0 引言

　　国家体育馆、国家游泳中心、国家速滑馆、首都体育馆等是北京冬奥冰上项目场馆，《北京2022年冬奥会和冬残奥会场馆与基础设施可持续性指南》^[1]提出了节能低碳设计目标，因此，场馆制冰系统的制冷剂选用非常重要，北京奥组委高度关注，要求既满足使用需求，又能实现全寿命周期绿色环保目标。本文对冬奥场馆制冷剂的评价方法及选用原则进行了研究，从安全、环保、制冷性能、经济性、全寿命周期影响等方面，对目前常用制冷剂R507、替代制冷剂R448A/449A和自然工质R744(CO₂)进行了适宜性研究，提出了冰场制冷系统的制冷剂选用方案。

　　1 冬奥冰上项目场馆建筑概况

　　2022年北京冬奥冰上项目主要场馆的建筑面积、主要功能、冰面温度等技术指标见表1。

　　表1 场馆主要技术指标

　　 

	主要功能	建筑面积/m2	冰面温度/℃
国家体育馆	冰球比赛	97 836	-7～-5
国家游泳中心冰壶场馆	冰壶比赛	50 307	-7～-4
首都滑冰馆	冰球训练	40 020	-7～-5
首都体育馆	短道速滑及 花样滑冰	45 406	-8～-4(短道速滑) -5～-3(花样滑冰)
首都综合馆	花样滑冰训练	13 720	-5～-3
国家速滑馆	大道速度滑冰	96 980	-10.5～-6

　　 

　　 

　　 

　　2 制冷剂发展及国际公约

　　2.1 制冷剂发展

　　制冷剂的发展大致可划分为以下4个阶段：第1阶段始于19世纪30年代，以“制冷性能”为筛选准则，制冷剂包括容易获得的常见溶剂和其他易挥发流体，如氨、二氧化碳、二乙醚等；第2阶段是20世纪30—90年代，以“安全与耐久性”为筛选准则，制冷剂主要为含氯的氯氟碳化合物，包含CFCs、HCFCs类制冷剂，如R12、R11、R22等；第3阶段是20世纪90年代到21世纪初期，由于CFCs和HCFCs制冷剂的氯原子或溴原子与大气平流层的臭氧发生反应，导致臭氧消耗环境问题越来越严重，使南极上空出现了臭氧空洞，促使制冷剂以“臭氧层保护”为筛选准则，制冷剂以不含氯或溴的HFCs为主，包含R507、R32、R134a、R410A等；第4阶段是从2010年至今，“缓解全球变暖”成为制冷剂筛选的一条重要准则，制冷剂以零ODP(消耗臭氧潜能值)、低GWP(全球变暖潜能值)制冷剂及自然工质为主，包含HFEs、HFOs等类制冷剂(见表2),如R32、R1234yf、R1234ze等。

　　表2 第4代低GWP的制冷剂和混合制冷剂^[2]

　　 

制冷剂	考虑的因素
自然工质(CO2、NH3、HCs、H2O、空气)	CO2效率，NH3可燃性、毒性，HCs可燃性
低GWP的HFCs(R32、R152a、R161等)	可燃性
HFEs(E表示醚，HFE表示由氢氟碳组成的醚)、HEs(乙醚、二甲醚)	性能欠佳，毒性，可燃性
氟化醇(—OH)、氟化酮(C=O)	效率，可燃性，毒性，相容性
HFICs、FICs(R31I1(CH2FI)、R13I1(CF3I)等)	价格，ODP>0,有些有毒，相容性
HFOs(R1234yf、R1234ze、R1336mzz等)	较短的大气寿命、可燃性、毒性、相容性

　　 

　　 

　　 

　　2011年3月起，美国空调制冷学会(AHRI)主持开展了低GWP替代制冷剂评价研究项目，旨在确定高GWP制冷剂的合理替代物。2015年2月，部分混合制冷剂获得ASHRAE的标准命名和安全等级，同时也给出了替代物的GWP值范围，见表3。

　　表3 AHRI替代制冷剂的100年GWP范围

　　 

安全等级	替代物GWP范围
	R134a	R22、R404A、R407C、R507A	R410A
A1	540～900	950～1 600
A2L	≤110	200～970	280～740
A3	14～20	1.8～5

　　 

　　 

　　 

　　2.2 国际公约演变

　　臭氧层破坏在20世纪80年代引起了各国的广泛关注与重视。为此，1985年国际社会缔结了《维也纳公约》,1987年签署了《蒙特利尔议定书》,旨在通过控制对臭氧层有破坏作用物质的生产、消费，保护关系到全人类未来生存与发展的大气臭氧层^[3]。经国际社会的积极合作与努力，截至2010年，全球范围已实现了CFCs制冷剂的全面淘汰，其卤素气体排放变化(臭氧消耗物+自然物质)见图1。

　　

　　图1 卤素气体排放变化   

　　 

　　随着全球气候变暖趋势的加剧，2015年以来，《蒙特利尔议定书》缔约方召开了多次会议。2016年10月，在卢旺达首都基加利召开了《蒙特利尔议定书》第28次缔约方会议，会议重点审议了关于HFCs消减控制的修正案，并最终形成了新的《基加利修正案》。

　　《基加利修正案》的主要目标是有效减少高GWP温室气体HFCs的排放，在本世纪末全球升温控制在0.5 ℃内。经广泛协商，修正案最终列出了18种受控HFCs清单。受控HFCs清单的限控时间是主要发达国家在2019年消减10%,到2036年实现消减85%的目标；中国等主要发展中国家自2024年开始冻结，最终实现2045年消减80%的目标。

　　根据调研及以上分析，冰场制冷系统制冷剂可选用R507、R448A/R449A,其主要组分是R125、R143a和R134a(见表4)。根据《基加利修正案》,我国的限控时间是从2024年开始，因此，冬奥场馆冰场制冷系统选用R507、R448A/R449A,现阶段看是符合《基加利修正案》的要求，但从制冷剂安全、环保、制冷性能、经济性、全寿命周期影响等多方面考虑，满足冬奥场馆设计目标的冰场制冷剂选用还需要做进一步研究。

　　3 制冷剂热力学分析

　　3.1 热物理性质

　　根据冬奥会冰场制冷剂的使用情况及制冷剂发展现状，结合冬奥场馆设计要求，对R507、R448A/449A和R744 3种制冷剂进行对比分析，其组分、GWP值等热物理参数见表4。

　　表4 制冷剂物性

　　 

	组分(质量分数)	ODP	GWP	沸点/℃	温度滑移/K	类型
R507	R125(50%)	0	3 985	-46.7	0.75	共沸混合物
	R143a(50%)
R448A	R32(26%)	0	1 273	-46.0	4	HFC(氢氟烃)/HFO(次氟酸)
	R125(26%)
	R134a(21%)
	R1234ze(7%)
	R1234yf(20%)
R449A	R32(24.3%)	0	1 397	-46.0	4	HFC(氢氟烃)/HFO(次氟酸)
	R125(24.7%)
	R134a(25.7%)
	R1234yf(25.3%)
R744	CO2	0	1	-56.6	0	自然工质

　　 

　　 

　　 

　　3.2 理论循环分析

　　冬奥场馆冰场均采用单一工质直接蒸发式制冷系统，其冰面下盘管作为系统蒸发侧，通过制冷剂相变获得冷量。为进一步分析3种制冷剂的热力性能，对其制冷循环分别进行计算，计算条件为：蒸发温度-20 ℃,冷凝温度40 ℃,过热度8 ℃,过冷度3 ℃,等熵系数0.75。因为R744工作压力较其他制冷剂高很多，其放热温度也较高，节流损失也较大。为提高R744的理论制冷系数，其制冷循环一般采用双级压缩降低排气温度，以减小压缩机耗功，提高系统效率^[2],所以R744采用双级压缩循环数据对比分析。制冷循环工作过程及压焓图见图2、3。根据压焓图得出压缩机性能系数，考虑桶泵的能耗，计算的制冷循环系统能效值见表5。

　　

　　图2 R507、R448A制冷理论循环   

　　 

　　

　　图3 R744双级压缩制冷循环   

　　 

　　表5 制冷循环计算结果

　　 

制冷循环	单位质量制冷量/(kJ/kg)	单位耗功率/(kW/(kg/s))	压缩机性能系数	系统能效值
R507制冷理论循环	113.2	56.86	1.99	1.96
R448A制冷理论循环	149.4	79.63	1.87	1.85
R744双级压缩制冷循环	166.3	79.95	2.08	2.05

　　 

　　 

　　 

　　4 制冷剂综合评价

　　制冷剂的选取应基于对制冷剂的全面综合评价，除了以上分析的热力学、物理化学性能外，还包括制冷剂的安全性、稳定性及经济性等。

　　4.1 制冷剂安全等级

　　基于制冷剂的毒性和可燃性，GB/T 7778—2017《制冷剂编号方法和安全性分类》^[4]将制冷剂安全等级划分为A1、B1、A2L、B2L、A2、B2、A3和B3共8类，见表6。

　　根据上述标准，制冷剂R507、R448A/449A、R744安全等级分类均为A1,其中R507、R448A/449A不可燃、低毒性，R744不可燃、无毒性。

　　表6 制冷剂安全等级分类

　　 

	低慢性毒性	高慢性毒性
无火焰传播	A1	B1
弱可燃	A2L	B2L
可燃	A2	B2
可燃易爆	A3	B3

　　 

　　 

　　 

　　4.2 制冷剂自然度

　　为综合评价制冷剂的安全性与环保性，采用文献[5]提出的自然度量化指标方法进行评价。当制冷剂对自然界无任何影响时，认为自然度为1,如水的自然度为1;如果制冷剂在其寿命期内对自然界造成无法去除的影响时，则认为自然度为0;制冷剂寿命期内对自然界的影响在一定时间内可以消除时，则认为自然度在0～1之间。

　　制冷剂自然度计算公式如下：

　　NR=∑j=1nλjBj         (1)ΝR=∑j=1nλjBj         (1)

　　式中 N_R为制冷剂自然度；λ_j为各评价指标权重系数，涉及制冷剂的毒性、可燃性、ODP、GWP 4个评价指标，依据文献[5],4个评价指标的权重系数分别为0.11、0.11、0.30、0.48;B_j为各评价指标的自然度评价值；n为评价指标数量。

　　制冷剂ODP、GWP评价指标的自然度评价值根据下式计算：

　　BODP=ODPR141b−ODPRODPR141b         (2)BGWP=GWPR22−GWPRGWPR22         (3)BΟDΡ=ΟDΡR141b-ΟDΡRΟDΡR141b         (2)BGWΡ=GWΡR22-GWΡRGWΡR22         (3)

　　式(2)、(3)中 B_ODP 为制冷剂的ODP评价指标的自然度评价值；ODP_R141b为制冷剂R141b的消耗臭氧潜能值；ODP_R为选用制冷剂的消耗臭氧潜能值；B_GWP为制冷剂的GWP评价指标的自然度评价值；GWP_R22为制冷剂R22的全球变暖潜能值；GWP_R为选用制冷剂的全球变暖潜能值。

　　制冷剂毒性评价指标的自然度评价值可依据标准GB/T 7778—2017《制冷剂编号方法和安全性分类》选取，可燃性评价指标的自然度评价值可依据标准ISO 817—2015《制冷剂·命名和安全分类》。

　　根据上述公式进行计算，得出制冷剂R507、R448A、R449A、R744的自然度分别为0.520、0.814、0.813、0.990。计算结果表明，制冷剂R448A/R449A自然度大于R507,其中制冷剂R744自然度最大，其安全性及环保性最好。

　　4.3 制冷剂TWEI值

　　TEWI(total equivalent warming impact)是制冷剂总当量温室效应值，由制冷设备中制冷剂排放直接影响加上设备寿命周期内耗能间接导致二氧化碳排放影响构成^[6]。TEWI的计算公式为

　　TWEI=GWP⋅Ln+GWP⋅m(1−αr)+Enβ         (4)ΤWEΙ=GWΡ⋅Ln+GWΡ⋅m(1-αr)+Enβ         (4)

　　式中 L为制冷剂年泄漏量，kg/a; n为设备寿命周期年限，a; m为寿命周期内制冷剂总充注量，kg; α_r为寿命周期内制冷剂总回收率；E为制冷系统年能耗，kW·h/a; β为碳排放因子，kg/(kW·h)。

　　以国家体育馆为例，制冷剂R744、R507和R448A的TWEI值计算结果如图4所示。从图4可以看出，制冷剂泄漏等直接排放影响比例很小，制冷系统运行能耗影响比例最大。从全寿命周期角度看，制冷剂R744的TWEI值最小。

　　

　　图4 制冷剂总体当量变暖影响   

　　 

　　4.4 综合评价

　　根据制冷剂筛选原则，建立二级指标体系，选定安全性能、热力学性能、物理化学性能、环保性能、价格5个方面共13项性能指标组成制冷剂综合评价指标，如图5所示。

　　

　　图5 制冷剂综合评价体系   

　　 

　　综合以上分析结果，制冷剂R507、R448A/R449A和R744各指标值见表7。

　　本文采用模糊评价方法^[7],一级评价指标权重W=[0.12 0.36 0.04 0.36 0.12],二级评价指标w₁=[0.5 0.5],w₂=[0.639 1 0.213 1 0.147 8],w₃=[0.333 3 0.333 3 0.333 3],w₄=[0.333 3 0.333 3 0.333 3],w₅=[0.5 0.5]。

　　表7 制冷剂综合评价值

　　 

评价角度	评价指标	R507	R448A/R449A	R744
安全	毒性	低毒性	低毒性	无毒性
	可燃性	不可燃	不可燃	不可燃
	安全等级	A1	A1	A1
热力学	排气压力/MPa	1.9	1.7	9.0
	系统能效	1.96	1.85	2.05
	单位质量制冷量/(kJ/kg)	113.21	149.4	130.3
物理化学	润滑剂相容性	良好	良好	良好
	沸点/℃	-46	-45	-56.6
	温度滑移/K	0.023	5.7	0
环保	GWP	3 985	1 273/1 282	1
	ODP	0	0	0
	TWEI/t	12 879	13 461	12 344
经济性	初投资	1倍	1.5倍	2倍
	运行管理费用	1倍	1倍	1.2倍

　　 

　　 

　　 

　　由于指标值量纲不同，采用区间化算子将指标矩阵C_i规范为S_i,计算对应的关联系数R_i,确定制冷剂组合与最优制冷剂组合的关联程度。

　　当指标越小越好时，区间化算子S_i=(max{C_i}-C_i)/((max{C_i}-min{C_i});当指标越大越好时，S_i=(C_i-min{C_i})/((max{C_i}-min{C_i})。

　　关联度算子R_i=(min|S_i-S₀|+ηmax|S_i-S₀|)/(|S_i-S₀|+ηmax|S_i-S₀|),其中η为分辨系数，一般取0.5;S₀为理想制冷剂的区间化算子。

　　计算各制冷剂关于第i个一级指标理想方案的灰色关联度U_i:

　　Ui=RiwTi=(ak,i)m×1         (5)Ui=RiwiΤ=(ak,i)m×1         (5)

　　式中 a_k,i为第i个一级指标综合评价时，决策选择第k个制冷剂的合理程度，该值越大越好。

　　各制冷剂二级综合评价结果见表8。

　　表8 二级模糊综合评价结果

　　 

	安全	热力学	物理化学	环保	经济性
R507	0.667	0.725	0.691	0.615	1.000
R448/449A	0.667	0.574	0.691	0.641	0.667
R744	1.000	0.782	1.000	1.000	0.417

　　 

　　 

　　 

　　各制冷剂关于所有一级指标理想方案的灰色关联度A为

　　A=[U1U2U3U4U5]WT         (6)A=[U1U2U3U4U5]WΤ         (6)

　　由关联矩阵及权重集计算各制冷剂所有指标的综合评价值，分别为：R507,0.710;R448A/R449A,0.625;R744,0.852。综合评价值越大，表示制冷剂综合性能越好，可见，制冷剂R744应用于冰场制冷系统的综合性能最佳。

　　5 结论

　　本文对制冷剂的发展和政策演变进行了梳理，整理出适用于冰场制冷系统的3种制冷剂性能数据。从制冷效果、环保性能、经济性、安全性、物化稳定性等方面对制冷剂R507、R448A/R449A、R744进行了综合评价，结论如下：

　　1) 现阶段冬奥场馆冰场制冷系统选用制冷剂R507、R448A/R449A及R744均满足《基加利修正案》的相关要求。

　　2) 制冷剂R744的环保性能包括温室效应潜能、自然度等指标均显著高于制冷剂R507和R448A/R449A。

　　3) 考虑双级压缩技术措施，制冷剂R744制冷循环的系统能效值较高，其综合评价最佳。

　　本文引用格式：余琼，徐宏庆．冬奥冰场制冷剂适宜性研究［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：12-16．