R290家用空调产业化关键技术问题分析

龙建佑，吴治将，林

（1.顺德职业技术学院广东高校热泵工程技术开发中心，广东佛山 528333；2.广东志高空调有限公司，广东佛山 528244）

0 引言

从当前房间空调器的制冷剂的发展状况来看，对臭氧层有破坏作用的R22的加速淘汰已不可避免，而目前替代R22的 R134a、R410a、R407C等高GWP的HFC类制冷剂也将面临被管制 （淘汰）的命运。R290因其优异的环保性能、R32因其低的GWP和较高的最低燃烧极限，而成为当前潜在的最有可能的替代物。通过全面比较R290和R32的性质我们发现，R290在环保性能、热力性能、绝大多数热物理性能以及全面的实用性质方面均优于R32，R32仅在极少数的热物理性质和最低燃烧极限上略优于R290。而在燃烧性方面，目前的技术发展已经可以使得R290房间空调器的充灌量能够满足欧盟标准的要求，并且还在不断的研究开发中。总之，在房间空调器制冷剂的替代方面，R290总体上要优越R32很多[1-5]，R290必然成为家用空调替代制冷剂的首要选择。

欧盟、日本都倾向于研究开发自然工质空调系统，并制定了该类产品的行业标准。欧洲采用R290、R600a为工质的冰箱、小型空调和汽车空调已超1000万例，尚未发现因此造成的工质泄漏引起的爆炸伤人事故。目前在欧洲已经开始生产和销售R290空调，图1为意大利的DeLonghi公司开发的使用自然制冷剂R290的分体式空调，其技术数据如下[6]：制冷量3500W，制热量3530W，COP达到3.34，噪音：36dB（A）。

图1 DeLonghi公司R290分体空调器

2009年6月18日及2009年11月31日-12月1日，环保部外经办和中国家用电器协会在北京组织召开了中国房间空调器行业HCFCs替代技术专家委员会第一及第二次会议。来自于家用空调器企业和相关领域的科研院所、高等院校的专家，环保部外经办领导、中国家用电器协会领导、联合国工业发展组织的官员参加了会议。专家委员会会议的召开将有效推动房间空调器行业HCFC-22的替代工作，可以说在我国房间空调器行业的HCFC-22淘汰过程中是一个里程碑性的事件。会议交流了国际国内空调器替代工质替代技术研究成果和进展，讨论了我国房间空调器HCFC淘汰管理计划。专家一致同意继续在碳氢工质的安全性和性能等共性问题上开展深入的研究和合作，并依托专家委员会平台，共同开展工作，包括提出制冷剂评价意见、建立空调器产品安全风险评价的试验方法、各种制冷剂性能比对试验等。有关的专家和企业都明确表明要在这些方面加快进行深入的研究。

我国各空调公司和高校都已经展开R290空调及其相关问题研究工作[7-14]，它们的研究结果均表明，只要解决好易燃易爆问题，R290替代R22作为家用空调器制冷剂是可行，同时整机成本会降低，效率会提高。从国内外空调行业的走向可以看出，虽然目前R290空调国内市场正处于启动前的准备阶段，但随人们的认同度提高，R290必然成为家用空调替代制冷剂的主要选择。

1 R290空调产品设计方面关键问题

1.1 减少系统充注量

为彻底杜绝因工质泄漏引起的爆炸伤人事故情况的发生，应尽量减少R290空调的制冷剂灌注量，保证即使制冷剂短时间内完全泄漏也不会发生事故。按照IEC 60335-2-40和EN 378-1：2008中的最大灌注量公式来限制灌注制冷剂，碳氢制冷剂最大灌注量公式：

式中：LFL—制冷剂最低可燃浓度，R290=0.038kg/m3；

Mmax—空调系统的最大灌注量，kg；

h0—室内机的安装高度，m；

A—房间面积，m3

根据该公式，对不同高度、不同面积房间所用空调器的最大工质灌注量，以及不同工质灌注量可以应用的不同高度的最小房间面积作了部分计算统计，其结果如表1所示。

由表可知：室内机的安装高度为2.2m，面积为10m2的房间所使用的R290房间空调器的最大工质灌注量为290g。对于两匹以上的大机组，很难将充注量控制在 IEC 60335-2-40和 EN 378-1：2008限量范围内，因此对于两匹以上的大机组可以考虑采用二次制冷剂，而对于两匹以下的小机组可通过以下措施减少系统充注量。

1）压缩机腔体优化。由于滚动转子式压缩机采取直接吸气、间接排气的方式，压缩机机壳内充满排气压力下的R290蒸气，是R290房间空调器的制冷剂储存量较大的部分，可以根据R290制冷剂的特性，进一步优化压缩机空腔容积。目前，国外一些厂家 （如Danfoss）等已经成功开发出R290活塞式压缩机，因此开发出结构紧凑、性能优良的R290滚动转子式压缩机也是可能的。另外，气液分离器对于旋转式压缩机具有重要的作用，对于改善旋转压缩机的工作状况、提高效率以及延长使用具有重要意义。但气液分离器容积也成为增加制冷剂充注量的重要组成部分，应优化其结构，在保证压缩机安全运行的情况下减小其容积[11]。

2）采用小管径或微通道冷凝器。冷凝器中的制冷剂约占整个循环系统的40%～50%左右，可将冷凝器7mm管改为5mm或微通道冷凝以减少充注量，但需要解决小管径冷凝器制热量下降的问题和采用平行流微通道换热器结霜排水问题[10]。

表1 不同高度、不同房间面积所用空调器的最大工质灌注量 （kg）

3）减少蒸发器流程。R290的传热系数是R22的109.7%（液体）～174.5%（气体），蒸发潜热是R22的180%。因此可考虑采用小管径蒸发器来减小蒸发器内容积，从而降低工质灌注量。但是蒸发器换热管内大部分为气体或气液两相混合物，由于小管径换热管内螺纹齿的扰流作用，气体的阻力损失要远远大于液体。若减小换热管管径，将大大增加系统的阻力损失，降低系统的能效比。因此，可以对原蒸发器采取减少换热管的流程来减少充注容积，而不考虑蒸发器采用微管径方案[8]。

4）缩短连接管长度和管径。考虑到R290气态和液态的动力粘滞系数都低于相同状态下的R22工质，制冷剂系统管路沿程阻力损失对R290系统性能影响低于R22系统，因此R290分体空调系统内外机连接管可以使用较R22系统更小直径的连接管，同时可以在满足用户使用要求的前提下，尽可能地缩短内外机连接管的长度，减少系统容积，从而达到减少系统工质灌注量目的。

1.2 开发R290专用高效压缩机

R290的单位容积制冷量比R22略低，单位容积制冷量影响到压缩机的工作容积，Ki-JungPark等[4]认为R290直接使用R22压缩机需要将工作容积增大6%～10%。因此，应根据针对R290的热物理性质，讨论R290替代R22时对空调用旋转压缩机制冷量和功率消耗的影响，提出了R290替代R22时空调用旋转压缩机优化措施，开发R290专用压缩机，改进电动机设计，优化压缩机结构、排气系统、泄露间隙、选择冷冻油。文献 [11]提出的一系列措施可进一步提高R290空调用旋转压缩机的性能，实现替代即可节能的目的。图2为美芝公司的R290压缩机。

图2 美芝公司R290压缩机

1.3 研究电控系统防火设计

必须保证在制冷剂泄漏可能聚积处必须没有火花源，可采用非火花源元器件 （封装继电器、封闭式通断装置、能量有限的仪器和回路等），也可把火花源元器件置于万一有制冷剂泄漏时也没有制冷剂聚积的位置 （比如在封闭的外壳内），尤其是空调器内部元件 （变压器、发光二极管显示、摇摆电机、风扇电机、插线板、继电器等），如采用带有灭弧装置、防爆型、防静电设计的接触器，最大限度减少电火花的产生。

1.4 加入混合阻燃剂提高制冷剂的燃烧下限

R290在空气中的最低可燃浓度为0.038kg/m3，如果通过加入混合阻燃剂提高 R290的燃烧下限（即提高R290在空气中的最低可燃浓度），按照IEC 60335-2-40和EN 378-1：2008中的最大灌注量计算公式，同样高度和面积的房间允许使用R290空调的最大充灌量限额就增大了，这就提高R290空调的使用安全性。徐明仿等[15]提出了加入混合阻燃剂的抑爆方法，根据制冷剂的燃烧极限，如加入R134a、R125、R227ea等阻燃剂，可以提高泄露后空气中制冷剂的燃烧下限。王怀信等人[16]提出在加入阻燃剂R134a、R125、R227ea的基础上，同时加入辅助阻燃剂CO2的方法。这些措施都能很好的阻止可燃工质的燃烧等危险。

1.5 安装收氟电磁截止阀和室内机检测报警装置

室外侧使用两个电磁截止阀。室内一旦发生泄漏报警，空调器立刻自动切换至收氟状态，将室内制冷剂完全收至冷凝器，整机强行中止运行直到专业人士维修正常，并手动恢复为止。

在空调器室内机换热器上增加制冷剂浓度检测装置，当制冷剂在发生泄漏达到轻微浓度时即给空调器断电，切断可能的火源，并发出声光警报提醒使用者通风撤离。由于R290密度大于空气，检测装置应安装在室内换热器的下方位置。

2 R290空调制造方面关键问题

空调企业通过控制生产精度而减少不必要的制冷剂泄漏量，保证通风而有效稀释环境中的制冷剂浓度，改造生产线减少电火花并增加浓度检测装置，是完全可以做到安全生产的。

2.1 改造生产线关键工序

1）定量充注。该工序泄漏R290的可能性最大，一般完成充注后拔下充注枪，会有R290从快速接头处溢出，接头周围的R290瞬间浓度比较大，因此充注工序属于重点监控防护区域。必须采用专用的R290充注机，在R290储灌周围设立隔离区，并安装可靠的浓度探测仪器、加强周围特别是充注口的通风、禁止明火、防止静电等，这些措施足以保证充注安全。

2）封口。目前R22空调器的生产采用封口钳夹扁工艺管，取下快速接头，然后立刻进行焊接封口。工艺管虽然被夹扁了，但不能保证完全不漏气，通常情况下都会有少量制冷剂泄漏出来。如果按照现有方法对R290制冷剂密封，少量的R290气体聚集在工艺管口周围很有可能形成爆炸危险，使用明火焊接显然不适合。可以在工艺管上加装截止阀，充注完毕立即关闭阀门，在保证有充足的流动空气下拔下充注枪头完成充注。也可采用洛克环（LOKRING）技术 （图3所示）封口，它是一种“冷”的管路连接工艺，可以在不产生高温和其它污染杂质的前提下，可靠地将金属管路连接起来，其密封性非常好，可以阻止小分子物质如制冷剂的泄漏，而且可以承受相当大的内压。

图3 德国产洛克环封口技术

3）检漏。加大器具在工厂内的检漏程度和频度。可采用三次检漏：在生产线上灌注制冷剂时在制冷回路使用氦检，在生产线上整机灌注丙烷之后检漏，还有就是在仓库里检查包装箱内是否存在丙烷。

2.2 确保生产区安全

1）测试房。目前R22生产线上的测试房主要使用环线结构方式，供电全部由环线导轨电刷取电，而电刷受弹簧力和摩擦间隙等影响，会出现打火的隐患，相对R290是个危险源。而目前测试房里主要使用快速接头进行测试连接，不可避免会发生泄漏。这两点导致测试房产生危险的可能性非常大。因此在测试房内，需改进环线导轨电刷取电方式，保证测试房有充足的送风和排风以便可以及时带走泄漏出来的R290，设置浓度检测报警设施，防止静电产生。

2）成品库房和气库。必须在成品库房安装强制通风设备、报警设施和灭火装置，以确保成品库房安全。气库须设置在离生产车间50m以外，由增压系统送至充注机。气库须配置有浓度监测仪器（可与制冷剂增压系统一体）、灭火器和防爆通风设备。

3 R290空调安装、维修等关键问题

（1）安装：分体式需要进行连接安装时，须使用抽真空方式，而不可采用制冷剂排空方式。

（2）维修：维修现场要保证良好的通风条件。在灌注制冷剂时，为避免静电产生火花，要求返修或维修现场所有设备必须可靠接地，所有的接线必须牢固可靠，绝对不允许有接错现象。

抛弃目前使用压力表和3～5公斤补氟瓶组合补氟的维修方案，设计无泄漏补氟的方案，维修工无需携带危险的大型R290氟瓶，仅需要携带可重复使用的手掌大小的罐状R290补氟器，连接至专门设计的低压阀体，即可进行安全快速的补氟操作。

（3）用户使用：室内机必须安装可靠的探测仪器，在发生泄漏时能发出声光报警，并且空调在停机或断电的情况下也能正常工作。

4 结语

虽然按现行版本的GB9237《制冷和制热用机械制冷系统安全要求》的规定，无论是直接系统还是间接系统，都完全禁止使用这些易燃易爆的天然制冷剂的家用空调系统进入市场。但我国在安全标准的制定方面主要还是以等同和等效采用国际和国外先进标准的方式转换为国内相应的标准。随着IEC 60335-2-40和EN 378-1：2008等新版的国际标准的相继颁布，并且经过转换程序变为中国的相应安全标准的条文后，在国内房间空调器制冷系统中使用可燃制冷剂的安全要求问题也就迎刃而解。因此，只要解决好R290可燃性引起的安全问题，攻克R290空调产品设计方面、制造方面和安装维修及用户使用方面关键问题，R290空调必将成为未来空调市场的主流。

[1] 李越峰，李进.丙烷在家用空调中的应用探讨[J].电器供应商情，2005，（2）：6-7

[2] Bjorn Palm.Hydrocarbons as refrigerants in small heat pump and refrigeration systems-A review[J].International Journal of Refrigeration.2008，552-563

[3] 任挪颖，晏刚，宋飞.天然工质丙烯替代R22的性能分析 [J].家电科技，2006，（3）：45-46

[4] Ki-Jung Park，Dongsoo Jung.Performance of R290 and R1270 for R22 applications with evaporatorand condenser temperature variation[J].Journal of Mechanical Science and Technology.2008，22：532-537

[5] 王倩，吴挺，张于峰，等.R22替代物R290的理论与试验研究 [J].流体机械，2004，（23）7：46-50

[6] 肖洪海，张桃，胡艳.R290小型家用空调器的性能匹配研究 [J].制冷学报，2006，（4）：26-30

[7] 黄玉优，肖洪海.R290空调的优势及其产业化问题[C].中国制冷学会2007学术年会论文集，2007：502-506

[8] 肖友元，刘畅，郭春辉，等.自然工质R290在家用空调器中的应用研究 [J].流体机械，2009（5）：61-65

[9] 刘丽刚.R290在家用空调中替代R22的实验研究[J].顺德职业技术学院学报，2007（4）：26-28

[10] 张守信，张明杰，付裕.R290作为家用空调制冷剂的研究[J].中国制冷学会2009年学术年会论文集，2009：255-260

[11] 何国庚.R290替代 R22的空调用旋转压缩机优化[C].中国制冷学会2009年学术年会论文集.2009：612-615

[12] 何国庚，刘璇斐.R290在小型空调器中替代R22的优势与问题及其解决措施 [J].制冷与空调，2008（2）：58-62

[13] 童明伟，吴治娟，董茂林.R290的可燃爆炸性试验及在制冷机组中的试用 [J].2002（1）：36-39

[14] 徐明仿，杜维明，晏刚.可燃制冷剂抑爆方法 [J].家电科技，2004，2（3）：106-109

[15] 王怀信，刘方，马利敏.空调循环中HCs/阻燃剂混合工质的泄漏特性 [J].工程热物理学报，2004，25（1）：17-20