5.2　熱泵工質的安全與環境特性

5.2.1　熱泵工質的毒性指標

毒性是指在急劇或長期接觸、吸入或攝取情況下，工質對人體健康有毒害或致命的能力。人在短時間內能夠耐受的工質濃度的極限，稱為毒性急性作用或急性毒性；在較長持續時間內能夠耐受的工質濃度的極限，稱為毒性長期慢性作用或慢性毒性。

一般來說，工質分子中含氯原子越多，則工質的毒性越大；分子中僅含C、H、F等元素時（如HFC、HC類工質），工質的毒性通常很小。表征工質毒性的常用指標如下。

（1）對生命或健康有危險的極限（IDLH，immediately dangerous to life and health）

人們可在30min內脫離的最高濃度，此時不會產生傷害癥狀或對健康有不可恢復的影響。

（2）50%測試動物致死濃度（LC₅₀，lethal concentration for 50% of tested animals）

通常用老鼠做試驗，在此種環境中持續4h，有50%死亡時的濃度，也有用1h的LC₅₀，大約為4h LC₅₀的2倍。

（3）允許暴露極限（PEL，permissible exposure limit）

工質生產廠家建議在給定時間內人可耐受而無有害影響的濃度，稱為允許暴露極限（PEL），這些極限值的單位是百萬分之幾，表示可安全耐受工質濃度的最大值。

（4）安全閾值（TLVs，threshold limit values）

物質的毒性大小，還可以用安全閾值來描述，表示各種工作人員可日復一日地暴露在這種條件下而無任何對健康不利的影響，對揮發性物質，如工質，其安全閾值以容器中每百萬分之幾的工質容積濃度表示。

（5）安全閾值-時間加權平均值（TLV-TWA，threshold limit value-time-weighted average）

它是按在一周40h工作制的任何8h工作日內，工質的TLV值的時間加權平均濃度。暴露在這種濃度下的所有工作人員對健康都不會有不利影響。

上述指標中，急性毒性指標包括IDLH、LC₅₀等，慢性毒性包括PEL、TLVs和TLV-TWA等指標。目前在安全等級分類等方面使用較多的是TLV-TWA，該值越大，表示毒性越小。

在應用上述指標時，對混合工質，涉及其組分的規定有：額定成分或名義成分（nominal formulation）——含氣相和液相的工質的主體成分，當容器中充灌多于或等于80%液相工質時，該液相成分可作為工質的額定成分；分餾（fractionation）——混合工質由于易揮發組分優先蒸發，或不易揮發組分優先凝結引起的成分變化。

5.2.2　熱泵工質的可燃性和阻燃性

（1）純工質的可燃性或阻燃性的分析

一般而言，可燃性主要與分子中的含氫量有關。含氫原子數越多，則可燃性越強，不含氫時一般不可燃。例如，R32、R152a、R143a微燃，R50、R170等則有強的可燃性。

定義工質的可燃性參數POF為：

　　（5-1）

式中，N_C、N_H、N_F、N_Cl、N_Br、N_I分別為工質分子中碳、氫、氟、氯、溴、碘原子數。POF為正時，工質可燃；POF為負時，工質不可燃，且有阻燃能力，可用于與可燃工質配制不可燃混合工質；POF為零時，工質有微弱可燃性或在特定條件下可燃。

（2）純工質最低可燃極限估算

純工質在空氣中最低可燃極限（體積分數）LFL的近似估算式為：

　　（5-2）

式中，N_C、N_H、N_F、N_Cl、N_Br、N_I分別為工質分子中碳、氫、氟、氯、溴、碘原子數。

（3）混合工質可燃性的判斷及可燃數據的估算

由可燃工質和阻燃工質組成的混合工質，其可燃性的判斷指標為POF_m：

　　（5-3）

式中，y_j為混合工質的體積分數。

當POF_m≤0時，混合工質基本不可燃。

令POF_m=0，即可得出使配制出的混合工質基本不可燃的可燃組分與阻燃組分的配比（臨界可燃比CFR，critical flammability ratio），從而優選混合工質中的阻燃工質并初步確定阻燃工質濃度。

5.2.3　熱泵工質的毒性與可燃性數據

部分熱泵工質的毒性和可燃性數據如表5-2所示。

5.2.4　熱泵工質的環境特性指標

（1）ODP（ozone depletion potential）

臭氧耗損潛能，表征工質造成臭氧損耗的潛在效應。工質ODP的定義為單位質量工質引起的O₃的耗損除以單位質量R11引起的臭氧損耗。

工質對臭氧層的破壞主要是由分子中的Cl原子或Br原子引起的，因此，完全由C、F、Cl組成的烷烴衍生物（CFCs工質）ODP值較大，HCFCs工質的ODP值不為0，但相對較小，HFCs、HCs、天然工質的ODP值為0。

（2）GWP（global warming potential）

全球變暖或溫室效應潛能。工質GWP的定義是以CO₂的GWP值為1，其他工質導致全球變暖的能力與CO₂相比的倍數。

CFCs工質的GWP值通常較大，部分HFCs工質的GWP值也較大，HCFCs工質的GWP值相對較小，HCs及天然工質的GWP值最小。

（3）POCP（photochemical ozone creation potential）

光化學臭氧產生潛能。該參數衡量工質進入低海拔大氣中發生氧化反應的能力。如果工質一進入大氣即發生氧化反應而產生光化學煙霧，將導致地球表面的臭氧含量增加，嚴重污染地球表面環境，任何使低海拔高度臭氧增加傾向的化合物都被認為是空氣的污染物，這類物質稱為揮發性有機化合物VOC（volatile organic compounds）。POCP是與乙烯比較而得的一個相對值（乙烯設定值為POCP=100）。碳氫化物HCs屬于這一類物質，都具有一定的POCP值，CFCs、HCFCs、HFCs及天然工質的POCP值為0。

5.2.5　常用熱泵工質的安全性分類

基于國家標準GB/T 7778—2017，常用熱泵工質的安全性分類如表5-3所示。