，杜絕潤滑油分層現象，可直接用在現有R22的制冷設備中；

碳氫冷媒冷凝壓力小，壓縮比小，壓縮機運行功率低；再者，碳氫冷媒的凝固點低，蒸發潛熱是R22的2倍，單位時間內降溫速度更快，可延長壓縮機的使用壽命。

碳氫冷媒的分子量小，冷媒用量只是R22的35%左右，流動性好，輸送壓力更低，降低了壓縮機的工作壓力，大大提高了壓縮機的壽命。

因此，理論上碳氫冷媒可以用于替換原有R22系統制冷劑。

5 實地測試

為研究新型碳氫類冷媒替換通信機房中原有空調系統的R22冷媒是否可行，協同廠家進行碳氫類冷媒在通信機房的試用測試。測試主要包括安全測試、防腐蝕測試與節能測試三個方面。

（1）安全測試

在定空間釋放定量的碳氫冷媒后點火試驗：選定1個19 m2的空房間，55 m3（房間規格為3.4 m×5.6 m×2.9 m），模擬機房需求配置3P空調1臺，機房內充進350 g液態碳氫冷媒，通過窗戶扔1團點燃紙團，未立即出現爆炸；該項測試受各種現場因素的限制，需由測試產品廠家委托有資質的第三方進行詳細測試。

（2）防腐蝕測試

現場不具備測試條件，由測試產品廠家委托有資質的第三方測試。

（3）節能測試及節能測試數據分析

為了便于直接、直觀地進行能效對比，測試特地選取供冷模型類似的兩個機房針對不同的氣候進行測試。

a.瞬間節電率測試

機房1：空調設置溫度25°，采用R22冷媒電流為8.4 A，采用碳氫冷媒電流為6.6 A，瞬時節電率為21.42%，；

機房2：空調設置溫度25°，采用R22冷媒電流為7.5 A，采用碳氫冷媒電流為6.2 A，瞬時節電率為17.3%；

b.長時間掛表測試

（1）第1階段，戶外平均溫度20.12℃，測試時間8天，采用碳氫冷媒的機房平均節電率為16.37%；

（2）第2階段，戶外平均溫度20.38℃，測試時間49天，采用碳氫冷媒的機房平均節電率為20.64%；

（3）第3階段，戶外平均溫度25.95℃，測試時間21天，采用碳氫冷媒的機房平均節電率為23.95%；

（4）第4階段，戶外平均溫度32.05℃，測試時間35天，采用碳氫冷媒的機房平均節電率為25.37%；

（5）第5階段，戶外平均溫度31.82℃，測試時間23天，采用碳氫冷媒的機房平均節電率為27.3%。

c.成效分析

根據測試數據分析，使用碳氫冷媒平均節電率26.34%；其中低溫時段，最低節電率16.37%，最高節電率20.64%，低溫時段平均節電率18.5%；中溫時段平均節電率23.95%；高溫時段，最低節電率25.37%，最高節電率27.3%，高溫時段平均節電率26.34%。

理論上，1臺3P空調采用R22冷媒每天平均用電量為14.26 kWh，采用碳氫節能冷媒，若以平均節電率26.34%計算，每天節電3.76 kWh；若以低溫時段平均節電率16.37%計算，每天節電2.33 kWh；若以中溫時段平均節電率23.95%計算，每天節電3.42 kWh；若以高溫時段平均節電率26.34%計算，每天節電3.76 kWh。按照福建正常天氣情況，一般低溫天氣占3個月，中溫天氣占6個月，高溫天氣占3個月，一年大約節電1 163.7 kWh，按照每度電0.88元，以每臺3P空調采用碳氫冷媒耗資1 350元計算，需要1年零4個月收回投資。

6 測試結論

（1）安全測試

碳氫系列冷媒可燃性低，只有同時滿足濃度在可燃濃度范圍且溫度高于著火點兩個條件才能燃燒，碳氫的可燃濃度為體積濃度在2.1%～9.5%之間，著火點為470℃。燃燒爆炸極限值為：空氣中碳氫冷媒含有量39 g～180 g／m3。按照電信基站平均實際體積計算，每個基站面積為10 m2，高度為2.4 m，體積為24 m3，該空間內含有碳氫冷媒的燃燒爆炸極限為：936 g～4 320 g。10 m2基站的空調功率平均為3匹，3匹空調加注環保冷媒量為700 g～750 g，因此即使壓縮機中的冷媒全部泄漏至基站室內，也達不到發生燃燒與爆炸的最小極限；并且冷媒全部泄露到室內的概率極低，所以基站空調更換碳氫環保冷媒在理論上無安全問題。

為慎重起見，參與測試產品的防爆危害性由參檢廠家委托保險公司承保。

（2）防腐測試

本次參與測試產品的防腐特性檢驗由參檢廠家委托福建省產品質量檢驗研究院（原福建省中心檢驗所）完成，根據檢測報告，主要測試空調銅管浸入試樣23℃×24 h，其測試結果為銅管無可見粗糙度，顏色、狀態無變化。

（3）節能測試

在測試時間段內節能效果顯著，節能率達20%以上，而且戶外溫度越高，其節能效果越明顯，長時間效果需要下一階段繼續跟蹤獲取數據。

受客觀測試條件限制，測試數據僅具相對嚴謹性。由于原有舊空調冷媒可能不足，重新添加冷媒可以提高冷媒效率；另外，更換冷媒也是對管道的清潔，本身也會降低傳熱熱阻，提高冷媒效率，因此測試數據并不代表真正的節能效果。

7 應用場景建議

新型碳氫冷媒節能效果顯著，但碳氫系列冷媒可燃易爆，在實際應用中需要特別注意對其應用有如下建議：

（1）碳氫冷媒與原有R22潤滑油的相溶性高，回油好，且冷媒冷凝壓力小，壓縮比小，壓縮機運行功率低；凝固點低，蒸發潛熱高，單位時間內降溫速度更快，節能環保，技術理論上適用所有采用R22風冷式空調。

（2）碳氫系列冷媒綠色環保，節能降耗效果明顯；雖然可燃易爆，但定量可控，通常的小面積小容量空調加注量均在安全使用范圍內，可以在自有接入網機房，自有基站對空調進行試點碳氫冷媒改造。

（3）針對碳氫系列冷媒的特點，考慮通風等因素，可在辦公場所進行試點碳氫冷媒改造。

（4）由于碳氫系列冷媒尚未有較長時間的應用（雖廠家已提供防腐報告），無法把握碳氫系列冷媒使用后期對設備的影響，建議僅對使用超過3年以上的空調設備進行改造。

（5）大型中央空調主機的冷媒加注量需求大，超過可燃濃度范圍，一旦出現泄漏，灌注在中央空調的巨量碳氫冷媒將變成巨大安全炸彈，不建議對大型中央空調進行碳氫冷媒改造。

（6）考慮到機房精密空調的冷媒管道多是由多根銅管焊接而成，中間焊接環節眾多，出現管道泄漏的概率相對較大，同時機房精密空調主要安裝在機房內，密閉性好，一旦灌注泄露不易排出，管道內的大量碳氫冷媒將變成巨大安全隱患，不建議對安裝在機房內的機房精密空調進行碳氫冷媒改造。

（7）考慮到管道較長的分體空調中間焊接環節眾多，出現管道泄露的概率相對較大，不建議對管道較長的分體空調進行碳氫冷媒改造。建議管道長度不大于5 m。

（8）考慮普通民眾對碳氫冷媒的接受度暫時不高以及冷媒泄露可能帶來的糾紛，建議非自有的外租民房接入網與外租民房基站的配套空調暫不使用碳氫冷媒。待試點一段時間后，視情況進行推廣。

8 碳氫冷媒改造投資模式探討

當前，合同能源管理作為新興的合作改造方式引起廣大使用商的關注，對于碳氫冷媒的改造可考慮選用此模式。

（1）節能量保證模式

使用商和產品廠家雙方共同投資，而使用商作為主要投資方，產品廠家向使用商承諾一定比例的節能量，達不到承諾節能量的部分，由產品廠家負擔；超出承諾節能量的部分，廠家獨享，直至使用商收回全部節能項目的投資收益后，項目合同結束，節能設備移交給使用商使用，以后所產生的節能收益全歸使用商享受。

（2）能源費用管理模式

使用商委托產品廠家進行空調系統的運行管理和節能改造，并按照雙方約定支付空調托管費用；產品廠家負責管理使用商整個空調系統的節能改造、運行和維護工作。項目合同結束后，節能設備無償移交給使用商使用，以后所產生的節能收益全歸使用商享受。

（3）節能效益分享模式

節能改造工程前期投入由產品廠家支付，使用商無需投入資金。項目完成后，使用商在一定的合同期內，先保證產品廠家收回改造成本，再按比例與使用商分享由項目產生的節能效益。

（4）節能效益支付模式

使用商委托產品廠家進行節能改造，前期支付一定比例的工程投資，項目完成后，經過雙方驗收達到合同規定的節能量，使用商支付余額，或用節能效益分享支付，直至項目合同結束后，節能設備無償移交使用商使用，以后所產生的節能收益全歸使用商享受。

9 結束語

隨著人們節能環保意識的增強，碳氫冷媒使用越來越廣泛。目前，還須進行更深入的研究與測試，進一步提高系統性能，增強系統的可靠性和安全性。