溫室效應與環保冷媒

溫室效應與環保冷媒

適 用 對 象：大專校院非化學相關科系學生 教材撰寫者：國立臺北科技大學

能源與冷凍空調工程系 蔡尤溪教授 委 辦 單 位：行政院環保署化學局

執 行 單 位：中原大學

/

臺北市立大學

溫室效應與環保冷媒

冷媒

冷媒是冷凍空調系統的工作流體

壓縮機 冷凝器

膨脹閥

蒸發器 1 3 2

4

Q_in Q_out

Win

冷凝器

蒸發器

Win

壓縮機 膨脹閥

(或毛細管) (冷媒循環)

 冷媒在冷凍空調系統內循環，吸 熱、放熱及輸送傳遞熱能。

 壓縮機將冷媒加壓，經過膨脹閥 降壓，形成高低壓兩側。

 在冷凝器散熱Qout，在蒸發器吸 熱製冷Qin。

 冷凝器和蒸發器內冷媒發生相變，

是高效率熱傳的基礎。

冷媒命名 (1)

R-XYZ

X：表示「C」的個數減1，及X=「C」個數減1。 Y：表示「H」的個數加1，及Y=「H」個數加1。 Z：表示「F」的個數，及Z=「F」個數。

R-12可視為R-012，及X=0, Y=1, Z=2根據上述法則 X=C-1；C=X+1 = 0+1 =1；碳個數為1。

Y=H+1；H=Y-1 = 1-1 =0；氫個數為0。 Z=F；F=2 ；氟個數為2。

Cl

|

Cl － C － F

| F

冷媒命名 (2)

R-22，及X=0, Y=2, Z=2根據上述法則 X=C-1；C=X+1 = 0+1 =1；碳個數為1。 Y=H+1；H=Y-1 = 2-1 =1；氫個數為1。 Z=F；F=2 ；氟個數為2。

Cl

|

Ｈ － C － F

| F

R-134a

R-134a，及X=1, Y=3, Z=4根據上述法則 X=C-1；C=X+1 = 1+1 =2；碳個數為2。 Y=H+1；H=Y-1 = 3-1 =2；氫個數為2。 Z=F；F=2 ；氟個數為4。

Ｆ Ｆ

| |

Ｈ － C － C － Ｈ

| |

F F

R-134a的”a”為alternative 的意思，即表示一種化學結構的同份異構物(isomer)

 X為4時，表示非共沸點的混合冷媒(non- azeotropic refrigerant mixture)，例如 R-410A為R-32與R-125各50%之混合物，此處A一定要大寫。

 X為5時為共沸點的混合冷媒(azeotropic refrigerant mixture)， 507A R125(50%)/R143a(50%)。

 X為7時為天然冷媒(natural refrigerant)，R-744是CO₂。

冷媒命名 (3)

 最早使用的冷媒為天然冷媒，包括水、空氣、氨等。

 1930年代的偉大發明--氟氯碳化物(CFCs)冷媒，無毒、

無臭，穩定的化學。

 鹵碳化合物冷媒有優越的熱物理性質，之後為絕多冷 凍空調系統採用，成主流的冷媒。

 不含氫的為CFC如R11、R12、R113和R114。

 含氫的為(HCFCs)冷媒，如R-22和R123。

 CFC具有穩定的化學特性，當上升到大氣平流層 (Stratosphere)，對臭氧層具有破壞性。

 HCFCs含氫，上升到平流層前多已分解組合回流，對

臭氧層的破壞性較低。

冷媒的演變

代號 化學名稱 化學式

R-11 三氯一氟甲烷 CCl₃F R-12 二氯二氟甲烷 CCl₂F₂ R-22 一氯二氟甲烷 CHClF₂

R-113 三氯三氟乙烷 CCl₂FCClF₂

R-114 二氯四氟乙烷 CClF₂CClF₂

R-123 二氯三氟乙烷 CHClFCClF

代號 化學名稱 化學式

R-717 氨 NH₃

R-718 水 H₂O

R-729 空氣 -

R-744 二氧化碳 CO₂

註：代號中最後兩碼為其 分子量

常見的天然冷媒

常見的鹵碳(halocarbon)化合物冷媒

冷媒破壞臭氧層的問題

 1970年代加州大學Roland和Molina發現平 流層流失臭氧(臭氧集中在12 km to 50 km 大氣層高度) 。

 並驗證由飄流到平流層，含氯的穩定特性 化合物所造成。

 1987年通過蒙特婁議定書，分階段停用含 氯的鹵碳化合物，包估該類冷媒，上述兩 位科學家得到諾貝爾獎。

 臭氧是由UV輻射造成也同時破壞，因而平 衡在可隔絕外太空的高能量UV輻射。

 破壞臭氧層會造成難以逆轉的災害，包括 農作物歉收和皮膚癌等。

破壞臭氧層的觸媒循環: Cl· + O3 → ClO + O ClO + O3 → Cl· + 2O2

釋放Cl，重複以上反應，科學家推算一個 Cl可破壞10萬個O₃

在南極高空測到 的臭氧濃度，取 自ASHRAE Handbook Fundamentals, 2021。

Ozone Depletion Potential 臭氧消耗潛能值

 資料取自ASHRAE Handbook Fundamentals, 2021

 CFC 11的 ODP=1

 以HFC替代，ODP=0

 隨後而來的是全球暖化潛勢Global warming potential的問題

 CO₂的GWP=1， HFC的GWP卻遠大於1.0

 抑制ODP已有成效之際，接下來是地球暖化問題

R-744 是 CO

₂

因應蒙特婁議定書冷媒的替代

 refrigerant alternatives=不含氯的氫氟碳化物(HFCs)

 R-134a冷媒就是HFCs冷媒中最具代表性的冷媒，用於取代冰箱和汽車 冷氣系統的R-12。

 當HCFC 123被停用後，以HFC R-134a替代。

 R-22冷媒被HFC混合 410A替代。

 冷凍部分也被HFC混合冷媒替代，如404A、407C、 507A。

冷媒編號 混合比，括弧內為比例

% 404A R125(44)/R134a(4)/R143a(52) 407C R32(15)/R125(15)/R134a(70) 410A R32(50)/R125(50)

507A R125(50)/R143a(50)

代號 化學名稱 化學式

R32

二氟甲烷

CH

₂

F

₂

R125

五氟乙烷

C

₂

HF

₅

R134a

異四氟乙烷

C

₂

H

₂

F

₄

R143a

異三氟乙烷

C

₂

H

₃

F

₃

無溫室效應地球會太冷

無溫室效應，地球

季節平均表面溫度

~ -18℃

溫室效應使地球季節平均 表面維持在

~15℃

溫室效應

=

地球表面的紅外線輻射 被大氣中有些氣體吸收，

反向回到地球表面

資料取自ASHRAE Handbook Fundamentals, 2021

地球溫度上升中

人類釋放過多的溫室氣體，破壞平衡 造成溫度年年上升

溫升尚在加劇中 !

 碳氫化合物冷媒，由氫(H)和碳(C)所組成。

 常見的HC冷媒如下表。

 優點是無ODP問題GWP低，HC 290和600a的GWP <1.0(小於CO₂)，甲烷GWP是23，缺點 是可燃。

 HC 290被試用於小型空調機，600a已用在冰箱。

代號 化學名稱 化學式

R-50

甲烷

CH

₄

R-170

乙烷

C

₂

H

₆

R-290

丙烷

C

₃

H

₈

R-600a

異丁烷

(Isobutane) C

₄

H

₁₀

低 ODP/GWP 的碳氫化合物冷媒 (HC 冷媒 )

天然冷媒

(Natural Refrigerants)

氟氯碳化物 (CFCs)

氫氟氯碳化物 (HCFCs)

氫氟碳化物 (HFCs) 天然冷媒~?

(Natural Refrigerants)

冷媒演進狀態

新的

HFO

冷媒，同時解決臭氧層和溫室效應問題

同時考量能源效率，低

ODP

低

GWP

，能源效率高，更好方案

?

Gas R134a R404A R407A R407C R410A R422D R427A R438A R507 R744 (CO

₂

)

GWP 1430 3922 2107 1774 2088 2729 2138 2265 3985 1

常用冷媒 GWP 之比較

( 相對於 CO ₂ )

基於 GWP 冷媒之替代

常用氣體(GWP) 可能的選擇(GWP)

GWP 150以上之氫氟碳化物的家用冰箱和冰櫃 R134a (1430) R600a (3) R1234yf (1) 商用冰箱和冰櫃（密封）: R407A (2107) R290 (3)

R407F (1825) R1234yf (1) 含含氟氣體且 GWP 2500 的固定式製冷設備 R404A (3922) R407A (2107) 將產品冷卻至低於 -50°C 的應用的設備除外 R507A (3985) R407C (1774) R407F (1825) HFO blends 包含 GWP 150 以上的氫氟碳化物的可移動房間空調

設備 R410A (2088) R290 (3)

（最終用戶可在房間之間移動的密封設備） HFO blends 單級分體式空調系統，含氟氣體少於3kg R407C (1774) R32 (675)

GWP 750以上 R410A (2088) R290 (3) R32(675)

HFO blends

低 GWP 的替代冷媒

R-Number 全球暖化潛勢 全球暖化潛勢帶 替代品

R717 Ammonia 0 Low R134a

R744 Carbon dioxide 1 Low R134a, R404A

R290 Propane 3 Low R22, R404A, R410A

R600a Isobutane 3 Low R134a

R1234yf DuPont™ 4 Low R134a

R1234ze(E) Solstice™ ze 7 Low R134a

R513A DuPont™ 631 Medium R134a

R32 675 Medium R410A

以冷媒洩漏檢測減少排放到大氣

設備 檢漏系統需求 檢漏系統檢查頻率

大型製冷設備 (包括冷凍冷藏)

含有 500 噸 CO₂e 或更多含

氟氣體 至少每12個月檢查一次 較大型空調設備 配備洩漏檢測系統 確保洩漏檢測系正常運行 較大型熱泵

(如製熱水) 配備洩漏檢測系統 確保洩漏檢測系正常運行 冷藏冷凍機組 無特別需求 定期檢查



含氟氣體

(F gas, Fluorinated Gas)

，

CFC, HCHC

和

HFC

冷媒均含

Fluorine

 F gas

具化學穩定性， 大氣的生命週期較長

以冷媒洩漏的因素



設備氣密性的逐年的衰退。



元件製造的瑕疵，不完全的氣密性。



維修充填時系統開放無先回收冷媒，這是主要的問題之一。



設備報廢蓄意排放無冷媒回收，也是主要問題。

冷凍空調是密閉式系統，避免排放有效減少溫室效應，如

報廢設備，冷媒可回收利用，或將之降級處理為無害物質。

氣溫高使空調機銷售量增加

參考消息網

10

月

26

日報導據日本經 濟新聞網站近日報導，

2020

年，全 球家用空調的銷量為

1.535

億台。

每年成長率

3~5%

https://news.sina.com.tw/article/20211026/40350960.htm

 全球冷媒的市場規模， 2020 年達到了 215 億美元。

 每年成長 ~5%!

 成為眾所矚目的問題。

https://www.giichinese.com.tw/report/imarc999864-refrigerant- market-global-industry-trends-

share.html#:~:text=%E5%85%A8%E7%90%83%E5%86%B7

%E5%AA%92%E7%9A%84%E5%B8%82%E5%A0%B4

冷媒使用量逐年增加

代號 化學式

1233zd CF

₃

CH=CHCl 1234yf CF

₃

CF=CH

₂

1234ze CF

₃

CH=CHF

HFO 冷媒



天然冷媒或可為長久使用之冷媒，

HC

冷媒因有燃燒性目前主要用在小型設備。



新的

HFO (hydrofluoro-olefin)

冷媒，其屬烯烴類化合物，有三個碳原子，其中兩個 碳原子有雙鍵是非飽和的化合物。



因此

HFO

在大氣中生命週期短，溫室氣體指標

GWP

不大於

CO

₂，

GWP≦1.0

。



臭氧破壞係數低，也被視為可行的替代冷媒，已在推廣中。

 HFO

冷媒的能源效率，及屬非飽和化合物，其他問題尚須長時間應用後進一步了解。

應用 可選用

HFO

可取代

中高壓

1234ze R134a/410A

低壓

1233zd R123

高溫

1233zd R114

汽車空調

1234yf R134a

HFO 冷媒 ODP 和 GWP 的比較

HFO

冷媒的

ODP

和

GWP

相對低很多，

在大氣中的生命週期也短。

但如前述，

HFO (hydrofluoro- olefin)

屬烯烴類化合物，其中兩個 碳原子有雙鍵是非飽和的化合物，

且價格高

 ODP = 0, GWP

是

HFC 410A

的

1/3

。



冷凍能力較高，可減少冷媒充填量，且壓損較低。



熱傳導係數也較高，已驗證具有較高能源效率。



單一化學非混合冷媒，易於使用及回收，減少排放到大氣。



已有設備替代

HFC R410A(a blend of 50% R32 & 50% R125)



無毒，且

International Standard ISO 817:2014,

標為低燃燒性

(lower flammability, Class 2L)

。



已用在小型空調機。

資料取自the Air-conditioning and Refrigeration Equipment Manufacturers Association of Australia (AREMA) and the Consumer Electronics Supplier Association (CESA)

HFC 32 冷媒的長期使用可行性

冷媒回收是重要手段



低壓冷媒如

R11

及

R123a

及替代品，

系統內常溫下呈液態直接回收。



高壓冷媒，須將冷媒蒸發，採用壓 縮機吸入，再冷凝成液態後回收。

冷媒回收再利用



回收須先分離潤滑油

(oil)

後過濾乾燥

(filter drier)

。



目的是將回收冷媒經處理後可再利用。



回收處理包括回收冷媒的純度和去除 雜質和降低污染量。



美國

EPA

規定回收冷媒的純度及雜質，

須符合美國冷凍空調設備公會的標準。

取自ASHRAE Handbook, Refrigeration, 2018

冷媒永續的問題和因應 (1)

 1900

年代

Carrier

博士成功生產冷凍空調設備，當時使用天然冷媒和化合物為主。

 1930

年代美國的通用汽車

(GM)

和杜邦的科學家發明氟氯化碳

(CFC)

。

 CFC

具有無毒無臭化學穩定特性，價格低，大量用於清洗

(

如電子業

)

、發泡

(

沙發 軟墊

)

、和作為冷媒，用量各約占

1/3

。

 CFC

用為冷媒，具有極佳的熱物性質，提高冷凍空調能源效率，設備體積較小，

降低設備成本。

 CFC

被稱為化學的模範生。



高壓的

HCFC

更優化空調設備，混合冷媒用於低溫冷凍。

 1970

年代初

Roland

和

Molina

發現

CFC

是破壞臭氧層的元兇，一個重大的問題。



蒙特婁議定書生效，因應之道，發展

ODP=0

的

HFC

冷媒如

R410A

，

R134a

，並 以

R134

替代大型離心式空調冰水機的較低壓冷媒，差強人意。

 20

年後溫室效應問題，更為重大的地球環境問題。

 HC

冷媒

ODP

低

GWP

也低，能效好、取得便宜可行，卻須要克服市場對其可燃 性的疑慮，只替代用於小型設備。



低

GWP

的

HFC(

如

R32)

，如同時考量能源效率，或可繼續使用。

冷媒永續的問題和因應 (2)



低

ODP

和低

GWP

的新

HFO

冷媒，成為因應溫室效應的產品。

 HFO

冷媒的價格很高，且有兩個碳原子有雙鍵是非飽和的化合物，

不具化學穩定性，產品上市十餘年，尚未有長時間運轉的驗證。



冷凍空調系統是密閉的，只要不外洩，回收處理，或回收再利用，

不排放於大氣，或是永續的因應之道。

冷媒永續的問題和因應 (3)

祝大家明天會更好

A better tomorrow