空調熱泵系統R32制冷劑安全性能研究述評

呂東杰

摘 要：R32作為R22和R410a的替代制冷劑，因其良好的環保性和制冷循環性能，已經被大量應用到了空調熱泵系統中。但其可燃性導致的安全問題仍是影響其應用程度的瓶頸問題。本文就國內外對R32基本性質、泄漏擴散性、燃爆危險性等研究成果進行了綜述。大量研究表明，R32的燃燒特性較為溫和，在不同情況下泄漏和燃爆研究均認為其安全性能較為良好。

關鍵詞：R32；空調；安全性能；泄漏；燃爆；

0引言

1987年簽訂《蒙特利爾議定書》，世界各國為防護臭氧層空洞，紛紛開展了HCFCs制冷劑R22的替代研究，先后開發出多種HFCs類替代制冷劑，其中R410a和R407c已得到廣泛應用。1997年簽訂的《京都議定書》及2009年召開的哥本哈根氣候大會，不但要求替代制冷劑的ODP（臭氧破壞潛能值）為0，且GWP（全球變暖潛能值）盡可能低[1]。HFCS類制冷劑R32因其較低的GWP值、良好的循環性能、低充注量、低成本，近年來被廣泛關注和應用。

但R32具有一定的可燃性，其安全性能的研究顯得非常重要。本文擬就國內外對R32基本性質、泄漏擴散性、燃爆危險性等的研究成果進行綜述，為我國空調行業R32安全性能研究和應用提供參考。

1 R32基本性質

R32（二氟甲烷）作為HFCs類制冷劑的一種，其ODP=0，GWP=675，相對于空調常用制冷劑R22（ODP=0.055，GWP=1810）和R410a（ODP=0，GWP=2100）來說，更為符合國際環保標準，而且其系統充注量僅為R22的60%，相比于R22減排比例可達到62.7%[2]。

浙江大學韓曉紅等[3]對制冷劑R32和R410a的循環性能進行了實驗研究，結果表明：在不同工況下，R32和R410a的運行壓比相當，能效比（COP）較R410a高0-5%左右[4]，與R22相當，作為替代制冷劑是可行的。R32作為R410a組分之一，其蒸發、冷凝壓力與R410a較接近，因此更換制冷劑時，幾乎不需要更換制冷元器件。

R32具有低度可燃性（A2L類，可燃性溫和），從表2可以看出，其燃燒爆炸極限、燃點、燃燒速度，都是相對安全的。R32燃燒（分解）后會產生少量的有毒氣體HF。

2泄漏擴散性研究現狀

從1950s開始，國內外開展了大量危險性氣體擴散泄漏數學模型的探索和研究，高斯模型、淺層模型、箱模型等使用較多。1970s開始，隨著計算機技術和運算能力的提升，計算流體力學的方法逐漸興起，如有限元法、有限差分法、有限體積法等。計算流體力學結合初始、邊界條件以及數值計算理論，建立基本守恒方程，預測實際場景下的流場、溫度場、濃度場，來描述擴散泄漏過程[6]。

2.1靜態泄漏

中國科學技術大學李雨農等[7]通過FLUENT進行數值模擬，并做了大量的模擬和真機實驗，研究了不同空間、泄漏速度、泄漏方式、泄漏量條件下R32靜態泄漏的泄漏擴散規律。實驗在4.8m×3.5m×2.6m受限空間內進行，泄漏位置為2.2m和0.45m（分別模擬掛機和柜機），其泄漏孔徑為3-6mm，泄漏量為10-30kg/h，針對以上影響因素進行了大量泄漏擴散實驗，指出：R32上、下方泄漏都表現出明顯的沉降性；下方泄漏時（柜機），以泄漏口為中心由近及遠地擴散，同時刻靠近泄漏口處的濃度更大；上方泄漏時（掛機），部分區域出現中間濃度值最低的現象；受擴散初速度的影響，最靠近泄漏口的濃度反而低于周邊。

田貫三等[8]對可燃制冷劑的泄漏噴射過程進行了模擬研究，提出了泄漏量的計算方法，認為孔口泄漏過程可以看做為絕熱過程，壓縮機出口至節流閥之間是制冷系統壓力最高的部位，得出結論：可燃制冷劑泄漏會形成一個可燃濃度區域，即使泄漏空間內其濃度達不到爆炸極限范圍，其泄漏點附近也會有局部爆炸著火的危險。同時建立了計算可燃制冷劑在房間內泄漏后的濃度變化模型[9]。

2.2動態泄漏

泄漏也可能發生在動態過程中。彭繼軍[10]分析了可燃制冷劑發生瞬間泄漏的條件，并基于CSD狀態方程建立了可燃制冷劑氣液相空間動態泄漏模型（采用高斯煙雨模型與有限時間泄漏擴散模型）。研究了可燃制冷劑層流預混火焰的傳播特性與規律，提出了一種新的綜合評價制冷劑可燃特性指標IFI（Integrated Flammability Index），綜合考慮燃爆極限、化學當量濃度和火焰傳播速度，為評價可燃制冷劑安全性提供參考。

Jia[11]做了室內R32空調動態泄漏的相關實驗研究，比較了空調運轉條件下泄漏在室內不同位置處R32的濃度，實驗研究表明當R32從空調器中泄漏到房間內的過程中，R32的濃度隨著空調的運轉越來越低，可燃區域僅會出現在泄漏孔處且維持的時間非常短，R32的燃燒風險在空調運轉的情況下是非常低的。

4結論

R32作為R22和R410a的替代制冷劑，因其良好的環保性和制冷循環性能，已經被大量應用到了空調熱泵系統中。但其可燃性導致的安全問題仍是影響其應用程度的瓶頸問題。本文就國內外對R32基本性質、泄漏擴散性、燃爆危險性等研究成果進行綜述。結論如下：

1）靜態泄漏：R32泄漏表現出明顯沉降性；下方泄漏時靠近泄漏口處的濃度更大；上方泄漏時，部分區域出現中間濃度值最低的現象。

2）動態泄漏：R32的濃度隨著空調的運轉降低，可燃點僅會出現在泄漏孔處且維持時間非常短，R32的燃燒風險在動態情況下較低。

3）內部燃爆：混入空氣后R32系統壓力增大，在機組內部混入空氣引燃的可能性非常小，不會引發爆炸。

4）外部燃爆：R32的燃燒特性較為溫和，不會造成火焰蔓延但有少量HF生成。

參考文獻：

[1]楊申音，王勤，唐黎明，等. 常規空調熱泵系統的R32替代研究述評[J].制冷學報， 2013，34（6）：59-68.

[2]張龍，劉煌.制冷劑R32在空調應用上的理論分析[J].制冷與空調，2010，10（3）：76-78.

[3]韓曉紅，徐英杰，仇宇，等. 制冷劑R32的循環性能實驗研究[J].制冷與空調，2010，10（2）：68-70，83.

[4]Pham， H.M.， Rajendran， R. R32 and HFOs as Low-GWP Refrigerants for Air Conditioning. Proceedings of 14th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at PurdueUniversity， 2012

[5]劉合心，宋培剛，黃浪彬. R32多聯機可行性分析[J].日用電器-技術創新，2013，4：57-61.

[6]王東東. 基于FLUENT的危險性氣體泄漏擴散研究[D].南開大學， 2008.

[7]李雨農.二氟甲烷制冷劑泄漏及著火特性的模擬和實驗研究[D].中國科學技術大學， 2014.

[8]田貫三，楊昭，馬一太等.制冷系統可燃工質泄漏噴射過程的模擬研究[J].工程熱物理學報， 2007，7（4）：401-404.