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摘要：
近年来，随着各类污染问题的不断加剧，使得自然生态环境日趋恶化，其中又以臭氧层破坏最为严重，这一问题已经逐渐引起全球性的关注。臭氧层的破坏不但会给生态环境带来相当巨大的危害，而且还会对人体健康造成也十分严重的影响。臭氧层遭到如此严重破坏与制冷空调中使用的人工合成制冷剂有着密切的关联。为了保护人类的生存环境，必须采取有效的措施降低制冷剂对臭氧层的破坏。基于此点，本文首先简要介绍几种常见的自然工质及其特点，并在此基础上提出自然工质在制冷空调中的具体运用。
关键词：自然工质；制冷空调；氨；水；制冷剂
就制冷空调而言，其历经了三代制冷剂的应用，其中第一代是以CO2和NH3为代表的原生代，也就是我们所说的自然工质；随后出现的第二代制冷剂主要是以含氯的合成制冷剂为主，如CFCs、HCFCs等，正是由于这类制冷剂的使用，致使臭氧层的破坏日益加剧；经过人们的不断改良，第三代制冷剂随之出现，其以含氢和氟的合成制冷剂为主，其中比较有代表性是HFCs等。虽然第三代制冷剂有效地解决了臭氧层的破坏问题，但却带来了严重的温室效应，故此这类制冷剂也必将遭致淘汰。此时我们所要面临的是第四代制冷剂的研发，其最基本的要求是GWP值和ODP值均为零。而想要研制出这样一种新的合成物必然要经过漫长的时间，并且需要科研人员的不断努力，与其如此，不如退回到第一代自然工质的研究上，挖掘出自然工质在制冷空调中的潜力。借此本文就自然工质在制冷空调的运用展开探讨。
一、几种常见的自然工质及其特点
（一）氨
氨（NH3）作为一种自然工质被使用约有120年左右的历史，氨具有良好的热力性质、成本相对比较便宜、GWP及ODP值均为0等优点。氨压缩制冷系统的运行效率比较高，并且系统结构也较为紧凑，这种制冷系统的特点具体可概括为两方面：一方面是在相同制冷容量的前提下，氨制冷压缩机的容积仅为R22的50%左右，并且管路系统的容积也会以相同的比例减少；另一方面，因为氨具有良好的传热性，从而使得冷凝器与蒸发器的换热面积也可相对减少。基于以上两大特点，有效地降低了氨制冷系统的成本。虽然氨的优点是显而易见的，但是氨本身却具有较强的毒性及可燃性，正是这一缺点使氨的应用受到了极大程度的限制。当氨制冷系统中的空气含量达到一定程度时，极有可能引起爆炸，故此一般的氨制冷系统都会设有空气分离装置。而氨本身具备的特殊性质却有效地降低了因氨泄漏而引起的安全事故。此外，因为氨与一般的润滑油难以相溶，这也在一定程度上影响了氨的应用，并且当氨溶于水后会对铜产生严重的腐蚀，因此，一般以氨为制冷剂的系统不可使用以铜为主的材料。
（二）二氧化碳
CO2能够作为制冷工质并被广泛使用的主要原因在于其自身具有以下特性：其一，不可燃且安全无毒，能够适应各类润滑油及多种机械材料；其二，具有极高的热物理性质，能够充分与制冷循环及其设备相适应，而且CO2具有相当高的单位容积制冷量，在零摄度的条件下，其单位容积制冷量为NH3的1.58倍、R22的8.25倍；其三，具有十分良好的传热性和流动性，能够有效缩小制冷系统及压缩机的尺寸，进而使整个系统变得更加紧凑，同时运行维护也比较方便，经济性较高；其四，制冷循环压缩比要远远低于常规工质制冷循环，从而使得压缩机的容积效率能够始终维持在比较高的水平上。CO2的缺点是循环效率相对较低、运行压力高。通过大量的实验研究表明，冷却器高压侧的最佳压力值约为10Mpa，而CO2单级压缩跨临界循环的COP值要比传统工质低很多。
（三）碳氢化合物
在几种较为常见的碳氢化合物中，丙烷（C3H8）是一种最常用的制冷剂，其属于中温制冷剂。丙烷本身具有十分优良的兼容性，能够适应多种润滑油，而且还有良好的热力学性能，对金属没有强烈的腐蚀性，成本也相对较低。丙烷作为制冷剂主要因为其具有超强的物理性质，如标准沸点、临界温度以及压力等参数均与R22极为近似，可在不对原机组及生产线进行任何改造的前提下，直接对丙烷进行灌装，正因如此，丙烷可以作为直接替代物使用，替代成本要远远低于R134a。但是，碳氢化合物的缺点也十分明显，即易燃易爆。丙烷本身的着火浓度极限非常低，其在空气中的可燃极限为体积分数的2～10%。虽然碳氢化合物具有易燃易爆的缺点，但却并未影响到它在制冷系统中的应用，据有关资料显示，德国有将近90%以上的冷藏和冷冻箱都是以碳氢化合物为制冷剂。欧洲新生产出来的家用型冷藏和冷冻箱，也有25%的制冷剂采用的是碳氢化合物。
二、自然工质在制冷空调中的具体运用
（一）氨在制冷空调系统中的运用
1.增强制冷系统密封性能。由于我国地理环境存在温差较大的特点，所以制冷空调的设计压力应比欧洲略高，这就对氨制冷剂的防泄漏工作提出了更高的要求。氨制冷剂的泄露部位主要在轴封处，现阶段对于延长轴封寿命及其防泄漏的方法多种多样，如采用螺旋槽型干气密封法、半封闭或全封闭式压缩机、氨半封闭无罩螺杆压缩机等均能起到防止泄露的作用。此外，为了增强制冷系统的密封性能，还必须在设计和安装系统时采用焊接的方式将所有管道进行连接，尽量少用法兰连接。
2.减少氨的充注量。由于氨的危险性与其充注量成正比，所以必须降低氨的充注量，确保制冷空调的使用安全。当前，低氨充注系统成为了广大研究者的研制重点，如阿法拉伐公司生产的全不锈钢钎焊版式换热器，可将氨的充注量降至0.029kg/kw制冷量。通过研究表明，在氨制冷系统中应用微通道换热技术也可以达到降低充注量的目的，可降低到传统换热技术充注量的1%。
3.注意材料的应用。在制冷系统中，与氨制冷剂相接触的材料中不能含汞、铜、锌、橡胶、铜合金、镉合金的成份。在传统的氨制冷剂管道中，多数采用低合金钢、低碳钢和不锈钢作为换热器的整体材料，而现在多选用铝或铝合金材料。
（二）水在制冷空调系统中的运用
由于水具备无危险、无毒害的特性，所以将水作为自然工质，可以使制冷系统在真空的状态下运行拥有较高的安全性和可靠性。 1.水压缩制冷系统在建筑空调和供暖领域的运用。水具备较高的临界参数，可以与其他自然工质一样，在亚临界条件下循环可以获取较高的循环性能系数。在水制冷循环中，基于水的压缩比过大，所以必须采取多级压缩的方式，并且采用离心式压缩机，有效降低排气温度。经理论研究表明，将水作为自然工质应用于压缩制冷循环系统中，其关键在于研制与此相适宜的压缩机和设备，便可以充分发挥高温热泵工质的作用，完全满足建筑空调和供暖领域对热源温度的要求，拥有常规工质所具备的性能。
2.水制冷可以实现制冷与蓄冷功能。水制冷不仅可以制造冷水和冰，还可以运用闪蒸器替代传统的蒸发器制取冰水混合物。在闪蒸器中产生的水蒸气必须经过多级压缩后再进入泠凝器进行冷凝，冷凝过后的水流入闪蒸器，而在此过程中生成的冰晶混合物便储存到蓄冰槽内，制冷空调系统可从蓄冰槽内获取所需的冷量。
3.水压缩式制冷方式的发展应用前景。与当前广泛运用的溴化锂——水吸收式制冷方式相比，水压缩式制冷方式具备能源利用率高、冷却水量小的优势，同时也可以避免系统处于长时间运行状态下出现冷量减退的现象。通过在水制冷系统中采取先进的压缩机技术和压缩方式，就可以实现水压缩式制冷替代吸收式制冷，并取得更大的使用优势。
结论：
总而言之，自然工质在制冷空调领域中的运用还有许多问题需要解决，而随着人们对自然工质认识的不断深入，这些问题基本上都可以转化为系统的相应技术问题，并且会在技术进步的过程中得到逐步解决。可以说自然工质的应用主要取决于人们环境意识的不断增强，虽然科学技术给我们带来了十分巨大的利益，但无可否认的是环境和资源也受到了严重破坏。因此，探寻一种能够与自然和谐发展的模式，已成为必然选择，自然工质的应用绝对能够满足这种选择。期望在不久的将来，人们能够将自然工质的应用转变成一种自觉行为。
参考文献
[1]王怀信.李丽新.赵兴.自然工质在家用空调中灌注式替代HCFC22的研究[J].制冷学报.2010(3).
[2]贡征峰.CO2为低温级的自然工质复叠式制冷循环替代研究[D].天津大学.2007(1).
[3]张仙平.王凤坤.马富芹.段焕林.制冷空调领域CO2替代合成工质可行性分析[J].低温与超导.2007(3).
[4]方清.吴孟余.章学来.运输船舶的自然制冷工质应用前景分析[J].机电设备.2010(6)
[5]魏东.王景刚.国内外自然工质研究现状与发展趋势[J].暖通空调.2009(3).
近年来，随着各类污染问题的不断加剧，使得自然生态环境日趋恶化，其中又以臭氧层破坏最为严重，这一问题已经逐渐引起全球性的关注。臭氧层的破坏不但会给生态环境带来相当巨大的危害，而且还会对人体健康造成也十分严重的影响。臭氧层遭到如此严重破坏与制冷空调中使用的人工合成制冷剂有着密切的关联。为了保护人类的生存环境，必须采取有效的措施降低制冷剂对臭氧层的破坏。基于此点，本文首先简要介绍几种常见的自然工质及其特点，并在此基础上提出自然工质在制冷空调中的具体运用。
关键词：自然工质；制冷空调；氨；水；制冷剂
就制冷空调而言，其历经了三代制冷剂的应用，其中第一代是以CO2和NH3为代表的原生代，也就是我们所说的自然工质；随后出现的第二代制冷剂主要是以含氯的合成制冷剂为主，如CFCs、HCFCs等，正是由于这类制冷剂的使用，致使臭氧层的破坏日益加剧；经过人们的不断改良，第三代制冷剂随之出现，其以含氢和氟的合成制冷剂为主，其中比较有代表性是HFCs等。虽然第三代制冷剂有效地解决了臭氧层的破坏问题，但却带来了严重的温室效应，故此这类制冷剂也必将遭致淘汰。此时我们所要面临的是第四代制冷剂的研发，其最基本的要求是GWP值和ODP值均为零。而想要研制出这样一种新的合成物必然要经过漫长的时间，并且需要科研人员的不断努力，与其如此，不如退回到第一代自然工质的研究上，挖掘出自然工质在制冷空调中的潜力。借此本文就自然工质在制冷空调的运用展开探讨。
一、几种常见的自然工质及其特点
（一）氨
氨（NH3）作为一种自然工质被使用约有120年左右的历史，氨具有良好的热力性质、成本相对比较便宜、GWP及ODP值均为0等优点。氨压缩制冷系统的运行效率比较高，并且系统结构也较为紧凑，这种制冷系统的特点具体可概括为两方面：一方面是在相同制冷容量的前提下，氨制冷压缩机的容积仅为R22的50%左右，并且管路系统的容积也会以相同的比例减少；另一方面，因为氨具有良好的传热性，从而使得冷凝器与蒸发器的换热面积也可相对减少。基于以上两大特点，有效地降低了氨制冷系统的成本。虽然氨的优点是显而易见的，但是氨本身却具有较强的毒性及可燃性，正是这一缺点使氨的应用受到了极大程度的限制。当氨制冷系统中的空气含量达到一定程度时，极有可能引起爆炸，故此一般的氨制冷系统都会设有空气分离装置。而氨本身具备的特殊性质却有效地降低了因氨泄漏而引起的安全事故。此外，因为氨与一般的润滑油难以相溶，这也在一定程度上影响了氨的应用，并且当氨溶于水后会对铜产生严重的腐蚀，因此，一般以氨为制冷剂的系统不可使用以铜为主的材料。
（二）二氧化碳
CO2能够作为制冷工质并被广泛使用的主要原因在于其自身具有以下特性：其一，不可燃且安全无毒，能够适应各类润滑油及多种机械材料；其二，具有极高的热物理性质，能够充分与制冷循环及其设备相适应，而且CO2具有相当高的单位容积制冷量，在零摄度的条件下，其单位容积制冷量为NH3的1.58倍、R22的8.25倍；其三，具有十分良好的传热性和流动性，能够有效缩小制冷系统及压缩机的尺寸，进而使整个系统变得更加紧凑，同时运行维护也比较方便，经济性较高；其四，制冷循环压缩比要远远低于常规工质制冷循环，从而使得压缩机的容积效率能够始终维持在比较高的水平上。CO2的缺点是循环效率相对较低、运行压力高。通过大量的实验研究表明，冷却器高压侧的最佳压力值约为10Mpa，而CO2单级压缩跨临界循环的COP值要比传统工质低很多。
（三）碳氢化合物
在几种较为常见的碳氢化合物中，丙烷（C3H8）是一种最常用的制冷剂，其属于中温制冷剂。丙烷本身具有十分优良的兼容性，能够适应多种润滑油，而且还有良好的热力学性能，对金属没有强烈的腐蚀性，成本也相对较低。丙烷作为制冷剂主要因为其具有超强的物理性质，如标准沸点、临界温度以及压力等参数均与R22极为近似，可在不对原机组及生产线进行任何改造的前提下，直接对丙烷进行灌装，正因如此，丙烷可以作为直接替代物使用，替代成本要远远低于R134a。但是，碳氢化合物的缺点也十分明显，即易燃易爆。丙烷本身的着火浓度极限非常低，其在空气中的可燃极限为体积分数的2～10%。虽然碳氢化合物具有易燃易爆的缺点，但却并未影响到它在制冷系统中的应用，据有关资料显示，德国有将近90%以上的冷藏和冷冻箱都是以碳氢化合物为制冷剂。欧洲新生产出来的家用型冷藏和冷冻箱，也有25%的制冷剂采用的是碳氢化合物。
二、自然工质在制冷空调中的具体运用
（一）氨在制冷空调系统中的运用
1.增强制冷系统密封性能。由于我国地理环境存在温差较大的特点，所以制冷空调的设计压力应比欧洲略高，这就对氨制冷剂的防泄漏工作提出了更高的要求。氨制冷剂的泄露部位主要在轴封处，现阶段对于延长轴封寿命及其防泄漏的方法多种多样，如采用螺旋槽型干气密封法、半封闭或全封闭式压缩机、氨半封闭无罩螺杆压缩机等均能起到防止泄露的作用。此外，为了增强制冷系统的密封性能，还必须在设计和安装系统时采用焊接的方式将所有管道进行连接，尽量少用法兰连接。
2.减少氨的充注量。由于氨的危险性与其充注量成正比，所以必须降低氨的充注量，确保制冷空调的使用安全。当前，低氨充注系统成为了广大研究者的研制重点，如阿法拉伐公司生产的全不锈钢钎焊版式换热器，可将氨的充注量降至0.029kg/kw制冷量。通过研究表明，在氨制冷系统中应用微通道换热技术也可以达到降低充注量的目的，可降低到传统换热技术充注量的1%。
3.注意材料的应用。在制冷系统中，与氨制冷剂相接触的材料中不能含汞、铜、锌、橡胶、铜合金、镉合金的成份。在传统的氨制冷剂管道中，多数采用低合金钢、低碳钢和不锈钢作为换热器的整体材料，而现在多选用铝或铝合金材料。
（二）水在制冷空调系统中的运用
由于水具备无危险、无毒害的特性，所以将水作为自然工质，可以使制冷系统在真空的状态下运行拥有较高的安全性和可靠性。 1.水压缩制冷系统在建筑空调和供暖领域的运用。水具备较高的临界参数，可以与其他自然工质一样，在亚临界条件下循环可以获取较高的循环性能系数。在水制冷循环中，基于水的压缩比过大，所以必须采取多级压缩的方式，并且采用离心式压缩机，有效降低排气温度。经理论研究表明，将水作为自然工质应用于压缩制冷循环系统中，其关键在于研制与此相适宜的压缩机和设备，便可以充分发挥高温热泵工质的作用，完全满足建筑空调和供暖领域对热源温度的要求，拥有常规工质所具备的性能。
2.水制冷可以实现制冷与蓄冷功能。水制冷不仅可以制造冷水和冰，还可以运用闪蒸器替代传统的蒸发器制取冰水混合物。在闪蒸器中产生的水蒸气必须经过多级压缩后再进入泠凝器进行冷凝，冷凝过后的水流入闪蒸器，而在此过程中生成的冰晶混合物便储存到蓄冰槽内，制冷空调系统可从蓄冰槽内获取所需的冷量。
3.水压缩式制冷方式的发展应用前景。与当前广泛运用的溴化锂——水吸收式制冷方式相比，水压缩式制冷方式具备能源利用率高、冷却水量小的优势，同时也可以避免系统处于长时间运行状态下出现冷量减退的现象。通过在水制冷系统中采取先进的压缩机技术和压缩方式，就可以实现水压缩式制冷替代吸收式制冷，并取得更大的使用优势。
结论：
总而言之，自然工质在制冷空调领域中的运用还有许多问题需要解决，而随着人们对自然工质认识的不断深入，这些问题基本上都可以转化为系统的相应技术问题，并且会在技术进步的过程中得到逐步解决。可以说自然工质的应用主要取决于人们环境意识的不断增强，虽然科学技术给我们带来了十分巨大的利益，但无可否认的是环境和资源也受到了严重破坏。因此，探寻一种能够与自然和谐发展的模式，已成为必然选择，自然工质的应用绝对能够满足这种选择。期望在不久的将来，人们能够将自然工质的应用转变成一种自觉行为。
参考文献
[1]王怀信.李丽新.赵兴.自然工质在家用空调中灌注式替代HCFC22的研究[J].制冷学报.2010(3).
[2]贡征峰.CO2为低温级的自然工质复叠式制冷循环替代研究[D].天津大学.2007(1).
[3]张仙平.王凤坤.马富芹.段焕林.制冷空调领域CO2替代合成工质可行性分析[J].低温与超导.2007(3).
[4]方清.吴孟余.章学来.运输船舶的自然制冷工质应用前景分析[J].机电设备.2010(6)
[5]魏东.王景刚.国内外自然工质研究现状与发展趋势[J].暖通空调.2009(3).