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【论文】低GWP制冷剂在热泵行业的应用分析

2021-04-05 13:53来源:健康家电作者:综合业务部网址:https://mp.weixin.qq.com/s/smdZmWg4fHVmuKfF2JApYA浏览数:14 

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引言

空气源热泵产品在2002年前后自中国南方广东登陆,凭借其节能、环保等特性在长江以南地区迅速发展。在国内热泵行业发展初期,R22的产品占据超过70%的市场份额,R22是热泵行业使用最为广泛的HCFC类物质。据报道,中国在2010年HCFC类物质生产总量占全球的78.5%,使用量占全球的48.4%[1]


随着世界各国对于环境问题的日益关注,基于对ODP(臭氧层破坏能力)和GWP(全球变暖潜能值)值的考虑,率先对高ODP的HCFC类产品制冷剂进行了加速淘汰。2007年9月《蒙特利尔议定书》第19次缔约方会议通过了加速淘汰HCFCs的调整方案(见表1)。中国已完成了HCFCs加速淘汰第一阶段的目标,正在向实现第二阶段的目标迈进。


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2016年10月,国际社会在《蒙特利尔议定书》框架下围绕温室气体HFCs的削减达成了新的基加利修正案。经过广泛协商,基加利修正案最终确定了包括R134a、R32、R125等在内的18种HFCs受控物质。中国等主要发展中国家,自2024年开始冻结,2029年削减10%,最终2045年实现削减80%,如图1所示[2]


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图1 2016年《蒙特利尔议定书》基加利修正案中规定的中国HFCs类制冷剂的限控时间


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全球热泵相关行业低GWP制冷剂政策法规

随着基加利修正案的通过,热泵行业主流制冷剂,如R134a、R410A等已经被列入受控物质范围,行业的可持续发展必须充分考虑制冷剂的替换,未雨绸缪。


2.1 欧洲热泵相关行业低GWP制冷剂政策法规

欧洲热泵相关行业的F-GAS限制如表2所示。


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更重要的是,欧盟规定市场销售的所有制冷剂预充设备必须持有欧盟配额,其GWP值范围覆盖所有制冷剂。也就是说,设备厂商必须购买相应配额以销售产品,当产品使用的制冷剂GWP值越高,设备厂商将付出更高的费用。该方案从2017年1月1日就开始正式实施。图2中展示了EPEE(欧洲能源与环境合作伙伴协会)在2018年发布的高GWP制冷剂的价格走势,受欧盟F-GAS政策影响,2017年开始,R410A、R134a等当前常用制冷剂价格显著提升[3]


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图2 R404A、R407C、R410A、R134a自2014到2018年2季度的价格走势


2.2 日本热泵相关行业低GWP制冷剂政策法规

据日本经济产业省和环境省估计,到2020年日本的HFC类物质排放量将达到2010年的2倍,制冷与空调将会成为主要的排放来源。日本内阁于2013年4月19日批准了修改现有《氯氟烃回收与销毁法》的议案,新法明确区分HFC类物质生产商、设备制造商及用户的责任,建立相应的检漏及管理机制,并鼓励使用低GWP制冷剂[4]


日本经济产业省(METI)2015年4月1日开始全面实施新的F-gas含氟气体法案,聚焦在用量较大的应用领域,如家用空调、机柜等,具体如表3所示。


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2.3 美国热泵相关行业低GWP制冷剂政策法规

美国环保署(SNAP)在2015年7月公布了高GWP制冷剂的去除方案,如表4所示。


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2015年6月,中国发表应对气候变化国家自主贡献文件《强化应对气候变化行动——中国国家自主贡献》,中国确定的2020年行动目标是:单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。2030年行动目标是:二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达峰;单位国内生产总值二氧化碳排放比2005下降60%~65%。


使用更低GWP的制冷剂成为当前全球制冷剂替代技术的首要诉求,欧洲的F-GAS政策已经对高GWP制冷剂价格造成重大影响。从全球各个国家的制冷剂限制政策中也可以发现,GWP 750/150可以看作中期和长期制冷剂限制政策的分界值。


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低GWP制冷剂在热泵行业的应用分析

3.1 国内热泵行业制冷剂应用分析

根据中国热泵产业联盟在2018年发表的热泵行业发展和展望的报告中指出:热泵行业主要细分市场集中在生活热水以及清洁取暖行业,热泵烘干市场目前市场容量占比不到4%,如图3所示。


图3 2015-2017年热泵行业细分市场占比


因此本文主要针对生活热水和清洁取暖领域的制冷剂应用进行分析,并进一步将热泵热水区分为高温热泵和普通热泵,详细如表5所示。


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R22作为高ODP制冷剂已经无法长期使用,因此热泵行业的低GWP制冷剂主要是针对R134a、R410A而言的,由于这两种制冷剂的细分应用领域存在差异,后文分别进行评价。


3.2 适用于替换R134a的低GWP制冷剂分析


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对于普通热泵来说,以GWP 750/150作为分界,R134a的主流替换制冷剂主要为中短期的R450A和R513A,进一步比较这两种制冷剂在A/T工况(冷凝温度54.4℃,蒸发温度7.2℃,过冷度8.3℃,吸气温度35℃)下单位能力和理论COP(见图4),可以看到R513A单位能力与R134a基本一致,但是理论性能略有下降;R450A则相反。但是两者与R134a相差幅度接近,因此厂家可以根据系统匹配结果、油品相容性等选择合适的冷媒。R1234ze和R1234yf作为GWP超低的替换制冷剂,是R134a的较为理想的长期替换品。R1234yf单位能力与R134a接近,但是理论性能略有下降,与R513A相当;R1234ze在AT工况下的单位制热能力约为R134a的75%,但是理论性能优势大,系统需要相应调整。同时,由于这两种制冷剂都属于A2L类范围,其充注量受到限制,会阻碍机组能力提升;若用于小型家用系统,充注量担忧则可规避。此外,R1234yf目前在欧美国家已经广泛应用于汽车空调领域,对于缓解其高价位或有帮助。


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图4 R134a及其替换制冷剂的制热能力和COP对比


对于高温热泵来说,首要关注临界温度,这四种制冷剂都可以较好的满足,其中R1234ze临界温度最高。同样以GWP 750/150作为分界,中短期的替换方案选择R450A、R513A比较合适,长期需要考虑R1234ze、R1234yf。针对两种长期替换制冷剂,分别比较其在25℃蒸发温度,冷凝温度不断上升时候的单位制热能力和制热效率(见图5和图6)。可以看到R1234yf随着冷凝温度上升,容积制热能力从90%下降到80%左右,R1234ze基本稳定在75%;在制热效率上R1234yf随着冷凝温度上升,制热效率从95%下降到88%,R1234ze则基本维持在100%。


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图5 R134a、R1234ze、R1234yf的容积制热能力对比


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图6 R134a、R1234ze、R1234yf的制热效率对比


3.3 适用于替换R410A的低GWP制冷剂分析

对于普通热泵来说,随着房间空调器领域R410A替代R22的大规模市场化应用,越来越多的热泵企业推出R410A的热泵热水产品,但是R410A的GWP接近2000,需要考虑合适的替换冷媒。热泵热水器的运行模式为全年高水温运行,R32在同等情况下排气温度要高出R410A 15℃以上,因此不建议在不修改运行范围的情况下直接替换R410A制冷剂使用。此处主要对比R410A、R452B、R454B、R454C这几种冷媒在A/T工况下的情况,如图7所示。


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(1)R452B的单位能力与R410A最为接近,性能上也略优于R410A,两者在所选冷冻机油差别不大的情况下,可以作为R410A的“DROP IN”型(直接灌入系统)替换制冷剂。R454B的能力略有下降,但是其GWP与R410A相比下降1/3,在GWP政策较为严格的欧洲市场,能有效减少企业向政府支付的碳税,有较大的经济优势。


(2)R454C的GWP已经突破150的极限,可以做为未来长期替换的制冷剂储备。但是需要注意,R454C的单位能力在AT工况下比R410A降低1/3,系统需要有较大调整。同时在温度滑移方面,R454C有7℃温度滑移,不利于系统匹配。当然相比其他低GWP制冷剂,如R290,其优势在于安全系数为A2L,生产厂家的设备调整幅度相对较小,可以作为过渡阶段的一种替换制冷剂考虑。


对于低温环境热泵来说,则更关注各种冷媒在冬季的表现情况。现有国内的低温环境热泵设备有两大类型,一是以北京地区为主的家用热泵水机,采暖季的长期运行的冷凝温度在50℃~55℃;二是以北京以外的二三线城市使用的热风机,其使用环境与北京地区接近,其冷凝温度一般在35℃~40℃。比较名义环境温度在-12℃下,分别使用这两种热泵采暖设备时,各种制冷剂的表现情况,如图8所示。


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图8 R410A、R32及其替换制冷剂在低温采暖时的制热能力和COP对比


(1)在使用水机作为采暖终端时,R32的理论排气温度达到

124℃,实际排气温度在高压比工况下会达到150℃以上。此时即使采用国内采暖设备中常用的补气增焓技术进行降温,降温幅度一般在20℃~30℃,仍然超过压缩机的正常工作温度。若采用喷液方式,虽然可以有效降低压缩机排气温度,但是喷液量在系统中难以控制,不利于系统长期稳定运行。此外,喷液降温非但对机组制热量提升没有帮助,也会增加压缩机额外功耗,带来机组能效的降低。因此R32制冷剂应用于低温采暖水机系统是不合适的。当使用热风机作为采暖终端时,由于出风温度要求降低,R32制冷剂的实际排气温度通过补气增焓等手段,可以控制在110℃以内,热泵系统可以长期温度运行。因此,R32作为中期替换制冷剂,凭借其高单位能力,相对较低GWP,适用于部分热泵热风机系统,但是无法用于采暖水机终端系统。


(2)R452B和R454B的对比情况和在普通热泵中接近,两种冷媒都是替换R410A比较合适的中短期制冷剂,在热泵水机和热泵热风机两种主流终端均有较好的适用性。


(3)R454C由于其临界温度高于其他几种冷媒,可以保证更高的出水温度。因此虽然其单位能力相比R410A有较大降低,但是若考虑需要对应较高出水温度的采暖+热泵一体机等应用场合,具有更大温度优势。


3.4 天然制冷剂分析

3.4.1 R290

在我国的空调领域,R290一直是国家环保部门以及家用电器协会力推的替换R22的纯天然制冷剂。R290的GWP为0,对环境友好,临界温度可达96.7℃,本身单位容积制冷量和性能与R22接近,且同等工况下排气温度比R22要低10℃以上,因此无论在普通热泵还是低温采暖,R290都能满足高出水温度和低环境温度的使用需求,具有其特有的优势。如表8所示,为R22与R290的基本特性理论特性以及在A/T工况下性能比较。


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但是由于R290是A3类制冷剂,各国对于其大规模市场化使用一直在持续探索中,随着针对R290系统的安全措施不断升级完善,2019年5月9日,IEC宣布正式批准将标准IEC 60335-2-89下自含式商用制冷陈列柜的A3类制冷剂充注量限制从150g提升到500g。这表明IEC从技术措施到安全性,对于可燃制冷剂的认识正在逐步提升。


在欧洲,R290在热泵型干衣机已经有多年市场实绩,伴随IEC标准的放宽,相信R290制冷剂在欧洲的推广会更为顺畅。国内对于R290制冷剂的推广应用始终未曾间断,预计在2019冷年将会实现20万以上的空调销售。


在各方的积极推动下,随着R290充注量在越来越多的领域放开,以及系统安全措施的不断升级,R290或将成为热泵行业的长期使用的终极制冷剂之一。


3.4.2 CO2(R744)

CO2的ODP为0,GWP基本为0,对环境友好。同时,CO2的临界温度为31.3℃,与环境温度接近,CO2的制冷循环高温放热温度必须高于此温度才能实现放热。故CO2制冷循环为跨临界循环,放热过程位于超临界区域进行,蒸发过程位于亚临界区域进行[6]


如图9所示,位于超临界区域的CO2放热过程为变温过程,有较大的温度滑移,该滑移过程正好和加热水所需的变温热源相匹配,当用于热泵循环时有很高的传热效率。


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图9 CO2跨临界循环温-熵图[6]


与使用普通制冷剂的压缩机相比,CO2跨临界循环压缩机具有工作压力高、压差大、压比小,此外其还有运动部件间隙难以控制、润滑较困难等特点。CO2压缩机与现有其他冷媒压缩机相比,无论在生产线改造还是零部件统一上都存在较大困难。因此CO2压缩机的研究开发以及批量生产一直是技术发展的难点。在系统配件和管路等方面也因为需要适应其高压力的运行特点,成本居高不下。


CO2虽然从物性上在热泵行业有较好的适用性,但是距离市场化推广还缺乏足够的政策驱动力,相比R290,短期内很难预见其在热泵行业的市场化迹象。


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低GWP制冷剂在热泵行业的替换趋势分析

在热泵行业,主要细分领域包括高温热泵、普通热泵和热泵采暖。当前形势下,R22作为高ODP制冷剂已经无法长期使用,因此热泵行业的低GWP制冷剂主要是针对R134a、R410A而言的,这两种制冷剂贯穿在这三大细分领域,交叉使用,这三大主流制冷剂的应用和替换趋势分析如下:

(1)对于R134a来说,其在高温热泵和普通热泵领域均有较好的适用性,随着发达国家尤其是欧洲对低GWP的HFC类制冷剂持续关注,R450A、R513A将成为短期内较为理想的解决方案,并且已经拥有批量实绩,对于后续的大范围使用具有一定的示范作用;R1234ze,R1234yf作为长期替换R134a的制冷剂有较大优势,同样值得关注。


(2)对于R410A和R32来说,由于R32的排气温度在同等情况下要高出R410A15℃以上,在主流热泵领域主要使用还是R410A,其中短期的低GWP替换制冷剂包括R452B、R454B。R452B针对R410A具有“DROP IN”(直接灌入系统)的优势;R454C则具有更低的GWP值,相比R410A降低1/3。R454C的GWP在150以下,可以作为长期替换制冷剂的选项之一。在低温采暖领域,R32作为中期替换制冷剂,凭借其高单位能力,相对较低GWP,适用于部分热泵热风机系统,但是无法用于水机终端系统。R452B、R454B、R454C则呈现和普通热泵领域接近的结果,在热泵水机和热泵热风机两种主流终端均有较好的适用性。


(3)R290能满足高出水温度和低环境温度的使用需求,具有其特有的优势。在各方的积极推动下,随着R290充注量在越来越多的领域放开,以及系统安全措施的不断升级,R290或将成为热泵行业的长期终极制冷剂之一。


(4)CO2虽然从物性上在热泵行业有较好的适用性,但是由于其工作压力高出现有制冷剂3倍以上,现有压缩机及系统配件的通用耐压能力难以满足其运行要求,距离市场化推广尚不成熟。


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结论

我国已经成为全球制冷产品生产基地,热泵相关产品大规模出口到欧洲、美洲、日本等发达国家,使用更低GWP制冷剂的产品是当前全球制冷剂替代的首要诉求。


从制冷剂替代技术发展的现状来看,国际社会还没有形成一致而且清晰的适应全球制冷剂替代的技术路线以及各地区均可操作的技术方案,替代制冷剂选择与技术开发交织在一起,相互矛盾又相互促进[7]。对于我国来说,开发适应于我国国情又能在国际竞争中处于优势的全新低GWP制冷剂(包括天然制冷剂)热泵产品,有助于实现热泵行业的转型升级和可持续发展,对于我国履行蒙特利尔议定书承诺具有重要价值。

(本文完)

本文作者

上海海立电器有限公司 谢郦卿 李爱国 黄之敏


参考文献

[1] 顾瑞珍,翟玉珠. 我国含氢氯氟烃生产行业淘汰计划正式启动[N/OL]. 新华社, 2013-09-14. http://www.gov.cn/jrzg/2013-09/14/content_2488554.htm.

[2] 联合国环境规划署. 达成基加利修正案后,我们下一步该怎么做?[DB/OL]. 2017-10-15, http://www.chinarefac.com/refrigerant_show.aspx?id=2469.

[3] 肖学智, 周晓芳, 徐浩阳, 张子琦, 陈江平. 低GWP制冷剂研究现状综述[J]. 制冷技术,2014(06): 37-42.

[4] Paul de LARMINAT, Update on the Implementation of the European F-gas regulation[R].2018年中国家用电器技术大会.

[5] 张晓艳. 5匹空气源高温热泵理论与实验研究[D]. 湖北: 华中科技大学, 2012.

[6] 张利, 罗寅, 童振华. 二氧化碳热泵采暖机组性能改善研究[J]. 装备机械, 2013(01):32-35.

[7] 李连生. 制冷剂替代技术研究进展及发展趋势[J]. 制冷学报, 2011(06): 53-58.



来源:《家电科技》2021年第一期