1、商用空调环保制冷剂的选择与挑战美的楼宇科技先行研究中心仿真技术刘焘2024年1月13日议题 制冷剂替代选择的依据 近期重要法规（草案）的影响分析 商用空调制冷剂替代选项分析（低压、中压和高压）制冷剂替代过程中各环节的挑战 总结制冷剂的重要选择依据环保性能1.尽可能低的GWP2.0 ODP3.非PFAS4.足够长的生命周期安全性1.低毒性，A分类2.不可燃或弱可燃，1/2L分类性能1.相当的或更高的能效2.相当的或更高的能力3.符合应用场景的运行范围成本1.低原料成本2.低设备成本3.低运行费用4.低维保要求5.低技术切换成本蒙特利尔议定书关注臭氧层破坏京都议定书/基加利修正案关注全球变暖欧盟F

2、-Gas含氟气体法案含氟气体法案：2023年10月5日草案进一步收紧GWP限制欧盟PFAS草案草案尝试将任何含-CF3和-CF2-的含氟化合物逐步管控、禁用根据制冷剂的安全分类，需针对性地采用不同安全措施满足法规要求。重要的安全法规：ISO5149（全球）、EN378（欧盟）、GB/T9237（中国）、IEC60335（全球）、GB50016等核心影响：设备充注量、电气防护等级、强制通风、储藏安全防爆等等制冷剂替代的选择是基于环保、安全、性能和成本等诸多因素的综合考虑主要制冷剂的PFAS属性来源：来源：欧盟PFAS限制提案解析，张建君迄今为止，尚未形成PFAS的统一的、科学的定义；目前较公认的

3、定义有Buck(2011)、OECD(2021)和US EPA(2021)。欧盟PFAS提案的定义：任何含有至少一个-CF3或-CF2-碳原子的物质（该碳原子上无H/Cl/Br/I）。如PFAS提案生效，会带来新一轮的制冷剂替代；但目前尚无定论欧盟F-Gas法规草案最新进展2023年10月5日，欧盟委员会和议会达成针对含氟气体法案（F-Gas）修正草案的临时一致（非最终状态），此前这些修正草案细节并未被确认。英文原文：Further unconfirmed details have emerged of the contents of the provisional F-gas revisio

4、n agreement reached between the EU Council and Parliament today.临时达成一致的草案覆盖了三大部分：新设备冷媒禁用的时间和条件、维保要求和臭氧破坏物质要求。其中新设备冷媒禁用时间和条件最为值得关注，草案覆盖了：自携式空调和热泵设备（不区分内机/水箱、外机，整体都在一个箱体内）分体式空调和热泵设备 固定式冷冻设备 冷水机组 高压输配电开关设备（无关）前四个品类覆盖了商用空调的所有设备类型，需对该草案走势保持关注。参考链接：参考链接：https:/www.consilium.europa.eu/en/press/press-releas

5、es/2023/10/05/fluorinated-gases-and-ozone-depleting-substances-council-and-parliament-reach-agreement/本次草案是有史以来最严的一次提案，在若干应用领域直接提出含氟气体禁用欧盟最新草案对各类设备的影响分析设备类型设备细分冷媒GWP限制生效时间影响解析自携式（一体式）空调和热泵设备额定能力12kW含氟气体完全禁止7502032年1月1日明确导向R290；750的限制适用于安装场所不允许使用含氟气体的替代品。比如，R290在一些建筑安全特殊要求下不能被使用，那就不得不使用含氟气体，其限值要求定义为7

6、50。12kW12kW的系统750150含氟气体完全禁止2029年1月1日2033年1月1日2035年1月1日多联机和商用热水器落入此类范畴。R32和R454B可以满足2033年之前的要求，但2033年之后GWP150和35年后完全不使用含氟气体的要求过于严苛。R290可以满足环保法规要求但受制于安全法规对充注量的要求。20kW以上可能还是会使用R454C或R1132(E)的混配。固定式冷冻设备家用冰箱、冰柜含氟气体完全禁用2026年1月1日冰箱主要使用R600a，冰柜已有R290的产品。商用冰箱、冰柜1502025年1月1日可能选项：R744、R454C、R455A商业冷冻250015020

7、25年1月1日2030年1月1日2500的限值不适用于-50C的冷冻设备，这一类产品主要依赖于508B等产品，没有替代方案可选。中短期R448A、R449A均有成熟方案；长期R744、R454C、R471A、R482A等冷水机组额定能力12kW150含氟气体完全禁用2027年1月1日2032年1月1日R290可以满足长远要求，但需注意安全规范要求。额定能力12kW7502027年1月1日选项很多，中短期R513A、R515B；长期R1234ze(E)、R1233zd(E)、R514A等；在满足充注量限值的情况下，R290亦可以考虑。特别注意：特别注意：本次草案发布所有条款都有一条备注“exce

8、pt when required to meet safety requirements”，这意味着如果安全法规无法满足的情况下，GWP限值（或完全禁用含氟气体）是可以被豁免的。中压R134a和低压制冷剂中期/长期均有成熟方案选择问题：高压制冷剂R410A的长期替代选择应该如何选择？低压制冷剂的替代分析工况介绍：制冷工况：冷凝温度40oC，过冷度0oC，蒸发温度5oC，过热度0oC；制热工况：冷凝温度60oC，过冷度0oC，蒸发温度35oC，过热度0oC；模型假设：压缩机维持相同排量（同体积流量），压缩机等熵效率85%；忽略节流不可逆损失和换热器内沿程压降。制冷剂组分配比安全等级GWP(AR4

9、)制冷工况制热工况容积能力能效容积能力能效R123R123-B1ODS100%100%100%100%R514AR514AR1336mzz(Z):t-DCE=74.7%:25.3%B1795%100%95%100%R245faR245fa-B11030157%98%156%98%R1224ydR1224yd-A11154%97%147%95%R1233zdR1233zd-A11139%99%133%99%R123/R245fa/R514A/R1233zd(E)/R1224yd/R514A低压制冷剂的替代趋势十分明朗，R1233zd已被行业众多企业采纳作为离心冷水机组的替代制冷剂；R514A和R

10、1224yd作为上一代产品的近似替代，技术切换成本低，亦有一定市场份额低压制冷剂的适用场景：高效离心冷水（热泵）机组、高温热泵、电子冷却等R514A：与R123极其相似的热力学性能，可以作为R123的近似替代；无需压力容器R1224yd：与R245fa极其相似的热力学性能，可以作为R245的近似替代R1233zd：能效最高，能力略低中压制冷剂的替代分析工况介绍：空调制冷工况：冷凝温度45oC，过冷度5oC，蒸发温度10oC，过热度10oC；制热工况：冷凝温度35oC，过冷度5oC，蒸发温度-10oC，过热度10oC；模型假设：压缩机维持相同排量（同体积流量），压缩机等熵效率75%；忽略节流不可

11、逆损失和换热器内沿程压降。制冷剂组分配比安全等级GWP(AR4)制冷工况制热工况容积能力能效排气温度容积能力能效排气温度R134aR134a-A11430100%100%-100%100%-R513AR513AR134a:R1234yf=44%:56%A2L631102%98%-4.6105%99%-6.8R515BR515BR227ea:R1234ze=8.9%:91.1%A2L29274%101%-6.673%100%-9.3R1234zeR1234ze-A2L675%101%-5.674%100%-8.0R1234yfR1234yf-A3495%98%-7.899%98%-11.5R13

12、4a/R1234ze(E)/R1234yf(E)/R513A/R515B中压制冷剂的适用场景：水冷/风冷螺杆/涡旋冷水（热泵）机组、储能冷水机组、中温热泵等中压制冷剂替代的两条路线：R134aR513AR1234yf或R134aR515BR1234zeR134aR513AR1234yf：替代方案均接近R134a，技术切换成本低；但长期看来R1234yf的价格风险因素很高R134aR515BR1234ze：能效比前路线略高，但容积能力低了20-28%；高温性能拓宽边界，热泵产品上更具优势中压制冷剂的替代路线明确，中期和长期均有备选方案高压制冷剂的替代分析工况介绍：空调制冷工况：冷凝温度45oC，

13、过冷度5oC，蒸发温度10oC，过热度10oC；制热工况：冷凝温度35oC，过冷度5oC，蒸发温度-10oC，过热度10oC；模型假设：压缩机维持相同排量（同体积流量），压缩机等熵效率75%；忽略节流不可逆损失和换热器内沿程压降。制冷剂组分配比安全等级GWP(AR4)制冷工况制热工况容积能力能效排气温度TglideC蒸发/冷凝容积能力能效排气温度TglideC蒸发/冷凝R410AR410AR32:R125=50%:50%A12088105%98%-4.780.11/0.12106%99%-7.150.10/0.12R32R32R32=100%A2L675114%99%+10.140.00/0.

14、00114%99%+16.040.00/0.00R454BR454BR32:R1234yf=68.9%:31.1%A2L466100%100%-1.32/1.25100%100%-1.23/1.31R454CR454CR32:R1234yf=21.5%:78.5%A2L14866%103%-15.47.7/6.762%102%-22.427.85/7.13R290R290Propane=100%A3362%105%-17.00.0/0.062%103%-23.920.00/0.00R474AR474AR1132(E):R1234yf=23%:77%A2L358%105%-18.44.8/4.1

15、55%103%-26.45.1/4.4R479AR479AR32:R1132(E):R1234yf=21.5%:28%:50.5%A2L14775%103%-9.06.9/6.073%102%-13.27.1/6.4R290：具有最高的能效；较低排气温度；相比HFO和HFC-32的混配，具有最友善的冷媒价格。A3类易燃易爆：（1）增加存储运输成本；（2）强制要求更多的安全防护措施；（3）充注量受限制，如进入房间，目前最宽松的充注量限值为IEC60336规定的988克，预测最大只能支持做到20kW的能力；（5）对整个售后维保体系带来更高的要求，增加培训和操作准入门槛。R410A/R32/R454

16、B/R454C/R290/R474A/R479AR454C：（1）GWP大幅降低至150以下，可以满足全球最严苛的法规要求；（2）中压制冷剂R1234yf的高临界点带来的能效的2-3%的提升；（3）排气温度大幅下降15-22C，压缩机可靠性更高。但R1234yf的容积制冷量仅为R32的40%，使得R454C的容积制冷量仅为R454B的62-66%。这意味着，要实现相同的制冷（热）量，使用R454C压缩机的排量理论上是R454B排量的150-160%。R454C的绝对压力在制冷/制热工况下比R454B低860/700kPa，压缩机具备一定降本可能，但取决于排量增大和壳体变薄的平衡。因为R32和R

17、1234yf的沸点相差较大（-51.7C vs.-29.5C）。R454C的温度滑移比R454B高5C以上，对考虑热泵工况的机组换热器设计带来一定挑战。目前的长期替代方案在能效提升和降低排气温度方面表现优秀，但均牺牲了能力，存在较大温度滑移（R290除外）R474A：GWP一步到位，和R290一致的能效长期替代方案中最低的能力；温度滑移4CR479A：长期替代方案中最高的能力温度滑移6C制冷剂替代过程中各环节的挑战和课题 制冷剂厂家 新分子式：毒性/可燃性数据安全性，工艺路线开发量产成本 混配开发：毒性/可燃性数据以获得ASHRAE注册，混配能力 物性测试、兼容性测试、稳定性测试 理论性能模拟

18、、实测、应用推广 生态链厂家 润滑油：互溶性、混合物物性测试、兼容性测试（目前润滑油厂家对新冷媒提供的混合物物性数据在富油区和贫油区颗粒度仍不够精细，影响整机厂家的回油性能设计及传热性能预测），等 压缩机：（1）匹配新冷媒的产品开发、测试耗时，尤其可靠性测试极其耗时；（2）新冷媒应用场景的拓宽（商用热泵、高温余热热泵等），厂家提供的压缩机性能数据所涵盖的工况范围亦需要拓宽，等 换热器：（1）新一轮的传热/压降研究；（2）充注量优化；（3）综合权衡冷热工况的新设计 整机：（1）新一轮的系统设计匹配（高落差/长配管设计、气动设计、回油设计、高效换热器优化设计等）；（2）零部件降本以弥补新冷媒带来的

19、成本增加；（3）生产线改造；（4）全生命周期碳足迹管理等制冷剂替代牵一发动全身，整个制冷行业全产业链条都需要付出相当的切换成本总结 欧盟F-Gas最新草案对含氟制冷剂的GWP限制和使用期限提出更加严格的管控 商用空调使用的主流制冷剂R134a和R410A均在短期内面临替代 中压R134a的替代方案清晰，R513A/R1234ze/R1233zd均为成熟备选方案，但需关注PFAS草案可能带来的风险 高压R410A的替代中短期方案清晰，R454B和R32；现有的长期替代方案虽然在GWP和能效上都有出色的表现，但在温度滑移、容积能力和燃烧安全特性上的表现不尽如人意 期待行业齐心协力，开发出更完美的高压制冷剂长期替代方案请批评指正！请批评指正！