5.2 热泵工质的安全与环境特性
5.2.1 热泵工质的毒性指标
毒性是指在急剧或长期接触、吸入或摄取情况下，工质对人体健康有毒害或致命的能力。人在短时间内能够耐受的工质浓度的极限，称为毒性急性作用或急性毒性；在较长持续时间内能够耐受的工质浓度的极限，称为毒性长期慢性作用或慢性毒性。
一般来说，工质分子中含氯原子越多，则工质的毒性越大；分子中仅含C、H、F等元素时（如HFC、HC类工质），工质的毒性通常很小。表征工质毒性的常用指标如下。
（1）对生命或健康有危险的极限（IDLH，immediately dangerous to life and health）
人们可在30min内脱离的最高浓度，此时不会产生伤害症状或对健康有不可恢复的影响。
（2）50%测试动物致死浓度（LC50，lethal concentration for 50% of tested animals）
通常用老鼠做试验，在此种环境中持续4h，有50%死亡时的浓度，也有用1h的LC50，大约为4h LC50的2倍。
（3）允许暴露极限（PEL，permissible exposure limit）
工质生产厂家建议在给定时间内人可耐受而无有害影响的浓度，称为允许暴露极限（PEL），这些极限值的单位是百万分之几，表示可安全耐受工质浓度的最大值。
（4）安全阈值（TLVs，threshold limit values）
物质的毒性大小，还可以用安全阈值来描述，表示各种工作人员可日复一日地暴露在这种条件下而无任何对健康不利的影响，对挥发性物质，如工质，其安全阈值以容器中每百万分之几的工质容积浓度表示。
（5）安全阈值-时间加权平均值（TLV-TWA，threshold limit value-time-weighted average）
它是按在一周40h工作制的任何8h工作日内，工质的TLV值的时间加权平均浓度。暴露在这种浓度下的所有工作人员对健康都不会有不利影响。
上述指标中，急性毒性指标包括IDLH、LC50等，慢性毒性包括PEL、TLVs和TLV-TWA等指标。目前在安全等级分类等方面使用较多的是TLV-TWA，该值越大，表示毒性越小。
在应用上述指标时，对混合工质，涉及其组分的规定有：额定成分或名义成分（nominal formulation）——含气相和液相的工质的主体成分，当容器中充灌多于或等于80%液相工质时，该液相成分可作为工质的额定成分；分馏（fractionation）——混合工质由于易挥发组分优先蒸发，或不易挥发组分优先凝结引起的成分变化。
5.2.2 热泵工质的可燃性和阻燃性
（1）纯工质的可燃性或阻燃性的分析
一般而言，可燃性主要与分子中的含氢量有关。含氢原子数越多，则可燃性越强，不含氢时一般不可燃。例如，R32、R152a、R143a微燃，R50、R170等则有强的可燃性。
定义工质的可燃性参数POF为：
（5-1）
式中，NC、NH、NF、NCl、NBr、NI分别为工质分子中碳、氢、氟、氯、溴、碘原子数。POF为正时，工质可燃；POF为负时，工质不可燃，且有阻燃能力，可用于与可燃工质配制不可燃混合工质；POF为零时，工质有微弱可燃性或在特定条件下可燃。
（2）纯工质最低可燃极限估算
纯工质在空气中最低可燃极限（体积分数）LFL的近似估算式为：
（5-2）
式中，NC、NH、NF、NCl、NBr、NI分别为工质分子中碳、氢、氟、氯、溴、碘原子数。
（3）混合工质可燃性的判断及可燃数据的估算
由可燃工质和阻燃工质组成的混合工质，其可燃性的判断指标为POFm：
（5-3）
式中，yj为混合工质的体积分数。
当POFm≤0时，混合工质基本不可燃。
令POFm=0，即可得出使配制出的混合工质基本不可燃的可燃组分与阻燃组分的配比（临界可燃比CFR，critical flammability ratio），从而优选混合工质中的阻燃工质并初步确定阻燃工质浓度。
5.2.3 热泵工质的毒性与可燃性数据
部分热泵工质的毒性和可燃性数据如表5-2所示。
表5-2 部分热泵工质的毒性和可燃性数据
注：LFL—燃烧下限（工质在空气中浓度低于该数值时可能因可燃组分不足而不燃烧）；UFL—燃烧上限（工质在空气中浓度高于该数值时可能因氧气不足而不燃烧）；HOC—燃烧热（工质燃烧时吸收或放出的热能，数字前有负号表示吸热）。
5.2.4 热泵工质的环境特性指标
（1）ODP（ozone depletion potential）
臭氧耗损潜能，表征工质造成臭氧损耗的潜在效应。工质ODP的定义为单位质量工质引起的O3的耗损除以单位质量R11引起的臭氧损耗。
工质对臭氧层的破坏主要是由分子中的Cl原子或Br原子引起的，因此，完全由C、F、Cl组成的烷烃衍生物（CFCs工质）ODP值较大，HCFCs工质的ODP值不为0，但相对较小，HFCs、HCs、天然工质的ODP值为0。
（2）GWP（global warming potential）
全球变暖或温室效应潜能。工质GWP的定义是以CO2的GWP值为1，其他工质导致全球变暖的能力与CO2相比的倍数。
CFCs工质的GWP值通常较大，部分HFCs工质的GWP值也较大，HCFCs工质的GWP值相对较小，HCs及天然工质的GWP值最小。
（3）POCP（photochemical ozone creation potential）
光化学臭氧产生潜能。该参数衡量工质进入低海拔大气中发生氧化反应的能力。如果工质一进入大气即发生氧化反应而产生光化学烟雾，将导致地球表面的臭氧含量增加，严重污染地球表面环境，任何使低海拔高度臭氧增加倾向的化合物都被认为是空气的污染物，这类物质称为挥发性有机化合物VOC（volatile organic compounds）。POCP是与乙烯比较而得的一个相对值（乙烯设定值为POCP=100）。碳氢化物HCs属于这一类物质，都具有一定的POCP值，CFCs、HCFCs、HFCs及天然工质的POCP值为0。
5.2.5 常用热泵工质的安全性分类
基于国家标准GB/T 7778—2017，常用热泵工质的安全性分类如表5-3所示。
表5-3 常用热泵工质的安全性分类
①工质的安全性分类一般用两位字符表示：第一位为字母，字母A表示毒性较低，字母B表示毒性相对较高。第二位为数字，数字越大表示可燃性越高（在1和2之间增加了2L，表示可燃性比1高，比2低）。
②R400系列为非共沸混合工质，其在定压下相变时温度从泡点温度变化到露点温度。
③混合工质的安全性分类有两个，用斜杠/隔开；混合工质在规定组分浓度下的安全性分类放在斜杠前，在相变时出现组分浓度最大变化时的安全性分类放在斜杠后。
④R500系列为共沸混合工质，泡点温度和露点温度通常较接近。