综合考虑润滑油互溶性的、用于变流量制冷剂空调系统的低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂替代品的全面评估

《Energy and Buildings》：Comprehensive evaluation of low-GWP refrigerant alternatives for variable refrigerant flow air conditioning systems considering lubricant miscibility

本研究构建了涵盖热力学性能、环境影响因素、安全限制及实践可行性的多维评估框架，系统评估了R32、R452B、R454B、R454C和R466A五种低GWP制冷剂在VRF系统中的替代潜力，结合实验测定润滑油相容性，提出基于不同工程优先级的半定量多准则决策方法。研究发现R454B在环境性能、相容性与系统兼容性方面综合最优，R32虽效率最高但存在安全风险，R466A相容性不足。研究首次将润滑油相容性与标准化安全评估整合至统一决策框架，为VRF系统低GWP替代提供科学工具。

　　

何洪霞|赵阳|张勇|张淑萍|边梓轩|刘成

天津大学发动机国家重点实验室，天津300350，中国

摘要

全球范围内高GWP制冷剂R410A的逐步淘汰迫切需要寻找环境可持续的替代品，以应用于变流量（VRF）系统。本研究开发了一个综合的多维评估框架，该框架结合了热力学性能、环境影响、安全限制和实际可行性，对五种低GWP制冷剂——R32、R452B、R454B、R454C和R466A进行了评估。该方法包括稳态循环模拟以确定季节性效率指标，生命周期气候性能（LCCP）分析以量化碳足迹，以及符合IEC 60335–2-40和ISO 5149–1:2014/Amd 2:2021标准的充注安全性评估。同时，还进行了实验研究以确定这些制冷剂与POE68和PVE68油的相容性。结果表明，各关键指标之间存在明显的权衡：R32具有最高的效率和最低的LCCP，但其易燃性和有限的润滑剂兼容性需要加强安全工程和材料优化；R454B在环境性能、相容性和改造兼容性方面表现出最佳平衡，是最实用的替代品；R466A虽然具有不可燃特性，但其相容性较差，限制了其应用范围。半定量多标准决策分析在不同设计优先级下确定了最佳替代策略。本研究的主要贡献在于将润滑剂相容性数据和标准化充注安全性评估整合到一个统一的决策支持框架中，提供了一个透明且基于科学的工具，用于选择可持续制冷剂，并指导向低GWP VRF技术的过渡。

引言

近几十年来，建筑被公认为全球能源消耗和温室气体排放的主要来源。建筑行业约占全球能源使用的40%和总碳排放量的三分之一[1]。在建筑的各种组成部分中，供暖、通风和空调（HVAC）系统是最大的能源消耗者，通常占建筑总能源需求的30%至50%[2]。在这些系统中，变流量（VRF）系统因能够实现精确的制冷剂控制、灵活的多区域温度调节和高能效而受到广泛欢迎。

为应对气候变化，各国政府出台了监管措施以减少空调系统对环境的影响。欧盟更新的F-Gas法规[3]对空调设备提出了严格的控制要求。VRF系统通常具有较大的制冷剂充注量和较高的系统容量，在遵守这些法规方面面临重大挑战，主要涉及制冷剂选择、系统设计、充注优化和安全管理。此外，欧盟提出的2023年对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的限制[4]，影响了R410A、R1234yf、R452B、R454B和R454C等广泛使用的制冷剂，可能导致行业进行重大调整。在美国，2020年的《美国创新与制造法案》[5]要求逐步淘汰新型空调设备中的高GWP制冷剂，2023年的修正案禁止在VRF产品中使用GWP超过700的制冷剂，该规定自2026年1月起生效。同样，受PFAS问题驱动的加州SB 682法案[6]旨在到2040年禁止销售含有PFAS的制冷剂，仅有限例外。日本2023年修订的《氟碳管理法》[7]从2025年起限制新冷却型VRF系统中使用GWP大于750的制冷剂，并于2027年扩展到热泵VRF系统。中国于2011至2015年间逐步淘汰了HCFCs并采用了HFCs，同时批准了《基加利修正案》以减少高GWP制冷剂的使用。

尽管VRF行业已成功从HCFCs过渡，主要用R410A替代了消耗臭氧的R22，但R410A的高GWP（2088）仍对温室气体排放有显著贡献。因此，该行业面临越来越大的压力，需要在保持系统效率、安全性和材料兼容性的同时遵守严格的环保法规。寻找适用于VRF系统的可行低GWP制冷剂已成为一个关键的研究重点。

如表1所示，现有的关于VRF系统和制冷剂替代的研究主要集中在三个方面：（i）基于R410A的VRF系统的性能分析和控制优化；（ii）针对特定组件（如压缩机、分配器、管道和换热器）的研究；（iii）研究热物理性质、能源性能和环境影响的制冷剂相关研究，通常在迷你分体或单分体系统中进行。

然而，表1显示大多数研究是分别讨论这些方面的。特别是，很少有研究考虑系统性能、与大量制冷剂充注相关的安全限制以及润滑剂-制冷剂相容性的综合影响，而这对于VRF系统的长期可靠性至关重要。大多数关于低GWP制冷剂的研究未能将润滑剂相容性作为系统评估标准纳入。更少的研究尝试将相容性行为与热力学性能和充注限制分析整合到一个统一的框架中。

为解决这些不足，本研究提出了一个针对VRF系统的低GWP制冷剂替代品的全面评估方法。评估考虑了多个因素，包括能源效率、安全性、环境影响和与现有系统的兼容性。具体而言，我们评估了系统性能、易燃性和充注限制，以及润滑剂相容性，并识别了相关挑战并提出了克服这些障碍的策略。

方法论和评估框架

VRF系统是一种空调系统，其中一个或多个室外单元同时为多个室内单元提供冷却或加热。由于其灵活性、良好的部分负荷性能和独立的终端控制能力，VRF系统在住宅和中小型商业建筑中得到了广泛应用。图1展示了一个典型的1至4个室内单元的VRF系统配置及其制冷剂循环路径。

系统的室外单元包括

热物理性质和理论循环性能

本节探讨了候选制冷剂的关键热物理性质及其对理论循环性能的影响，为评估它们作为R410A替代品的适用性提供了基础。

饱和蒸气压决定了运行压力范围，在所有候选制冷剂中都表现出一致的温度依赖性趋势（图4）。R32的温度-压力曲线与R410A非常接近，而R452B和R454B则略有不同

综合评估与选择

基于前述分析，本节建立了一个半定量的多标准决策框架，用于系统地评估候选制冷剂替代R410A在VRF系统中的潜力。该框架的目的是在不同工程优先级下支持比较决策，而不是提供绝对排名或优化结果。

定义了五个核心评估标准，其定量输入直接来源于

结论

本研究开发并应用了一个综合的多维框架，用于评估VRF系统的低GWP替代制冷剂，整合了热力学性能、生命周期环境影响、安全限制和实际可行性的评估。研究结果表明，R410A的最佳替代策略取决于具体性能目标和可接受的安全裕度。

在评估的候选制冷剂中，R32表现出

作者贡献声明

何洪霞：撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法论制定、调查、数据整理、概念构思。赵阳：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。张勇：撰写——审阅与编辑、数据整理。张淑萍：撰写——审阅与编辑、数据整理。边梓轩：撰写——审阅与编辑。刘成：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金一般项目的支持（项目编号：52476015）。