2012/06/05
經濟部能源局
點閱人次：
4022
字型：
▓撰文、圖片提供：鄧敦平、游朝傑
目前使用於家用冰箱、除濕機與冷氣機中的HFCs冷媒，隨著京都議定書的管制期程而終將面臨淘汰的命運。碳氫（HCs）冷媒具有零臭氧破壞潛力（ODP）、極低的溫室效應潛力（GWP）及相變熱大的特性，對於解決臭氧層的破壞、溫室效應及降低耗電量等問題將有所助益。然而，在HCs冷媒高可燃性所造成的安全性問題，也是亟需深思與解決的課題。
冷媒與環境的關係
依據蒙特婁公約（Montreal Protocol）自1996年管制生產與使用會破壞臭氧層的含氯（Chlorine）的氟氯碳化合物（Chlorofluorocarbons, CFCs）冷媒以來，過去廣泛使用於家用冰箱、除濕機及汽車冷氣的R12（CFCs）冷媒即開始被氫氟碳化合物（Hydrofluorocarbons, HFCs） 的R134a所取代，而使用於家用空調機的氫碳氟氯化合物（Hydrochlorofluorocarbons, HCFCs）的R22近期已被限制自2015年起全面禁用，因此臺灣市面上的家用空調機也已開始使用R410A（HFCs）的冷媒來替代R22冷媒。
冷媒對環境影響的最重要指標就是臭氧破壞潛力（Ozone Depletion Potential, ODP）與溫室效應潛力（Global Warming Potential, GWP），基於環保的需求，該項指數越低即代表對環境的負面影響越小。
使用HCFs取代CFCs與HCFCs主要是取決於HFCs不含氯（ODP＝0），洩漏到大氣之中無破壞臭氧層的疑慮。但是，1997年12月制定的京都議定書所規範溫室氣體的減量與相關限制必然又會衝擊相關產業。由表1可以看出，目前主要用來替代R12與R22家用冷凍空調設備的R134a與R410A冷媒均屬於HFCs，而R410A的GWP甚至高於過去所使用的R22。HFCs冷媒是屬於京都議定書管制的氣體，未來必然要再面臨淘汰的命運。近年來在尋找下一代替代冷媒方面最被關注的就是碳氫化合物（Hydrocarbons, HCs）：HCs冷媒具有零ODP與極低的GWP，對於環境的影響很低，能兼顧保護臭氧層與低溫室效應的目的。目前已經有相當多的研究成果顯示，HCs冷媒除了具備環保的需求之外，更具有節能的效果，臺灣的家電廠商也已推出R600a冷媒的冰箱在市面上銷售。
碳氫冷媒的特性與節能機制
目前廣泛使用在家用空調機的R22與R410A冷媒，最常被考慮的替代HCs冷媒是丙烷（Propane, R290）；使用於家用冰箱的R134a冷媒最常被考慮的替代HCs冷媒則是異丁烷（Isobutane, R600a）。HCs冷媒具有較高熱傳導係數、較低的黏度以及蒸發潛熱大的優勢，可提升冷凍空調設備的性能，然而，HCs冷媒卻有液體冷媒密度低與氣體冷媒比容大的缺點，因此壓縮機汽缸容量與配管管徑必須有較大的需求。
在冷媒安全性方面，根據ASHRAE Standard 34的規範，冷媒毒性與可燃性共分成：A1、A2、A3、B1、B2、B3等6個等級；冷媒的毒性則由英文A與B大寫字母來區分，即冷媒的濃度在400ppm以下的若沒有毒性則屬於A類，若有明顯毒性則屬於B類。冷媒的易燃性則由阿拉伯數字1～3來分類，數字愈大代表可燃性越強。R600a與R290均屬於A3等級，屬於無毒性且可燃性強的冷媒，但可燃性強卻成為HCs冷媒應用受到限制的主因。不過，根據BS EN 378 2000規範，當R600a與R290設備充填量低於150g時，是可以使用於室內的場合。
碳氫冷媒在家用冷凍空調設備的研究成果
國內外已經有許多針對將現有CFCs、HCFCs與HFCs冷媒系統置換HCs冷媒的相關研究成果，大部分的研究結果顯示，換裝過程並不需要更換系統的相關組件。除了使用單一HCs冷媒針對現有冷媒系統進行換裝研究之外，亦有使用不同混合比例2種以上的HCs冷媒進行換裝，甚至使用HFCs冷媒與HCs冷媒混合使用。
研究結果顯示，換裝或使用HCs冷媒之後可以提升系統的性能係數（Coefficient of Performance, COP）、能源效率因數（Energy Efficiency Ratio, EER）及降低耗電量，且冷媒充填量可降低到原本所使用冷媒的55％以下。此外，HCs冷媒系統可適用於礦物油（Mineral Oil）與酯類合成油（Polyolester, POE），因此使用HCs換裝CFCs、HCFCs與HFCs可以不必更換冷凍油，對於換裝或使用上相當便利，沒有很高的技術問題。
使用限制與注意事項
使用HCs冷媒最大疑慮還是可燃性的問題。一般家用的冰箱與除濕機使用的冷媒量較少，加上HCs冷媒所需的充填量約低於原本CFCs、HCFCs、HFCs充填量的一半，因此，HCs冷媒在這些設備上的充填量不會高於150g，可以符合BS EN 378 2000的規範。
然而，在空調系統的換裝上就必須注意充填量限制的問題，因為空調機的冷媒充填量較高，即使換裝充填量需求較低的HCs冷媒也會超過150g，因此可燃性所衍生的安全問題不可忽視。不過空調機大部分的冷媒是在冷凝器（液態），因此在實際運轉時，大多數的冷媒是處於室外的狀態，如果考量此一安全問題，可以裝設液管電磁閥在停機時將大部分的冷媒保留在冷凝器之中，或是在室內側裝設可燃性氣體感測器提供警示功能以降低風險；此外，相關電氣控制必須使用無接點開關或密閉式繼電器來降低引火的機率。
結語
HCs冷媒具有零ODP與極低的GWP的特性，對於解決大氣臭氧層的破壞與溫室效應等問題將有所助益，符合全世界節能減碳與環境保護的趨勢。現有家用冷凍空調系統換裝HCs冷媒可以不必更動系統元件，並可以在較低的冷媒充填量之下提升系統的COP與EER並降低耗電量，對於節能將有很大的助益。雖然HCs冷媒具有可燃性高的缺點，但是若能依據相關安全規範使用並裝置適當的安全裝置即可減低火災的風險，將有助於HCs冷媒在冷凍空調相關產業的推廣與應用。（作者為國立臺灣師範大學工業教育學系副教授、碩士班研究生）
關鍵字：碳氫冷媒,冷凍空調設備,HCs