浅谈自然工质在家用制冷产品中的应用

李欣 杨双 杨亮

（1.中国家用电器研究院，北京 100037；2.中家院（北京）检测认证有限公司，北京 100176）

随着人民生活水平的提高，空调器、电冰箱以及冷柜等制冷产品已经成为每个家庭中必不可少的电器设备。作为此类产品关键构成的制冷系统，其运行的安全可靠性以及节能效果是消费者以及政府监管机构关注的重点方向之一。制冷剂在蒸汽压缩式制冷系统工作过程中承担着能量传递的“重担”，是保证热力循环的基本条件。为保护大气臭氧层，减少温室气体的排放，《蒙特利尔议定书》要求禁止使用CFC 类制冷工质并逐步淘汰HCFC 类制冷工质[1]。而自然工质作为与人类长期共存的物质，其特殊的物理化学性能逐渐被制冷行业所发掘，并越发广泛的应用于家用制冷产品中。

在制冷剂替代过程中，制冷产品对于新制冷剂的选择主要关注的因素包括：（1）与润滑油及其他材料的兼容性；（2）化学稳定性；（3）腐蚀性；（4）较好的传热性能；（5）燃爆性能。综合来说，制冷剂除了需要具备环境友好性，自身的安全性、稳定性也是需要考虑的重要性质。从目前环保制冷剂的选用来看，家用制冷产品中自然工质的应用方向主要包括R600a、R290 以及R744 等。

1 R600a 及其应用

R600a 中文名为异丁烷，化学式为(CH3)2CHCH3，主要用于冰箱、冷柜以及其他小型的制冷产品中，一般适用于充注量相对较小的低温制冷设备，特别是针对冰箱产品，主流制冷剂已经大部分完成了从常规制冷剂向R600a 的转换。R600a作为一种性能优良的新型碳氢制冷剂，不破坏臭氧层，无温室效应，绿色环保，具有较强的推广应用价值，其主要物性参数如表1 所示。

R600a 在以冰箱、冷柜为代表的家用制冷产品中的应用技术基本成熟并已实现市场化。但是因其对于系统真空度的要求比较高，一般多用于充注量较少的小型制冷系统，目前关于R600a 在空调或热泵产品中的应用鲜有研究。论文[2]对R290（95%）和R600a（5%）的混合制冷剂在房间空调器上的应用开展了对比研究，混合制冷剂的运行压力要小于R290 纯工质的系统，通过降低制冷剂充注量可一定程度上实现降低烃类制冷剂易燃的风险。

2 R290 及其应用

R290 中文名为丙烷，化学式为CH3CH2CH3，目前R290在商用冷柜以及家用空调中都有应用。作为A3 类易燃制冷剂，R290 的应用主要受限于充注量限额要求。国际电工委员会（IEC）于2019 年5 月宣布批准将A3（易燃）制冷剂的充注限值从150 克增加到500 克，这一公告极大的拓宽了R290 的应用范围，为其在制冷设备上的使用创造了更为有利的条件。R290 的主要物性参数如表2 所示。

表1 R600a 的主要物性参数

表2 R290 的主要物性参数

从目前行业应用来看，应用R290 的制冷产品还未完全实现市场化。国内对于R290 的研究起步较晚，但是随着国家政策的推动，对于R290 的替代技术逐渐被关注和深入研究。2011 年，珠海格力建立了全球首条碳氢制冷剂R290 分体式空调示范生产线，广东美芝建立了联合国蒙特利尔多边基金首条R290 压缩机示范生产线。

从现有资料可以看出，无论在制冷剂充注量相对较小的冰箱、冷柜还是充注量稍大的空调热泵等产品上，企业和研究机构都投入了极大的热情。论文[3]从R290 制冷剂在空调制冷系统中的分布研究入手，提出R290 压缩机在设计上需要考虑少油量以及小型化，从内部结构及供油系统的优化实现减少充注量的目的。论文[4]提出在合理的材料选择以及节流装置匹配的基础条件下，设计上严格满足管路耐压要求、布置通风孔防止因泄露导致制冷剂的聚集、将有可能成为点火源的电器件安装高度适当增加等措施是保证R290 在冷柜应用过程中安全性的有益举措。论文[5]开展了R290 在R22 空气源热泵热水器系统中的替代试验研究，充注量的差异会直接影响到系统的运行状态，为保证系统性能及稳定性，严格系统中R290 的充注量是关键。

3 R744 及其应用

R744 中文名为二氧化碳，化学式为CO2，作为天然工质的二氧化碳在制冷行业的应用由来已久，在早期的船舶以及民用制冷产品中都作出了积极贡献。但是CO2在应用过程中制冷系统工作压力较高，安全性难以保证，且循环效率相对较低，在一段时间内逐渐被CFCs 类制冷剂所取代。随着全球环境问题的日趋恶化，CO2以其无毒无臭无污染以及不燃不爆的特性重回大众视野，被广泛应用于制冷空调领域，特别是在热泵热水器等产品中的应用已经占据了较大的市场空间。CO2制冷循环系统主要分为亚临界循环和跨临界循环两类，其主要物性参数如表3 所示。

表3 R744 的主要物性参数

CO2成为备受青睐的替代制冷剂优选方案之一，主要得益于其优良的物理化学性质[6]，在越来越多的制冷产品中得到应用和研究：（1）较低的沸点温度，单位容积制冷能力较强，由此压缩机的结构尺寸能够做到更为精简，在汽车空调等对于空间限制较大的应用场合具有良好的适应性，被认为是最具潜力的汽车空调用新型制冷剂[7,8]；（2）CO2的临界温度为31℃，跨临界循环的CO2制冷系统已经广泛应用于具有较高出水温度要求的热泵热水器中，并以此制定了国家标准GB/T 38734-2020《以CO2为制冷剂的热泵热水器技术要求和试验方法》来规范检测方法确保产品质量。

4 结束语

我国已提出2030 年碳达峰以及2060 年碳中和的承诺和总体目标，实现低碳转型是各行各业可持续发展的必然选择。从制冷领域来说，加快环保制冷剂特别是天然工质的应用是实现碳减排的重要举措。以R600a、R290 以及R744 等为代表的自然工质作为极具潜力的替代方案在应用过程中各具利弊，如何有效应对所面临的挑战是制冷空调企业以及研究机构需要不断深入思考和研究的课题。加速自然工质在制冷系统中的应用研究及市场化，对于企业来说是占领市场先机，提升行业地位的良好机遇。