空调热泵系统R32制冷剂安全性能研究述评

吕东杰

摘 要：R32作为R22和R410a的替代制冷剂，因其良好的環保性和制冷循环性能，已经被大量应用到了空调热泵系统中。但其可燃性导致的安全问题仍是影响其应用程度的瓶颈问题。本文就国内外对R32基本性质、泄漏扩散性、燃爆危险性等研究成果进行了综述。大量研究表明，R32的燃烧特性较为温和，在不同情况下泄漏和燃爆研究均认为其安全性能较为良好。

关键词：R32；空调；安全性能；泄漏；燃爆；

0引言

1987年签订《蒙特利尔议定书》，世界各国为防护臭氧层空洞，纷纷开展了HCFCs制冷剂R22的替代研究，先后开发出多种HFCs类替代制冷剂，其中R410a和R407c已得到广泛应用。1997年签订的《京都议定书》及2009年召开的哥本哈根气候大会，不但要求替代制冷剂的ODP（臭氧破坏潜能值）为0，且GWP（全球变暖潜能值）尽可能低[1]。HFCS类制冷剂R32因其较低的GWP值、良好的循环性能、低充注量、低成本，近年来被广泛关注和应用。

但R32具有一定的可燃性，其安全性能的研究显得非常重要。本文拟就国内外对R32基本性质、泄漏扩散性、燃爆危险性等的研究成果进行综述，为我国空调行业R32安全性能研究和应用提供参考。

1 R32基本性质

R32（二氟甲烷）作为HFCs类制冷剂的一种，其ODP=0，GWP=675，相对于空调常用制冷剂R22（ODP=0.055，GWP=1810）和R410a（ODP=0，GWP=2100）来说，更为符合国际环保标准，而且其系统充注量仅为R22的60%，相比于R22减排比例可达到62.7%[2]。

浙江大学韩晓红等[3]对制冷剂R32和R410a的循环性能进行了实验研究，结果表明：在不同工况下，R32和R410a的运行压比相当，能效比（COP）较R410a高0-5%左右[4]，与R22相当，作为替代制冷剂是可行的。R32作为R410a组分之一，其蒸发、冷凝压力与R410a较接近，因此更换制冷剂时，几乎不需要更换制冷元器件。

R32具有低度可燃性（A2L类，可燃性温和），从表2可以看出，其燃烧爆炸极限、燃点、燃烧速度，都是相对安全的。R32燃烧（分解）后会产生少量的有毒气体HF。

2泄漏扩散性研究现状

从1950s开始，国内外开展了大量危险性气体扩散泄漏数学模型的探索和研究，高斯模型、浅层模型、箱模型等使用较多。1970s开始，随着计算机技术和运算能力的提升，计算流体力学的方法逐渐兴起，如有限元法、有限差分法、有限体积法等。计算流体力学结合初始、边界条件以及数值计算理论，建立基本守恒方程，预测实际场景下的流场、温度场、浓度场，来描述扩散泄漏过程[6]。

2.1静态泄漏

中国科学技术大学李雨农等[7]通过FLUENT进行数值模拟，并做了大量的模拟和真机实验，研究了不同空间、泄漏速度、泄漏方式、泄漏量条件下R32静态泄漏的泄漏扩散规律。实验在4.8m×3.5m×2.6m受限空间内进行，泄漏位置为2.2m和0.45m（分别模拟挂机和柜机），其泄漏孔径为3-6mm，泄漏量为10-30kg/h，针对以上影响因素进行了大量泄漏扩散实验，指出：R32上、下方泄漏都表现出明显的沉降性；下方泄漏时（柜机），以泄漏口为中心由近及远地扩散，同时刻靠近泄漏口处的浓度更大；上方泄漏时（挂机），部分区域出现中间浓度值最低的现象；受扩散初速度的影响，最靠近泄漏口的浓度反而低于周边。

田贯三等[8]对可燃制冷剂的泄漏喷射过程进行了模拟研究，提出了泄漏量的计算方法，认为孔口泄漏过程可以看做为绝热过程，压缩机出口至节流阀之间是制冷系统压力最高的部位，得出结论：可燃制冷剂泄漏会形成一个可燃浓度区域，即使泄漏空间内其浓度达不到爆炸极限范围，其泄漏点附近也会有局部爆炸着火的危险。同时建立了计算可燃制冷剂在房间内泄漏后的浓度变化模型[9]。

2.2动态泄漏

泄漏也可能发生在动态过程中。彭继军[10]分析了可燃制冷剂发生瞬间泄漏的条件，并基于CSD状态方程建立了可燃制冷剂气液相空间动态泄漏模型（采用高斯烟雨模型与有限时间泄漏扩散模型）。研究了可燃制冷剂层流预混火焰的传播特性与规律，提出了一种新的综合评价制冷剂可燃特性指标IFI（Integrated Flammability Index），综合考虑燃爆极限、化学当量浓度和火焰传播速度，为评价可燃制冷剂安全性提供参考。

Jia[11]做了室内R32空调动态泄漏的相关实验研究，比较了空调运转条件下泄漏在室内不同位置处R32的浓度，实验研究表明当R32从空调器中泄漏到房间内的过程中，R32的浓度随着空调的运转越来越低，可燃区域仅会出现在泄漏孔处且维持的时间非常短，R32的燃烧风险在空调运转的情况下是非常低的。

4结论

R32作为R22和R410a的替代制冷剂，因其良好的环保性和制冷循环性能，已经被大量应用到了空调热泵系统中。但其可燃性导致的安全问题仍是影响其应用程度的瓶颈问题。本文就国内外对R32基本性质、泄漏扩散性、燃爆危险性等研究成果进行综述。结论如下：

1）静态泄漏：R32泄漏表现出明显沉降性；下方泄漏时靠近泄漏口处的浓度更大；上方泄漏时，部分区域出现中间浓度值最低的现象。

2）动态泄漏：R32的浓度随着空调的运转降低，可燃点仅会出现在泄漏孔处且维持时间非常短，R32的燃烧风险在动态情况下较低。

3）内部燃爆：混入空气后R32系统压力增大，在机组内部混入空气引燃的可能性非常小，不会引发爆炸。

4）外部燃爆：R32的燃烧特性较为温和，不会造成火焰蔓延但有少量HF生成。

参考文献：

[1]杨申音，王勤，唐黎明，等. 常规空调热泵系统的R32替代研究述评[J].制冷学报， 2013，34（6）：59-68.

[2]张龙，刘煌.制冷剂R32在空调应用上的理论分析[J].制冷与空调，2010，10（3）：76-78.

[3]韩晓红，徐英杰，仇宇，等. 制冷剂R32的循环性能实验研究[J].制冷与空调，2010，10（2）：68-70，83.

[4]Pham， H.M.， Rajendran， R. R32 and HFOs as Low-GWP Refrigerants for Air Conditioning. Proceedings of 14th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at PurdueUniversity， 2012

[5]刘合心，宋培刚，黄浪彬. R32多联机可行性分析[J].日用电器-技术创新，2013，4：57-61.

[6]王东东. 基于FLUENT的危险性气体泄漏扩散研究[D].南开大学， 2008.

[7]李雨农.二氟甲烷制冷剂泄漏及着火特性的模拟和实验研究[D].中国科学技术大学， 2014.

[8]田贯三，杨昭，马一太等.制冷系统可燃工质泄漏喷射过程的模拟研究[J].工程热物理学报， 2007，7（4）：401-404.