空调制冷剂泄漏检测的市场趋势

作者:大客户经理Manuel Eckstein,销售助理Katherine Lee

为了减少对环境的影响,近年来许多常见制冷剂的使用受到限制。供暖、通风、空调和制冷(HVACR)行业面临的压力日益加大,对制冷剂的选择也日益谨慎,从过往广泛使用的氢氟碳化物(HFC)转而采用全球变暖潜值(GWP)较低的制冷剂。为保证新型制冷剂得以安全使用,需升级泄漏检测技术,相关安全要求也已纳入最新标准(如UL 60335-2-40第三版和IEC-60079-29-1)。根据加州空气资源委员会(CARB)最新决定,这些新要求最早将于2025年纳入住宅与商业建筑的空调设备标准。

本篇文章将关注HVACR行业所使用的不同类型制冷剂、各制冷剂应用情况的变化以及帮助行业达到环境和安全新规要求的关键泄漏检测技术。

根据《蒙特利尔议定书》,消耗臭氧的氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃(HCFC)已被逐步淘汰,取而代之的是氢氟碳化物(HFC)。不过由于HFC是潜在的温室气体,全球正在努力减少其使用。 

虽然目前HFC对气候变化影响较小,但如不加以控制,可能会迅速加剧。因此,必须限制其使用以缓解全球变暖。《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》(2016年10月)严格要求在全球范围内淘汰HFC。

因此,HVACR行业正转向使用全球变暖潜值(GWP)较低的制冷剂替代系统。 但采用低GWP值的制冷剂也有其挑战。

制冷剂分类

美国采暖、制冷与空调工程师协会标准(ASHRAE)根据制冷剂的易燃性和毒性等级对其进行了大致分类。 每种制冷剂都有一个识别参考字母和编号:字母表示毒性等级,编号表示易燃性。

这一安全分类系统最近有所更新,在易燃性之下新增“2L ”子类,表示易燃但燃烧非常缓慢的2类制冷剂。

HCFC、CFC以及后来取而代之的HFC等传统制冷剂的特点在于安全耐用,所以易燃性和毒性等级通常较低。例如,最常用的CFC制冷剂氟利昂-12被归为安全组A1。

对于同时满足低臭氧消耗潜值(ODP)和低全球变暖潜值(GWP)双重要求的制冷剂,有几个可行的备选项,其中包括氟化烯烃(HFO)、碳氢化合物(如丙烷)和低GWP值的HFO。业内一直在积极开发一类新型低易燃性制冷剂A2L,以达到低GWP值要求。 但这些最具可行性的方案都有一个共同点:比传统制冷剂易燃性更高。

安全使用环保制冷剂

减少使用环境危害性较高的HFC之后,许多行业都会选择易燃的A2L级制冷剂。针对使用高易燃性、低GWP值制冷剂的HVACR 设备,其安全要求已被纳入几个最新标准中,比如美国的UL 60335-2-40(第三版)和IEC-60079-29-1。

与这些制冷剂有关的主要风险之一是泄漏后的燃烧或爆炸。为防止风险,上述标准规定在HVACR应用中使用泄漏检测设备。

虽然这些标准本身尚未强制使用泄漏检测系统,但以住宅和商业空调设备为例,这些标准最快将于2025年纳入各州建筑法。另外,加州空气资源委员会(CARB)正在加快进度,逐步淘汰HFC,转而使用A2L级制冷剂。面对这些即将到来的变化,原厂设备制造商(OEM)必须迅速适应易燃制冷剂的使用。

制冷剂泄漏检测技术

金属氧化物半导体(MOS)和非分散红外技术(NDIR)是检测低GWP值制冷剂气体的两大主要可用技术。

金属氧化物半导体(MOS)传感器的工作原理是,某些半导体材料的电阻率随着某些气体在半导体表面发生反应而变化。因此,测量金属氧化物半导体的电阻可以得出空气中制冷剂气体和蒸汽的浓度。

通常来说,MOS传感器生产成本低,且该技术可适用于多种制冷剂。目前已经开发出检测HFC-32和HFC-1234yf等A2L级制冷剂的新型MOS传感器。

然而,MOS传感器并非完美无缺。首先,它容易出现“偏差”,即时间一久会自然出现校准失准。所有(气体)传感器必须经过校准才能在测量特定气体浓度时准确读数。但是,由于MOS传感器特性会随着环境条件的变化而逐渐改变,所以尤其容易失去准确性。这就要求对其进行定期重新校准。

其次,MOS传感器对气体的分辨率较低,通常无法有效区分目标气体和其它挥发性有机化合物(VOC),比如乙醇,这可能导致欺骗性结果。

除此以外,MOS传感器暴露于制冷剂或其它气体中时还会出现退化,从而可能导致MOS型气体检测仪在高浓度制冷剂中暴露一次便永久失效。这实则意味着MOS传感器成为 “一次性用品”:一次制冷剂泄漏事件就会使MOS传感器无法再次使用,需立即更换。

非分散红外技术(NDIR)基于光谱分析原理。不同气体分子具有独一无二的红外吸收特性:通过测量短距离传输路径内的红外吸收量,NDIR传感器就能确定空气中目标气体的浓度。

NDIR传感器对气体的分辨率比MOS传感器高得多,已广泛投入应用。重点是,它不会像MOS传感器一样退化,也不会出现偏差问题。不过,这也是有代价的:NDIR传感器比MOS传感器价格高出许多。

制冷剂气体检测的近期前景

我们可以大胆预测,在不久的将来,低GWP值的易燃制冷剂将在HVACR行业中得到大量应用。不过目前尚不确定NDIR型或MOS型设备是否会成为检测这类气体的主导技术。另外还有几项用于制冷剂检测的传感技术现在也正在开发中,比如通过测量局部大气热导率(TC)确定目标气体浓度。

可以预见,传感解决方案的响应时间可能是一个关键因素,因为当达到报警水平时,OEM需要充足的时间才能触发所需缓解措施。在这方面,热导式传感器已被证明比其它类型传感器表现更佳,因此可能在这类应用中比MOS或NDIR型传感器更具优势。

无论哪种技术最受欢迎,都会成为未来几年的潜力市场,因为新的安全标准已纳入法规。气体检测技术将如何适应HVACR行业的新挑战,我们拭目以待。

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参考资料和进一步阅读
11/2021
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