恒温恒湿空调应对可燃制冷剂的 低风险技术策略分析

张庆伦，姚卉，刘培冲，于同山(大连斯频德环境设备有限公司，辽宁 大连 116033)

0 引言

恒温恒湿空调是一种重要的环境温湿度精密调控设备，主要用于对室内环境温度、湿度波动和区域偏差都有严格要求的场合，例如：电子元器件生产车间、生物培养装置、医疗洁净室、数据中心机房、高等级储藏室及实验室等，相关技术要求如表1 所示。普通恒温恒湿空调能同时或单独保持被调控封闭域内的温度波动±1 ℃～±0.5 ℃和湿度波动±5%～ ±2%；而高精密恒温恒湿空调能同时或单独保持温度±0.5 ℃～±0.3 ℃和湿度±2%[1]。斯频德及友商当前市售部分超高端机组调温精度可达±0.1 ℃。

表1 部分场合对环境温湿度调控技术需求

恒温恒湿空调的核心四大部件是压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置。此外，通常还包括风机、加湿器、电加热器、储液罐、油分离器、气液分离器、干燥过滤器、传感器与控制器以及阀门等部件。不同恒温恒湿空调机组的工作原理并不完全相同，其基本运行原理描述如下：恒温恒湿空调工作时，低温低压制冷剂在蒸发器中吸热相变，产生的冷量由风机吹入送风管道，经温湿度调节后，送至被调控目标区域。从蒸发器流出的过热气态制冷剂进入压缩机，被压缩成高温高压气体后进入冷凝器。经风冷或水冷释放热量后，变成温度压力仍然较高的液体，再流经节流装置后，变回低温低压的制冷剂。然后再次进入蒸发器吸热产生冷量，如此循环。借助制冷剂在不同过程中的相态与物性变化，经热质传递过程，实现对目标区域的温湿度控制。制冷剂是恒温恒湿空调机组的血液，是基于物质相变的吸热效应而发展出的常规制冷空调技术中必不可少的要素。然而新一代环保制冷剂的发展，却给恒温恒湿空调机组的安全运行带来了燃爆风险和安全挑战。

1 制冷剂的发展与挑战

1805 年Evans 提出使用具有挥发性物质作为制冷剂的构想，发展至今经历了三次重大发展；1834 年，Perkins 将乙醚用在蒸气压缩式循环制冷系统；1853 年，Twining.取得关于使用乙醚制冷剂的专利；1866 年，Lowe 制出以二氧化碳为制冷剂的制冰机；1877 年，德国Linde 建成一套以氨为制冷剂的压缩式制冷系统；1875 年，瑞典Picket 开发出一种以二氧化硫为制冷剂的压缩式制冷系统；1878 年，法国学者研究甲基氯作为制冷剂[2]；20 世纪初，丙烷等一些碳氢化合物也被用作制冷剂。

制冷剂发展的第一次重大转折发生在20 世纪30 年代。美国Dupont 公司根据Midgley T.等的研究成果，推出了氟利昂(Freon)系列氯氟烃类(CFCs)制冷剂，典型代表如R12(1931年)，随后在家用冰箱和汽车空调中被大量使用。相较于之前的制冷剂，这些氯氟烃类制冷剂因热力学参数适宜而且低毒、不易燃爆、不易腐蚀等特点，而迅速发展应用，并逐渐占据市场主体地位，直至臭氧层破坏问题的提出。

1974 年，Molina 和Rowland 提出氯氟烃类物质中的氯离子对大气臭氧层具有破坏性。1987 年国际性条约《蒙特利尔议定书》签订，随后经不断修订，增加受控物质。在第19 次缔约方会议上又通过了加速淘汰氢氯氟烃(HCFCs) 物质的方案。在国际社会共同努力下，曾经广泛使用的CFCs 制冷剂已成过去，而HCFCs 制冷剂(使用量最大的是R22)也正在按计划被逐步淘汰。根据世界气象组织和联合国环境规划署的科学评估，臭氧层正在以每十年1%～3%的速度逐步恢复。然而，另一个环境问题—全球变暖愈发凸显。

联合国政府间气候变化专门委员会报告显示，自1850—1900 年，人类活动排放的温室气体导致地球温度升高约1.1 ℃，而未来20 年，全球平均温升或将≥1.5 ℃[3]。为实现可持续性发展，第21 届联合国气候变化大会通过《巴黎协定》，各方承诺将全球平均气温增幅控制在低于2 ℃水平，并向1.5 ℃温控目标努力。次年通过《基加利修正案》，将18 种氢氟烃(HFCs)类物质纳入管控范畴，并规定了具体的淘汰时间表[4]。HFCs 类物质由碳、氢、氟三种元素组成，是一类对臭氧层的破坏潜能值为零的人工合成制冷剂，在淘汰CFCs 和HCFCs 进程中发挥着重要作用，例如在恒温恒湿空调中广泛应用的R134a、R410A 等。斯频德生产的R410A 型恒温恒湿空调的制冷量涵盖2.8 kW至32 kW。

人工合成的制冷剂对于全球变暖的“贡献”总量虽然不及二氧化碳、甲烷及氮氧化物，但很多合成卤代烃类制冷剂的温室效应潜能值(GWP)是二氧化碳的千百倍。人们希望对环境友好的新一代制冷剂，如表2 所示，总结了部分有潜力作为新一代恒温恒湿空调制冷剂的候选物(或是混合制冷剂组元)。然而研究发现这些候选物大多具有可燃性。

表2 部分新一代恒温恒湿空调制冷剂候选物

2 使用可燃制冷剂机组的约束

根据ISO 817—2017 《Refrigerants-designation and safety classification》、ASHRAE standard 34—2016 《Designation and safety classification of refrigerants》、GB/T 7778—2017 《制冷剂编号方法和安全性分类》等国内外技术标准，制冷剂从可燃性角度被分为1 类、2 类、3 类和2L 类。归于1 类的制冷剂在标准实验测试方法下，无火焰传播被观察到。而3 类制冷剂可燃易爆，在标准实验测试方法下有火焰传播，且最低可燃下限(LFL)≤3.5%；或燃烧热≥19 MJ/kg。居于1 类和3 类之间的是2 类，在101 kPa 和60 ℃大气环境中被测时，有火焰传播，且LFL ＞3.5% 以及燃烧热＜19 MJ/kg。当满足2 类条件，并且在101 kPa 和23 ℃实验时，火焰传播速度≤10 cm/s 的制冷剂，属于2L 类(弱可燃)。

表2 中列出了11 种制冷剂的可燃性分类，出于安全性考虑，不同分类的制冷剂应用于制冷空调系统中时受到不同程度的约束。典型技术标准如GB/T 9237—2017 《制冷系统及热泵安全与环境要求》、ISO 5149—2014 《Refrigerating systems and heat pumps—Safety and environmental requirements》等。使用了可燃性制冷剂的恒温恒湿空调机组在设计、生产、储运以及售后等方面，必须在符合相关技术及安全标准下，结合用户使用环境，强化实施相关安全性策略。

3 恒温恒湿空调低风险技术策略

燃烧反应的三要素是可燃物、助燃物与点火源[5]。对于恒温恒湿空调而言，燃烧反应引发通常需要以下条件：可燃制冷剂发生泄漏，泄漏浓度达到可燃浓度极限[6]，遭遇能量足够大的点火源。对于设备制造商而言，首先需要改造生产线，典型的使用可燃性制冷剂的且在厂内充注的制冷空调产品的生产线主要由零部件组装区、氦检漏区、充注封口区、制冷剂储存房、检漏区、在线检测区、返修区和打包区，共8 大区域组成[7]。此外，从阻断上述燃烧引发的某一或某些必要条件角度入手，恒温恒湿空调应对新一代可燃制冷剂的低风险技术策略分析如下。

为降低制冷剂发生泄漏风险：(1) 强化机组的密封性，用材需优选各类高品质的金属、非金属材料与零配件，并提升器件间的连接密封技术；(2)强化焊接水平，杜绝未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边、焊瘤、烧穿、未填满及裂纹等缺陷；(3)强化对系统打压/抽真空、保压、检漏环节的操作与复检，特别是一些高压型可燃制冷剂；(4)强化表面涂敷层的均匀度、覆盖度以及防腐耐蚀性；(5)强化产品包装，满足国家标准与行业标准中对于含可燃性化学品货物的运输包装规定；(6)针对可燃制冷剂设计特殊安全装置，例如非专业勿拆装置。已有同行生产商为R32 机组设计了防拆卸螺母，当涉及机组检修时，需返回专业网点维修，由经过培训的专业人士启封防拆卸螺母后，才可进行维修。

为降低泄漏浓度达到可燃浓度极限风险：(1)严格控制制冷剂充注量。针对恒温恒湿空调的实际使用环境，按照GB/T 9237—2017 等标准中列出的对应制冷剂最大允许充注量限定要求来执行。(2)单机模块化设计。既可以通过灵活组合以满足客服对较大冷量的需求，又能降低机组各单元的制冷充注量。(3)开展技术革新，降低产生单位制冷量所需的制冷剂循环量，例如：提高换热能力，缩小换热器、优化循环流程、使用高精度加注机等。(4)对于需要现场灌注制冷剂的机组，要严控排放，并配套专业的回收。(5) 很多恒温恒湿空调并不是安装在室外，因而需要在机房安装专用的气体浓度传感器并连接报警器与通风设备开关；有远程客服功能的，还需将发生制冷剂泄漏的信号上传至云端，由平台自动向相关负责人发送警报。(6)与客户约定需要定期对机组进行密封性检查、维护、多点采样与分析。

为降低遭遇能量足够大的点火源风险：(1) 向用户明确警示。在机组侧身外表面铭牌上、用户说明书等处，醒目告知用户本机组使用了可燃制冷剂，通常使用的是外三角形加内火苗符号。要求客服严禁明火和高温热表面，还需特别注意电气火花和静电。(2)严厉车间管理，严肃职工教育，严控明火、热表面、电气火花、静电等潜在点火源。而且考虑到氟代烃燃烧产物中存在HF 等有毒物质[8]，增加相关安全保障器具。(3)机组所用关键零部件需要达到防爆等级，一些配件也特殊订做，例如使用的灭弧插座、阻火型接触器等。(4)对于不宜使用常规焊接方法的区域，应调整方案，例如专用洛克环密封法、使用超声波焊接法等。(5)向涉及储运环节的人员强调本机组内含可燃制冷剂，在严禁烟火的同时，保持通风顺畅。(6)强化对安装人员与维修人员的培训，提升业务能力与安全意识。并且更新专用维修设备等。

4 结语

本文以设备制造商视角，分析了恒温恒湿空调使用新一代可燃制冷剂的原因，并从阻断燃爆引发必要条件方面，分别分析了机组的低风险运行技术策略。论文所提出的3 组18 条建议涉及到恒温恒湿空调的生产、储运、安装、运行以及维护等诸多环节，可为相关生产和安全管理提供一定参考。

制冷剂替代势在必行，而安全无小事。除了需要实施降低机组安全风险的相关技术措施，提高所有相关人员的安全意识并切实践行，也是相当重要的。