制冷剂专题（连载一）制冷剂发展简史及现阶段主要问题

制冷剂发展简史及现阶段主要问题

史琳¹  安青松²
（1．清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学，北京 100084
2．天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学，天津 300072；）

    【摘要】：制冷剂作为制冷空调和热泵系统的工作介质，它不仅决定了系统参数、性能、安全可靠性及应用场合，而且也是推动制冷技术发展的主要动力之一。目前，随着环保意识的提高和科技的进步，不仅对制冷剂的发展提出了新的要求，同时也带动了制冷剂进入了新的全面发展时期。新的合成制冷剂不断涌现、微燃和可燃制冷剂的使用兴趣日益增加、天然制冷剂的关键技术不断提升等，这些都加速了制冷剂的替代发展。本文将以连载的方式，通过介绍制冷剂发展简史以及现阶段主要问题，并通过详细阐述制冷剂的环保指标和安全指标、替代发展趋势、对制冷系统主要部件的要求、以及相关标准和中国制冷剂替代的现存问题，希望读者能全面了解制冷剂的现状和未来发展趋势。

    【关键词】：制冷剂；环保；安全；标准；评价

    随着经济发展和人民生活水平的提高，追求可控与舒适的温湿度环境已逐渐成为了人类生产、生活的必备要求。压缩式制冷空调和热泵技术（以下简称制冷系统）是利用制冷剂在系统各部件间循环流动，通过热力状态的变化，实现从低温热源吸热向高温热源放热，从而达到营造不同于自然环境的可控与舒适环境的要求的技术。因此，制冷系统渐渐成为各种民用建筑必须具备的条件。然而，该技术虽然为人类提供了可控与舒适环境的同时，也带来了破坏大气臭氧层、增加碳排放、促进温室效应等负面影响。为解决这些问题，作为制冷系统“血液”的制冷剂，需要逐渐向环保、高能效方向转化；因为它不仅影响制冷系统的能力、效率、可靠性、安全性，又对压缩机和其它部件以及润滑油有不同要求。所以，制冷剂的选择及有效利用成为了当前制冷系统发展的关键。

1 制冷剂发展简史

　　回顾制冷剂的发展历史，不难发现，制冷剂是推动制冷技术整体向前发展和应用普及的动力。从早期人们发现一些液体蒸发能够达到制冷效果，到后来发明利用蒸汽压缩式制冷循环通过一些流体物性变化实现制冷作用，人类在不断探索各种物质的物性特点，开发新的制冷技术和追求完美的制冷工质。

　　美国的James M Calm博士首先将制冷剂的发展历程分成了4个阶段^[1] ，随后英国的Andy Pearson博士又对不同制冷剂类型进行了详细的描述^[2] （见图1）。

　　第一阶段（1830年至1930年）：该阶段主要以天然工质为主，由于受限于当时的科学技术水平，倾向于选择容易获得并能够达到制冷目的的天然物质，这类工质多数是可燃或有毒的，代表性的有氨（NH3）、碳氢（HCs）、二氧化碳（CO2）等，其使用大多局限于工业用途。直到20世纪初氟化物CFCs被发明，制冷空调技术才得到真正的普及，制冷剂发展也就进入了第二阶段。

   第二阶段（1930年至1990年）：在这一阶段几乎所有天然工质（除NH3以外）均被氯氟烃（CFCs）以及随后发明的含氢氯氟烃（HCFCs）等所取代，该阶段是制冷剂的重大变革，由此也极大地推动了制冷空调行业的发展。该类制冷工质具有安全、稳定、热工性能好等优点，代表性制冷工质为CFC11、CFC12和HCFC22。然而，1974年美国加利福尼亚州立大学的Molina博士和Rowland博士在科学期刊Nature上发表的论文^[3] ，发现CFCs制冷剂中的氯原子会破坏大气中的臭氧层，这使我们对安全和环保有了更进一步认识。

　　第三阶段（1990年-至二十一世纪初期），由于CFCs、HCFCs类制冷工质对臭氧层的破坏作用，联合国《蒙特利尔议定书》（Montreal Protocol） ^[4] 开始阶段性地禁用该类物质，氢氟烃（HFCs）类及其混合工质（如R410A、R407C、R404A）逐渐替代CFCs、HCFCs类制冷工质；此外，天然工质NH3、CO2、碳氢（HCs）等也重新引起重视。第三阶段的制冷剂以环保性为主要出发点，使我们从以往只注重身边周围的活动空间的安全，转到需要理解整个地球环境的重要性评价上，这又一次极大地促进和推动了制冷技术的革新^[5] 。

　　第四阶段（本世纪初至今），由于全球气候变暖加剧，温室效应较大的制冷剂的限用已提上日程，原本用于替代CFCs、HCFCs类制冷剂的HFCs已被《京都议定书》(Kyoto Protocol)[6]定为温室气体，尽管限用期限还未确定，但开发新一代制冷剂势在必行。本阶段制冷剂发展思路是，协同考虑臭氧层的保护和抑制温室效应，并兼顾能源节约。零ODP（臭氧破坏潜值）、低/中GWP（全球变暖潜值）的人工合成工质(HFC32、HFC152a、HFO1234yf等)和天然工质(HCs、NH3、CO2等)有望成为主要候选对象，这势必将再次掀起制冷技术的重大演变。

　　由此可知，当前不断恶化的环境、日益枯竭的能源、逐步发展的技术都对制冷领域包括制冷剂提出了新的要求，也给予了新的挑战。对于制冷剂来说，关键就是如何选择、开发合适的新一代制冷剂、如何设计和完善新一代制冷剂的应用系统。只有解决这些“方向性”问题，制冷技术的发展才能步入可持续发展的、良性循环的道路。然而为了解决这些问题，科技人员不得不在越来越多的约束条件和越来越少的可选候补制冷剂中进行选择。

2 制冷剂发展形势和一些常用制冷剂

　　在保护臭氧层方面：自1987年9月国际上出台了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》以来，直到2007年第19次缔约方会议，该《议定书》共经历了4次修正和2次调整，规定了受控物质的种类、控制限额的基准、控制时间、设立多边基金机制等。目前，《议定书》的方案逐渐被全世界各国所广泛赞同和遵守，条约的实施也取得了一定成效：2007年，美国国家航空航天局NASA的数据表明，自1998年以来，臭氧洞的最低水平已经趋于稳定，不再减少^[5] 。

附件下载：制冷剂发展简史及现阶段主要问题（全文）.pdf

    注：本文为《地源热泵》“本期专题”连载内容，谢绝转载。如果您对空调制冷剂方面有任何问题，欢迎来电或给我们发送电子邮件，我们将选择部分典型问题择期在《地源热泵》杂志上统一刊登和解答。

    咨询电话：010-82830863；电子邮箱：web#dyrbw.com(将#换为@后发送，请在邮件主题处标注“制冷剂相关问题”字样，以免工作人员误删。)

责编：dhl