淺談自然工質在家用制冷產品中的應用

李欣 楊雙 楊亮

（1.中國家用電器研究院，北京 100037；2.中家院（北京）檢測認證有限公司，北京 100176）

隨著人民生活水平的提高，空調器、電冰箱以及冷柜等制冷產品已經成為每個家庭中必不可少的電器設備。作為此類產品關鍵構成的制冷系統，其運行的安全可靠性以及節能效果是消費者以及政府監管機構關注的重點方向之一。制冷劑在蒸汽壓縮式制冷系統工作過程中承擔著能量傳遞的“重擔”，是保證熱力循環的基本條件。為保護大氣臭氧層，減少溫室氣體的排放，《蒙特利爾議定書》要求禁止使用CFC 類制冷工質并逐步淘汰HCFC 類制冷工質[1]。而自然工質作為與人類長期共存的物質，其特殊的物理化學性能逐漸被制冷行業所發掘，并越發廣泛的應用于家用制冷產品中。

在制冷劑替代過程中，制冷產品對于新制冷劑的選擇主要關注的因素包括：（1）與潤滑油及其他材料的兼容性；（2）化學穩定性；（3）腐蝕性；（4）較好的傳熱性能；（5）燃爆性能。綜合來說，制冷劑除了需要具備環境友好性，自身的安全性、穩定性也是需要考慮的重要性質。從目前環保制冷劑的選用來看，家用制冷產品中自然工質的應用方向主要包括R600a、R290 以及R744 等。

1 R600a 及其應用

R600a 中文名為異丁烷，化學式為(CH3)2CHCH3，主要用于冰箱、冷柜以及其他小型的制冷產品中，一般適用于充注量相對較小的低溫制冷設備，特別是針對冰箱產品，主流制冷劑已經大部分完成了從常規制冷劑向R600a 的轉換。R600a作為一種性能優良的新型碳氫制冷劑，不破壞臭氧層，無溫室效應，綠色環保，具有較強的推廣應用價值，其主要物性參數如表1 所示。

R600a 在以冰箱、冷柜為代表的家用制冷產品中的應用技術基本成熟并已實現市場化。但是因其對于系統真空度的要求比較高，一般多用于充注量較少的小型制冷系統，目前關于R600a 在空調或熱泵產品中的應用鮮有研究。論文[2]對R290（95%）和R600a（5%）的混合制冷劑在房間空調器上的應用開展了對比研究，混合制冷劑的運行壓力要小于R290 純工質的系統，通過降低制冷劑充注量可一定程度上實現降低烴類制冷劑易燃的風險。

2 R290 及其應用

R290 中文名為丙烷，化學式為CH3CH2CH3，目前R290在商用冷柜以及家用空調中都有應用。作為A3 類易燃制冷劑，R290 的應用主要受限于充注量限額要求。國際電工委員會（IEC）于2019 年5 月宣布批準將A3（易燃）制冷劑的充注限值從150 克增加到500 克，這一公告極大的拓寬了R290 的應用范圍，為其在制冷設備上的使用創造了更為有利的條件。R290 的主要物性參數如表2 所示。

表1 R600a 的主要物性參數

表2 R290 的主要物性參數

從目前行業應用來看，應用R290 的制冷產品還未完全實現市場化。國內對于R290 的研究起步較晚，但是隨著國家政策的推動，對于R290 的替代技術逐漸被關注和深入研究。2011 年，珠海格力建立了全球首條碳氫制冷劑R290 分體式空調示范生產線，廣東美芝建立了聯合國蒙特利爾多邊基金首條R290 壓縮機示范生產線。

從現有資料可以看出，無論在制冷劑充注量相對較小的冰箱、冷柜還是充注量稍大的空調熱泵等產品上，企業和研究機構都投入了極大的熱情。論文[3]從R290 制冷劑在空調制冷系統中的分布研究入手，提出R290 壓縮機在設計上需要考慮少油量以及小型化，從內部結構及供油系統的優化實現減少充注量的目的。論文[4]提出在合理的材料選擇以及節流裝置匹配的基礎條件下，設計上嚴格滿足管路耐壓要求、布置通風孔防止因泄露導致制冷劑的聚集、將有可能成為點火源的電器件安裝高度適當增加等措施是保證R290 在冷柜應用過程中安全性的有益舉措。論文[5]開展了R290 在R22 空氣源熱泵熱水器系統中的替代試驗研究，充注量的差異會直接影響到系統的運行狀態，為保證系統性能及穩定性，嚴格系統中R290 的充注量是關鍵。

3 R744 及其應用

R744 中文名為二氧化碳，化學式為CO2，作為天然工質的二氧化碳在制冷行業的應用由來已久，在早期的船舶以及民用制冷產品中都作出了積極貢獻。但是CO2在應用過程中制冷系統工作壓力較高，安全性難以保證，且循環效率相對較低，在一段時間內逐漸被CFCs 類制冷劑所取代。隨著全球環境問題的日趨惡化，CO2以其無毒無臭無污染以及不燃不爆的特性重回大眾視野，被廣泛應用于制冷空調領域，特別是在熱泵熱水器等產品中的應用已經占據了較大的市場空間。CO2制冷循環系統主要分為亞臨界循環和跨臨界循環兩類，其主要物性參數如表3 所示。

表3 R744 的主要物性參數

CO2成為備受青睞的替代制冷劑優選方案之一，主要得益于其優良的物理化學性質[6]，在越來越多的制冷產品中得到應用和研究：（1）較低的沸點溫度，單位容積制冷能力較強，由此壓縮機的結構尺寸能夠做到更為精簡，在汽車空調等對于空間限制較大的應用場合具有良好的適應性，被認為是最具潛力的汽車空調用新型制冷劑[7,8]；（2）CO2的臨界溫度為31℃，跨臨界循環的CO2制冷系統已經廣泛應用于具有較高出水溫度要求的熱泵熱水器中，并以此制定了國家標準GB/T 38734-2020《以CO2為制冷劑的熱泵熱水器技術要求和試驗方法》來規范檢測方法確保產品質量。

4 結束語

我國已提出2030 年碳達峰以及2060 年碳中和的承諾和總體目標，實現低碳轉型是各行各業可持續發展的必然選擇。從制冷領域來說，加快環保制冷劑特別是天然工質的應用是實現碳減排的重要舉措。以R600a、R290 以及R744 等為代表的自然工質作為極具潛力的替代方案在應用過程中各具利弊，如何有效應對所面臨的挑戰是制冷空調企業以及研究機構需要不斷深入思考和研究的課題。加速自然工質在制冷系統中的應用研究及市場化，對于企業來說是占領市場先機，提升行業地位的良好機遇。