R-22冷媒的禁用期限為2020年－洋洪/洪邦家電空調園地

■ 台北科技大學冷凍空調工程系∕李文興、陳澤興 ■

國際間對於R-22冷媒的禁用期限為2020年，但截至目前國內的空調業者仍未形成HCFC替代冷媒的時間表。本文將針對冷媒R407C的冷媒特性及冷凍循環的設計對應，跟以往採用冷媒R-22的冷凍循環的設計做探討比較。藉由本文的發表，希望對於屬中期替代冷媒的R407C催生，對從事替代冷媒R407C空調製品的研發產生幫助。

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依據ASHRAE Handbook 2001 Fundamentals 第19章節冷媒中之「冷媒的逐步淘汰替換( PHASEOUT OF REFRIGERANTS)」，其明白地說明管制破壞臭氧物質(冷媒內含氯、溴)之蒙特婁議定書的內容，可作為瞭解未來業界投入替代冷媒日程的參考。

管制破壞臭氧物質之蒙特婁議定書最初開始的協定是由歐洲共同市場(現在的歐洲共同體)和24個國家於西元1987年9月16日簽署。各國同意某些CFCs的管制生產及消耗量，要求在西元1998年其消耗量維持在西元1986年消耗量之50%，而從1992年開始，海龍化合物(包括R13B1)管制維持在西元1986年之水準間。開發中國家可以延長最後期限。

蒙特婁議定書在西元1990、1992年分別於倫敦、哥本哈根開會修正，在西元1996年9月共有157個國家批准生效，其中倫敦修正案有110個國家批准生效，哥本哈根修正案有58個國家批准生效。哥本哈根會議修正之內容決議如下：

CFCs至西元1996年1月1日將停止生產。
海龍(包含溴、氟和碳，是類似CFCs的化合物，亦會破壞臭氧)則在西元1994年1月1日停止生產，但可以繼續使用現有儲存的(修護或再利用)。
停產後未用完的產品仍然允許提供必要的使用。

另外在HCFCs冷媒(包括R-22)以西元1989年消費量為基準，來作為開發中國家逐步淘汰冷媒的協定，管制時程如下所述。而除了下述經國際一致同意的管制時程外，各國家亦可另行規範臭氧破壞化合物的管制時程。削減HCFCs消費量的百分比與年度關係見圖1。

圖1. HCFCs冷媒的管制時程

在西元1996年1月1日HCFCs凍結在1989年消費量。
在西元2004年1月1日削減HCFCs的消費量為西元1989年基準量的65%。
在西元2010年1月1日削減HCFCs的消費量為西元1989年基準量的35%。
在西元2015年1月1日削減HCFCs的消費量為西元1989年基準量的10%。
在西元2020年1月1日削減HCFCs的消費量為西元1989年基準量的0.5%。
在西元2030年1月1日完全停止生產。

蒙特婁議定書中沒有管制HCFCs與HFC冷媒(如R-32、R-125、R-134a、及R-143a)與他們的混合物，包括R-404A、R-407C和R-410A，由各個國家自行規範。

於世界環保意識高漲的今日，為了保護地球的臭氧層，繼CFC冷媒從西元1996年1月被禁止使用以來，窗型家用空調機(RAC)和箱型機(PAC)所廣泛使用的HCFC-22冷媒也將從西元1996年起開始限制其使用量，於西元2004年削減其35%的用量，至西元2020年時則完全禁止使用。如此一來HCFC-22替代冷媒因此產生，但當然需要具備如下的必要條件才有可能被考慮使用：

ODP (臭氧層破壞能力= 0 )
不會促進地球溫室效應(GWP、TEWI值最小)
安全性高 (無毒性、可燃性低)
商品化可行性高 (信賴性、價格、耐久性、售後服務性)
再利用性高或廢棄容易 (環境負荷小)
溫度-壓力特性須與替代現狀冷媒接近，以減少系統設計變更

上述的考慮因素有HFC冷媒及HC冷媒，但其中HC冷媒具有極強的可燃性，以致大大限制了HC冷媒的應用性，在此暫不考慮之，而以HFC冷媒為主。

西元1994年日本冷凍空調協會(JRAIA)的「HCFC 替代冷媒評估計畫(JRAIA Alternative Refrigerants Evaluation Program )」提出以HFC混合冷媒R407C及R410A取代HCFC-22冷媒的想法。在JARN雜誌(Feb., 2000)中曾指出日本主要的小型空調機製造商，已經從西元1998年起開始推出HFC-410A(R410A)冷媒的家用空調機(RAC)和HFC-407C(R407C)冷媒的箱型空調機(PAC)。因此，替代冷媒的開發工作及相關應用技術已成為各空調業界最重要的課題。

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關於冷媒R407C的特性(跟冷媒R-22比較)介紹，主要是參考ASHRAE Contents-2001 FUNDAMENTALS BASIC MATERALS CH19〝Refrigerants 〞的資料[1]、目前現有產品代理商(代理DAIKIN)的冷媒R407C所提供的資料[2]及日本冷凍空調協會學術講演會論文集的資料[3]所作成的，做為本文探討冷媒R407C冷凍循環設計的入門。

一、冷媒R407C的字義

〝R407C〞的字義是由美國冷凍空調學會(ASHRAE)為辨別而給予的名字。其4字開頭表示是非共沸(non-azeotropic)之混合冷媒；07字表示是混合冷媒組成時所決定的編號；C字尾表示是按照同組成的比率不同所編成的流水號。現在茲將現有產品的廠商及規格說明如下：

產品廠商	商品規格
ICI	Klea66
美國杜邦	AC- 9000
Atochem	Fx220
日本旭硝子	R- 407C
日本 DAIKIN	R- 407C

二、一般的性質

冷媒番號	(ASHRAE 34)		R407C	R- 22
組成成份			HFC-32/125/134a	HCFC- 22
混合比率	(Wt %)		23/25/52%	100%
分子量			85.62	86.47
沸點	(℃)		- 43.6	- 40.8
凝固點	(℃)		- 115	- 160
臨界壓力	(Mpa)		4.98	4.6
臨界密度	(kg/m³)		495	513
飽和液體密度	(kg/m³)		1136	1191
飽和蒸氣比容積	(m³/kg)		0.0229	0.0225
黏度	飽和液	mPa.s	0.164	0.178
	常壓蒸氣	mPa.s	0.0128	0.0128
比熱	飽和液	kJ /kg.K	1.554	0.662
	常壓蒸氣	kJ /kg.K	0.835	0.662
蒸發潛熱	(沸點)	kJ /kg	250.3	233.5
熱傳導率	飽和液	W /m.K	0.0863	0.0869
	常壓蒸氣	W /m.K	0.0131	0.0113
作業環境曝露限界溫度	ppm		1000	1000
燃燒性	(UL100℃)		不燃性	不燃性
安全性等級	(ASHRAE 34)		A1/A1	A1
臭氧層破壞係數	(ODP) CFC11 = 1		0	0.055
地球溫暖化係數(100年)	(GWP) CO₂ = 1		1610	1700
水的飽和溶解度	ppm		1250	1300

說明：本表摘錄自[2]

三、理論冷凍循環的特性

對於R-22和R407C冷媒冷凍循環的性能比較如表1，由表1可清楚的瞭解當要以R407C冷媒系統取代現有的R-22冷媒系統時，在冷房的COP值會低減4%，在暖房的COP值會低減3 %，形成COP值降低的情況，如何去克服此現象將是本文要探討的重點。至於R-22冷媒與R407C等新冷媒冷凍能力和COP的比較見圖2 。

	冷媒番號 (ASHRAE 34)		R407C	R- 22
性能	冷房效率凝縮 50℃ 蒸發 5℃	COP比 (%)	96	100
		能力比 (%)	99	100
		吐出壓力 (%)	2.09 MPa	1.94MPa
	暖房效率凝縮 50℃ 蒸發 5℃	COP比 (%)	97	100
		能力比 (%)	100	100
		吐出壓力 (%)	2.09 MPa	1.94MPa

說明:	1.	理論冷凍能力計算條件：過熱度=5℃，過冷度=5℃，斷熱效率=0.75
	2.	本表摘錄自[3]

表1. R407C冷媒與R-22冷媒的性能比較表

圖2. R-22和R407C等新冷媒冷凍能力和COP比較[3]

四、安全性

在ASHRAE Standard 34中，冷媒是依照有關的危害來分類[1]。冷媒毒性與易燃性共分成6個安全分類（A1、A2、A3、B1、B2、B3），其中A1類的冷媒危害最小，而B3類的毒性與易燃性最強。

在ASHRAE Standard 34中，冷媒安全區分由大寫字母及數字組成。冷媒的濃度在400ppm以下的若沒有毒則歸為A類，若有明顯毒性則歸為B類。數字〝1〞表示冷媒的燃燒性在18℃、101kPa時於空氣中不燃燒；數字〝2〞表示低燃燒性冷媒在21℃、101kPa、密度大於0.10 kg/m³時燃燒，熱值小於19000kJ/kg；數字〝3〞表示高燃燒性冷媒在21℃、101kPa、密度小於或等於0.10 kg/m³時燃燒，熱值大於或等於19000 kJ/kg。

混合冷媒的安全性等級評價是依照兩種條件來加以分類實施，見[2]，例:R407C混合冷媒安全性等級為A1/A1，其中前者A1表示「標準組成的組成誤差之安全性評價」，後者A1表示「冷凍機在標準條件下運轉所造成冷媒組成變化的安全性評價」。

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由於R-22的替代冷媒R407C之熱物性與R-22冷媒相當接近，故目前美、日空調大廠生產的箱型冷氣機都以R407C混合冷媒做為R-22的替代冷媒。綜合上述的討論分析，可將R407C混合冷媒的特徵(如圖3)與R-22冷媒系統比較，分別在下面的單元中詳細說明其產生的問題點及對應方式，以作為日後R407C混合冷媒製品化的參考。