作為制冷劑的15種碳?xì)漕愇镔|(zhì)
行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了碳?xì)湮镔|(zhì)的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)可行性。
一個(gè)發(fā)達(dá)的社會(huì)體系離不開制冷。無論是住宅、食品生產(chǎn)和儲(chǔ)存（如冷凍食品、酸奶和/或咖啡）、汽車或化學(xué)制藥過程還是空調(diào)，“冷卻”是最基本的元素。工業(yè)生產(chǎn)的“冷”是現(xiàn)代生活的支柱。在德國，14%的一次能源用于冷卻目的。通過使用天然制冷劑可以減少對(duì)環(huán)境的影響。
碳?xì)涫且活愄烊恢评鋭?，由地球上物質(zhì)循環(huán)而得，是天然氣生產(chǎn)或石油精煉過程中的副產(chǎn)品。碳?xì)涫状巫鳛橹评鋭┦褂每梢宰匪莸?9世紀(jì)20年代初，但在19世紀(jì)50年代被CFC/HFC所替代。CFC/HFC無毒和無可燃性，曾被稱為“安全制冷劑”。但是，人們逐步認(rèn)識(shí)到這些物質(zhì)對(duì)環(huán)境和氣候造成致命的影響，因此最終被禁止使用。
使用天然制冷劑的制冷系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)全球變暖做出了重要貢獻(xiàn)，因此應(yīng)大力推動(dòng)這些系統(tǒng)在市場(chǎng)中的應(yīng)用份額。在很多領(lǐng)域，碳?xì)淇梢宰鳛楹铣芍评鋭┑睦硐胩娲?，因?yàn)樗鼈兊膲毫椭评湫阅芘c合成制冷劑類似。同時(shí)，它們還具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
表1 一些重要的碳?xì)湮镔|(zhì)
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化學(xué)式 |
制冷劑 |
沸點(diǎn)/℃ |
臨界溫度/℃ |
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正丁烷 |
C4H10 |
R600 |
-0.5 |
152.0 |
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異丁烷 |
C4H10 |
R600a |
-12.0 |
135.0 |
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丙烷 |
C3H8 |
R290 |
-42.0 |
96.6 |
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丙烯 |
C3H6 |
R1270 |
-47.7 |
91.0 |
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乙烷 |
C2H6 |
R170 |
-88.7 |
91.0 |
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乙烯 |
C2H4 |
R1150 |
-103.8 |
9.5 |
針對(duì)一些特殊應(yīng)用，為獲得更好的性能，碳?xì)浠旌衔镆惨呀?jīng)商業(yè)化。一些物質(zhì)已經(jīng)列入ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和EN 378標(biāo)準(zhǔn)。
從氣候變化方面來看，碳?xì)浜桶被駽O2一樣具有優(yōu)勢(shì)。與很多合成制冷劑相比，它們不會(huì)破壞臭氧層，同時(shí)GWP值很低或?yàn)榱恪?/sub>
但是，碳?xì)涫歉叨瓤扇嫉?，無味的。乙烯比空氣輕，乙烷與空氣密度相當(dāng)，而丁烷、丙烷和丙烯的密度高于空氣。在泄漏的情況下，它們可以在地面進(jìn)行收集。因此，當(dāng)規(guī)劃和安裝碳?xì)湎到y(tǒng)時(shí)，需要特別的規(guī)定。為保證安全，在建設(shè)、維護(hù)和維修碳?xì)渲评湎到y(tǒng)時(shí)都必須符合所有國家和國際安全規(guī)定（如EN 378、壓力設(shè)備指令和ATEX指令等）。
安裝和運(yùn)營(yíng)碳?xì)渲评湎到y(tǒng)必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指令要求。根據(jù)EN 378-1和壓力設(shè)備指令（DGRL），按照毒性和可燃性對(duì)制冷劑進(jìn)行分級(jí)。
表2 制冷劑分級(jí)
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毒性可燃性 |
毒性可燃性 |
||
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A級(jí) |
B級(jí) |
流體組 |
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低毒性 |
高毒性 |
||
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不燃 |
A1 |
B1 |
2 |
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低可燃 |
A2 |
B2 |
1 |
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易燃 |
A3 |
B3 |
1 |
EN 378-1中定義的可燃性、毒性和DGRL流體組為任何地區(qū)進(jìn)行碳?xì)湎到y(tǒng)的項(xiàng)目規(guī)劃提供依據(jù)。碳?xì)鋵儆诎踩MA3類和流體組1，表示它是低毒性、易燃。
表3 不同制冷劑的GWP比較
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制冷劑 |
GWP值 |
|
R717 （氨，NH3） |
0 |
|
R744 （二氧化碳，CO2） |
1 |
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R290 （丙烷）（HC） |
3 |
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R22 |
1 810 |
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R134a |
1 430 |
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R404A |
3 922 |
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R410A |
2 088 |
注：來源于EN378，AR 4。
表4 碳?xì)涮匦?/p>
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生態(tài) |
ODP=0，GWP≤ 3 |
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熱力學(xué) |
COP（EER）值較好，甚至在高冷凝溫度條件下 |
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物理 |
良好的熱交換性能 |
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化學(xué) |
與空氣混合可燃燒/爆炸，良好的材料兼容性 |
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生理 |
無毒 |
碳?xì)渚哂袃?yōu)秀的熱力學(xué)特性，可以減少一次能源需求，由此降低間接全球變暖影響。
碳?xì)湎到y(tǒng)比合成制冷劑的總當(dāng)量變暖影響（TEWI）平衡值更高。TEWI平衡值表示了一個(gè)制冷系統(tǒng)直接和間接全球變暖影響的總和。直接全球變暖影響包括制冷劑排放到環(huán)境中以及在泄漏和回收過程中的制冷劑損失的CO2當(dāng)量。間接全球變暖影響是指在制冷系統(tǒng)生命周期內(nèi)所需要的驅(qū)動(dòng)能源產(chǎn)生的CO2當(dāng)量。為降低對(duì)全球環(huán)境的影響，需要盡可能地降低TEWI值，如使用碳?xì)渲评鋭?/sub>
與合成制冷劑不同，碳?xì)湟彩蔷哂谐杀拘б娴?。價(jià)格的差異不僅體現(xiàn)在系統(tǒng)初充灌量，也體現(xiàn)在泄漏損害后再補(bǔ)充過程中。另一方面，系統(tǒng)報(bào)廢時(shí)的處理成本也較低。
碳?xì)湎到y(tǒng)的運(yùn)行成本也具優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)理由是低能耗。以丙烷為例，它被稱作是最高效的制冷劑之一。即使是基于安全原因，將制冷劑作為中間循環(huán)的系統(tǒng)也是高效的。
由于它們的性能優(yōu)勢(shì)，碳?xì)湟簿哂虚_發(fā)新應(yīng)用領(lǐng)域的潛力?；诖?，碳?xì)渲评湎到y(tǒng)不僅具有生態(tài)優(yōu)勢(shì)，從經(jīng)濟(jì)上看也是可持續(xù)的。
碳?xì)湟呀?jīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域。從設(shè)計(jì)上看，帶
有中間循環(huán)（如鹽水、乙二醇或CO2）的制冷系統(tǒng)和將CO2作為低溫制冷劑的復(fù)疊系統(tǒng)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。上述2個(gè)系統(tǒng)可以減少碳?xì)涞某涔嗔俊?/sub>
已經(jīng)成功用于家用冰箱和冷柜超過20年，碳?xì)湓絹碓蕉嗟赜糜诳照{(diào)、中溫和低溫以及熱泵等單級(jí)制冷系統(tǒng)。早在1995年，碳?xì)湟呀?jīng)成為制冷和熱泵技術(shù)的替代制冷劑。
如今已經(jīng)出現(xiàn)了使用丙烷的空調(diào)器、使用丙烷和異丁烷的冷藏柜、使用丙烯的壁掛式多層冷藏柜、使用CO2/丙烷的風(fēng)冷和水冷冷水機(jī)組和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)等產(chǎn)品。
碳?xì)渲饕獞?yīng)用領(lǐng)域包括：
家用冰箱和冰柜
商用冷凍和冷藏柜
啤酒冷藏柜
飲料自動(dòng)售賣機(jī)
除濕器
熱泵
零售店用制冷設(shè)備
空調(diào)
低溫復(fù)疊系統(tǒng)
用于間接制冷的水和鹽水冷水機(jī)組，特別是室外安裝
表5 碳?xì)涮娲鶫FC類制冷劑
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HFC |
HC |
說明 |
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R134a |
R600a |
家用―制冷量和壓力水平有較大差異 |
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R134a |
R290/600a混合物 |
商用 |
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R404A，R507A |
R290，R1270 R290/1270混合物 |
商用，工業(yè)用（如化工） |
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R407C |
R290，R1270 |
空氣和熱泵系統(tǒng) |
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R410A |
R1270/170混合物 |
制冷量和壓力水平有差異 |
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R23，R14 |
R170，R1150 |
低溫復(fù)疊系統(tǒng) |
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R227ea |
R600a |
高溫應(yīng)用 |
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R236ea，R236fa，R245fa |
R601，R601a |
高溫應(yīng)用，ORC應(yīng)用 |
編譯自：歐洲氨協(xié)會(huì)
編譯：暖通空調(diào) 三石
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