《制冷及低温工程学科发展报告（2018-2019）》专题报告解读之低公害制冷剂发展研究

来源：中国制冷学会

研究背景

面对日益严峻的环境形势，国际社会纷纷做出行动，旨在淘汰危害环境安全的制冷工质。其中最具代表性的是联合国环境规划署在2015-2016年间，多次主持召开《蒙特利尔议定书》缔约方不限成员名额工作组会议，并于2016年10月15日达成以“逐步减少氢氟碳化物”为中心思想的《蒙特利尔议定书》基加利修正案，明确了各国淘汰高温室效应HFCs的时间表，而中国将从2024年开始实施并履行职责，该协议已于2019年1月正式生效。可见，在全球能源环境日趋紧迫的今天，新一轮制冷剂的淘汰浪潮，将对整个制冷热泵领域产生影响，而新型低公害环保制冷剂的研究与开发刻不容缓。

研究现状

近年来，国内外高校、研究机构和科研院所及制造商纷纷采取行动，从新一代环保制冷剂的基础物性和系统性能，到配套新技术和新产品的开发与应用，推动了新型环保制冷剂的替代进程。为优选新一代环保制冷剂，国内外研究者从数万种物质中依据热力学和环境特性进行筛选，并开展系统性能模拟和实验，但研究结果表明，合适的低GWP制冷剂是十分有限的。现阶段，针对新一代低公害环保制冷剂的研究主要分为自然类工质（如碳氢化合物HCs，氨NH3，二氧化碳CO2等）、全球变暖潜能值较低的HFCs（如R161，R152a等）、不饱和烯烃HFOs（R1234yf和R1234ze(E)等）以及其他一些潜在的醚化物和由他们组成的混合物。其中自然类工质近年来受到了极力的推崇，尤其是HCs制冷剂凭借优异的热力学和环保性能及相关政策的扶持，在家用空调，冰箱等小家电中已经开始稳步推广使用。随着可燃制冷剂充注量的逐渐放宽和系统加工制造工艺的提升，HCs制冷剂的应用前景将十分广阔。而传统的自然类工质也在各自领域不断深入，氨将更加广泛的应用于工商业制冷、冷冻冷藏和热泵系统；近年来二氧化碳制冷热泵技术发展迅猛，应用领域涵盖热泵热水器、汽车空调、商业制冷和冷冻冷藏等领域。有关HFOs制冷剂的研究主要集中在HFOs及其混合物的热物性方面（包括汽液相平衡、比热容，粘度和传热特性等），而其技术应用也涵盖了汽车空调、冷水机组和高温热泵等领域。此外，一些醚类、胺类和醇类物质也有望成为潜在工质，而低GWP的HFCs类制冷剂，在未来一段时间仍将作为过渡工质或混合工质的组分使用。由于纯工质的性能较难同时满足环保指标、安全特性和热力学性能，而采用混合制冷剂在各方面折衷将是一种行之有效的解决方案，而在众多混合制冷剂中大多以R1234yf和R1234ze(E)为主要组元。

在现阶段的研究中，新合成制冷工质及其混合物的热物性研究受到较多的关注，尤其是R1234yf和R1234ze(E)等HFOs工质是近年来研究的重点，通过改进试验装置以获取较大工况范围的数据点，并开发准确的关联式，国内学者在汽液相平衡、比热容、粘度及临界参数等方面的研究已经处于领先地位，为新工质走向应用奠定了坚实的基础。在可燃性方面，国内学者的研究内容主要聚焦在几种商业化制冷剂的泄漏燃爆特性，热解机理及产物危险性研究，在可燃制冷剂阻燃方面也开展了部分工作。但由于我国在工质可燃性方面的投入较小，此方面的研究依然较为薄弱，并不全面和深入。而美国空调、供暖和制冷研究所早在2015年就成立了可燃制冷剂分委员会，旨在帮助业界充分了解A2L制冷剂的安全风险。日本制冷与空调工程师协会更是成立了由东京大学飞原英治教授牵头的国家项目攻关小组，重点研究了弱可燃工质R32、R1234ze(E)、R1234yf的燃爆和泄漏特性，并于2017年发布了弱可燃工质的风险评估报告。因此在可燃性研究方面，迫切需要我们拓展和深化新一代低公害环保制冷剂的安全性研究，以获取相关技术的知识产权及相关政策法规制定的话语权。此外，在新一代环保制冷剂的选择过程中，由于制冷剂自身物理性质的特殊性，在系统中使用时润滑油的选择也面临着挑战。国内外研究机构在制冷剂与润滑油互溶性研究方面，主要集中在互溶性的实验和理论研究，寻找制冷剂与多种商业润滑油及其基础油的互溶性规律，而在此方面的研究，国内学者并不逊色。但是在配套润滑油的生产和开发方面，国内企业的技术水平显著落后，而国外企业处于领先位，冷冻油市场依然由美国、日本和英国等国家为主导。

未来展望

在现阶段面对环保的压力和制冷剂淘汰政策的推进，国际社会对下一代制冷剂的选择并没有定论。而我国做为世界上使用并消耗制冷剂最大的发展中国家，面临着同时淘汰HCFCs和HFCs的巨大压力和相关技术挑战。为此，在未来的研究中应从以下方面进行突破：自然工质优越的环保性能，是现阶段其它制冷剂不可替代的，其中R717、R718、R744、HCs等在不同应用场所显示出了独特的优势。因此针对自然工质各自的热力学性质特点，进行合理的运用，扬长避短，其应用前景将十分广阔；合成类制冷剂HFOs具有独特的分子结构和较多的异构体，其物性的研究在现阶段并不全面，另外，其作为混合制冷剂的组分与HCs及HFCs等其它工质进行配比，在各类系统中使用时，混合物与润滑油的互溶特性规律并不明确，工质与系统材料的兼容性及化学稳定性方面的研究也有待完善和深入；面对日益严苛的环保政策，可燃工质的使用与推广将逐步发力，充注可燃工质的制冷与热泵设备也将慢慢为人们所接受，但在此之前，应建立健全的政策标准与安全规范，完善生产制造，运行维修等各个环节。

撰写团队

本章内容由杨昭教授负责撰写。杨昭教授，天津大学机械工程学院教授、博导，制冷与低温学科负责人及学术带头人。担任国际制冷学会（IIR）制冷系统安全专家组成员、国际制冷学会B1专业委员会委员、LCCP(LifeCycle Climate Performance)研究工作组成员等国际学术组织职务，同时担任中国制冷学会第十届理事会理事、全国能量系统标准化技术委员会（SAC/TC459）委员、中国工程热物理学会第六届理事会理事、天津市制冷学会第八届理事会副理事长、环渤海企业合作促进会制冷暖通空调分会副会长等国家级或省级学术组织职务。

杨昭教授所在的天津大学中低温热能利用教育部重点实验室，多年来与国际制冷学会、美国伊利诺大学制冷空调研究中心、美国环保局、联合国环境规划署、德国埃森大学机械工程院及国内多所著名大学进行了频繁的互访、人才交流及技术合作。承担国家七五、八五和九五攻关、国家973计划、863计划、985学科建设、211 工程学科建设，多项国家自然科学基金重点及面上项目、国家教委博士点基金等项目，取得多项国家及省部级科学技术奖励。研究领域主要包括制冷剂替代及燃爆惰化技术、生物保鲜冷藏及干燥技术、燃气机热泵与分布式供能新技术及可再生能源的高效开发利用等。