制冷剂趋势：轻型商用制冷行业制冷剂替代走向何方？

   根据《蒙特利尔议定书》在各缔约国达成的共识，关于HFCs和HCFCs制冷剂的淘汰进程正在不断加速，低GWP人工合成制冷剂和自然工质是未来制冷领域发展的最重要方向。本文我们将探讨下轻型商用制冷行业制冷剂替代进展。

（示意图，不对应文中任何具体产品）

1 轻型商用制冷设备的分类

轻型商用制冷设备主要有如下这些种类产品：

• 制冷陈列柜
• 厨房冰箱
• 带制冷功能的自动售卖机
• 特种柜（有普通医用冷柜和超低温冷冻柜两种）
• 葡萄酒储藏柜
• 商用制冰机
• 冰淇淋机

2 轻型商用制冷设备制冷剂的总体发展趋势

轻型商用制冷设备常用的制冷剂目前主要包括R134a、R404A、R290、R600a和R22等。在 可预见一段时期内，自然制冷剂和部分人工合成环保制冷剂将成为商用制冷发展的重要方向。

2.1 人工合成制冷剂   

轻型商用制冷系统常采用的人工合成制冷剂 主要有R134a、R22和R404A，基于《蒙特利尔议 定书》对HCFCs的禁用和HFCs的管控，目前可采 用的HFC类制冷剂主要有R134a、R410A、R32和 R407H等。这些氢氟烃制冷剂无毒、不可燃，ODP 为0，具有优良的热物理性质，可使系统能效有提升，利于节能，方便系统改造、易于更换。

其中，大金集团提出的R407H是非共沸混合冷媒的ODP为 0，GWP值在1500以下，具有优越的安全性和经济性的特征，可以作为用于冷冻冷藏行业的R404A及 R407C的替代冷媒，应用于冷冻冷藏展示柜、冷冻冷藏仓库和商用冷冻冷藏冰箱中。但这类制冷剂 GWP值普遍偏高，只能作为一段时间内的过渡制冷剂在中短期内继续使用。

除了常用的HFC类制冷剂，还可以采用HFO类作为替代制冷剂，例如R454C、R1234yf、R1234ze 等。这些新一代环保氢氟烯烃制冷剂ODP为0，GWP值较低，同样具有优良的热物理性质，没有被列入削减计划中。但这类制冷剂当前没有大规模商用，供货周期相对长，价格相对偏高，存在技术障碍。此外，人工合成制冷剂通常由多种组分组成，存在温度滑移，对系统稳定运行和换热也存在影响。

表1列出了《基加利修正案》下未来轻型商 用制冷设备可以选择的部分人工合成制冷剂及其物 性参数。

表3 给出了轻商领域制冷系统可选择的天 然制冷剂和部分环保人工合成制冷剂。

需要注意的是，新型环保高效制冷剂在推广应用的同时，要考虑制冷系统匹配的问题。在实际应 用场景中要注意不同制冷剂的工作范围，以保证压 缩机在其运行界限内工作，不超过其极限工况。

2.2 自然制冷剂   

自然制冷剂是未来制冷技术发展的主流工质，应用技术的提升和环保政策的推动都将加速 其应用。根据2019年正式生效的基加利修正案，R134a和R404A都将被逐步削减；美国环境保护部 （EPA）宣布自2021年1月1日起，禁止R134a制冷剂在新生产的家用冰箱和冷柜产品中使用，禁止R404A和R507A制冷剂在新生产的食品零售制冷设备中使用。

而近两年，R290、R744、R717、R600a 等自然制冷剂在轻型商用制冷领域，特别是小型商用冷柜市场赢得了广泛关注。

表2列出了未来轻型商用制冷设备可以选择的天 然制冷剂及其物性参数。

2.2.1 制冷剂R290

天然制冷剂R290是高纯度丙烷，提取自液化 石油气，GWP值低，热力特性优良，是非常优秀 的替代工质。与R134a相比，R290具有低饱和蒸气 压、低粘度、高导热 系数等热力优点；与R404A相比，具有与之相当的饱和蒸气压，临界压力高、无滑移温度。R290的物性与R22接近，且R290的潜热 几乎是R22的2倍，所需要的制冷剂充灌量可以大幅 度减少，可以提高系统的安全性。

R290的缺点是在 一定条件下易燃易爆，但其易燃性低于家用冰箱普 遍使用的R600a，且只要在单个制冷系统中充注量 不大于150 g（国标GB4706.13或IEC60079 规定）。 因此，在充注量控制的前提下，R290制冷剂在商用 制冷设备的生产和使用上是安全的。当R290与空气 的混合比率在2.12%到9.35%之间时，它可以被明火引燃，并且R290密度比空气大（3.01 g/L），会聚集在空气层的底部。

因此，在使用R290制冷剂时，必须需要采取一些安全措施。

2.2.2 制冷剂R717（氨）

R717（氨）为有毒性、温和可燃制冷剂，存在安全隐患，通常应用 于工业用途，商用的应用很少。

2.2.3  制冷剂R744（二氧化碳）

R744（二氧化碳）作为自然工质，又具有其独特的优点：对环境无害，GWP值低。R744制冷剂在蒸发潜热、比热容、 动力黏度等物理性质上具有优势，有良好的低温流 动特性和换热特性。与常规制冷剂相比，CO2跨临界循环的压缩比较小，约为2.5~3.0，可以提高压缩机的运行效率，从而提高系统的性能系数，达到了节约能源的目的，可用于大型商超的陈列柜，为食品提供保鲜储存以及低温冷冻冷藏。

目前，R744 在轻型商超领域的推广应用主要受到运行压力的限制，CO2制冷循环为超临界循环，压力很高，在空调系统中高压工作压力在12 MPa以上，应用产品的爆破强度需在30 MPa ~42 MPa，这给系统安全及部 件设计带来许多新的挑战。

在结构轻量化和小型化的前提下，目前市场中出现了小管径翅片换热器、 微通道换热器等新型换热器，均利用小孔径，可同 时满足耐压性、耐久性和系统安全性要求，目前能满足CO2耐压及性能的小管径翅片换热与微通道换热器方案已经在市场上出现。伴随超市R744制冷系统在高温地区解决方案的不断优化及完善，未来高效环保的R744在轻型商用制冷系统中也将占据一 定市场。

3 不同轻型商用制冷设备的制冷剂选择

各种轻商制冷设备的应用场景不同，因此制冷系统运行的工况也不尽相同。通过将制冷剂的应用规范化，可实现对市场现有多种类轻商制冷设备和 不同制冷剂适配度的系统化。

通过45家轻型商用制冷产品生产制造企业的支持，研究者做了一份问卷调研，调研结果如图1所示。

可以看出：

轻型商用制冷设备常用的制冷剂有R134a、R600a、R290和R404A等。 各厂家对于制冷剂的选择还没有实现统一的方案。

各类产品的制冷剂选择还延续市场供应链的惯性， R134a在所有的轻型商用制冷设备中都有应用，使用范围最广。更小型制冷系统的制冷剂选择时，可燃的天然制冷剂R600a应用的比例显著高于其他制冷剂。值得注意的是，R290替代R134a的行动在行 业内已经规模化开展，已经成为轻商行业的重要替代制冷剂。至于新进开发的适用于轻型商用制冷设备的人工合成制冷剂，在调研过程中并没有明显体现。

3.1 陈列柜常用制冷剂  

陈列柜常用的制冷剂有R600a、R134a、R290和 R404A。目前，容积较小的冷柜产品以R600a制冷剂为主，而容积较大的陈列柜受充注量限制，多采用 R134a制冷剂；

对于要求低温冷冻的产品，一般使用R404A和其他制冷剂。 除R290和R600a外，目前美国霍尼韦尔公司推 出的R1234ze（E）与R134a的物性相近，被认为是 陈列柜中可替代R134a的新一代制冷剂。从表4可以 看出，R1234ze（E）制冷剂的临界温度与临界压力 与R134a非常接近，而其GWP值接近0，是未来可长 期使用的优良工质。然而与R134a相比，R1234ze(E) 的性能有约25%左右的衰减。

3.2 厨房冰箱常用制冷剂  

目前R134a和R600a是现阶段家用冰箱常用工质。由于R134a具有相对较高的GWP值，根据基 加利修正案的规定包括中国等在内的主要发展中国家，自2024年开始冻结，2029年削减10%，最终2045年实现削减80%。因此，在厨房冰箱今后的发展过程中，R600a由于其优良的环境保护性质将被 用作替代制冷剂长期使用。但由于其有一定的易燃性，在制冷剂充灌量上也有相应法规要求。

3.3 带制冷功能的自动售卖机常用制冷剂  

从调研结果来看，自动售卖机主要使用的制 冷剂是R134a，其替代制冷剂主要为R290。市场现 有自动售卖机也有较大一部分采用R290、R600a和 R404A作为制冷剂。

3.4 特种柜常用制冷剂  

2020年新冠肺炎疫情出现以后，特种柜的应用和发展受到的很大的关注。从温度分类来看， 市场上常见的医用冷柜温区主要有2 ℃～8 ℃、-40 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-105 ℃、-135 ℃、-153 ℃等 规格，其中2 ℃～8 ℃和-86 ℃的医用冷柜需求量最大。不同温度的制冷剂选择有很大的不同，对于蒸发温度较低的制冷系统，其形式通常选择单级压缩、带经济器的单级压缩、多级压缩、复叠式或自复叠式制冷系统。复叠式制冷系统中，低温级或应用于低温区的制冷剂通常有R23、R14、R170、 R744、R508B、R50、R1150等。

3.5 其他轻商产品常用制冷剂   

3.5.1 葡萄酒储藏柜

葡萄酒储藏柜有热电制冷和蒸气压缩式制冷两种类型。在蒸气压缩式制冷葡萄酒储藏柜中，一般 使用的制冷剂为R134a和R600a。从制冷剂替代的角 度来看，小型葡萄酒储藏柜中，R290将作为主要替 代制冷剂。 

3.5.2 制冰机 

目前商用制冰机大多使用R134a和R404A制冷 剂，基于《基加利修正案》的实施，这两种制冷剂即将被淘汰，各大制冰机制造厂商开始研究R290 制冷剂作为替代的可能性。如对匹配相同制冷量 R290、R600a与R134a压缩机的制冰机在标准工况下 进行测试对比，表5列出了标准工况下采用不同制 冷剂时主要制冷性能的对比情况。

3.5.3 冰淇淋机和冷饮机

R404A、R134a、R290是冰激凌机和冷饮机主 要的应用制冷剂。考虑到冰激凌机和冷饮机都是小 充注量制冷装置，未来制冷剂替代的选择应以R290 和R600a为主。在替代传统R22制冷剂中，针对商用 冷饮机市场应用的制冷剂R22及R404A，美国科慕公司推出的R449A及R454C可以针对未来不同法规 要求下逐步作为替代制冷剂的选择之一，R449A的 物性更接近于R404A，R454C的物性更接近于R22， 为将来企业产品更新提供了最大的便利性，其基础 物性参数对比见表6和表7，当然在其他制冷系统中 替代方案也可以选择此类人工合成制冷剂。