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环保制冷媒距离新时代还有多远?

发布时间:2017-06-09 09:41:08 作者:冰山科技 点击:

环保制冷媒距离新时代还有多远?

  目前,无论是家用空调还是中央空调,使用最多的制冷剂是R410a和R134a,像R123、R22以及R407c也有不同程度的使用。但这些制冷剂终究属于过渡产品,因此,研发新的制冷剂成为了各企业和配套供应商目前正在进行的工作。

  从2016年开始,有部分中央空调企业对外介绍,旗下产品已经在使用全新的环保冷媒,不仅能效比方面获得了提升,在环保和社会责任方面也获得了不同程度的提升。对于中国中央空调行业而言,从业企业的竞争已经从整机生产升级到了冷媒等配套产品的竞争。

  制冷剂也叫冷媒,是空调、冰箱、空气能热水器,汽车等制冷系统的主要导热媒介物质,通过其从液态到气态的循环转化过程中吸收和释放的热量,在压缩机的助力下,逆着热力学第一定律,把热量转移到我们需要的地方。优良的制冷剂需具备单位体积携带热量多,液态—气态容易转化的特性并兼顾安全环保和低成本,这使得空气能热水器、空调的用电量只有传统电热取暖器,电加热热水器的1/3—1/4,成为了绿色节能的调温设备。目前最广泛使用的制冷剂是氯氟烃类物质(CFC,Chloro Fluoro Carbon,俗称氟利昂),其化学属性是一种对臭氧层有破坏性并产生温室效应的气体,因此发展新型的绿色环保又安全高效的氯氟烃制冷剂替代物就显得尤为迫切。

  

 

  采用R1234ze新制冷剂的螺杆机组

  氯氟烃是一种易气化,易挥发的可燃有机物质,之前空调中用的最多的是R22(HCFC22即含氢氯氟烃22),上世纪冰箱中普遍使用的是R12(CFC12),由于空调冰箱等循环系统管路老旧或破损,会将氯氟烃类制冷剂释放到大气中,在日光等因素下氯氟烃会自然分解并释放出破坏臭氧层的氯原子,而氯原子会催化臭氧转化为普通的氧气分子。国际上用ODP(Ozone Depression Potential,臭氧层损耗潜能)指标来衡量化学物质对于臭氧层破坏能力的大小,以CFC11(R11)为基准,规定CFC11的ODP值为1,这些属于第一代制冷剂。

  据联合国环境规划署提供的资料,如果平流层的臭氧总量减少1%,预计到达地面的有害紫外线将增加2%。有害紫外线的增加,会产生以下一些连锁的危害:使皮肤癌和白内障患者发病率增加;破坏生态系统;引起新的环境问题等等。因此,发达国家已于1996年1月1日起禁止生产和使用氯氟烃类制冷剂,但一些发展中国家仍然在使用。最近几年南极臭氧层空洞的持续扩大,引起了各国对保护臭氧层的高度重视,使其成为了一项全球性的紧迫任务。

  这样的形势下,制冷剂在上世纪经历了又一次革新,出现了第二代制冷剂,并产生了一种叫做含氢氯氟烃HCFCs的改良产品,因为加入了氢原子,相对于传统的CFCs来说含氯原子的数量减少了,ODP值大大降低。其中家用空调最广泛使用且沿用至今的R22(HCFC22)的ODP值只有0.055,算是一种较为成功的过渡产品,但是随着使用量的增加仍然会聚集消耗臭氧的氯原子。所以从上世纪90年代开始,推出了HFCs(无氯烃)这种不含氯原子的第三代制冷剂,从此无氯制冷剂诞生了。并且最先在冰箱和汽车空调中得到应用,即用HFC134a(R134a)或HC600a(R600a)等ODP值为0的无氯烃来代替CFC12(R12)。

  

 

  运用R513a新制冷剂的离心压缩机

  R134a由于比R600a具备更安全和不易燃爆的特性,在汽车空调中扮演了重要角色;而R600a由于只是碳氢化合物,不含氟原子,因此是无氟冰箱的专属制冷剂。房间空调器相对冰箱和汽车空调需要转移的热量更多,使得房间空调无氯制冷剂的研发经历了更长的时间,从2006年才开始推向市场,到2010年正式普及,即用R410a这种由两种HFCs(质量分数同为50%的HFC32和HFC125)组成的新型近共沸混合无氯烃来代替传统的R22(CFC22)。同时由于R410a的单位携热能力更强,使得新一代的节能空调体积更小效能却更高,但是制冷管路的压力值相对R22提高了60%,对空调器的制造和安装要求更高,需要全程抽真空安装,而且充注制冷剂的价格也是R22的两倍左右,因此目前还没完全替代R22。

  经历了大约半个世纪的发展,制冷剂对臭氧层的破坏终于得到了控制,可是CFCs、HCFCs和新一代HFCs制冷剂对于环境而言还有一重负面身份——温室气体。温室气体对全球气候变暖的影响大小,取决于它们吸收红外能量的能力和它们在降解前在大气中的延续时间,可用GWP(Global Warming Potential 全球变暖潜值)来度量,其大小是相对于CO2(二氧化碳)的温室效应而言的,规定CO2的GWP值为1。

  回顾制冷剂的发展历史可以发现,自1987年签订《蒙特利尔议定书》到1997鉴定《京都定书》的10年间,各国展开的几乎是对CFCs(氯氟烃)和HCFCs(含氢氯氟烃)物质的替代物的研究,主要以保护臭氧为目的,HCFs(无氯烃)类制冷剂的出现代表了这一阶段的成果。但《京都议定书》签订以后至今,人们转而同时注重臭氧保护、减小温室效应和低能耗。要求制冷剂不但要ODP值较小,GWP值也要较小,而且要高效节能。

  目前无氟冰箱所采用的R600a是现阶段最成功的制冷剂,它是一种碳氢化合物,不但对臭氧零消耗,GWP值也是仅为15,但由于携热能力有限尚未成功应用到空调中。而现阶段其他制冷剂的GWP普遍偏高,因此《京都议定书》将替代CFCs和HCFCs的HFCs物质列入限控物质清单中,要求发达国家控制HFCs的排放,这就导致了澳大利亚等发达国家在安装家用空调前需进行繁琐的多重申报和审批手续,阻碍了空调的普及。我国作为发展中国家也在2010年推出了家电能效等级制度,强制淘汰并禁止生产耗能高的制冷家电,通过补贴推广高效节能家电产品,这些都对制冷剂的新型替代物研究提出了迫切的要求。

  新型制冷剂研发的要求其具有为零的ODP值和较低的GWP值,还应顺应“低碳”的潮流,即具有良好的热学性能,使得制冷设备的能效比(耗电量和产生制冷量的比值)尽可能高,同时要兼顾安全性(燃爆特性)和经济性,争取做到既环保又经济。

  就目前的情况来看,中国中央空调的从业企业已经开始探索新制冷剂的研发和运用。2014年,特灵在法国推出采用R1233zd(E)的E系列离心式冷水机组,该产品是全球首台采用新制冷剂的中央空调产品。在2016年末,开利在上海工厂推出了全新一代的19DV离心机组,该机组不仅进行了设计方面的创新,更是运用了R1233zd(E)制冷剂,使得机组的GWP值达到1.34。同时,2017年中国制冷展先后有多个品牌开始展示运用新制冷剂的产品。麦克维尔展示低GWP新冷媒变频单螺杆机组,顿汉布什展示了永磁变频降膜螺杆冷水机组,EK空调展示了磁悬浮风冷冷水机组,可以根据客户需求选择R1234ze和R513a制冷剂。可以看出,外资品牌已经在大型冷水机组的新制冷剂方面取得了突破,并且公布和展示了相关的产品。

  相比外资品牌,国产品牌在家用空调方面的积淀更深,对于新制冷剂的运用也相对较早。2011年,全球第一条R290空调示范生产线在珠海格力电器落成,且第一批R290环保空调于当年落户马尔代夫并正常运行至今。同年,美的空调“关于R32、R290、R161三款新型环保冷媒关键技术及应用科技成果”率先通过了专家组的一致鉴定,认为代表了我国环保制冷剂未来发展的方向和主流趋势。2015年,海尔率先将二氧化碳制冷剂技术运用在空气能热水器方面。正是由于在家用空调多年的技术积累,使得国产品牌已经较好的掌握了新制冷剂的特性。

  而在中央空调方面,国产品牌也正在将新制冷剂运用到了模块机等产品。相比欧美和国产品牌,日系品牌则将制冷剂的研发方向放在了R32方面。以大金为例,大金申请了R32制冷剂的基本专利技术,并在其优势产品——家用中央空调、商用机等产品得到应用。同时,为了普及这一制冷剂,在2011年9月,开始无偿开放“制造、销售R32空调所必须的基本专利技术”,让新兴国家以及其他厂商使用,在这一因素的带动下,已经有不少国家和地区开始允许销售R32制冷剂的空调产品。

  目前,无论是家用空调还是中央空调,使用最多的制冷剂是R410a和R134a,像R123、R22以及R407c也有不同程度的使用。但这些制冷剂终究属于过渡产品,因此,研发新的制冷剂成为了各企业和配套供应商目前正在进行的工作。从目前的情况来看,大致可以分为以下几种类型。在小型机组方面,各厂家主要推荐使用R290和R32。在大型冷水机组方面,发展的方向则较多。开利、特灵等企业推荐使用R1233ze,麦克维尔和顿汉布什则推荐使用R513a。日系品牌荏原则在其RTBF系列离心机里采用了245fa工质的制冷剂,使得机组能效获得了较高幅度的提升。在螺杆机方面,很多企业推荐使用R1234zd。企业的选择也由很多客观因素制约。

  第一,企业面临高成本压力。一方面,虽然目前市面上使用的众多制冷剂都是过渡性产品,但是各个企业对这些制冷剂的特性已经较为了解,在产品设计等方面也更为贴合制冷剂的使用。对于新的制冷剂特性,很多企业还是处于摸索和实验阶段,因此很多产品的设计还没有定型。这一点从各企业对于离心机冷媒的运用就可以看出。采用R513a制冷剂的产品,可以直接替换R134a,产品不需要经过太多的设计修改。而采用R1233制冷剂的离心机则需要大规模修改,例如机组工质从正压变为负压、叶轮的转速、节流装置的设计等等,这些修改需要耗费大量的成本。另一方面,新的制冷剂价格昂贵。从性能上来说,R1233的能效比更高,采用这一制冷剂的最大单台冷量可以达到4000RT。但价格却是R134a的10倍,以一台机组注入1000kg的制冷剂计算,采用R1233的机组在制冷剂方面的成本就要高出几十万元。在当今竞争异常激烈的中央空调市场,几十万元能够决定很多项目的成败。

  第二,没有完美的替代方面。新的制冷剂由于性质的不同存在或多或少的问题。R32虽然ODP为0,但是制冷剂的燃烧强度低,燃烧之后会产品氢氟酸,具有腐蚀性,对人体有害,其中GWP值为650,对温室效应有较大影响。R513a虽然可以直接替代R134a,但是其还存在一定的可燃性,这注定了R513a不是终极制冷剂的原因。

  第三,主机企业被制冷剂企业制约。目前市场上的主流制冷剂,由于使用时间较长,生产和销售制冷剂的企业数量较多,主机企业的采购价格相对公开透明。但是新制冷剂的配方和生产能力主要掌握在霍尼韦尔、科慕、大金等少数企业的手中,这些企业对于制冷剂拥有绝对的定价权,但主机企业又不能不去采购。高企的成本压力,制约着企业对于制冷剂的更换速度。另外,每个主机企业的主机设计都需要结合制冷剂来进行,所以主机企业和霍尼韦尔等公司的合作紧密程度也在一定程度上决定着新品研发的速度。

  以上种种,都从不同程度上影响着制冷剂和主机生产企业,但无论如何,运用新制冷剂是大势所趋,企业要做的就是做好自己。虽然过程比较艰辛,但是很多企业已经在这条道路上奋力拼搏,为的就是努力实现低碳环保、高效节能的绿色目标。

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