基于环境问题下新型环保制冷剂的比较

金孩骞

近年来，随着环境问题日益突出，国内外学者一直在加快推进R-22制冷剂替代进程，制冷剂替代已经成为空调领域研究热点之一，新型制冷剂的研究迫在眉睫。目前已全部禁止使用并逐步替代ODP值不为零的制冷剂，朝着GWP降低的方向努力。本文通过分析比较三种较为典型的新型环保制冷剂：HF0-1336mzz（Z）、R-1234yf以及三元混合（简称NC01），力图通过分析其性能等因素，得出适用方向，为新型环保制冷剂的选择提供一定帮助。

制冷剂行业发展背景及分析

制冷剂行业发展背景。自1926年托马斯·米奇尼开发首台氯氟烃机器以来，氟利昂系列制冷剂进入快速发展阶段；1970年代中期，大气臭氧层的破坏发现后，致使《蒙特利尔协议书》签订；1990年代人们意识到全球变暖对地球构成严重威胁，促使《联合国气候变化公约》诞生；进入21世纪，开发新型环保制冷剂代替原有制冷剂已成为全球热门话题。在有机制冷剂行业领域，欧美国家在开发臭氧层消耗潜值（ODP）为零、全球温室效益潜值（GWP）低的新型环保制冷剂已经走在世界前列。

背景分析制冷剂的发展始终围绕环境安全性能和制冷性能两个方面来进行，环境安全性能体现在臭氧层消耗潜值（ODP）、全球温室效益潜值（GWP）、毒性、易燃性、易爆性，生产和使用时的能耗及在产生C02方面等方面。制冷剂性能主要由其物性决定，比如蒸气压、蒸发焓、导热系数、比热容、表面张力等，还与润滑剂的腐蚀性、稳定性相关。理想的制冷剂应具有對地球变暖影响较小、对臭氧层无破坏、有一定化学稳定性、有良好的热物理性质等一系列符合要求的优点。

氯氟烃类目前已被全面禁止使用，氢氯氟烃类整体上将在2040年全面淘汰，ODP为零，GWP较高的氢氟烃类在欧洲国家已被限制使用，目前汽车内空调中唯一ODP为零的制冷剂为R134a，但其GWP值高达1300，前景不佳。从2017年起，欧洲将全面禁止GWP>150的含氯气体用于所有新出厂的汽车空调器中，这表明氢氟烃类制冷剂在未来只能走下坡路的趋势。为了适应欧美的新制度体系，这要求我国出口到欧洲的汽车必须具备符合要求的制冷剂，因此我国研发ODP为零，GWP<150的新型环保制冷剂迫在眉睫。第四代制冷剂代表R1234yf由于其ODP为零，GWP较小的优点被国际上普遍认可，除R1234yf制冷剂外，还有许多新型环保制冷剂正在研发研究中，例如I-IF0-1336mzz（Z）、三元混合（简称NC01）等。

HF0-1336mzz （Z）制冷剂的性能及应用分析

HF0-1336mzz（Z）制冷剂的性能分析

HF0-1336mzz（Z）制冷剂的大气寿命明显低于目前广泛使用的HFCs制冷剂，且安全等级为Al级，对人身体无害，同时其沸点温度接近于常温，采用HFO-1336mzz（Z）制冷剂在工作时系统压力不高，这在一定程度上节约成本。另外，根据Kontomaris等人用直接成分分析法测量HF0-1336mzz（Z）在250℃下经过1d、7d、14d后在剩余液体中的氟离子和氯离子浓度，结果显示HF0-1336mzz（Z）的热力学稳定性非常好。

HF0-1336mmz（2）制冷剂应用分析

结合表1分析可知：HF0-1336mzz（Z）制冷剂的临界温度和临界压力较高，更适合于高温制冷系统或高温热泵系统。目前HF0-1336mzz（Z）制冷剂应用主要体现在纯质和混合流体的应用：纯质上相对来说，在高温热泵系统的应用较为广泛，孔托马里斯曾在离心式冷却器中将HFO-1336mzz（Z）和CFC-114进行比较分析得出两者具有相似的制冷能力和性能系数，考虑到前者GWP值远远小于后者，因此，HF0-1336mzz（Z）制冷剂具有良好的前景。

R-1234yf制冷剂的性能及应用

R-1234yf制冷剂的性能分析

R-1234yf制冷剂的大气寿命远远低于目前使用的HFCs制冷剂，其安全等级为A2，具有较低可燃性和较低毒性，其ODP为零，对大气臭氧层没有破坏性，GWP仅为4，相对于前几代制冷剂来说更利于保护环境。R-1234yf制冷剂泄漏时相对C02的排放量为5.3，与R22的排放量1810相比，C02减排比例可达99.7%，综合环境性能较好。因R-1234yf制冷剂的临界温度和R22的临界温度96.240C相近，这对取代R22也是一个重要的参考依据。因此广泛推广R-1234yf制冷剂作为代替R22的工质，在环保性能上有很大优势。

R-1234yf制冷剂应用分析

结合表2分析可知：R-1234yf制冷剂由金听祥等通过毛细管和充注量优化试验验证了R-1234yf比R22的衰减率低10%左右，在高温工况下COP较R22高2%，排气温度比R22平均降低9.80C，可认为有潜力代替R22。因其运行压力、排气压力、排气温度低等优点，理论上可以应用于家用单元式空调和车载空调领域。

NC01混合制冷剂的性能及应用

NC01混合制冷剂的性能分析。新型GWP制冷剂（简称NC01）是由R1234ze（E）、R134和R32组成，其质量混合比分别为17%、33%和50%，作为一种新型制冷剂，表3列出了NC01制冷剂一些基本物力性质和热力学性质。

NC01混合制冷剂的临界温度、临界压力和标准沸点都与R22工质的性质相近，其露点温度与R22接近，安全性为无毒无燃，因其为新型混合制冷剂，还在研究当中，因此安全性能不能保证。NC01混合制冷剂的ODP为零，对大气臭氧层没有破坏性，GWP为755，相比较R22工质而言，NC01混合制冷剂的GWP值比R22降低了57%，其汽化潜热值比R22高，这对于提高制热量有一定帮助。

NC01混合制冷剂的应用分析。作为新一代新型混合制冷剂，NC01是由R1234ze（E）、R134和R32制冷剂按照一定比例混合而成。赵玉清等人曾在水源热泵机组对其进行灌注式实验，与被替代制冷剂R22进行对比，结果表明：新工质制热量比R22平均高5—11%左右，其性能系数COP值随着进水温度的提高而增大，当冷水温度高于23℃时，其COP值上升到与R22齐平，而NC01制冷剂COP上升曲线斜率比R22大，这就说明在温度较高的地方NC01制冷剂的制热性能比R22好。NC01混合制冷剂原理上可以应用到热泵系统中，但由于其还在研究开发中，无论是安全性还是其他因素还不够稳定，当前其应用的范围较狭隘，有必要深入研究其成为替代R22制冷剂的可行性。

综上所述，本文从性能参数方面人手，归纳了HF0-1336mzz（Z）、R-1234yf和NC01三种较为典型的新型环保制冷剂在相关领域的应用。

1）从研究层面来看：目前替代R22的新型环保制冷剂的研究大多处在理论层面，试验较少，笔者认为将理论和试验相结合，才具有说服力。

2）从应用方向来看：HF0-1336mzz（Z）制冷剂比较其他两种而言，具有良好的热力学稳定性，更适用干高温制冷或热泵系统；R-1234yf制冷剂具有运行排气压力、排气温度低等优点，适用于家用单元式空调和车载空调领域；NC01混合制冷剂的制热性能较好，原理上可以应用于热泵系统。

3从未来发展趋势来看：HF0-1336mzz（Z）制冷剂具有优异的热力学性能，并且对环境友好，其发展前景较好；R-1234yf制冷剂因知识产权问题，其价格远远超出常见替代R22的制冷剂，这对于长期推广市场化有一定难度，因此，国内若想使用该类性能优良但价格昂贵的制冷剂，需加快对其制备研究，拥有自主知识产权，这样才能更好的市场化推广；NC01混合制冷剂尽管具有较好的制热性，但由于对其研究较少，安全性等不确定因素较多，未来短期时间内不会有太大的发展趋势。