楊艷飛 李文華 樊 寶

(1.石家莊國祥運輸設備有限公司, 050035, 石家莊; 2.中國人民解放軍某部隊, 050051, 石家莊)

近年來,全球氣候變化劇烈,日益嚴重的溫室效應促使各國愈發(fā)認識到綠色低碳發(fā)展的重要性。 “碳達峰 碳中和”戰(zhàn)略目標的確定,體現(xiàn)了我國應對氣候變化的決心,綠色低碳必將成為各行各業(yè)需要共同努力的事業(yè)。

早在2014年,歐盟就發(fā)布了F-GAS(含氟溫室氣體)法規(guī),要求自2017年起所有預充注制冷設備中HFC(氫氟烴)類制冷劑需持有配額,才可投放歐洲市場;而2020年起,制冷劑GWP(全球變暖潛能值)高于150的商用冷藏冷凍設備及移動式房間空調(diào)設備禁止進入歐盟市場。2021年6月17日,我國正式接受《〈關于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書〉基加利修正案》。這對空調(diào)行業(yè)環(huán)保制冷劑的應用提出了更為具體的要求。目前,軌道交通車輛空調(diào)所用制冷劑主要為HFC類制冷劑,包括R407C、R410A及R134a。這些制冷劑的ODP(臭氧消耗潛能值)指數(shù)為0,對臭氧層沒有破壞作用;但GWP均處于較高水平,普遍在1 300以上,溫室效應較高。目前,各標準法規(guī)尚未對軌道交通車輛空調(diào)制冷劑的GWP限值做出明確規(guī)定,但已開始逐步削減,最終使用GWP<150的環(huán)保制冷劑是大勢所趨,低GWP制冷劑在軌道交通車輛空調(diào)機組中的應用研究迫在眉睫。

1 環(huán)保制冷劑

選擇替代制冷劑的首要原則應是環(huán)境友好,即ODP為0且GWP值較低。但ODP和GWP不是制冷劑替代物的唯一指標,理想的替代制冷劑還應具有熱物性優(yōu)良、安全可靠、經(jīng)濟、易獲得等特質(zhì)。

在軌道交通車輛空調(diào)行業(yè),當前制冷劑的替代方案主要有兩類:一類是HFO(氫氟烯烴),典型代表如R513A、R1234yf、R454C等;另一類是自然工質(zhì),如CO2、R290等。表1對幾種低GWP制冷劑的基本性質(zhì)進行了比較。

表1 幾種低GWP制冷劑基本性質(zhì)比較

這幾種制冷劑中,R513A、R1234yf均具有與R134a相近的飽和壓力溫度曲線,與潤滑油互溶性良好,對金屬、橡膠等材料的兼容性優(yōu)良[1],是十分理想的R134a替代物。其中R513A的GWP值略高,無毒不可燃,可作為過渡性環(huán)保冷媒用于軌道交通車輛空調(diào);R1234yf則具有輕微可燃性,制取工藝復雜,成本較高。

R454C是科慕HFO類環(huán)保制冷劑,可替代R407C,同樣具有弱可燃性。

天然工質(zhì)CO2來源廣泛、價格低廉,也是軌道交通車輛空調(diào)環(huán)保冷媒的主要研究方向之一。其缺點是系統(tǒng)運行壓力大,對部件的可靠性、制造工藝要求高;跨臨界循環(huán)的特性也與常規(guī)制冷劑差異較大。

R290作為碳氫類天然制冷劑,傳熱性能好、黏度低、排氣溫度低,有利于系統(tǒng)換熱。但R290易燃易爆,需謹慎應用。

經(jīng)綜合比較,幾種制冷劑各有優(yōu)缺點。無論何種制冷劑,在追求環(huán)保的同時,必然在一定程度上犧牲其他性能。對于可燃性制冷劑,如果能夠采取一定措施降低燃燒風險,則其在軌道交通車輛空調(diào)的應用可行性將大大提高。

2 安全分析

2.1 制冷劑安全等級

制冷劑安全等級由相應的制冷劑標準進行認定,如ISO 817:2014Refrigerants-Designationandsafetyclassification、GB/T 7778—2017《制冷劑編號方法和安全性分類》。制冷劑標準分別從毒性和燃燒等級兩個維度對制冷劑的安全等級進行了劃分,如表2所示。

表2 制冷劑安全等級劃分

2.2 基于燃燒性的制冷劑允許充注量

可燃制冷劑只有達到一定濃度,并具備相應溫度條件時才能燃燒。由此可推論,限制制冷劑的充注量,即可有效降低制冷劑泄漏燃燒引發(fā)火災的風險。

2.2.1 制冷設備應用環(huán)境

根據(jù)制冷劑的燃燒特性,ISO 5149-1:2014Refrigeratingsystemsandheatpumps-Safetyandenvironmentalrequirements-Part1:Definitions,classificationandselectioncriteria和EN 378-1:2016Refrigeratingsystemsandheatpumps-Safetyandenvironmentalrequirements-Part1:Basicrequirements,definitions,classificationandselectioncriteria規(guī)定了不同應用環(huán)境、不同安全等級的制冷劑充注量限值。上述標準分別從安裝場所和訪問類別兩個方面對制冷設備的應用環(huán)境進行了劃分。

基于安裝場所,制冷設備應用環(huán)境可劃分為:

Ⅰ類:制冷系統(tǒng)或包含制冷劑的部件位于長期被人占用的空間(以下簡稱“占用空間”)中。

Ⅱ類:壓縮機和所有壓力容器位于機房或露天場所,線圈和管道閥門可能位于占用空間中。

Ⅲ類:所有包含制冷劑的部件都位于機房或露天場所。

Ⅳ類:具有通風外殼,即所有包含制冷劑的部件都放置通風機柜中,且機柜通過通風系統(tǒng)與室外空氣連通,并確?？諝鉄o法從機柜流向周圍空間。

根據(jù)訪問類別,制冷設備應用環(huán)境劃分為:

a類:一般訪問。放置制冷設備的房間或建筑物中提供睡眠設施,人員行動受限,進入人數(shù)不受控制;人員進入無需了解必要的安全措施。

b類:受監(jiān)督的訪問。放置制冷設備的建筑物只能聚集有限人數(shù),且人員進入前必須了解一些一般性的安全預防措施。

c類:授權訪問。只有熟悉常規(guī)和特殊安全預防措施的授權人員才能進入的放置制冷設備的建筑物或房間,以及進行材料和產(chǎn)品制造、加工或儲存的建筑物。

對于軌道交通車輛空調(diào)來說,其制冷系統(tǒng)通過風道與人員密集的車廂直接連通,屬于直接換熱式空調(diào)系統(tǒng)。顯然,軌道交通車輛空調(diào)的應用環(huán)境按安裝場所應劃分為Ⅰ類,按訪問類別應劃分為a類。

2.2.2 可燃制冷劑允許充注量

不同應用條件下,不同燃燒等級的制冷劑允許充注量不同。

在安裝場所為Ⅰ類、訪問類別為a類的空間,人員密度大,安全要求高,制冷設備中可燃制冷劑的允許充注量也最嚴格。對于此類應用環(huán)境,可燃制冷劑的最大允許充注量為:

(1)

式中:

mmax——制冷劑最大允許充注量,單位kg;

ρL——制冷劑燃燒下限(LFL),單位kg/m3;

h0——制冷系統(tǒng)在空間中的安裝高度,單位m;

A——地板面積,單位m2。

此外,按可燃制冷劑燃燒等級,mmax還需滿足:燃燒等級為2L時,mmax≤26 m3×ρL×1.5;燃燒等級為2時,mmax≤26 m3×ρL;燃燒等級為3時,mmax≤max(26 m3×ρL,1.5 kg)。

在安裝場所為Ⅳ類、訪問類別為a類的空間中,可燃制冷劑燃燒等級為2L時,mmax≤130 m3×ρL×1.5;燃燒等級為2、3時,mmax≤130 m3×ρL。

2.2.3 軌道交通車輛空調(diào)可燃制冷劑的mmax

當前軌道交通車輛空調(diào)機組均采用直接換熱系統(tǒng),主要由壓縮機、冷凝器、冷凝風機、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器、蒸發(fā)風機等構成。直接換熱系統(tǒng)的構成如圖1所示。

圖1 直接換熱系統(tǒng)的構成示意圖

制冷劑在蒸發(fā)器處與車內(nèi)空氣直接交換熱量;制冷系統(tǒng)通過風道與人員聚集的車廂直接連通。制冷系統(tǒng)泄漏時制冷劑隨送風直接進入車廂內(nèi)部。常規(guī)軌道交通車輛空調(diào)屬于占用空間類制冷設備,mmax相對較低。

以某地鐵車輛為例進行分析。司機室高2.3 m,地板面積為10.26 m2,配置1臺單系統(tǒng)的頂置式空調(diào)機組,采用R134a制冷劑,總充注量為1.5 kg。客室高為2.3 m,地板面積為45.6 m2,每節(jié)車廂設2臺頂置式空調(diào)機組,每臺機組包含2個獨立系統(tǒng),制冷劑為R134a,單個系統(tǒng)制冷劑充注量為4.2 kg,則車廂制冷劑總充注量達到16.8 kg。

軌道交通車輛空調(diào)應用環(huán)境為Ⅰ類及a類,若在該地鐵空調(diào)中直接使用可燃制冷劑,則不同制冷劑在該地鐵車輛空調(diào)中的mmax如表3所示。

表3 不同可燃制冷劑在某地鐵空調(diào)(直接換熱)中的mmax

結合表3可知:燃燒等級為2L時的mmax滿足司機室空調(diào)制冷需求,但不能滿足客室負荷需求;燃燒等級為3時的mmax極低,不能直接在軌道交通車輛空調(diào)中使用。

此外,由式(1)可以看出,mmax與h0有關,頂置單元式空調(diào)機組的mmax遠高于車下懸掛式空調(diào)機組,因此也不建議在安裝位置較低的車下懸掛式空調(diào)機組中直接使用可燃性制冷劑。

3 間接換熱系統(tǒng)的應用

雖然車輛空調(diào)機組在使用可燃制冷劑時,可通過采用小管徑換熱器或微通道換熱器等措施來減少冷媒充注量,但這對于降低充注量的作用仍十分有限。采用間接換熱系統(tǒng),能有效提高軌道交通車輛空調(diào)機組可燃性制冷劑的mmax。

3.1 間接換熱系統(tǒng)

所謂間接換熱系統(tǒng),是將制冷劑循環(huán)與載冷劑循環(huán)分隔在室內(nèi)和室外兩個腔室,兩個循環(huán)通過中間換熱器實現(xiàn)冷量傳遞,最后通過載冷劑循環(huán)的末端設備把冷量傳遞給空氣送入車廂,從而實現(xiàn)為車廂制冷功能。由于制冷劑循環(huán)被完全隔絕在室外側,制冷劑泄漏也只會泄漏至室外,而不會泄漏至空間有限的室內(nèi)側,其基本構成如圖2所示。

圖2 間接換熱系統(tǒng)構成示意圖

相較于常規(guī)直接換熱式空調(diào)機組,間接換熱系統(tǒng)增加了載冷劑[2]循環(huán)相關部件,包括中間換熱器、水泵、膨脹罐等。而載冷劑作為載冷循環(huán)的“血液”,承擔著將制冷劑冷量傳遞給室內(nèi)空氣的職責。

增加載冷劑循環(huán)不僅能實現(xiàn)制冷系統(tǒng)與空氣的間接換熱,還能使制冷劑循環(huán)與車廂內(nèi)部完全隔絕,保障了可燃制冷劑的使用安全。

3.2 間接換熱系統(tǒng)的mmax

若采用間接換熱系統(tǒng),則軌道交通車輛空調(diào)的安裝場所由Ⅰ類占用空間變?yōu)棰纛愅L外殼。間接換熱系統(tǒng)中可燃性制冷劑的mmax如表4所示。

表4 不同可燃制冷劑在軌道交通車輛空調(diào)(間接換熱)中的mmax

比較表3及表4可見,使用間接換熱系統(tǒng)的空調(diào)機組mmax大大提高,燃燒等級2L時mmax完全滿足客室制冷需求?？梢?采用間接換熱系統(tǒng)可在不降低空調(diào)冷媒實際充注量的前提下,保障可燃性制冷劑的運用安全。

然而對于燃燒等級較高的制冷劑而言,由于其ρL較低,即使采用間接換熱方式,mmax也仍較低,因此需對其應用安全性進行研究。

3.3 直接換熱系統(tǒng)與間接換熱系統(tǒng)的基本性能對比

基于某地鐵客室空調(diào)平臺接口,分別采用不同制冷劑和不同換熱方式,以R407C制冷劑+直接換熱作為基本對照組,分析各空調(diào)機組的基本性能。同制冷劑、不同換熱方式的空調(diào)性能對比如表5所示。

表5 不同制冷劑、不同換熱方式的空調(diào)性能對比

相較于直接換熱系統(tǒng),間接換熱系統(tǒng)增加了一次熱量交換,不可避免地帶來了熱量損失。試驗結果顯示:與采用R407C直接換熱時相比,使用環(huán)保冷媒間接換熱后空調(diào)機組COP略有降低,成本也略微增加;與CO2直接換熱系統(tǒng)相比,可燃制冷劑間接換熱系統(tǒng)COP更優(yōu),成本也低得多;此外,在質(zhì)量方面,通過輕量化設計,間接換熱式空調(diào)機組可減重至直接換熱式空調(diào)機組質(zhì)量的105%。

綜上,在軌道交通車輛空調(diào)中使用環(huán)保可燃性制冷劑,可通過間接換熱的設計來保障安全性。

4 結語

國際社會應對全球氣候變化的決心,要求軌道交通車輛空調(diào)行業(yè)必須著手于低GWP制冷劑的研究。當前軌道交通車輛空調(diào)的替代制冷劑主要有HFO制冷劑及天然冷媒兩類,除CO2外,其他替代制冷劑均具有一定程度的可燃性。本文從制冷劑的可燃性著手,對可燃性制冷劑在軌道交通車輛空調(diào)中的應用進行了分析,得出結論如下:

1) 不同燃燒等級的制冷劑在軌道交通車輛空調(diào)中的允許充注量不盡相同,具體應根據(jù)實際運用環(huán)境分析計算。

2) 對于軌道交通車輛司機室空調(diào)機組,所需制冷劑充注量較少,燃燒等級較低的制冷劑可直接應用,高燃燒性冷媒的使用需謹慎評估。

3) 對于客室空調(diào)機組,制冷劑燃燒等級不高時,可以考慮采用間接式換熱系統(tǒng),將制冷劑循環(huán)隔絕在室外腔,提高空調(diào)機組應用環(huán)境等級,從而提高可燃制冷劑的允許充注量。

4) 間接式換熱系統(tǒng)不可避免地會帶來系統(tǒng)空調(diào)性能的降低,但為可燃性環(huán)保型制冷劑在軌道交通車輛空調(diào)的安全應用提供了一個研究方向。