综述：下一代环保制冷的替代制冷剂及混合物：综述

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Alternative refrigerants and mixtures for next-generation eco-friendly refrigeration: A review

　　

# 摘要

本综述对R-134a替代用低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂——包括R-152a、R-600a、R-290、R-1234ze(E)、R-1234yf和R-744——在蒸气压缩制冷系统中的性能、安全性和环境影响进行了批判性评估。与以往将异质结果简单汇总而不考虑方法学差异的综述不同，本工作将文献分为基础分析、中级分析和高级分析三类，并严格在主要循环配置以及所研究的蒸发温度和冷凝温度范围内进行解读。研究同时评估了COP（制冷系数）、?效率、GWP、TEWI（总等价温冲）、成本、可燃性、排气温度和混合物行为。结果表明，不存在单一制冷剂能够作为万能解决方案，每种制冷剂都存在各自不同的热力学、安全性或环境方面的权衡取舍。R-152a提供了最为一致的性能优势，但其可燃性和较高的排气温度限制了其无限制使用。R-290和R-600a兼具优异的热力学性能和超低GWP，但其A3分类使得低充注量设计和安全控制成为必要条件。因此，混合物被作为针对纯制冷剂局限性的定向解决方案加以考察。烃基混合物被考虑用于拓宽有利的运行范围，而HFOs（氢氟烯烃）和阻燃剂则被评估用于降低高性能制冷剂的可燃性和排气温度劣势。R-152a/阻燃剂混合物因其能够在性能、环境影响和操作安全之间提供更好的平衡而成为最有前景的候选方案。然而，目前的研究很少同时评估性能与可燃性，且关于成分稳定性、泄漏行为和润滑油兼容性的信息十分有限。

## 引言

蒸气压缩制冷系统（VCRS）的主要部件包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀（或节流）阀，是一种使用制冷剂的热力循环系统，广泛应用于空调、冷库设施和通风系统。全球近80%的制冷行业采用VCRS用于空调、供暖、通风和制冷[1]。历史上，许多使用VCRS的行业采用氟氯烃（CFC）制冷剂，如R-11、R-12和R-22[2]。然而，CFCs在平流层中通过紫外光解被分解，释放出原子氯，每个Cl原子可破坏10万个臭氧分子，导致全球臭氧层的严重消耗[3]。由于消耗臭氧层物质对臭氧层的有害影响，《蒙特利尔议定书》被通过以限制CFCs的使用防止进一步损害。

R-134a和R-22被提议作为CFCs的替代品，选型因素包括泄漏和能耗等[4]–[9]。虽然R-22因其较低的臭氧消耗潜能值（ODP）被认为是CFCs的替代品，但R-134a因其与R-12相似的热物性和不可燃特性，在美国和欧洲的过渡期间更受青睐[10, 11]。随着更多国家加入《蒙特利尔议定书》，仅通过25%替换为R-134a就实现了CFC使用量80%的削减[12]。然而，R-134a的温室效应日益加剧，其高温室气体排放对所有者和环境造成伤害，促使《京都议定书》（1997年）的签署，该议定书设定了HCFCs（2020–2030年）和HFCs（2025–2040年）的淘汰时间表[13, 14]。使用R-134a等高GWP制冷剂导致气温和海平面上升，改变降水格局和大气化学[15]。鉴于气候变化对人类和自然生命的负面影响，R-134a具有较高风险且可能在未来造成更大问题，应从广泛使用的VCRS中逐步淘汰，并寻找合适的候选替代物。基于这些关切，欧盟已在F-Gas法规下限制了R-134a在多个领域的使用，特别是新的汽车空调系统，进一步凸显了寻找环境安全替代品的紧迫性。

过去，已开展多项研究来改造循环以提升其性能。例如，在蒸气压缩系统中使用引射器作为膨胀装置，通过减少压缩功、最小化膨胀过程损失、提高效率和降低?损来改善性能[16]–[20]。此外，过冷器和冷凝热回收的实施有助于提高COP和制冷量[21]–[23]。改善性能还有多种方法可用。通过减小冷凝器与放热空间之间的温差以及蒸发器与吸热空间之间的温差来提高?效率[24]。利用蒸发冷却冷凝器代替空气冷凝器可显著提高COP[25]。微通道换热器有助于提高能效[26]。无曲轴机构的线性压缩机效率更高、成本更低、无油运行且体积小于传统往复式压缩机[27]。增加压缩级数（最多可达四级）可提高COP[28]。虽然改善循环性能可以减少气体排放，但由于使用R-134a，制冷系统对全球变暖的影响仍令人担忧。

已对作为R-134a替代品的低排放和增强安全性的制冷剂进行了研究。由于技术要求，CO?的适用循环未定义，其最大挑战是高放热温度[29]。虽然R-1234yf和R-1234ze(E)因其GWP值而具有环境友好性，但其性能低于R-134a。然而，由于可以通过使用纳米润滑油、内部热交换器（IHX）、引射器和离心冷水机组来增强其性能，它们被提议为可行的替代品[30]–[37]。虽然它们比其他低GWP制冷剂更安全，但由于经济考量，除非有法律限制，否则不太可能取代R-134a。因此，为了选择最佳制冷剂——即在替代传统制冷剂时具有最高COP和?效率且对环境影响最小——仍需更多研究[38]。近期综述进一步强调，仅凭低GWP值不足以作为制冷剂选择的充分标准，因为整体可持续性还取决于与能耗相关的间接排放、热力学效率、运行安全性、可负担性以及系统部件兼容性。因此，制冷剂应作为完整制冷系统的整体要素来评估，而非孤立的工质，其适用性应根据预期应用的需求和运行条件来解读[39]。

本研究对广泛研究的低GWP制冷剂从热力学性能、环境影响、经济可行性和操作安全四个方面进行了批判性评估，特别关注COP和可燃性。虽然以往的综述文章总结了各制冷剂的优势和局限性，但通常是在异质循环配置、运行条件、压缩机假设、压降处理、部件设计和实验方法论下比较结果。因此，现有文献仍缺乏一种方法学受控且依赖运行条件的框架，以实现对纯制冷剂、常规混合物和含阻燃剂混合物作为R-134a替代品的系统比较。为弥补这一研究空白，本综述将现有文献分为基础热力学分析、中级部件敏感性分析和高级实验分析三类，并将主要系统级比较限定在仅由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的传统蒸气压缩制冷循环中。这一限定最大限度地减少了额外部件和改造循环架构对所报告制冷剂性能的影响，从而提高了研究间的可比性。在"纯制冷剂"章节中，R-152a、R-600a、R-290、R-1234ze(E)、R-1234yf和R-744的理论和实验结果与R-134a在原始研究所研究的蒸发温度和冷凝温度范围内进行了比较。评估内容包括COP、?效率、TEWI、成本、排气温度、可燃性、压缩机要求和实际系统局限性。由于没有任何纯制冷剂能同时满足所有热力学、环境、经济和安全要求，"制冷剂混合物"章节将制冷剂混合物作为针对纯制冷剂已识别局限性的定向解决方案加以考察。首先评估由纯制冷剂章节中研究的制冷剂组成的混合物，随后评估含低浓度添加剂的阻燃剂混合物，识别出有前景的候选物、性能权衡和未解决的局限性。因此，本综述并非仅对制冷剂属性进行排序或提出普遍更优的替代品。其主要贡献在于建立了一种方法学受控且依赖运行条件的框架，用于评估每种纯制冷剂、常规混合物和含阻燃剂混合物替代R-134a的潜力，同时识别其实际实施所需的热力学、安全性和技术改进。

### 章节摘要

**方法学**

开展了系统的文献检索，以识别蒸气压缩制冷系统中作为R-134a替代品的低全球变暖潜能值制冷剂和制冷剂混合物相关研究。在ScienceDirect（Elsevier）、SpringerLink、MDPI和Google Scholar上检索了2016年1月至2026年7月发表的研究。检索使用了"R-134a alternative"、"low-GWP refrigerant"和"vapor compression"等术语的不同布尔组合。

**公式**

本节展示了方法学部分所述分析中用于比较的重要公式。压缩机的单位功输入由进出口状态的焓差直接计算：

$$w_{1,2} = h_2 - h_1$$

压缩机的压比为出口与进口状态的压强之比：

$$PR_{1,2} = \frac{P_2}{P_1}$$

理想循环和实际制冷系统的COP分别由以下公式确定：

$$COP_{e,carnot} = \frac{T_e}{T_c - T_e}$$

**纯制冷剂**

与R-134a相比GWP更低的纯制冷剂包括烃类（R-290和R-600a）、HFOs（R-1234yf和R-1234ze）、HFCs（R-152a）和天然制冷剂（R-744）。环保型无机（R-744）、有机（R-290和R-600a）和合成（R-152a、R-1234ze(E)和R-1234yf）制冷剂是最合适的选择[13, 78]。图5通过树状结构展示了制冷剂按其独特特征的分类。此外，这些也是具有冷凝器要求的制冷剂……

**制冷剂混合物**

纯制冷剂评估表明，没有任何单一低GWP候选物能同时满足所有热力学、环境和安全要求。R-152a提供了有利的能量性能，但受可燃性和高排气温度限制；而R-290和R-600a兼具优异性能与超低GWP，但仍受A3安全约束。因此，制冷剂混合物作为针对这些特定局限性的定向解决方案加以考察，而非……

## 结论与未来研究方向

本综述表明，没有任何单一低GWP纯制冷剂能同时满足直接替代R-134a所需的热力学、环境、安全、经济和系统兼容性要求。将所研究文献分类为基础分析、中级分析和高级分析进一步表明，制冷剂排名取决于运行条件、压损处理、压缩机特性、循环架构和实验边界条件。

### CRediT作者贡献声明

Kerem Kizilboga：撰写——初稿、软件、数据管理、构思。Ahmet Z. Sahin：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、构思。Baha Zafer：可视化、验证、软件、调查。Ibrahim H. Sahin：验证、软件、方法学、数据管理。

### 资金

本研究未获得任何资金支持。

### 利益冲突声明

作者确认不存在相关的财务或非财务利益冲突需要报告。

Kerem Kizilboga | Ahmet Z. Sahin | Baha Zafer | Ibrahim H. Sahin