1、低温室效应制冷热泵工质替代应用技术-Contents背景应用于制冷热泵系统的低GWP工质低温室效应工质制冷热泵应用特点低GWP工质可燃性及燃爆预防建议与展望背景制冷剂经历了三次更新，基加利修正案（2019,1,1生效）进一步推进了由第三代保护臭氧层到四代降低温室效应的制冷剂转换进程第四代2010-温室效应零 ODP, 低 GWP,工质（近自然）第三代1990-2010s臭氧层保护低ODP(HCFCs),HFCs,HCs,CO2,第二代1931-1990s安 全 持 久 ， 高 效CFCs,HCFCs,H2NH3,H2O第一代1830-1930s能用即可O,NH3CO2,NH3,SO2,CCl4
2、,HCOOCH3,HCs,H2O,CHCs制冷技术的发展伴随着制冷剂的更新，系统各部件必须依照工质性质设计制造并很好配合，才能达到预期效果。基加利修正案A2国家（发达国家）HFC限控时间表主要发达国家少部分发达国家(美国、欧盟、日本、加 (俄罗斯、白俄罗斯、哈萨克国家类别基线拿大、澳大利亚等)斯坦、塔吉克斯坦等)100%HFCs三年均值（2011-2013）100%HFCs三年均值（2011-2013）+15%HCFCs基线+25%HCFCs基线2019：10%2024: 40%削减进度 2029：70%2034：80%2020：5%2025: 35%2029：70%2034：80%2036：
3、85%2036：85%注：1)均以CO2当量进行计算；2)按不同国家经济情况分为两组（基线和消减进度要求不同）4基加利修正案A5国家（发展中国家）HFC限控时间表主要发展中国家少部分发展中国家(中国在内的大多数发展中 (印度、沙特、巴基斯坦、科国家类别基线国家 )威特、巴林、伊朗、伊拉克、阿曼、卡塔尔、阿联酋 )100%HFCs三年均值（2020-2022）100%HFCs三年均值（2024-2026）+65%HCFCs基线+65%HCFCs基线2024: 冻结2029：10%削减进度 2035：30%2040：50%2028：冻结2032: 10%2037：20%2042：30%2047：8
4、5%2045: 80%注：1)均以CO2当量进行计算；2)按不同国家经济情况分为两组（基线和消减进度要求不同）5值得关注： 最终保留冻结量的1520%。 消减量是以CO2当量计算。消减策略：用低GWP的工质代替高GWP的工质。与以往不同该修正案到本世纪中即2040年前后将会达到目标Contents背景应用于制冷热泵系统的低GWP工质低温室效应工质应用特点低GWP工质可燃性及燃爆预防建议与展望天津大学机械学院制冷与热泵研究室目前应用于制冷热泵系统的低GWP工质1. 较低GWP的HFCs氢氟烃：以R32为代表-替代410A2. 氢氟烯烃（HFO丙烯及丁烯衍生物） HFO1234yf HFO1234
5、ze(E) HFO1234ze(Z) HFO1336mzz替代Rl34A或Rl23，R245fa3. HCFO-1233zd(E) )-含氯不稳定烯烃替R245fa4. 自然工质二氧化碳 (R744)氨(R717)碳氢化合物如丙烷 (R290)H2O 和Air5.混合物天津大学机械学院制冷与热泵研究室当前低GWP工质替代方案按行业划分HFOs(离心和螺杆机组)NH3/CO2复叠(大型)R290(小型)冷水(热泵)机组NH3/CO2载冷剂(中型)R32(小型)冷冻冷藏CO2跨临界(大型)NH3/CO2复叠(冷凝单元)低GWP的HFC混合物(冷藏运输)工商业制冷HFC/CO2复叠(集中分布)CO2
6、(商用热水)HFO-1234yf热泵热水机房间空调器汽车空调单元机NH3CO2R32R290（2HP及以下）Contents背景应用于制冷热泵系统的低GWP工质低温室效应工质应用特点低GWP工质可燃性及燃爆预防建议与展望R32制冷热泵应用特点与R410A相比汽化潜热更高、充注量更少、低温制热能力更强，低环境温度COP衰减率更低。全周期气候性能（APF）优异变工况性能好，季节能效高，间接温室效应低适用于户外循环的空气源冷水机组，单元机A2l微燃，充注量放宽到A2类的1.5倍（ISO 51492014，GB 9237 2017 ），已应用于家用直接蒸发式空调系统（日立，三菱等）、寒冷地区供暖及中温
7、生活热水，但仍需重视其安全性.。供高温生活热水受限。GWP值对欧洲等国家和地区仍然达不到要求比R410A排气温度高低环境温度下运行提高R32热泵性能的方法：1.控制排气温度、提高低温制热能力：采用直流变频、喷气增焓、双级压缩、双转子（ 一机双级）变容量技术等2.提高变工况效率：转子式：背压控制变压 比，涡旋式：中间排气阀、提前排气口等改变压比适应工况变化。防欠压过压适用于低环境温度的双转子和喷气增焓涡旋压缩机喷气增焓循环原理常规循环制冷量增加压缩过程改善制热量增加主流量 + 喷射流量喷射流量背面有中间排气阀主流量低压比工况提前排气口针对北方寒冷地区，通过喷气增焓准二级压缩，增加制热量和改善压缩
8、过程。R32喷气增焓转子压缩机（海立，美芝）R32喷气增焓涡旋式压缩机HFO1234yf制冷热泵应用特点微燃A2L，物性接近R134a,气化潜热低于134a。主要应用于车用空调R134a的替代，也可用于住宅热泵热水器，同工况排气温度比R134a 低,低温工况 压缩机可靠性好与多数常用 材料具有良好的相容性;与R134a,相比，单位容积制（冷）热量和COP下降，充注量增加价格高杜邦，霍尼韦尔提出的丙烯衍生物中应用最早的R134a替代物HFO1234ze(E)制冷热泵应用特点微燃A2L，物性接近R134aR134a离 心式冷水机组替代物,也用于热泵热水器；与常用润滑油都具有良好的互溶性；单位容积制
9、热量较134a更小，需要较大排量压缩机。HFO1234ze(Z)制冷热泵应用特点无毒不燃A1，导热系数远高于目前常规工质。物性与R245fa 接近，为R245fa和R123的替代物，高温工业离心式热泵和余热回收系统。与常用润滑油都具有良好的互溶性，具有良好的材料相容性;R1233zd(E)应用技术特点无毒不可燃A1。虽然含有一个氯原子，但由于很短的大气寿命，其ODP和GWP都小到可以忽略不计。R245fa的替代工质，可应用于变频离心式冷水机组、低温热回收系统、高温热泵系统和热泵热水器。使用R1233zd(E)制冷剂双级变频离心式冷水机组.另一种与R245fa物性接近，临界温度更高的中高温热泵工
10、质，也为丙烯衍生物二氧化碳(R744)制冷热泵应用特点高温加热能力，适合家用生活热水一次性加热方式: 工质超临界放热有大温度滑移，供水温度高，需要较低的进水温度才能实现温度匹配。低温适应性强低温换热性能好、粘度低、摩擦压降小流动阻力小，其蒸发换热管适合设计成小管径紧凑型零部件成本和系统安全成本高系统运行排气压力高，常规循环COP不高中高温供热，排气压力可达90-120bar跨临界循环的换热二氧化碳(R744)制冷热泵应用特点提高COP手段：1. 带有中间补气的两级压缩，双转子一机双级2. 最优高压压力的控制，最优点附近曲线平缓较易实现3. 降低节流损失：膨胀机、喷射器4. 及时清除热水结垢CO
11、2通常是管内高速流动，逆流换热方式，目前家用CO2热泵热水机的气体冷却器多为套管式换热器，水在狭小的管道内流动，水质不好时热水结垢很快，应方便及时清除，-如可拆洗换热器。可拆洗换热器（用于游泳池加热） 家用游泳池的专用换热器。 类似结构可以用于CO 热泵热水器的2气体冷却器，用于加热矿化度高的水质，可定期清洗。 制冷剂管道因弹性振动可有自洁作用 。CO2专用压缩机润滑油喷入吸气腔亚临界涡旋式跨临界活塞式液体制冷剂释放机构动涡盘支撑机构快速供油泵跨临界单螺杆式CO2涡旋式压缩机CO2换热器平行流（微通道）蒸发器套管式气体冷却器排气口进液口出水口进水口可视化法兰排液口（预留）CO2干式蒸发器结构C
12、O2降膜式蒸发器CO2气体冷却器钎焊板式平行流式铜管翅片式套管式管壳式CO2气体冷却器CO2电子膨胀阀和辅件氨 (R717)制冷热泵应用特点高汽化潜热，低充注量，采用板壳式或其他低充注量换热器。更高的COP（与HFC比）压缩机换热器管道和阀门尺寸小于HFCs系统属B2L，氨的临界充灌量规定为10t。不太适合高人口密集区域、家用，地暖，生活热水等。应用：热泵NH /CO Cascade System32物性很好的制冷热泵自然工质NH /CO Cascade System32氨/CO2复叠制冷机房用于氨冷风机的不锈钢换热器目前很多厂家生产的不锈钢换热器并不是不锈钢无缝管，而是用不锈钢薄板裁条、卷管
13、、焊缝、弯U型管、穿片焊管、压力胀管而完成丙烷-R290制冷热泵应用特点：工况范围较宽，较低排气温度,单位容积制冷量较R22低,已有家用1.0，1.5HP小型家用空调热泵生产.充灌量受安全标准限制减少充灌量：换热器（微通道、变径）考虑安全性1. 小型系统R290专用压缩机（满足安全认证标准）2. 电源接线盒 ，控制器全密封设计3. 安全规范：设计、制造、运输、安装、使用天津大学机械学院制冷与热泵研究室R290压缩机全密封设计运行范围宽运行成本低安全性优良R290转子式压缩机全封闭式R290涡旋压缩机，适用于小充灌量系统。天津大学机械学院制冷与热泵研究室混合制冷剂混合制冷剂-根据应用特点有多种选
14、择根据应用特点有多种选择制冷热泵系统适配工质的制冷热泵系统适配工质的“多因素平衡通则多因素平衡通则”。多因素平衡通则多因素平衡通则层次分析法层次分析法环境可接环境可接受性受性装置和系统装置和系统适用性适用性安全性安全性基础物性基础物性原则：统一考虑来选择组元和配比：低GWP混合工质制冷热泵应用技术环保工质燃气机热泵示范系统环保工质冷冻冷藏系统及生物保鲜技术实验（天津大学制冷热泵实验室）环保工质热泵种子干燥系统（天津大学制冷热泵实验室）Contents背景应用于制冷热泵系统的低GWP工质各种低温室效应工质热泵应用特点低GWP工质可燃性及事故预防建议与展望天津大学机械学院制冷与热泵研究室低GWP工
15、质燃爆特性低GWP工质大部分可燃，为了降低温室效应，国际国内组织已逐渐放宽对环保型可燃工质使用约束ISO5149-2014 、GB/T 9237-2017：可燃工质在严格控制充注量时，可使用在有人空间的舒适性空调场合，使用弱可燃A2L类制冷剂，充注量放宽到A2类的1.5倍。国际电工委（IEC）家用和轻商用制冷设备中碳氢制冷剂充注量限值（150-500？）可燃制冷剂使用安全性天津大学机械学院制冷与热泵研究室各种因素对工质可燃极限的影响LFLLower flammable limitFlamePropagationvelocityIgnitionEnergySamplewith oilTemper
16、atureHumidityUFLUpper flammable limit因此LFL最能代表工质本身的可燃性，但它受一些因素的影响天津大学机械学院制冷与热泵研究室各种影响因素对LFL及火焰传播速度的影响天津大学机械学院制冷与热泵研究室制冷剂泄漏事故可能发生的环节产业链安装维护维修回收报废泄漏风险存在于生产、运输、制造、运行、维修等每个环节天津大学机械学院制冷与热泵研究室外部因素- 点火源出现的风险压缩机运输和储藏维修和回收压缩机运行、设备运输及维修回收都存在危险性可燃制冷剂的燃爆风险顶上事件概率可由引起泄漏和产生火源的基本事件的概率求得Contents背景应用于制冷热泵系统的低GWP工质各种低温室效应工质热泵应用特点低GWP工质可燃性及事故预防建议与展望建议与展望1.多元化，总量控制低GWP制冷剂应用技术的发展方向。尚无单一工质可以完美地满足制冷系统的各种适用性要求，不同的应用场合和需求特点存在适用的低GWP工质及匹配技术。最佳途径：多元化、灵活实现CO2当量总量控制。2. 低GWP代替高GWP更符合国情的消减策略。基加利修正案规定的消减量是以CO2当量计算，最终保留冻结量的1520%。建议通过GWP减量策略，发展与国情相契合的替代技术。3.完善制冷剂全生命周期的风险应对策略。全面考虑工质生产、运输、零部件制造、运行、维修等每个环节
