欧美超市冷冻设备冷媒替代趋势
一、背景
臭氧层破坏与全球暖化等环境议题，在过去十年大大的改变了冷冻、空调与热泵工业的发展。蒙特娄议定书生效至今，已开发的工业国家皆已完成新设备的替代冷媒转换工作，使用HFC 来替代具有破坏臭氧层潜势的CFC，而一些开发中国家则仍持续进行替代工作中。
CFC 的禁用在超市设备业引起很大的反应，因为冷冻系统一般都有很高的泄漏率，需要大量的冷媒来维持其正常运转。很多公司都为此展开冷媒管理计划，包括减少系统泄漏与改善维护工作等，并计划性的换装部分设备的冷媒，以及更新部分设备。在设备换新之前，则加强回收与纯化冷媒的工作。
除了CFC 外，像R-22、R-123 这类ODP 较低的HCFC 冷媒，将陆续在30 年之内废除。R-22 是全球冷冻空调工业中最重要的冷媒，蒙特娄议定书自1996 年开始，已管制R-22 及其它HCFC 的消费量，明定了废除的时程以及减量的水平。
欧盟为了能加速废除HCFC，于去年通过了提前时程的修正法案。有些国家的禁用时程更早，例如瑞典自1998 年即禁止R-22 及HCFC 使用在新设备上，而德国与丹麦则自2000 年1 月1 日起禁用R-22。
所有的替代研究都显示，没有一种替代品可以涵括R-22 所有的应用领域。欧洲市场主要是以不含氯的HFC 替代CFC 与HCFC 冷媒，包括非共沸混合冷媒R-407C 与近共沸混合冷媒R-410A。而碳氢冷媒丙烷R-290 也是替代品之一。
HFC 似乎解决了CFC 冷媒破坏臭氧层的问题，不幸的是，它却出现在另一个环保公约「京都议定书」所制定的温室气体排放减量名单中，这意味着未来HFC 冷媒将不能再任意排放至大气中。
为了因应京都议定书的管制，丹麦能源与环境部决定自2006 年起废除HFC。解决之道是使用GWP 极低的冷媒，例如氨、碳氢化合物或二氧化碳等自然流体。氨在大气中存活的时间很短，所以GWP 值为0；碳氢化合物及二氧化碳的GWP 则极低。
除了直接排放至大气中的问题之外，因为冷冻系统需要使用电力来驱动，而化石燃油发电厂所排放的CO2（最大宗的温室气体），等于冷冻系统间接造成了温室效应。
直接与间接温室效应随着不同的应用领域而有所不同，见图1。两者相加后所得的结果称为总等效温暖化效应（TEWI），是当今用来分析冷冻空调设备环保特性的极佳指标。
二、R-22 与替代品的比较
要对不同特性的冷媒在同一个系统中做出正确的热力性能比较，必须先进行系统最佳化，包括调整各种冷媒的压缩机与各主要组件，才有办法正确的比较性能与效率，这是极困难且几乎不可能的事。但藉由TEWI 分析，可以帮我们从理论上判断冷媒系统特性。实际上，理论分析一向都是性能比较的第一步骤，接着才进行冷媒压缩机的性能测试与冷冻系统的量测。
在R-22 与R-502 的替代方面，德国汉诺威冷冻与热泵研究中心已进行了HFC 与HC 的卡路里（calorie）测试，测试对象包括R-404A、R-407A、R-407B、R-407C、R-507、R-410A 与R-290 等，其中最重要的实验为耗电量测试（每年操作2000 或3000 小时），并以每年20%的冷媒泄漏率来计算直接排放量，结果显示于图2。由图2 可看出，仅有R-410A 与R-290 系统的耗电量与R-22 相当，其它系统的耗电量都要高出5%到15%。无论直接排放或是间接排放，R-410A 与R-290 都比R-22 要低一些。
R-410A 在低蒸发温度时表现特别突出，耗电量比R-290 还低。蒸发温度高的时候R-290 则比较占优势。R-290 具有可燃性，但GWP 值极低，而R-410A为不可燃但GWP 较高。
本段结论是，在不可燃冷媒中，R-410A是最佳的选择，其它的R-407A、R-407B、R-407C、R-404A 与R-507 则没有太大的差异。R-404A 与R-507因含有R-143a 的缘故，TEWI 值最高。另外，虽然R-290 的TEWI 值最低，但是它具有可燃的危险，此缺点虽可以藉由间接系统的二次冷媒来克服，但势必会增加耗电量。
三、商用冷冻系统
1997 年AFEAS/DOE 的TEWI 3 计划，针对冷冻空调系统高泄漏率的设备，例如商用冷冻、汽车空调、小型空调机、热泵系统等进行研究。
在超市系统方面，针对目前与未来可能的系统进行不同冷媒应用分析，例如使用二次冷媒的间接系统，或美国使用较多的非中央式系统（ 属于小型、水冷，可以有较短的液管与吸气管），在欧洲的气候以及两种温度条件下计算TEWI 值。图3 为测试结果，直接膨胀的中央式系统TEWI 值比二次系统及分布式系统高出许多。
传统中央直膨超市冷冻系统，由于冷媒充填量大、液管长，泄漏的潜在机会大，未来不应再使用此种系统，而应采用二次冷媒的间接系统或HFC水冷式分布式系统。
另一种选择为使用GWP 极低的冷媒于直膨系统，但氨与碳氢冷媒具有可燃性或毒性，并不能用于超市公共区域的直膨系统中，必须使用间接系统加以隔离。看来，只有无毒不可燃的CO2 可用于直膨系统，但仍有待克服系统压力极高的问题。
四、间接冷冻系统
如图3 所显示，间接系统的TEWI 值较低，但它需要使用额外的泵浦来使二次冷媒与一次冷媒进行热交换，因此耗电量（间接温室效应）比其它两种型式高，未来研究的重要课题是如何降低二次系统的耗电量。
二次冷媒流体特性黏度η、密度ρ、比热C 与热传导λ是影响泵浦马力的重要参数。图4 为数种常用二次冷媒于低温冷冻循环之泵浦的马力需求（管径35×1.5）与热传特性。
由图4 可看出，几种含水盐类溶液的泵浦马力需求相当近似，与常用氯化钙卤水的大小相当。人造流体的泵浦马力需求则较大，醇类溶液也有这种现象，特别是丙稀乙二醇，低温时黏度增加使得泵浦马力需求大增。
流体的热传特性同样也会影响系统耗能，人造流体与乙二醇的热传系数也比含水盐类溶液差。
综合来看，氯化钙不冻液的泵浦马力需求与热传系数最佳，它的液体循环量可以减少许多，可改善间接系统耗能的缺点。在低温的应用上，HYCOOL 50 与Tyfoxit F40 是仅次于氯化钙最好的流体。
德国联邦政府研究计划为了替超市找出解决温室效应问题的方法，使用氨间接系统来与R-404A 传统直膨系统比较，评估超市间接冷却系统的适用性，也一并研究二次流体。结果显示间接系统耗能高出15%，但经系统最佳化后可降至10%（见图5）；二次流体的比较方面，使用Tyfoxit 耗电高出18%，HYCOOL 耗电高出11%。
前述TEWI 3 计划的理论评估也得到类似的结果，即间接系统可以有较低的TWEI 值，但其耗电量仍比直接系统高（尽管使用效率高的氨冷媒）。最主要的原因是二次冷媒在低温时的黏度增加，使得泵浦马力消耗增加所致。未来在低温的用途方面，必须要寻找更好的二次冷媒以减少马力消耗。
五、间接系统的耗能改善
为减少间接系统的耗电，另一种方法是使用有相变化的二次冷媒，在应用温度范围内，二次冷媒可以由液态变成气态，藉由极佳的相变化热传特性，减少流体循环量，进而降低泵浦马力。通常冷媒即可作为二次冷媒，但合成冷媒有众所皆知的环保问题，自然冷媒也多有安全性问题，因此CO2成为最佳的候选者，它有比传统单相流体更佳的热传特性与极低的黏度。
流量小了之后，管径也可以小很多，比直膨的R-22 或单相的Tyfoxit都小。CO2 的缺点是压力极高，但这并不算太大的问题。
CO2 用来作为二次冷媒，最早是由Forbes Pearson 在1992 年所提出，在一个超市进行测试。为了降低CO2 的压力，他尝试在CO2 中加入添加剂，但很不幸的，这些添加剂都有可燃性，所以最后还是不得不接受CO2 的高压。1996 年，瑞典一家公司成功建立了一套氨系统搭配CO2 二次冷却的商业超市低温系统。
六、直接冷却
CO2 直膨系统在低温领域也具有竞争力，但其成本与性能也是大家所关心的。Ferreira 等人针对CO2 分别用在直膨系统与二次系统进行比较，结论是两种系统的耗能及年度运转成本相当接近（图6）。二级系统有一个很重要的缺点，就是主系统的温度一定要比二次循环系统的温度低，这表示高温循环的蒸发温度要更低，以便冷凝二次系统，但这会造成较高的热传损失。
一个可能的解决方法是使用特别设计的CO2 压缩机，形成穿临界的CO2循环，可应用在超市的高温应用领域。从已完成的测试结果显示，CO2 用于传统直膨系统，的确可以解决直接排放造成温室效应的问题，但是耗电仍比R-22 系统高出三分之一。
七、美国市场
美国于CFC 废除后，新设备已改用R-22、R-404A（或R-507）甚至是R-134a，是工程及商业应用上很自然的进程：
n R-22 设备在CFC 禁用之前即已问市，但它并不像R-12 与R-502 如此受人注意，直到CFC 禁用之后，R-22 才被人「从架子上拿下来」，再度用在超市系统中，虽然防止过热的装置使成本增加，但总比当时仍陌生的HFC 技术要来得好。
n R-404A 是HFC 混合冷媒中与R-502 性质最接近的一种，可以让设备制造商根据现有的R-502 系统设计低温的HFC 设备。R-507 非常近似于R-404A，但压力稍高且能力稍大。目前大部分的设备都可选用R-404A或R-507。
n R-134a 已成功取代R-12 在汽车冷气、冰箱与开饮机的用途。一些超市连锁店亦将它用在中高温的用途，但无法用于低温用途。
以上这些替代的目的，只求能快又可靠的替代CFC 传统产品，较不考虑冷媒温室效应或系统TEWI 值的问题。
美国工业界、环保署与蒙特娄议定书缔约国等代表皆支持目前HCFC废除时程，包括减少消费上限值与2030 年完全禁用的规定。至少在2010年R-22 不得用于新设备之前，有段缓冲时间可以让工业界解决一些技术问题，毕竟有太多冷冻设备使用R-22。
下一代设备研发工作正致力于减少设备的TEWI 值。这些工作不仅要找寻新冷媒，更要提高产品的性能效率、可靠度以及设计的单纯化（减少初置成本、安装成本、维修成本等）与安全性。
TEWI 减量的优先次序如下：
1. 减少传统系统的泄漏- 不再视冷冻系统30%的泄漏率为正常，重新设计设备与加强维护工作以减少泄漏量。
2. 减少传统系统的冷媒充填量- 重新设计系统、配管、系统组件等，使其冷媒容量减小，以降低泄漏的影响。
3. 使用低 GWP 冷媒
4. 新技术-使用间接系统、非HFC 冷媒，以减少高GWP 冷媒的使用。
美国对替代系统的观念是，不值得为了些微的TEWI 的减量而投入太多的成本来变更系统，例如，不值得使用较贵、复杂、有潜在危险的碳氢系统二次循环，来取代目前的HFC 直膨系统，因其减少TEWI 的效果可能比「努力减少HFC 系统泄漏」好一些而已。至于要改善多少TEWI 才值得变更系统，则还须仔细评估。
八、结论
要满足京都议定书对于温室气体排放减量的要求，有两种方法：
1. 锁紧冷媒系统，减少HFC 冷媒的泄漏。
2. 使用 GWP 非常低的流体。
间接冷冻系统减少管路泄漏效果非常显著，但耗电量较高，使用CO2作为二次冷媒可以减少耗电量增加。
间接系统的液体冷却主机，是在制造厂内组装完成，加工质量较为优良，发生泄漏的机率并不大，该主机使用人造冷媒或自然冷媒变得没有那么重要，选购主机时，可以由成本上来考虑。人造冷媒较贵，但自然冷媒需要有许多安全保护装置，亦需要不少成本。若真要考虑成本，未来可以选用CO2 的直膨系统。
对于未来法规管制温室气体排放的看法方面，欧洲一直致力于使用自然冷媒的间接冷冻系统，希望能完全不使用人造冷媒；相反的，美国大多数的工业都希望不要将HFC 冷媒纳入管制。无论如何，为了实用与安全理由，要使用氨、碳氢化合物或高压CO2 于超市等公共场所，还是必须经过立法程序，并加强执行安全检查才行。
