Special University Course for Future Engineers Lecture...

332
MODULE 1 4 WEEKS REFRIGERATION & AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS & ENVIRONMENTAL IMPACTS MODULE 2 3.5 WEEKS ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS & LUBRICANTS MODULE 3 3 WEEKS CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING & REFRIGERATION SYSTEMS MODULE 4 2 WEEKS SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS MODULE 5 2 WEEKS RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES Refrigerant Management Special University Course for Future Engineers Lecture Notes Reference materials for teachers/instructors

Transcript of Special University Course for Future Engineers Lecture...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MODULE 1 ‐ 4 WEEKS 

REFRIGERATION & AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS & 

ENVIRONMENTAL IMPACTS  

 

MODULE 2 ‐ 3.5 WEEKS 

ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS & LUBRICANTS  

 

MODULE 3 ‐ 3 WEEKS 

CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING & 

REFRIGERATION SYSTEMS 

 

MODULE 4 ‐ 2 WEEKS 

SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 

 

MODULE 5 ‐ 2 WEEKS 

RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES 

 

 

Refrigerant Management

Special University Course for Future Engineers

Lecture NotesReference materials for teachers/instructors

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 1 

 

   

MODULE 1. NOTES 4 WEEKS 

REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING 

INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS 

AND ENVIRONMENTAL IMPACTS 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 2 

1. INTRODUCTION: 

Getting  introduced  to  the  air  conditioning  industry  is  a major  issue,  since  air  conditioning  industry 

interacts  in almost every application  in our  life. AC system employs the refrigeration cycle to achieve 

cooling or heating and ODS is about the type of refrigerants used in the refrigeration cycle. From then 

on, reference to harmful gases from AC system will be clearly understood to imply the refrigerant in the 

refrigeration  system  that  drives  the  AC  system.  Gases  that  are  released  from  AC  system  into  the 

atmosphere due  to  leaks and wrong maintenance practices  that have been considered  toxic  result  in 

many environmental complications, dealing with these gases (refrigerants) is considered essential. In this 

module, we will get introduced to the air conditioning systems, the refrigerants used, and their effects 

on the environment in respect to global warming and ozone depletion, in addition to the treaties that 

evolved to control their usage. 

 

2. REFRIGERATION INDUSTRY: HISTORY AND TIMELINE (References: allchemi.com, 

http://pomo.cca.edu/~mwong3/interactivefuture/history/index.html, http://www.history‐

magazine.com/refrig.html, 123helpme.com, http://www.geckoair.com.au/refrigeration.html) 

In prehistoric times, man found that his food would last longer during times when food was not 

available if stored in the coolness of a cave or packed in snow.  

In China, before the first millennium, ice was harvested and stored. 

Hebrews, Greeks,  and Romans placed  large  amounts of  snow  into  storage pits dug  into  the 

ground and insulated with wood and straw.   

The ancient Egyptians  filled earthen  jars with boiled water and put  them on their  roofs,  thus 

exposing the jars to the night’s cool air.   

In India, evaporative cooling was employed.  When a liquid vaporizes rapidly, it expands quickly. 

Kinetic energy  increases, and  this  increase  is drawn  from  the  immediate  surroundings of  the 

vapor.  These surroundings are therefore cooled. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 3 

The intermediate stage in the history of cooling foods was to add chemicals like sodium nitrate 

or potassium nitrate to water causing the temperature to fall. Cooling drinks via this method was 

recorded in 1550, as were the words "to refrigerate”. 

In  1600  in  France, people  rotated  long‐necked bottles  in water  in which  saltpeter had been 

dissolved.  This solution could be used to produce very low temperatures and to make ice.   

In mid 1800s, Frederick Tudor, from New England, who became known as the “Ice King”, focused 

on  shipping  ice  to  tropical  climates.    He  experimented  with  insulating materials  and  built 

icehouses that decreased melting losses from 66 % to less than 8 %.   

In 1841, the American physician John Gorrie, devised an air‐conditioning system for a ward in a 

Florida hospital for treating yellow‐fever patients by blowing air over buckets of ice.   

John Gorrie, gave up his medical practice to engage in time‐consuming experimentation with ice 

making. He was granted  the  first U.S. patent  for mechanical  refrigeration  in 1851. His basic 

principle – that of compressing a gas, cooling it by sending it through radiating coils, and then 

expanding it to lower the temperature further – is the one most often used in refrigerators today.   

Shortly afterward, an Australian, James Harrison, examined the refrigerators used by Gorrie and 

introduced vapor‐compression refrigeration to the brewing and meatpacking industries.  

In 1859, Ferdinand Carré of France developed a somewhat more complex system.  Unlike earlier 

compression‐compression machines, which used air as a coolant, Carré's equipment contained 

rapidly expanding ammonia.  (Ammonia liquefies at a much lower temperature than water and 

is thus able to absorb more heat.)  Carré's refrigerators were widely used, and vapor compression 

refrigeration became, and still is, the most widely used method of cooling.   

However, the cost, size, and complexity of refrigeration systems of the time, coupled with the 

toxicity of their ammonia coolants, prevented the general use of mechanical refrigerators in the 

home.  Most households used iceboxes that were supplied almost daily with blocks of ice from a 

local refrigeration plant.   

Beginning in the 1840s, refrigerated cars were used to transport milk and butter.   

By 1860, refrigerated transport was limited to mostly seafood and dairy products. 

In 1867, the refrigerated railroad car was patented by J.B. Sutherland of Detroit, Michigan.  He 

designed an insulated car with ice bunkers at each end.  Air came in on the top, passed through 

the bunkers, and circulated through the car by gravity, controlled by the use of hanging flaps that 

created differences in air temperature.  

In 1867, the  first  refrigerated car  to carry  fresh  fruit was built by Parker Earle of  Illinois, who 

shipped strawberries on the Illinois Central Railroad.  Each chest contained 100 pounds of ice and 

200 quarts of strawberries.   

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 4 

Natural ice supply became an industry unto itself.  More companies entered the business, prices 

decreased,  and  refrigeration  using  ice  became  more  accessible.    By  1879,  there  were  35 

commercial ice plants in America, more than 200 a decade later, and 2,000 by 1909.  

However, as time went on,  ice, as a refrigeration agent, became a health problem because of 

pollution and sewage dumping in lakes and ponds. 

In 1873, the European Karl Von Linde patented the  first commercial mechanical  refrigeration 

system based on Ammonia. This permitted /year round production of ice. 

The household refrigerator was introduced in the early 1920s. The Frigidaire company – then a 

subsidiary of General Motors – was the leading manufacturer of household refrigerators. Their 

M‐9  refrigerator was  the most  advanced model  of  its  time. With  a  steel  cabinet,  air  cooled 

compressor and direct cooling coils, it had a net weight of 170 kg and sold for $468.  

By then, a variety of refrigerants were used including ammonia, sulfur dioxide, methyl chloride, 

ethyl chloride, isobutene, ethylene, methylene chloride and carbon  

Many other industries found refrigeration a boon to their business. In metalworking, for instance, 

mechanically produced cold helped temper cutlery and tools.    Iron production got a boost, as 

refrigeration removed moisture from the air delivered to blast furnaces, increasing production.  

Textile mills used  refrigeration  in mercerizing, bleaching, and dyeing.   Oil  refineries  found  it 

essential, as did the manufacturers of paper, drugs, soap, glue, shoe polish, perfume, celluloid, 

and  photographic materials.  Fur  and woolen  goods  storage  could  beat  the moths  by  using 

refrigerated warehouses.   Refrigeration also helped nurseries and  florists, especially  to meet 

seasonal needs since cut flowers could last longer.  Moreover, there was the morbid application 

of preserving human bodies.  Hospitality businesses including hotels, restaurants, saloons, and 

soda fountains, proved to be big markets for ice.  

Despite the inherent advantages, refrigeration had its problems.  Refrigerants like sulfur dioxide 

and methyl chloride were causing people to die.  Ammonia had an equally serious toxic effect if 

it leaked.   

In  the  1920s,  a  number  of  synthetic  refrigerants  called  chlorofluorocarbons  or  CFCs  were 

developed by Tom Midgley, a researcher at Frigidaire. They met four critical criteria – they had 

an  appropriate  boiling  point,  non‐poisonous,  nonflammable  and  had  a  distinct,  but  not 

unpleasant odor. The best known of these substances was patented under the brand name of 

Freon.   

In  1973,  Prof.  James  Lovelock  reported  finding  trace  amounts  of  refrigerant  gases  in  the 

atmosphere.  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 5 

In 1974, Sherwood Rowland and Mario Molina predicted  that  chlorofluorocarbon  refrigerant 

gases would reach the high stratosphere and there damage the protective ozone layer.   

In 1985  the  "ozone hole" over  the Antarctic had been discovered and by 1990 Rowland and 

Molina's prediction was proved correct.  

3. BASICS OF VAPOR COMPRESSION CYCLE 

The  five  commercially  available  refrigeration  cycles  are: Vapor  compression, Absorption, Gas  cycle, 

Steam jet and Thermoelectric, of which the most popular is the vapor compression cycle. 

The basic refrigeration cycle is similar for many refrigeration and air‐conditioning applications. All four 

components  (compressor,  condenser,  expansion  valve  and  evaporator)  are  steady  flow devices. The 

kinetic and potential energy changes of the refrigerant are usually small compared to the work and heat 

transfer, and are therefore neglected. 

 

a. Components and Type of Compressors: (http://ffden2.phys.uaf.edu/212_spring2007) 

In  this  stage,  the  refrigerant  enters  the  compressor  as  a  gas  under  low  pressure  and  having  a  low 

temperature.  Then, the refrigerant is compressed adiabatically, so the fluid leaves the compressor under 

high pressure and with a high temperature and high velocity. 

Types of Compressors: (References: http://www.powershow.com/view4/5f8fcc‐

NzI1O/Chapter_No_3_powerpoint_ppt_presentation, 

http://www.slideshare.net/tatya922050/compressor‐and‐compressedairsystems1, 

engineeringtoolbox.com, http://www.aspsoklahoma.com/products/centrifugal‐air‐compressor/, 

http://www.aircentersofflorida.com/products/centrifugal‐air‐compressor, Wikipedia.org, 

http://www.slideshare.net/saurabhtholia/compressor‐and‐compressed‐air‐systems, 

http://www.foodtechinfo.com/FoodPro/Efficiency/air_compressor_tutorial.htm) 

Centrifugal Compressors: The centrifugal air compressor is a dynamic compressor, which depends on 

transfer  of  energy  from  a  rotating  impeller  to  the  air.  The  rotor  accomplishes  this by  changing  the 

momentum and pressure of the air. This momentum is converted to useful pressure by slowing the air 

down in a stationary diffuser.  The centrifugal air compressor is an oil free compressor by design. The oil 

lubricated running gear is separated from the air by shaft seals and atmospheric vents. The centrifugal is 

a  continuous  duty  compressor,  with  few moving  parts,  that  is  particularly  suited  to  high  volume 

applications‐especially where oil free air is required. Centrifugal air compressors are water‐cooled and 

may be packaged; typically the package  includes the after‐cooler and all controls. These compressors 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 6 

have appreciably different  characteristics as compared  to  reciprocating machines. A  small  change  in 

compression ratio produces a marked change in compressor output and efficiency. Centrifugal machines 

are better  suited  for  applications  requiring very high  capacities,  typically  above  12,000  cooling units 

BTUH. 

 

Reciprocating Compressors: In industry, reciprocating compressors are the most widely used type for 

both  air  and  refrigerant  compression.  They  work  on  the  principles  of  a  bicycle  pump  and  are 

characterized by a flow output that remains nearly constant over a range of discharge pressures. Also, 

the compressor capacity is directly proportional to the speed. The output, however, is a pulsating one. 

Reciprocating  compressors  are  available  in  many  configurations.  The  four  most  widely  used  are 

horizontal,  vertical,  horizontal  balance‐opposed  and  tandem.  The  reciprocating  air  compressor  is 

considered single acting when  the compressing  is accomplished using only one side of  the piston. A 

compressor using both sides of the piston is considered double acting. 

 

Screw Compressors: Screw: has two screw  (screw‐shaped) rotors, one male and the other  female.  It 

consists of two screws  ‐ one with convex and the other with concave contour mostly called male and 

female rotor respectively. These two screws get rotating by means of gear trips there by sucking the air 

through an inlet port in chamber and then compressing the same. The helix of the male and female rotor 

screw is designed to permit complete charging of the inter lobe space before the re‐mesh. On completion 

of  the  filling operation  the  inlet end of male and  female  lobes begins  to  re‐engage  thus  reduces  the 

volume of air continuously. The helix screws are designed to permit complete charging of the inter lobe 

space before the re‐mesh. On completion of the  filling operation the screws begin to re‐engage thus 

reduces the volume of air continuously. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 7 

 

Scroll Compressors: Has  two spiral‐shaped parts  (scrolls). One of the scrolls  is  fixed, while  the other 

orbits eccentrically without rotating. Fluid is then trapped and pumped or compressing pockets of fluid 

between the scrolls. Another method for producing the compression motion is co‐rotating the scrolls, in 

synchronous motion, but with offset centers of rotation. The relative motion is the same as if one were 

orbiting.  Rotary  compressors  have  rotors  in  place  of  pistons  and  give  a  continuous  pulsation  free 

discharge.  They  operate  at  high  speed  and  generally  provide  higher  throughput  than  reciprocating 

compressors. Their capital costs are  low,  they are compact  in size, have  low weight, and are easy  to 

maintain. For this reason they have gained popularity with industry. They are most commonly used in 

sizes from about 30 to 200 hp or 22 to 150 kW. Types of rotary compressors include: Lobe compressor, 

Screw compressor, Rotary  vane  /  sliding‐vane. The picture  shows a  screw  compressor. Rotary  screw 

compressors may be air or water‐cooled. Since the cooling takes place right inside the compressor, the 

working parts never experience extreme operating temperatures. The rotary compressor, therefore, is a 

continuous duty, air cooled or water cooled compressor package. 

 

Hermetic Compressors: Compressors used in refrigeration systems are often described as hermetic to 

describe  how  the  compressor  and motor  drive  are  situated  in  relation  to  the  gas  or  vapor  being 

compressed. The compressor and its driving motor are integrated, and operate within the pressurized 

gas envelope of the system. The motor is designed to operate in, and be cooled by, the refrigerant gas 

being compressed. They use a one‐piece welded steel casing that cannot be opened  for repair;  if the 

hermetic fails it is simply replaced with an entire new unit. Advantages: there is no route for the gas to 

leak out of the system. Disadvantages: the motor drive cannot be repaired or maintained, and the entire 

compressor must  be  removed  if  a motor  fails  and  the  burnt‐out windings  can  contaminate whole 

systems, thereby requiring the system to be entirely pumped down and the gas replaced. Uses: Hermetic 

compressors are used  in  low‐cost factory‐assembled consumer goods where the cost of repair  is high 

compared to the value of the device, and it would be more economical to just purchase a new device 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 8 

 

2. Condenser:  The  refrigerant with  high  pressure,  high  temperature  gas releases  heat  energy  and 

condenses  inside  the  "condenser"  portion  of  the  system.   The  condenser  is  in  contact with  the  hot 

reservoir of the refrigeration system.  (The gas releases heat into the hot reservoir because of the external 

work added to the gas.)  The refrigerant leaves as a high pressure, high temperature liquid. 

 

3. Throttling (Expansion) Valve: The  liquid refrigerant  is pushed through a throttling valve, which 

causes it to expand.  As a result, the refrigerant now has low pressure and lower temperature, while still 

in the mixed phase.   (The throttling valve can be either a thin slit or some sort of plug with holes in it. 

When the refrigerant is forced through the throttle, its pressure is reduced, causing the liquid to expand.) 

 

4. Evaporator: The low pressure, low temperature refrigerant enters the evaporator, which is in contact 

with the cold  reservoir.   Because a  low pressure  is maintained,  the  refrigerant  is able  to boil at a  low 

temperature.  So, the liquid absorbs heat from the cold reservoir and evaporates.  The refrigerant leaves 

the evaporator as a low temperature, low pressure gas and is taken into the compressor again, back at 

the beginning of the cycle. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 9 

 

Coefficient of Performance (COP) 

The efficiency of a refrigeration cycle is expressed in terms of the coefficient of performance (COP). 

The objective of the refrigerator is to remove heat (QL) from the refrigerated medium. To accomplish 

this objective, it requires a work input of Wcomp,in.  

12, hhmW refincomp  and  41 hhmQ refL  

The COP of a refrigeration cycle is hence expressed as: 

12

41

,Input Required

Output Desired

hh

hh

w

qCOP

incomp

L

 

The  term  “h”  in  the  COP  formula  represents  the  enthalpy  which  is  the  measure  of  energy  in  a 

thermodynamic system. It includes the internal energy, which is the energy required to create a system, 

and the amount of energy required to make room for it by displacing its environment and establishing its 

volume and pressure in kJ/kg (SI unit) or BTU/lbm (IP unit).  

Enthalpy values can be obtained from the refrigerant properties tables or from the Ph‐charts. 

 

4. REFRIGERANTS 

a. Definition: 

A chemical used in cooling systems for mechanical devices such as refrigerators and air conditioners. It 

can  readily  absorb  heat  at  one  temperature,  and  then  compressed  by  a  heat  pump  to  a  higher 

temperature and pressure where it changes phase and discharges the absorbed heat. 

b.  Evolution  and  History  of  Refrigerants  (Ref.:  ASHRAE  2005,  Denison  1996,Downing  1988,  

Wikipedia, 2006) 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 10 

Since the midst of 18th and till the beginning of 20th centuries, a number of substances have been 

used  as  refrigerants  for  refrigerating  systems: water,  diethyl  and methyl  ethers,  ammonia, 

carbon dioxide, sulfur dioxide and sulfur anhydride, methyl chloride, etc...  

In 1755, water became the first refrigerant. It was used this way in the laboratory facility created 

by William Hallen.  

In 1834, Jacob Perkins manufactured a compression machine operating on diethyl ether. 

In 1844, John Gorrie manufactured an air‐compression‐and‐extension machine. 

In 1859, Ferdinand Carré created an ammonia/water absorption refrigerating machine.  

In 1863, Charles Teller tested a compressor operating on methyl ether. 

In 1873, ammonia was first used in vapor compression systems  

In 1875, sulfur dioxide and methyl ether were first used in vapor compression systems  

In 1878, methyl chloride was first used in vapor compression systems.  

Until  the end of  the 20th century, sulphur anhydride and ammonia have been widely used as 

refrigerants. Other refrigerants, such as ethers, acetone and alcohols were discarded after a few 

tests. 

In 1926, the superior properties of R‐11 were discovered and it was adopted by Carrier. 

In 1928, Thomas Midgley and his collaborators, Albert Henne and Robert McNary, employed by 

Frigidaire Division of General Motors, had  identified and synthesized CFC refrigerants such as 

dichlorodifluoromethane, now known as R‐12. 

To demonstrate  the  safety of  the new  compounds,  at  a meeting of  the American Chemical 

Society, Midgley  inhaled R‐12  and  blew  out  a  candle with  it. While  this  demonstration was 

dramatic, it would be a clear violation of safe handling practices today. 

After  the  output  of  the  first  batches  of  dichlorodifluoromethane  related  to  the  group  of 

chlorofluorocarbons (CFCs) by the company "Kinetic Chemicals Inc", (USA), and organization of 

its industrial production in 1932, many working substances, except ammonia, almost completely 

disappeared from the market of refrigerants.  

The same company introduced the commercial name of freon‐12.  

In the midst of the 1930s there was adjusted production of R11, R113 and R114 refrigerants on an 

industrial scale. R11 refrigerant was further used in the air‐conditioning systems.  

Since  1935,  there has been organized production of R22  refrigerant  related  to  the  group of 

hydrochlorofluorocarbons (HCFC). R22 was used in low‐temperature refrigerating systems. 

In 1936, Albert Henne, co‐inventor of the CFCs refrigerants, synthesized R‐134a.  

In 1952, R502 was developed, substituting R22 in low‐temperature refrigerating facilities, which 

allowed reducing discharge temperature characteristic for R22 in compressors. In order to obtain 

very low temperatures, R13, R503 and R13B1 refrigerants were derived. 

In the 1960s, refrigerants have become main refrigerants in industrial and commercial mid‐ and 

low‐temperature refrigerating facilities, conditioners and heat pumps. 

By the midst of the 1970s, the output of freons has reached very high figures.  

By 1976, the output of R12 had reached almost 340,000 tons and 27,000 tons of this was intended 

for refrigerating systems.  

By the end of the 1970s, CFCs and HCFCs became the lead refrigerants in refrigerating industry 

(domestic,  commercial  and  industrial  refrigerating  equipment).  They  were  viewed  as  the 

substances possessing better properties compared with other refrigerants. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 11 

Out of all refrigerants suggested before, only ammonia (R717) with its highest thermodynamic 

and  technical‐operational  figures  within  the  wide  temperature  range,  compared  with 

refrigerants of CFC and HCFC groups was being widely used in industrial refrigerating systems, 

heat pumps, absorption conditioners and domestic absorption refrigerators. 

However, by the 1980s, CFCs and HCFCs had become a matter of concern due to existing global 

problems: increasing greenhouse effect and possible destruction of ozone layer. 

In 1986, overall production of freons amounted 1.123 million tons (of this 30% was the share of 

the USA, 20% ‐ of Europe, 10 % ‐ of Russia and Japan each). 

In  1985,  the  problem  of  control  of ODS was  put  on  an  international  agenda  at  the Vienna 

Convention on Protection of Ozone Layer.  

In 1987, a further important step in the solution of this problem became the Montreal Protocol 

having been signed by all industrial countries. 

By the beginning of the 1990s, main world producers of chemical products had developed and 

produced  one‐component  ozone‐safe  R134a  refrigerant  and  alternative  service  (interstage) 

blends (R401A, etc.) with the aim of substituting R12.  

Prohibition on R12  resulted  in  an  increase of R22 production  and  sale;  in  1994  it  amounted 

207,515 tons.  

Although  CFCs  have  been  substantially  displaced  from  domestic  refrigerating  equipment, 

transport  refrigerating  facilities,  commercial  refrigerating  equipment,  and  industrial 

conditioners. However  in the countries of European Union up to 110,000 tons of CFCs are still 

used in operating refrigerating equipment. 

In order to substitute R502 and R22, service blends related to HCFC group  (R402A, etc.), and 

ozone‐safe blends of CFC group (R407C, etc.) were created. However, by now neither of well‐

known or recently synthesized individual refrigerants possess complete characteristics peculiar 

to CFCs and CFCs refrigerants. 

During the recent years refrigerating industry has been actively looking for substitution of HCFC 

group of refrigerants.  

In 1997, the Kyoto Protocol on Climate Change, aimed at reducing greenhouse gases emissions 

complicated the selection of a long‐term alternative to R22 even more. 

In order to investigate and develop alternative refrigerants to substitute R22 refrigerant (HCFCs), 

Alternative Refrigerants Evaluation Program, (AREP) has been organized. 40 biggest companies 

from all over the world participate in this program. 

A  number  of  states  invested  considerable  financial means  into  development  of  alternative 

refrigerants that amounted to more than $2.4 billion during 2000‐2005. The expenses on  the 

investigation of R134a toxicity alone amounted to $4.5 million, with the duration of investigation 

of 7 years.  

c. Refrigerants Generations: (References: Calm, 1997; Calm, 2012) 

The historic progression of refrigerants encompasses four phases based on defining selection criteria: 

 

First generation – whatever worked 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 12 

The most common refrigerants for the first 100 years were familiar solvents and other volatile fluids; they 

constituted the first generation of refrigerants, effectively including whatever worked and was available. 

Nearly all of these early refrigerants were flammable, toxic, or both, and some were also highly reactive. 

Accidents were common. For perspective, a number of companies marketed propane  (R‐290) as  the 

‘‘odorless safety refrigerant’’ in promoting it over ammonia (R‐717) (CLPC, 1922). Continued preference, 

even today, of ammonia over hydrocarbons in industrial applications suggests that high flammability was 

and remains a greater concern in large systems. 

The  first documented,  systematic  search  for  a  refrigerant  offering  a  practical design with  improved 

performance came in the 1920s, with examination of refrigerants for chillers (Carrier and Waterfill, 1924). 

Willis H. Carrier,  known  for his  advances  in  psychrometrics  and  air  conditioning,  and R.W. Waterfill 

investigated a  range of candidate  refrigerants  for  suitability  in positive‐displacement and centrifugal 

(radial  turbo)  compression machines with  focus  on  developing  the  latter.  They  concluded  (without 

analysis of trans‐critical cycles) that the performance of carbon dioxide  (R‐744) would depend on the 

cycle and amount of liquid sub cooling, but that it yielded the lowest predicted performance of the fluids 

analyzed. They also noted that ammonia and water (R‐718) would require excessive stages for centrifugal 

compressors for the conditions sought, and that water  ‘‘gives a  low efficiency of performance.’’ They 

rejected sulfur dioxide (R‐764) for safety reasons and carbon tetrachloride (R‐10) for incompatibility with 

metals, especially in the presence of water. They finally selected dielene (1,2‐dichloroethene, R‐1130) for 

the first centrifugal machine, though this selection then required an international search to find a source 

(Ingels, 1952). 

Second generation – safety and durability 

The second generation was distinguished by a shift to fluorochemicals for safety and durability. Repeated 

leaks, of  then prevalent methyl  formate  (R‐611) and  sulfur dioxide  (R‐764),  retarded early efforts  to 

market domestic refrigerators to replace iceboxes. With direction that ‘‘the refrigeration industry needs 

a new  refrigerant  if  they expect  to get anywhere,’’ Thomas Midgley,  Jr., and his associates Albert L. 

Henne and Robert R.McNaryfirst scoured property tables to find chemicals with the desired boiling point. 

They restricted the search to those known to be stable, but neither toxic nor flammable. The published 

boiling point for carbon tetrafluoride (R‐14) drew attention to the organic fluorides, but they correctly 

suspected  the  actual  boiling  temperature  to  be  much  lower  than  published.  Just  eight  elements 

remained, namely carbon, nitrogen, oxygen, sulfur, hydrogen, fluorine, chlorine, and bromine (Midgley, 

1937). Within 3 days of starting, in 1928, Midgley and his colleagues made critical observations regarding 

flammability and toxicity of compounds consisting of these elements. They also noted that every known 

refrigerant at the time combined just seven of these elements – all but fluorine. Their first publication on 

fluorochemical  refrigerants shows how variation of  the chlorination and  fluorination of hydrocarbons 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 13 

influences  the  boiling  point,  flammability,  and  toxicity  (Midgley  and  Henne,  1930).  Commercial 

production of R‐12 began in 1931 followed by R‐11 in 1932 (Downing, 1966, 1984). Chlorofluorocarbons 

(CFCs) and later – especially starting in the 1950s in residential and small commercial air conditioners and 

heat  pumps  –  hydrochlorofluorocarbons  (HCFCs)  dominated  the  second  generation  of  refrigerants. 

Ammonia continued as, and  remains  today,  the most popular  refrigerant  in  large,  industrial systems 

especially for food and beverage processing and storage. 

Third generation – ozone protection 

Linkage of released CFCs – including CFC refrigerants – to depletion of protective ozone catalyzed the 

third generation with  focus on  stratospheric ozone protection. The Vienna Convention and  resulting 

Montreal  Protocol  forced  abandonment  of  ozone‐depleting  substances  (ODSs).  Fluorochemicals 

retained  the  primary  focus,  with  emphasis  on  HCFCs  for  interim  (transitional)  use  and 

hydrofluorocarbons  (HFCs)  for  the  longer  term.  The  shifts  sparked  renewed  interest  in  ‘‘natural 

refrigerants’’– particularly ammonia, carbon dioxide, hydrocarbons, and water – along with expanded 

use of absorption and other not‐in‐kind (those not using vapor‐compression systems with fluorochemical 

refrigerants) approaches. Manufacturers commercialized  the  first alternative  refrigerants  in  late 1989 

and, within  10  years,  introduced  replacements  for most  ozone‐depleting  refrigerants. Non‐Article  5 

(mostly‐developed) countries, sometimes referred to as Article 2 countries, phased out CFC refrigerant 

use in new equipment by 1996, as required by the Montreal Protocol (1987). Article 5 countries did so by 

2010, and some (for example, China) did earlier. The ‘‘Article 5’’ distinction relates to the level of prior 

usage  of  ozone‐depleting  substances  as  defined  in  the  Protocol.  Except  as  restricted  by  national 

regulations, continued use and service are allowed for existing equipment employing CFC refrigerants 

until  otherwise  retired.  The  transition  from  HCFCs  also  is  underway.  The Montreal  Protocol  limits 

consumption  (defined as production plus  imports  less exports and specified destruction) of HCFCs  in 

steps in 1996 (freeze at calculated cap), 2004 (65% of cap), 2010 (25%), 2015 (10%), and 2020 (0.5%) with 

full  consumption  phaseout  by  2030  in  non‐Article  5  countries  (UNEP,  2007a).  Individual  countries 

adopted different response approaches. Most western and central‐European countries accelerated HCFC 

phase outs, while  the majority of other developed countries set  limits by phasing out propellant and 

blowing  agent  (especially  R‐  141b)  uses  early,  requiring  phaseout  of  R‐22  (the  most  widely  used 

refrigerant today) by 2010 in new equipment, and then banning all HCFC use in new equipment by 2020. 

The schedule for Article 5 countries began with a freeze  in 2013 (based on 2009–2010 production and 

consumption levels) with declining limits that started in 2015 (90%), 2020 (65%), 2025 (32.5%), and 2030 

(2.5%) followed by phaseout in 2040 (UNEP, 2007a). Again, continued future use and service, even after 

2040, are allowed for existing equipment employing HCFC refrigerants until otherwise retired except as 

restricted by national regulations (Montreal Protocol, 1987; UNEP, 2007a).  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 14 

Three points warrant notice. First, refrigerants historically constituted only a minor fraction of total ODS 

emissions, but most of the same CFCs and some of the HCFCs in common use as refrigerants also were 

used  in much more emissive applications,  including as aerosol propellants, foam blowing agents, and 

solvents.  Second  and  at  least  comparable  in  importance  to  the  refrigerant  replacements,  the 

environmental concerns prompted major changes  in design, manufacturing,  installation, service, and 

ultimate disposal procedures to reduce avoidable refrigerant emissions (Calm, 2002). Third, the ozone 

layer is recovering despite episodic reports of record ozone holes in the Antarctic (WMO, 2006).  

Fourth generation – global warming 

The very successful response to ozone depletion stands in sharp contrast to the deteriorating situation 

with climate change based on Brohan et al. (2006) and Rayner et al. (2006). The Intergovernmental Panel 

on  Climate  Change  (IPCC)  Fourth Assessment  Report  (AR4)  reflects  the  latest  scientific  consensus, 

namely  that  ‘‘warming of  the climate  system  is unequivocal, as  is now evident  from observations of 

increases in global average air and ocean temperatures, widespread melting of snow and ice, and rising 

global average sea level’’ (IPCC, 2007). The assessment concluded that ‘‘most of the observed increase in 

globally averaged temperatures since the mid‐20th century is very likely due to the observed increase in 

anthropogenic greenhouse gas concentrations’’ and that ‘‘discernible human influences now extend to 

other  aspects  of  climate,  including  ocean warming,  continental  average  temperatures,  temperature 

extremes  and  wind  patterns’’  (IPCC,  2007).  The  Kyoto  Protocol,  pursuant  to  the  United  Nations 

Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), sets binding targets for greenhouse gas (GHG) 

emissions  based  on  calculated  equivalents  of  carbon  dioxide,  methane,  nitrous  oxide,  HFCs, 

perfluorocarbons  (PFCs),  and  sulfur  hexafluoride  (Kyoto  Protocol,  1997).  It  does  not  address ODSs 

covered  by  the Montreal  Protocol,  although  some  also  are  very  potent  GHGs.  National  laws  and 

regulations to implement the Kyoto Protocol differ, but they typically prohibit avoidable releases of HFC 

and PFC refrigerants and in some countries also control or tax their use. More recent measures (either 

adopted  or  proposed)  at  regional,  national,  state,  and municipal  levels  are more  stringent.  These 

restrictions are forcing shifts to a fourth generation of refrigerants defined by focus on global warming. 

The European Parliament set the timing with a directive that bans fluorochemical (‘‘F‐Gas’’) refrigerants 

having  GWPs  exceeding  150  for  100‐yr  integration  in  air  conditioners  for  new model  automobiles 

effective  from  2011  and  for  all  new  automobiles  starting  in  2017  (Horrocks,  2006).  The  adopted 

regulations also require periodic inspection of stationery systems using HFCs (Environment Committee, 

2006). The EU Parliament rejected recommended measures that would have banned HFCs as aerosol 

propellants by 2006, as foam blowing agents by 2009, and as refrigerants in stationery air conditioners 

and refrigeration by 2010. The contentious vote on the last item was 262–368, more than 40% in favor. 

This  significant  support  level  invites  future  reconsideration,  especially with  recent  scientific  findings 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 15 

regarding more rapid and more severe onset of climate change. The immediate effect of these measures 

is  a  ban  on  R‐134a  in  its  largest  and,  as  a  refrigerant,  its  most  emissive  application  –mobile  air 

conditioners. The adopted GWP  limit  intentionally allows consideration of  low GWP HFCs (notably R‐

152a even though flammable). The F‐Gas measures also sanction more‐stringent national regulations, 

some of which prohibit HFCs in large systems, explicitly ban HFC use in chillers, or impose GWP weighted 

excise taxes on HFC refrigerants. Unions in Europe are pushing for adoption of more stringent measures 

to curb greenhouse gas emissions. A number of states and cities in the USA have proposed restrictions 

on GHG emissions, either individually or regionally, though the specific impacts on individual HFCs are 

uncertain. A frequent bellwether state and the one with the largest population, California passed new 

legislation  in  late  2006  imposing  a  first‐in‐the‐nation  emissions  cap  on  utilities,  refineries,  and 

manufacturing plants, with a goal of cutting greenhouse gas emissions back to 1990 levels by 2020. The 

law  requires  the state  regulatory body  to determine actual  requirements. The California changes are 

likely to impose requirements for low GWP refrigerants in new vehicle systems and prohibit recharging 

of leaky systems by unlicensed technicians. Other measures may restrict the HFCs used in commercial 

refrigeration systems. At least eight other states are prone to follow California’s lead if it does regulate 

HFC uses or emissions. A number of Northeastern and Mid‐Atlantic states  joined  in a pact  in 2007 to 

impose caps on power plant emissions and encourage  trading of allowances among utilities and  the 

Governors of five states agreed  in 2007 to the Western Regional Climate Action  Initiative with similar 

goals. 

 

d. Selection, Characteristics and Effect of Refrigerants (Ref.: ASHRAE 2004, ASHRAE 2005, UNEP 

1994) 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 16 

The design of refrigeration equipment depends strongly on the properties of the selected refrigerants. 

The ideal refrigerant is noncorrosive and safe and has good thermodynamic properties such as: a boiling 

point somewhat below the target temperature, a high heat of vaporization, a moderate density in liquid 

form , a relatively high density in gaseous form.  

Boiling Point – Latent Heat of Vaporization: The boiling point is the most important physical property 

of a refrigerant because it is a direct indicator of the temperature level at which a refrigerant can be used. 

On a molar basis, fluids with similar boiling points have almost the same latent heat. Since compressor 

displacement  is  defined  on  volumetric  basis,  refrigerants with  similar  boiling  points  produce  similar 

refrigeration effect with a given compressor.   On a mass basis, latent heat varies widely among fluids. 

Efficiency of a theoretical vapor compression cycle is maximized by fluids with low vapor heat capacity. 

This property is associated with fluids having a simple molecular structure and low molecular mass.  

Freezing Point: The freezing point of a refrigerant must be lower than any contemplated usage. 

Liquid Density: Density  is  the mass per unit volume. Fluorinated  refrigerants are  relatively dense. A 

dense refrigerant needs a larger liquid line to accommodate the greater flow rate without an increase in 

the pressure drop. 

Vapor Density: The vapor density of  fluorocarbon  refrigerants  is also  relatively heavy. Vapor density 

does  not matter much  in  the  refrigeration  system.  The  power  required  in  reciprocating  and  rotary 

compressors  depend  on  the  number  of molecules,  not  on  the weight  of  the molecules.  The  power 

required  in  centrifugal  compressors, however, depends on  the density of  the gas  since  the pressure 

developed depends on the velocity and density of the refrigerant. Vapor density is very important outside 

the system. When a fluorinated refrigerant is accidentally or intentionally released from the system, it 

sinks to the ground and collects in low places. Good ventilation is required near the floor to disperse the 

gas.  

Temperature/Pressure Relationship: The saturation pressure of a refrigerant is related to its saturation 

temperature. As the temperature increases, so does the pressure. 

Compression  Ratio:  Compression  ratio  is  an  indication  of  the  amount  of  work  required  from  the 

compressor. A low compression ratio means a high coefficient of performance. 

Pressure Drop: The pipes should be as small as possible to reduce the original cost and provide adequate 

refrigerant velocity. On the other hand, pipes should be large enough to avoid excessive pressure drop 

and friction losses. Pressure drops increase operational costs. 

 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 17 

 

Pressure  drop  in  the  liquid  line will  result  in  higher  condensing  temperatures,  higher  compressor 

discharge temperatures, therefore more power to the compressor.  

Pressure drop  in the suction  line will result  in  loss  in capacity. The compressor must work harder to 

produce  the  desired  pressure  at  the  evaporator. On  the  other  hand,  care  should  be  taken  to  allow 

sufficient vapor velocity (1200 to 4000 ft. /min) to ensure good oil travel. 

Critical Properties: Critical Temperature, Pressure and Density: Critical properties describe a material 

at the point where the distinction between  liquid and gas  is  lost. At higher temperatures, no separate 

liquid phase is possible for pure fluids. In refrigeration cycles, which involve condensation, the selected 

refrigerant must condensate at a temperature below the critical point. 

Transport Properties: affect performance of heat exchangers and piping so high thermal conductivity 

and viscosity are desirable. The conductivity of the refrigerant should be as high as possible so that the 

size of the evaporator and condenser is manageable. Effect of pressures on these properties is slight at 

low pressures, but at higher pressures, thermal conductivity and viscosity decrease significantly. 

Sound  Velocity:  The  velocity  of  sound  is  the  maximum  velocity  that  can  be  reached  inside  the 

refrigeration pipes. The practical velocity of a gas in piping or through openings is limited by the velocity 

of sound. The table shows the velocity of sound in the vapor phase of some refrigerants.   The velocity 

increases when  the  temperature  is  increased at  constant pressure. The  velocity decreases when  the 

pressure is increased at constant temperature. 

Velocity of Sound 

The velocity of sound in vapor is calculated by: 

a

S T

p pV

 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 18 

K e,temperatur

kJ/kg.K entropy,

heats specific of ratio

kg/m density,

Pa pressure,

m/s velocity,sound

3

T

S

cc

p

V

vp

a

 

Refrigerant  Velocity of Sound(m/s) 

134a  168.39 

507A  174.45 

717  450.44 

Safety – Toxicity and Flammability 

In ASHRAE Standard 34, refrigerants are classified according to the hazard involved in their use. 

Toxicity: According to ASHRAE standard 34, it is “the ability of a refrigerant to be harmful or lethal due 

to acute or chronic exposure by contact, inhalation, or ingestion. The effects of concern include, but are 

not  limited  to,  those  of  carcinogens,  poisons,  reproductive  toxins,  irritants,  corrosives,  sensitizers, 

hepatoxins, nephrotoxins, neurotoxins, agents that can act on the hematopoietic system, and agents 

that damage the lungs, skin eyes or mucous membranes. For this standard, temporary discomfort that 

is not impairing is excluded”. 

Within  the  RAC  industry,  a  different  classification  scheme  is  applied,  where most  refrigerants  are 

assigned a safety classification, which is a function of toxicity and flammability. The classification scheme 

is adopted by such standards as, ISO 817 and draft EN 378. An overview of this was given in section 2.1.4. 

The toxicity classification is based on whether toxicity has or has not been identified at concentrations of 

less than 400 ppm by volume, based on data used to determine the threshold limit value – time weighted 

average (TLV‐TWA) or consistent indices. There are two toxicity classes: 

Class A: no chronic toxicity effects have been observed below 400 ppm 

Class B: chronic toxicity effects have been observed below 400 ppm 

The  flammability  classification  depends  upon  whether  or  not  the  substances  can  be  ignited  in 

standardised tests, and if so, what the lower flammability limit (LFL) and the heat of combustion are.  

There are three flammability classes (values according to ISO 817):  

Class 1: do not show flame propagation when tested in air at 60°C and standard atmospheric pressure 

Class 2L: as Class 2 but with a (laminar) burning velocity of less than 0.10 m/s 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 19 

Class 2: exhibit flame propagation when tested at 60°C and atmospheric pressure, but have a LFL higher 

than 3.5% by volume, and have a heat of combustion of less than 19,000 kJ/kg 

Class 3: exhibit flame propagation when tested at 60°C and atmospheric pressure, but have an LFL at or 

less than 3.5% by volume, or have a heat of combustion that is equal to or greater than 19,000 kJ/kg 

Class 2L is now included in ISO 817, ISO 5149 and proposed for inclusion in EN 378. It is primarily intended 

to differentiate between HFC‐152a and the remainder of class 2 refrigerants (such as R‐717, HFC‐32 and 

HFC‐1234yf), which tend to be more difficult to ignite and is less likely to evolve overpressures that could 

cause damage. 

Typically, a “higher” the classification – that is toxicity Class B instead of Class A, and flammability Class 

3  instead  of  Class  1  – means  that  the  refrigerating  system  has more  onerous  design  requirements 

associated with it, in order to handle the higher risk presented by the refrigerant.  

 

Lower Flammability Limit 

The  lower flammability  limit (LFL) of flammable refrigerants  is typically applied as a constraint to the 

amount of refrigerant that can be released into a room or enclosure, as it represents the smallest quantity 

that, when in the presence of an active source of ignition, could sustain a flame. 

Acute Toxicity Exposure Limit 

The acute toxicity exposure limit (ATEL) of any refrigerant may also applied as a constraint to the amount 

of refrigerant that can be released into a room or enclosure, as it represents the smallest quantity that 

could impose adverse toxicological effects onto occupants. 

Practical Limit 

There is a further safety measure for the application of refrigerants, termed the practical concentration 

limit (PL). This represents the highest concentrations level in an occupied space which will not result in 

any escape impairing (i.e., acute) effects. Thus, it is principally, the lowest “dangerous” concentration of 

a refrigerant, with a safety factor applied. The estimation of PL is based on the lowest of the following: 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 20 

Acute toxicity exposure limit (ATEL), based on mortality (in terms of LC50) and/or cardiac sensitization, 

and/or anaesthetic or central nervous system (CNS) effects 

Oxygen deprivation limit (ODL) 

20% of the lower flammability limit (or 25% in ASHRAE 34) 

For class A1 (and A2L) and class B refrigerants, the PL is normally based on the ATEL, whereas for A2 and 

A3 refrigerants it is normally dictated by the LFL. For some refrigerants the PL is based on historical use 

experience. 

Refrigerants Effects:  

In 1987, researchers concluded that the chemical compounds in our most widely used refrigerants known 

as  chlorofluorocarbons  (CFCs)  are a major  source of destruction  to  the  lower atmosphere. Research 

showed that once CFCs reach the atmosphere, the sun’s ultraviolet rays break down the compound, thus 

releasing chlorine which impact the ozone layer badly. 

Types of Impacts: 

Direct impact: occurs from the leakage of refrigerant gases into the atmosphere.  This can lead to ozone 

depletion and global warming via the greenhouse effect. 

Indirect impact: due to the energy consumption of refrigeration and air conditioning systems leading to 

CO2 emissions that cause global warming. 

e. Classification: 

Refrigerants can be broadly classified based on the following:  

Working Principle:  

Under this heading, we have the primary or common refrigerants and the secondary refrigerants.  

The  primary  refrigerants  are  those  that  pass  through  the  processes  of  compression,  cooling  or 

condensation, expansion and evaporation or warming up during cyclic processes. Ammonia, R12, R22, 

carbon dioxide come under this class of refrigerants.  

On the other hand, the medium which does not go through the cyclic processes in a refrigeration system 

and  is only used as a medium for heat transfer are referred to as secondary refrigerants. Water, brine 

solutions of sodium chloride and calcium chloride come under this category.  

Safety Considerations: 

Under this heading, we have the following three sub‐divisions.  

Safe refrigerants: non‐toxic, non‐flammable such as R114, methyl chloride, carbon dioxide, water etc.  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 21 

Toxic  and  moderately  flammable:  dichloroethylene  methyl  format,  ethylchloride,  sulphur  dioxide, 

ammonia etc. Highly flammable refrigerants: butane,  isobutene, propane, ethane, methane, ethylene 

etc.  

Chemical Compositions: 

Halocarbon compounds: These are obtained by  replacing one or more hydrogen atoms  in ethane or 

methane with halogens.  

Azeotropes: These are the mixtures of two or more refrigerants and behave as a compound.  

Oxygen  and Nitrogen Compounds: Refrigerants having either oxygen or nitrogen molecules  in  their 

structure,  such  as  ammonia,  are  grouped  separately  and  have  a  separate  nomenclature  from  the 

halogenated refrigerants.  

Cyclic organic Compounds: The compounds coming under this class are R316, R317 and R318.  

Inorganic Compounds:  These are further divided into two categories: Cryogenic and Non‐cryogenic.  

Cryogenic fluids are those which are applied for achieving temperatures as low as – 160 °C to – 273 °C. 

The inorganic compounds which are employed above the cryogenic temperature ranges come under the 

remaining sub‐division of inorganic refrigerants.  

Unsaturated Compounds: Compounds such as ethylene, propylene etc. are grouped under this head and 

grouped under the 1000 series for convenience.  

Miscellaneous:  This  group  contains  those  compounds  which  cannot  be  grouped  under  the  other 

components. They are indicated by the 700 series with the last numbers being their molecular weight. 

Examples include air, carbon dioxide, sulphur dioxide etc.  

f. Designation: 

As we can see from the above sub‐divisions, they are not mutually exclusive. A compound may come 

under more than one sub‐division. Hence, the importance of adopting the various naming conventions 

to designate the different refrigerants cannot be underestimated. Since a large number of refrigerants 

have been developed over the years for a wide variety of applications, a numbering system has been 

adopted to designate various refrigerants. All the refrigerants are designated by R followed by a unique 

number.  

Fully saturated, halogenated compounds: These refrigerants are derivatives of alkanes (CnH2n+2) and 

designated by R XYZ, where:  

X+1 indicates the number of Carbon (C) atoms  

Y‐1 indicates number of Hydrogen (H) atoms 

Z indicates number of Fluorine (F) atoms  

The balance indicates the number of Chlorine atoms. Only 2 digits indicate that the value of X is zero.  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 22 

Example 1: Calculate the chemical formula of refrigerant R134a:  

According to the above mentioned convention: 

No. of C atoms: C – 1 = 1 => C = 2  

No. of H atoms: H + 1 = 3 => H = 2  

No. of F atoms: F = 4  

No. of Cl atoms: Cl = 0  

The compound is C2H2F4 and its name is Tetra‐fluoro‐ethane 

Inorganic  refrigerants: These  are designated by number  7  followed by  the molecular weight of  the 

refrigerant (rounded‐off).  

Ex.: Ammonia: Molecular weight is 17, the designation is R 717  

      Carbon dioxide: Molecular weight is 44, the designation is R 744  

      Water: Molecular weight is 18, the designation is R 718  

g. Blends  

Blends: Refrigerants consisting of mixtures of two or more different chemical compounds, often used 

individually as refrigerants for other applications. 

A simple mixture (Zeotropes): When two liquids are mixed, a simple mixture, or a zoetrope, is formed if 

the vapor pressure of  the mixture at a given  temperature  is between  the vapor pressures of  the  two 

components. 

The relationship between vapor pressure and concentration is : 

Raoult’s law:  A A AP X VP  

B B BP X VP  

Dalton’s law:  A B TP P P  

where:    or A BP P = partial pressure of component A or B in the solution 

    AX or  BX = mol fraction of each component in the mixture 

    or A B

VP VP = vapor pressure of pure component 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 23 

    TP = vapor pressure of solution 

When the vapor pressure of the mixture is equal to the sum of the partial pressures of the components, 

as calculated by Dalton’s law, the solution is said to be “ideal” 

Zeotropic blends comprise multiple components of different volatilities that, when used in refrigeration 

cycles, change volumetric composition and saturation temperatures as they evaporate or condense at 

constant pressure.  

Azeotropic:  Blends  comprising  multiple  components  of  different  volatilities  that,  when  used  in 

refrigeration cycles, do not change volumetric composition or saturation temperature as they evaporate 

or condense at constant pressure. 

Azeotropes  are  formed when  the  vapor  pressure  of  the  solution  is  greater  than  that  of  each  pure 

component. 

Near Azeotropic: a zeotropic blend with a temperature glide sufficiently small that it may be disregarded 

without consequential error in analysis for a specific application. 

• Temperature  Glide:  the  difference  between  the  starting  and  ending  temperatures  of  a 

refrigerant phase change within a system at any constant pressure. At a given pressure, the blend 

evaporates and condenses at a range of temperatures. The total temperature glide of a refrigerant 

blend  is defined as the temperature difference between the saturated vapor temperature and 

the saturated liquid temperature at a constant pressure. Another definition is the temperature 

difference between the starting and ending temperature of a refrigerant phase change within a 

system  at  a  constant  pressure.  When  the  liquid  refrigerant  boils  in  the  evaporator,  the 

composition of the liquid and vapor phases are different. The liquid phase becomes richer in the 

higher‐boiling‐point  component  as  the  low‐boiling‐point  components boil off  into  the  vapor 

phase.  In  the condenser,  the  refrigerant changes phase  (condenses)  from a vapor  to a  liquid. 

Refrigerant blends exhibit temperature glide because there’s more than one molecule present in 

their  compositional  makeup.  (http://www.achrnews.com/articles/130707‐the‐professor‐the‐

correlation‐between‐refrigerant‐blends‐and‐temperature‐glide) 

 

 Number Designation for Blends:  

Blends are designated by their respective refrigerant numbers and weight proportions. Refrigerants are 

named in order of increasing normal boiling points of the components.  

 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 24 

 

Number Designation for Azeotropic Blends: 

Azeotropic blends are assigned an  identifying number  in the 500 series.  It  is not necessary to cite the 

percentages of weight in parentheses here.  

 

The previous mentioned  substances although  they have high efficiencies  in  the  refrigeration and air 

conditioning systems, but they have been proved to be environmentally harmful, especially since they 

are used in wide applications.  

These harmful substances are called Ozone Depleting Substances. They are widely spread by the human 

harmful practices, and  they have direct effect on  the ozone  layer and consequently affect  the global 

warming. 

5. ENVIRONMENTALLY HARMFUL PRACTICES 

The environmentally harmful practices  that are considered  the major  sources of Green House Gases 

GHGs and the cause of Ozone Depletion and Global Warming are: products that involve CFCs or halons 

during either manufacture or use and  the burning of huge quantities of oil, gasoline, and  coal:  such 

activities have increased the amount of GHGs, so that 1998 was recorded as the warmest year. 

6. STRUCTURE OF THE ATMOSPHERE (OZONE LAYERING) 

The atmosphere  is composed of several  layers with different characteristics.  In  the context of ozone 

depletion, the lowest two layers of the atmosphere are the most important. These are: 

Troposphere:    extending  from  the  earth’s  Surface  to  an  altitude  of  around  10  km.  This  layer  is 

characterized  by  large  scale  turbulence  and mixing. All weather  phenomena  occur  in  this  layer. An 

important characteristic is the temperature decrease with altitude, starting form an average of 15°C at 

the earth’s surface and reaching ‐55°C at the tropopause. The temperature decrease is due to the weight 

of air causing differences in pressure over a range of heights, and the laws of thermodynamics (such as 

the ideal gas law) show that pressure changes are accompanied by temperature changes. The thickness 

of this  layer  is not the same everywhere;  it  is as high as 16 km  in Tropics and as  low as 9 km  in Polar 

Regions.  

Stratosphere: Occupying the interval 10‐45 km above the earth’s surface. The temperature structure of 

this layer is different than that of the troposphere mainly due to the presence of ozone which absorbs 

solar energy and releases it as heat. Since 90% of the ozone is found in the stratosphere; therefore, this 

layer is called the ozone layer. Ozone has the same chemical structure whether it occurs miles above the 

earth or at ground level and can be:“Good” ozone occurs naturally in the stratosphere approximately 10 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 25 

to 30 miles above the earth's surface and forms a layer that protects life on earth from the sun's harmful 

rays. In the earth's lower atmosphere, ground‐level ozone (or smog) is considered “bad”. 

 

VOC + NOx + Sunlight = Ozone 

Types of UV Radiation 

UV‐A: Wavelengths greater than 320 nm, not radically absorbed by ozone, needed  in humans for the 

formation of Vitamin D.  

UV‐B: Wavelengths  between  280  and  320  nm,  large  amount  of UV‐B  range  blocked  out  by  ozone, 

primarily affects exposed organs such as the skin and the eyes  

UV‐C: Wavelengths between 200 and 280 nm, totally removed by stratospheric ozone, causes severe 

biological consequences. 

Each 1% of depletion in stratospheric ozone increases exposure to damaging ultraviolet radiation by 1.5 

to 2 percent. [EPA] 

How is Ozone Produced? 

Ozone  is produced naturally  in the upper stratosphere when ultraviolet radiation from the sun strikes 

molecules of oxygen and dissociates  them. This process of O2 dissociation  is called photolysis. Upon 

dissociation, O2 liberates a free oxygen atom. This atom can then combine with another O2 molecule to 

create ozone. The dissociation of O2 requires ultraviolet (UV) light of wavelength shorter than 240 nm. 

Most of the ozone in the stratosphere is formed over the equatorial belt, where the level of solar radiation 

is greatest. The circulation  in the atmosphere then transports  it towards the pole. So, the amount of 

stratospheric ozone above a location on the Earth varies naturally with latitude, season, and from day‐

to‐day.  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 26 

 

7. ODS AND APPLICATIONS 

An ozone‐depleting substance (ODS) is a chemical substance, usually consisting of some combination of 

chlorine, fluorine, or bromine plus carbon, such as CFC and HCFC that has been shown to destroy the 

ozone. Ozone depleting substances, (ODS), damage the ozone layer which protects life on earth from 

harmful ultraviolet  rays. They degrade slowly and can  remain  intact  for many years. One chlorine or 

bromine molecule can destroy 100,000 ozone molecules, causing ozone to disappear much faster than 

nature can replace it. Ozone depleting substances, (ODS), damage the ozone layer which protects life on 

earth from harmful ultraviolet rays. They degrade slowly and can remain intact for many years  

ODSs are divided into two classes: 

Class I: includes the fully halogenated CFCs, halons, and the ODSs that are the most threatening to the 

ozone layer, with an ODP of 0.2 or higher. 

Class II: substances that are known or reasonably anticipated to have harmful effects on the stratospheric 

ozone layer such as HCFC, with an ODP of less than 0.2 

List of Some ODS Used: 

ODS  Chemical Formula  Uses 

Cyclobutane  Or RC‐316c 

C4Cl2F6  Testing  as  a  solvent  in aerospace industry 

Hexachlorobutadiene  (or HCBD) 

C4Cl6  Solvent applications as well as an  intermediate  in  the production of HFCs. 

n‐propyl  bromide  (or  1‐bromopropane, CH2BrCH2CH3 and nPB) 

1‐C3H7Br or CH2BrCH2CH3  Solvent  applications, including  degreasing,  vapor cleaning and cold  cleaning of metal parts 

Halon‐1202  CBr2F2  In  fire protection  systems  for military‐type  aircraft.  By‐product  which  may  be generated  during  production of Halon 1301 and 1211. 

 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 27 

Carbon tetrachloride and methyl chloroform: Chlorine containing chemicals widely used as solvents for 

cleaning. Carbon tetrachloride (CTC) is a very effective chlorinated solvent used for cleaning processes in 

developing countries: 

- discovered in 1839  

- became popular for metal degreasing from the  late 1890s and as a dry cleaning solvent  in the 

1930s 

- replaced by perchloroethylene in the late 1950s.  

- cheapest of all chlorocarbon solvents yet toxic and carcinogenic.  

- has an ODP of  1.1, the highest of all the common solvents 

Between 1950 and 1980, 1,1,1‐trichloroethane became popular to replace other chlorocarbons. 

- initially used as a cold‐cleaning solvent and as a solvent for some classes of adhesives in addition 

to dry cleaning in  the Far East and Japan 

- has a lower toxicity than other solvents 

- has a relatively  low ODP  (0.1) but  it has significant  impact on the ozone  layer because of the 

volume used.  

- has a  moderately low price, but slightly higher than all the other chlorinated solvents  

- The impact of these substances is measured by their ODP, GWP and their lifetime. The life time 

factor is very important to be taken into consideration, since CFCs are so stable, that some have 

atmospheric lifetimes of over 100 years and they don’t break down easily. 

- Therefore, it is desirable to select refrigerants with low lifetimes.  

- Examples of Some Substances and Their ODP , GWP and Life Time 

Refrigerant Name  ODP  GWP  Life time 

R124  0.03  610  5.8 

R134a  0  1430  14.6 

R404A  0  3920  40.36 

Because of the harmful effects of the ODS, many treaties and conventions were issued, to agree on a 

schedule for phasing out these substances. These treaties banned the use of some ODS completely and 

put other schedule and timelines for phasing out of other substances that are currently in use. Also, there 

is a process of monitoring and follow up of the phase out plan worldwide. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 28 

8. MULTI‐LATERAL ENVIRONMENTAL AGREEMENTS 

i. Vienna Convention 

ii. Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer (1987) 

iii. Basel Convention on the Control of Transboundary Movements of Hazardous Wastes and Their 

Disposal (1989) 

iv. Kyoto Protocol on Climate Change (1997) 

v. Rotterdam  Convention  on  the  Prior  Informed  Consent  Procedure  for  Certain  Hazardous 

Chemicals and Pesticides in International Trade (PICs) (1998) 

vi. Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants (POPs) (2001) 

i. Vienna Convention (1985) 

The 1985 Vienna Convention encourages intergovernmental cooperation on: 

• international research 

• systematic observation of the ozone layer 

• monitoring of CFC production 

• the exchange of data on emission, and on concentrations of CFCs and halons. 

Following are the major issues raised by the Vienna Protocol: 

• Parties participating should seek to protect human health and the environment against adverse 

effects resulting from ODS activities  

• Parties  should  initiate  and  undertake  cooperatively  research  and  scientific  assessment  on 

physical and chemical processes that may affect the ozone layer.  

•  Parties should transmit the information they have to others.  

• In 1985 also, the Antarctic “ozone hole” was discovered.  

• Scientific data confirmed that chlorine from CFCs and bromine from halons and methyl bromide 

are responsible for ozone destruction and for the ozone hole itself.  The discovery of the Antarctic 

hole increased the international cooperation initiated by the Vienna convention.  

Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer (1987) pdfweb 

Following the discovery of the Antarctic ozone hole in late 1985, governments recognized the need for 

stronger measures to reduce the production and consumption of a number of CFCs (CFC 11, 12, 113, 114, 

and  115),  several  Halons  (1211,  1301,  2402),  HCFCs, methyl  bromide  and  several  other ODSs.  The 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 29 

Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer was adopted on 16 September 1987 at 

the Headquarters of the International Civil Aviation Organization  in Montreal. The Protocol came into 

force on 1st January 1989, when  it was ratified by 29 countries and the EEC. Since then several other 

countries have ratified it.  

The Protocol was designed so that the phase out schedules could be  revised on the basis of periodic 

scientific  and  technological  assessments.  Following  such  assessments,  the Protocol was  adjusted  to 

accelerate  the  phase  out  schedules.  It  has  also  been  amended  to  introduce  other  kinds  of  control 

measures and to add new controlled substances to the list. 

Control Measures and Phase out Schedule Under the Montreal Protocol 

The ozone layer can only return to its 1970s status if all nations join in the effort to eliminate the emission 

of ozone‐depleting  substances  into  the  atmosphere.  Failure  to  ratify  the ozone  treaties may hinder 

international efforts to protect the earth from the damage caused by ozone‐layer depletion. While such 

damage will have a global impact, developing countries are likely to be the most severely affected. 

 

The Montreal  Protocol  and  its Amendments  constitute  a mechanism  for  the  phasing  out  of  ozone 

depleting substances. Parties to the Protocol are committed to this goal. 

The control measures and phase out schedules cover both the production and the consumption of the 

target  substances.  However,  even  after  phase  out  both  developed  and  developing  countries  are 

permitted to produce limited quantities in order to meet the essential uses for which no alternatives have 

yet been identified.  

Article 5 Countries 

As per Article 5 of the Montreal Protocol, any country that  is a developing country and whose annual 

consumption of the controlled substances is less than 0.3 kg per capita is considered as Article 5 country. 

Such countries are allowed a delay of ten years to comply with the control measures of the Montreal 

Protocol in order to meet its basic domestic needs. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 30 

 

Ninety six (96) chemicals are presently controlled by the Montreal Protocol, including: 

Halo carbons, notably chlorofluorocarbons (CFCs)  

Halons:  

Carbon tetrachloride 

Methyl chloroform (1,1,1 trichloroethane)  

Hydrobromofluorocarbons (HBFCs)  

Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) 

Methyl bromide (CH3Br)  

Bromochloromethane  (BCM),  a  new  ozone‐depleting  substance  that  some  companies  sought  to 

introduce into the market in 1998, has been targeted by the 1999 Ammendment for immediate phase‐

out to prevent its use. 

The phase out schedules for developed, (Non‐Article 5), countries are as follows: 

Halons: Phase out by 1994  

CFCs, carbon tetrachloride, methyl chloroform, and HBFCs: Phase out by 1996 

Methyl bromide:     

Reduce by 25% by 1999 

Reduce by 50% by 2001  

Reduce by 70% by 2003  

Phase out by 2005 

HCFCs:    

Reduce by 35% by 2004  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 31 

Reduce by 65% by 2010  

Reduce by 90% by 2015  

Reduce by 99.5% by 2020 with 0.5% permitted for maintenance purposes only 

Phase out by 2030  

Compliance Assistant Program (CAP) 

CAP is a team of UNEP staff located in UNEP's regional offices (such as the Region of West Asia, ROWA). 

The CAP program is designed to:  

Speed up project implementation and the quality of services provided to developing countries to support 

compliance with the Montreal Protocol. 

Deliver compliance assistance directly to countries, in each respective region, on the ground and work 

closely with countries on an on‐going basis. 

Assist countries  to prioritize  their needs and project proposals  through direct  interaction with ozone 

officers 

Some of CAP’s planned activities of the phase‐out plan for the Multilateral Fund include: 

Providing direct technical and policy assistance to enable and sustain compliance.  

Assisting  Low‐Volume  ODS‐Consuming  countries  (LVCs).  This  assistance  will  include  Institutional 

Strengthening,  Country  Program  (CP)  and  Refrigerant  Management  Plans  (RMP)  update,  RMP 

implementation and other non‐investment support.  

For most of the LVCs, the refrigeration sector is the largest ODS consumption sector, and the successful 

implementation of these RMP activities will largely determine whether or not the countries meet the CFC 

compliance targets.  

Some of CAP’s planned activities of the phase‐out plan for the Multilateral Fund include: 

Providing direct technical and policy assistance to enable and sustain compliance.  

Assisting  Low‐Volume  ODS‐Consuming  countries  (LVCs).  This  assistance  will  include  Institutional 

Strengthening,  Country  Program  (CP)  and  Refrigerant  Management  Plans  (RMP)  update,  RMP 

implementation and other non‐investment support.  

For most of the LVCs, the refrigeration sector is the largest ODS consumption sector, and the successful 

implementation of these RMP activities will largely determine whether or not the countries meet the CFC 

compliance targets.  

Basel Convention on the Control of Transboundary Movements of Hazardous Wastes and 

Their Disposal (1989) (Reference: http://archive.basel.int/convention/basics.html) 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 32 

In the late 1980s, a tightening of environmental regulations in industrialized countries led to a dramatic 

rise in the cost of hazardous waste disposal. Searching for cheaper ways to get rid of the wastes, “toxic 

traders” began  shipping hazardous waste  to developing countries and  to Eastern Europe. When  this 

activity was revealed,  international outrage  led to the drafting and adoption of the Basel Convention. 

Examples of wastes include (clinical wastes from hospitals, pharmaceutical wastes, household wastes, 

waste resulting from surface treatment of metals and plastics, explosive and flammable wastes.)  

 

During its first Decade (1989‐1999), the Convention was principally devoted to setting up a framework 

for  controlling  the  “transboundary”  movements  of  hazardous  wastes,  that  is,  the  movement  of 

hazardous wastes across international frontiers. It also developed the criteria for “environmentally sound 

management”. A Control System, based on prior written notification, was also put into place. 

The Secretariat, in Geneva, Switzerland, facilitates the implementation of the Convention and related 

agreements. It also provides assistance and guidelines on legal and technical issues, gathers statistical 

data,  and  conducts  training  on  the  proper  management  of  hazardous  waste.  The  Secretariat  is 

administered by UNEP.  

Entry into force: 5 May 1992. 

Kuwait ratified the agreement on October 10th, 1993. 

Lebanon ratified the agreement on December 21st, 1994.  

Guidelines for the Convention’s activities during the next decade include: 

Active promotion and use of cleaner technologies and production methods;  

Further reduction of the movement of hazardous and other wastes;  

The prevention and monitoring of illegal traffic;  

Improvement  of  institutional  and  technical  capabilities  ‐through  technology  when  appropriate  ‐ 

especially for developing countries and countries with economies in transition;  

Further development of regional and sub regional centers for training and technology transfer. 

Kyoto Protocol on Climate Change (1997) (Reference: 

http://www.pic.int/TheConvention/Overview/History/tabid/1045/language/en‐US/Default.aspx) 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 33 

In  1992,  154 nations  joined  an  international  treaty,  the United Nations Framework Convention on 

Climate Change,  to begin  to consider what can be done  to  reduce global warming and  to cope with 

whatever temperature increases are inevitable. The treaty aimed at reducing emissions of greenhouse 

gases in order to combat global warming. Its stated objective was “to achieve stabilization of greenhouse 

gas concentrations in the atmosphere at a low enough level to prevent dangerous anthropogenic (man‐

made)  interference  with  the  climate  system”.  The  treaty,  originally,  set  no  mandatory  limits  on 

greenhouse  gas  emissions  and  contained  no  enforcement  provisions. However,  the  treaty  included 

provisions for update (called “protocols”) that would set mandatory emission limits. The principle update 

is the Kyoto Protocol, which has become much better known than the UNFCCC itself.  

The Kyoto Protocol came into force on February 16, 2005. A total of 156 countries ratified the agreement. 

According  to UNEP  press  release:  “The Kyoto  Protocol  is  an  agreement  under which  industrialized 

countries will reduce their collective emissions of greenhouse gases by 5.3% compared to the year 1990 

(but note that, compared to the emission levels that would be expected by 2010 without the Protocol, 

this target represents a 29% cut). The goal  is to  lower overall emissions  from six greenhouse gases – 

carbon dioxide, methane, nitrous oxide, sulfur hexafluoride, HFCs and PFCs – calculated as an average 

over the five‐year period of 2008‐12. National targets range from 8% reductions for the European Union 

and  some others  to  7%  for  the US, 6%  for  Japan, 0%  for Russia, and permitted  increases of 8%  for 

Australia and 10% for Iceland”. 

GHGs that fall under the Kyoto Protocol are: 

Carbon  dioxide  (CO2),  Methane  (CH4),  Nitrous  Oxide  (N2O),  Hydrofluorocarbons  (HFCs), 

Perfluorpcarbons (PFCs) and Sulphur hexafluoride (SF6). 

Sources of such GHGs: 

Fuel  combustion  (transport  sector, power plants…), mineral products,  chemical  industry,  agriculture 

(manure management, rice cultivation…)  

Developing countries have no  immediate restrictions under the UNFCCC  for several reasons. First, to 

avoid restriction on growth, since pollution  is strongly  linked to  industrial growth. Second, to prevent 

developing countries from selling emission credits to  industrialized countries to permit them to over‐

pollute. 

Kuwait ratified the UNFCCC agreement on December 28, 1994 and entered into force on March 28, 1995. 

Kuwait also  ratified  the Kyoto Protocol on March 11, 2005 and entered  into  force on June 9, 2005.  It 

signed as a non‐Annex I party, meaning, it does not fall under the restrictions of either the UNFCCC or 

the Kyoto Protocol agreements.  

Lebanon ratified the UNFCCC agreement on December 15, 1994 and entered  into force on March 15, 

1995. However, Lebanon has not yet ratified the Kyoto Protocol (UNFCCC 2006). 

Rotterdam Convention on the Prior Informed Consent Procedure for Certain Hazardous 

Chemicals and Pesticides in International Trade (PICs) (1998) (Reference: 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 34 

http://www.agriculture.gov.bb/agri/index.php?option=com_content&id=407:pesticides‐control‐board‐

knowledge‐centre&Itemid=99) 

The dramatic growth in chemical production and trade during the past three decades has raised concerns 

about  the  potential  risks  posed  by  hazardous  chemicals  and  pesticides.  Countries  lacking  adequate 

infrastructure to monitor the import and use of these chemicals are particularly vulnerable.   

The Rotterdam Convention is a multilateral environmental agreement designed to enable the world to 

monitor and control the trade in certain hazardous chemicals in order to protect human health and the 

environment  from  potential  harm  and  to  contribute  to  their  environmentally  sound  use.  It  is  not  a 

recommendation to ban the global trade or use of specific chemicals. It is rather an instrument to provide 

importing Parties with the power to make informed decisions on which chemicals they want to receive 

and to exclude those they cannot manage safely. The Convention covers the 22 hazardous pesticides and 

500 industrial chemicals. See handout for a list of the chemicals and pesticides. 

The Convention entered into force on 24 February 2004 and became legally binding for its 170 Parties. 

Kuwait signed the convention on September 11th, 1998. Lebanon has not yet signed the convention.  

The objectives of the Convention are: 

to promote  shared  responsibility and cooperative efforts among Parties  in  the  international  trade of 

certain hazardous chemicals in order to protect human health and the environment from potential harm; 

and  

to contribute to the environmentally sound use of those hazardous chemicals, by facilitating information 

exchange about their characteristics, by providing for a national decision‐making process on their import 

and export and by disseminating these decisions to Parties. 

The Convention promotes the exchange of information on a very broad range of chemicals. It does so 

through: 

the  requirement  for  a  Party  to  inform  other  Parties  of  each  national  ban  or  severe  restriction  of  a 

chemical;  

the possibility for Party which is a developing country or a country in transition to inform other Parties 

that it is experiencing problems caused by a severely hazardous pesticide formulation under conditions 

of use in its territory;  

the requirement for a Party that plans to export a chemical that is banned or severely restricted for use 

within  its  territory,  to  inform  the  importing  Party  that  such  export will  take  place,  before  the  first 

shipment and annually thereafter;  

the requirement for an exporting Party, when exporting chemicals that are to be used for occupational 

purposes, to ensure that an up‐to‐date safety data sheet is sent to the importer; and  

labeling  requirements  for  exports  of  chemicals  included  in  the  PIC  procedure,  as well  as  for  other 

chemicals that are banned or severely restricted in the exporting country.  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 35 

Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants (POPs) (2001) (Reference: 

http://www.chemsafetypro.com/Topics/Convention/Stockholm_Convention_on_Persistent_Organic_Pollu

tants_POPs.html) 

Persistent Organic Pollutants, (POPs), are chemicals that possess toxic properties, resist degradation, 

bioaccumulate  (accumulate  in  the  fatty  tissue of  living organisms), and are  transported,  through air, 

water  and migratory  species,  across  international  boundaries  and  deposited  far  from  their  place  of 

release, where  that accumulate  in  terrestrial and aquatic ecosystems. Some of  these  substances are 

pesticides, while  others  are  industrial  chemicals  or  unwanted  by‐products  of  industrial  processes  or 

combustion.  

Examples of POPs used  in daily  life  include: DDT, secondary copper, aluminum and zinc productions, 

open burning of waste, fossil fuel industrial burners, leaded gasoline motor vehicles, textile and leather 

dying, etc… (See handout for a complete list). 

Specific effects of POPs can  include cancer, allergies and hypersensitivity, damage to the central and 

peripheral nervous systems, reproductive disorders, and disruption of the immune system. Some POPs 

are also considered to be endocrine disrupters, which, by altering the hormonal system, can damage the 

reproductive and immune systems of exposed individuals as well as their offspring.  

The  Stockholm  Convention  is  a  global  treaty  to  protect  human  health  and  the  environment  from 

POPs.   POPs  circulate  globally  and  can  cause  damage  wherever  they  travel.   In  implementing  the 

Convention,  Governments will  take measures  to  eliminate  or  reduce  the  release  of  POPs  into  the 

environment. The convention has not yet come into force. 

The Convention on POPs is a major achievement that is complemented by a number of other chemicals‐

related global or regional Conventions, Agreements, and Action Plans, primarily the Basel “Convention 

on  the  Control  of  Transboundary  Movements  of  Hazardous  Wastes  and  their  Disposal,”  and  the 

Rotterdam “Convention on the Prior Informed Consent (PIC) Procedure for Certain Hazardous Chemicals 

and Pesticides in International Trade”. 

The  convention  focuses  initially  on  twelve  chemicals  that  can  be  grouped  into  the  following  three 

categories: 

Pesticides–aldrin,  chlordane, DDT,  dieldrin,  endrin,  heptachlor,  exachlorobenzene  (also  an  industrial 

chemical and unintended byproduct),  mirex and toxaphene. 

Industrial chemicals –  PCBs (also unintended by‐products). 

Unintended by‐products – dioxins and furans. 

Kuwait and Lebanon both signed the Stockholm convention on May 23, 2001.  

Because of the previously mentioned human practices, many environmental issues were observed. The 

most important ones were recorded to be the global warming and the green house effect. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 36 

The mentioned conventions and treaties played an important role in reducing the rate of spreading of 

these phenomena, but no one can deny that they exist and their effects are highly noticed. Also, their 

effects will be more serious if countries do not work together and obey the banning treaties to reduce 

the effect of the ODS. 

9. GLOBAL WARMING 

a. Definition: 

Earth like any other object absorbs part of the sun light and reflects the other part. The emission of some 

substances(ODS=CFC) in the atmosphere reduces the reflection ability of earth and created what have 

been called “The Green House Effect” or “The Global Warming”. 

The planet is warming, from North Pole to South Pole, and everywhere in between. Globally, the mercury 

is  already up more  than  1 degree  Fahrenheit  (0.8 degree Celsius),  and  even more  in  sensitive Polar 

Regions.  And  the  effects  of  rising  temperatures  aren’t  waiting  for  some  far‐flung  future.  They’re 

happening right now. Signs are appearing all over, and some of them are surprising. The heat is not only 

melting glaciers and sea ice, it’s also shifting precipitation patterns and setting animals on the move. 

 

b. Effects: 

Some impacts from increasing temperatures are already happening. (Reference: IPCC, 2007) 

Ice  is melting worldwide, especially  at  the Earth’s poles. This  includes mountain glaciers,  ice  sheets 

covering West Antarctica and Greenland, and Arctic sea ice. 

Researcher Bill Fraser has tracked the decline of the Adélie penguins on Antarctica, where their numbers 

have fallen from 32,000 breeding pairs to 11,000 in 30 years. 

Sea level rise became faster over the last century. 

Some butterflies, foxes, and alpine plants have moved farther north or to higher, cooler areas. 

Precipitation (rain and snowfall) has increased across the globe, on average. 

Spruce bark beetles have boomed  in Alaska  thanks  to 20 years of warm  summers. The  insects have 

chewed up 4 million acres of spruce trees. 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 37 

Other effects could happen later this century, if warming continues. 

Sea levels are expected to rise between 7 and 23 inches (18 and 59 centimeters) by the end of the century, 

and continued melting at the poles could add between 4 and 8 inches (10 to 20 centimeters). 

Hurricanes and other storms are likely to become stronger. 

Species that depend on one another may become out of sync. For example, plants could bloom earlier 

than their pollinating insects become active. 

Floods  and  droughts will  become more  common.  Rainfall  in  Ethiopia, where  droughts  are  already 

common, could decline by 10 percent over the next 50 years. 

Less fresh water will be available. If the Quelccaya ice cap in Peru continues to melt at its current rate, it 

will be gone by 2100, leaving thousands of people who rely on it for drinking water and electricity without 

a source of either. 

Some diseases will spread such as malaria carried by mosquitoes. 

Ecosystems will change—some species will move farther north or become more successful; others won’t 

be able to move and could become extinct. Wildlife research scientist Martyn Obbard has  found that 

since the mid‐1980s, with less ice on which to live and fish for food, polar bears have gotten considerably 

skinnier.  Polar bear biologist Ian Stirling has found a similar pattern in Hudson Bay.  He fears that if sea 

ice disappears, the polar bears will as well. 

c. Suggested Solutions (Reference: http://www.nrdc.org/globalwarming/solutions/) 

Use energy efficient products: Energy efficient products  like fluorescent bulbs go  long way  in saving 

energy and that too at low cost. Energy produced by electronic gadgets at home or industry are largest 

producer of global warming. Using energy efficient products has vast potential to save both energy and 

money, and can be deployed quickly. 

Phasing out fossil fuels: Burning of fossil fuels like wood or coal produce more carbon emissions than 

other product. Phasing out coal burning power plants and not burning  fossil  fuels directly will reduce 

dependence on fossil fuels. 

Switch off gadgets when not in use: Often when we go out, we forget to switch off fans, bulbs, gadgets 

when actually there is no use of them. These devices generate heat which in itself contributes to global 

warming. Switching off these devices will save electricity, lower down electricity bills and reduce global 

warming. 

Stop deforestation: Less trees means less absorption of greenhouse gases which are in itself responsible 

for more global warming. We can fight global warming by reducing deforestation and forest degradation. 

Managing forests and agriculture therefore should be the top priority to reduce carbon emissions. 

Use public transportation: Pollution from vehicles account for major portion of carbon emissions. Usage 

of  public  transportation,  carpooling  and  low  carbon  fuels  not  only  reduce  pollution  but  also  reduce 

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 38 

vehicular traffic on the road. In the long run, public transportation appears more cost friendly and doesn’t 

pinch the pocket. 

Explore renewable sources: Renewable sources like solar, wind, geothermal and bio‐energy create clean 

energy and have been  in use around  the world  for many years. These  technologies can be deployed 

quickly, are cost‐effective and create jobs for millions of people. 

Pushing for tough standards: Government should ensure that no subsidies, incentives or commitments 

are made to new coal‐fired plants unless they produce zero emissions. 

Developing  low  carbon  technologies:  Research  and  development  of  low  carbon  technologies will 

further help in reducing carbon emissions. 

Spreading word: Word of mouth is the best way to create awareness among the people to stop carbon 

emissions.  Presentations, meetings  and  discussions  over  global warming  provide  information  about 

viable  solutions  to  global warming,  and  reinforcing  the  economic  benefits  available  throughout  the 

Midwest from the development of renewable energy and energy efficiency. 

Global warming and the ozone hole 

The ozone hole is different from global warming, yet there are links between them.  As global warming 

effect increases, higher up the atmosphere cools, thus increasing the area where stratospheric clouds can 

form, making a larger area susceptible to ozone depletion. 

10. OZONE DEPLETION PHENOMENON: 

a. Definition:  

Ozone depletion is the phenomena that occur when destruction of the stratospheric 

ozone is more than the production of the molecule. The scientists have observed 

reduction in stratospheric ozone since early 1970s. It is found to be more prominent in 

Polar Regions. Following is the set of chemical equations describing Ozone Depletion:  

CFCl3 + UV Light  CFCl2 + Cl 

Cl + O3  ClO + O2 

ClO + O  Cl + O2 

The free chlorine atom is then free to attack another ozone molecule: 

Cl + O3  ClO + O2 

ClO + O  Cl + O2 

And again... for  thousands of times. 

Ozone depletion potential (ODP) 

ODP is determined by the number of Cl or Br atoms and the atmospheric lifetime  

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 39 

ODP is defined as follows: 

 

Measurement of Ozone Concentration  

Fraction concentration:n

n

airofmoles

ozone of moles

airofmolecules

Ozone of moleculeC 3

3

O

O  

Particles per million: airofmoles10

ozone of moles

airofmolecules10

Ozone of moleculeC

66O3  

Where  Ozoneppmairmoles

ozonemole

airofmole

Ozoneofmoles 1

10

1

1

106

6

 

Grams of Ozone/m³ air:  O3o

O

air

33O3 C

TR

ρM

V

O of Mass)(g/mC 3  

Dobson Units: An instrument reporting the number of   ozone molecules occupying the earth’s surface 

to the top of the stratosphere.  

1DU = 0.01 mm thickness of pure ozone at 0°C and 1 atm.  

Polar Regions (spring): Ozone concentrations=500 DU  

Equator: Ozone concentrations <250 DU. 

Atypical value for ozone in a vertical column is 300 DU, i.e. a 3mm thick ozone layer at the Earth's surface.  

b. Effects  

Increased Skin Cancers: Basal and squamous cell skin cancers and malignant melanoma (Less Certain) 

Suppression of Human Immune Response System 

Damage to Eyes: The cornea, conjunctiva, the lens, and the retina, Photokeratosis or “snow blindness”, 

Cataracts 

Premature aging of the skin  

Damage to Plants  

2/3 of the plants displayed some degree of UV sensitivity 

Reduce leaf size and limit the area available for energy capture 

Damage to marine organisms  

11

CFCofmassunitaofemissionstodueozonetotalinLoss

compoundaofmassunitaofemmisionstodueozonetotalinLossODP

  MODULE 1 NOTES: REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING INDUSTRY, EVOLUTION OF REFRIGERANTS AND ENVIRONMENTAL IMPACTS . 40 

Phytoplankton photosynthesis declines by as much as 8.5% i.e., less food for animals 

16 % ozone depletion could result in further losses in Phytoplankton, i.e., loss of 7 million tons of fish per 

year 

Change the composition of living organic materials 

c. Suggested Solutions: (Reference: www.greendiary.com) 

Limit private vehicle driving: A very easy way to control ozone depletion would be to limit or reduce the 

amount of driving as vehicular emissions eventually result in smog which is a culprit in the deterioration 

of the ozone layer. Carpooling, taking public transport, walking, using a bicycle would limit the usage of 

individual  transportation.  It would be a great option  to  switch  to  cars/vehicles  that have a hybrid or 

electric zero‐emission engine. 

Use eco‐friendly household cleaning products: Usage of eco‐friendly and natural cleaning products for 

household chores  is a great way  to prevent ozone depletion. This  is because many of  these cleaning 

agents contain  toxic chemicals  that  interfere with  the ozone  layer. A  lot of supermarkets and health 

stores sell cleaning products that are toxic‐free and made out of natural ingredients. 

Avoid using pesticides: Pesticides are harmful for the ozone layer. The best solution for this would be to 

try using natural remedies, rather than heading out for pesticides.  

Developing stringent regulations for rocket launches: The world is progressing in scientific discoveries 

by leaps and bounds. A lot of rocket launches are happening the world over without consideration of the 

fact that it can damage the ozone layer if it is not regulated soon. A study shows that the harm caused 

by rocket launches would outpace the harm caused due to CFCs. At present, the global rocket launches 

do not contribute hugely to ozone layer depletion, but over the course of time, due to the advancement 

of the space industry, it will become a major contributor to ozone depletion. All types of rocket engines 

result in combustion by products that are ozone‐destroying compounds that are expelled directly in the 

middle and upper stratosphere layer – near the ozone layer. In order to ensure proper work and coherent 

implementation of the environmental dimension of sustainable, an authority must be present to control 

this procedure and serve as an authoritative advocate for the global environment. This authority is the 

United  Nations  Environment  Programme  (UNEP).  The  following  part  is  an  introduction  to  this 

environmental organization. 

Banning the use of dangerous nitrous oxide: Due to the worldwide alarm caused by a study in the late 

70s  about  the  alarming  rate  at which  the  ozone was  being  depleted,  nations  around  the  globe  got 

together and formed the Montreal Protocol in the year 1989 with a strong aim to stop the usage of CFCs. 

However, the protocol did not include nitrous oxide which is the most fatal chemical that can destroy the 

ozone layer and is still in use. Governments across the world should take a strong stand for banning the 

use of this harmful compound to save the ozone layer. 

Developing stringent regulations for rocket launches: all types of rocket engines result in combustion by 

products  that  are  ozone‐destroying  compounds  that  are  expelled  directly  in  the middle  and  upper 

stratosphere layer.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 1 

 

   

MODULE 2. NOTES 3.5 WEEKS 

ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR 

DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 2 

INTRODUCTION: (Reference: IPCC/TEAP Special Report: Safeguarding the Ozone Layer and the 

Global Climate System) 

The availability and application of  refrigeration technology  is critical to a society’s standard of  living. 

Preservation throughout the food chain and medical applications are examples of key contributors to 

quality of  life.  Integrated  energy  consumption  information  is  not  available, but  this  largest demand 

sector for refrigerants is estimated to use about 9% of world power generation capacity (Bertoldi, 2003; 

EC, 2003; ECCJ, 2004; EIA, 2004; ERI, 2003). This  consumption of global power‐generation  capacity 

means  that  the  relative  energy  efficiency  of  alternatives  can  have  a  significant  impact  on  indirect 

greenhouse‐gas (GHG) emissions. Refrigeration applications vary widely in size and temperature level. 

Sizes range from domestic refrigerators requiring 60−140 W of electrical power and containing 40−180 g 

of refrigerant, to industrial and cold storage refrigeration systems with power requirements up to several 

megawatts and containing thousands of kilograms of refrigerant. Refrigeration temperature levels range 

from  –70°C  to  15°C.  Nearly  all  current  applications  use  compression‐compression  refrigeration 

technology. The potential market size for this equipment may approach US$ 100,000 million annually. 

This diversity has resulted in unique optimization efforts over the decades, which has resulted in solutions 

optimized for different applications. Also, lubrication technology is considered an important one in the 

vapor compression systems. The oil must provide good, material compatibility and have high thermal 

stability properties. 

1. TYPES OF REFRIGERATION SYSTEMS: (Reference:RTOC‐Assessment‐Report‐2014) 

a. Domestic appliances 

b. Air to air air conditioners and heat pumps(Small, Self‐Contained Air Conditioners, Non‐Ducted 

(or Duct‐Free) Split Residential Air Conditioners, Ducted, Split Residential Air Conditioners, 

Ducted, Commercial, Split and Packaged Air Conditioners,  

c. Water Heating Heat Pumps(Heat Pump Water Heaters, Space Heating Heat Pumps, Combined 

Space and Hot Water Heat Pumps 

d. Commercial Refrigeration( standalone equipment, condensing units) 

e. Industrial systems(food processing, cold storage, Industrial Cooling in Buildings, Power Plant 

and IT Centers, district cooling, Industrial Heat Pumps And Heat Recovery, leisure,  

f. Transport refrigeration(container transport, sea transport and fishing vessels, road transport, 

railway transport, air transport,  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 3 

g. chillers (Mechanical Vapor Compression Chillers, absorption chillers,= 

h. Vehicle Air Conditioning(Stop & Start and Hybrid Vehicles, Plug‐In Hybrids and Battery‐Driven 

Electric Vehicles 

a. Domestic: 

Domestic refrigerators and freezers are used for food storage in dwelling units and in non‐commercial 

areas  such  as offices  throughout  the world. More  than 80,000,000 units are produced annually with 

internal  storage  capacities  ranging  from  20  L  to  greater  than  850  L.  Life  style  and  food  supply 

infrastructures  strongly  influence  consumer  selection  criteria,  resulting  in  widely  differing  product 

configurations  between  different  global  regions. Products  are  unitary  factory  assemblies  employing 

hermetically‐sealed, compression refrigeration systems. These typically contain 50−250 g of refrigerant. 

 

b. Air to Air: 

Small self‐contained air conditioners 

Small Self‐Contained  (SSC)  air  conditioners  are  small  capacity  units  in which  all of  the  refrigeration 

system  components  are  contained within  a  single  package.  These  products  have  cooling  capacities 

typically ranging from 1.0 kW to 10 kW  (having an average size of 2.7 kW). This category of products 

includes the following common configurations:  

Window Mounted Room Air Conditioner,  

Through‐the‐Wall Air Conditioner 

Portable Air Conditioner  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 4 

Packaged Terminal Air Conditioner (PTAC). 

Small self‐contained air conditioners are designed to heat or cool single spaces, such as bed‐rooms, small 

shops, restaurants and offices. Small self‐contained air conditioners, because of their size and relatively 

low cost, have often been the first individual comfort electrically driven vapour‐compression systems to 

appear  in emerging air conditioning markets. However, duct‐free, split type room air conditioners are 

being selected more frequently as the first comfort air conditioning option in most countries resulting in 

a global decline in the demand for window mounted and through‐the‐wall air conditioners.  

These systems have average refrigerant charge levels of approximately 0.25 kg per kW of cooling capacity, 

for example, 0.75 kg of HCFC‐22. The majority use hermetic  rotary  compressors, with  the  remainder 

employing reciprocating or scroll compressors. 

Most small self‐contained air conditioners historically used HCFC‐22. As non‐ODP refrigerants have been 

applied to these products‐the majority have used HFC blends, R‐407C and R‐410A. A small proportion of 

units are using HC‐290. 

Globally there are about 17 million SSC air conditioners currently produced (Gloёl, 2014). With service 

lives over 10 years, it is estimated that more than 170 million SSC air conditioners remain in operation 

globally. 

Split (Non‐Ducted) Residential and Commercial Air Conditioners 

In many parts of the world, residential and  light commercial air‐conditioning  is done with non‐ducted 

split  air  conditioners. Non‐ducted  split  air  conditioners  are widely  applied  in  commercial  buildings, 

schools, apartments and freestanding residences and range in capacity from 2.0 kW to 20 kW (average 

size of 3.8 kW).  

 

They comprise a compressor/heat exchanger unit  (condensing unit)  installed outside  the space  to be 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 5 

cooled or heated. The outdoor unit is connected via refrigerant piping to a fan‐coil unit located inside the 

conditioned space, generally on the wall but also can be ceiling or floor mounted designs. Single splits 

often position the expansion device also within the condensing/outdoor unit. Compressors are typically 

hermetic  rotary,  scroll  or  reciprocating  type;  high  energy  saving  potential  comes  from  introducing 

inverter technology and technology is currently used in about half of new units.  

Reversible air conditioners (heat pumps) are gaining market acceptance in cool and cold climates where 

they are used primarily for heating but also provide cooling during summer operation. These units are 

designed to provide high efficiency and capacity at low ambient temperatures; typically down to ‐30°C. 

Reversible air conditioners can reduce indirect CO2 emissions by providing an efficient and cost effective 

alternative to electric resistance and fossil fuel heating. Heat pumps designed for cold climates utilize 

one or more technologies to improve their low ambient performance. These technologies include, multi‐

stage or variable speed compression, larger heat exchangers and enhanced control strategies.  

The vast majority of mini‐split residential and commercial air conditioners manufactured prior to 2000 

used  HCFC‐22  refrigerant.  Mini‐split  air  conditioners  have  average  HCFC‐22  charge  levels  of 

approximately 0.25 to 0.30 kg per kW of cooling capacity. The majority of non‐ODP refrigerants that have 

been applied to these products are HFC blends such as R‐410A and R‐407C, whilst HFC‐134a has been 

more dominant in regions that experience high ambient conditions. The current global market for these 

types of split systems is around 80 million units per year (Gloёl et al, 2014).  

Multi‐Split Air Conditioners for Commercial and Residential  

A second type of products are multi‐split; essentially the same as a single split (as described above) but a 

single condensing unit may feed two or more indoor units, although 50 indoor units can be used with 1 

km of piping. Whilst dual indoor unit models may be used for residential applications, this category of 

split systems is more often used in commercial buildings. Specific refrigerant charges tend from around 

0.3 kg/kW upwards, depending upon the installation characteristics. As with single splits, non‐ducted and 

ducted multi‐splits also offer reversible (heating) options.  

Variable Refrigerant Flow (VRF) systems are a sub‐category of the multi‐split air conditioning systems 

and are distinguished from regular multi‐split systems by their ability to modulate the refrigerant flow in 

response  to  the system demand. The outdoor air conditioning unit can adjust  the  refrigerant  flow  in 

response  to  the  demand  from  each  indoor  unit.  In  some  configurations,  these  systems  can  have 

independent  cooling or heating  functionality  for each  indoor unit  thus  simultaneously heat and  cool 

separate indoor spaces. The outdoor unit modulates the total refrigerant flow using various compressor 

capacity  control methodologies,  with  compressor  types  generally  being  rotary  or  scroll  type.  VRF 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 6 

systems have capacities ranging from 10 kW to over 150 kW. Although systems produced before 2000 

tended to use HCFC‐22, there has since been a growing increase in the use of R‐407C and R‐410A even in 

Article 5 countries, with typical charge levels of 0.30 – 0.70 kg/kW of cooling.  

Cooling capacities range from about 4 kW to about 150 kW, with an average (module) capacity of 20 kW 

(noting  that modules  are  often multiplexed  to  provide  greater  capacities). Approximately  1 million 

systems are produced each year (Gloёl et al, 2014).  

Split Ducted Air Conditioners (Residential and Commercial) 

Ducted,  split  residential  air  conditioners  are  typically used where  central  forced‐air heating  systems 

necessitate the installation of a duct system that supplies air to each room of a residence or small zones 

within commercial or institutional buildings. A condensing unit (compressor/heat exchanger), outside the 

conditioned space, supplies refrigerant to one or more indoor coils (heat exchangers) installed within the 

duct system or air handler. Air in the conditioned space is cooled or heated by passing over the coil and 

is distributed  to  the conditioned spaces by  the duct system. Systems can  in principle be designed as 

reversible  types,  although  for  this  category  of  ducted  air  conditioners  it  is  done  less  frequently. 

Compressor  types  typically  include  hermetic  rotary,  reciprocating  and  scrolls.  The  most  common 

refrigerant in these systems was HCFC‐22 until the period 2005 – 2010, although over the past few years 

the majority has transferred to R‐410A and R‐407C. For residential systems, capacities range from 5 kW 

to 17.5 kW (average size around 10 kW) and each has an average HCFC‐22 charge of 0.26 to 0.35 kg per 

kW of capacity. For commercial systems, capacities range from 7 to 750 kW with a current annual output 

of about 10 million units (Gloёl et al, 2014).  

Ducted Commercial Packaged (Self‐Contained) Air Conditioners 

Ducted  commercial packaged  air  conditioners and heat pumps are  single  self‐contained units which 

comprise an integral fan and heat exchanger assembly which is connected by means of ducting to the air 

distribution system of the commercial structure. The other part of the package  is the condensing unit, 

normally with  an  air  cooled  condenser  and  compressors, which  are  often  hermetic  scrolls,  although 

hermetic and semi‐hermetic reciprocating and screw machines are sometimes employed. 

The majority of ducted commercial packaged air conditioners and heat pumps are mounted on the roof 

or outside on the ground of offices, shops, restaurants or institutional facilities. Multiple units containing 

one or more compressors are often used to condition the enclosed space of low‐rise shopping centres, 

shops, schools or other moderate size commercial structures. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 7 

They  are offered  in  a wide  range of  capacities  from  around  7  kW  to over  700  kW  and have  specific 

refrigerant charges of around 0.3 to 0.5 kg per kW of cooling capacity. Most ducted systems historically 

used HCFC‐22, whilst  in non‐Article 5 countries R‐410A  is mainly used and to a  lesser extent R‐407C, 

which  is used more  frequently  in  regions with higher ambient conditions. Annual market  is currently 

about 1 million units (Gloёl et al, 2014). 

c. Water Heating 

Vapour‐Compression Cycle, Heat‐Pump Water Heaters 

Almost all heat pumps work on  the principle of  the  vapour  compression  cycle. Heating‐only,  space‐

heating heat pumps are manufactured in a variety of sizes ranging from 1 kW heating capacity for single 

room units, to 50−1000 kW for commercial/ institutional applications, and tens of MW for district heating 

plants. Most small to medium‐sized capacity heat pumps  in buildings are standardized  factory‐made 

units. Large heat pump installations usually are custom‐made and are assembled at the site. 

In  several countries water heating  for  swimming pools  is provided by heat pumps. This  is a growing 

market for heat pumps. 

 

Heat sources  include outdoor, exhaust and ventilation air, sea and  lake water, sewage water, ground 

water, earth, industrial wastewater and process waste heat. Air‐source and ground‐coupled heat pumps 

dominate the market. For environmental reasons, many countries discourage the use of ground water 

from wells as a heat pump source (ground subsidence, higher‐value uses for well water). In countries with 

cold climates such as in northern Europe, some heat pumps are used for heating only. In countries with 

warmer climates, heat pumps serve hydronic systems with fan coils provide heat in the winter and cooling 

in the summer. Heat pumps with dual functions, such as heating water and cooling air simultaneously, 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 8 

are also available. In mature markets, such as Sweden, heat pumps have a significant market share as 

heating systems  for new buildings and are entering  into  retrofit markets as well.  In Europe, comfort 

heating dominates heat pump markets − mostly with hydronic systems using outside air or the ground. 

There  is  increasing use of heat pumps that recover a portion of exhaust heat  in ventilation air to heat 

incoming  air  in  balanced  systems.  This  reduces  the  thermal  load  compared  to  having  to  heat  the 

incoming air with primary fuel or electricity. Heat pumps in Germany and 

Sweden provide up to 85% of the annual heating in some buildings. For these buildings, supplementary 

heat is required only on the coldest days. 

Heat pumps have up to a 95% share of heating systems in new buildings in Sweden. This is due to the 

initial development support and subsidies from the government that made the units reliable and popular, 

high electricity  and gas prices, widespread use of hydronic heating  systems,  and  rating  as  a  ‘green’ 

heating system by consumers (IEA, 2003a). hot water heating are used in some European countries. Most 

of  the  combined  systems  on  the  market  alternate  between  space  and  water  heating,  but  units 

simultaneously serving both uses are being introduced (IEA, 2004). 

The heat pumps for comfort heating have capacities up to 25 kW. Supply temperatures are 35−45oC for 

comfort heat  in new constructions and 55o−65oC  for  retrofits. Regulations  in a number of European 

countries require domestic water heaters to produce supply temperatures of 60−65oC. Small capacity 

(10−30 kW) air‐to‐water heat pump chillers for residential and light commercial use in combination with 

fan‐coil units are popular  in China as well as  Italy, Spain, and other southern‐European countries. Hot 

water delivery temperatures are in the 45−55oC range. In the future, the market growth of small air‐to‐

water heat pumps may be slowed  in some markets by the growing popularity of variable‐refrigerant‐ 

flow systems combined with multiple,  indoor  fan coil units connected  to a  refrigerant  loop  for direct 

refrigerant‐to‐air heat transfer. 

In Japan, heat pump chillers are mainly for commercial applications above 70 kW. Commercial size heat 

pump chillers of up to 700 or 1000 kW capacity are used for retrofit, replacing old chillers and boilers to 

vacate machine room space and eliminate cooling towers (JARN, 2002b). 

Night‐time electricity rates  in Japan are only 25% of daytime rates. As a consequence, domestic hot‐

water heat pumps are a rapidly‐growing market. They are operated only at night and the hot water is 

stored for daytime use. Germany and Austria have been installing dedicated domestic hot water (DHW) 

heat pumps for a number of years (IEA, 2004). 

Absorption Heat Pumps 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 9 

Absorption  heat  pumps  for  space  heating  are  mostly  gas‐fired  and  commonly  provide  cooling 

simultaneously with heating. Most of the systems use water and lithium bromide as the working pair, 

and can achieve about 100oC output temperature. Absorption heat pumps for the heating of residential 

buildings are rare.  

d. Commercial: 

Commercial Refrigeration is the part of the cold chain comprising equipment used by retail outlets for 

preparing, holding and displaying frozen and fresh food and beverages for customer purchase. 

For commercial systems, two levels of temperature (medium temperature for preservation of fresh food 

and  low  temperature  for  frozen products) may  imply the use of different  refrigerants. Chilled  food  is 

maintained in the range 1°C−14°C but the evaporating temperature for the equipment varies between –

15 °C and 5 °C dependent upon several factors: the type of product, the type of display case (closed or 

open) and the type of system  (direct or  indirect). Frozen products are kept at different temperatures 

(from –12 °C to –18 °C) depending on the country. Ice cream is kept at –18 to –20 °C. Usual evaporating 

temperatures  are  in  the  range  of  −30  to  –40  °C. On  a  global  basis,  commercial  refrigeration  is  the 

refrigeration  subsector with  the  largest  refrigerant  emissions  calculated  as  CO2  equivalents.  These 

represent 40% of the total annual refrigerant emissions. Annual  leakage rates higher than 30% of the 

system refrigerant charge are found when performing a top‐down estimate (Clodic and Palandre, 2004; 

Palandre et al., 2004). This means that in an environment with an average energy mix, the refrigerant 

emissions might represent 60% of the total emissions of GHG resulting from system operation, the rest 

being indirect emissions caused by power production. This indicates how important emission reductions 

from this sector are. 

Stand‐alone equipment consists of systems where all the components are integrated: ice cream freezers, 

beverage vending machines and all kinds of standalone display cases. This equipment is installed in small 

shops, train stations, schools, supermarkets and corporate buildings. Annual growth  is significant. All 

types of stand‐alone equipment are used intensively in industrialized countries and are the main form of 

commercial refrigeration in many developing countries. These systems tend to be less energy efficient 

per kW cooling power than the full supermarket systems described below. A main drawback to stand‐

alone units is the heat rejected to ambient air when placed indoors. Therefore, the heat must be removed 

by the building air conditioning system when there is no heating requirement. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 10 

 

Condensing units are used with small commercial equipment. They comprise one or two compressors, a 

condenser and a receiver which are normally located external to the sales area. The cooling equipment 

includes  one  or more  display  cases  in  the  sales  area  and/or  a  small  cold  room  for  food  storage. 

Condensing units are installed in specialized shops such as bakeries, butchers and convenience stores in 

industrialized countries, whilst in developing countries a typical application is the larger food retailers. 

 

Full supermarket systems can be categorized by whether refrigerant evaporation occurs in the coolers, or 

whether a low temperature secondary heat transfer fluid (HTF) that is cooled centrally is circulated in a 

closed loop to the display cabinets and cold stores. The first type is termed ‘direct expansion’ or direct 

system and the second type is termed indirect system. 

Direct systems have one less thermal resistance and no separate fluid pumping equipment, which gives 

them an inherent efficiency and cost advantage. The HTF circulated in an indirect system normally gains 

sensible heat, but may gain latent heat in the case of ice slurry or a volatile fluid like CO2. Many different 

designs of full supermarket systems can be found.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 11 

Centralized systems consist of a central plant  in the form of a series of compressors and condenser(s) 

located  in a machinery  room or an outside  location. This provides  refrigerant  liquid or an HTF at  the 

correct temperature levels to cabinets and cold stores in other parts of the building. Each rack of multiple 

compressors is usually associated with a single air‐cooled condenser. Specific racks are dedicated to low‐

temperature or medium‐temperature evaporators. The quantity of refrigerant is related to the system 

design, refrigerating capacity and refrigerant choice varies. The centralized systems can be either direct 

or  indirect  systems.  Centralized  direct  systems  constitute  by  far  the  largest  category  in  use  in 

supermarkets today. The size can vary from refrigerating capacities of about 20 kW to more than 1 MW. 

The centralized concept is flexible in order to utilize heat recovery when needed (Arias, 2002). 

 

Distributed Systems are characterized by having smaller compressors and condensers close to or within 

the  coolers,  so  that many  sets of  compressor/condenser units  are distributed  around  the  store. The 

compressors can be installed within the sales area with remote condensers. When they are installed as 

small packs with roof‐mounted, air‐cooled condensers, or as small packs adjacent to the sales area  in 

conjunction with remote air‐cooled condensers they are sometimes referred to as Close Coupled Systems. 

The quantity of such units could range from just a few to upwards of 50 for a large supermarket. They are 

direct systems, but when installed inside the building that may employ a HTF, usually water, for collecting 

heat from the different units. 

Hybrid  systems cover a  range of possibilities where  there  is a  combination of  types. An example  is a 

variation of the distributed system approach, where low‐temperature cabinets and cold stores comprise 

individual water‐cooled condensing units, which are supplied by the medium‐temperature HTF. Thus, in 

the  indirect medium  temperature section,  the  refrigerant charge  is  isolated mainly  to  the machinery 

room, whilst an HTF is circulated throughout the sales and storage areas at this temperature level. 

In  some  countries,  indirect,  close‐coupled,  distributed  and  hybrid  systems  have  been  employed  in 

increasing  number  in  recent  years  because  they  offer  the  opportunity  of  a  significant  reduction  in 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 12 

refrigerant charge. Additionally, with  indirect systems  the  refrigerant charge  is normally  located  in a 

controlled area, enabling the use of low‐GWP refrigerants that are flammable and/or have higher toxicity. 

This approach has been adopted in certain European countries due to regulatory constraints on HCFCs 

and HFCs (Lundqvist, 2000). A review of possible system solutions  is provided by Arias and Lundqvist 

(1999 and 2001). The close‐coupled systems offer the advantages of low charge, multiple compressors 

and circuits for part load efficiency and redundancy, as well as the efficiency advantage of a direct system 

(Hundy, 1998). 

e. Industrial: 

Food processing 

Refrigeration is used for chilling and freezing food during processing, in order to prolong shelf life, but it 

can also be used to make handling or processing easier. For example hams are temporarily  frozen to 

enable them to be sliced more thinly. Chilling also plays a part  in the pasteurizing process where the 

product  is  rapidly  cooled  after  heat  treatment  to minimize  spoilage. A wide  variety  of  chilling  and 

freezing techniques are used, including immersion in liquid, air blast freezing in batches or in a continuous 

process and contact freezing on tables or in blocks between metal plates. The choice of process depends 

on the form that the product takes, whether it is wrapped or unwrapped, robust or fragile, processed or 

raw. Some fruits and vegetables such as potatoes, apples and most soft fruit are notoriously difficult to 

freeze  as  the expansion of water destroys  the  cell walls,  leading  to mushiness when  thawed. Other 

produce, such as peas, corn and beans, can be frozen in very small pieces using a fluidized bed of air to 

allow each individual piece to freeze without agglomerating. 

There  is a negative public perception of frozen food, which  is that thawed food will always be  inferior 

quality to fresh. In fact if good quality food is frozen professionally immediately after harvest, catch or 

cooking  it should offer  increased shelf  life and superior quality when thawed. Spoilage rates could be 

substantially  reduced  if  a  greater  proportion  of  food  were  frozen  before  shipment.  If  the  public 

perception of  frozen  food  is  improved  then  there could be a  significant  increase  in  this sector of  the 

market. Freezing food requires a lot of heat transfer compared to storage, so refrigeration systems are 

large capacity and require a large power input although the freezing chamber may be physically quite 

small. There is a trade‐off between the time required to complete freezing and the operating efficiency. 

Running the system at very low temperature is less efficient but results in a shorter freezing time 

Some food processes require careful control of humidity and temperature to ensure product quality and 

in these cases a cooling system  is not enough. Examples  include bakeries producing cakes and bread, 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 13 

fruit and vegetable storage and fruit ripening. The rate of fruit ripening is controlled by maintaining low 

ethylene levels in the atmosphere through the use of high rates of ventilation with fresh air. In periods of 

high ambient  temperature  the cooling  load  for  the  incoming air can be substantially higher  than  the 

product cooling load. Failure of the cooling system would cause the product to ripen too quickly resulting 

in a  large  loss of product value before  it reached the point of sale.  In some cases the air‐conditioning 

system  is  connected  to  a  central  plant  cooling  system  using R‐717  or HFCs  but  in  others  a  custom 

designed stand‐alone system in an air‐handling unit serves the humidity control requirement. 

Cold storage 

Cold  storage  facilities usually operate at  two  temperature  levels,  frozen  (well below 0oC) and chilled 

(above 0oC). Frozen produce must be stored below ‐18oC, and it is usual to maintain the store between ‐

22oC and  ‐26oC  to provide a  factor of safety  in  the event of major equipment  failure. Some products 

require lower temperatures, for example ice‐cream and similar produce is stored between ‐26oC and ‐

29oC, and some niche market products such as some types of sushi must be kept significantly colder, 

even down to ‐60oC, in order to retain product quality. Chilled produce is typically held between 0oC and 

4oC, although fruit, bakery products and vegetables are stored between 8oC and 12oC. Some stores offer 

long  term storage contracts,  in order  to stock produce until  it  is “out of season” and  therefore more 

valuable. Stock may be held for months in these warehouses. Other sites provide marshalling facilities in 

order to restock supermarkets on a daily basis; in these plants the product is not usually in the building 

for more than 24 hours. The cooling  load on such a building  is high because of the amount of traffic 

through  the  temperature  controlled  chambers,  although  product  load  is  typically  low  because  the 

residence time is not long enough for the air temperature to have any appreciable effect on the product. 

Industrial cooling in buildings, power plant and IT Centers  

Some production processes require tight control of the surrounding temperature, for example microchip 

production,  paint  spraying  or  injection  molding.  These  loads  are  relatively  constant  all  year,  and 

production output is affected if the chilling plant is inoperative, so both the reliability and the efficiency 

of the equipment are more  important than for office air conditioning. This can sometimes  lead to the 

specification of uniquely designed site‐constructed systems to deliver the cooling in order to provide the 

high  level of reliability required, or to achieve  lower energy use. Where heat  loads are too high to be 

handled by air‐ or water‐based cooling systems, for example in some high density data centres and other 

IT cooling applications, other fluids including R‐744 have been used in direct systems (Hutchins, 2005, 

Solemdal, 2014). Typical loads for these applications may be up to 2 kW per m2 in comparison to a typical 

office load of 40 W per m2. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 14 

The industrial cooling load is typically almost entirely “sensible” cooling – reducing the air temperature 

without reducing the moisture content, in contrast with a typical commercial air conditioning load which 

is likely to involve more dehumidification, or “latent” cooling. Latent cooling requires lower temperatures 

to bring the air to its dewpoint. If an industrial cooling load is 100% sensible cooling, or if the cooling can 

be split  into separate systems for sensible and  latent cooling, then the operating temperature for the 

sensible cooling can be raised, making the system more efficient. In these cases it may also be possible 

to use indirect evaporative cooling to reject some or the entire process heat load. 

There is a significant benefit in pre‐cooling the inlet air to gas‐fired turbines in higher ambient climates. 

For  example  reducing  the  air  inlet  temperature  from  40°C  to  8°C  will  increase  capacity  by  28% 

(Kohlenberger, 1995). These systems usually use large chillers with R‐22, R‐134a or R‐717, cooling glycol. 

District cooling 

In the Middle East since the 1990’s district cooling applications have become common with the rapid rate 

of economic development in the Gulf area. Those applications serve office complexes, shopping malls, 

airports and call centres (Sarraf, 2012). Because of the high ambient temperatures throughout most of 

the year, the uninterrupted operation of those systems  is “mission critical”. District cooling providers 

design multiple redundancies in their systems, since stoppage will necessitate vacating those premises 

incurring heavy fines on the operators.  

There is an estimated district cooling installed capacity of about 13.2 GW in the Middle East. The UAE 

have the largest share of this capacity at about 8.8 GW. Qatar is the second with the single largest district 

cooling plant with an  installed capacity of 420 MW. Saudi Arabia has about 400 MW district cooling 

capacity and is the fastest growing market. All those systems use vapour compression technology and 

predominantly HCFC and HFC refrigerants. In Egypt, with an estimated 350 MW total installed capacity 

of district  cooling,  natural  gas  fired  absorption  chillers  are mostly  used. Some  older district  cooling 

applications  in the  region still use CFC‐11 and CFC‐12 but  the majority of systems are now HCFC‐22, 

HCFC‐123 or HFC‐134a.  

In the Gulf Cooperation Council countries (GCC), the total cooling demand are expected to triple between 

2010  and  2030  (when  HCFC  are  phased‐out)  reaching  approximately  350  GW.  This  would  be  the 

equivalent  to 60% additional power generation  requirement  in  the  region  if  the same mix of cooling 

technologies were  used.  The  additional  power  generation  required  for  this mix would  consume  the 

equivalent of 1.5 million barrels of oil per day so discussions are undergoing to increase the use of district 

cooling  to  enable  electric power  peak  shaving  and  therefore  reduce oil  consumption  for generating 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 15 

electricity. The potential for district cooling in the GCC counties between 2010 and 2030 is over 100 GW, 

existing capacity in GCC countries is 11.7 GW, and thus an increase of about nine folds of existing capacity 

is expected. (Olama, 2012) 

District cooling systems are not restricted to the extreme tropical climate of the Middle East. Similar 

systems are installed in the United States serving business districts, hospitals and university campuses, 

and such systems are becoming more common in Scandinavia where the district heating network makes 

it easier to incorporate cooling into the existing infrastructure. Helsinki for example has a 120 MW district 

cooling system (Vartiainen, 2011), which is projected to grow to 280 MW by 2030. Several large systems 

have been installed in China, including steam‐driven absorption. Where absorption chillers are used the 

district cooling system can be integrated with a combined heat and power plant, using the excess heat 

from generators to drive the cooling system. In some coastal sites, for example in Hawaii and Mauritius, 

deep seawater is being considered for district cooling offering a significant reduction in demand on an 

electrical infrastructure which might already be overloaded. 

Industrial heat pumps and heat recovery 

Many industrial processes including brewing, dairies, food factories and chemical processes require large 

amounts of heat in addition to a cooling load. Even if the primary use of heat, for example for cooking 

food, cannot be achieved by heat pumps or recovery there may be many uses for lower grade heat, such 

as pre‐heating boiler feed water or heating wash water for the production area. When the application is 

collecting and redirecting waste heat from a refrigerating system  it  is called heat recovery. When  it  is 

performing a non‐productive chilling process on a source of heat, whether it is at ambient temperature 

or is the waste heat stream from another process such as a cooker flue, it is a heat pump. 

Large heat pumps have also been used for heating public buildings, for example in Gardermoen Airport, 

Norway (8100 kW heating capacity) and Akershus hospital, Norway (8000 kW heating capacity). These 

systems are custom‐designed, using R‐717 as the refrigerant (Stene, 2008). 

Even  larger  systems  are used  for district heating  systems, with many examples  in Scandinavia. The 

smallest  of  these  systems  are  about  5  000  kW.  Most  installations  use  HFC‐134a  in  centrifugal 

compressors, with some (up to 15 000 kW) using R‐717. The largest is in Stockholm, with a total capacity 

of 180 000 kW (180 MW) using HFC‐134a  in centrifugal compressors. This system takes heat from sea 

water to provide the thermal source; other similar installations have used waste water from the sewage 

system (Bailer, 2006). 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 16 

Steam‐fired absorption systems  (as described  in  section 5.3.6) can be used  to  raise condenser water 

temperature in power plants to provide heat to district heating networks and some industrial processes. 

Absorption can also be used to boost the temperature of a proportion of a medium temperature process 

stream by cooling the remainder of the stream. In this way a small part of a stream at 70°C could be raised 

to 120°C by cooling the rest of the stream and rejecting its heat to atmosphere at, say, 35°C. 

Leisure  

The principal use of refrigeration in the leisure market is for ice rinks, extended also to indoor ski‐slopes, 

ice climbing walls and other ice features. Many older ice rink systems used direct CFC‐12 or direct R‐717. 

To change to an  indirect system would require replacement of the  floor slab, which  is a considerable 

capital  expenditure.  Some  CFC‐12  systems  have  been  converted  to HCFC‐22  despite  the  increased 

pressure. Similarly some R‐717 systems in Central Europe have been converted to R‐744. A few very large 

systems have been installed for bobsled and luge runs, typically associated with winter Olympics. These 

systems usually use pumped R‐717. A recently installed cross‐country ski track in Finland used R‐744 for 

the track cooling, with circuits up to 1 km long. 

Process Refrigeration 

Cooling  is  used  in  a  wide  variety  of  process  applications.  The  cooling  can  be  applied  by  a  direct 

refrigeration system with a coil in the process tank, or a jacket around the outside of a chemical reactor 

vessel or storage tank. Alternatively, a secondary  fluid such as water, brine solution or glycol may be 

used.  In  these  cases  standard  chillers might  be  used,  although  there may  still  be  other  reasons  for 

requiring the chiller to be specially designed for the project, for example location of the equipment within 

a hazardous area. 

In refineries refrigeration is used to remove light hydrocarbons from the process stream. Such systems 

can be extremely  large and may use HCFC or HFC  in centrifugal chillers.  It  is also possible to use the 

feedstock, particularly ethylene or propylene as the refrigerant, either in a closed‐loop system or as part 

of the process flow. In very  large systems, the use of HFC‐134a enables centrifugal compressors to be 

used whereas ethylene typically requires screw compressors, which, at that size, are significantly more 

expensive. 

Some  specialist  processes  including  plastic  forming,  paper milling  and  precision machining  require 

multiple small capacity systems and are  typically constructed on site using HCFC or HFC. The use of 

multiple flexible hoses to connect to the moving parts of these machines presents a particular challenge 

due to high refrigerant leak rates. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 17 

Where processes produce high grade waste heat, for example flue gases from glass production, power 

stations, steel mills, incinerators or cement factories, the heat can be used to drive absorption chillers, 

either directly or by raising steam which is fed to the chiller. Such systems require to be tailored to the 

application to ensure that the heat production and cooling demand are well matched. 

The cooling of deep mines presents another challenge because the operating conditions are arduous and 

the available space  is severely constrained. Typical systems used centrifugal chillers underground. An 

alternative to the use of CFC‐12 or HCFC‐123 in centrifugal chillers was to produce cooling at the surface, 

either as cooled ventilation air or as chilled water or ice. However the depth to which surface cooling is 

effective  is  limited  and  for mines  deeper  than  about  2,000m  some  form  of  underground  cooling  is 

required to counter the effects of air compression and the power required to transport the cooling effect 

from  the  surface  to  the  workface.  There  is  currently  no  acceptable  alternative  to  HCFC‐123  for 

underground applications to a depth of up to 4,500m (Calm, 2011). Some of the new fluid blends currently 

under development for other applications may also be suitable for this application but it is unlikely that a 

fluid will be developed solely for this use 

f. Transport Refrigeration: (Reference: IPCC/TEAP Special Report: Safeguarding the Ozone Layer 

and the Global Climate System) 

The transport refrigeration subsector consists of refrigeration systems for transporting chilled or frozen 

goods. Typically the task of a transport refrigeration system is to keep the temperature constant during 

transport. The technical requirements for transport refrigeration units are more severe than for many 

other  applications  of  refrigeration.  The  equipment  has  to  operate  in  a  wide  range  of  ambient 

temperatures and under extremely variable weather conditions (sun radiation, rain, etc.); it also differing 

temperature requirements, and it must be robust and reliable in the often severe transport environment 

(IIR, 2003). 

Typical modes of transport are road, rail, air and sea. In addition, systems which are independent of a 

moving  carrier  are  also  used;  such  systems  are  generally  called  ‘intermodal’  and  can  be  found  as 

containers (combined sea‐land transport) as well as swap bodies (combined road and rail transport).  

The technology used  in transport refrigeration  is mainly the mechanically‐ or electrically‐driven vapor 

compression cycle using refrigerants such as CFC, HCFC, HFC, ammonia or carbon dioxide. In addition, a 

number  of  refrigeration  systems  are  based  on  using  substances  in  discontinuous  uses.  This  type  of 

equipment can be found as open uses with solid or liquid CO2, ice, or liquid nitrogen and in these cases 

the  refrigerant  is being  completely emitted  and  lost  after  removing  the heat  (Viegas, 2003). Closed 

systems such as eutectic plates (Cube et al., 1997) or flow‐ice, reuse the same substance (Paul, 1999). 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 18 

Such systems used to be very commonplace in transport refrigeration, and are still used on a significant 

scale. Some propose that their use should be increased in the future. All transport refrigeration systems 

need  to be compact and  lightweight, as well as highly  robust and sturdy so  that  they can withstand 

movements and accelerations during transportation. Despite these efforts, leaks within the refrigeration 

system occur due to vibrations, sudden shocks and so forth. The likelihood of leaks or ruptures is also 

greater than with stationary systems, due to a higher risk of collisions with other objects. Ensuring safe 

operation with all working fluids is essential, particularly in the case of ships where there are no options 

to evacuate  a  larger area  (SCANVAC, 2001). The  safety  is either  inherent  in  the  fluids or  is ensured 

through a number of technical measures (Stera, 1999). 

Container transport 

Refrigerated  containers  allow  uninterrupted  storage  during  transport  on  different  types  of mobile 

platforms, for example railways, road trucks and ships. The two main types of refrigerated containers are 

porthole containers and integral containers. 

Porthole  containers  are  the  older  of  the  two  concepts  and  are  insulated  containers with  two  front 

apertures and no builtin  refrigeration  systems. Some predict  that by 2006,  transport will have been 

completely converted to integral containers (Hochhaus, 2003; Wild, 2003). 

Integral refrigerated containers are systems which have their own small refrigeration unit of about 5 kW 

refrigeration  capacities on board. There were more  than 550,000 of  these  in 2000,  representing  the 

transport capacity of 715,000 20‐foot containers, and there numbers are set to strongly increase (UNEP, 

2003; Sinclair, 1999; Stera, 1999). The electrical power needed to drive the system is supplied from an 

external power supply via an electrical connection. These systems typically use HFC‐134a, R‐404A and 

HCFC‐22, and in some cases R‐407C (Wild, 2003). Newer systems generally have a more leak‐resistant 

design (Crombie, 1999; Stera, 1999; Yoshida et al., 2003; Wild, 2003). In 1998, when older design systems 

were prevalent, an average annual leakage rate of 20% of the charge of about 5 kg was assumed for a 

lifetime of 15 years (Kauffeld and Christensen, 1998). 

Sea transport and fishing vessels 

Virtually all of the 35,000 plus merchant ships worldwide larger than 500 gross tonnes (Hochhaus, 1998) 

have some on‐board refrigeration system. The majority of systems use HCFC‐22. In terms of technology 

and performance, chillers  for air conditioning or,  in case of naval vessels  for electronics and weapon 

system cooling, are similar to stationary systems. The following remarks and information relate to ship‐

bound  refrigeration  systems  essential  to  the  main  purpose  of  non‐naval  vessels,  namely  the 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 19 

transportation of perishable products, the chilling of fish and the like. Refrigerated transport vessels, also 

called reefers, provide transportation for perishable foodstuff at temperatures between –30°C and 16°C 

(Cube  et  al.,  1997).  It  is  estimated  that  there  are  around  1300  to  1400  reefer  vessels  in  operation 

(Hochhaus,  2002; Hochhaus,  1998),  a  number which  has  been  constant  for  quite  some  time  and  is 

expected to decrease. In 2001, it was reported that more than 95% of the refrigeration installations on 

these vessels use HCFC‐22 as a refrigerant (SCANVAC, 2001), although various HFCs such as HFC‐134a, 

R‐404A, R‐507 and R‐407C as well as ammonia are being used. About two‐thirds of the systems are direct 

systems with up to 5 tons of refrigerant per system and the remaining are indirect systems with a charge 

below 1  ton of  refrigerant  (UNEP, 2003). Estimates of current annual  leakage  rates based on known 

refrigerant consumption are 15−20% of the system charge (SCANVAC, 2001). 

Worldwide, there about 1.3 million decked and about 1.0 million undecked, powered fishing vessels. In 

2001, more than 21,500 fishing vessels over 100 gross tons were recorded (FAO, 2002), with a slightly 

decreasing trend. Vessels of that size are assumed to operate internationally and to be equipped with 

significant  refrigeration  equipment.  Within  a  wide  range,  the  average  larger  fishing  vessel  has  a 

refrigerant charge in the order of 2000 kg with 15−20% annual leakage rate. In 2001 more than 95% of 

such vessels in Europe used HCFC‐22 as the refrigerant (SCANVAC, 2001). It is assumed that 15% of the 

fleet have full size refrigeration systems, while the remaining fleet is assumed to be equipped with small 

refrigeration systems that have a filling mass of approximately 100 kg. 

Specialized  tankers are used  to  transport  liquefied gases,  in particular  liquefied petrol gas  (LPG) and 

liquefied natural gas (LNG). Medium and large LNG tankers transport LNG to be able to carry any one of 

a wide range of cargoes with mal pressure. The refrigeration effect needed for this type of transport is 

provided by evaporating the LNG, which is re‐condensed using specialized refrigeration units.  

Road transport 

Road transport refrigeration units, with the exception of refrigeration containers, are van, truck or trailer 

mounted systems. Some trailers are equipped to be mounted or have their main bodies mounted on 

railroad  systems;  these  are  so‐called  swapbodies.  In  a  number  of  uses  those  systems  are  of  the 

discontinuous type, using eutectic plates in closed systems (Cube et al., 1997) or liquid nitrogen, liquid 

carbon dioxide or solid carbon dioxide in open systems (UNEP, 2003). These systems are frequently used 

in local frozen food distribution, for example, delivery directly to the customer (Cube et al., 1997). Liquid 

nitrogen  for cooling purposes  is used by more  than 1000 vehicles  in  the UK. Liquid carbon dioxide  is 

reported to be used in 50 trucks in Sweden (UNEP, 2003). In general, the necessity for storage and filling 

logistics, the hazardous handling of very cold  liquids and solids and the energetically unfavorable  low 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 20 

temperature  storage  reduce  the  widespread  application  of  these  historically  frequently  used 

technologies. 

The predominant technology in road transport, covering virtually all of the remaining refrigerated road 

transport equipment, is the mechanical vapor compression cycle. Trailers usually have unitary equipment 

that consists of a diesel engine, compressor, condenser, engine radiator and evaporator with fans as well 

as refrigerant and controls. These systems are also used for swap bodies. Larger trucks often have similar 

equipment as trailers. However, as the truck size decreases an increasing proportion of systems have the 

compressor being driven by the drive engine (ASHRAE, 2002). Alternatively, some truck systems use a 

generator  coupled  with  the  truck  engine  to  generate  electricity,  which  is  then  used  to  drive  the 

compressor (Cube et al., 1997). 

In 1999,  it was estimated that  in North America alone 300,000 refrigerated trailers were  in use (Lang, 

1999).  For  the  15  countries of  the European Union  in 2000,  120,000  small  trucks,  vans  and eutectic 

systems with 2 kg refrigerant charge were estimated to be  in use, with 70,000 mid‐size trucks of 5 kg 

refrigerant  filling  and  90,000  trailers with  7.5  kg  refrigerant  filling  (Valentin,  1999).  The worldwide 

numbers in 2002 were estimated to total 1,200,000 units, with 30% trailer units, 40% independent truck 

units  and  30%  smaller units. The  annual  amount of  refrigerant needed  for  service  is  reported  to be 

20−25%  of  the  refrigerant  charge  (UNEP,  2003).  The  refrigerant  typically  chosen  is  HFC‐  134a  for 

applications  where  only  cooling  is  needed,  and  predominantly  R‐404A  and  R‐410A  for  freezing 

applications and general‐purpose refrigeration units (UNEP, 2003). 

Railway transport 

Refrigerated  railway  transport  is used  in North America, Europe, Asia and Australia. The  transport  is 

carried out by using either  refrigerated  railcars, or  refrigerated  containers or  swap bodies. Different 

technologies have been  used  in  the past: Solid CO2  as well  as  ice have been used  in discontinuous 

emissive systems to date (CTI, 2004). Mechanically‐driven refrigeration systems have also been used and 

are now the prime choice because of the typically  long duration of trips, which makes refilling of the 

emitted refrigerant in discontinuous emissive systems a challenge for both logistical and cost reasons. 

Mechanically driven systems are almost completely equipped with diesel engines to supply the necessary 

energy to the refrigeration unit. The existing fleets of railcars in Asia still seem to mostly operate on one‐

stage  (cooling) and two‐stage  (freezing  /combined use) CFC‐12 systems  (UNEP, 2003). The European 

railcars have been converted to HFC‐134a (Cube et al., 1997), and this has been facilitated by European 

regulations phasing out the use of CFCs (EC No 2037/2000 (Official Journal, 2000)).  In North America, 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 21 

existing older systems have been converted to HFC‐134a, while newer systems utilize HFC‐ 134a and R‐

404A (DuPont, 2004). 

The  lifetime  of  newer  rail  refrigeration  systems, which  are  often  easily  replaceable  units  originally 

developed for road transport and only adapted for rail use, is believed to be 8 to 10 years with a running 

time of 1000 to 1200 hours per annum (refrigeratedtrans.com, 2004). Older units specifically designed 

for rail use have a lifetime of typically 40 years and a refrigerant filling of approximately 15 kg (UNEP, 

2003). The annual leakage rate may be assumed to be at least similar to the leakage rate experienced in 

road transport that is 20−25% of the refrigerant charge (UNEP, 2003). 

Air transport 

In order to provide constant low temperature during the flight, containers to be loaded upon aircraft are 

provided with refrigeration systems. There are some battery powered mechanical refrigeration systems 

(Stera, 1999), but the total number of these is believed to be small. Other, more commonly used systems 

are discontinuous with solid carbon dioxide (Sinclair, 1999; ASHRAE, 2002), or ice (ASHRAE, 2002). As 

the amount of 

ODS replacement during use  is apparently very small, air transport will not be detailed further  in this 

report. 

g. Chillers 

Estimates and data about refrigerant use and equipment population, for the different types of chillers 

are presented below. 

Centrifugal Chillers 

Centrifugal chillers are manufactured in the United States, Asia, and Europe. Prior to 1993, these chillers 

were offered with CFC‐11, CFC‐12, R‐500, and HCFC‐22  refrigerants. Of  these, CFC‐11 was  the most 

common. With  the  implementation  of  the Montreal  Protocol,  production  of  chillers  using  CFCs  or 

refrigerants containing CFCs (such as R‐500) essentially ended in 1993. Centrifugal chillers using HCFC‐

22 rarely were produced after the late 1990s. The refrigerant alternatives for CFC‐11 and CFC‐12 or R‐500 

are HCFC‐123 and HFC‐134a, respectively. These refrigerants began to be used in centrifugal chillers in 

1993 and continue to be used in 2004 in new production chillers. 

Chillers  employing  HCFC‐123  are  available  with maximum  COPs  of  7.45  (0.472  kW  tonne‐1). With 

additional features such as variable‐speed drives, HCFC‐123 chillers can attain IPLV values of up to 11.7. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 22 

Chillers employing HFC‐134a are available with COPs of 6.79 (0.518 kW tonne‐1). With additional features 

such as variable‐speed drives, HFC‐134a chillers can attain IPLV values of up to 11.2. 

Chillers employing HFC‐245fa are not available yet. No chiller manufacturer has announced plans to use 

it  at  this  time.  Centrifugal  chillers  are  used  in  naval  submarines  and  surface  vessels.  These  chillers 

originally employed CFC‐114 as the refrigerant  in units with a capacity of 440−2800 kW. A number of 

CFC‐114 chillers were converted to use HFC‐236fa as a transitional refrigerant. New naval chillers use 

HFC‐134a. 

Positive displacement chillers 

Chillers  employing  screw  scroll,  and  reciprocating  compressors  are manufactured  in many  countries 

around the world. Water‐cooled chillers are generally associated with cooling towers for heat rejection 

from the system. Air‐cooled chillers are equipped with refrigerant‐to‐air finned‐tube condenser coils and 

fans to reject heat from the system. The selection of water‐cooled as opposed to air‐cooled chillers for a 

particular  application  varies with  regional  conditions  and  owner  preferences. When  they were  first 

produced  in  the mid‐1980s,  screw chillers generally employed HCFC‐22 as  the  refrigerant. HFC‐134a 

chillers have  recently been  introduced by a number of manufacturers and  in  some  cases  these have 

replaced  their  HCFC‐22  products.  Screw  chillers  using  a  higher  pressure  refrigerant,  R‐410A,  have 

recently  been  introduced.  Screw  chillers  using  ammonia  as  the  refrigerant  are  available  from  some 

manufacturers and these are mainly found in northern‐European countries. The numbers produced are 

small compared to chillers employing HCFC‐22 or HFCs. 

Air‐cooled and water‐cooled  screw  chillers below  700 kW often employ evaporators with  refrigerant 

flowing  inside  the  tubes  and  chilled water  on  the  shell  side. These  are  called direct‐expansion  (DX) 

evaporators.  Chillers with  capacities  above  700  kW  generally  employ  flooded  evaporators with  the 

refrigerant on the shell side. Flooded evaporators require higher charges than DX evaporators, but permit 

closer approach temperatures and higher efficiencies. 

Scroll  chillers  are  produced  in  both  water‐cooled  and  air‐cooled  versions  using  DX  evaporators. 

Refrigerants offered  include HCFC‐22, HFC‐134a, R‐410A, and R‐407C. For capacities below 150 kW, 

brazed‐plate  heat  exchangers  are  often  used  for  evaporators  instead  of  the  shell‐and‐tube  heat 

exchangers  employed  in  larger  chillers.  Brazed‐plate  heat  exchangers  reduce  system  volume  and 

refrigerant charge. Air‐cooled chiller systems are generally less expensive than the equivalent‐capacity 

water‐cooled  chiller  systems  that  include  a  cooling  tower  and water  pump. However,  under many 

conditions water‐cooled systems can be more efficient due to the lower condensing temperatures. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 23 

Reciprocating chillers are produced in both water‐cooled and air‐cooled versions using DX evaporators. 

Air‐cooled versions have increased their market share in recent years. Prior to the advent of the Montreal 

Protocol, some of the smaller reciprocating chillers  (under 100 kW) were offered with CFC‐ 12 as the 

refrigerant. Most of  the  smaller  chillers, and nearly  all  the  larger  chillers, employed HCFC‐22 as  the 

refrigerant. Since the Montreal Protocol, new reciprocating chillers have employed HCFC‐22, R‐407C, 

and to a small extent, HFC‐134a and propane or propylene. Some water‐cooled  reciprocating chillers 

were manufactured  with  ammonia  as  the  refrigerant  but  the  number  of  these  units  is  very  small 

compared to the number of chillers employing fluorocarbon refrigerants. As with scroll chillers, the use 

of brazed‐plate heat exchangers reduces the system volume and system charge.  

Absorption chillers 

Absorption chillers are mainly manufactured in Japan, China, and South Korea. A few absorption chillers 

are manufactured in North America. Absorption chiller energy use can be compared to electrical chiller 

energy by using calculations based on primary energy. Absorption systems have higher primary energy 

requirements  and  higher  initial  costs  than  vapor‐compression  chillers. They  can be  cost‐effective  in 

applications where waste heat  is available  in the  form of steam or hot water, where electricity  is not 

readily available for summer cooling loads, or where high electricity cost structures (including demand 

charges) make gas‐fired absorption a  lower‐cost alternative.  In Japan, government policy encourages 

absorption systems so as to facilitative a more balanced gas import throughout the year and to reduce 

summer electrical loads. 

Single‐stage absorption applications are typically limited to sites that can use waste heat in the form of 

hot water or steam as the energy source. Such sites include cogeneration systems where waste engine 

heat or steam is available. Two‐stage absorption chillers, driven by steam or hot water or directly fired 

by fossil fuels, were first produced in large numbers in Asia (primarily in Japan) for the regional market 

during the 1980s. 

Two‐stage chillers were produced in North America shortly afterwards, often through licensing from the 

Asian manufacturers. Small single‐stage gas‐fired absorption chillers with capacities below 90 kW are 

produced in Europe and North America using ammonia as the refrigerant and water as the absorbent. 

h. Vehicle  

Vehicles built before the mid‐1990’s used mostly CFC‐12 as the refrigerant with some HCFC‐22 use  in 

trains. Since then,  in response to the Montreal Protocol, new vehicles with air conditioning (AC) have 

been equipped with systems using HFC‐134a. By the year 2000, the transition from CFC‐12 to HFC‐134a 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 24 

as  an  Original  Equipment  Manufacturer  (OEM)  refrigerant,  for  factory  installed  AC  systems,  was 

complete in all developed countries. The transition to HFC‐134a in developing countries was completed 

by approximately 2007. In addition, since the mid‐1990’s, development of alternatives to HFC‐134a has 

been underway due to the high Global Warming Potential [GWP] of HFC‐134a. 

Stop & Start and Hybrid Vehicles 

The diffusion of vehicles able to carry out part of their mission with the combustion engine off (e.g. Stop 

& Start, extended Stop & Start, and hybrids) asks for new solutions for the air conditioning system to 

guarantee the summer and winter thermal comfort in all the operational conditions.  

The majority of these vehicles will have 12 V to 48 V electric energy sources and only part of them will 

have higher voltage network (e.g. up to 350 V), while all will have an additional on‐board electric energy 

storage unit with a capacity ranging from 0.2 kWh (low voltage) up to 5 kWh (high voltage). 

This implies that only a small portion of the future vehicles will have an electric compressor while a large 

part will be equipped with mechanically driven compressors as today due to energy balance and cost, so 

measures will be adopted to maintain the required comfort and guarantee the safety performance (i.e. 

de‐fogging), as for example: 

cooling energy storage unit based on phase change materials 

secondary loop system taking benefit from its thermal inertia to store cooling power  

additional electric compressor, downsizing the belt‐driven compressor 

The  increase of on‐board electric power and the diffusion of turbocharged engines together with the 

need to at least maintain the aerodynamic drag will presumably lead to a low temperature cooling loop 

integrating the charge air cooler, air conditioning condenser, power electronics and generator in the case 

of hybrid powertrain.  

In synthesis, the evolution will produce a deeper integration of the on‐board thermal systems and the air 

conditioning will become part of it. 

Plug‐in Hybrids and Battery‐driven Electric Vehicles 

For Plug‐in Hybrids (PHEV) and Battery‐driven electric vehicles (BEV), vehicle air conditioning systems 

for cooling as well as heat pump systems for heating need to have very high energy efficiency to minimize 

the impact on the vehicle driving range. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 25 

MAC systems, when operating as a heat pump with HFC‐refrigerants currently used can take benefit of 

the on‐board outdoor heat sources (battery, power electronics, etc.) to enhance their effectiveness  in 

case of very low ambient temperatures partially compensating for their low efficiency and capacity. This 

can be achieved adopting a secondary loop that by collecting the heat from the on‐board electronics can 

raise  the  temperature  of  the  heat  source.  In  this  framework,  dual  loop  systems  (with  liquid  cooled 

condensers and liquid heated evaporators) offer the highest flexibility level and at the same time allow 

the OEM  to minimize  the  refrigerant  charge,  the  leak  rate,  and  the  risk  of dispersion  in  case  of  an 

accident. However, these secondary  loop systems do  increase the vehicle mass due to the additional 

coolant and components which might adversely affect vehicle fuel economy at all times of vehicle usage. 

For some applications the MAC system will be also used for battery thermal control as well as power 

electronics (i.e. cooling and heating). 

Note: Some refrigerants (available in the market) and current status: 

R32  : Daikin, a manufacturer of R32 as well as an OEM, promotes, manufactures and sells R32 units 

leading the way with most Japanese OEMs also manufacturing and promoting R‐32 units. Daikin offers 

R32 units in Europe as well as a number of developing countries. In an effort to gain new R‐32 supporters 

Daikin recently offered free access to 93 separate patents pertaining to the use or application of R32 to 

companies worldwide. Further efforts by Daikin  include providing technical assistance and training to 

emerging economies such as Thailand to adopt R32 for their markets with funding from the Montreal 

Protocol. 

DR55: The other camp is led by Chemours (formerly DuPont) promoting DR55, a blend of 67% R32, 7% 

R125 and 26% R1234yf, which it will market as Opteon XL55. Trane partnered with Chemours in recently 

displaying an air cooled chiller in Japan using DR55 and said they were also investigating its use in unitary 

and  residential equipment. Chemours goes  further, describing DR55 as being suitable  for  residential, 

light commercial and commercial window units, portables, mini‐splits, ducted splits, PTACs, commercial 

packaged, multi‐splits and DX chillers. 

 

2. ALTERNATIVE  TECHNOLOGY:  Options  for  New  Equipment(Reference:  RTOC‐

Assessment‐Report‐2014) 

Alternatives for domestic refrigerators  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 26 

HC‐600a: HC‐600a is the main energy‐efficient and cost‐competitive alternative. Concerns with the high 

flammability, which existed at the introduction of the refrigerant in 1994 in Europe have been addressed 

with design features and safety standards, particularly as the charges required for domestic refrigeration 

are  below  150  g. When  the  safety  requirements  are met  (e.g.  IEC  60335‐2‐24)  and  adequate  risk 

assessment  to  address  the  flammable nature of  the  refrigerant, HC‐600a  is  the  ideal  refrigerant  for 

domestic refrigeration products, giving roughly 5 % higher efficiency than HFC‐134a while at the same 

time reducing noise level of the unit.  

According to a recent study for a review of the European Regulation (EC) on fluorinated gases (Schwarz 

et al., 2013), the investment cost for a manufacturing facility for domestic refrigerators using HC‐600a is 

1.7%  higher  than  for  HFC‐134a,  which  represents  an  incremental  product  costs  of  around  €7/unit, 

considering  European  averages.  This  is  basically  due  to  higher  production  costs  related  to  the 

requirements for safety systems. The report also mentions that annual running costs and lifetime cost of 

HC‐600a equipment are lower, resulting in an overall negative life cycle cost differential in case of HC‐

600a.  

In general there are no significant barriers to the use of HC‐600a, illustrated by the existence of over 500 

million domestic fridges in the market to date. However, in the USA the use of HC‐600a is almost non‐

existent and  this can be attributed  to a number of  factors. These  include general concerns  regarding 

public  safety  (or  the  perception  of),  concerns  about  flammability  safety  and  accidents  (which  are 

reflected in the restrictive national standards) and the reluctance to be one of the early movers in the 

region.  

HC‐600a was the standard refrigerant for European domestic refrigerators and freezers originally and 

proliferated into other regions, including Article 5 countries. Worldwide over 50 million appliances are 

produced  annually  with  HC‐600a.  Increased  energy  efficiency  and  the  low  GWP  of  the  HC‐600a 

refrigerant reduce the climate impact of household refrigerators, due to mitigation of direct (refrigerant) 

and indirect (CO2 associated with electricity consumption) GHG emissions, compared to HFC‐134a. 

In the past, where capital resources were constrained, the use of binary hydrocarbon blends (HC‐600a 

and  HC‐290)  allowed  matching  the  volumetric  capacity  of  previously  used  refrigerants  to  avoid 

investments required to modify compressor manufacturing tools. These blends result in a reduction in 

thermodynamic efficiency versus pure HC‐600a and most of the productions using blends have migrated 

to the use of pure HC ‐600a. The use of HC blends has become insignificant. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 27 

HFC‐134a: HFC‐134a was originally  the  predominant  refrigerant  for domestic  refrigeration  since  the 

phase‐out of CFC‐12. There are no significant safety implications concerning its use. Energy efficiency is 

similar to that of CFC‐12, although with continual optimization, the current HFC‐ 134a refrigeration units 

are considerably more efficient than those that used CFC‐12.  

HFC‐1234yf: It is feasible to use HFC‐1234yf in domestic refrigerators and freezers and its application can 

be considered as some way between the use of HFC‐134a and HC‐600a, since the pressure and capacity 

are slightly  lower  than  for HFC‐134a and  it has  lower  flammability characteristics  than HC‐600a. The 

lower flammability makes application easier for countries like USA that have limitations with respect to 

the  allowable  refrigerant  charge  for HC‐600a. The  experience with HC‐600a  has  shown  that  design 

changes and  investment can abate the risk to an acceptable risk  level given the  lower flammability of 

HFC‐1234yf.  

According to some industrial sources, initial developments to assess the use of HFC‐1234yf in domestic 

refrigeration have begun, but  it  is not being pursued with high priority, as  in automotive applications. 

The preliminary assessment is that HFC‐1234yf has the potential for comparable efficiency to HFC‐134a, 

although often slightly worse in practice. Long term reliability tests for capillary tube restriction due to 

chemical degradation have not been completed. As such, product costs are estimated to be 1% higher 

than for HFC‐134a technology due to the larger surface area of heat exchangers required (to account for 

poorer energy performance) and an additional 1% due to the higher costs of the refrigerant. 

Given the cost disadvantage, flammability and investment requirements for product development, HFC‐

1234yf suffers significant disadvantages. With the lack of activity by manufacturers, HFC‐1234yf is not 

likely to displace HC‐600a or HFC‐134a in the foreseeable future. 

HFC‐1234ze: This  refrigerant  is still  in an early exploration phase  (Karber, 2012, Leighton, 2011). The 

same  considerations with  respect  to  flammability  as  for  HFC‐1234yf  hold.  In  addition,  compressor 

adaptations are required to match the reduced volumetric capacity compared to HFC‐134a. Therefore, 

also this refrigerant is not likely to displace HC‐600a or HFC‐134a in the foreseeable future. 

R‐744: Currently, experience on the use of R‐744 is available from a large number of bottle coolers, which 

have been in use since many years, and are similar, low‐charged applications. R‐744 application implies 

an  additional  cost, which  can  be  attributed  to  the  greater mass  of materials  necessary  to  achieve 

protection against the high pressure level, this in particular for the compressor. Further concerns are the 

extremely  small  compressor  swept  volume  requirements  and  reduced  thermal  efficiency  (Beek  and 

Janssen,  2008). These  concerns  and  the  fact  that  other  low GWP  alternatives  are  available make  it 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 28 

unlikely that R‐744 will become commercialized. Moreover, no major domestic refrigerator manufacturer 

is actively developing R‐744 systems. 

Conversion of HFC‐134a domestic refrigerators to low GWP alternatives 

Current  industry  dynamics  include  increasing migration  from  HFC‐134a  to  lower  GWP  alternatives. 

Commercial conversion to date has been restricted to HC‐600a. European production of No‐frost side by 

side refrigerators began conversion from HFC‐134a to HC‐600a in the early 2000’s. Initial conversions of 

automatic defrost refrigerators in Japan from HFC‐134a to HC‐600a were discussed in the 2006 report of 

this  committee  (UNEP,  2006).  This  conversion,  motivated  by  global  warming  considerations,  has 

progressed to include more than 90 % of refrigerator production in Japan. 

The North American appliance market is dominated by HFC‐134a while the conversion to HC continues 

in the rest of the world. Several factors are uniquely weighted in the North American market that has 

caused  this  delay  including  litigation  costs,  increased  intensity  by  the  Consumer  Product  Safety 

Commission,  local  regulations  requiring  adherence  to  ASHRAE  15  and  34  standards,  product  cost 

differential for additional safety features, investment costs to meet in plant OSHA safety requirements 

and the investment cost associated with serviceability of a refrigerant that must be recovered. In the EU, 

protection  is  provided  by  the  EU  Directive  2001/95/EC  on  general  product  safety. North  American 

manufacturers have consequently elected to develop additional costly safety requirements in addition to 

third party standards prior to introduction of HC‐600a to appliances. 

Whilst  legal  concerns  have  so  far  limited  the  use  of  HC‐600a  in  USA,  a major  U.S. manufacturer 

introduced  an  auto‐defrost  refrigerators  using HC‐600a  refrigerant  to  the U.S. market  in  2010. This 

introduction was a significant departure from prior North American practices for domestic refrigeration. 

In 2011, US EPA approved HC‐600a as acceptable alternative under their Significant New Alternatives 

Policy Program (SNAP) for household and small commercial refrigerators and freezers, subject to certain 

conditions. Conditions included a limitation on charge to 57 g (note that substitution will be on an equal‐

molar basis, i.e. 100 grams of HFC‐134a will be replaced by 57 g of HC‐600a) and the requirement that 

products comply with the revised UL 250. Concurrently, the number of HC‐based refrigerator models 

offered by manufacturers based in Central and South America are rising as well. 

The  trend  of  new  production  conversion  to  hydrocarbon  refrigerants  will  continue.  Excluding  any 

influence  from government  regulatory  intervention,  it  is  still projected  that  75% of new  refrigerator 

production will use HC‐600a or any other alternative low GWP refrigerants and 25% will use HFC‐134a by 

2020 (UNEP, 2010).  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 29 

All current HC‐600a applications will continue. 

One‐half  of  HFC‐134a  applications  in  geographic  areas  where  forced  convection,  auto  defrost 

refrigerators  are  the  typical  configuration  will  convert  to  either  HC‐600a  or  a  new  development 

alternative refrigerant such a low GWP unsaturated halocarbon refrigerants such as HFC‐1234yf, e.g. in 

cases where HC charge limitations are a factor.  

Three‐fourths of HFC‐134a applications  in geographic areas where natural convection and/or manual 

defrost  refrigerators  are  the  typical  configuration  will  convert  to  HC‐600a  or  to  low  GWP  HFC 

alternatives.  This  is  driven  by  the  advantages  of  HC‐600a  versus  HFC‐134a  discussed  earlier  and 

production rationalization. 

Use of low GWP unsaturated HFC refrigerants will require successful addressing of numerous application 

criteria  including:  thermal  stability,  hermetic  system  chemical  compatibilities,  process  fluid 

compatibilities, contamination sensitivities, etc., in addition to cost  implications. Successful closure of 

any  identified  issues will  be  necessary  to  permit  proceeding with  confidence  for  system  reliability. 

Conversions  will  be  influenced  by  regional  market  or  climate  change  policy  choices.  Government 

regulatory influence was not considered. 

Technologies  to  accomplish  conversions  are  readily  available,  though  it  needs  consideration  that 

conversion costs of the production  facilities are significant. The  rate and extent of conversion will be 

influenced  by  premium  product  cost  to  maintain  product  safety  with  introduction  of  flammable 

refrigerants. Premium costs are for modified electrical components, increased use of reduced voltage to 

avoid electrical arcing and any other safety devices.  

Alternatives for Tumble Dryers 

These  dryers  typically  use HFC‐134a  as  a  refrigerant  and  charge  amounts  vary  from  200  to  400  g. 

Products using R‐407C and HC‐290 are also being placed on the market and can potentially make use of 

the  temperature glide,  if  heat  exchangers  are optimized  for  such  refrigerants mixtures. Though  the 

continued use of HFCs is under discussion at several global regions, it is also recognized that the use of 

heat pumps in a dryer lead to significant energy savings of 50% or more and to a substantial reduction in 

global  warming  impact  of  countries  using  fossil  fuel  for  power  generation.  Alternative  low  GWP 

refrigerant solutions have not yet been introduced in the market, but are being explored. This includes 

R‐744, hydrocarbons and low GWP HFCs. 

Low GWP refrigerants currently explored are: 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 30 

R‐744 (CO2): The high temperature glide at the gas cooler side can effectively result in an efficient drying 

process and possibly higher air exit temperatures than possible with subcritical refrigerants. High costs 

of  some  components  and  the  probable  need  of  an  effective  intercooler  in  order  to  reduce  gas  exit 

temperatures are the challenges currently to be faced. 

Hydrocarbons: In principle various hydrocarbons are suitable. Supply of suitable compressors is currently 

very limited. Safety hazards due to the refrigerant flammability need careful evaluation as the laundry 

dryers pose additional risks compared to domestic refrigeration due to the high temperatures involved, 

the presence of dry textile materials, mechanically moving objects (drum, motor etc.) and the presence 

of static charges. Further charge minimization may be needed, considering the relatively high amount of 

refrigerant required 

Low  GWP  HFCs:  Due  to  the  similar  characteristics  as  HFC‐134a,  this  category may  offer  potential 

candidates. However, their flammability results in similar safety hazards as listed for the hydrocarbons, 

though some of these hazards may be easier to deal with due to the reduced flammability characteristic. 

Not‐in‐kind alternative technologies 

Alternative refrigeration technologies for domestic refrigeration continue to be pursued for applications 

with unique drivers such as very low noise, portability or no access to the electrical energy distribution 

network.  Technologies  of  interest  include  Sterling  cycle,  absorption  and  adsorption  cycles, 

thermoelectric and magnetic.  In  the absence of unique drivers such as  the examples cited above, no 

identified technology is cost or efficiency competitive with conventional vapor‐compression technology 

for mass‐produced domestic refrigerators. 

Absorption refrigeration equipment has been used in hotel mini‐bar units due to low noise levels and for 

mobile, off‐network applications such as campers or mobile homes for many years. Thermoelectric or 

Sterling  cycle  technologies  are used  for portable  refrigerated  chests  in  applications  such  as medical 

transport. Thermoelectric  is  also used  for hotel units  and wine  storage units with moderate  cooling 

temperature levels. 

Magnetic  refrigeration  is  one  of  the  not‐in‐kind  technologies  with  possible  potential  for 

commercialization. Magnetic  refrigeration does not use  refrigerant  and employs  an  active magnetic 

regenerator, comprising magneto‐caloric materials exposed to an intermittent magnetic field. At lower 

cooling power, it possibly presents higher efficiency over conventional vapor compression. To decrease 

the price of  the  technology,  the use of an  iron‐based alloy  to provide  the magnetic charge has been 

considered as an alternative to the rare‐earth magnets such as gadolinium used originally.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 31 

The remaining specialty niche product areas cited above would each require high capital investment to 

establish mass production capability. These product technologies will not be  further discussed  in this 

report focused on options for mass produced markets. 

Not‐in‐kind laundry dryer technologies are still in an early exploration stage.  

Energy Efficiency Improvement Technologies for Domestic Refrigerators 

Compressors: 

• Run capacitors and improved efficiency compressor configurations are broadly available with modest 

product cost penalties. 

• Use of lower viscosity oil reduces compressor drag losses but may require improved fabrication process 

cleanliness and tightened machining tolerances. 

• Reduction of  losses during the compression process (valves, dampers, etc.) and further reduction of 

temperature  levels  inside  the  compressor  (direct  or  semi‐direct  suction)  will  continue  to  improve 

compressor  efficiencies.  Enhancements  in  conventional  electric motor  efficiencies will  also  improve 

efficiency. 

• Increased use of electronically commutated variable speed motors will reduce inertial and cycle losses. 

Their application will result in higher product cost and more complex control systems. 

• Use of high efficiency linear motors with variable capacity to improve run efficiency and reduce cycle 

losses at the expense of higher product cost and unproven mechanism and lubrication concerns. Linear 

motor driven compressors are new developments, which have not yet achieved high volume production 

usage. 

Improved Efficiency Evaporator and Condenser Fan Motors: 

ECM evaporator and condenser fan motors are available with significant energy efficiency improvements 

versus  the  shaded  pole  motors  historically  used  in  these  applications.  The  subset  of  product 

configurations using forced convection heat transfer for the evaporator and/or condenser heat exchange 

can realise significant energy efficiency benefit with associated increased product cost. 

Modified Control Technology and Defrost Algorithms: 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 32 

Application of electronic sensors and controls permits adaptive defrost control versus fixed cycle‐time 

control  set  for  worst  case  conditions.  Automatic  defrost model  benefits  include  improved  energy 

efficiency and more precise thermal control at the expense of higher variable cost and design complexity. 

Modified Refrigeration System Configurations: 

Research  continues on efficiency  improvements  from dual evaporator  inter‐cooled  systems  for  two‐

compartment refrigerator‐freezers. The Lorenz and Meutzner cycle, possibly the best known of these, 

requires a zeotropic blend of refrigerants with different boiling points. Efficiency improvement greater 

than  20%  has  been  reported  /Fin97/  but  this  is  still  an  experimental  system.  No  attempts  to 

commercialise  it have been rumoured.  It  is believed that there are significant challenges  in achieving 

control stability under varying application environment and usage patterns. 

For Commercial Refrigeration 

Stand‐alone equipment  

Several stand‐alone equipment  types are described  in  this section,  in order  to analyse  the  trends  for 

refrigerant choices depending on the cooling capacity, the refrigerant charge, and the refrigerant circuit 

design. Many of  stand‐alone  equipments  are  owned  and  installed by global  food  companies. Those 

companies  develop  their  own  environmental  policy  and  choosing  low‐GWP  refrigerants  as  well  as 

energy‐efficient systems are part of the green positioning of those companies. 

Bottle coolers 

Glass‐door bottle coolers can be found  in nearly every supermarket, gas station, and kiosk. The most 

common type is the one‐door 400‐liter type, but also bigger (2 or 3 glass doors) and smaller types are on 

the market.  

Hydrocarbon (HC‐290) bottle coolers as well as CO2 bottle coolers show good energy performances and 

with R&D developments even better compared to the HFC‐134a base line. Hydrocarbon bottle coolers 

showed  28%  reduced  energy  consumption  compared  to HFC‐134a  bottle  coolers,  and  for  CO2  12% 

energy consumption  reduction  (Pedersen, 2008). The choice of HC‐290  is made by several European 

companies manufacturing those bottle coolers, while CO2  is preferred by others, based on a different 

perception of safety risks. 

Within the AHRI / AREP test program, laboratory tests have been performed in order to evaluate the two 

low‐GWP HFCs: HFC‐1234yf and HFC‐1234ze, and HFC‐134a based blends designed to replace HFC‐134a 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 33 

at nearly the same performances.  Tests indicate that those low‐GWP refrigerants are in the same range 

of performances and that refrigeration system optimization  is necessary and will be developed  in the 

near future. 

Ice‐cream cabinets 

R‐404A  and  HFC‐134a  are  the  refrigerants  used  in  ice‐cream  cabinets  and  are  progressively  being 

replaced with HC‐290 by  large food companies.  In 2014, the number of HC‐290  ice‐cream cabinets  is 

expected  to  be more  than  one million  units  as  assessed by  a  leading  global  company  (Refrigerants 

Naturally, 2014).  

Vending machines 

Vending machines  for  soft drinks  require a  significant  cooling  capacity  to  rapidly  cool  the  soft drink 

container.  The  usual  refrigerant  charge  of  HFC‐134a  varies  between  0.5  and  1  kg  leading  to  the 

development of CO2 options to compete with hydrocarbons. High‐efficiency CO2 cassettes have been 

developed by  a  Japanese  company  and  are  sold  to many OEM  companies  for  integration. The CO2 

technology  is compact and has passed the tests of energy efficiency defined by soft drink companies. 

HC‐290 vending machines have also been developed to perform satisfactorily from an energy point of 

view. As  for bottle coolers  the choice between CO2 and hydrocarbons  is made based on conclusions 

drawn from the risk analysis and the impact of possible incidents or accidents. 

Water coolers 

A  large number of water  coolers  for both bottled water and  tap water  are  installed worldwide. The 

refrigeration capacity is small and the refrigeration circuit is fully brazed. Thus this equipment looks like 

a small domestic refrigeration system. Many companies have switched from HFC‐134a to isobutane (HC‐

600a). The hydrocarbon charge could be as low as 20 g. 

Ice machines 

Ice machines are installed in restaurants, bars and hotels, and are dominantly found in North America. 

Many  different  refrigeration  capacities  are  found  depending  on  the  size  of  the machine,  as well  as 

different technologies depending on the type of ices: cubes, pellets, flakes etc. The usual R‐404A charge 

can vary from 500 g to 2 kg. Within the AHRI/AREP program, an ice‐machine dispenser has been tested 

with a new low‐GWP HFC‐based blend with a temperature glide of about 7 K at the evaporator. Report 

#2 indicates lower refrigeration capacity of about 4% without any optimization being done (Schlosser, 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 34 

2012). In Europe, and in other regions, small ice machines now use HC‐290 and are sold as a standard 

option. More recently, several equipment manufacturers have started  introducing  ice machines using 

CO2 as the refrigerant (Shecco, 2014). 

Supermarket plug‐in display cases 

The use of  supermarket cabinets of  the plug‐in  type  is  increasing  in Europe, especially  in discounter 

stores. Many small‐ and medium‐size supermarkets install such units instead of the cabinet cooled by a 

remote refrigeration system. The plug‐in cabinets have lower installed cost, are more flexible and require 

less system maintenance, because of the fully brazed circuit. Plug‐in cabinets are significantly less energy 

efficient  compared  to display  cases  cooled by  condensing units or  compressor  racks, because  small 

compressors have lower energy efficiency than larger ones.  

Moreover, the condenser heat  is released into the supermarket sales area where the display cases are 

installed. For high outdoor  temperatures,  the heat  released  in  the  sales area  requires higher cooling 

capacity for air conditioning. On the contrary, the heat released is a gain in winter in moderate and cold 

climates. Some  installations of stand‐alone display cases are designed with water cooled condensers 

allowing the release of heat outdoor, usually using a small water chiller; in this specific design, energy 

efficiency can reach acceptable levels.  

The  refrigerant choice used to be R‐404A. Since 2007, hydrocarbon display‐cases using HC‐290 have 

been proposed as a standard option  in Europe with an energy efficiency gain ranging from 10 to 15% 

compared to R‐404A. CO2 systems for display cases have also been introduced by several key suppliers. 

The first conclusions that can be drawn for standalone equipment are as follows: 

HFC‐134a and R‐404A will be phased‐out progressively  in developed countries. Due  to multinational 

companies  this  phase‐out  is  also  beginning  in  developing  countries.  There  are  several  low‐GWP 

refrigerant options and hydrocarbons, CO2 and new low‐GWP HFC‐based blends can be used depending 

on commercial availability.  

Addition of glass doors and LED lighting to display cases can reduce the refrigeration load thus enabling 

the use of flammable refrigerants for these display cabinets within the allowable charge limits. 

Minimum energy standards have been issued or updated in the last years in North America, in Europe 

and in many other countries, making a new competition between manufacturers in order to reach higher 

energy efficiency stand‐alone systems; the CLASP report (Waide, 2014) estimates the possible gains for 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 35 

the different standalone‐equipment types between 30 and 40% compared to the current average energy 

consumption. 

Eco‐labelling  taking  into  account  all  impacts during  the  life  cycle of  product will be  soon  issued  for 

commercial  refrigeration  in Europe, energy consumption being the main criterion  to be addressed  in 

order to lower significantly the environmental impact of those equipment. In parallel, the amended F‐

gas regulation will affect refrigerant choices in this equipment. 

Condensing unit systems  

Condensing units comprises one or several compressors, an air‐cooled condenser (usually), a receiver, 

and a liquid line to be connected to the refrigeration circuit. Condensing units are designed for several 

capacities  and  are  standardized  equipment.  Condensing  units  are  commonly  used  in  commercial 

refrigeration worldwide and especially in developing countries; they are sold by OEMs to installers. The 

design is as generic as possible and the usual refrigerant is HCFC‐22 in developing countries, HFC‐134a, 

R‐404A and, to a lesser extent, R‐410A in developed countries. HFC‐134a is chosen for small capacities 

and  evaporation  temperatures  >  ‐15°C.  R‐404A  or  R‐410A  are  chosen  for  larger  capacities  for  all 

temperature levels. HFCs form the energy efficiency references for benchmarking all other refrigerants.  

Replacement HFC blends 

For HCFC‐22 replacement, a number of “intermediate” refrigerant blends are proposed, such as R‐407A, 

R‐407F, R‐448A, and R‐449A and others have not yet received their ASHRAE number. Their GWPs are 

ranging from about 1000 to 1700. They are designed to replace HCFC‐22 or R‐404A and are used either 

as retrofit refrigerants or in new equipment. All of them present temperature glides from 5 to 7 K which 

require special attention paid to the selection and operation of components.  

A new set of low‐GWP R‐404A and HCFC‐22 replacement refrigerant blends is also being introduced with 

GWPs ranging from less than 150 to 300; they are considered to be commercially available before the end 

of 2016. Some have been tested and results are available in (Schultz, 2013) showing a volumetric capacity 

either identical or in the range of ±5%, with a COP from 7 to 2% lower compared to HCFC‐22. Many low‐

GWP HFC blends contain HFC‐32 and HFC‐1234yf and/or HFC‐1234ze(E), and they are all low‐flammable 

refrigerants  classified  as  2L  in  ASHRAE  34.  For  HCFC‐22,  HFC  alternative‐blend  options  that  are 

proposed  show  performances  close  to  the  benchmark  reference.  The  results  indicate  that  soft 

optimization  could  lead  to  performances  on  the  level  of  the  baseline  refrigerants.  Nevertheless, 

equipment manufacturers  have  to  take  into  account  in  the  new  equipment  design  that  all  these 

refrigerant blends have temperature glides varying from 4 to 7 K. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 36 

Ammonia: R‐717  is not used much  in  these  systems  for  cost and  safety  issues. However  it  is used  in 

cascade systems with CO2 in the low stage of the equipment. 

CO2: New carbon dioxide‐based condensing units are sold  in Northern Europe and Japan. The market 

penetration is low but increasing. R‐744 condensing units require a double‐stage design if high ambient 

temperatures occur frequently. Single‐stage systems are designed for cold climates. The additional cost 

for a double‐stage system  is significant compared to usual HFC  reference condensing units. The cost 

remains  the main  barrier  for  these  R‐744  condensing  units  in  certain  regions,  but  with  increasing 

production capacities and financial incentives this barrier is expected to overcome soon.  

Hydrocarbons  : Several hundred  indirect  condensing units using HC‐290 or HC‐1270 are operating  in 

Europe with typical refrigerant charges varying from 1 to 20 kg, most of them on the lower charge side, 

with good energy efficiency.  

Direct expansion condensing units from 100 W to 10 kW (up to 1.4 kg charge) are commercially available 

from major manufacturers operating with HC‐600a and HC‐290, and for temperatures ranging from  ‐

40°C up to 0°C. Costs for these HC‐based systems can be up to 15% higher than HFC systems due to 

safety measures required for flammability mitigation. 

Centralized supermarket systems  

Centralized systems are the preferred option  in medium to  large supermarkets, because  they usually 

achieve  better  energy  efficiency  than  plug‐in  cabinets  and  condensing  units.  This  is mainly  due  to 

compressor  efficiencies  being  higher  for  larger  compressors  (in  the  range  of  60‐70%)  compared  to 

smaller compressors (in the range of 40‐50%) used in plug‐in cabinets. The sales area of supermarkets 

with centralized refrigeration systems varies from 400 m2 up to 20,000 m2 for large supermarkets. 

Generally,  for  large supermarkets, the reference design  is a direct‐expansion centralized system with 

several racks of compressors operating at the two evaporation temperature levels (‐10 °C ± 4 K and ‐32 

°C ± 4 K for example). Several refrigeration system designs exist for medium to large supermarkets; these 

designs  have  an  impact  on  refrigerant  choices,  refrigerant  inventories,  and  energy  efficiency. 

Conventionally, they operate with  racks of parallel piped compressors  installed  in a machinery  room, 

typically  using  HCFC  or  HFC  in  direct  expansion  refrigeration  systems.  Typically  the  compound 

compressors operate with a common condenser which provides a number of different evaporators with 

liquid refrigerant. Places to be cooled by the system include refrigerated counters, refrigerated shelves, 

freezer  islands, medium  and  low  temperature  storage  rooms.  Because  all  cabinets/evaporators  are 

connected to all compressors in one compound system, HFC charges can be quite high – up to 3,000 kg 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 37 

for hypermarkets – with resulting high emissions in the case of component failure like pipe rupture, e.g. 

due  to  excessive  vibration.  In  addition,  the  numerous  joints  of  large  systems  are  prone  to  frequent 

leakage (especially mechanical  joints), hence such systems often have refrigerant  leakage rates  in the 

order of 15 % (Schwarz et al, 2011) or higher, typically 25%. In order to limit refrigerant emissions, some 

commercial companies have put significant effort in order to limit their annual emissions; some successes 

have been reported in Germany with reduction of annual emission rates lower than 10% (Kauffeld, 2013). 

The different central multi‐compressor refrigeration systems offered on the market can be categorized 

according to 

the choice of refrigerant(s), 

o HCFC or HFC 

o Hydrocarbon (HC) 

o Ammonia (R‐717) 

o Carbon dioxide (R‐744) 

the type of refrigerant distribution 

o direct expansion or  

o indirect via a heat transfer fluid (HTF) – the HTF can be single phase liquid (mainly used 

for MT), melting ice slurry (only MT) or evaporating carbon dioxide (MT and LT), and  

the kind of cooling of the condenser/gas cooler 

o Ambient air cooled;  in hot climates  sometimes with evaporation of water  in order  to 

reduce air temperature 

o Water cooled; water cooling by ambient air 

o Water based heat recovery; i.e. condenser is water cooled heating tap water or store 

o Air based heat recovery; heating store room air directly. 

Most systems have separate MT and LT systems, but especially systems working with R‐744 combine MT 

and LT in one compound system. Due to safety and technology reasons, not all combinations make sense 

or are acceptable. For example ammonia by reason of its higher toxicity is excluded from the costumer 

area and it will therefore never be used in direct expansion systems in the sales area of a supermarket; 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 38 

but ammonia can be used safely as a high‐efficiency refrigerant in an indirect supermarket refrigeration 

system, see below. 

The evaporator of direct expansion systems  is  located  in the application (i.e., within the cold room or 

cabinet). Condensers  can be  arranged  in air‐cooled machine  rooms  in  the building or outside of  the 

building. Heat recovered from the condenser can be used for room or tap water heating. Direct expansion 

systems are worldwide the dominating technology for supermarkets. The direct expansion centralized 

system is therefore often used as the reference for comparisons of energy performances and refrigerant 

charges.  

The refrigerants for new systems are R‐404A and R‐744, especially in Europe. To a smaller extent HFC‐

134a  is used for medium temperature applications, as well as R‐507A  in some countries, e.g. Norway. 

Direct expansion systems will always have refrigerant‐carrying pipes and components inside of the sales 

area which the public may enter. Therefore, the refrigerant will normally be restricted to lower toxicity, 

non‐flammable safety classification. 

For cost reasons and for technical simplicity, commercial centralized systems have usually been designed 

with a single compression stage even for the low‐temperature level (‐35°C to ‐38°C). Two design options, 

cascade and boosters systems, which are common  in  industrial refrigeration, have been  introduced  in 

commercial refrigeration in order to improve energy efficiency. They can be used for all refrigerants, but 

the development has been especially made for R‐744.  

Industrial Refrigeration: 

Where its use is still permitted in new systems, particularly in article 5 countries, HCFC‐22 is still common 

as an alternative to R‐502. It has not been supplanted by HFC blends because it is cheaper than any of 

the blends and usually offers better system efficiencies. The most common alternative to HCFC‐22 as a 

replacement for R‐502 in new systems is R‐404A, although it has a significantly higher global warming 

potential and is less efficient. 

R‐717 (Ammonia):. The major hazard presented by R‐717 is its acute toxicity, although its pungent odour 

ensures that low, relatively harmless concentrations are obvious and provide an early warning of danger. 

R‐717  is  flammable  in  relatively high  concentrations, but  it  is difficult  to  ignite and  as  a  result R‐717 

conflagrations are extremely rare. The products of combustion are nitrogen and water, so there are no 

toxic consequences. The  lower  flammable  limit  is 16%; about 5,000 times higher than the short term 

exposure limit, and almost 50,000 times higher than the lowest level which can be detected by smell. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 39 

R‐717  systems  can  be  designed  for  very  high  efficiency,  particularly  with  higher  condensing 

temperatures,  so  in  recent  years  it  has  been  used more  often  in  smaller  systems  with  air  cooled 

condensers,  condensing  at  about  50  °C  (IIR,  2008).  Compression  of  R‐717  produces  relatively  high 

compressor  discharge  temperatures  compared  with  most  fluorocarbons,  but  if  oil  injected  screw 

compressors are used then the heat of compression can be removed by oil cooling. R‐717 also produces 

relatively high heat transfer coefficients and requires a low massflow due to its high latent heat. The high 

critical  temperature  of  133°C makes  R‐717  very  suitable  for  high  temperature  heat  pumps.  It  is  at 

atmospheric pressure at  ‐33°C, a  relatively high  temperature  for  industrial  freezers. This means  that 

many freezers operate at sub‐atmospheric pressure, so air and moisture are drawn into the system if it is 

not pressure‐tight on the low pressure side. This unfortunate consequence is generally tolerated because 

the moisture is soluble in ammonia liquid so does not immediately cause unreliability and because both 

air and water can be relatively easily removed from the system while it is in operation. However excessive 

water build up will eventually impair operating efficiency and therefore increase electrical consumption, 

so system contamination should not be left uncorrected (Nielsen, 2000). 

Hydrofluorocarbons: When the first HFC refrigerants, particularly HFC‐134a, were introduced in the late 

1980s to replace CFC‐12 there was no obvious successor to the most common CFC blend in the industrial 

market, R‐502. This had been introduced to enable single stage compression plants to be used for low 

temperature applications without excessive discharge temperatures. When it became clear that R‐502 

could no longer be used, because it contained CFC‐115, most system designers either used HCFC‐22 or 

R‐717, both of which produced higher discharge temperatures and therefore required additional cooling 

or two compression stages for freezer applications. 

Saturated: Saturated hydrofluorocarbons  include  fluids such as HFC‐134a and HFC‐125 and blends of 

fluids, mixed to provide specific advantages for particular applications. HFC‐134a  is used  in small high 

temperature systems; it is at atmospheric pressure at ‐26oC, and it requires larger compressors than R‐

717. Sub‐atmospheric operation is less common with HFCs because traces of moisture are liable to freeze 

and block the expansion valve. 

HFC‐134a  is also widely used  in centrifugal compressors,  including some very  large systems used  for 

district heating. A trial system using unsaturated HFC‐1234ze(E) as an alternative to HFC‐134a in district 

heating has been tested in Norway (Nørstebø, 2013).  

There is no single fluid alternative to HCFC‐22 for use in industrial systems. HFC‐125 has approximately 

the right pressure temperature relationship, but has an extremely low critical temperature of 66oC, and 

would therefore be extremely inefficient if used in industrial systems, unless the condensing temperature 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 40 

was very low. It is used as a component of several of the most popular blended refrigerants, where the 

deficiencies in its physical properties can be offset by careful selection of the other components of the 

blend. The most common blends used in the industrial sector are R‐404A and R‐507A, which are primarily 

mixtures of HFC‐125 and HFC‐143a; with the  latter providing a higher critical temperature and hence 

improved efficiency. Many industrial systems use flooded evaporators, where the refrigerant boils in a 

pool. Zeotropic blends (with a temperature glide during evaporation) are not suitable in these systems 

because the blend components may fractionate, so R‐407C and service replacement blends such as R‐

417A have not been much used in the industrial sector. 

It  is surprising that R‐410A has not been more widely used  in  industrial systems because  it has a  low 

boiling point at atmospheric pressure (‐51.4 oC), very low glide (less than 0.2K at ‐40 oC) and the critical 

temperature is almost the same as R‐404A. The compressor swept volume required for R‐410A is about 

30%  less  than  for R‐404A, so equipment costs,  including  installed pipework should be  less, although 

operating pressures are higher. The main barrier to its use is the high price of the refrigerant, particularly 

compared to R‐717 and R‐744. When the refrigerant  inventory  in a system  is  in tonnes the cost of the 

charge may be a significant part of the total cost of the installation. Typical installations are therefore 

low  capacity,  low  temperature,  for  example  blood  freezing  and  small  pharmaceutical  systems.  The 

introduction of rules and guidance for the use of flammability class 2L refrigerants (those that have a 

burning velocity less than 10 cm s‐1 and therefore do not explode) might result in an increase in the use 

of HFC‐32 as an alternative to R‐717 in industrial systems. 

Unsaturated: unsaturated hydrofluorocarbons  such as HFC‐1234yf and HFC‐1243ze have not  to date 

been used  in  industrial systems. The  low global warming potential may give the  impression that they 

could  be  a  suitable  alternative  to R‐717  and R‐744,  but  it  is  very  likely  that  they will  be  even more 

expensive than R‐410A, with the further disadvantage of being flammable. It is therefore likely that none 

of this family of chemicals will achieve any significant market penetration in the industrial sector, even if 

blended  with  other  compounds  to  reduce  price  or  flammability.  An  exception may  be  found  with 

centrifugal compressors for  industrial chillers and heat pumps where HFC‐1234ze(E) might provide an 

alternative to HFC‐134a (Nørstebø, 2013). The unsaturated HFC‐1336mzz(Z) and the unsaturated HCFC‐

1233zd(E) may also prove to be suitable in heat pumps with centrifugal compressors, particularly in very 

large systems. 

Hydrocarbons: Hydrocarbons  are not widely used  in  industrial  refrigeration  except where  additional 

safety measures to ensure that leaking refrigerant cannot be ignited are required anyway, for example in 

a  petrochemical  plant.  They  offer  excellent  efficiency,  and  compatibility  with most materials  and 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 41 

lubricants. However the precautions required to prevent ignition are significantly more expensive than 

those  required  for R‐717  systems,  although  the whole  system  cost may  be  comparable. HC‐  290  is 

generally  similar  in  performance  to  HCFC‐22  and  R‐717  in  terms  of  operating  temperatures  and 

pressures, and requires similarly sized compressors. 

R‐744 (Carbon dioxide): R‐744 cannot be used in exactly the same way as other industrial refrigerants. It 

needs to be coupled with a higher temperature refrigerant  in a cascade system due to the  low critical 

temperature  of  31oC  or  else  used  in  a  transcritical  system.  Transcritical  systems  have  been  used  in 

commercial and small systems, but there are no compressors on the market to provide the necessary 

high operating pressures  to  run an  industrial R‐744  system  in  this way. A medium‐sized distribution 

centre with an installed capacity of 1500kW has been operating in Denmark since 2008, using multiple 

commercial‐sized compressors (Madsen, 2009). 

R‐744 is particularly suitable for use in freezer systems because it is liquid at positive pressure down to ‐

56oC  and  the  gas  is  extremely  dense,  giving  very  high  rates  of  heat  transfer.  The  pressure  drop 

characteristics are also very favourable at low temperatures, so R‐744 freezer systems have been found 

to be significantly more efficient than any other alternative, even R‐717 (Pearson, 2009). In slightly higher 

temperature  applications,  such  as  cold  storage, R‐744  cascade  systems  are  likely  to  be  slightly  less 

efficient  than  two‐stage R‐717, but  still  on  a  par with  a  single  stage  economised  system,  and more 

efficient  than  any  system  using  a  secondary  fluid  due  to  the much  lower  pumping  cost  for  R‐744 

compared to glycol, brine or other heat transfer fluids (ASHRAE, 2010). 

In Article 5 countries, Saudi Arabia has one cold store application where a cascade system utilises R‐

744/R‐717. In higher temperature applications, for example IT cooling, R‐744 is attractive as an alternative 

to chilled water because it is electrically non‐conductive, does not cause fabric damage in the event of a 

small leak and enables smaller heat exchangers to be used. The major challenge in these systems is that 

the operating pressure is approximately 50 bar.  

R‐718 (Water): In general R‐718 is not suitable for most industrial applications because the triple point is 

very slightly above 0oC, and because, despite the very high latent heat, the swept volume required for a 

typical cooling duty is extremely high. There are a few notable exceptions: R‐718 has been used for a few 

deep mine cooling projects where a vacuum system is used to create a mix of solid and liquid water (ice 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 42 

slurry) at the triple point. Similar systems have been used for large plastics moulding coolers, but these 

systems have not yet been fully commercialized. 

Absorption: Absorption  systems using aqua‐ammonia can be used  for  low  temperature applications, 

easily reaching cold storage temperatures. This is because the ammonia is used as the refrigerant, with 

water as the absorbent. Water‐lithium bromide (LiBr) systems can only be used above freezing because 

the water is the refrigerant, and the LiBr is the absorbent. Absorption systems are only effective if there 

is an abundant source of heat at high temperature to drive the system. It is not normally economic to 

burn fossil fuel for the sole purpose of driving the regenerator of an absorption system, particularly in low 

temperature systems, because the heat rejection plant is significantly larger than for an equivalent duty, 

electrically driven vapour compression system. 

Absorption  systems  are  primarily  used  for  process  cooling  in  food,  beverage,  chemical  and 

pharmaceutical  plants  where waste  heat  to  drive  the  system  is  readily  available.  Countries with  a 

shortage or unreliable electric supply use direct fired chillers in industrial cooling. Examples are in India, 

Pakistan, Bangladesh and China. Those units are generally fuel oil fired or gas fired. There is an increase 

in the food industry, when local on‐site power generation is used, and provides a source of waste heat. 

This has been particularly noted in developing countries such as India and China, where increased food 

production is being achieved but the electrical infrastructure is still relatively unreliable. In these cases 

chilling is normally achieved with a vapour compression plant, but with some absorption cooling available 

to  augment  the  cooling  capacity  when  the  generator  is  running.  In  countries  where  natural  gas 

downstream piping  infrastructure exist and where gas prices are  reasonable compared  to electricity, 

direct  fired  chillers  are used  to produce  chilled water  for  industrial  applications. Those  are normally 

double effect units.  

Indirect fired absorption units are used primarily in applications where excess boiler capacity is available 

in summer months and where steam or hot water are generated by a co‐generation application. Those 

units are normally single effect and are fired at water or steam temperatures of 90 °C to 120 °C. The 

efficiency of those units is compared to those of vapour absorption. The Lithium Bromide‐water chillers 

are all water cooled.    

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 43 

Transport Options for new equipment 

 Intermodal containers and road vehicles 

Hydrocarbons 

While hydrocarbons offer superior thermodynamic properties which lead to high energy efficiencies, the 

possible leakage of the refrigerant inside the box and other failure scenarios present a safety challenge, 

since these refrigerants are flammable.  

Due to the lack of specific safety standards applicable to transport refrigeration, the design usually relies 

on  safety  standards  for  adjacent  applications,  such  as  ISO  5149  (ISO,  2014a)  or  EN  378  (2008).  For 

example, according to the scope, ISO 5149 (ISO, 2014a) covers transport refrigeration but the detailed 

safe design and operation  for all  the mentioned applications are not described  (König, 2013a). Most 

standards rely on the concept of “lower flammability limit” combined with a maximum charge and safety 

factor.  In  a  traditional  concept  of  a  transport  refrigeration  unit,  even  assuming  a  significant  charge 

reduction compared  to  today’s  typical charge  levels,  leakage  inside  the box would  inevitably  lead  to 

concentrations above the flammability limit.  

The use of higher amounts of refrigerant charge over the thresholds established by the existing standards 

would require the adoption of provisions covering safe system design and safe operations. These higher 

amounts can be permitted only when special measures are taken to limit the refrigerant concentrations 

in case of leakage and the presence of sources of ignition. To justify such special measures, a risk analysis 

shall be performed to include all foreseeable uses (König, 2013a). All this may increase complexity and 

may introduce an additional risk that manufacturers must consider. 

Measures can  include ventilation and shut‐off valves, combined with  refrigerant detectors and alarm 

systems. Ventilation may be  realized using explosion‐proof  fans, sensors, etc. Or, as alternative,  the 

flammable  refrigerant maybe  isolated  in  a  separate  circuit  and  placed  outside  of  the  cargo  box.  A 

secondary fluid can be used to provide cooling inside the cargo box. The above measures either do not 

eliminate  completely  the  flammability  risk,  or make  the  system  very  complex,  or  increase  power 

consumption. 

Refrigeration units with direct expansion using HC‐290 and HC‐1270 have been tested to date in a small 

number of trucks  in the UK and Germany. One European manufacturer has developed a road vehicle 

system operating on HC‐1270, the safety issues being addressed by having a joint less evaporator and 

installing a detection system. However, this unit is not commercially available. One intermodal container 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 44 

manufacturer (MCI, 2014) announced a possible market introduction of a refrigeration system with HC’s 

in 2018‐19 subject to the boundaries of future legislation. 

In  summary,  specific  research on  the use of  flammable  refrigerants  in  transport  refrigeration  should 

continue but (as  it  is the case today) their use would most  likely require the  implementation of safety 

measures  that  could  increase  the complexity of  the  system and/or,  in case of  indirect  system,  could 

penalize their efficiency. 

R‐744 

R‐744 is a promising alternative to HFC refrigerants and its widespread use in transport refrigeration will 

only come when systems using R‐744 can exhibit efficiencies comparable  to  the efficiencies  that are 

obtained at present from systems using HFC refrigerants.  

R‐744 is undergoing a renaissance and the technology and learning curve in transport refrigeration is at 

an early stage. All major manufacturers have displayed concepts of units with R‐744 at trade shows or 

have demonstrated an interest in R‐744 solutions through research publications. One manufacturer has 

been testing an intermodal container unit with customers across the globe, and is now offering the unit. 

Since 2013, a supermarket chain in the UK has been conducting a trial with an urban distribution trailer 

fitted with a modified version of the intermodal container system.  

Systems using R‐744 are more efficient than systems using HFC refrigerants under low‐medium ambient 

temperature conditions. At the same ambient temperature, systems using R‐744 are more efficient for 

chilled cargo and less efficient for frozen cargo than systems using HFC refrigerants.  

R‐744  in general  requires dual  stage  compression. R‐744 open  shaft compressors have  technological 

challenges in the transport refrigeration pressure range, and are not available today. On the other hand, 

semi‐hermetic  reciprocating  compressors  are  available  today,  and  scroll  compressors may  become 

available in the future. This may, for the time being, adversely impact the application of R‐744  in sub‐

segments where open shaft compressor and scroll technologies are being utilized (for example vehicle 

powered truck refrigeration systems). 

HFC refrigerants 

Refrigerant manufacturers are developing low‐GWP HFC alternatives of which several have the potential 

to match the cooling capacity, power consumption and pull‐down expected from today’s standard R‐

404A or HFC‐134a systems. The flammability of these refrigerants is one of the major concerns for their 

use  in  transport  refrigeration  and  the  same  principals  of  safety  have  to  be  fulfilled  in  transport 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 45 

refrigeration as described above for use of hydrocarbons (UNC, 2011). At the moment, there are no non‐

flammable very low‐GWP HFC candidates (below GWP 150).  

Overall, it is likely that each of these blends will have a role to play in the general move towards more 

environmentally friendly alternatives.  

While in transport refrigeration the majority of the attention is currently focused on R‐404A due to the 

higher GWP level, several non‐flammable, lower GWP blends have also been developed as alternative / 

retrofit to HFC‐134a. Their GWP is in the 600‐700 range, approximately 50% lower than HFC‐134a. 

Cryogenic systems 

Liquid nitrogen or carbon dioxide open cooling systems entail low noise levels and low emissions of air 

pollutant due to the elimination of diesel powered refrigeration. This can bring benefits at the local scale, 

in addition to lower greenhouse gas (GHG) emissions in the use phase, and therefore of benefit for heavily 

populated  areas.  However,  the  energy  required  to  produce  the  liquefied  gases  is  substantial  and 

therefore, if fossil fuels are employed during production, GHG emission would rise proportionally. Other 

options for reducing GHG emissions might be using alternative energy sources in production of liquefied 

gases such as off‐peak nuclear or wind power or, in the case of nitrogen, ensuring that it is a by‐product 

of oxygen production.  

Technologies currently under development include systems for recovering mechanical energy from the 

expansion of liquid nitrogen, leading to a potentially low‐GWP nitrogen economy. 

Use of cryogenics systems will continue to be determined by the availability of  liquefied gas charging 

stations (see a parallel with liquefied natural gas, or LNG, in some regions). Where available, cryogenic 

systems can provide an alternative to traditional diesel powered trucks and trailers on a case by case 

basis.  

Eutectic systems 

There are a  limited but  important number of applications where eutectic systems  represent, and will 

continue  representing, an option  for the  future: small vans, dedicated  to a specific cargo, and with a 

predictable and repetitive duty cycle. Also, eutectics will continue to be an important solution in some 

applications in developing countries, where precision of temperature control is less relevant compared 

to the overall fuel and system cost.  

Eutectic systems generally require the use of a refrigerant to “freeze” the eutectic. Some applications 

use an external system to freeze the eutectic, and the vehicle can be regarded as “refrigerant free”. The 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 46 

external system has a different safety, space, etc. requirement and allows for deployment of R‐744 or 

flammable refrigerants that may otherwise have constraints for application in vehicles. 

Technology  in  eutectics  is  also moving  ahead,  and  some manufacturers  are developing  new  “phase 

change” materials that offer high capacity/weight ratio.  

Vessels 

HFC‐134a has been the most often used alternative to HCFC‐22 in new vessels for provision refrigeration. 

New  ships  may  also  use  R‐407C  or  R‐407F  for  air‐conditioning  going  forward,  as  it  is  becoming 

widespread in other sectors. R‐744 in cascade with R‐717 is used for freezing down to ‐50 °C (mainly with 

fish as the cargo).  

Some shipyards utilize HCFC‐22 for small fishing vessels in Article 5 countries, but not for international 

commercial vessels. 

Large industrial systems can use R‐717 or R‐744 where it makes sense. R‐717 systems are limited to ships 

that do not carry passengers but professional crew only (due to toxicity consideration), and ships with a 

relatively high refrigeration capacity. This makes it suitable for large fishing vessels. 

R‐744 has been used as a refrigerant with own compressors (second stage in a cascade) or a secondary 

coolant being circulated by pumps. When used in the second stage, it can cover the temperature range 

between ‐10 and ‐50 °C. HFCs or R‐717 is used in the first stage. Further, R‐744 Refrigerated Sea Water 

(RSW) systems have been developed and may be used for replacing HCFC‐22 systems to be taken out of 

operation. Again, these systems are limited to the fishing industry. 

Cruise ships use chillers mostly with HFC‐134a and it is foreseen that they will continue with this as long 

as possible due  to  the  safety of  the  refrigerant hence  the passengers.  In 2014, a  large manufacturer 

launched a 50 Hz water‐cooled centrifugal chiller that utilizes HCFC‐ 1233zd(E) as an alternate technology 

to HFC‐134a. 

For commercial vessels and for the off‐shore business there is a potential for HC‐290 to be a substitute 

for HCFCs and HFCs as most of the fleet already have Zone 1 or 2 onboard. HC‐290 can be used for air 

conditioning as well as for provision plants, but most systems will be indirect secondary systems using a 

heat transfer fluid.  

 

 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 47 

Air to Air Air Conditioners and Heat Pumps 

Several  single  component  HFC  refrigerants  have  been  investigated  as  replacements  for  HCFC‐22, 

although previously, HFC‐134a was the only single component HFC that has been commercially used in 

air conditioning systems to a limited extent. Recently air conditioners have become available with HC‐

290  and  HFC‐32  as  single  component  refrigerants.  A  number  of  HFC  blends  have  emerged  as 

replacements for HCFC‐22 in air conditioning systems. Various compositions of HFC‐32, HFC‐125, and 

HFC‐134a are being offered as non‐ODS  replacements  for HCFC‐22. The  two most widely used HFC 

blends are R‐407C and R‐410A. Both R‐407C and R‐410A have GWP values close to that of HCFC‐22. 

More  recently, new  low‐ and medium‐GWP blends are being proposed, which comprise unsaturated 

HFCs (such as HFC‐1234yf, HFC‐1234ze(E), HFC‐1243zf, etc.) with other non‐ODP refrigerants such as 

HFC‐32, HFC‐134a and R‐744. These blends are mixed in order to more closely match the performance of 

the refrigerants currently being used in these products such as HCFC‐22 and R‐410A (Minor, 2008, Spatz 

et al., 2010). Due to their compositions, most of these blends exhibit various levels of temperature glide 

(being the difference in dew‐ and bubble‐point temperature at a given saturation pressure) and in most 

cases are flammable. There are a large number of such blends proposed by manufacturers, but to date 

few have been assigned an R‐number (although this is expected to change in the next two to three years). 

Whenever an alternative refrigerant is selected, there must be a corresponding choice of lubricant (i.e., 

the base oil and appropriate additives) and this choice is also affected by the compressor technology and 

the anticipated range of operating conditions of the system. The selection of the  lubricant to be used 

with a particular HFC is generally made by the compressor manufacturer which makes the selection after 

extensive material compatibility and reliability testing.  

Considering the various alternatives with medium and lower GWP, the majority of these are flammable 

to some extent. If flammable refrigerants are selected they present hazards not historically associated 

with  safety  concerns  with  air  conditioners.  In  the  event  of  ignition  of  a  refrigerant  leak,  possible 

consequences  can  result  in  overpressure  and  thermal  radiation,  leading  to  further  secondary 

consequence (secondary fire, fragments, high toxicity decomposition products, etc.). Furthermore, the 

societal  tolerance  of  consequences  from  flammables  tends  to  be  lower  than  with  other  hazards. 

Therefore appropriate measures have to be applied in order to mitigate the risk, for example, minimizing 

the  amount  of  refrigerant  that  can  leak  into  occupied  spaces  or  removing  the  refrigerant  from  the 

occupied space entirely, ensure that probability of  ignition  is greatly reduced through risk assessment 

and at a minimum, meet the requirements of national regulations and/or appropriate safety standards 

(where they exist); such rules are continuously under development. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 48 

HFC‐134a    

Whilst HFC‐134a  is a potential HCFC‐22 replacement  in air‐cooled systems,  it has not seen broad use 

because manufacturers have been able to develop substantially  lower cost air‐cooled air conditioning 

systems using HFC blends such as R‐407C and R‐410A.  

To achieve the same capacity as an HCFC‐22 system, the compressor displacement must be increased 

approximately 40% to compensate for the lower volumetric refrigeration capacity of HFC‐134a. Similarly, 

significant equipment redesign  is necessary to achieve efficiency and capacity equivalent to HCFC‐22 

systems.  These  design  changes  include  larger  heat  exchangers,  larger  diameter  interconnecting 

refrigerant tubing, larger compressors and re‐sized compressor motors. 

Although it is seldom a cost‐effective alternative, it has been used widely in regions that experience high 

ambient temperatures for a variety of different types of air‐to‐air systems.  

R‐407C 

Since R‐407C requires only modest modifications to existing HCFC‐22 systems,  it has been used as a 

transitional refrigerant in equipment originally designed for HCFC‐22. However, since around 2004 many 

of  the  R‐407C  systems  have  been  redesigned  for  R‐410A  to  achieve  size  and  cost  reductions.  An 

exception is when the target market’s standard conditions are high ambient temperatures, such as above 

40‐55°C.  

There are currently R‐407C air conditioning products available in Europe, Japan and other parts of Asia. 

Because  of  its  low  saturated  pressure,  R‐407C  is  chosen  as  an  alternative  to  HCFC‐22  by  some 

manufactures in the Middle East where ambient temperatures can be high. R‐407C has also seen some 

limited  use  in  the North America,  primarily  in  commercial  applications. Generally, R‐407C  has  little 

chance  to  replace widely HCFC‐22  in  the  air  conditioning  sector  in  future,  at  least where  standard 

temperatures apply.  

Performance tests with R‐407C indicate that in properly designed air conditioners, this refrigerant will 

have capacities and efficiencies within ± 5% of equivalent HCFC‐22 systems  (Li and Rajewski, 2000). 

Linton et al (2000) found that for a fixed capacity, R‐407C resulted in a 5‐11% lower cooling COP.  

As R‐407C is a zeotropic blend, temperature glide is significant but has been manageable through many 

years of use and experience. Counter flow design of heat exchangers can mitigate the negative impact 

of  refrigerant glide. However, with  reversible heat pumps  it  is difficult  to employ  counter  flow heat 

exchanger designs because the refrigerant has opposite flow directions in the heating and cooling modes 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 49 

unless complex reversible refrigerant heat exchanger circuiting is employed. 

Polyolester  (POE) or polyvinylether  (PVE)  lubricants can be selected  for R‐407C. Of these, POE  is the 

most  widely  used  lubricant  in  HFC  refrigerant  applications.  A  recent  tendency  is  for  compressor 

manufacturers to use POE oils in compressors so the system manufacturers can use the same compressor 

for both HCFC‐22 and R‐407C systems. 

R‐410A 

R‐410A can replace HCFC‐22 in new equipment production, since the operating pressures are around 50‐

60% higher than HCFC‐22. Due to its thermo physical properties, the design of R‐410A units can be more 

compact  than  the HCFC‐22  units  they  replace.  In  addition, R‐410A  can  have  better  performance  in 

inverter type air conditioner than HCFC‐22.  

R‐410A air conditioners are currently commercially available  in the US, Asia and Europe. A significant 

portion  of  the  duct‐free  split  products  sold  in  Japan  and  Europe  now  use  R‐410A  as  the  preferred 

refrigerant.  

System designers have addressed the higher operating pressures of R‐410A through design changes such 

as  thicker walls  in  compressor  shells,  pressure  vessels  (accumulators,  receivers,  filter  driers  etc.).  In 

addition, the considerations for lubricant requirements are as described for R‐407C; POE or PVE have to 

be used.  

As  concerns over GWP have  increased, with  it high  value, R‐410A  is becoming  seen  as  a  less  viable 

alternative  for HCFC‐22  in  the  longer  term, although  it currently  remains  the  first choice  for new air 

conditioning equipment. Another concern is its low critical temperature that can result in degradation of 

performance at high condensing temperatures. 

HFC‐32 

HFC‐32  is seen as a replacement for R‐410A due to  its medium GWP and slightly higher capacity and 

similar efficiency. Due to  lower density  the specific  refrigerant charge  (per kW of cooling capacity)  is 

around 10‐20% less (Piao et al, 2012, Yajima et al., 2000). R‐410A systems can be redesigned for HFC‐32 

with modifications and with additional safety considerations given its class 2L flammability,  appropriate 

design, application and service changes will be required for  it to be safely applied. Another factor that 

must be considered with flammable refrigerants  is refrigerant reclaim and recovery requirements during 

servicing and at the end of the product’s life to protect those servicing or recycling the product. The current 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 50 

POE and PVE lubricants used with R‐410A have insufficient miscibility with HFC‐32 (Ota and Araki, 2010) 

and therefore modified oils are selected. 

HFC‐32 has comparable efficiency  to  that of R‐410A and HCFC‐22  in many mini‐split ACs, as  shown 

recently by a number of performance evaluations. Barve and Cremaschi (2012) tested HFC‐32 in an R‐

410A reversible AC, with various optimization modes. In cooling mode, the COP varied by 0% to ‐2%, but 

with up to +8% higher capacity. Pham and Rajendran (2012) reported on tests with HFC‐32 in an R‐410A 

system gave about +3% higher cooling capacity with ‐1% lower COP and in heating mode capacity was 

about 4% higher with negligible change in COP. Three different R‐410A units were tested with HFC‐32 

by Guo et al. (2012). The capacity increased by about +5 to +6% whilst COP was ‐3% to 0% lower. As part 

of  the AHRI “low GWP AREP” programme, HFC‐32 was  tested against R‐410A  in  two  reversible heat 

pump  air  conditioners  (Crawford  and  Uselton,  2012).  Depending  upon  the  conditions,  the  cooling 

capacity ranged from ‐1% to +3% of R‐410A with cooling COP and heating COP varying by ‐1% to +2% 

and ‐6% to +4%, respectively. In a subsequent report (Li and By, 2012), HFC‐32 was shown to have an 

increased cooling capacity ranging from +2% to +4% and a COP of 1% to 2% higher. Piao et al (2012) 

showed in a split air conditioner a 4% higher cooling COP and 1% higher heating COP compared to an R‐

410A system. Yajima et al.  (2000)  reported 10% higher cooling COP and 7% higher heating COP  in a 

commercial split system. 

In  2014, HFC‐32  systems  have been  presented  to  the market  in  Japan, Europe,  India  and Australia, 

amongst others. One Japanese manufacturer reported that although there are some million split‐type 

units installed there have been no incidents reported so far.  

HFC‐152a  

HFC‐152a has performance characteristics similar to HFC‐134a as well as 10% lower vapor pressure and 

volumetric refrigeration capacity. As such, significant redesign of existing HCFC‐22 systems would be 

required, similar to that described for HFC‐134a. Application of HFC‐152a demands that systems must 

be designed, constructed and installed with due consideration of its class 2 flammability, as well as due 

consideration to reclaim and recovery requirements during servicing and at end of life.  

It is unlikely that HFC‐152a will be commercialized in air conditioning systems primarily because its low 

volumetric refrigerating capacity  implies  increased costs relative to an HCFC‐22 system, added to the 

considerations required to handle flammability. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 51 

HFC‐161 

HFC‐161 is also being evaluated as a replacement for HCFC‐22 in air conditioning systems. It has similar 

thermodynamic properties to HCFC‐22 and  is flammable and therefore systems have to be designed, 

constructed and installed accordingly, as well as due consideration to reclaim and recovery requirements 

during servicing and at end of life. One potential obstacle exists in that the toxicity classification has still 

not been assigned under the relevant standards. 

In terms of performance, the volumetric refrigerating capacity is close, around 5% lower, to that of HCFC. 

Tests comparing the efficiency have found that the COP of HFC‐161 is about 10% higher than HCFC‐22 

(Padalkar et al., 2011). Furthermore the refrigerant mass can be decreased to about half of the HCFC‐22 

charge. Wu et al. (2012b) reported on tests in split air conditioners, showing that both cooling and heating 

capacity was about 5% lower than HCFC‐22, whilst cooling and heating COP was between 5 – 10% higher. 

As the ambient temperature increases (towards 48°C), the difference in cooling capacity reduced and the 

improvement  in COP  increased. Discharge  temperature was  consistently  about  5 K  lower  than with 

HCFC‐22. Han et al (2012) measured efficiencies of about 10 – 15% higher than R‐5410A and HFC‐32.  

Either mineral oil or POE can be used for HFC‐161. There have also been some questions raised regarding 

the thermal stability of HFC‐161; one recent study has shown it can degrade under elevated temperature 

and pressure conditions, forming acids and thus corrosion (Leck and Hydutsky, 2013). 

HFC‐1234yf  

Since the thermodynamic characteristics of HFC‐1234yf are very similar to HFC‐134a, the same general 

observations about its applicability in air‐to‐air systems are as stated previously, i.e., it has a much lower 

volumetric refrigerating capacity and cannot be used as a direct replacement. Compressors would need 

a significantly larger displacement and experimental studies indicate is should be 40% larger than HCFC‐

22 systems (Fujitaka et al., 2010; Hara et al., 2010). Additional design changes  include  increased heat 

exchanger areas and larger diameter interconnecting tubing. As with HFC‐134a, HFC‐1234yf is therefore 

likely  to  suffer  from  cost  issues,  although possibly more  so given  the  anticipated higher  fluid  costs. 

Although it is unlikely that unitary air‐conditioners using pure HFC‐1234yf will be commercially viable in 

most  cases,  there may be  interest  in  some  cases,  such  as  for  regions  that  experience high  ambient 

temperatures. However, HFC‐1234yf  is being  successfully demonstrated as a beneficial  ingredient  in 

refrigerant blends for use in air conditioning and refrigeration applications. 

Given the class 2L flammability classification, systems should be designed, constructed and installed with 

due consideration of its flammability, as well as due consideration to reclaim and recovery requirements 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 52 

during servicing and at end of life.  

HC‐290 

HC systems are commercially available in low charge air conditioning applications, such as small split, 

window  and  portable  air  conditioners.  HC‐290  is  the  most  frequently  used  HC  refrigerant  in  air 

conditioning  applications. When  used  to  replace HCFC‐22,  HC‐290  has  performance  characteristics 

which tend to yield higher energy efficiency and slightly lower cooling and heating capacity.  

Since HC‐290 has lower density and higher specific heat, the charge quantity is about 45% of HCFC‐22; 

typically around 0.05 – 0.15 kg/kW of rated cooling capacity. In addition, HC‐290 has reduced compressor 

discharge  temperatures  and  improved  heat  transfer  due  to  favourable  thermo‐physical  properties. 

Compressor manufacturers indicate that both mineral oil‐based and POE lubricants are being used in HC 

compressors  (Chen and Gao, 2011, Suess, 2004, Bitzer, 2012), however they should be optimised,  for 

example with certain additives.  

The main difficulty with HC‐290 is its class 3 flammability, which creates safety concerns in application, 

installation and  field service. European and  international standards  limit  the charge of HC‐290. Such 

charge size limitations can constrain the use of HC‐290 to smaller capacity systems that need to achieve 

a certain efficiency level, depending upon the specific heat load (i.e., kW/m2) of the application; in order 

to extend the capacity range, charge reduction techniques can be applied. Charge reduction technologies 

and correct oil  selection can be used  to minimize  the amount of  refrigerant, which can  increase  the 

capacity range. Similarly, control strategies can be applied to restrict the amount of refrigerant that can 

leak into the occupied space can be applied, which may prevent up to 80% of the charge being released 

(Colbourne  et  al.,  2013).  Furthermore,  systems  (such  as  centralized/packaged)  can  use  two  or more 

independent refrigerant circuits or reboiler loop, although this implies a cost increase. 

HC‐1270  

HC‐1270 has  favorable  characteristics  from  the point  of  view of both  thermodynamic  and  transport 

properties, but is a class 3 flammable refrigerant. It has a similar cooling capacity to HCFC‐22 but higher 

(about 4%) efficiency (Lin et al., 2010). Wu et al. (2012a) measured the performance of a split type air 

conditioner with HC‐1270 and HC‐290 whilst exchanging the compressor to match the original HCFC‐22 

capacity. For both refrigerants, improvements of 1‐5% in COP were observed. Chen et al. (2012) and Chen 

et al. (2011) compared HC‐290 and HC‐1270  in a split air conditioner and found that despite a drop  in 

cooling capacity of 8% and 4% respectively, COP was always higher than HCFC‐22. Park et al.  (2010) 

measured the performance of a split type air conditioner in heating mode and results showed that the 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 53 

capacity of HC‐1270 was 3‐10% higher than that of HCFC‐22 and the COP was 3% higher. HC‐1270 also 

has a lower discharge temperature than HCFC‐22. 

The charge mass is about 40% of HCFC‐22 and compared with HC‐290, HC‐1270 has a larger capacity 

which is useful to reduce the specific charge. Similarly, the obstacles and flammability risk for use of HC‐

1270 in air conditioners are similar to those of HC‐290. 

Some manufacturers of room air conditioners are developing products using HC‐1270. 

R‐744 

R‐744 has a low critical temperature, which results in significant efficiency losses when it is applied at the 

typical indoor and outdoor air temperatures of air‐to‐air air conditioning applications. This is particularly 

the case  in high ambient climates, which could result  in higher system costs  (Elbel and Hrnjak, 2008; 

Hafner et al., 2008; Johansen, 2008). R‐744 air conditioning systems typically operate above the critical 

temperature of R‐744 during heat rejection.  

R‐744 air conditioners operating in warmer climates (design temperatures greater than 30C) could have 

efficiencies approaching best  in class HFC based designs (Neksa et al, 2010); tested prototypes at 36°C 

ambient had COPs between 6% and 21% lower than the best R‐410A models. However, a number of design 

enhancements can be made to improve their efficiency. The efficiency of R‐744 systems can be improved 

through multi‐stage compression, addition of oil separators, use of refrigerant ejectors and expanders, 

various inter‐cycle heat exchangers, and cross‐counter‐flow heat exchangers, which take advantage of 

the favourable thermophysical properties of R‐744 (Xie et al., 2008; Wang et al., 2008; Koyama et al., 

2008; Li  and Groll,  2008; Peuker  and Hrnjak,  2008; Kasayer  et  al.,  2008). The  addition of  efficiency 

enhancing components can improve the efficiency of R‐744 systems, but will also increase the cost of R‐

744 systems.  

Gas cooler operating pressures for R‐744 systems are high; typically up 50 140 bar, with a mean system 

pressure near 50 bar (Ibrahim and Fleming, 2003). The required hydrostatic burst strength of systems 

operating at these high pressures would have to be approximately 300 (Bosco and Weber, 2008) to 400 

bar 

. The higher operating pressures contribute to high specific cooling capacity, thus allowing the reduction 

of  inner  diameters  of  tubes  and  lower  compressor  displacement  or  swept  volume.  The  smaller 

component diameters result in comparable wall thickness to address the high operating pressures of R‐

744. Design changes  required to address  the burst pressure  requirements of R‐744 systems may also 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 54 

result in manufacturing cost increases. The high cost of R‐744 systems, unless resolved, is expected to 

substantially hinder the adoption of R‐744 technology in air‐to‐air air conditioning applications. 

Air‐cooled R‐744 air conditioners are available in capacities from about 3 to 300 kW. Experimental results 

show  that R‐744  systems may compete  in energy efficiency with high efficiency R‐410A  systems  for 

moderate  climates  in  both  cooling  and  heating  mode;  however,  improvements  are  needed  to 

significantly increase the capacity, efficiency and reduce the peak electrical power requirements during 

the cooling mode in high ambient conditions (Jakobsen et al., 2007). 

The  solubility  of  R‐744  in  lubricant  is  relatively  high  at  the  crankcase  operating  pressures  of  R‐744 

compressors  (Dorin,  2001).  The  knowledge  base  of  information  on  lubricant  compatibility  in  R‐744 

refrigeration systems is expanding as more researchers conduct studies of R‐744 compressors (Hubacher, 

2002;  Li  et  al.,  2000;  Youbi‐Idrissi,  2003; Muller  and  Eggers,  2008).  Some  of  the  lubricants  being 

considered  for R‐744 systems are POEs, PAO, and naphthenic mineral oil or alkyl benzene  lubricants 

(Youbi‐Idrissi, 2003; Seeton, 2006). It is very likely that an oil separator will be needed in R‐744 systems 

because of the  large detrimental  impact oil circulation has on the heat transfer performance of R‐744 

(Muller and Eggers, 2008). 

R‐446A and R‐447A 

The blends R‐446A and R‐447A have  similar pressure and capacity characteristics  to R‐410A and are 

feasible for use in most types of air conditioning. Since they have class 2L flammability, the maximum 

charge is constrained for larger capacity systems. As with other flammable refrigerants, systems should 

be  designed,  constructed  and  installed  with  due  consideration  of  its  flammability,  as  well  as  due 

consideration to reclaim and recovery requirements during servicing and at end of life. 

The efficiency is comparable to that of R‐410A for moderate ambient temperatures. Both R‐446A and R‐

447A have higher critical temperature of around 84C and 83°C, respectively, compared to 71C for R‐

410A.  This  higher  critical  temperature  enables  them  to  have  a  higher  efficiency  at  high  ambient 

temperature (Sethi, 2013). 

The cost implications should be comparable to those of R‐410A, although marginally greater due to the 

higher refrigerant price at present.  

R‐444B 

Use of the R‐444B is feasible in split ACs, for example, where HCFC‐22 or R‐407C is already used. Since it 

has class 2L flammability, the appropriate safety standards should be followed. As with other flammable 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 55 

refrigerants,  systems  should  be  designed,  constructed  and  installed  with  due  consideration  of  its 

flammability, as well as due consideration to reclaim and recovery requirements during servicing and at 

end of life. 

The efficiency is comparable to that of HCFC‐22 and the liquid density indicates that the charge should 

be about 10‐15%  lower than HCFC‐22. R‐444B has a critical temperature similar to HCFC‐22 and thus 

substantially  higher  than  R‐410A,  which  implies  that  it  should  show  performance  at  high  ambient 

temperatures similar to HCFC‐22. Preliminary test results  indicate that R‐444B shows similar capacity 

and efficiency  to HCFC‐22  (Sethi et al, 2014). The cost  implications should be comparable  to  that of 

HCFC‐22 although probably greater due to the higher refrigerant price at present.  

Not‐in‐kind alternative technologies  

In past assessment reports, a number of potential new technologies were presented as options that could 

have a positive impact on the phase‐out of ODS refrigerants. Some of the technologies presented in prior 

assessments were: absorption, desiccant cooling systems, stirling systems, thermoelectric and number 

of  other  thermodynamic  cycles.  However,  a  search  of  the  literature  published  since  the  previous 

assessment has continued to confirm that most of these technologies have not progressed much closer 

to widespread commercial viability for air‐cooled air conditioning applications than they were at the time 

of the 1990 and the four subsequent assessment reports and will therefore not be discussed further. 

Water Heating 

In most non‐article 5 countries the transfer to non‐ODS refrigerants was completed several years ago. 

But, based on  its  favorable thermodynamic properties and high efficiency  in heat pump applications, 

HCFC‐22 is still in use for high and moderate temperature water and space heating heat pumps in the A5 

countries. 

When selecting refrigerants, both the direct and indirect climate impacts must be considered. For heat 

pumps, the reduction in emission resulting from replacing fossil fuel burning may be the most important 

factor regarding greenhouse gas emissions. 

Options for new heat pumps include HFC‐32, HFC‐134a, R‐407C, R‐410A, R‐417A, HFC‐1234yf, new HFC 

blends, HC‐290, HC‐600a, R‐744 and R‐717. 

HFC‐134a and HFC blends R‐407C, R‐417A and R‐410A 

HFC‐134a, R‐407C  and R‐410A  are  used widely  in  heat  pump  systems  and  are well  commercialized 

globally. R‐417A is used in heat pump application in existing systems as well as in new equipment.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 56 

These refrigerants are being used in high to low temperature water and space heating heat pumps, in 

countries where HCFC‐22 consumption reduction started  in advance of the Montreal Protocol. These 

refrigerants are used mainly in Europe. In Japan R‐410A is used and HFC‐134a and R‐410A are used in 

Canada and USA and to a lesser extent in Mexico and the Caribbean countries. R‐407C has been used to 

mainly  replace HCFC‐22  in  existing  product  designs  because minimal  design  changes  are  required. 

However, the use of R‐407C is declining in favor of the higher efficiency of R‐410A and lower system cost. 

To use R‐410A design changes are necessary to address its higher operating pressures and to optimize 

the system to its properties and thereby achieve a higher performance. Cascade heat pumps using HFC‐

134a and R‐410A are commercialized in high temperature combined space and hot water heating heat 

pumps  in  Europe.  These  heat  pumps  have  a  relatively  good  performance  and  can  operate without 

auxiliary electrical heaters. The heat pump can supply water at temperatures approaching 80 ºC. 

Most new heat pump products are using  refrigerant R‐410A because  it  results  in more compact and 

efficient systems when they are optimized. 

Air to water split cascade systems are put on the market using R‐410A for the low temperature and HFC‐

134a for the high temperature circuit. They guarantee high seasonal COP for colder climates even at high 

water sink temperatures, while keeping the required heating capacity without auxiliary electrical heaters. 

They are most used for combined space and hot water heating to replace existing boiler systems. 

Energy efficiency of R‐407C systems  is  typically poorer  than HCFC‐22, although similar COPs can be 

achieved if the system is carefully designed. R‐407C shows a pronounced temperature glide in practice, 

which can lead to operational difficulties.  

R‐417A  has  been  used  by  some manufactures  for  heat  pump water  heaters. R‐417A  provides  lower 

capacity than HCFC‐22 but has demonstrated its effectiveness at higher temperatures. 

As the cost of the refrigerant itself is minor in the total system cost, limited differences in refrigerant cost 

have a minor effect. The cost of components has a major  impact. A more compact design  results  in 

general in a lower cost. For larger systems the design pressure has a larger impact on the cost than for 

small systems. For small and medium size systems R‐410A  is  the most cost effective, while  for  large 

systems HFC‐134a is most effective. 

There are no significant barriers to their use at the moment, but the high GWP of the refrigerants may 

put them under pressure to changes for lower GWP fluids. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 57 

HFC‐32 

The use of HFC‐32 in water heating heat pumps is not commercialized yet on a larger scale.  

HFC‐32 has a higher operating efficiency than HCFC‐22 and R‐410A (Shigehara, 2001). It has saturation 

pressures slightly higher than R‐410A which  is approximately 60% higher  than HCFC‐22. The system 

refrigerant charge can be up to 43%  less than for HCFC‐22 while the energy efficiency  is the same or 

higher  (Yajima, 2000).  It has better heat  transfer and  transport properties  than R‐410A due  to  lower 

molar  mass.  Since  it  has  higher  discharge  temperatures  than  R‐410A  more  accurate  control  of 

temperature  is  necessary  especially  for  high  temperature  water  heating  heat  pumps  and  low 

temperature heat source. 

The direct cost of the pure HFC‐32 substance  is  lower than R‐410A, but this has  limited effect on the 

system  cost. Based on  the  refrigerant properties,  the equipment  is more compact and consequently 

potentially cheaper, while mitigation devices for high discharge temperature may add some cost. 

The main barriers are related to the safe use of the lower flammable refrigerants (class 2L by ISO 817). 

Standard ISO‐5149 is updated in 2014 and IEC‐60335‐2‐40 is in process of update to accommodate this 

new class. In general safety aspects during the  lifecycle of the equipment are  limited. However, some 

building  codes  do  not  allow  the  use  of  flammable  refrigerants  in  certain  type  of  buildings.  If  the 

refrigerant water heat exchanger is located in outside occupancy, the safety issue is easier to solve but 

frost prevention becomes an issue.  

HFC‐1234yf and other low‐GWP HFC blends 

HFC‐1234yf is similar in thermo physical properties to HFC‐134a. 

A number of other unsaturated chemicals are being identified in the patent literature as possible low‐

GWP refrigerants for heat pumps. Blends with HFC‐32 or HFC‐125 may make it possible to approach the 

properties of HCFC‐22 or R‐410A, but it results in a higher GWP than pure HFC‐1234yf. As sample supply 

of  these  refrigerants  is  very  limited,  it  is  too  early  to  judge whether  any  of  these  chemicals will be 

commercialized and will show acceptable performance and competitiveness in heat pump systems. Due 

to the price competitiveness pure HFC‐1234yf is not considered as a future solution. 

For water heating and space heating heat pumps using HCFC‐22, R‐410A, R‐407C, significant design 

changes would be  required  to optimize  for HFC‐1234yf. Some of  the  required changes  include  larger 

displacement compressors, larger diameter interconnecting and heat exchanger tubing and additional 

heat exchanger surface to offset lower heat transfer and higher flow resistance. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 58 

The  heat  transfer  is  expected  to  be  lower  than  for R‐410A  systems  because  of  its  lower  saturation 

pressure. The relatively higher pressure drop  in the refrigerant pipes and heat exchanger will result  in 

poor efficiency at high temperatures typical for heat pump water heaters.  

As a new molecule due to a different manufacturing process, the HFC‐1234yf and other Low‐GWP HFC 

blend refrigerants has significant higher cost than that of HFC‐134a. Components cost will be similar to 

HFC‐134a, but the flammability will have effect for larger systems due to the pressure vessel codes.  

R‐744 (carbon dioxide) 

Development of R‐744 heat pumps started around 1990 (Nekså, 1998). R‐744 heat pump water heaters 

were introduced to the Japanese market in 2001, with heat pumps for heating of bath or sanitary water 

as  the main  application.  Space  heating  heat  pumps  that  operate  at  lower  water  temperatures  in 

combination with hot water heating have also been developed, but  the numbers sold are  less. R‐744 

operates at very high pressures; approximately 5 times higher than HCFC‐22 and 3.5 times higher than 

R‐410A. This is an advantage enabling more compact system designs. The low critical temperature of R‐

744  results  in  trans‐critical operation. R‐744  refrigerant has been used primarily  in storage  type heat 

pump water heater applications. 

Continued growth of market for domestic hot water heat pumps is expected in Japan, Asia and to some 

extent  in  Europe.  Recently,  R‐744  heat  pumps  for  domestic  space  heating  application  have  been 

developed in Europe for use in cold climates if combined with very high temperature radiator type space 

heating.  For  commercial  buildings with  combined  radiator  and  air  heating  systems, R‐744  is  a  very 

promising refrigerant (Nekså, 2002). This also holds for new low energy buildings where the domestic 

hot water demand  is  large compared to the space heating requirement.  It  is not known what  level of 

market penetration R‐744 space heating heat pumps will experience. The ultimate market acceptance 

will  be  determined  by  the  system  economics,  energy  labelling  and  minimum  energy  efficiency 

requirements.  

R‐744 as refrigerant enables domestic water heating up to temperatures as high as 90 ºC without use of 

an auxiliary electrical heater. R‐744 may give a high performance when it is used with low temperature 

sources and high temperature sinks with a certain temperature difference between inlet and outlet water 

temperature (Steene, 2008). This makes it well suited for use in storage type heat pump water heaters in 

which low temperature inlet water is heated to a high temperature for thermal storage of domestic hot 

water. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 59 

Compared to HFC refrigerants design modifications are required to get equivalent performance with R‐

744  for  space  heating  alone  (Nekså,  2010).  To  obtain  high  efficiency  for  domestic  space  heating 

application is challenging if the difference between the high and low water temperature of the heat sink 

is  low. System designs enabling a  low water  return  temperature are  then  required  (Nekså, 2010) or 

introduction  of  work  recovery  components,  e.g.  ejectors  or  expanders may  overcome  the  energy 

efficiency barrier, but the cost for it may make the product less competitive.  

The cost of the working fluid  is  low. However, because of the high pressure, certain types of systems 

require more robust designs for pressure safety which adds cost, while specific tube dimensions are much 

smaller compared to current technology which gives the advantage of compact tubing and  insulation 

material. 

The main barrier is cost of the system and energy efficiency in some applications. 

Hydrocarbons 

Hydrocarbons (HCs) include three main refrigerants, HC‐290 (propane), HC‐1270 (propene) and HC‐600a 

(iso‐butane). 

At present HC‐290 systems are sold  in a  limited number of  low charge  level heat pump water heater 

installations  in Europe. While,  for hydronic  systems, with  ventilated  enclosures  configuration,  larger 

refrigerant  charges  are  allowed.  Use  in  Europe  has  declined  due  to  introduction  of  the  Pressure 

Equipment Directive (Palm, 2008) but some compressor manufacturers are now offering compressors 

for HC‐290 applications. 

The efficiency of HC‐290 and HC‐1270 in heat pumps is known to be good (Palm, 2008). 

The direct cost of the substance is favourable. Based on the refrigerant properties the equipment cost is 

similar to HCFC‐22 while mitigation devices for safety add some cost. 

The main barriers are related to the safety. For systems with parts, which are located in occupied spaces, 

the  allowable  charge  quantity  is  limited, whereas  for  systems  located  outside,  there  are  no major 

restrictions. The necessity to ensure that technicians are appropriately trained to handle the flammability 

of hydrocarbons is a main barrier. For equipment manufacturers the liability aspects combined with the 

costs for safety measures are the main barriers to extend the use of hydrocarbons. 

R‐717 (ammonia) 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 60 

R‐717 is used mainly for large capacity systems. It has also been used in a small number of reversible heat 

pumps and sorption ones. It is not expected to be used in small capacity water and space heating heat 

pumps.  

The energy efficiency of R‐717 heat pumps  is known to be very good. Crucial problems  in commercial 

ammonia direct expansion system  is oil return so as to achieve good heat transfer  in the evaporator. 

These problems can be solved by use of oil which is soluble in ammonia (Palm, 2008).  

The  cost  effectiveness  is  unfavourable  for  non‐industrial  process  use  due  to  equipment  and/or 

installations costs.  

The main barriers are related to safety aspects during the life cycle of the equipment and the minimal 

capacity  required  for cost‐effectiveness and certain national  regulations controlling  installation, even 

though it has been shown that small capacity heat pump systems can be designed to operate with very 

low charge of ammonia (100 g of ammonia for 9 kW heating capacity (Palm, 2008). 

The main obstacle for the commercialization of small capacity heat pump systems is the limited supply 

of components. Particularly, there are no hermetic or semi‐hermetic compressors for ammonia available 

and ammonia is incompatible with copper. 

Chillers 

Options for New Vapor Compression Chillers 

Fluorinated refrigerants 

Options to replace HFC‐134a in new chillers  

HFC‐134a  is  used  in  positive  displacement  chillers  and  centrifugal  chillers.  Heat  exchangers  with 

refrigerants on the shell side vs. inside the tubes and plate heat exchangers with refrigerant inside differ 

in their sensitivity to temperature glide which can occur with zeotropic refrigerant blends.  

Zeotropic mixtures offer the greatest flexibility in blending refrigerants to approximate the physical and 

thermodynamic properties of HFC‐134a  ‐ particularly  the general  trend of  the pressure/temperature 

relationships. There are a number of A1 refrigerant candidates with low glide and capacities close to HFC‐

134a with GWPs around 600. Candidates with low GWP (150 or less) all are in safety classes A2L or A3. 

Earlier studies based on thermodynamic properties suggest that the COP of chillers using one candidate, 

unsaturated HFC‐1234yf refrigerant, is not as good as for HFC‐134a (Kontomaris, 2009) and (Leck, 2010). 

However, a recent study based on chiller measurements indicates that the performance of R‐513A, an 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 61 

azeotropic blend, is equivalent to HFC‐134a (Kontomaris, 2013). Other evaluations of unsaturated HFCs 

for chillers have been done (Kontomaris, 2010a), (Kontomaris, 2010b), (Kontomaris, 2010c), and (Spatz, 

2008).  

Options to replace R‐410A in new chillers  

R‐410A  is  used  primarily  in  positive‐displacement water‐cooled  and  air‐cooled  chillers.  Although  it 

operates at higher pressure levels and lower volume flow rates, R‐410A became the successor to HCFC‐

22  in  the  capacity  ranges where hermetic  reciprocating and  scroll  compressors  commonly are used. 

Chillers with R‐410A generally employ DX heat exchangers, microchannel heat exchangers, or plate heat 

exchangers.  

One of the alternatives tested as a possible successor to R‐410A is HFC‐32. This refrigerant is used as a 

component in blends including R‐410A. HFC‐32 can be used in positive displacement chillers by itself and 

as a component in blends with HC‐600 (n‐butane), HC‐600a (isobutane), and other low GWP components 

because it has a moderate GWP, good energy efficiency, and high capacity in the vapour‐compression 

cycle. Disadvantages include flammability and operating pressure levels higher than for HCFC‐22. HFC‐

32  is classed as an A2L refrigerant. Chillers using HFC‐32 (other than as a blend component) have not 

been widely commercialized yet and will require changes to meet still‐to be‐developed safety codes and 

building standards. 

 Other alternatives identified during the Low‐GWP AREP program are blends that have similar or lower 

cooling capacities than R‐410A. Several of the blends have temperature glides of 5.6 K or less. All of the 

alternatives have higher estimated COPs than R‐410A. None of the alternatives have a GWP <150. All of 

the alternatives are in the A2L safety class.  

Options to replace HCFC‐22 in new chillers 

HCFC‐22 was favored for many years as a refrigerant for positive displacement chillers. HCFC‐22 also was 

used  in  some  centrifugal  chillers  produced  before  2000.  It was  phased  out  in  2012  for  use  in  new 

equipment in developed countries. HCFC‐22 still is offered for chillers in some Article 5 countries.  

The zeotropic mixture R‐407C served as a transition refrigerant. It allowed manufacturers to offer chillers 

with  a  zero ODP  refrigerant  by making modest  changes  in  their HCFC‐22  products. R‐407C  has  an 

appreciable temperature glide (5 K) so is not suitable for use in flooded evaporators that predominate in 

larger chillers. R‐407C still is used in Europe, on a more limited basis in Japan as a replacement for HCFC‐

22, and elsewhere as one of a number of zero‐ODP aftermarket drop‐in options for retrofits. The retrofit 

list includes R‐421A, R‐422D, R‐427A, R‐438A, and others. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 62 

The low‐GWP AREP program alternatives for HCFC‐22 include five A1 refrigerants. Three others are A2L 

refrigerants. The remaining candidates are A3, or in the case of R‐717, B2L A1 and A2L refrigerants have 

temperature  glides  so  system  designs  optimized  to  use R‐407C  are more  appropriate  than  systems 

designed  for HCFC‐22. The COPs of  the A1 and A2L  refrigerants are estimated  to be  lower  than  for 

equivalent HCFC‐22 systems. Only one A2L alternative has a GWP <150. The selection of a preferred 

candidate for further development in chillers has not been made. 

Refrigerant options for new centrifugal chillers 

Centrifugal  compressors  are  the most  efficient  technology  in  large  units,  those  exceeding  1700  kW 

capacity. Water chillers employing these compressors are designed for specific refrigerants.  

HFC‐134a is a popular choice for large centrifugal chillers. Two other refrigerants are also used. These 

refrigerants have particularly high thermodynamic efficiency and operate at  lower pressure  levels and 

higher volumetric flow rates than HFC‐134a. They are HCFC‐123 and HFC‐245fa. HCFC‐123 is a low‐GWP 

HCFC refrigerant which is subject to phase‐out under the Montreal Protocol in 2020. Large chillers using 

HCFC‐123 likely will continue to be produced in North America and China until the phase out occurs. HFC‐

245fa is an HFC which has found limited use in centrifugal chillers, heat pumps, and organic Rankine cycle 

(ORC) power generation cycles. HFC‐245fa has operating pressures higher than for HCFC‐123 but lower 

than for HFC‐134a. Chillers employing HCFC‐1233zd(E) have recently been introduced  on the European  

market. 

Non‐fluorinated refrigerants 

R‐717  

Chillers employing R‐717 as a  refrigerant have been available  for many years and are widely used  in 

industrial and central chiller plant systems. There are a number of installations in Europe, the Middle East, 

China, and the U.S.A. R‐717 chillers are available with open drive screw compressors in the capacity range 

100‐7000 kW. Chillers with open drive reciprocating compressors are available in the capacity range 20‐

1600 kW.  

R‐717 chillers are manufactured in small quantities compared to HFC chillers of similar capacity. Different 

materials of construction are used because R‐717 causes rapid corrosion of copper, the most widely used 

heat  exchange  surface  in HFC  chillers. Plate‐and‐frame  steel heat  exchangers  are  common  in R‐717 

systems.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 63 

R‐717 is better suited to water‐cooled chillers because of higher costs of air‐cooled R‐717 condenser coils. 

Information  on  R‐717  chiller  applications  in  building  air  conditioning  is  given  in  (Pearson,  2008a), 

(Pearson, 2008b), and (Pearson, 2012).  

R‐717  is not a suitable  refrigerant  for centrifugal chillers because  it  requires  four or more compressor 

stages to produce the pressure rise (“lift” or “head”) required.  

If the use of R‐717 refrigerant in chillers is to expand in the capacity range served by positive displacement 

compressors, particularly outside Europe, several impediments must be addressed: 

Chiller costs typically are higher than for HCFC and HFC chillers.  

Safety concerns with R‐717 in comfort cooling applications can increase installation costs. 

Building codes in some countries heavily restrict applications.  

None‐the‐less, the market for R‐717 chillers is growing in regions where concerns about the control of 

high‐GWP refrigerants are strong.  

Hydrocarbons 

Chillers employing hydrocarbons as a refrigerant have been available for many years, though typically 

only in small capacities (up to 200 kW) per refrigerant circuit and for outdoor applications. HC‐290 s used 

in chillers in air conditioning and industrial applications. HC‐290 and another hydrocarbon, HC‐1270, are 

used  in a  limited number of small (<1200 kW) air‐cooled chiller  installations  in Denmark, Norway, the 

United Kingdom, Germany,  Ireland,  the U.S.A.,  and New Zealand. Some Article 5  countries  such  as 

Indonesia, Malaysia, and the Philippines are applying hydrocarbon chillers to large space cooling needs. 

The current market for hydrocarbon chillers is larger than for R‐717 chillers on a global basis but still very 

small compared to the market for HCFC‐22 and HFC chillers.  

Apart from safety considerations, HC‐290 and HC‐1270 have properties similar to those of HCFC‐22. This 

allows their use in new equipment of current design after appropriate adjustments for safety aspects and 

different lubricants. Chillers employing hydrocarbon refrigerants are somewhat higher in cost than HFC 

chillers though modification of equipment originally designed for HCFC‐22 is fairly straightforward.  

All  safety  codes  impose  strict  requirements on  hydrocarbons  in  large  refrigerant  charges  in  chillers, 

particularly for  indoor chiller  installations  in machinery rooms. Accordingly, hydrocarbon chillers have 

not been adopted in all regions. In regions supporting hydrocarbon solutions the safety concerns have 

been addressed by engineering design,  technician  training, and changes  in building codes and safety 

standards. If experience is successful, the use of hydrocarbon chillers may grow in the future. However, 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 64 

in countries such as the U.S.A., regulations, building codes, and legal environments make it unlikely that 

hydrocarbons will be used in commercial chillers in the foreseeable future. 

Hydrocarbon refrigerants are in limited use in centrifugal chillers in petrochemical plants where a variety 

of very hazardous materials are  routinely used and  the staff  is highly  trained  in safety measures and 

emergency  response.  Hydrocarbon  refrigerants  have  not  been  used  in  centrifugal  chillers  for  air 

conditioning due  to  safety  code  restrictions,  concerns with  large  charges of  flammable  refrigerants, 

liability, and insurance issues.  

R‐744  

R‐744 air‐cooled chillers have been  introduced  in the northern European market. Both air‐ and water‐

cooled gas cooler versions are available. Models with cooling capacities from 40 to 500 kW are offered. 

In climates where the dominant cooling requirement  is at an average ambient temperature of 150C or 

less, these systems can be equivalent in energy efficiency and LCCP with systems employing HFCs, R‐

717, or HCs. R‐744 chillers are less attractive at higher ambient temperatures due to decreasing efficiency 

with increasing ambient temperature.  

There heat recovery to generate hot water at temperatures of 60oC or higher can be employed in a total 

energy strategy for a building, R‐744 chillers offer the advantage of being able to use waste heat to raise 

water to higher temperatures with higher efficiency than other refrigerants. Chilled water can be used to 

sub‐cool the refrigerant before expansion. For this application, R‐744 heat recovery chillers provide good 

efficiency. 

R‐718 

The very low pressures, high compression ratios, and high volumetric flow rates required in water vapour 

compression systems require high volumetric flow axial compressor designs that are uncommon in the 

chiller  field.    However,  several  research  projects  are  active  and  developmental  companies  have 

attempted their commercialization. A product was announced  in 2014 using water as the refrigerant. 

Applications for water as a refrigerant can chill water or produce an ice slurry by direct evaporation from 

a pool of water. R‐718 systems carry a cost premium above conventional systems. The higher costs are 

inherent and are associated with the large physical size of water vapour chillers and the complexity of the 

compressor technology. Several developmental chillers and commercial vacuum ice makers have been 

demonstrated  in Europe, the Middle East, and South Africa  including deep mine  refrigeration    (Jahn, 

1996), (Ophir, 2008), (Sheer, 2001), (Calm, 2011). 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 65 

Alternatives to mechanical compression systems (absorption and adsorption chillers)  

Adsorption chillers using water and zeolite also are an alternative (Boone, 2011). 

Vehicle 

Passenger Car and Light Truck Air Conditioning\ 

As already mentioned in the introduction, this report concentrates on vapour compression refrigeration 

cycle technology for vehicle air conditioning.  

Improved HFC‐134a Systems 

With the  introduction of the credit system  in the USA, and also upcoming  legislation  in Europe, more 

vehicle OEMs are introducing technologies to reduce energy consumption with HFC‐134a refrigerants. 

Many efficiency‐improving technologies are now being used in current production HFC‐134a systems, for 

example, internal heat exchangers, oil separators in compressors, increased use of externally controlled 

compressors, etc. 

HFC‐1234yf Systems 

HFC‐1234yf systems are able to reach  the same system performance and  fuel efficiency as HFC‐134a 

system if they use either an internal heat exchanger (IHX) or a condenser in which the subcooling area is 

enlarged by about 10% while keeping the same total exchange area (Zilio, 2009). In the latter case, HFC‐

1234yf  charge amounts  could  increase by a maximum of  10% depending on  the  system  layout. The 

addition of an IHX also generally  increases charge amount but some suppliers are reducing the liquid‐

side volume to minimize this and in some cases there are issues with pressure drop on the liquid side of 

the IHX. Thus, manufacturers are working now on ways to compensate for this and to reduce refrigerant 

charge further due to the higher (i.e., more than 10 times expected) cost of HFC‐1234yf as compared to 

HFC‐134a. Due to increased density of HFC‐1234yf versus HFC‐134a, it might be possible to reduce the 

charge amount depending on the system layout. 

HFC‐1234yf is designated as an A2L refrigerant, meaning that it is flammable under prescribed testing 

conditions but exhibits a lower burning velocity than other flammable refrigerants designated as class 2 

or  3  flammability  refrigerants  (ASHRAE,  2013).  The  flammability  potential  has  led  to  high  scrutiny 

surrounding the safe use of the refrigerant and possible ways to mitigate any risks.  

Carbon Dioxide (R‐744) Systems 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 66 

R‐744 refrigerant charge amounts are typically reduced by 20‐30% as compared to HFC‐134a systems. 

The US EPA has studied the potential use of R‐744 as a refrigerant under the US Clean Air Act’s Significant 

New Alternatives Policy (SNAP) Program and has SNAP‐listed R‐744 as an acceptable refrigerant with 

the following additional use conditions (USEPA, 2012a): 

Engineering strategies and/or mitigation devices shall be incorporated such that in the event of 

refrigerant leaks the resulting R‐744 concentrations do not exceed the short term exposure level. 

Vehicle manufacturers must keep records of the tests performed for a minimum period of three 

years demonstrating that R‐744 refrigerant levels do not exceed the STEL (short‐term exposure 

limit) of 3% averaged over 15 minutes in the passenger free space, and the ceiling limit of 4% at 

any time in the breathing zone. 

The use of R‐744 in MAC systems must adhere to the standard conditions identified in SAE J639 

Standard. 

R‐744, with appropriate  system design and  control, has been  shown  to be  comparable  to HFC‐134a 

systems with respect to cooling performance and total equivalent CO2 emissions due to MAC systems, 

and qualifies for use  in the EU under the current regulation (Directive 2006/40/EC).  In a generic study 

which does not depend on an actual state of development, Strupp (2011) compared the required energy 

input  (which  is proportional  to  the CO2 emission) of  typical R‐744 air conditioning systems with  low, 

medium and high energy efficiencies to a typical HFC air conditioning system. With a high resolution, his 

comparison takes into account the climatic region, the local population density, and the user behavior 

(how many cars are at a particular  time on a particular  road). He did  this comparison  for  the  typical 

climatic regions China, Europe, India, and USA, with the result that the differences between the required 

annual energy inputs to drive the different air conditioning systems in a particular climatic region are in 

a margin of plus/minus seven percent. 

R‐744 heat pumps are available from one German supplier as compact cooling and heating systems for 

the particular application in hybrid and battery driven electric vehicles (Hinrichs, 2011). In comparison to 

electric resistance heaters (positive temperature coefficient (PTC) heaters), which reduce significantly 

the vehicle fuel efficiency and hence driving range, R‐744 heat pumps operate at a substantial higher 

level of efficiency and offer the advantage of reducing only moderately the vehicle fuel efficiency and 

hence driving range (Steiner, 2014). 

Currently, technical hurdles (noise, vibration, harshness (NVH) reliability, and leakage) and commercial 

challenges (infrastructure development, handling, aftermarket servicing, additional costs, etc.) exist that 

will  require  resolution  prior  to  the  implementation  of  R‐744  as  a  general  refrigerant  for  car  air 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 67 

conditioning. As a consequence of the safety concerns of one German OEM regarding HFC‐1234yf,  in 

March 2013, four additional German car manufacturers proclaimed that they will also develop R‐744 (see 

for example Volkswagen, 2013).  

Together  with  suppliers  the  German  OEMs  are  working  seriously  (several  working  groups, 

standardization, etc.)  to  achieve  the  aim of  serial‐produced R‐744‐systems  in  the  year 2017  (see  for 

example Geyer, 2013; Pelsemaker 2013; and Leisenheimer, 2013). 

Carbon dioxide has also the potential to be used as working fluid in future car Organic Rankine Cycles 

(ORC) which could help improve the overall fuel efficiency of vehicles (see, for example, Chen, 2010 as 

well as Mitri, 2013). 

HFC‐152a Systems 

Because  of  its  flammability, HFC‐152a would  require  additional  safety  systems. Most  development 

activity has been focused on using this refrigerant  in a secondary  loop system but more probably  in a 

double secondary loop system as a means of assuring safe use. Refrigerant charge amounts in a direct 

expansion system could be reduced by 25‐30% in mass as compared to HFC‐134a and with a secondary 

loop system, typically 50%. Industry experts have discussed using HFC‐152a, but only in a secondary loop 

type  system. A  secondary  loop  system uses glycol and water as  the direct  coolant  in  the passenger 

compartment with this coolant being cooled under‐hood by the refrigerant. A double secondary  loop 

system uses glycol and water as the direct coolant passenger compartment and another glycol and water 

loop being used with the condenser. The use of two loops prevents refrigerant leaking  into passenger 

compartment or leaking during breach of condenser during an accident. Prototype HFC‐152a MACs and 

prototype vehicles using them have been demonstrated in the past years (for example, Craig, T, 2007 or 

Lemke, 2014). The obstacles to the implementation due to the additional cost, weight increases and size 

constraints are in part compensated by the advantages in case of Stop & Start thanks to the additional 

inertia of the system and the possibility to store cooling power. 

HFC‐152a  in a secondary  loop system has been shown to be comparable to HFC‐134a with respect to 

cooling performance and equivalent CO2 emissions due to MAC systems and qualifies for use in the EU 

under the aforementioned regulations.  

At present, only one car manufacturer has expressed a certain  interest  in adoption HFC‐152a as  the 

refrigerant for MAC serial production, due to NVH and cost (for dual evaporator systems) advantages 

related to the secondary loop system (Andersen, 2013).  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 68 

With many new  vehicle designs, using a  secondary  loop  system may have  advantages  for  idle  stop, 

cooling batteries or on‐board electronics cooling. It also reduces the amount of refrigerant and leak rate 

for  multi‐evaporator  installations  since  chilled  coolant  is  circulated  throughout  the  vehicle  not 

refrigerant. 

An Italian and a German OEM jointly completed an EU financed project with a double loop (liquid cooled 

condenser and  chiller) whose  concept has been presented on  a  light duty  commercial demo  vehicle 

(Malvicino, 2012); the same concept has been proposed also for hybrid and electric vehicles (Leighton, 

2014).  

In  China,  some  of  the  vehicle  companies  are  using  R‐415B  as  refrigerant, which was  developed  as 

alternative refrigerant for CFC‐12 and HFC‐134a. It consists of 75% by mass HFC‐152a and 25% HCFC‐22. 

Unsaturated Fluorinated Hydrocarbons and Blends containing Unsaturated Fluorinated Hydrocarbons  

In addition to HFC‐1234yf, some zeotropic blends are still considered as possible candidates in vehicle air 

conditioning systems by many  researchers. Two mildly  flammable blends were  introduced by a  large 

chemical  company, which  has  a  history  that  traces  its  roots  to HFC‐134a  and  other  fluorochemical 

production in England. This chemical company registered the lesser flammable of the two blends at the 

January 2013 ASHRAE meeting with a nominal mass composition of 6% (±1%) R‐744, 9% (±1%) HFC‐134a 

and 85% (±2%) HFC‐1234ze(E). It is designated R‐445A. The other blend, designated R‐444A, is 12% HFC‐

32, 5% HFC‐152a and 83% HFC‐1234ze(E) by mass and  is also registered with ASHRAE. Presentations 

regarding these two blends were made at the annual SAE symposiums in Scottsdale, AZ and Troy, MI 

(see  for  example  Peral‐Antunez,  2011;  Atkinson  and  Hope,  2012;  Peral‐Antunez,  2012;  and  Peral‐

Antunez, 2013). 

Both blends are below  the European Community  regulated global warming  limit of 150. Both blends 

exhibit some flammability, with a designated A2L safety rating under ASHRAE Standard 34‐2013. The 

blends  are  being  evaluated  by  a  Cooperative  Research  Program  (CRP)  under  SAE  rules.  The more 

flammable  blend  (R‐444A)  matches  the  LCCP  (life  cycle  climate  performance,  a  measure  of 

environmental  impact)  of  HFC‐1234yf,  whereas  the  lesser  flammable  blend  (R‐445A)  needs  some 

improvement in efficiency to reach LCCP equality. However, engineering approaches to reach this point 

are believed to have been identified, and if the significant temperature glide (20K and more) also proves 

to be manageable, R‐445A would be the preferred blend because of its lower potential flammability than 

HFC‐1234yf. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 69 

The CRP  reports said  that  the more  flammable blend R‐444A has a pressure‐temperature curve and 

cooling efficiency close to both HFC‐134a and HFC‐1234yf, that its flammability is similar to HFC‐1234yf, 

and that the glide is similar to zeotropic blends in stationary cooling.  

Atkinson and Hope (2012) as well as Peral‐Antunez (2012, 2013) report of significant different leakage 

rates of the three components which could lead to a concentration shift after some operating time or due 

to  servicing.  However,  the  team  around  Peral‐Antunez  (2014)  encountered  no  significant  leakage 

problems during a four month/50,000 km on‐the‐road test of two new cars equipped with R‐445A MAC 

systems. Compared  to HFC‐134a, R‐445A has  a higher high‐side pressure  (about 2bar) and a higher 

compressor discharge temperature (about 10K). Due to the high temperature glide it has the risk of ice 

formation in the evaporator (Koehler et al. 2013, and Li 2013). Owing to the high temperature glide R‐

445A has the potential to be used as a heat pump fluid. Overall toxicity was described in promising terms 

for both blends and a preliminary toxicology estimate for the Occupational Exposure Limit, assigned by 

the CRP, shows that both are higher than the 500 ppm of HFC‐1234yf and close to the 1000 ppm for HFC‐

134a. 

Hydrocarbons and Blends containing Hydrocarbons 

In Australia  and  the USA,  hydrocarbon  blends,  sold  under  various  trade  names,  have  been  used  as 

refrigerants to replace CFC‐12 and to a  lesser extent for HFC‐134a. The retrofits with HCs are  legal  in 

some Australian states and illegal in others and in the USA. US EPA has forbidden the uses of HCs for 

retrofit but has considered the possible use of HCs for new systems, but  is awaiting proof that safety 

issues have been mitigated. 

HCs or HC‐blends, when correctly chosen, present suitable thermodynamic properties  for the vapour 

compression cycle and permit high energy efficiency to be achieved with well‐designed indirect systems 

(same systems as the secondary loop system presented above for HFC‐152a). Nevertheless, even with 

indirect systems, HCs are so far not seen by the  largest part of vehicle manufacturers as replacement 

fluids for mass‐produced AC systems due to safety concerns. 

The combined needs of advanced thermal systems and air conditioning for hybrid and electric vehicles 

and  lower  GHG  emissions  makes  promising  the  introduction  of  a  compact  refrigeration  unit 

incorporating an electric compressor and fully sealed and pre‐charged design. The compact refrigeration 

unit being constituted by two liquid cooled exchangers (chiller and condenser and where requested of an 

internal heat exchanger) is able to produce hot or cold coolant, normally a water‐glycol mixture, and to 

minimize the refrigerant charge and leak. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 70 

With this perspective, the use of hydrocarbons or blends of them becomes once again interesting, being 

such fluids are worldwide available, cheap and with a very low environmental impact.  

The use of a compact refrigeration unit with a double loop enables the opportunity to mitigate the issue 

related to refrigerant leak allowing very low charge (‐50%). Furthermore it enables also the use of the air 

conditioner as heat pump without the need of a 4 way valve, making easier the thermal management of 

the  batteries  and  electronics.  This  approach  is  under  development  in  Italy  and  Germany  and  the 

components are already available from different leading suppliers in Italy, France, as well as in Germany 

and US. 

Hydrocarbons have also the potential to be used as working fluid in future car Organic Rankine Cycles 

which could help improve the overall fuel efficiency of cars (Preißinger, 2012 and Mitri, 2013). 

Bus and Rail Air Conditioning 

Mass  transit  vehicles  involve  buses,  coaches  and  rail  cars,  which  can  further  be  segmented  to 

conventional  trains, high speed  trains,  trams, subways, etc. As compared  to passenger cars,  their air 

conditioning  systems  are  larger  in  size, have  a higher  cooling  capacity,  and  in general use modified 

commercial components. They are usually packaged specifically for each application. 

The mass transit vehicle fleet is smaller than that of passenger cars. The latest statistical data for the 27 

European  countries  show  that  per  1000  inhabitants,  there  are  approx.  1.6  buses  and  coaches,  0.1 

locomotives and rail cars, and 477 passenger cars (Statistical Handbook, 2012). The number is assumed 

to be  different  elsewhere  (in  the North America  and  Japan, more  passenger  cars  than mass  transit 

vehicles; in developing countries, the reverse). It may be assumed that, on average, at least 50% of the 

current EU mass  transit vehicle  fleet  is air‐conditioned. Both climate and economic conditions would 

determine the likelihood of air conditioning in transit vehicles in other regions. 

Today, most buses and coaches have the entire air‐conditioning system mounted in the roof, except for 

the compressor, which is driven from the vehicle engine. The air conditioning units for rails cars can have 

a similar concept, especially if powered by diesel engines. But more often, in about 75% of cases, the air 

conditioning systems in rail cars are self‐contained and electrically powered. The self‐contained concept 

reduces both the charge and the leakage rate.  

The predominant refrigerant used in new buses and coaches is HFC‐134a. While several years ago the 

refrigerant  charge  used  to  be  in  the  excess  of  10  kg  per  unit  (Schwarz,  2007),  the  introduction  of 

microchannel condensers as well as component downsizing reduced the current refrigerant charge below 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 71 

5 kg in the new systems. The air conditioning units for rail cars use HFC‐134a and R‐407C in about equal 

share. A small fraction of rail cars use R‐410A. The refrigerant charge is about 10 kg.  

In China, heat pump systems are used for thousands of electric buses, which utilize the refrigerant blends 

R‐407C and R‐410A. As train air conditioning units usually are hermetic systems with hermetic or semi‐

hermetic compressors, their system design is based more on stationary air conditioning than on mobile 

air conditioning. Here R‐410A is preferred. 

Older systems  in developing countries still utilize HCFC‐22. According to  the European statistics,  the 

average age of a European bus or coach is 16.5 years. Although the rail car units are designed to last for 

more than 30 years, technological progress and fleet upgrades determine their lifetime to about 20 years. 

Even  before  a  rail  car  reaches  its  end‐of‐life,  a major  overhaul  is  often  performed wherein  the  air 

conditioner is replaced. 

Although  limited by  its volume, the mass transit vehicle  industry  follows closely the developments  in 

passenger cars and other fields. A large German manufacturer has on‐going fleet tests of R‐744 systems 

in buses since 2003 (see for example Eberwein, 2011; Schirra, 2011; and Sonnekalb, 2012).  In the year 

2012 a Polish bus manufacturer started selling battery‐driven electric busses with reversible R‐744 heat 

pump  systems  for heating and cooling  (Solaris, 2012). The significant potentials of energy efficiency 

improvements  of  R‐744  bus  air  conditioning  systems,  due  to measures  like  cylinder  bank  shut‐off 

controls, ejectors, and  two‐speed planetary gearbox  compressor drives, were  investigated by Kossel 

(2011) and Kaiser (2012). 

The Low‐GWP Alternative Refrigerants Evaluation Program of AHRI  investigated  the use of drop‐in 

alternative refrigerant blends in bus air conditioning (N‐13a [R‐450A] and AC5 [R‐444A] as alternatives 

for HFC‐134a, and L‐20 [by mass 45% HFC‐32/20% HFC‐152a/35% HFC‐1234ze(E)] and D52Y [by mass 

15% HFC‐32/25% HFC‐125/60% HFC‐1234yf]as alternatives for R‐407C). They found mostly comparable 

or lower energy efficiencies for bus air conditioning systems which used the alternative blends (Kopecka, 

2013a and 2013b). 

Environmental and  fuel price concerns  lead bus and  coach manufacturers  to pursue development of 

hybrid and battery driven electric vehicles. The concept makes traditional engine‐driven compressors 

obsolete and favors self‐contained hermetic systems, where the refrigerant charge and leakage rate are 

lower. The electric power  is  supplied either  from  the on‐board  sources, or engine‐driven generators. 

These  systems  are  not  limited  to  electric  vehicles,  but  can  be  applied  also  in  traditional  buses  and 

coaches. Installations can be found in trolleybuses. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 72 

3. SUBSTITUTES AND PROPERTIES: 

The following points should be considered when selecting a substitute refrigerant for any refrigeration 

cycle: 

The compressor has been designed to operate efficiently at a given input and output pressure. 

The difference between the high and low pressure is called the “head” or “lift”. It is important for 

substitute refrigerants to operate at pressures similar to the original refrigerant. 

Refrigerants  with  similar  boiling  points  produce  similar  refrigeration  effect  with  a  given 

compressor.  

It  is desirable for the substitute refrigerant to be able to transfer as much heat as the original 

refrigerant in the same heat transfer area of the current evaporator and condenser of the system. 

The refrigerant comes into direct contact with the motor materials in hermetic systems; hence, 

the refrigerant must be compatible with these materials and must not have an adverse impact 

upon any materials in the system even after years of contact at high temperatures and pressures. 

The substitute refrigerant must also be compatible with gasket materials. 

The lubricant should be selected such it is compatible with both the substitute refrigerant, motor 

materials and gasket materials. 

A denser refrigerant will need a larger liquid line to accommodate the greater flow rate without 

an increase in the pressure drop. 

Cost of manufacture. 

Toxicity and flammability 

Environmental Impact 

4. RETROFITTING: OPTIONS  FOR EXISTING SYSTEMS:  (REF: RTOC‐ASSESSMENT‐

REPORT‐2014) 

Domestic: 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 73 

Non‐Article 5 countries completed conversions of new equipment production to non‐ozone depleting 

substances (ODSs) more than 15 years ago. Later, a number of Article 5 countries also completed their 

conversion, e.g. India by 2003. Therefore, most products containing ozone depleting refrigerants are now 

approaching the end of their life cycle. 

Field conversion to non‐ODS refrigerants has significantly  lagged original equipment conversion. The 

distributed and individual proprietor character of the service industry is a barrier to co‐ordinated efforts 

to convert from ODS refrigerants. Field service procedures typically use originally specified refrigerants. 

Refrigerant blends developed specifically for use as drop‐in service alternatives have had limited success. 

The interested reader is referred to the 1998 report of this committee for an extended discussion of field 

repair and conversion options (UNEP, 1998).  

Limited  capital  resources  also  favoured  rebuilding  service  options  in  Article  5  countries  versus 

replacement  by  new  equipment.  Rebuilding  has  the  accompanying  consequence  of  voiding  the 

opportunity  to  significantly  improve  product  energy  efficiency  and  reduce  stress  on  the  power 

distribution grid. 

Field service conversion to non‐ODS alternatives e.g. HFC‐134a, and HFC and HC blends,  is not being 

done  significantly.  In  some  countries,  the  old  units  are bartered  for  new  appliances  using  non‐ODS 

alternatives. The cost of extensive  reconfiguration potentially  required  to properly convert  for use of 

alternative refrigerants is a significant deterrent to this approach.  

In  the  case  of  conversion  to  HC  blends,  safety  considerations  require  that  any  flammable  fluid 

accumulation within an enclosed volume must avoid the potential within that volume for an electrical 

spark, electrical arc or surface temperature above the auto‐ignition temperature of the leaked gas in air. 

The  extent  of  in‐service product modification  to  assure  this  is dependent upon  the  original product 

configuration. The original equipment manufacturer is most familiar with the product construction and 

should be consulted for required modifications prior to decision to proceed. 

Cold‐wall‐evaporator constructions require leaking refrigerant to diffuse through the refrigerator inner 

liner  or  flow by  convection  through  apertures  in  the  liner  in  order  to  accumulate within  the  cooled 

volume. There is a low probability of significant gas accumulation. Additionally, electrical components 

located within the cooled volume are limited and consequently there is a low probability of an ignition 

source within the enclosed volume. Economical drop‐in conversion of this configuration is alleged to be 

viable as per some reports, but procedure definition by the original manufacturer should be sought prior 

to decision to proceed. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 74 

Thin‐wall evaporators positioned within the cooled volume are a common construction for automatic‐

defrost refrigerators. Leakage of refrigerant can accumulate within the cooled volume and the risk of 

ignition is dependent on whether the rate of leakage is sufficient to result in a combustible mixture within 

the cooled volume. Additionally, electrical components are commonly located within the cooled volume, 

such as, thermostats, convective fans, defrost heaters, lights, icemakers, etc., increasing the probability 

of an ignition source being present. The viability of a drop‐in conversion will depend upon the extent of 

original construction modification required to achieve an acceptable configuration. Again, conversion 

procedure definition by the original manufacturer is prudent and should be sought prior to decision to 

proceed. 

Commercial: 

This section covers the retrofit options for the installed base of equipment. For stand‐alone equipment, 

there is no real incentive to change the refrigerant because the refrigeration circuit is totally brazed and 

hermetic, and this type of equipment will be changed based on  its current  lifetime,  if no heavy  leaks 

occur. However, a few options for stand‐alone equipment are:  R‐448A or R‐449A for R‐404A and R‐450A 

for HFC‐134a. This  list can be expected to grow as more manufacturers release alternates for existing 

refrigerants and equipment. 

The  R‐407  series  of  refrigerants  like  R‐407A,  R‐407F  and  R‐427A  are  now  used  in many  developed 

countries as retrofit refrigerants for R‐404A depending on  individual manufacturers’ approvals. These 

refrigerants, including R‐407C, are commercially available and are also formulated to replace HCFC‐22. 

Other HFC blends with GWP lower than 2000, such as R‐448A and R‐449A (and others not yet assigned 

ASHRAE numbers) will be also commercially available in 2015 and will be candidates to replace HCFC‐22 

and R‐404A. In fact, the most important issue for the replacement of HCFC‐22 in developing countries 

will be to find replacement options at acceptable costs; given the fact that developing countries will lag 

the developed nations in adopting these changes, the cost of these changes can be expected to be better 

when Article  5  countries  are  ready  to make  the  change Depending  on  the  lifetime  of  refrigeration 

systems, the retrofit option  is part of the refrigerant management plan required to follow the phase‐

down  schedule. Recovery and  recycling of existing  refrigerants  represent a  strong option  in order  to 

smooth the transition from present day refrigerants to a series of lower GWP options.  

Industrial: 

Systems using HCFC‐22 have been converted to zero ODP refrigerants, but it is difficult to replicate the 

operating  conditions  of  HCFC‐22  and  so  conversions  often  involve  an  element  of  equipment 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 75 

replacement. Before committing to any large scale retrofit project consideration should be given to the 

age of the plant, the cost of replacement with a modern, more efficient system and the risks to continued 

operation of retrofit. 

Conversion to HFC blends 

There are numerous blends for the replacement of HCFC‐22 in DX (superheat controlled) systems, but 

there is none that replicates the pressure temperature relationship of HCFC‐22 without significant glide, 

and so  these blends are much  less common  in  flooded systems where  fractionation of  the blend  is a 

concern. Where  industrial systems are converted to a blend  it may also be necessary to change  from 

mineral or alkyl benzene lubricant to a synthetic ester. Some blends are formulated with hydrocarbons 

in  the mix  so  that,  although  still  non‐flammable,  the  lubricant  is more miscible  and  less  likely  to 

accumulate in the evaporator of the system. For a large flooded system it might be appropriate to convert 

the compressors and condensers to an HFC blend, but convert the low pressure side to a secondary fluid, 

or  even  R‐744  as  a  volatile  secondary.  Retrofitting  of  HCFC‐22  plant  in  Article  5  countries  is  very 

uncommon to date. 

Conversion to R‐744 

The high operating pressure of R‐744 systems makes it highly unlikely that an existing HCFC‐22 system 

could be converted to operate on R‐744. Conversion to a cascade system is possible, greatly reducing the 

inventory of fluorocarbon refrigerant in the system. It may even be possible to reuse the low pressure 

pipework and evaporators  in the system  if they are suitably  rated. A cold storage or  freezing system 

operating as a cascade on R‐744 could be limited to an allowable pressure of 25 bar gauge, however this 

is a complex retrofit and it may well be more economic to replace the whole plant, especially if it is already 

more than ten years old. 

Conversion to R‐717 

In a very few cases a pumped HCFC‐22 plant has been converted to R‐717 (Jensen, 1996). In some cases 

the compressors and evaporative condensers are suitable for either refrigerant, and pipework is probably 

welded steel in large applications. If the evaporators are copper tube then they need to be replaced. It is 

imperative  that  the  system  is carefully  cleaned during  the conversion because any  residual  traces of 

HCFC‐22, for example in lubricant will react with R‐717 to produce a solid foam which can block all the 

internal  components.  Triple  evacuation with  nitrogen  purging  is  probably  necessary  –  this  is  time‐

consuming and expensive and again plant replacement should be considered. In the majority of cases, in 

all countries, equipment using HCFC‐22 is not suitable for this conversion. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 76 

Conversion to hydrocarbon 

Unlike R‐744 and R‐717 it is technically feasible to remove HCFC‐22 from existing systems and replace it 

with HC‐290, however it is highly likely that the resultant system will not comply with safety codes on 

the use of hydrocarbons because the refrigerant quantity will not comply with charge restrictions and the 

electrical infrastructure will not be suitably protected. A conversion of this type is believed to have been 

responsible for a fatal accident in New Zealand in 2008 (NZFS, 2008). A consequence of rapid phase out 

of HCFCs in Article 5 countries might be an increase of this type of conversion without adequate controls. 

There is however a case for a controlled conversion from HCFC‐22 to HC refrigerant (HC‐290 or HC‐1270) 

where the system efficiency can be improved. In this case it is essential that suitable safety measures are 

ensured. 

Transport 

Road equipment and intermodal containers 

The  lifetime  of  road  equipment  and  intermodal  containers  usually  does  not  exceed  12  to  18  years, 

respectively. It is determined by their heavy duty and in Europe by the ATP scheme, which has a 3‐year 

recertification period after the first 6‐year in operation. HCFC refrigerants, if any are still in use, are being 

fast replaced by HFCs. Eutectic and cryogenics systems on vehicles are not limited by safety, space and 

other requirements of transport application, and so can use a variety of refrigerants in their stationary 

systems. 

Of the HCFC and CFC containing fluids, R‐502 was widely used in the road transport industry after 1960, 

to overcome issues with HCFC‐22. The retrofit options include R‐408A, R‐402A (both contain HCFC‐22), 

R‐404A or R‐507A which, however, require a component change.  

Testing of  low‐GWP alternatives  (below GWP 150, usually containing unsaturated HFCs)  to  the most 

widely used R‐404A is in progress elsewhere. An AHRI AREP participant conducted side‐by‐side “drop in” 

comparisons of  three  state‐of‐the‐art  low‐GWP 2L  flammable  fluids  (Kopecka, 2013). The evaluation 

showed that these 2L flammable fluids were not suitable for R‐404A retrofit in the field. 

Recent  studies  identified  various  non‐flammable  blends  that  offer  different  combination  of  GWP 

(ranging between 1300 and 2200), ease of retrofit, properties, performance and consistency with R‐404A. 

These blends are safe, they have GWP significantly lower than R‐404A, and in some cases they can be 

directly dropped into existing units. This makes them a likely solution for the R‐404A installed population 

as well as new systems.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 77 

The list includes and is not limited to R‐407A, R‐407F, R‐448A, R‐449A and R‐452A (Mota‐Babiloni, 2014, 

Minor, 2014).3 

In this group of non‐flammable blends, R‐452A stands out as easy and direct drop  in, able to achieve 

equivalent performance as R‐404A without additional system changes. The GWP is at approx.2100. On 

the other hand, R‐448A and R‐449A stand out as lower GWP (approx. 1400) options, requiring system 

changes with  various  degree  of  complexity  (typically  addition  of  liquid  injection  to  limit  discharge 

temperatures).  

At  present  between  3.5  and  6%  of  the  refrigerated  ISO  container  fleet  has  been  found  to  contain 

counterfeit  refrigerants, many  containing  chlorine with  an ODP  (Lawton,  2012).  It  is  assumed  that 

refrigerant cost and limited availability put a pressure to adopt inexpensive counterfeit refrigerants with 

the subsequent environmental damage. Taxing of existing HFCs (for instance based on GWP) will likely 

increase the use of counterfeit refrigerant. 

Vessels 

The lifetime of vessels is considerably longer than that of the road equipment and intermodal containers. 

Vessels  are  in  operation  for  30  years  on  average. Merchant  and  cruise  ships  are  among  the  newer 

equipment. The average age of a merchant vessel has been decreasing from 18.9 years in 2008 to 16.7 

years in 2012 (ISL, 2012). The number of cruise ships and their size has about doubled in the last decade 

(ISL, 2011). 

HCFC‐22 has been the dominant refrigerant  in many marine applications. Now  it  is being phased out 

gradually and many plants are retrofitted. R‐417A, R‐422D and R‐427A have mainly been used to retrofit 

HCFC‐22 which remains the most common refrigerant in the existing fleet. 

In large passenger ships/cruise liners, large chillers are being used. The most used refrigerant in new ships 

used to be HFC‐134a but also R‐410A has been used frequently. For retrofit of existing AC systems other 

HFC  alternatives  such  as  R‐407C  and  R‐427A  require  modifications  to  the  equipment  to  reach  a 

reasonable efficiency. HCFC‐123 never became a real option aboard ships, possibly because of higher 

toxicity. 

It is anticipated that marine AC systems will follow the development of new solutions seen in on‐shore 

systems, perhaps with a small delay of some years due to the long expected life of the systems onboard 

ships. 

Air to Air 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 78 

As the HCFC phase‐out proceeds in non‐Article 5 or Article 5 countries, there remains a need to service 

the installed population of products until the end of their useful lives. When servicing these products the 

treatment of refrigerant can fall into the following categories: 

Use existing refrigerant 

Refrigerant replacement only 

Retrofit (refrigerant change and system components) 

Conversion (to flammable refrigerant) 

Most of  these categories are  likely  to be  important  for Article 5 countries because systems are often 

repaired several  times  in order  to extend  their useful  lives. There are a  large number of Low Volume 

Consuming (LVC) countries, which import rather than manufacture air‐conditioners where most of the 

HCFC consumption  is used  to service  the  installed base of air‐conditioners.  In  these countries, HCFC 

consumption can be reduced by the use of service refrigerants or by retrofitting existing equipment to 

non‐ODP  refrigerants. An  additional  less  desirable  option  because  of  cost would  be  to  replace  the 

existing equipment before the end of its useful life. In non‐Article 5 countries, unit replacement is more 

common because the costs associated with performing a major repair or retrofit can often be greater 

than the cost to replace the product. The need for retrofit and replacement refrigerants will  largely be 

determined by  the  size  of  the  installed population  of HCFC‐22 products, HCFC phase‐out  schedule, 

allowed “service tail”i, the availability of HCFC‐22 and the recovery and reclaim practices in place leading 

up to the phase‐out. The installed population of air conditioners and heat pumps has an average service 

life  in non‐Article 5  countries of  15  to 20  years  and may be  longer  in Article 5  countries. Therefore, 

implementing  recovery  and  reclaim  programmes  coupled  with  the  availability  of  replacement  and 

retrofit refrigerants could help reduce the demand for HCFC‐22.  

Using the existing refrigerant following a repair, one can follow normal practices using virgin, recycled or 

reclaimed refrigerant (i.e., typically HCFC‐22).  

For refrigerant replacement only, HCFC is replaced with a blend, but without changing the lubricant used 

in  the  original  equipment  or  any  other  system  component.  Refrigerants  used  for  this  activity  are 

sometimes referred to as “service blends” or “drop‐ins”. Such a change in refrigerant in most cases results 

in a lower capacity and/or efficiency, different operating pressures, temperatures and compressor power 

compared to HCFC. 

Retrofit  refers  to  not  only  changing  the  refrigerant,  but  also  system  components  such  as  lubricant 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 79 

(although not always necessary), filter dryer (if required) and more extensive modifications which could 

include the replacement of the compressor, refrigerant, lubricant, dryer, expansion device, and purging 

and flushing the system to remove all residual lubricant from the system. Retrofitting can be substantially 

more costly than using existing refrigerant, replacing the refrigerant without additional changes or even 

unit replacement; it is probably not cost effective if either the compressor or heat exchangers have to be 

replaced.  

Conversion  is where  the  existing  refrigerant  is  replaced with  another without  necessarily  having  to 

address the refrigeration circuit components and lubricant in the same way as retrofit, but because the 

replacement refrigerant is flammable, the external aspects of the equipment, such as potential sources 

of ignition, have to be addressed. However, since this is a complex process and can lead to unforeseen 

safety  risks,  it  is not normally  recommended. Again, such a change  in  refrigerant can affect capacity 

and/or efficiency, operating pressures, temperatures, lubricity, etc., to HCFC.  

In the case of refrigerant replacement and retrofit in HCFC systems, the GWP of the new should also be 

given consideration as many blends have a GWP higher than HCFC.  

In  all  cases,  before  changing  the  refrigerant  it  is  recommended  that  the  system manufacturer  be 

consulted.  

Replacement refrigerants only 

There  are  several  refrigerants  currently  introduced  to  replace HCFC‐22  for  servicing. They  generally 

combine two or more HFC refrigerants with a small amount of HC (or certain HFC refrigerants, such a 

HFC‐227ea), which are added to the blend to enable the refrigerant to work with the naphthenic mineral‐

oil‐based and alkyl benzene lubricants used in nearly all HCFC‐22 air conditioning systems. Thus these 

refrigerants attempt to mimic the performance of HCFC‐22. However, they seldom perform as well as 

HCFC‐22; having either lower capacity, efficiency or both. For example, in a split air conditioner Spatz 

and Richard (2002) showed that R‐417A exhibited a 10% drop in both capacity and COP at standard test 

conditions, compared to HCFC‐22. Calorimeter tests of Allgood et al. (2010) showed that R‐438A has a 

capacity and COP around 7% and 2% lower than HCFC‐22, respectively. A study by Messineo et al. (2012) 

found that none of the HFC blends, R‐417A, R‐407C and R‐404A performed better than HCFC‐22 when 

measured in field trails in an air conditioning system.  

Although  not  conventionally  used  for  air  conditioners,  Bolaji  (2011)  compared  R‐404A  and  R‐507A 

against HCFC‐22 in a window air conditioner. The average refrigeration capacities of R‐507A and R‐404A 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 80 

were 4.7% higher  and 8.4%  lower  than  that  of HCFC‐22,  respectively, while  the  average COP were 

increased by 10.6% and reduced by 16.0%. 

In addition to the performance and efficiency impacts the blends may not perform the same for oil return. 

HCs are added to allow for the oil return, but it may not be as effective and problems could result at lower 

loads and extreme operating point seen during high ambient temperatures and heat pump operation. 

Compressor  and  system manufacturers  often  carry  out  evaluations  of  such  refrigerant  options  and 

provide recommendations as to which they believe are suitable for use in their equipment. Information 

on the application of these blends can be obtained from manufacturers. It may also be recognised that 

since  some HCFC‐22  compressors  are  now  supplied with POE  oils, R‐407C  or  similar HFCs  could  in 

principle be used as a direct replacement. 

Retrofit refrigerants 

A number of the HFC blends proposed for alternatives to HCFC‐22 in air conditioners, are also deemed 

as suitable retrofit refrigerants for HCFC‐22 systems. 

Provided that the compressor already uses a mineral oil, a change from HCFC‐22 to R‐407C requires that 

the existing naphthenic mineral oil or alkyl benzene synthetic oil lubricant be replaced and filter driers 

that  are  able  to  absorb  breakdown  products  from  synthetic  lubricants  should  also be  installed. The 

disadvantage of using high glide blends  is  the need  to  remove and  replace  the entire charge during 

servicing  to  avoid  substantial  composition  shift.  However,  because  R‐407C  has  a moderate  glide, 

laboratory and field experience indicates R‐407C can be serviced without replacing the entire refrigerant 

charge with minimal  impact on performance. The other HFC blends will tend to have similar practical 

implications as R‐407C.  

Conversion to flammable refrigerants 

HC refrigerants such as HC‐290, HC‐1270 and blends including these as well as HC‐170 and R‐E170 (e.g., 

R‐433A, R‐433B, R‐433C, R‐441A and R‐443A) are being used as conversion replacements for HCFC‐22 in 

some regions, typically in small systems (such as window and single splits). Some countries are including 

this approach in their HCFC phase‐out strategies, whilst the practice is not legal in other countries (such 

as in USA). While these refrigerants may provide capacity and efficiency close to HCFC‐22, this practice 

can create a significant safety hazard because of the flammability of these refrigerants. In general, HCs 

are not recommended for use in systems that have not been specifically designed appropriately. If HCs 

are  being  considered  then  the  applicable  safety  standards  and  codes  of  practice  should  be  strictly 

followed.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 81 

In addition to the above, there are also some other mixtures with class 3 flammability being marketed, 

which in addition to HCs also comprise R‐E170 (dimethyl ether) and HFC‐152a. For example, Park et al. 

(2009a) measured  performance  of  R‐431A  and  HCFC‐22  under  air‐conditioning  and  heat  pumping 

conditions. Results showed that the COP of R‐431A is 4% higher than that of HCFC‐22 while the capacity 

of R‐431A is similar under both conditions. Comparing the performance of R‐432A and HCFC‐22, Park et 

al. (2009b) showed that the COP and capacity of R‐432A are 9% and 2 – 6% higher for both conditions. 

Water Heating 

As for most water heating heat pumps there is no refrigerant field piping involved the option to replace 

the total unit is in many cases the better economical solution. For larger units located in places where the 

replacement of the total unit may be difficult, sometimes the option is taken to replace components such 

as the compressor, expansion device, gaskets, safety devices and oil. For that purpose manufacturers of 

the equipment sometimes provide special retrofit packages.  

Chillers 

When CFC and HCFC refrigerants are phased out (and  in several countries that phased out HFCs), the 

functions performed by chillers employing those refrigerants have to be supported in one of the following 

ways: 

Retain/Contain:  continued  operation with  stocked  and/or  reclaimed  inventories  in  conjunction with 

containment procedures and equipment modifications to reduce emissions. 

Retrofit: modification to allow operation with alternative refrigerants (HFCs where permitted) depending 

on applicable regulations. 

Replace:  early  retirement/replacement  with  new  chillers  (preferably  having  higher  efficiency  which 

reduces energy‐related climate impact) using allowed refrigerants or not‐in‐kind alternatives,  

The retrofit options depend on the specific refrigerant for which the chiller was originally designed. When 

any retrofit is performed, it is recommended that the machinery room be upgraded to the requirements 

of the latest edition of safety standards such as ASHRAE 15 (ASHRAE, 2013), and EN 378 (EN, 2008) or 

international standards such as ISO 5149 (ISO, 2014). It is also recommended that the manufacturers of 

the equipment be consulted in any retrofit program. 

Positive displacement chillers 

A  positive  displacement  compressor  inherently  can  be  applied  to  handle  a  number  of  different 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 82 

refrigerants and pressure ratios in a chiller if its motor has adequate power, the compressor, tubing, heat 

exchangers, and other components can meet pressure codes and regulations with the refrigerants, and 

the system materials and  lubricant are compatible with the refrigerants. Despite this  flexibility, there 

remain a number of issues in retrofitting positive displacement chillers to operate with new refrigerants.  

Centrifugal chillers 

Centrifugal  compressors  by  nature must  be  designed  specifically  for  a  particular  refrigerant  and  a 

particular set of operating conditions for the refrigerant cycle in which they are used. Direct refrigerant 

substitution  in  centrifugal  chillers  can be made only  in  cases where  the properties of  the  substitute 

refrigerant are nearly the same as those of the refrigerant for which the equipment was designed, or 

when  the  impeller  speed and/or  impeller geometry can be  changed easily.  In  the past  this has been 

accomplished by gear changes  in open drive chillers and with variable speed drives  in both open and 

hermetic compressor chillers. The compressor surge margin must be checked using the properties of the 

substitute refrigerant. 

Non‐vapor compression chiller replacements – absorption    

The most common absorption chiller is the water‐lithium bromide solution type, both direct and indirect 

fired versions. When comparing the size of a mechanical vapour compression chiller with an absorption 

chiller of similar capacity, the absorption chiller is about 25 to 50 % bulkier. This factor may be crucial 

when retrofitting existing systems because of the size of access ways and corridors. Another important 

factor  is  the  cooling  tower  requirement of  an  absorption  chiller. Because  absorption  chillers  require 

cooling for their condenser as well as their absorbers where the mixing of the refrigerant and absorbent 

occurs, resulting  in the emission of heat of mixing and heat of solution that need to be removed, the 

cooling  tower  of  an  absorption  system  can  be  30  to  60 %  larger  than  that  of  a mechanical  vapour 

compression system of a similar capacity.  

On the other hand, the  replacement of a mechanical vapour compression system with an absorption 

system  saves  a  portion  of  the  electric  consumption  of  the  building.  This  reduces  the  capacity 

requirements for the transformer, electric switchboards, and electric conduits. Provision has to be made 

for suitable gas piping and  train when a natural gas  fired system  is used. Absorption systems do not 

require anti‐vibration mounting since they have few moving parts. 

Vehicles: 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 83 

Retrofit of CFC‐12 systems 

There are 12 blend refrigerants that are approved by the USEPA under the SNAP regulation for retrofit 

of CFC‐12 systems (USEPA, 2013); however, many of these have seen only minimal use and some were 

never fully commercialized. Retrofit to HFC‐134a was approved by the OEMs and was more commonly 

used if a retrofit was deemed appropriate. In a 2013 MAC survey about 6% of all cars were still operating 

with CFC‐12 and about 10% of all cars had been  retrofitted  to HFC‐134a  (Atkinson, 2014). However, 

retrofitting of CFC‐12 vehicles has declined significantly primarily due to the declining fleet of vehicles 

with CFC‐12 MACs and in part due to the continued availability of reclaimed CFC‐12. In the USA, the sale 

of CFC‐12 is restricted only to certified technicians. 

Hydrocarbon retrofits 

Retrofit of HFC‐134a and CFC‐12 systems to hydrocarbons is still occurring in various regions, particularly 

in Australia and to some extent in North America even though vehicle OEMs and some regulatory bodies 

do not approve of this process due to inadequate safety mitigation 

   

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 84 

5. LUBRICATION: 

a. Definition: (Wikipedia) 

Lubrication is the process or technique employed to reduce friction between, and wear of one or both, 

surfaces  in  close  proximity  and moving  relative  to  each  other,  by  interposing  a  substance  called  a 

lubricant between them. With fluid  lubricants the applied  load  is either carried by pressure generated 

within the liquid the due to the frictional viscous resistance to motion of the lubricating fluid between the 

surfaces, or by the liquid being pumped under pressure between the surfaces. 

b. Functions: (Wikipedia) 

Lubricants perform the following key functions: 

Keep Moving Parts Apart 

Lubricants are  typically used  to  separate moving parts  in a  system. This has  the benefit of  reducing 

friction  and  surface  fatigue,  together with  reduced heat generation, operating noise  and  vibrations. 

Lubricants achieve this in several ways. The most common is by forming a physical barrier i.e., a thin layer 

of lubricant separates the moving parts. This is analogous to hydroplaning, the loss of friction observed 

when a car tire  is separated from the road surface by moving through standing water. This  is termed 

hydrodynamic  lubrication.  In  cases of high  surface pressures or  temperatures,  the  fluid  film  is much 

thinner and some of the forces are transmitted between the surfaces through the lubricant. 

Reduce Friction 

Typically the lubricant‐to‐surface friction is much less than surface‐to‐surface friction in a system without 

any  lubrication. Thus use of a  lubricant  reduces  the overall  system  friction. Reduced  friction has  the 

benefit  of  reducing  heat  generation  and  reduced  formation  of  wear  particles  as  well  as  improved 

efficiency. Lubricants may contain additives known as friction modifiers that chemically bind to metal 

surfaces  to  reduce  surface  friction  even  when  there  is  insufficient  bulk  lubricant  present  for 

hydrodynamic lubrication, e.g. protecting the valve train in a car engine at startup. 

Transfer Heat 

Both gas and liquid lubricants can transfer heat. However, liquid lubricants are much more effective on 

account of their high specific heat capacity. Typically the liquid lubricant is constantly circulated to and 

from a cooler part of the system, although  lubricants may be used to warm as well as to cool when a 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 85 

regulated  temperature  is  required. This  circulating  flow  also determines  the  amount  of  heat  that  is 

carried away  in any given unit of  time. High  flow systems can carry away a  lot of heat and have  the 

additional benefit of reducing the thermal stress on the lubricant. Thus lower cost liquid lubricants may 

be used. The primary drawback is that high flows typically require larger sumps and bigger cooling units. 

A secondary drawback is that a high flow system that relies on the flow rate to protect the lubricant from 

thermal stress is susceptible to catastrophic failure during sudden system shut downs. An automotive oil‐

cooled turbocharger is a typical example. Turbochargers get red hot during operation and the oil that is 

cooling them only survives as  its residence time  in the system  is very short (i.e. high flow rate).  If the 

system  is  shut down  suddenly  (pulling  into a  service area after a high  speed drive and  stopping  the 

engine) the oil that is in the turbo charger immediately oxidizes and will clog the oil ways with deposits. 

Over time these deposits can completely block the oil ways, reducing the cooling with the result that the 

turbo charger experiences  total  failure  typically with  seized bearings. Non‐flowing  lubricants  such as 

greases  and  pastes  are  not  effective  at  heat  transfer  although  they  do  contribute  by  reducing  the 

generation of heat in the first place. 

Carry Away Contaminants And Debris 

Lubricant circulation systems have the benefit of carrying away internally generated debris and external 

contaminants that get introduced into the system to a filter where they can be removed. Lubricants for 

machines that regularly generate debris or contaminants such as automotive engines typically contain 

detergent and dispersant additives to assist in debris and contaminant transport to the filter and removal. 

Over time the filter will get clogged and require cleaning or replacement, hence the recommendation to 

change a car's oil filter at the same time as changing the oil. In closed systems such as gear boxes the 

filter may be supplemented by a magnet to attract any iron fines that get created. 

It is apparent that in a circulatory system the oil will only be as clean as the filter can make it, thus it is 

unfortunate  that  there are no  industry standards by which consumers can  readily assess  the  filtering 

ability of various automotive filters. Poor filtration significantly reduces the life of the machine (engine) 

as well as making the system inefficient. 

Transmit Power 

Lubricants known as hydraulic  fluid are used as  the working  fluid  in hydrostatic power  transmission. 

Hydraulic  fluids  comprise  a  large  portion  of  all  lubricants  produced  in  the  world.  The  automatic 

transmission's torque converter is another important application for power transmission with lubricants. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 86 

Protect Against Wear 

Lubricants prevent wear by keeping the moving parts apart. Lubricants may also contain anti‐wear or 

extreme pressure additives to boost their performance against wear and fatigue. 

Prevent Corrosion 

Good quality lubricants are typically formulated with additives that form chemical bonds with surfaces, 

or exclude moisture, to prevent corrosion and rust. It reduces corrosion between two metallic surface and 

avoids contact between these surfaces to avoid immersed corrosion. 

Seal For Gases 

Lubricants will occupy the clearance between moving parts through the capillary force, thus sealing the 

clearance. This effect can be used to seal pistons and shafts. 

6. SELECTION AND REQUIREMENTS (MOBILINDUSTRIAL.COM) 

From a technical standpoint, the lubricant selected for a refrigeration system must 

• be suitable for lubricating the type of compressor used in the refrigeration system 

• have the appropriate miscibility and solubility characteristics with the refrigerant fl uid 

Refrigeration Compressor Lubrication 

Three types of compressors are predominantly used in industrial refrigeration systems: 

• Reciprocating  compressors —  the oil  lubricates  cylinders, connecting  rods, and  journal and  thrust 

bearings; and maintains good sealing in compressing the refrigerant 

• Screw compressors — the oil lubricates the screw(s) (except in dry screw units), and sliding and thrust 

bearings; maintains good sealing; and cools down compressed gas 

• Centrifugal compressors — the oil lubricates sliding, antifriction, and thrust bearings as well as shaft 

packing and multipliers gears; provides proper sealing; and in many cases cools the compressor parts 

Scroll or rotary vane compressors are also used in some refrigeration systems. 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 87 

7. OIL  LUBRICANTS  PROPERTIES  (REF:  UNEP,    MANUAL  FOR  REFRIGERATION 

SERVICING TECHNICIANS ) 

Low wax  content: Separation of wax  from  the  refrigeration oil mixture may plug  refrigerant  control 

orifices  

• Good thermal stability: It should not form hard carbon deposits and spots in the compressor, such as in 

the valves of the discharge port  

• Good chemical stability: There should be little or no chemical reaction with the refrigerant or materials 

normally found in systems  

• Low pour point: This is the ability of the oil to remain in a fluid state at the lowest temperature in the 

system  

• Good miscibility and solubility: Good miscibility ensures that the oil will be returned to the compressor, 

although a too high solubility may result in lubricant being washed off the moving parts  

•  Low  viscosity  index:  This  is  the  ability  of  the  lubricant  to maintain  good  oiling  properties  at  high 

TEMPERATURES  AND  GOOD  FLUIDITY  AT  LOW  TEMPERATURES  AND  TO  PROVIDE  A  GOOD 

LUBRICATING FILM AT ALL TIMES.  

8. OIL  LUBRICANT  CATEGORIES  (Ref:  UNEP,    Manual  for  Refrigeration  Servicing 

Technicians ) 

Basically, there are six main categories of refrigeration lubricants:  

• mineral oils (MO)  

• alkyl benzene oils (AB)  

• polyol ester oils (POE)  

• poly alpha olefin oils (PAO)  

• poly alkyl glycol oils (PAG)  

Traditionally, CFC refrigerants have been used with mineral and alkyl benzene oils for the lubrication of 

compressors.  This  is  now  undergoing  change, with  the  introduction  of HFC  refrigerants, which  are 

immiscible with the traditional mineral oils, and need the use of synthetic oils for miscibility and oil return.  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 88 

9. MINERAL COMPOSITION (ASHRAE 2002) 

Mineral compounds in refrigeration oils are grouped into the following structures: 

1. Paraffins 

2. Naphthenes (cycloparaffins) 

3. Aromatics 

4. Nonhydrocarbons 

These four structural components do not necessarily exist in pure states. The first three structures are 

usually attached to each other in chains. For simplicity, mineral oil composition is described by molecular 

analysis as follows: 

For refrigeration oils, the most important structural molecules are: 

1. Saturates (or nonaromatics) – composed of paraffins and/or naphthenes only 

Excellent chemical stability 

Poor solubility with some refrigerants such as R‐22 

Poor boundary lubricants (surface‐to‐surface contact lubrication)  

2. Aromatics – composed of aromatics attached to paraffins and/or naphthenes 

More reactive than saturates 

Very good solubility with refrigerants 

Good boundary lubricating properties 

3. Nonhydrocarbons – composed of S, N2 or O2 in addition to C and H2.  

Most reactive 

Good boundary lubricating proper 

10. COMPATIBILITY AND APPLICATIONS (readbag.com) 

Miscibility:  

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 89 

Generally large refrigerant systems, particularly those using ammonia as a refrigerant, are equipped with 

oil separators. In these systems, it is desirable to use a lubricant that is immiscible or has low miscibility 

with the refrigerant fluid.  

With systems not equipped with oil‐separation capability, the lubricant carried over from the compressor 

into the evaporator must be sufficiently miscible with the refrigerant at the evaporator temperature so 

that the refrigerant fluid–lubricant blend remains in one phase after expansion in the evaporator and at 

a  sufficiently  low  viscosity  to  travel  through  to  the  compressor.  If  the  lubricant  separates  in  the 

evaporator due to poor miscibility with the refrigerant fluid, or the blend viscosity is high, fluid is likely to 

get trapped in the evaporator and adversely affect the system’s cooling capacity and efficiency.  

Solubility:  

• Another important consideration for proper lubricant selection is to ensure that the viscosity of 

the lubricant, after absorption of gaseous refrigerant at the high compressor temperature, is sufficient 

for effective lubrication of the compressor. 

11. SYNTHETIC LUBRICANTS: (Wikipedia) 

Synthetic  oil is  a lubricant consisting  of chemical  compounds that  are  artificially made  (synthesized). 

Synthetic lubricants can be manufactured using chemically modified petroleum components rather than 

whole crude oil, but can also be synthesized from other raw materials. Synthetic oil is used as a substitute 

for lubricant refined from petroleum when operating in extremes of temperature, because, in general, it 

provides  superior  mechanical  and  chemical  properties  to  those  found  in  traditional mineral  oils. 

Aircraft jet engines, for example, require the use of synthetic oils, whereas aircraft piston engines do not. 

Synthetic lubricants are also used in metal stamping to provide environmental and other benefits when 

compared to conventional petroleum and animal fat based products. 

The limited solubility of mineral oils with R‐22 and R‐502, and the lack of solubility in nonchlorinated 

fluorocarbon refrigerants, such as R‐134a and R‐32, has led to the use of synthetic lubricants.  

Fluorocarbon lubricants are expensive. 

The three synthetic lubricants of greatest use are  

1. Alkylbenzene – for R‐22 and R‐502 

Good solubility with R‐22 and R‐502 

  MODULE 2 NOTES: ALTERNATIVE REFRIGERANTS FOR DIFFERENT SECTORS AND LUBRICANTS. 90 

Better high‐temperature stability than mineral oils 

2. Polyglycols – for R‐134a and R‐32 blends 

Commonly used as lubricants in automotive AC systems using R‐134a 

Excellent lubricity 

Low pour points 

Good low‐temperature fluidity 

Require additives for chemical and thermal stability 

3. Polyol Esters – for R‐134a and R‐32 blends 

Used with HFC refrigerants in all types of compressors 

High viscosity indices 

                                                             

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS1  

 

   

MODULE 3. NOTES 3 WEEKS 

CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE 

& MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING 

AND REFRIGERATION SYSTEMS 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS2  

1. INTRODUCTION  AND  DEFINITION  OF  CONTAINMENT  (Reference:  UNEP: 

Manual for Refrigeration Servicing Technicians) 

Containment  is  the general concept of  retaining  the  refrigerant within  the equipment by 

having  leak‐proof  joints and seals, pipelines, etc, and handling the refrigerant  in a manner 

that minimizes refrigerant releases. Leak detection  is a basic element of containment and 

must  take  place  in  manufacturing,  commissioning,  maintenance  and  servicing  of 

refrigerating  and  air‐conditioning  equipment,  as  it  allows  measuring  and  improving 

conservation of refrigerants.  

2. REFRIGERANT  LEAKAGE:  (Reference:  UNEP: Manual  for  Refrigeration  Servicing 

Technicians) 

There are three general means of identifying whether refrigerant may be leaking from a 

system:  

Global methods ‐ such as fixed refrigerant detectors, which indicate that there is the 

presence of refrigerant, but they do not actually locate a leak. They are useful at the 

end of manufacturing and each time the system is opened up for repair or retrofit. 

Local methods  ‐ where  a  technician  uses  gas  detection  equipment  to manually 

pinpoint the location of the leak. This is the usual method used during servicing.  

Automated performance monitoring systems – which indicate that a leak exists by 

alerting operators to changes in equipment performance. This can indicate that there 

is a deficit of refrigerant within the system. 

It  is  important  to  recognize  the  difference  between  “refrigerant  detection”  and  “leak 

detection”: refrigerant detection is the identification of the presence of refrigerant, and leak 

detection is the identification of the location where refrigerant is, or could be, emitted from. 

Thus,  refrigerant  detection  is  normally  required  for  detecting  leaks,  but  it  requires  the 

technician to manually search for the leak source. 

3. RECOVERY, RECYCLING &RECLAMATION (Reference: UNEP, 2010 REPORT OF THE 

REFRIGERATION, AIR CONDITIONING AND HEAT PUMPS TECHNICAL OPTIONS COMMITTEE) 

The  need  to  conserve  or  recovery  refrigerant  has  led  the  industry  to  develop  a  specific 

terminology: 

Recover means  to  remove  refrigerant  in  any  condition  from  a  system  and  store  it  in  an 

external container. 

Recycle means to extract refrigerant from an appliance and clean it using oil separation and 

single or multiple passes through filter‐driers which reduce moisture, acidity, and particulate 

matter.  Recycling normally takes place at the field job site. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS3  

Reclaim means to reprocess used refrigerant, typically by distillation, to specifications similar 

to that of virgin product specifications.  Reclamation removes contaminants such as water, 

chloride, acidity, high boiling residue, particulates/solids, non‐condensables, and impurities 

including other refrigerants with different boiling points. Chemical analysis of the refrigerant 

shall be required to determine that appropriate specifications are met.  The identification of 

contaminants and required chemical analysis shall be specified by reference to national or 

international  standards  for new product  specifications.   Reclamation  typically occurs at a 

reprocessing or manufacturing facility. 

Destruction means to destroy used refrigerant in an environmentally responsible manner.   

Recovery Methods  

Since a recovery unit will remove more refrigerant from a system than any other practicable 

method, its use should be regarded as the norm and not the exception. Recovery units are 

being more widely used due to their increasing availability. It is important to use appropriate 

equipment considering the characteristics of the refrigeration or air conditioning system and 

the technical specifications of the recovery unit regarding mainly capacity of the unit, rate of 

recovery, and type of refrigerant that can be recovered. As with vacuum pumps, recovery 

units will work much more efficiently  if connection hoses are kept as short and as  large  in 

diameter as possible. However, not being able to get a recovery unit close to a system is not 

an acceptable excuse for not using one. If long hoses have to be used, all that will happen is 

that  recovery  will  take  longer.  There  is  no  longer  any  acceptable  reason  or  excuse  for 

releasing refrigerants into the atmosphere.  

 

Recovery units are connected to the system by available service valves or line tap valves or 

line piercing pliers as shown in the image. Some of them can handle refrigerants in vapour 

phase and others in both vapour and liquid phases by throttling the liquid before it enters the 

compressor. For vapour‐only  recovery machines,  it must be ensured  that  the compressor 

does not  suck  in  liquid  refrigerant as  this will cause serious damage. Many have onboard 

storage vessels.  

 

 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS4  

Vapour Transfer  

On larger refrigeration systems this will take appreciably longer than if liquid is transferred. 

The connection hoses between recovery units, systems and recovery cylinders should be kept 

as short as possible and with as large a diameter as practicable.  

 

Liquid Transfer  

Until  recently,  it  was  unheard  of  to  recover  direct  liquid.  But  with  the  use  of  oil‐less 

compressors and constant pressure regulator valves,  it’s become the preferred method of 

recovery by most  recovery equipment manufacturers. Oil‐less  recovery equipment has an 

internal device  to  flash off  the  refrigerant. Oil‐less compressors will  tolerate  liquid only  if 

metered through a device like a CPR (crankcase pressure regulating) valve. Don’t attempt to 

use the liquid recovery method unless your unit is designed to recover liquid.  

Liquid recovery is performed the same way as standard vapour recovery. The only difference 

is that you will connect to the high side of the system. Recovering liquid is ideal for recovering 

large amounts of refrigerant.  

 

If the recovery unit does not have a built‐in liquid pump or is otherwise not designed to handle 

liquid, then liquid can be removed from a system using two recovery cylinders and a recovery 

unit. The recovery cylinders must have two ports and two valves, one each for liquid and one 

each  for vapour connections. Connect one cylinder  liquid port directly to the  refrigeration 

system at a point where liquid refrigerant can be decanted. Connect the same cylinder vapour 

port  to  the  recovery  unit  inlet. Use  the  recovery  unit  to  draw  vapour  from  the  cylinder, 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS5  

thereby reducing the cylinder pressure, which will cause liquid to flow from the refrigeration 

system in to the cylinder. Take care as this can happen quite quickly.  

The second cylinder is used to collect the refrigerant from the recovery unit as it draws it from 

the first cylinder. If the recovery unit has adequate onboard storage capacity this may not be 

necessary. Once  the  entire  liquid  refrigerant  has  been  recovered  from  the  refrigeration 

system, the connections can be relocated and the remaining refrigerant recovered in vapour 

recovery mode.  

Push And Pull Liquid Recovery  

There is another method for liquid recovery; more common than that described previously, 

called the “push and pull” method. If you have access to a recovery cylinder, the procedure 

will be successful if you connect the recovery cylinder to the recovery units vapour valve, and 

the  recovery  cylinder  liquid  valve  to  the  liquid  side on  the disabled unit  as  shown  in  the 

diagram.  The  recovery  unit  will  pull  the  liquid  refrigerant  from  the  disabled  unit  when 

decreasing the pressure in the recovery cylinder. Vapour pulled from the recovery cylinder by 

the recovery unit will then be pushed back to the disabled unit’s vapour side. 

 

Recycling Of Refrigerant  

Recovered refrigerant may be reused  in the same system from which  it was removed or  it 

may be removed from the site and processed for use in another system, depending upon the 

reason for its removal and its condition, i.e., the level and types of contaminants it contains. 

There are many potential hazards  in  the  recovery of  refrigerants, and  recovery and  reuse 

need to be monitored carefully. Potential contaminants in refrigerant are acids, air, moisture, 

high boiling residues and other particulate matter. Even low levels of these contaminants can 

reduce  the working  life  of  a  refrigeration  system  and  it  is  recommended  that  recovered 

refrigerant should be checked before reuse.  

Refrigerant  from a unit with a burnt‐out hermetic compressor  is  reusable providing  it has 

been recovered with a recovery unit incorporating an oil separator and filters and that it has 

been checked for acidity. To check the acid content of any reclaimed oil it is necessary to use 

a refrigeration‐oil‐test‐kit. Usually it is only a matter of filling a test bottle with the oil to be 

tested and mixing it with the test liquid inside. If result shows purple: oil is safe. If liquid turns 

yellow this would show the oil is acidic ‐ and refrigerant/oil should not be used in system. Such 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS6  

material should be sent for reclamation or destruction. There are in the market several units 

that  recovers,  recycles,  evacuates  and  recharges  –  all  in  one  fast,  continuous  operation 

through one hook‐up; these are called refrigerant recycling machines. If it is to be returned, 

the  next  issue  is  the  condition  of  the  refrigerant. When  the  oil  is  separated  from  the 

refrigerant,  the  vast majority  of  the  contaminants  are  contained  in  it. Most  refrigerant 

recycling machines  utilize  filter‐driers  to  remove  any  other moisture  and  acid  as well  as 

particles. It is generally acceptable to return this refrigerant to the system.  

The real problem occurs when there is a burnout in a hermetic compressor. A burnout is the 

result of electrical failure inside the compressor of the refrigeration system. This can be due 

to variety of factors. Contamination of the refrigerant in this situation can range from mild to 

severe. Two recycling standard methods are used by equipment on the market. The first is 

referred to as single pass, and the other is a multiple pass. There is equipment that provides 

operation in both methods.  

The  single  pass  recycling  machines  process  refrigerant  through  filter‐driers  and  /or 

distillation. It makes only one trip from the recycling process through the machine and then 

into the storage cylinder.  

 

The multiple pass method re‐circulates the recovered refrigerant many times through filter‐

driers. After a certain period of time or number of cycles, the refrigerant is transferred into a 

storage  cylinder. Multiple‐passes method  recycling  takes  longer,  but  depending  on  the 

refrigerant  level  of  contamination  and moisture  it may  be  essential,  for  example,  if  it  is 

particularly dirty.  

 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS7  

Reclamation And Separation 

One means of  conservation  is  the  establishment of  a  reclamation  scheme.   Reclamation 

involves the recovery and reclamation of used refrigerant back to virgin specifications.  Once 

reclaimed, used refrigerants are repacked and sold to new users.  Reclamation is essentially, 

a market‐based industry.  If there is no demand for a particular refrigerant, the costs to send 

recovered refrigerant to reclamation facilities will be a disincentive to reclaim.  Efforts must 

be  initiated early on with  refrigerant  supply  companies  to  support  the  take back of used 

refrigerant.  Many service establishments (particularly for motor vehicle air‐conditioning) will 

not be able to afford storage for recovered refrigerants awaiting reclamation.   The cost of 

sending small quantities of recovered refrigerant to reclamation facilities is a disincentive to 

reclamation  efforts.   Such disincentives  promote  venting  of  stockpiled  refrigerant.   Care 

should  be  taken  by  policy makers  to  eliminate  parallel  (and  potentially  illegal)  routes  to 

market.  Such avoidance of improperly reclaimed used refrigerants requires strict auditing of 

the refrigerant distribution chain. 

Reclamation practices, which process used refrigerant back to near virgin specifications, are 

necessary to protect the quality of the refrigerant stock as well as the equipment containing 

the  refrigerant.    Likewise,  reclamation  also  extends  the  lifespan  of  the  refrigerant  and 

decreases the dependency on virgin refrigerant by placing it back into service and prolonging 

the use of used refrigerants. 

Reclaimed refrigerant refers to refrigerant which has been processed and verified by analysis 

to meet specifications that are similar to newly manufactured product specifications.  There 

is technically very little difference between virgin and reclaimed refrigerant.  One exception 

is  the  allowable  content  of  specific  hazardous  or  toxic  components  that  result  from  the 

manufacture or decomposition of virgin fluorocarbons. 

The use of reclaimed refrigerant has the advantage of avoiding possible system breakdowns, 

as a direct result of contaminated refrigerant, which might lead to refrigerant emissions.  As 

reclaimed  refrigerant  meets  new  product  specifications,  it  often  has  the  support  of 

equipment manufacturers who maintain guarantees on their equipment.  One advantage to 

reclaiming is that the measurements of refrigerant, which have actually been recovered, are 

easily obtained.  However, reclamation does require a costly infrastructure, which may only 

prove  viable when  potential  for  financial  return  of  recovered  refrigerant  is  sufficient  to 

overcome the initial investment of the company performing reclamation. 

Mixed  refrigerants, meaning  refrigerants  that are cross contaminated during  the  recovery 

process, are of  concern due  to  their negative  impact on  systems’ performances, possible 

equipment damage  if reused  in another system, and the high cost for their disposal.   This 

condition of mixture can be caused by chemical reactions such as in a hermetic compressor 

motor burnout, but more likely by bad service practices.  The following steps can be taken to 

minimise the probability of mixing refrigerants: 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS8  

1. Properly clean  recovery units,  including all hoses and cylinders  in accordance with 

manufacturer’s suggestions or dedicate a piece of recovery equipment to equipment 

suspected to contain mixed refrigerant. 

2. Test and identify suspect refrigerant (for example, by using a refrigerant  identifier) 

before consolidating  into  larger batches and before attempting to recycle or reuse 

the refrigerant. 

3. Keep appropriate records of refrigerant inventory. 

4. Label  refrigeration and equipment  systems with  the  identity of  their  refrigerants, 

especially upon retrofit of older systems to new refrigerant. 

5. Mark cylinders used for recovered and/or recycled refrigerants. 

It is very difficult to determine the presence of mixed refrigerants without a laboratory test.  

If the nature of the refrigerant is in doubt, the saturation pressure and temperature may be 

checked  and  compared with  published  values.   However,  this method may  be  rendered 

unreliable  by  inaccurate  pressure  gauges  or  contamination  by  non‐condensables.    A 

thorough  review  of  the  service  history,  if  existing  and  an  understanding  of  the  current 

problem may provide  additional  insight.   Field  instruments  capable of  identifying R‐134a 

refrigerants at purity levels of 97% or better are now available. 

Care should be taken to not cross‐contaminate recovered refrigerant.  Refrigerants that are 

combined after recovery, such as hydrocarbons with CFC refrigerants, will require separation 

(normally  via distillation)  prior  to  reclamation.   High  costs  and  the  lack  of  availability  of 

separation facilities provide disincentives to the proper recovery of refrigerant.  

Destruction 

During  the  past  four  years,  increased  interest  in  the  potential  environmental benefits  of 

destruction of ODS refrigerant banks has occurred.  This is due in part to the recognition of 

environmental  benefit  gained  from  the  potential  ozone  and  climate  benefits  from  the 

avoided emissions of ODS  still  remaining  in  refrigeration and air conditioning equipment 

world‐wide.  As a result of these benefits, global carbon trading markets have emerged that 

might provide  incentives  for early  retirement of  “banks” of ODS  in equipment.   There  is 

potential for this equipment to be retired or replaced with more energy efficient equipment 

with lower refrigerant charge sizes.   

ODS refrigerants (specifically CFCs) have high GWPs in addition to their ozone impacts.  The 

destruction of ODS banks has  the potential  to earn carbon credits  through global carbon 

markets,  broadly  divided  into  the  compliance  market  and  the  voluntary  market.  The 

compliance market for GHGs is based on a legal requirement where, at an international (i.e., 

Clean Development Mechanism or CDM) or national and regional level (i.e., European Union 

Emission  Trading  Scheme  of  EU  ETS),  those  participating  countries  and/or  states must 

demonstrate that they hold the carbon credit equivalents to the amount of GHGs that they 

have emitted in order to meet their GHG reduction targets or commitments.  

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS9  

Presently, the voluntary market operates outside of the compliance market where individual 

companies or organisations voluntarily commit to actions and projects to offset their GHG 

emissions. Currently, only the voluntary carbon market has established standards for ODS 

destruction  as  carbon offsets projects. To date,  there  are  three  voluntary  standards  that 

recognise  and/or  have  established  project  protocols  to  provide  carbon  credits  for  ODS 

destruction. Two installation types are available to destroy CFCs:  

(1)  Public  or  commercial  installations  are  accessible,  in  return  for  payment.    These 

installations are often capable of treating several families of chemical products; and  

(2) Private facilities that are designed for the internal needs of ODS manufacturers.   These 

facilities are not always adapted to the needs of outside groups.   Normal conditions where 

recovery,  recycling,  and  reclamation  are  prevalent  should  lead  to  fairly  low  requests  for 

destruction  in the refrigeration  industry.   This  is especially the case where the demand for 

CFCs will remain high.   A need for destruction facilities may be created in instances where 

regulations forbid the use or export of CFCs.  

The general method of destruction is based on incineration of refrigerants and on scrubbing 

combustion products that contain particularly aggressive acids, especially hydrofluoric acid 

(HF). Mainly, their resistance to hydrofluoric acid  limits the number of usable  incinerators. 

CFCs, and more particularly halons, burn very poorly.  In order to be incinerated, they must 

be mixed with fuels in specific proportions. 

Destruction  is a  viable  alternative  for handling unwanted banks of  refrigerants.   There  is 

currently  a  lack  of  commercially  available  companies  that  destroy  refrigerants.    As  A5 

countries  start  their  phaseout  programs,  commercial  opportunities  for  destruction may 

become available.  Australia, United States, and Japan currently have the capacity to destroy 

recovered ODS.  However, this trend appears to be changing with increased interest in both 

voluntary and regulatory ODS destruction initiatives. 

4. EQUIPMENT  AND  DESIGN  (Reference:  UNEP:  Manual  for  Refrigeration 

Servicing Technicians) 

The purpose of  refrigerant  recovery  and  recovery/recycling equipment  is  to help prevent 

emissions of refrigerant by providing a means of temporarily storing refrigerants that have 

been  removed  from  systems  undergoing  service  or  disposal.  Such  equipment  is  used  to 

temporarily  store  recovered  refrigerant until  the  system undergoing  repair  is  ready  to be 

recharged or is prepared for disposal. Refrigerant recovery equipment may have the ability 

to  store  (recovery  only)  or  the  added  capability  of  recycling  (recovery  and  recycling) 

refrigerants. The  temporary  storage  capability  of  the  equipment  prevents  the  release  of 

refrigerants  into  the  atmosphere  that may  otherwise  exist  if  the  refrigeration  and  air‐

conditioning equipment were opened to the atmosphere for servicing.  

The use of refrigerant recovery and recycling equipment is an essential means of conserving 

refrigerant  during  servicing,  maintenance,  repair,  or  disposal  of  refrigeration  and  air‐

conditioning  equipment.  Refrigerant  recovery  and  recycling  equipment  could  be  made 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION 

SYSTEMS10  

available to service technicians in every sector. Note that due to incompatibility issues and 

the array of refrigerants used in different sectors, refrigerant recovery/recycling equipment 

intended  for  use  with  one  type  of  air  conditioning  system,  such  as  motor  vehicle  air 

conditioners, may not be adequate to service air‐conditioning and refrigeration equipment in 

the domestic, unitary, or commercial refrigeration and air‐conditioning sectors. The types of 

refrigerants used in these sectors vary and all recovery/recycling equipment is not capable of 

meeting the same requirements.  

This is very important to users to ensure that their recover equipment is capable of handling 

the  specific  refrigerants  that  are  used  in  the  system.  The  specific  identification  of  the 

equipment is important throughout its service, disposal or end‐of‐life. 

Recycling equipment is expected to remove oil, acid, particulate, chloride, moisture, and non‐

condensable  (air) contaminants  from used  refrigerants. The effectiveness of  the  recycling 

process can be measured on contaminated  refrigerant samples according to standardized 

test methods, such as those within the standards ISO 12810 and ARI 700. Unlike reclaiming, 

recycling does not involve analysis of every batch of used refrigerant and, therefore, it does 

not  quantify  contaminants  nor  identify mixed  refrigerants.  Subsequent  restrictions  have 

been placed on the use of recycled refrigerant, because its quality is not proven by analysis.  

A  variety  of  recycling  equipment  is  available  over  a  wide  price  range.  Currently,  the 

automotive  air‐conditioning  industry  is  the  only  application  that  prefers  the  practice  of 

recycling and reuse without reclamation. Acceptance  in other sectors depends on national 

regulations,  the  recommendation  of  the  cooling  system manufacturers,  the  existence  of 

another solution such as a reclaim station, variety and type of systems, and the preference of 

the service contractor. Recycling with  limited analysis capability may be the preference of 

certain developing countries where access to qualified  laboratories  is  limited and shipping 

costs are prohibitive. For most refrigerants there  is a  lack of  inexpensive field  instruments 

available to measure the contaminant levels of reclaimed refrigerant after processing.  

Refrigerant recovery equipment has been developed and  is available with a wide range of 

features and prices. Some equipment with protected potential sources of ignition also exists 

for recovery of flammable refrigerant. Testing standards have been developed to measure 

equipment  performance  for  automotive  (SAE)  and  non‐automotive  applications  (ISO). 

Although liquid recovery is the most efficient, vapour recovery methods may be used alone 

to remove the entire refrigerant charge as long as the time is not excessive.  

Excessive recovery times should be avoided, since extended recovery time periods may limit 

the practical usage of recovery equipment on the majority of refrigeration or air‐conditioning 

equipment that contain up to 5 kg of refrigerant. In order to reach the vacuum levels that are 

required  in  some  countries  for  larger  systems,  vapour  recovery will  be  used  after  liquid 

recovery. Performance standards for refrigerant recovery equipment are available for service 

of both motor vehicle air conditioners (e.g., SAE J1990), and stationary refrigeration and air‐

conditioning  systems  (e.g.  ARI  Standard  740).  Adoption  of  such  standards  as  a  part  of 

common service procedures could be adopted by regulating authorities. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS11  

Equipment Design  and Service  (Reference: UNEP,  2010 REPORT OF  THE REFRIGERATION, AIR 

CONDITIONING AND HEAT PUMPS TECHNICAL OPTIONS COMMITTEE) 

Refrigerant  emissions  from  cooling  systems  must  be  minimised  to  protect  the  environment.  

Fortunately, conservation is consistent with good functioning and efficiency of air‐conditioning and 

refrigeration systems.  Cooling systems are designed as sealed units to provide long term operation.  

Conservation  is  affected  by  the  design,  installation,  and  service  of  the  refrigerating  system.  

Guidelines  and  standards  are  being  updated  with  consideration  to  environmental matters  and 

improved conservation. 

Conservation  is defined by an emission rate, which can be measured and  limited.   Cooling system 

manufacturers have defined minimum  tightness  requirements  to guarantee permanent operation 

during defined periods. The American Society  for Testing and Materials  (ASTM) E 479  "Standard 

Guide  for  Preparation  of  a  Leak  Testing  Specification"  serves  as  a  manufacturer's  reference 

document.  The standard has a large influence on the maximum allowable leakage flow for a cooling 

system based on the period during which the system must operate without refrigerant recharge.  The 

refrigerant quantity may be  lost by  leakage during  this period without  significantly affecting  the 

operational efficiency of the system.  

Design 

Every attempt should be made to design tight systems, which will not leak during the life span of the 

equipment. The potential for leakage is first affected by the design of the system; therefore, designs 

must focus on minimising the service requirements that lead to opening the system.  Manufacturers 

select the materials, the joining techniques, and service apertures.  They also design the replacement 

parts  and  provide  the  recommended  installation  and  service  procedures.    Manufacturers  are 

responsible  for  anticipating  field  conditions  and  for  providing  equipment  designed  for  these 

conditions.    Assuming  that  the  equipment  is  installed  and  maintained  according  to  the 

manufacturer's recommendations, the design and proper manufacturing of the refrigerating system 

determines  the  conservation  of  the  refrigerant  over  the  intended  life  of  the  equipment. Among 

recommendations  for  conservation,  leak  tight  valves  should  be  installed  to  permit  removal  of 

replaceable components from the cooling system.  The design must also provide for future recovery, 

for instance, by locating valves both at the low point of the installation and at each vessel for efficient 

liquid refrigerant recovery. 

Charge Minimising 

Minimising the refrigerant charge will also reduce the quantity of possible emissions that could be 

emitted during catastrophic leak events. Historically, little attention has been given to the full charge 

of equipment, thus, its quantity is not often known (except for small equipment in which the units are 

shipped charged with refrigerant from the original equipment manufacturer).  It should be noted that 

there are negative effects of charge minimisation, for example the system may be more sensitive to 

a charge deficit  leading to an  increase  in energy consumption. There  is a balance to ensure good 

efficiency despite minor leakage and reduced direct emissions. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS12  

Overcharging  of  equipment  is  common,  as  the  amount  of  refrigerant  contained  in  refrigerant 

receivers is not always known.  Refrigerant receivers are equipment components that contain excess 

refrigerant that migrates through the system as a result of changes in ambient conditions.  For such 

equipment, field charging is often continued until the evaporator supply is considered satisfactory.  

Without  the  check  of  weighing  the  charge,  installation  could  be  overfilled  with  two  harmful 

consequences:  

(1) a potential release of refrigerant 

(2) the possibility of transferring the entire charge into the receiver.   

The receiver‐filling ratio, therefore, has to be  limited during nominal operation, and an  inspection 

tool (indicator, level, etc.) must be provided. 

Installation 

Proper  installation of  refrigerating systems contributes  to  the proper operation and conservation 

during the useful life of the equipment.  Tight joints and proper piping materials are required.  Proper 

cleaning of joints and evacuation to remove air and non‐condensable will minimise the future service 

requirements.  Proper charging and weighing techniques, along with careful system performance and 

leak checks, should be practised during the first few days of operation.  The installer should also seize 

the opportunity to find manufacturer defects before the system begins operation.  The installation is 

critical for maximum conservation over the life of the equipment. 

Servicing 

Service must be  improved  in order to reduce emissions.   Such  improvement, however, depends  in 

part on  the price end‐users agree  to pay, as emission  reduction has always proved,  so  far, more 

expensive  than  topping‐off  cooling  systems with  refrigerant.    It  is  necessary  to make  end‐users 

understand that their previous practice of paying to top‐off systems must cease, and those  funds 

must be spent on improved maintenance.  It is to be noted that such a step has already been taken in 

some cases, especially in countries like the U.S. where an annually increasing tax on the quantities of 

ozone‐depleting refrigerants that remain in stock at the end of the calendar year makes conservation 

or conversion to ozone‐friendly refrigerant alternatives more cost‐effective. 

Technician  training  is  essential  for  the  proper  handling  and  conservation  of  refrigerants.    Such 

training  should  include  information on  the environmental and  safety hazards of  refrigerants,  the 

proper  techniques  for  recovery,  recycling  and  leak  detection,  and  local  legislation  regarding 

refrigerant handling (if applicable). 

Refrigerating systems must be tested regularly to ensure that they are well sealed, properly charged, 

and operating properly.  The equipment should be checked in order to detect leaks in time and thus 

to prevent  loss of the entire charge.   During maintenance and disposal of  the system,  refrigerant 

should be isolated in the system or recovered. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS13  

The technician must study the service records to determine history of leakage or malfunction.  The 

technician  should  also  thoroughly  check  for  leaks  and  measure  performance  parameters  to 

determine the operating condition of the cooling system.  The technician will want to determine the 

best location from which to recover the refrigerant and assure that proper recovery equipment and 

recovery  cylinders  are  available.   The existence of  a maintenance document enables  the user  to 

monitor additions and removals of refrigerant with recovery as well as the searches and repairs of 

leaks. 

Reduction of Emissions through Leak Tightness 

Leak detection is a basic element, both in constructing and servicing cooling equipment, as it makes 

it possible to measure and improve conservation of refrigerant.   Leak detection must take place at 

the end of construction by the manufacturers, at the end of assembly in the field, and during regularly 

scheduled maintenance of equipment. 

There  are  three  general  types  of  leak  detection:  1)  Global methods  indicate  that  a  leak  exists 

somewhere, but they do not locate the leaks.  They are useful at the end of construction and every 

time the system is opened up for repair or retrofit; 2) Local methods pinpoint the location of the leak 

and are the usual methods used during servicing; 3) Automated performance monitoring systems 

indicate that a leak exists by alerting operators to changes in equipment performances. 

End‐of‐life  

Safe disposal requirements should mandate disposal of ODS components  in residential appliances 

such as refrigerant and foam.  Many household refrigerators and freezers produced prior to 1994 rely 

on CFC refrigerants that destroy the earth’s protective ozone  layer, which  in turn  leads to adverse 

human  and  environmental  health  effects.    After  1996,  most  newly  manufactured  household 

refrigerators and  freezers contain hydrocarbon  refrigerants or ozone  friendly  refrigerants  (HFCs).  

Similarly, oil in the compressor is likely to be contaminated with refrigerant, be it CFC or HFC, so it 

too  must  be  treated  carefully.    In  addition,  the  foam  blowing  agents  in  most  in‐use 

refrigerators/freezers  also  use  ozone  depleting  substances.    Ultimately,  if  these  foams  are  not 

properly recovered from appliances and properly disposed, additional ODS will be released to the 

atmosphere,  leading  to  further  destruction  of  the  ozone  layer.    Some  of  the  newest 

refrigerators/freezers  use HFC  blowing  agent, which  can  lead  to GHG  emissions  if  not  properly 

recovered at end of life.  Further, raw materials that make‐up refrigerators and freezers—including 

steel,  plastic,  glass,  and  rubber—can  all  be  recycled  to  reduce  the  amount  of waste  that would 

otherwise be put  in a  landfill and save energy that would otherwise be required to produce virgin 

materials.   Finally, some chest freezers manufactured prior to 2000 may contain a mercury switch. 

Mercury  is  toxic  and  causes  a  variety  of  adverse  health  effects,  including  tremors,  headaches, 

respiratory  failure,  reproductive and developmental abnormalities, and potentially, cancers. Also, 

older appliances may contain PCB capacitors. PCBs can lead to adverse effects ranging from minor 

skin irritations, to reproductive and developmental abnormalities, to cancers in humans and wildlife. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS14  

5. METHODS OF SERVICING AND GOOD PRACTICES  (Reference: UNEP: Manual for 

Refrigeration Servicing Technicians) 

Avoiding Contaminants  

Before charging any system with refrigerant, precautions should be taken to avoid the presence of 

any type of contaminants in the system, so classifying contamination types in a refrigeration system 

is necessary to  identify the proper servicing action required before charging any system with new 

refrigerant. 

Evacuation  

A refrigerating system must contain only the refrigerant in liquid or vapour state along with dry oil. 

All other vapours, gases, and fluids must be removed. Connecting the system to a vacuum pump and 

allowing the pump to run continuously for some time while a deep vacuum is drawn on the system 

can best  remove  these substances.  It  is sometimes necessary  to warm  the parts  to around +50°C 

while under a high vacuum;  in order to accelerate the removal of all unwanted moisture, heat the 

parts using warm air, heat  lamps, or water. Never use a brazing torch.  If any part of the system  is 

below 0°C, the moisture may freeze and it will take a considerably longer time for the ice to sublimate 

to vapour during the evacuation process. The equipment necessary to carry out the evacuation is:  

• vacuum pump  

• manifold gauges two servicing valves (in the case system is not equipped with servicing valves)  

• vacuum gauge.  

 

It is essential to know that conventional manifold gauges have low sensitivity, particularly at lower 

pressures. As such, they are ineffective at determining whether or not a sufficient vacuum has been 

achieved. Therefore it is essential to ensure that a proper vacuum gauge (such as a Pirani gauge) is 

used.  

To understand why  system  evacuation  is  very  important  for moisture  elimination,  it  is useful  to 

remember the concept of vacuum and the relationship between boiling temperature and pressure. 

For a pure substance,  like water,  the boiling  temperature  for a  fixed pressure  is called saturation 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS15  

temperature at this pressure, and the pressure at which the water evaporates at a fixed temperature 

is called saturation pressure at this temperature.  

Always evacuate a system when:  

• replacing a circuit component (compressor, condenser, filter‐drier, evaporator, etc.)  

• whilst the system has no refrigerant  

Procedures to perform evacuation  

To evacuate and dehydrate a system, before filling with refrigerant, take the following steps:  

1 ‐ First, the system should be tightness tested (i.e., “leak tested”). This can be done by pressurising 

the system with oxygen  free, dry nitrogen (OFDN). Shut off the supply of nitrogen and check the 

pressure over a period of time (a minimum of 15 minutes, but it depends upon the size of the system; 

a larger system requires more time). Keep checking the pressure gauge to see if the pressure reduces.  

2  ‐  If  the  pressure does  fall,  it  is  likely  that  the  system  has  a  leak,  so  leak  searching  and  repair 

procedures must be carried out.  

3  ‐ When the system  is confirmed to be  leak‐tight,  release the OFDN and  immediately connect a 

proper vacuum pump to both suction side and discharge the side of the compressor (see diagrams), 

and make sure the vacuum gauge  is connected. Open all the valves,  including solenoid valves, so 

there is no part of the circuit that is “locked” in.  

4 ‐ Switch on the vacuum pump and wait.  

5 ‐ When satisfactory vacuum has been reached (below 100 Pa abs.) stop the pump and leave it for an 

appropriate length of time (around half an hour for a small hermetic system, to several hours for a 

large site‐installed system) to see if the vacuum gauge indicates an increase in internal pressure. If 

the pressure rises there could be two reasons for it: either there is a leak or moisture still in the system. 

In this case, the evacuation procedure should continue, but if a constant vacuum pressure is never 

achieved, then it is likely that a leak is present and the tightness test should be repeated.  

6 ‐ If the vacuum pressure remains constant over a period of time, the circuit is correctly evacuated; 

dry and free of leakage. 

For  large systems where  is expected excess of moisture content, apply  indirect heat (using a heat 

lamp or hot air‐blower)  to  the  system  tubing  (applying heat  to one side only will cause moisture 

condensation in the coolest part). 

8 ‐ In case of closed solenoid valves in the system, air is usually trapped in‐between valves where they 

should be opened manually  if  supplied with open  screws, by  applying direct  electrical  source  to 

solenoid coil, or by using a service hand magnet.  

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS16  

9 ‐ Charging of refrigerant can now begin, either direct to the high‐pressure liquid side or charging 

into the suction side when the compressor is running. 

Purging 

 The process of removing unwanted gases, dirt or moisture from the system is called purging. An inert 

gas  such  as  nitrogen  is  introduced  in  the  system  to  flow  through  the  tubing,  forcing  unwanted 

contaminants out.  

The following equipment is needed to perform purging:  

• Oxygen free dry nitrogen cylinder equipped with pressure regulator  

• Nitrogen cylinder equipped with pressure regulator  

• Manifold gauges with hoses  

• Vacuum pump  

• Two servicing valves (or the system is equipped with servicing valves). 

 

Purging procedure  

The following steps should be followed when performing system cleaning (purging):  

As with the evacuation procedure, ensure that all stop valves, solenoid valves and other such devices 

have been fully opened so not to restrict the flow around any parts of the system.  

Open the low‐pressure side and high‐pressure side valves in the manifold gauges.  

Open the nitrogen cylinder main valve using the pressure regulator on the cylinder to keep pressure 

of OFDN at less than the maximum working pressure indicated on the equipment nameplate.  

Keep the OFDN flowing for several minutes or until dry clean gas is discharged, indicating that all the 

contaminants have been removed.  

Remove the residual nitrogen with a vacuum pump using the proper procedure. 

Leak detection  

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS17  

RAC systems are designed to operate adequately with a fixed charge of refrigerant.  If  it has been 

determined that a system has  insufficient refrigerant, the system must be checked for  leaks, then 

repaired and recharged.  

Refrigerant leaks are caused by material failure. The mechanism that creates the material failure is 

normally attributable to one or more of the following factors:  

• Vibration – Vibration is a significant factor in material failure and is responsible for “work hardening” 

of copper, misalignment of seals, loosening of securing bolts to flanges, etc.  

• Pressure changes – Refrigeration systems depend on the changes in pressure for their operation. 

The rate of change of pressure has different effects on the various components in the system, which 

results in material stress and differential expansion and contraction.  

• Temperature changes – Refrigeration systems frequently consist of different materials of differing 

thickness. Rapid  changes  in  temperature  result  in material  stress  and differential  expansion  and 

contraction.  

• Frictional wear – There are many cases of frictional wear causing material failure, and they vary from 

poorly‐fixed pipework to shaft seals.  

• Incorrect material selection – In a number of cases, inappropriate materials are selected e.g., certain 

types  of  flexible  hoses  have  a  known  leakage  rate,  and materials  that  are  known  to  fail  under 

conditions of vibration and transient pressure and temperature changes are used.  

• Poor quality  control  – Unless  the materials  used  in  the  refrigeration  system  are of  a  high  and 

consistent standard, changes in vibration, pressure and temperature will cause failure.  

• Poor connections – Poorly made connections, either brazed  joints, screwed connections, or not 

replacing caps on valves, can allow refrigerant to escape.  

• Corrosion – Exposure to a variety of chemicals or the weathering can result in a variety of different 

corrosion modes, which decays the construction material resulting in the eventual creation of holes.  

• Accidental damage – Accidental mechanical  impacts to refrigerant‐containing parts can happen 

under many circumstances, and therefore it is appropriate to ensure that all parts of the system are 

protected against external impacts. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS  

Detection methods  

When a system is thought to have a  leak, the whole system should be checked, with  leaks 

found being marked for rectification. One should never assume a system has only one leak. 

Leak detection  is the manual procedure, carried out by a qualified technician, of checking 

refrigeration systems to identify possible leaks in tubes, joints and/or connections, etc.  

Generally, the main methods for detecting leaks in the servicing field are: 

Using Soap‐Solution  

A water‐soap  solution  is  the most  popular, minimal  cost,  and  one  of  the most  effective 

methods used among servicing technicians.  

Applying a soap solution to joints, connections and fittings while system is running or under 

a standing pressure of nitrogen helps to identify leak points when bubbles appear. 

 

Using an Electronic Refrigerant Detector  

Electronic  refrigerant  detectors  contain  an  element  sensitive  to  a  particular  chemical 

component in a refrigerant. The device may be battery or AC‐powered and often has a pump 

to suck in the gas and air mixture. Often, an audible “ticking” signal, and/or visible flashing 

indicating  lamp  increases  in  frequency  and  intensity  as  the  sensor  analyses  higher 

concentrations of refrigerant, which suggests to the operator that the source of the leak is 

closer.  

 

Many refrigerant detection devices also have varying sensitivity ranges that can be adjusted.  

Many modern refrigerant detectors have selector switches for switching between refrigerant 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS  

types,  e.g.  chlorofluorocarbons  (CFCs),  hydrochlorofluorocarbons  (HCFCs), HFCs  or HCs. 

HCFCs have  less chlorine than CFCs and the sensitivity has to be changed by the selector 

switch. When  using  electronic  refrigerant  detectors  in  a workshop,  always  ensure  good 

ventilation since sometimes it gives false signals due to other refrigerants being present in 

the surrounding area.  

Electronic  refrigerant  detectors  may  be  used  to  detect  hydrocarbons  (HCs),  but  the 

sensitivity may not be adequate, or may need re‐calibration. The detection equipment should 

be calibrated in a refrigerant‐free area. Ensure that the detector is not a potential source of 

ignition and is suitable for hydrocarbon refrigerants. 

Using an Ultra‐Violet Lamp  

Ultra‐violet lamp is a method commonly used in large systems where accessing all joints and 

connections by soap solution or electronic detectors is difficult.  

By adding an additive dye to the refrigerant, the  leak will glow yellow green‐colours when 

pointed by the ultra‐violet lamp. 

 

Using a Halide Torch  

The halide torch used to be the traditional means of leak detection with CFCs and HCFCs. A 

blue flame draws air (and refrigerant) from the hose and across a copper catalyst.  

 

Since HFCs do not contain chlorine, halide torches will not work when searching  for  leaks 

from  HFC  system.  The  same  applies  to  carbon  dioxide  (R744),  ammonia  (R717)  and 

hydrocarbons  (R290, R600a, etc). Obviously,  from a safety point‐of‐view, the halide torch 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS  

should not be used to detect hydrocarbons or any other flammable refrigerants, anyway, or 

in the presence of other flammable gases. 

Charging  

System charging is adding the proper quantity of refrigerant to refrigeration system so that 

it operates as  intended. For a given set of conditions  (design conditions) systems have an 

“optimum” charge –  this  is  the mass of  refrigerant  that  the highest efficiency and design 

cooling capacity (or heating capacity,  in the case of a heat pump) will be achieved. At off‐

design conditions,  for example, at a higher or  lower ambient  temperatures,  the optimum 

charge will be different. However, it is best to add the specified charge since this is what the 

system has been designed to handle.  

Some systems can handle a wider variation of charge size,  in particular,  those with  liquid 

receivers. Direct  expansion  systems with  small  condensers  and  capillary  tube  expansion 

devices tend to be very sensitive to refrigerant mass and are said to be “critically charged”.  

In  all  cases,  the  system  data‐plate  should  contain  useful  information  such  as  the  design 

refrigerant charge size. 

Volumetric Charging By Graduated Cylinder  

It uses a glass tube liquid level indicator, which allows a technician to transfer refrigerant into 

a system and measure the amount on a scale. Some cylinders are electrically heated to speed 

up the evaporation and maintain pressure in the cylinder. This process of electrically heating 

cylinder  is  usually  done with  an  electrical  insert.  In  some  cases,  the  compressor  itself  is 

heated, using a heat gun so the refrigerant and oil will circulate and be purged more easily.  

In both cases, it is extremely important that a pressure control relief valve and thermostat be 

used  to provide  the  required temperature and pressure safety controls. The system has a 

pressure  gauge  and  hand  valve  on  the  bottom  for  filling  the  charging  cylinder  liquid 

refrigerant  into a system.  It also has valve at the top of the cylinder. This valve  is used for 

charging refrigerant vapour into the system.  

Mass Charging By Balance  

Electronic weight balance is typically one of the most accurate ways to charge refrigerant. 

System  charging  could be performed  in  vapour or  liquid phase. This  is generally done  in 

smaller systems, which are more  sensitive  to charge  size. Therefore  it  is  important  to be 

aware of the additional refrigerant within the refrigerant hoses, and the artificial weight of 

the hoses themselves on the balance reading, so that the actual mass added to the system is 

not erroneous. 

 

 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS  

Charging To Sight Glass  

This method normally applies  to  larger systems  that have a  liquid  receiver. Refrigerant  is 

charged into the system, and as it is metered in, the technician observes the sight glass in the 

liquid line. Eventually, once no more bubbles can be seen in the sight glass, the charge size 

has approximately been achieved. 

However, as there  is always a delay between adding the refrigerant and the effect on the 

sight glass, the technician should take extra time to ensure that the correct charge has been 

added. It should also be borne in mind that longer delays between adding refrigerant and the 

response of the sight glass occur with larger systems. As with all other systems, it is important 

to consider the ambient temperature and the possibility of adding a little more refrigerant so 

that no bubbles appear during warmer/cooler ambient conditions. In addition, the refrigerant 

cylinder(s) should be weighed before and after, and the charged amount checked against the 

intended charge or compared against the size of the liquid receiver to ensure that it will not 

hydraulically fill during pump‐down.  

Charging According To System Performance  

It is possible to charge a system according to the system’s performance characteristics. This 

is done by monitoring the suction pressure, discharge pressure, evaporator superheat and 

liquid subcooling out of the condenser.  

First,  the  design  performance  characteristics  are  noted:  the  ambient  temperature,  the 

application temperature (to be cooled to), the intended superheat and subcooling. From the 

ambient temperature and the application temperature, a typical condenser and evaporator 

temperature difference is assumed for the equipment under consideration (say, for example, 

8 K), from which the saturated condensing and evaporating temperatures, and finally suction 

and discharge pressures are estimated.  

Thermometers are tightly attached to the liquid line and suction line (using a heat transfer 

paste and insulated). Refrigerant is then gradually added into the system and the pressures 

and  temperatures  monitored.  As  the  estimated  suction  and  discharge  pressures  are 

approached, and the design subcooling and superheat values are achieved, a suitable charge 

is achieved. Again, as with the sight glass, there is a delay between adding refrigerant and 

the  resulting  performance  characteristics  being  achieved,  so  these  performance 

characteristics should be observed for some time to ensure that the reading are more or less 

constant. 

Electronic Charging Machines  

During  larger‐scale manufacturing,  equipment  tends  to  be  charged  using  electronically 

controlled  charging machines.  These  generally measure  refrigerant  into  a  system  using 

precise mass flow meters, and are generally accurate to ±0.5g or better.  

 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS  

Vapour Refrigerant Charging  

Vapour refrigerant charging is the process of moving vapour out of the vapour space of the 

refrigerant cylinder  to  the  low‐pressure  side of  the  system. Charging while  the  system  is 

running is acceptable as long as the suction pressure is closely checked during the charging 

process. Due to pressure difference consideration, the cylinder pressure could become lower 

than  system  suction  pressure  during  charging.  Using  a  hot  water  or  servicing  charging 

heaters could solve this problem. Never use a brazing torch to heat cylinders.  

 

Steps: 

1 ‐ Open the low‐pressure side valve then open refrigerant graduated charging cylinder valve 

keeping eye on system pressure and refrigerant weight scale.  

2  ‐ When  the  pressure  has  equalised  between  system  and  charging  cylinder,  close  the 

charging cylinder valve and operate the system for 1‐2 minutes until the  low‐pressure side 

reading indicates lower reading than the charging cylinder.  

3 ‐ Continue adding refrigerant by opening the charging cylinder valve until the proper charge 

is obtained.  

Before connecting any refrigerant hose to a service or tap valve, the hose should be briefly 

purged (vented) with refrigerant from the cylinder to ensure that air and moisture does not 

enter the system. 

Liquid Refrigerant Charging  

Liquid  refrigerant  charging  usually  applies  to  high  refrigerant  charge  systems,  like  large 

commercial systems and systems with  liquid receivers. Charging  liquid refrigerants always 

requires skill and caution.  

The suction hand‐valve  is to be used carefully to monitor the  liquid gauge pressure to not 

exceed 140 kPa (approximately 20 psig) above suction pressure; when the blue hose (suction 

line) frost is observed close to the hand‐valve, check the suction pressure. Repeat until the 

desired charge is obtained.  

 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS  

Remember always to make sure that:  

• If the refrigerant cylinder does not have a dip‐tube, it should be placed in an upside down 

position to guarantee liquid flow.  

• Bypassing the low‐pressure side control. 

Retrofitting:  

In general, the retrofit of an equipment or installation means to substitute older parts for new 

or modernised ones in order to improve the performance. In RAC recently, retrofit has come 

to mean the procedure of replacing ozone depleting substances (ODS), or hydrofluorocarbon 

(HFC) refrigerants in existing plants with zero ozone depleting potential (ODP) or zero GWP 

refrigerants.  Retrofitting  usually  requires  modifications  such  as  a  change  of  lubricant, 

replacement of expansion device or  compressor.  If  the  conversion does not  require  such 

major modifications,  the alternate  refrigerant  is called a drop‐in  replacement, or  retro‐fill 

process. Retrofitting from an ODS‐using system to an ozone‐friendly refrigerant requires a 

thorough investigation and study of the system.  

Some factors must be taken into account:  

• Retrofit  the  system  if  it  is more  cost‐effective  than  replacement.  If a major  repair  (e.g. 

compressor change, etc.) or modification of an ODS using system  is necessary  it shall be 

evaluated if retrofit can be done at acceptable cost.  

• Properly working and  leak‐free systems are not  recommended  for  retrofit, at  least until 

there is a need to open the refrigeration system for repair. Properly operating systems can 

continue  operating  for many  years without  causing  harm  to  the  ozone  layer.  For  older 

systems that are prone to faults, failures and leaks, it may be more cost‐effective to replace 

the system rather than retrofit. In addition, new equipment will be more energy efficient. 

Upon  evaluation  of  a  system  that  requires major  repair  and  is  close  to  the  end  of  its 

technical/economical life, consider replacement if it is more cost effective than retrofitting.  

• The  safety  and  environmental properties of  alternative  refrigerant  to be  used,  such  as 

flammability, toxicity, ODP and global warming potential shall be considered.  

•  Include  in the assessment the compatibility of components and materials  in the system, 

such as elastomers and oil. Also components  like sight glasses and oil separators must be 

checked for suitability.  

• Assess and examine the operating conditions of the system and determine the service and 

its operational history.  

Use of Drop‐In Refrigerants  

The phasing‐out of ODS refrigerants, and in particular, CFCs in the RAC sector, has led to the 

development of new refrigerants that are often claimed to be direct replacements for the 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING &REFRIGERATION SYSTEMS  

original  ODS  refrigerants.  These  refrigerants  vary  in  compositions;  some  are  synthetic 

fluorocarbons, others are natural refrigerants such as hydrocarbons (HCs), some are single 

substances,  others  are  blends.  However,  it  is  important  to  thoroughly  investigate  any 

particular  refrigerant  that  is  being  considered  for  use,  to  ensure  that  it  is  a  suitable 

replacement  for  the  situation  under  consideration,  and  that  those  working  with  the 

refrigerant are fully aware of its implications.  

The following should be carried out:  

• Check the Material Safety Data Sheets (MSDS) to understand its safety characteristics  

•  Request  relevant  information  related  to  the  substance  from  the manufacturer  of  the 

substance  

• Find out whether or not the existing mineral oil needs to be replaced or not  

• Technicians should also look for training on the proper handling of these new refrigerants.  

Hydrocarbons are known to be flammable, although there are certain concentrations that 

must be reached prior to explosion if ignition occurs. That is why education and information 

dissemination is very important. Several developing countries are implementing, with the 

support of UNEP and other implementing agencies, training programmes in good practices, 

and the use of drop‐in refrigerants among other topics are covered in such courses.

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION SYSTEMS. 1 

 

Retrofitting Stationary RAC Systems  

Here are the sequential steps involved in a retrofit of a CFC or HCFC based system.  

1  ‐ Record  the  system performance data prior  to  retrofit  in order  to  establish  the normal operating 

conditions  for  the  equipment.  Data  should  include  temperatures  and  pressure  measurements 

throughout  the  system,  including  the evaporator,  compressor  suction and discharge,  condenser and 

expansion device. These measurements will be useful when adjusting the system during the retrofit.  

2 ‐ Pump down the system and recover the refrigerant before opening the refrigeration system.  

3 ‐ Recovered refrigerant must be stored only in a specified refillable container or cylinder and properly 

labelled.  

4 ‐ Recovery of refrigerant shall be done using a recovery machine or a recovery and recycling machine, 

operated only by a qualified technician.  

5 ‐ Knowing the recommended CFC or HCFC charge size for the system is helpful. If it is not known, weigh 

the entire amount of refrigerant removed. This amount can be used as a guide for the initial quantity of 

replacement refrigerant to be charged into the system.  

6 ‐ The technician should exert all efforts to ensure the prevention of refrigerant emissions during the 

recovery operation. 

7 ‐ If the refrigerant to be added to the system is incompatible with the existing oil (typically a mineral oil) 

then it must be removed (otherwise, this stage can be ignored). Drain and recover the existing mineral 

oil  charge, measure  the  quantity  and  compare with  the  recommended  oil  charge  to  determine  the 

quantity of oil left in the system. A major problem with retrofits is removing the residual mineral oil. This 

is important because enough mineral oil is not removed, it can deposit on the evaporator heat exchanger 

surfaces,  severely  degrading  performance.  Since many  small  hermetic  compressors  do  not  have  oil 

drains, removal of the compressor from the system may be necessary for draining the lubricant. The best 

point  in the system to drain the  lubricant  is the suction  line of  the compressor. Small hand‐operated 

pumps are available which permit insertion of a tube into the compressor access port for removal of the 

mineral oil without removing the compressor from the system. Remember that most of the mineral oil 

must be removed from the system before adding the replacement lubricant.  

8  ‐ Replace  all  equipment  components  and  accessories  that will be  affected by  the new  alternative 

refrigerant  and  the  refrigerant  oil  suitable  for  the  new  alternative  refrigerant  e.g.  expansion  valve, 

gaskets,  filter  drier,  etc.,  as  recommended  by  the manufacturer. Most  CFC  or  HCFC  systems with 

expansion valves will operate satisfactorily, however, it may be necessary to adjust the superheat. If the 

system uses a capillary tube, it will need to be replaced with one of greater or lesser restriction in order 

to achieve satisfactory performance over the complete range of design conditions. It is recommended 

that the technician consults with the equipment manufacturer before replacing the capillary tube.  

9 ‐ Charge the system with new and correct amount of alternative refrigerant oil as recommended by 

compressor/system manufacturer.  

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION SYSTEMS. 2 

 

10  ‐  Reinstall  the  compressor  following  the  standard  service  practices  recommended  by  the 

manufacturer. If an oil pump was used to remove the oil, reseal the access port.  

11  ‐ Run the system while performing the oil change procedure as many times as necessary until the 

mineral oil in the system does not exceed the recommended 5% acceptable level. Test kits are available 

from several lubricant suppliers that check for residual mineral oil content. Generally, it will require about 

three charges to get the mineral oil content down to the acceptable level.  

12 ‐ Leak test the system with oxygen‐free dry nitrogen and observe a 24‐hour standing pressure. Make 

corrections if deemed necessary.  

13 ‐ Evacuate system to at least 1000 microns (1 mbar, 29.87 in Hg) using an appropriate vacuum pump 

and an electronic vacuum gauge. Use normal service practices to reconnect and evacuate the system, to 

remove air and other non‐condensable contaminants.  

14  ‐ Charge  the system with  the appropriate amount of alternative  refrigerant. This can normally be 

approximated  by  using  the  ratio  of  liquid  densities  at  the  condensing  temperature. When  charging 

procedures  that you would use  for CFC or HCFC  to ensure optimal  system performance.  In general, 

systems will require a smaller charge size than those using CFC or HCFC. If the original capillary tube is 

used,  it will  generally  be  necessary  to  undercharge  the  system  to  prevent  liquid  flood  back  to  the 

compressor. Special care should be taken when charging with refrigerant blends.  

15  ‐  Run  the  system  and  charge  additional  refrigerant  if  needed  until  full‐charged.  The  use  of  an 

expansion device not optimised for the system, such as the original capillary tube, will make the system 

more sensitive to charge and/or operating conditions. As a result, system performance will change more 

quickly if the system is overcharged (or undercharged). To avoid overcharging, it is best to charge the 

system by first measuring the operating conditions (including discharge and suction pressures, suction 

line temperature, compressor amps, superheat) before using the liquid level sight glass as a guide.  

16 ‐ Monitor the system operation and performance for at least 48 hours or longer and make necessary 

adjustment.  

17 ‐ Check remaining content of mineral oil with a refractometer or oil test kit.  

18 ‐ Follow the system and/or compressor manufacturer recommendations as tolerance are dependent 

on the system and its operating conditions.  

19 ‐ Label the system. After retrofitting the system, label the system components to identify the 

refrigerant and specify type of lubricant (by brand name) in the system. This will help ensure that the 

proper refrigerant and lubricant will be used to service the equipment in the future. 

6. SYSTEM MAINTENANCE: http://www.energy.gov/energysaver/articles/maintaining‐your‐air‐

conditioner 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION SYSTEMS. 3 

 

An air conditioner's filters, coils, and fins require regular maintenance for the unit to function effectively 

and efficiently throughout its years of service. Neglecting necessary maintenance ensures a steady 

decline in air conditioning performance while energy use steadily increases.  

AIR CONDITIONER FILTERS  

The most important maintenance task that will ensure the efficiency of your air conditioner is to 

routinely replace or clean its filters. Clogged, dirty filters block normal airflow and reduce a system's 

efficiency significantly. With normal airflow obstructed, air that bypasses the filter may carry dirt 

directly into the evaporator coil and impair the coil's heat‐absorbing capacity. Replacing a dirty, 

clogged filter with a clean one can lower your air conditioner's energy consumption by 5% to 15%. 

For central air conditioners, filters are generally located somewhere along the return duct's length. 

Common filter locations are in walls, ceilings, furnaces, or in the air conditioner itself. Room air 

conditioners have a filter mounted in the grill that faces into the room. 

Some types of filters are reusable; others must be replaced. They are available in a variety of types and 

efficiencies. Clean or replace your air conditioning system's filter or filters every month or two during 

the cooling season. Filters may need more frequent attention if the air conditioner is in constant use, is 

subjected to dusty conditions, or you have fur‐bearing pets in the house. 

AIR CONDITIONER COILS 

The air conditioner's evaporator coil and condenser coil collect dirt over their months and years of 

service. A clean filter prevents the evaporator coil from soiling quickly. In time, however, the evaporator 

coil will still collect dirt. This dirt reduces airflow and insulates the coil, reducing its ability to absorb 

heat. To avoid this problem, check your evaporator coil every year and clean it as necessary. 

Outdoor condenser coils can also become very dirty if the outdoor environment is dusty or if there is 

foliage nearby. You can easily see the condenser coil and notice if dirt is collecting on its fins. 

You should minimize dirt and debris near the condenser unit. Your dryer vents, falling leaves, and lawn 

mower are all potential sources of dirt and debris. Cleaning the area around the coil, removing any 

debris, and trimming foliage back at least 2 feet (0.6 meters) allow for adequate airflow around the 

condenser. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION SYSTEMS. 4 

 

Coil Fins  

The aluminum fins on evaporator and condenser coils are easily bent and can block airflow through the 

coil. 

Condensate Drains  

Occasionally pass a stiff wire through the unit's drain channels. Clogged drain channels prevent a unit 

from reducing humidity, and the resulting excess moisture may discolor walls or carpet. 

Evaporators 

Check the evaporators monthly for proper defrosting. Ice accumulation on the evaporator coil can cause 

inefficiencies in the operation of the system, and can be detrimental to the coil surface itself. 

Every six months: 

1. Tighten all electrical connections in the electrical panel. 

Check for frayed wiring insulation and corroded terminals, and make certain all spade connections are 

tight. 

2. Check fan motors and blades. 

Do  the blades  turn  freely? Check  the blades  for unusual wear patterns or  stress  fractures. Clean  the 

surface of each fan blade. Replace any worn blades and tighten the fan set screws. 

On motors with lubrication fittings, apply the correct lubricant. Replace any motor that is hard to rotate 

or has worn bearings. 

3. Check all defrost heaters. 

Make certain heaters are in the correct position for maximum heat transfer to the evaporator coil. Follow 

the manufacturer’s recommendations. 

Check each heater for correct amp draw. 

Check the voltage at each heater terminal. 

Make certain the heater terminals are in good condition. 

4. Clean the drain pan and check for proper drainage. 

All foreign material should be removed from the drain pan. The pan should drain freely. 

The drain line should be free‐draining with visible slope away from the evaporator. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION SYSTEMS. 5 

 

Check the drain line heater in applications below freezing. 

5. Clean the evaporator coil surface. 

The coil should be washed periodically to remove dust and other foreign materials that might have been 

drawn into the fins. A commercial‐grade cleaning foam can be used. Follow the label directions of the 

appropriate cleaner to clean refrigerant coils. 

Compressor Units 

Every six months: 

1. Tighten all electrical connections. 

Check for frayed wiring insulation and corroded terminals. Replace damaged wiring. 

Make certain all spade connections are tight. 

2. Check all electrical components. 

Electrical contactors should be inspected closely for worn and pitted contact points. The points should 

be cleaned and polished. Check for any discoloration in the conductors, which may indicate a loose wire 

or a dangerous overcurrent condition. Any foreign material found in the contactor should be removed. 

Inspect  the defrost  timer motor. Clean the contact points and  lubricate the gears of  the clock. Make 

certain the entire clock mechanism rotates freely. 

Check all relays for worn points; replace relay if necessary. 

Check the electrical connections inside the compressor electrical box. 

3. Check the operation of the control system. 

Check all pressure controls for proper operation and setpoints. 

Check the safety controls. Make certain the oil safety and high pressure controls are functioning. 

Check the operation of the room temperature thermostat. Make certain the  liquid  line solenoid valve 

closes completely and the compressor pumps down and cycles off. 

4. Check the oil level in the compressor. 

The oil level should be at or between one‐third and two‐thirds of the sight glass. 

Check the operation of the crankcase heater. 

5. Check the operation of the defrost controls. 

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION SYSTEMS. 6 

 

Under most  conditions,  the  timer  should  initiate  the  defrost. Make  certain  the  defrost  termination 

temperature control stops the defrost cycle and allows the evaporator fans approximately 2 min of delay 

time before restart. 

6. Check the condition of refrigerant line insulation. 

Open, torn, or waterlogged  insulation provides  little benefit to the system.  If the  insulation  is  in poor 

condition, replace it. 

7. Check for the proper refrigerant level in the system. 

The liquid line sight glass should be clear and full of liquid refrigerant during normal operation. If not, find 

and repair the leak, then charge enough refrigerant into the system to maintain a clear sight glass. 

8. Check the system superheat at the condensing unit. 

Suction superheat should be checked at the compressor as follows. 

a) Measure  the  suction  pressure  at  the  suction  service  valve  of  the  compressor  and  determine  the 

saturation temperature corresponding to this pressure from a temperature‐pressure chart. 

b) Measure the suction temperature of the suction  line about 1 ft back from the compressor using an 

accurate thermometer. 

c)  Subtract  the  saturated  temperature  from  the  actual  suction  line  temperature.  The  difference  is 

superheat. 

Too low a suction superheat can result in liquid being returned to the compressor. This causes dilution of 

the oil and eventual failure of the bearings, rings or, possibly, valve failure. 

Too high a suction superheat will result in excessive discharge temperatures, which cause the oil to break 

down and result in piston ring wear and piston and cylinder wall damage. 

For  maximum  system  capacity,  suction  superheat  should  be  kept  as  low  as  practical.  (Heatcraft 

recommends the superheat at the compressor be no  lower than 30°F.)  If adjustments to the suction 

superheat  need  to  be made,  the  expansion  valve  at  the  evaporator  should  be  adjusted.  Follow  the 

manufacturer’s recommendations. 

9. Check all capillary and super hose lines for signs of wear. 

Make certain all capillary and super hose lines are secure and do not rub against objects that can cause 

refrigerant leaks. 

10. Replace all missing valve caps and unit covers.  

  MODULE 3 NOTES: CONTAINMENT OF REFRIGERANTS, SERVICE & MAINTENANCE OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION SYSTEMS. 7 

 

Condensers 

Every six months (sooner if local conditions cause clogging or fouling of air passages through the finned 

surface), perform the following: 

1. The condenser coil should be cleaned and washed. 

Clean  periodically  with  a  brush,  vacuum  cleaner,  pressurized  water,  or  commercially  available  coil 

cleaning foam. If a foam cleaner is used, it should not be acid based. Follow the label directions of the 

appropriate cleaner. 

2. Check the operation of the condenser fans. 

Check that each fan freely rotates. 

Tighten all fan set screws. 

Check the fan blades for signs of stress or other wear features. If any unusual wear is seen, replace the 

blade. 

Lubricate the motors if applicable. (Most condenser motors are permanently sealed and do not require 

lubricating.) Replace any motor that is worn. 

 

 

 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 1    

 

   

SAFE USE & HANDLING OF RFRIGERANTS MODULE 4. NOTES 1.5 WEEKS 

SAFE USE & HANDLING OF 

REFRIGERANTS 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 2    

1. INTRODUCTION  (Ref:  Unep:  Manual  For  Refrigeration  Servicing 

Technicians) 

This chapter covers a variety of important aspects related to the handling and management 

of refrigerants, with the primary focus on maintaining good quality refrigerant and avoiding 

emissions and wastage. Specific topics include: the good handling and use of cylinders, and 

issues related to the re‐use and proper disposal of refrigerants. In addition, the concept of 

refrigerant conservation  is explained, with practical measures  for all  stages of  refrigerant 

use,  such  as  containment  within  systems,  proper  recovery  and  recycling methods  and 

reclamation. The reader should be able to:  

• Describe how to correctly handle refrigerants  

• Describe the ways to promote refrigerant conservation  

• Describe how to perform refrigerant recovery and recycling activities  

Refrigerant management has been done in two levels: at a country government level and at 

installation/application  level. Strategies for refrigerant management have been developed 

at  a  country  level  as  an  action  of  the Montreal  Protocol  implementation  in  developing 

countries by UNEP and other  implementing agencies  in conjunction with National Ozone 

Units (NOUs) and other governmental institutions.  

The Multilateral Fund  (MLF) assistance  to Article 5 countries  in  the  refrigeration servicing 

sector  started  in  1991 when  projects  for  training  service  technicians  and  recovering  and 

recycling  chlorofluorocarbon  (CFC)  refrigerants  were  first  approved.  In  1997  these 

standalone projects were  replaced by Refrigerant Management Plans  (RMP). Refrigerant 

management  is an approach to optimizing the use of available refrigerants  in the existing 

equipment  and  minimizing  the  demand  for  virgin  refrigerants  for  servicing  through 

technical and regulatory measures. This is aiming to allow the appropriate operation of the 

equipment throughout its lifecycle at reducing harmful impact to the environment resulting 

from the emission of refrigerants.  

The conditions and resources allocated for the RMPs have been adjusted from time to time. 

After the RMPs, projects called Terminal Phase‐out Management Plans (TPMP) have been 

developed.  Under  a  TPMP,  a  country  receives  funding  for  a  full  phase‐out  of  CFC 

consumption on the understanding that no further funding will be requested. 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 3    

2. REFRIGERANT MANAGEMENT PLANS  (Ref: UNEP: Manual  for Refrigeration 

Servicing Technicians) 

Formerly, the phase‐out of CFCs in the refrigeration sector was being addressed through a 

project‐by‐project  approach,  assigning  high  priority  to  the  promotion  of  refrigerant 

conservation practices through training of technicians and refrigerant recovery & recycling 

projects. 

Such  approach  made  evident  the  need  to  implement  projects  in  a  more  coordinated 

manner  and  to  create  enabling  condition  through  appropriate  support  measures.  The 

concept of Refrigerant Management Plans (RMP) is the response to that need. 

A RMP  is a comprehensive  strategy  to phase‐out  the use of ozone‐depleting  refrigerants 

(CFCs and HCFCs) used for servicing and maintenance of refrigeration and air‐conditioning 

systems. Projects previously implemented in isolation from one another are thus part of an 

overall approach, and synchronized for optimal results. 

The successful implementation of RMPs requires the co‐ordination of activities: 

• Regulations and trade controls 

• Economic incentives and disincentives 

• Training program on good practices in refrigeration for service technicians 

• Training program for customs officers on control and monitoring of ODS 

• Establishing recovery & recycling programs for CFC refrigerants 

• Public awareness 

• Strengthening of the institutional framework 

• Suitable policy and regulatory support framework 

• Improved system for collection of data and control and monitoring of ODS consumption. 

In different sectors: 

• The manufacturing sector 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 4    

• The servicing sector 

• The end‐user sector, for example through end‐user conversion projects 

• The informal sector 

Involving different stakeholders: 

• Local training institutes 

• Industry associations 

• Importers and wholesalers 

• Non‐governmental organizations 

• The civil society. 

Good practices including recovery & recycling 

A training program for service technicians within this context, is a key element to achieve a 

reduction  of  the ODS  consumption  due  to  poor  servicing  and maintenance  practices  of 

ODS‐containing equipment, without major capital investment. 

Training on good practices  in refrigeration has provided many servicing professionals with 

the  skills  to  reduce  the  emissions  of ODS.  This  includes  recovery &  recycling  of  ozone‐

depleting  refrigerants,  retrofitting  to alternative  refrigerants and  the  introduction of new 

technologies. 

Development of RMPs: (Reference: 

http://www.multilateralfund.org/Our%20Work/webhelp/index.html#!deveOfRefrManaPlan

Rmps) 

The Twenty‐second Meeting of the Executive Committee decided: 

(a)  to request UNEP,  in consultation with the Secretariat, the  Implementing Agencies and 

members  of  the  Executive  Committee,  to  review  the  proposed  guidelines  for 

refrigeration management plans and bring forward a revised proposal to the September 

1997 meeting of the Sub‐Committee on Project Review, with comments from members 

of the Executive Committee to be provided by the end of June 1997; 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 5    

(b)  to  authorize  low‐volume‐consuming  countries  that  have  approved  country  programs 

and  now  need  to  take  near‐term  action  in  this  area  to meet  the  freeze,  to  submit 

refrigeration management  plans based  on  the draft  guidelines  recommended by  the 

Sub‐Committee on Project Review (with the input coming from the consultations noted 

in subparagraph (a) above) along with any associated projects, to the next meeting of 

the Executive Committee and,  in  this  respect,  to approve US $140,000  for UNDP and 

US $60,000 for UNIDO for this purpose; 

(c)  to  urge  the  Implementing Agencies  not  to  view  this  discussion  as  an  opportunity  to 

develop  recycling  programmes,  but  rather  as  an  opportunity  to  help  countries  think 

through the measures they need to take to  facilitate compliance with the Protocol.  In 

this  regard,  recycling  projects  should  not be  proposed  unless  there  are  incentives  or 

regulatory measures  that  will  be  in  place  prior  to  proposed  implementation  of  any 

proposed recycling projects to ensure that such projects will be sustainable; 

(d)  to  request  UNEP  to  adjust  country  programs  presently  under  preparation  to 

accommodate  the  requirements of  the draft guidelines  for  refrigeration management 

plans as recommended by the Sub‐Committee on Project Review and to urgently finish 

that work; 

(e)  in cases where no country programs for very‐low‐/low‐volume‐consuming Parties have 

yet  to  be  started,  to  request  UNEP  to  reach  out  to  those  countries  to  develop 

refrigeration management plan/country program combination documents based on the 

draft  guidelines,  authorizing  US $200,000  for  this  initial  UNEP work  and  requesting 

UNEP  to  report on  the status of  related activities at  the Twenty‐third Meeting of  the 

Executive Committee. (UNEP/OzL.Pro/ExCom/22/79/Rev.1, Decision 22/24, para. 42). 

The Twenty‐third Meeting of the Executive Committee decided that the Guidelines for the 

Preparation of Refrigerant Management Plans be approved (Annex IX.22). 

The  Executive  Committee  also  noted  that  the  focus  of  guidelines  for  refrigerant 

management  plans  was  on  low‐volume  consuming  countries  (LVCs),  but  that  those 

guidelines were sufficiently flexible to allow them to be used by larger countries. 

(UNEP/OzL.Pro/ExCom/23/68, Decision 23/15, paras. 35 and 36). 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 6    

The Twenty‐fourth Meeting of the Executive Committee decided that, in the preparation of 

RMPs, it was not necessary for unduly restrictive conditionalities to be set. However, at the 

time of approval of an RMP,  it was highly  important that a clear political commitment be 

shown  by  the  country  concerned  and  that  the  RMP  be  prepared  in  a  high‐quality, 

comprehensive way,  containing a  strategy,  including  institutional  and  legislative aspects, 

for phasing out CFCs  in the entire sector, and  including consideration of how to approach 

the problem of the informal sector. 

(UNEP/OzL.Pro/ExCom/24/47, Decision 24/24, para. 47). 

The Twenty‐fifth Meeting of the Executive Committee decided to request UNEP to 

organize, in association with the 10th Meeting of the Parties, a workshop involving bilateral 

donors, the Implementing Agencies and the Secretariat, to review experience to date with 

RMPs, in order to improve the quality of the preparation and implementation of RMP 

projects. (UNEP/OzL.Pro/ExCom/25/68, Decision 25/25, para. 54 (b)). 

The  Twenty‐fifth Meeting  of  the  Executive  Committee  also  decided  to  request  that  the 

possibility  of  carrying  out more  cost‐effective  regional  training  be  considered  in  future 

refrigerant management plans projects. 

(UNEP/OzL.Pro/ExCom/25/68, Decision 25/32, para. 64 (c)). 

The Twenty‐seventh Meeting of the Executive Committee decided: 

(a)  to invite members and Implementing Agencies, including those involved in bilateral co‐

operation, to communicate their views and field experience to the Secretariat in writing 

to be used as input for discussions by the contact group (composed of Algeria, Belgium, 

Burkina Faso, Canada, Italy, Sweden (facilitator) Uganda and the United States) on the 

occasion  of  the  Twenty‐eighth  Meeting  of  the  Executive  Committee,  taking  into 

account document UNEP/OzL.Pro/ExCom/27/Inf.4 and possible  links with other policy 

issues; 

(b)  to  request  the Sub‐Committee on Monitoring, Evaluation and Finance  to  take up  the 

question  of  performance  targets  applicable  to  preparation  and  implementation  of 

refrigerant management plans. 

(UNEP/OzL.Pro/ExCom/27/48, Decision 27/85, paras. 129 to 131). 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 7    

(Supporting document: UNEP/OzL.Pro/ExCom/27/Inf.4). 

The Twenty‐ninth Meeting of the Executive Committee decided: 

(a)  to commend the contact group and its facilitator for the progress made; 

(b)  to reconstitute the contact group from the members of the new Executive Committee; 

and 

(c)  to  include  refrigerant management  plans  as  an  item  of  the  agenda  of  the  Thirtieth 

Meeting of the Executive Committee. 

(UNEP/OzL.Pro/ExCom/29/65, Decision 29/70, para. 110). 

The  Eleventh Meeting  of  the  Parties  decided  to  request  the Multilateral  Fund  Executive 

Committee to  finalize the  formulation of guidelines  for  refrigerant management plans  for 

high  volume  ozone‐depleting‐substance‐consuming  countries  as  soon  as  possible  and 

subsequently  approve  funding  in  accordance with  the guidelines  for  such projects  in  the 

pipeline. 

(UNEP/OzL.Pro.11/10, Decision XI/27). 

3. IMPLEMENTATION AND IMPACT OF RMPS (Ref: 2002 Report of the Refrigeration, Air Conditioning and Heat Pumps Technical Options Committee) 

The 14 countries can be grouped according to the amount of ODS that is being managed by 

the  projects  proposed  in  the  RMPs.  There  are  three  countries  (Lesotho,  Seychelles  and 

Swaziland)  with  a  consumption  of  less  than  10  ODP  tons;  eight  countries  (Botswana, 

Ethiopia,  Malawi,  Mauritius,  Mozambique,  Namibia,  Uganda,  and  Zambia)  with 

consumption  between  10  and  80 ODP  tons;  and  three  countries  (Kenya,  Tanzania  and 

Zimbabwe) with a consumption of over 80 ODP tons. 

The RMPs will continue to co‐ordinate, enforce and provide a framework for the successful 

implementation of ODS phase‐out activities in these countries: 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 8    

 

The successful  implementation of the various components of the RMPs  (e.g., training and 

education,  implementation of  legislation and  regulations, and economic  instruments) will 

lead to the effective phase‐out of ODS well within the requirements of the Protocol. 

4. DISPOSAL NEEDS IN A5 COUNTRIES (Ref: Revised Report of The Study on ODS Disposal Options in Article 5 Countries May 2006, The Ministry of the Environment of Japan) 

This section  introduces examples of actual destruction of ODS and other examples which 

indicate actual and potential ODS disposal needs  in Article 5 countries. These cases have 

been  identified  through  interviews with  the Ozone Officers,  servicing workshop  owners, 

halon banks and other stakeholders in some countries. 

Actual Destruction Cases 

Indonesia, 21 MT of CFC12 

One  servicing  company  based  in  Kalimantan  Island  of  Indonesia  retrofitted  CFC  based 

equipment  installed  at  one  oil  company. As  a  result,  21 MT  of CFC was  recovered.  This 

company decided  to dispose of  the  recovered CFC but had  to  store  it  for  some  time.  In 

2005, the company sent the CFC to Australia and had it destroyed at a cost more than US$ 

280,000, including transportation and destruction. 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 9    

Thailand, 1 MT of HCFC22 and HFC 

A  Japanese  company  in Thailand  had  been  looking  over  3  years  for  disposal  options  for 

HCFC22  and  R410A  (HFC32/125)  recovered  from  air  conditioners  in  the  pre‐shipment 

quality check process. When gas leakage is found from end products prior to shipment, the 

refrigerant is recovered during repair but the product is refilled with new refrigerant instead 

of the recovered refrigerant for quality assurance. 

In  accordance  with  the  policy  of  the  headquarters  of  the  company  in  question,  the 

company’s plants in Thailand as well as in other countries are recovering the refrigerant that 

would otherwise be released into the atmosphere and also seeking for access to appropriate 

disposal of the refrigerant recovered at its own plants or the market. 

The company is aware of the existence of retailers in Thailand who would buy the recovered 

refrigerant from them. However, the company has decided to destroy the refrigerant, as its 

social  responsibility  policy,  instead  of  selling  it  in  a  country  without  a  sophisticated 

reclamation system. 

Although the company  first contacted  local cement companies  for refrigerant destruction 

service, they did not agree to ODS destruction due to the concern that 

ODS  destruction  in  the  cement  kiln  would  damage  the  kiln.  The  company  considered 

exporting the refrigerant to Japan for destruction but concluded that it was not practicable 

due  to  expected  complexity  of  procedures.  Eventually,  the  company  requested  the 

industrial  waste  management  center,  which  is  funded  by  the  Thai  government,  to 

investigate necessary conditions for the destruction of the refrigerant. The conditions were 

verified by technical engineers of the company and the headquarters  in Japan before and 

after the start of the operation. 

At present, the destruction  is being conducted  in the center on an experimental basis at a 

destruction capacity of 1 kg/hr. Capacity of  total waste  incineration  in  the center  is 40‐50 

tons/day. 900 kg of the refrigerant (15 cylinder tanks) that had been stored over the 3‐year 

period was transported to the center and 500 kg has been destroyed already (as of February 

2006).  The  cost  of  destruction  that  was  conducted  on  a  trial  basis  was  15,000  Baht/t 

(planned  to  be  raised  when  business  operation  starts),  which  is  being  covered  by  the 

company. 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 10    

The company is starting the recovery practice during service operation, which will increase 

the destruction need of the refrigerant up to 1‐1.5 MT. 

People’s Republic of China, 200 MT of recovered HCFC, etc. 

A  Japanese company  in  the People’s Republic of China has been destroying HCFC22 and 

other HCFCs  (HCFC124, 124a, etc.), which are  recovered  in  the process of manufacturing 

fluoropolymers since 2003. Approximately 200 MT of HCFCs has been recovered so far (100 

MT  in 2005), which  is currently decomposed voluntarily together with by‐product gases  in 

the  devoted  destruction  facility  based  on  submerged  combustion  technology  that  is 

installed  in the plant. The destruction plant  is capable of decomposing 360 kg/h; however, 

there is no excessive capacity to accommodate ODS from external sources at present. 

5. PATTERNS AND OPTIONS OF DISPOSAL NEEDS  (Ref: Revised Report  of 

The Study on ODS Disposal Options  in Article 5 Countries May 2006, The Ministry 

of the Environment of Japan) 

The examples of ODS disposal needs and practices show that disposal needs exist not only 

for recovered ODS but also virgin ODS such as obsolete pesticide (MBr) in Nepal, MCF and 

CFC113 without  end  uses  after  successful  conversion  of  uses  that  used  to  be  dependent 

upon them. 

As  for  recovered  ODS,  mixture  of  refrigerants  creates  ODS  disposal  needs  with  such 

refrigerants stocked at servicing workshops or kept in custody at the customs. 

In addition,  the  collected examples  show emerging  cases of  recovered ODS without end 

uses, such as the extreme case of the comprehensive equipment replacement of domestic 

refrigerators in Cuba and the case of halon 1211 recovery in the Philippines, where no new 

sales of halon 1211‐based equipment is permitted. 

Similarly, not  little of CFC11 to be recovered as a result of the chiller conversion  incentive 

project in the Philippines can be surplus without end uses. Similar situations could occur in 

other countries with the progress of chiller demonstration projects that were approved at 

the 47th Executive Committee. 

Considerable Disposal Options 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 11    

As  for  virgin ODS without  end  uses  such  as  obsolete MBr,  the  considerable  options  for 

disposal are destruction in its own country or exportation to other countries for destruction. 

Since  obsolete MBr  does  not  function  as  pesticide  any  longer  even  in  other  countries, 

reclamation  or  reuse  cannot  be  an  option  in  this  case.  In  the  case  of MCF  and  CFC113, 

exportation  to other countries where  these substances are still  in use can be an option  in 

addition to destruction. 

As for recovered ODS without end uses, destruction  in  its own country and exportation to 

other countries for reuse, recycling, reclamation and destruction are considerable disposal 

options.  In  that case,  to decide which option should be  taken,  it  is necessary  to  take  into 

account  both  economic  and  technical  aspects:  in  economic  terms,  the  demand  for 

recovered ODS needs  to exist  in  the market.  In  this  regard, cost analysis as compared  to 

virgin ODS in the market should be taken into account. In technical terms, the capability of 

checking the quality of recovered ODS is essential to ensure that recovered ODS be put into 

appropriate uses  according  to  the quality. The most  feasible option will be derived  from 

well‐balanced consideration of these aspects. 

Mixture of refrigerants needs distillation‐based reclamation for reuse or destruction when 

it is not economically or technically feasible to distill it. 

It  should  be  noted  that  simplified  (non‐distillation)  reclamation  that  is  supported  by 

recycling  facilities  that are provided  in  the  conventional R & R projects  cannot deal with 

mixed refrigerants. 

When a certain amount of  refrigerant  is distilled, the amount of the reclaimed  refrigerant 

will  be  approximately  70 %  of  the  original  amount  and  the  distillation  of  lower  purity 

refrigerant  below  threshold  level  consumes more  energy  and  time;  for  that  reason,  the 

reclamation facilities in Japan do not accept mixed or contaminated refrigerants that do not 

satisfy the industry‐prepared threshold standards. 

Therefore, the existence of a reclamation facility does not necessarily negate the need for 

destruction of the residue and low‐purity recovered refrigerants. 

When distillation or destruction is not available in its own country, as is the case with 

Article 5 countries at present; exportation to other countries with distillation  / destruction 

facilities is the only remaining option, except for long‐term storage for future construction 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 12    

of  a  distillation  or  destruction  facility.  To  explore  the  feasibility  and  acceptability  of 

exportation, attention needs to be paid to related  international agreements and domestic 

laws and rules of both exporting and importing countries: 

Import and export of used ODS is not controlled under the Montreal Protocol. 

Exportation of used ODS to other countries for reclamation or destruction can be subject to 

the control and requirements of the Basel Convention when used ODS is legally defined as 

or considered to be hazardous waste by the State of export, the State of import or State of 

transit in light of the Basel Convention's process and hazardousness criteria. The application 

of bilateral agreements and domestic laws and rules relating to trans boundary movement 

of wastes should be ensured. 

In summary, the measures to deal with identified ODS disposal needs are considered to be 

distillation‐based  reclamation  or  destruction,  which  are  outside  the  scope  of  the 

conventional R & R projects. To take these measures, Article 5 countries that do not have 

reclamation  or  destruction  facilities  have  three  approaches  to  assess:  to  construct  new 

facilities, to modify the existing facilities such as cement kilns that exist in many 

Article 5 countries and to export substances to be reclaimed or destroyed in other countries. 

In consideration of the above, disposal options can be further translated into the following 

four types: 

Option 1a: Construction of a new facility for ODS destruction; 

Option 1b: Construction of a new facility for ODS reclamation; 

Option 2: Modification of an existing facility for ODS destruction; and 

Option 3: Exportation of ODS to other countries for reclamation, destruction, etc. 

Issues to be taken into consideration for project implementation 

Measures to deal with ODS disposal needs in a specific country or region should be tailored, 

choosing from or combining the above‐mentioned options or other effective options, if any. 

In  preparing  and  implementing  such  projects,  the  following  issues  should  be  taken  into 

consideration: 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 13    

Need  for  legislation  to  ban  the  atmospheric  release  of  ODS  as  a  measure  to 

promote reclamation and destruction. 

Need  to  consider  the  systematic  coordination  with  ongoing  R&R  or  banking 

activities in the case of refrigerants and halons. 

Need  to  consider  the  way  in  which  the  financial  burden  is  allocated  among 

stakeholders. 

Need  to  consider  subsidy,  other  financial  incentives  or  the  market‐driven 

approaches  to  make  the  system  functional  in  the  stages  from  recovery  to 

reclamation or destruction. 

Need to include operator training as a project component. 

Possibility  of  co‐financing  with  other  funding  resources  and  coordination  with  other 

multilateral  activities  of  chemical waste management  such  as  POPs‐related movements 

and CDM‐approved HFC destruction facilities. 

However, POPs treatment in a cement kiln is expected to be solid‐state coprocessing. 

Therefore, destructions of POPs  (solid, as mixed with  fuel) and ODS  (gas) need different 

types of modification even  though  they are destroyed  in  the  same  facility. On  the other 

hand, CDM‐approved HFC23 destruction facilities in China (superheated steam reactor) and 

the  Republic  of  Korea  (submerged  injection)  are  fully  occupied with  HFC23  destruction 

without room for ODS destruction even though they are technically capable of destroying 

ODS. 

Need in case of destruction to ensure that the ODP phase‐out by destruction should 

not  lead  to  net  increase  of  production  or  consumption  through,  for  instance,  an 

agreement in the project document. 

6. SAFE  USE  OF  REFRIGERANT  (UNEP:  Manual  for  Refrigeration  Servicing 

Technicians) 

This section covers the relevant safety issues necessary for working with refrigerants. There 

is a general description of the safety implications of refrigerants, including toxicity, oxygen 

displacement, flammability, degradation products, and high pressure to highlight the major 

hazards.  It  includes  a  summary  of  the  important  safety  procedures,  such  as  personal 

protection, ensuring a safe working area, working on a system safety, and how  to handle 

refrigerant cylinders appropriately.  

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 14    

Primarily aimed at the use of hydrocarbon (HC) refrigerants, there is also a section detailing 

the  special  requirements  for working with  flammable  refrigerants, and  further guidelines 

specific to the use of ammonia (NH3, R717).  

Upon completion, the technician should be able to  identify safety procedures for handling 

refrigerants and servicing installations.  

The use, storage and handling of all refrigerants present safety hazards. These hazards may 

be related to a number of aspects, in that they may:  

• be stored at high pressure  

• displace oxygen when released in air  

• have toxicological effects  

• be flammable  

• have dangerous decomposition products.  

At least one of these characteristics applies to any refrigerant, and for that reason, a variety 

of  precautions  must  be  followed  to  ensure  against  injury  to  persons  and  damage  to 

property.  Thus,  safety  begins  with  observing  basic  precautions  and  following  simple 

procedures.  

Before  using  or  handling  any  refrigerant,  personnel  should  be  familiar  with  the 

characteristics of  the specific substance,  reading all  relevant  information, which  is always 

available from the supplier and manufacturer.  

It is also important to understand that safety hazards equally apply to other materials used 

with  refrigerating systems. These  include  refrigeration oils, nitrogen, cleaning agents and 

oxy‐acetylene for brazing.  

Whenever handling hazardous substances, a risk assessment should be carried out, in order 

to  determine  what  the  potential  risks  are,  what  the  consequences  could  be,  and most 

significantly,  to  identify  the safeguards and precautions  to put  in place  to ensure  that an 

undesirable event does not occur. 

These are considered in the following order:  

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 15    

High pressure fluids  

Most refrigerants are stored under pressure, since they would be a gas at atmospheric 

pressure. This presents a number of hazards that those using refrigerants should be aware 

of. A fluid being stored at a pressure several times higher than atmospheric pressure has the 

potential to produce a rapid expansion, which is explosive in nature and can produce shock 

waves that can injure people and property. Therefore it is important to ensure that 

whenever a high pressure fluid is handled, transferred or released; it is done so under strict 

safety procedures.  

When a pressurized  liquid  is exposed  to atmospheric pressure,  it will  rapidly boil off, thus 

drawing heat  from  its surroundings.  In the event that a  liquid spill occurs on the skin, this 

can  result  in  freezing,  thereby  causing  cell  damage  and  pain.  Thus, whenever  handling 

refrigerants, one must always wear  safety glasses and gloves.  If contact with  skin  should 

occur,  flush  the  exposed  area  with  lukewarm  (not  hot)  water.  If  there  is  evidence  of 

frostbite, bathe in lukewarm water, or use other means to warm the skin slowly. Should eye 

contact  occur,  immediately  flush with  large  amounts  of  lukewarm water  for  at  least  15 

minutes,  lifting eyelids occasionally to  facilitate  irrigation. Seek medical attention as soon 

as possible 

Oxygen displacement  

All refrigerants will displace air if released, and when oxygen levels are depleted, 

asphyxiation of people (and animals) occurs. Often, this is manifest by a loss of 

consciousness without the individual being aware that it is happening. Furthermore, most 

refrigerants are denser than air, which means that rooms below ground, seated areas, and 

enclosed spaces are more susceptible. Since most refrigerants are odorless, occupants may 

not be aware that oxygen is being displaced, and may become asphyxiated before they 

become aware of this problem.  

If a large release of refrigerant occurs, the area should be evacuated immediately. Good 

ventilation must be provided in areas where high concentrations of the vapour could 

accumulate. Once the area is evacuated, it must be ventilated using blowers or fans to 

circulate the air at floor‐level: the lowest point possible. Before performing maintenance in 

areas where refrigerants could have accumulated, a thorough assessment must be carried 

out in order to determine whether respiratory protection is required.  

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 16    

It is worth noting that within the field of RAC, there have been more fatalities associated 

with oxygen displacement than with any other aspect. It is essential to use appropriate 

breathing apparatus to retrieve someone who has lost consciousness.  

Toxicological effects  

All refrigerants have some toxicological effects, primarily when inhaled, but also if they are 

ingested or come into contact with skin or other body parts. Normally, the various 

toxicological effects are considered according to the potentially dangerous concentrations, 

and for each substance, maximum concentrations are issued.  

Many countries tend to have their own criteria, definitions and allowable concentrations. 

However, across most countries, there are two values, which are based on exposure in the 

workplace:  

• A long‐term exposure limit, based on an 8‐hour time weighted average reference 

period, and  

• A short‐term exposure limit, based on a 15‐minute time weighted average reference 

period  

The long‐term exposure limit represents the allowable concentration that workers can be 

constantly exposed to during their working hours, without any adverse effects. The short‐

term exposure limit applies to the maximum concentrations that can be tolerated by most 

people in the event of a catastrophic release, where they need to make an emergency 

escape. Concentrations are normally specified in parts per million (ppm) or milligrams (mg) 

per m3.  

These exposure limits have different names in different countries. For example, in the UK 

they are termed the Workplace Exposure Limits (WEL), in Japan, France and Germany they 

are Occupational Exposure Limits (OEL), in the USA they are Permissible Exposure Limits 

(PEL), and the European Union employs two different values: Indicative Occupational 

Exposure Limit Values (IOELV) and Binding Occupational Exposure Limit Values (BOELV), 

depending upon the circumstances.  

In general, it is important to check whether the products one intends to work with can be 

safely used in all of their considered applications and handled in accordance with 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 17    

manufacturer information. Whilst the toxicity of most refrigerants is low, the possibility of 

injury or death exists in unusual situations or if they are deliberately misused.  

Exposure to refrigerant concentrations above the recommended exposure levels can result 

in loss of concentration, drowsiness, cardiac arrhythmia, and other symptoms, that can all 

lead to fatality. The allowable exposure levels for some of the alternative refrigerants are 

lower than those of the chlorofluorocarbons (CFCs). As mentioned before, skin should be 

protected; many fluorinated refrigerants and ammonia can irritate the skin and eyes.  

Inhalation of concentrated refrigerant vapour is dangerous and can be fatal. If inhaled, the 

victim should be moved to an area with fresh air. If they are not breathing, they should be 

given artificial respiration, and if breathing is difficult, give oxygen. It is important to avoid 

stimulants, and do not give them adrenaline (epinephrine) because this can complicate 

possible effects on the heart. Medical help must be sought urgently.  

Flammability and degradation products  

A number of refrigerants are flammable under atmospheric conditions. Flammability means 

that if ignited with a flame or spark, they can sustain combustion. All hydrocarbon 

refrigerants are flammable, as are some HFC refrigerants. The refrigerant supplier will also 

provide information relating to a refrigerants’ flammability.  

Depending upon the characteristics of a particular substance, the consequences of ignition 

can be severe, and therefore it is essential to take the appropriate precautions whenever 

designing, constructing or working on a system that uses flammable refrigerants.  

Whilst many CFC, HCFCs and HFC refrigerants are not flammable under normal conditions, 

they can become flammable when under pressure and mixed with air and/or oil. Because of 

this potential, the refrigerants should never be mixed with air in tanks or supply lines, or 

allowed to accumulate in storage tanks, and sources of ignition should also be avoided.  

Even  if  the conditions are such  that CFC, HCFC and HFC  refrigerants are non‐flammable, 

these substances will decompose at high  temperatures such as  those associated with gas 

flames or electric heaters. 

The compounds  that  result under  these circumstances always  include hydrofluoric acid.  If 

the compound contains chlorine, hydrochloric acid will also be  formed, and  if a source of 

water, (or oxygen), is present, a smaller amount of phosgene will be formed. Halogen acids 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 18    

have a very sharp, stinging effect on the nose and if they are detected, the area should be 

evacuated until the air has been cleared of decomposition products. 

Safety Standards and Regulations  (Reference:  Introduction  to Standatrds of Non‐

ODS Alternatives  in RAC by Samir Trabolsi, PhD., P. Eng. Senior Lecturer, Consultant 

ASHRAE Conference and Exposition Committee Member) 

ASHRAE Standard 15: Safety Standard for Refrigeration Systems:  

Specifies safe design, construction, installation, and operation of refrigeration 

systems.  

It applies to substitutions if refrigerant having a different designation.  

It describes occupancy classifications (Institutional, public assembly, residential, 

commercial, large mercantile, industrial and mixed occupancy) that consider the 

ability of people to respond to potential exposure to refrigerant.  

It defines different refrigeration systems (direct, indirect, indirect open spray, 

double indirect open spray, indirect closed and indirectly vented closed system)  

It classifies the refrigeration systems according to the degree of probability that a 

leakage of refrigerant will enter occupancy‐classified areas (High‐probability, low‐

probability systems)  

Changing the refrigerant requires and for safety purposes, notification the authority 

of jurisdiction, the user.  

Safety classification is set as per type if single‐compound or blend.  

Allowance of amount of refrigerant in institutional occupancy is halved.  

Additional restrictions applied on flammable refrigeration and refrigeration system 

in corridors and lobbies, type and purity of refrigerant, recovered or recycled, 

reclaimed, applications for human comfort and on higher flammability refrigerants.  

It restricts the installation in its equipment foundation, guards, safe access, water 

connections, electrical safety, gas fuel equipment, refrigerant pipe joint inspection, 

location of the refrigerant piping, machinery room in general requirements and 

special ones and purge discharge.  

It restricts the installation in its equipment foundation, guards, safe access, water 

connections, electrical safety, gas fuel equipment, refrigerant pipe joint inspection, 

location of the refrigerant piping, machinery room in general requirements and 

special ones and purge discharge. 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 19    

It describes the materials that may or may not be used in the construction and 

installation of the refrigerating system.  

It specifies the maximum design pressure.  

It describes the pressure vessel characteristics and pressure relief protection, 

devices.  

It clarifies the method of refrigerant discharge, selection of pressure limiting 

devices and refrigerant piping and requirements of factory testing and name plates  

It requires field tests by explaining the testing procedures.  

In addition, it provides general requirements including identification of piping and 

controls, changes in the refrigerant, refrigerant storage, periodic tests and how 

codes take precedence over the standards.  

Normative appendices are provided including calculation of the maximum 

allowable concentration of a blend, normative reference, method for calculating 

discharge capacity of positive displacement compressor pressure relief device, 

allowable equivalent length of discharging piping, and what to do in emergencies in 

refrigerating machinery rooms.  

Standard 34: Designation and Safety Classification of Refrigerants  

Its purpose is intended to establish a simple means of referring to common 

refrigerants instead of using the chemical name, formula, or trade name.  

It establishes a uniform system for assigning reference numbers, safety 

classifications, and refrigerant concentration limits to refrigerants.  

It identifies requirements to apply for designation and safety classifications for 

refrigerants and to determine refrigeration concentration limits.  

It provides an unambiguous system for numbering refrigerants and assigning 

composition‐designating prefixes for refrigerants.  

Safety classifications based on toxicity and flammability data are included along 

with refrigerant concentration limits for the refrigerants.  

The standard does not imply endorsement or concurrence that individual 

refrigerant blends are suitable for any particular application.  

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 20    

 

7.  HANDLING  OF  REFRIGERANTS  (Ref:  UNEP:  Manual  for  Refrigeration  Servicing 

Technicians) 

Below  are  presented  some  aspects  of  the management  of  refrigerant  cylinders.  Specific 

considerations about  safety and care precautions concerning  the manipulation and direct 

contact with refrigerant itself are presented in refrigerant cylinders. 

Refrigerants are packed  in both disposable and  returnable  (refillable) shipping containers, 

commonly  called  “cylinders”. Disposables are manufactured  in  sizes  from 0.5  liters  to 22 

liters  capacity  (corresponding  to  approximately  0.5  to  25  kg  of  CFC,  HCFC  or  HFC 

refrigerant).  They  are  considered  pressure  vessels,  and  in most  countries  therefore  are 

subject to national regulations.  

Containers are designed  for pressurized and  liquefied gases, and are  labeled accordingly. 

Some  refrigerants  are  gases  at  atmospheric  pressure  and  room  temperature,  and  are 

therefore  transported  and  stored  as  liquefied  compressed gases  in  pressurized  cylinders. 

Other refrigerants are liquids at room temperature and contained in drums, barrels or other 

standard containers.  

Numerous  regulations  are  in  force  worldwide  for  the  manufacture,  handling  and 

maintenance  of  pressurized  containers.  Cylinders  are  manufactured  to  specifications 

established by countries regulatory authorities.  

There are different types of cylinder:  

Normally, each cylinder is equipped with a safety‐relief device that will vent pressure from 

the  cylinder before  it  reaches  the  rupture point,  in  the event of,  say, overheating. When 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 21    

temperatures increase, the liquid refrigerant expands into the vapor space above the liquid 

causing  the pressure  to  rise gradually as  long as a vapor space  is available  for expansion. 

However,  if no vapor space  is available due to an overfilled cylinder and no pressure‐relief 

valve  is available, the  liquid will continue to expand with no room for the expanding  liquid 

and will result  in extremely high pressures with the consequence of the cylinder rupturing. 

When  the  cylinder  ruptures,  the  pressure  drop  causes  the  liquid  refrigerant  to  flash  into 

vapor and sustains explosive behavior. The rupture of a refrigerant cylinder containing liquid 

refrigerant  that  flashes  into  vapour  is  far  worse  than  the  rupture  of  a  compressed‐air 

cylinder of the same pressure. The next pages include information on cylinder management 

plans. 

Disposable and non‐refillable cylinders  

Available  on  the  market  are  a  type  of  cylinder  called  “non‐refillable”  or  “disposable” 

cylinders. These are sometimes used where the supply infrastructure is less comprehensive, 

and it is less costly for refrigerant suppliers who may expect their cylinders to become lost. 

From  both  an  environmental  and  safety  perspective,  the  use  of  disposable  cylinders  is 

considered to be very bad practice.  

These containers are generally discharged after use,  resulting  in a  lot of  refrigerant being 

released  to  the  atmosphere.  Furthermore,  there  are  often  attempts  to  re‐use  these 

cylinders  (for  example,  through  brazing  new  valves  onto  them  to  enable  re‐filling  with 

refrigerant), despite  such practices being  forbidden. Also,  they  tend  to be manufactured 

from  thinner  metal  than  the  conventional,  re‐usable  cylinders,  rendering  them  more 

susceptible  to  rusting  and  mechanical  damage  over  time.  As  such,  their  use  is  not 

recommended under any circumstances.  

In fact they are already prohibited in many countries, such as the European Union member 

states  and Australia  and Canada. Other  countries  are  also working  to  implement  similar 

rules. Mandating  the  use  of  returnable,  refillable  containers was  implemented  as  a  key 

measure to reduce GHG emissions by eliminating the possibility of the eventual release of 

the  residual product  that unavoidably  remains  in disposable  refrigerant containers. These 

regulations  had  support  from  the  major  refrigerant  manufacturers  and  industry  trade 

associations.  

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 22    

If a disposable cylinder has been used, before disposing of it, it should be properly emptied. 

This requires the remaining refrigerant to be recovered until the pressure has been reduced 

to pressure of approximately 0.3 bar (absolute). The container’s valve must be closed at this 

time  and  the  container marked  as  empty.  The  container  is  then  ready  for  disposal.  It  is 

recommended that the cylinder valve should then be opened to allow air to enter, and the 

cylinder should be rendered useless (with the valve still open) by breaking off the valve or 

puncturing the container. This will avoid misuse of the container by untrained  individuals. 

Used  cylinders  can  be  recycled with  other  scrap metal. Never  leave  used  cylinders with 

residual  refrigerant  outdoors  where  the  cylinder  can  rust.  An  abandoned  cylinder  will 

eventually deteriorate and could potentially explode.  

Refillable cylinders  

Refillable cylinders are the standard receptacles available for the storage and transportation 

of smaller quantities of refrigerant. They normally range  in size  from about 5  litres to 110 

litres  (approximately  5  to  100  kg  of  CFC,  HCFC  or  HFC  refrigerant).  The  cylinders  are 

normally  constructed  from  steel  and  have  a  combination  valve, with  separate  ports  for 

refrigerant removal, refrigerant filling and a pressure relief device. The port for refrigerant 

filling  is  normally  locked  so  that  only  the  refrigerant  supplier  can  gain  access.  Some 

cylinders also have two separate removal ports: one for liquid and another for vapour, if the 

cylinder  is  fitted with a dip‐tube. There  is usually a metal collar around  to  the  top of  the 

cylinder to protect the valve from mechanical damage. Both the cylinder itself and the valve 

are usually subject to national regulations for their design, fabrication, and testing. 

Recovery cylinders  

Recovery cylinders are  specifically  intended  for  refrigerant  that have been  removed  from 

refrigeration systems. The recovered refrigerant can then be re‐used or sent for reclamation 

or  disposal.  The  construction  of  the  cylinders  is  normally  very  similar  to  a  conventional 

refillable  cylinder,  except  for  two  differences:  one  is  that  the  cylinder  valve  has  the 

refrigerant  filling port enabled, so  that  refrigerant can be easily  fed  into  the cylinder, and 

the  second being  the external marking. The cylinder  shoulder and upper part  is normally 

painted  yellow, with  the  remainder  of  the  cylinder  body  painted  grey  color  code  is  also 

applied to cylinder to indicate the type of recovered refrigerant, as shown in the illustration.  

Recovery Cylinder  

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 23    

It  is  important  to  ensure  that  the  recovery  cylinder  is  only  ever  used  for  one  type  of 

refrigerant. This  rule should be  followed  for two  reasons:  first,  if different  refrigerants are 

mixed, it may not be possible to separate them again for re‐used, and secondly, mixing two 

or more  refrigerants  can  result  in  a  pressure  that  exceeds  the  pressure  of  either  of  the 

refrigerants added into the cylinder.  

For refrigeration technicians using recycling machines, it is suggested that the refrigeration 

technician utilize a ‘CLEAN’ recovery cylinder for recycled refrigerant and a ‘DIRTY’ recovery 

tank  for  recovered, but not  recycled  refrigerant. Marking  the  recovery  tanks as clean and 

dirty will  avoid  contamination of otherwise  clean  refrigerant by putting  clean  refrigerant 

into a recovery tank that once held dirty refrigerant. 

Management: Cylinder inspections and re‐testing  

The  use  of  the  various  refrigerants  in  cylinders  that  are  exposed  to  the  environment  is 

reason for concern, as previously discussed. Although the interior of these cylinders must be 

void of moisture, the exterior cannot avoid it. Thus, corrosion can and does occur, as well as 

mechanical  damage  due  to mishandling.  These  are  but  a  few  of  the  reasons  why  the 

cylinders must  be  inspected  and  re‐tested  at  particular  intervals.  The  intervals  differ  by 

country, but the date for the next inspection or testing is usually indicated on the cylinder. It 

should  then  be  returned  to  the  refrigerant  supplier.  Similarly,  the  valves  should  be 

periodically  examined,  especially  the  relief  valve.  Check  to  be  sure  that  nothing  is 

obstructing the relief valve and that no visual deterioration or damage has occurred. If any 

damage is visible, empty the cylinder and have the tank repaired. Never use a cylinder with 

a faulty pressure‐relief valve or with obvious structural impairments. 

Safe handling of flammable refrigerants  

Whilst  hydrocarbons  are  very  good  refrigerants,  their  flammability means  that  their  use 

need to be considered carefully. Safety and  legislative  issues need to be  fully understood. 

The  use  of  hydrocarbons  has  been  widespread  in  the  European  domestic  refrigeration 

market since the mid‐nineties. 

Manuals and instructions  

Before handling hydrocarbon refrigerants be aware of detailed  information to be provided 

in  manuals  for  the  installation,  service  and  operation  (be  they  separate  or  combined 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 24    

manuals). The manuals will include all the relevant information about the equipment, such 

as the maximum  refrigerant charge,  the minimum  rated airflow  if  required, the minimum 

floor area of the  room or any other special  requirements, as well as all  the corresponding 

warnings. Importantly, they must all provide the necessary information and instructions for 

the  correct  handling  of  flammable  refrigerants  and  associated  equipment,  refrigerant 

detection,  charging,  equipment  decommissioning,  removal,  recovery  and  storage  of  the 

refrigerant,  and  aspects  related  to  ensuring  the  integrity  of  the  protection  for  electrical 

components.  

Only competent professionals trained in the use of flammable refrigerants are permitted to 

open equipment housing or to break  into the refrigerant circuit, and the maintenance and 

repair  requiring  the  assistance of  another  skilled person  should be  carried out under  the 

supervision of the competent individual.  

General Approach to hydrocarbon refrigerant handling  

Any  equipment  used  in  the  process  of  repair must  be  suitable  for  use  with  flammable 

refrigerants.  

All  tools  and  equipment  (including  measuring  equipment)  are  to  be  checked  for 

suitability  for  working  on  the  equipment,  particular  attention  is  to  be  paid  to  the 

selection of:  

• Refrigerant recovery units  

• Refrigerant leak testing units  

• Electrical test meters  

• Refrigerant recovery cylinders  

• • Portable lighting

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 25    

If  the  installation  permits,  it  is  recommended  that  the  equipment  be  removed  from  its 

existing position to a controlled workshop environment suitable for the type of repair where 

work can be conducted safely.  

Safety check of the working area  

Prior to beginning work on systems containing hydrocarbon refrigerants, safety checks are 

necessary to ensure that the risk of ignition is minimized.  

For  repair  to  the  refrigerating  system  prior  to  conducting work  on  the  system,  the 

following precautions shall be complied with:  

• Work shall be undertaken under a controlled procedure so as to minimize the risk of 

a flammable gas or vapor being present while the work is being performed.  

• All maintenance staff and others working in the local area should be instructed as to 

the nature of work being carried out.  

• Work  in confined spaces must be avoided. The area around the workspace is to be 

sectioned off.  

• Ensure that the conditions within the area have been made safe by the control of 

flammable material.  

• The  area  shall  be  checked with  an  appropriate  refrigerant  detector  prior  to  and 

during  work  to  ensure  that  the  technician  is  aware  of  potentially  flammable 

atmospheres. Ensure  that  the  leak detection equipment being used  is suitable  for 

use with flammable refrigerants, i.e. non‐sparking, adequately sealed or intrinsically 

safe.  

• If any hot work is to be conducted on the refrigeration equipment or any associated 

parts, appropriate  fire extinguishing equipment shall be available  to hand. Have a 

dry powder or carbon dioxide fire extinguisher adjacent to the charging area.  

• No  person  carrying  out work  in  relation  to  a  refrigeration  system which  involves 

exposing any pipe work which contains or has contained flammable refrigerant shall 

use any sources of  ignition  in such a manner that  it may  lead to the  risk of  fire or 

explosion.  

• All possible ignition sources,  including cigarette smoking, should be sufficiently far 

away  from  the  site of  installation,  repairing,  removing and disposal during which 

flammable refrigerant can possibly be released to surrounding space. Prior to work 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 26    

taking  place,  the  area  around  the  equipment  is  to  be  surveyed  to  establish  any 

flammable hazards or ignition risks. Display “No Smoking” signs.  

• Ensure  that  the  area  is  in  the  open  or  that  it  is  adequately  ventilated  before 

breaking  into  the  system  or  conducting  any  hot  work.  A  degree  of  ventilation 

should  continue  during  the  period  that  the  work  is  carried  out.  The  ventilation 

should safely disperse any released refrigerant and preferably expel it externally to 

the atmosphere.  

Safety check of the refrigeration equipment  

Where electrical components are being changed, they are to be “fit for purpose”, and to the 

correct  specification. At all  times  the manufacturer’s maintenance  and  service guidelines 

are  to  be  followed.  If  in  doubt  consult  the  manufacturer’s  technical  department  for 

assistance.  

The  following  checks  should  be  applied  to  installations  using  flammable 

refrigerants:  

• That the charge size is in accordance with the room size within which the refrigerant 

containing parts  are  installed. Hydrocarbon  charge  sizes  are  typically 40%  to  50% of 

CFC, HCFC and HFC charge sizes.  

• That ventilation machinery and outlets are operating adequately and not obstructed.  

• Confirm the operation of equipment such as refrigerant leak detectors and mechanical 

ventilation systems.  

•  If  an  indirect  refrigerating  circuit  is  being  used,  the  secondary  circuit  should  be 

checked for the presence of refrigerant.  

• Ensure that marking to the equipment continues to be visible and legible. Marking and 

signs that are worn should be corrected.  

• Check that refrigeration pipe or components are not installed in a position where they are 

likely  to  be  exposed  to  any  substance  which  may  corrode  refrigerant‐containing 

components,  unless  the  components  are  constructed  of materials  which  are  inherently 

resistant to being corroded or are suitably protected against corrosion. 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 27    

When  the  final  OFN  charge  is  used,  the  system  can  be  vented  down  to  atmospheric 

pressure to enable work to take place. This operation is absolutely vital if brazing operations 

on the pipe work are to take place. Ensure that the outlet for the vacuum pump is not close 

to any ignition sources and ventilation is available. 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 28    

Charging of refrigerant  

The  charging  of  refrigeration  systems  with  hydrocarbon  refrigerants  is  similar  to  those  using 

halocarbon refrigerants. As with all blend refrigerants, hydrocarbon refrigerant blends should also 

be charged in the liquid phase in order to maintain the correct composition of the blend.  

The following additional requirements should be adhered to:  

•  Ensure  that  contamination  of  different  refrigerants  does  not  occur  when  using  charging 

equipment. Hoses or lines are to be as short as possible to minimize the amount of refrigerant 

contained in them.  

• Cylinders must be kept upright.  

• Charge the refrigerant in the liquid phase.  

• Ensure that the refrigeration system is earthed prior to charging the system with refrigerant.  

• Label the system when charging is complete. The label should state that hydrocarbon refrigerants 

have been charged  into the system and that  it  is flammable. Position the  label  in a prominent 

position on the equipment.  

• Extreme care shall be taken not to overfill the refrigeration system. Hydrocarbon charge sizes are 

typically 40% to 50% of CFC, HCFC and HFC charge sizes.  

• The system must be leak tested on completion of charging.  

Cylinder handling  

Safe cylinder handling differs little from other refrigerant cylinders which are as follows:  

• Do not remove or obscure the official labeling on a cylinder.  

• Always refit the valve cap when the cylinder is not in use.  

• Use and store cylinders in an upright position.  

• Check the condition of the thread and ensure that it is clean and not damaged.  

• Store and use cylinders in dry, well‐ventilated areas remote from fire risk.  

• Do not expose cylinders to direct sources of heat such as steam or electric radiators.  

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 29    

• Do not repair or modify cylinders or cylinder valves.  

• Always  use  a  proper  trolley  for moving  cylinders  even  for  a  short  distance  –  never  roll 

cylinders long the ground.  

• Take precautions to avoid oil, water and foreign matter entering the cylinder.  

• If  it  is necessary to warm the cylinder, use only warm water or air, not naked flames or 

radiant heaters. The temperature of the water or air must not exceed 40°C.  

• Always  weigh  the  cylinder  to  check  if  it  is  empty  –  its  pressure  is  not  an  accurate 

indication of the amount of refrigerant that remains in the cylinder.  

• Use only dedicated recovery cylinders for the recovery of hydrocarbon refrigerants. 

Storage of cylinders  

Refrigerant cylinders should be stored taking into account the following precautions:  

• Cylinders should be preferably stored outside and never stored in residential premises.  

• Cylinders may be stored in commercial and industrial premises according to the following 

guidelines for storage.  

•  Quantities  stored  are  to  be  restricted  to  no more  than  70  kg  and  stored  in  specific 

dedicated areas or cages.  

• Access to storage areas  restricted to  ‘authorized persons only’, and such places shall be 

marked with notices prohibiting smoking and the use of naked flames.  

• Cylinders containing hydrocarbon refrigerants should be stored at ground  level, never  in 

cellars or basements. Cylinders should be readily accessible, and stored upright.  

Safe handling of ammonia (NH3, R717)  

The  safety classification of R717  is  lower  flammability and higher  toxicity.  In general,  it  is 

fairly difficult to ignite, and even then, it does not easily sustain a flame. Nevertheless, due 

to its flammable nature, it should be treated as such.  

R717 is also a higher toxicity refrigerant, and for this reason, extra caution should be taken. 

Because of its affinity for water, R717 will attack any moist body parts such as armpits, eyes, 

  MODULE 4 NOTES: SAFE USE & HANDLING OF REFRIGERANTS 30    

throat  and  groin  at  relatively  low  concentrations.  Its  strong  odor  is  detectable  by most 

people  at  2  to  5  ppm.  Low  temperatures  increase  the  sensitivity  to  the  presence  of 

ammonia. High humidity reduces the level at which ammonia is perceived. 

Recommendations for exposure  

If  you  do  come  into  physical  contact  with  ammonia,  you  should  administer  the 

following first aid, and seek immediate medical attention:  

Skin contact: Remove contaminated clothing. Drench with  large quantities of water and 

continue  to wash affected skin areas  for at  least 20‐30 minutes, and use  safety  shower  if 

available.  In  the  case  of  freeze  burns,  clothing may  adhere  to  the  skin,  in  which  case, 

immerse the affected area in comfortably warm water to defrost.  

Eye  contact:  Flood  eyes  with  clean  tap water  for  at  least  20‐30 minutes  followed  by 

immediate medical attention.  

Ingestion: Rinse mouth with water and give plenty to drink. Do not  induce vomiting but 

seek medical attention immediately.  

Inhalation: Remove the patient to fresh air  immediately. Remove contaminated clothing 

and keep the patient warm and rested. Seek medical assistance  immediately. The patient 

must be kept under observation for at least 48 hours after exposure as delayed pulmonary 

oedema may develop.  

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 1 

Safety procedure guidelines  

In order to be able to respond to a release of R717, the following should be adhered to:  

• Escape routes should be known and must be free from obstacles.  

• Suitable personal protective equipment including gloves and goggles must be worn at all times.  

• Ensure that breathing apparatus and/or respirator masks are available and close to hand.  It  is 

good practice for engineers to wear their respirator mask loose around the neck when carrying 

out any works other than visual inspections.  

• Fire‐fighting equipment should be accessible within the machinery room.  

• Work  should  only  commence  on  equipment  after  carrying  out  a  full  and  approved  risk 

assessment  plus  a method  statement  so  that  “everyone”  is  aware  of what works  are  being 

undertaken and by whom.  

• Only qualified or experienced engineers should work on ammonia systems.  

• If carrying out works other than routine checks then engineers should work in pairs.  

Due to the widespread use of ammonia throughout industry, many countries have specific laws relating 

to its use and handling.  

It is important to check national regulations with respect to the f:  

• General health and safety legislation  

• National and international refrigeration safety standards  

• Codes of practice issues by trade bodies and institutes  

• Rules for storage and handling of hazardous materials. 

Safe handling of carbon dioxide (CO2, R744)  

CO2  is a  relatively  safe  refrigerant compared  to natural and artificial working  fluids.  It  is classified  in 

group  A1,  which  are  the  refrigerants  with  low  toxicity  and  non‐flammable,  according  to  ASHRAE 

Handbook‐Fundamentals and  ISO 817: 2005, which  is the  international standard for refrigerant safety 

classification. A1  is  the group  that contains  the  refrigerants  that are  least hazardous and without an 

identified  toxicity  at  concentrations  below  400  ppm.  Naturally,  CO2  exists  in  the  atmosphere  at 

concentrations  around  350  ppm  and  for  concentrations  between  300  and  600  PPM  people  do  not 

usually notice the difference.  

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 2 

According to ASHRAE, a CO2 concentration of 1000 ppm  is the recommended  limit to satisfy comfort 

for the occupants, where in a CO2 controlled ventilation system fresh air should be supplied so that the 

CO2 concentration  level will not exceed this value. This is the case of an application when a small CO2 

generation rate is expected due to different human activities.  

However,  in  the case of high  leakage  rate  that might occur  in  supermarket  space or  in  the machine 

room, the consequences of serious health hazards, such as suffocation, must be taken into account.  

 

Different concentrations of CO2 and the expected health consequences  

1 ‐ The Occupational Safety and Health Administration (OSHA) revised Permissible Exposure Limit 

(PEL): Time‐Weighted Average (TWA) concentration that must not be exceeded during any 8 hour per 

day 40 hour per week.  

2  ‐ Threshold Limit Value  (TLV): TWA concentration to which one may be  repeatedly exposed  for 8 

hours per day 40 hours per week without adverse effect. 

3 ‐ Short Term Exposure Limit (STEL): a 15‐minute TWA exposure that should not be exceeded at any 

time during a workday.  

4 ‐ National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) revised Immediately Dangerous to 

Life or Health (IDLH) value.  

5 ‐ IDLH: maximum  level for which one could escape within 30 minutes without any escape‐impairing 

symptoms or any irreversible health effects.  

CO2 has a main drawback of not being self‐alarming by lacking a distinctive odor or color. This implies 

that  facilities  where  CO2  may  leak  must  be  equipped  with  sensors  that  trigger  alarm  when  the 

concentration level exceeds 5000 ppm, above which CO2 concentration may have effect on health. CO2 

is heavier than air and therefore will collect close to the floor when  it  leaks; thus, the sensors and the 

ventilators in the space where CO2 might leak should be located close to the floor.  

In case of component  rupture,  the  fact  that CO2 has  relatively high operating pressure compared  to 

other refrigerants raises questions concerning the hazards of blast effects, shocks and flying fragments. 

The  sudden depressurization  leads  to  explosive  vaporization  and  a  transient overpressure peak  that 

may burst the vessel. The explosive energy per kg for CO2 is high compared to R22. However, when the 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 3 

comparison  is made  for  ductless  residential  air  conditioning  system  with  equal  cooling  or  heating 

capacities and similar efficiencies then owing to the smaller volume and refrigerant charge of the CO2 

system, the actual explosive energies are  in the same range.  In the supermarket system the expected 

explosive energy may be higher than the cases with conventional systems. This is due to the presence 

of the accumulation tank in most of the CO2 system solutions which increases the system’s charge and 

volume.  

However, the explosive energy is more of a concern with systems where the occupants are close to the 

system’s  components;  such  as  mobile  air  conditioning  (MAC)  and  residential  air  conditioning.  In 

supermarket systems the high pressure components are in the machine room and the distribution lines 

are usually kept in a distance from the consumers. 

Some Safety Guidelines (Reference: UNEP: Manual for Refrigeration Servicing Technicians) 

Before working with a refrigerant, information and appropriate rules of conduct should be sought:  

• Personnel who handle refrigerants should be properly trained in their safe use and handling.  

• Personnel should have reviewed the material safety data sheet (MSDS) for the refrigerant used.  

• Personnel must not smoke, braze, or weld when refrigerant vapour is present. Refrigerants can either 

ignite, or decompose  to produce harmful,  corrosive  and  toxic  substances when exposed  to  an open 

flame or hot surface.  

There are a number of aspects that technicians should always be aware of whilst handling refrigerants. 

Personal protection  

Prior to working on a system, or handling refrigerant, technicians should be adequately equipped with 

the appropriate safety equipment:  

• Check the MSDS for the refrigerant, lubricant and other substances in order to determine the proper 

level of protection required.  

• Wear  safety goggles and gloves at all  times when handling  refrigerants or servicing a  refrigeration 

system.  

Ensuring a safe work area  

Before working with a refrigerant, the local area must be prepared accordingly in case of an accidental 

release:  

• Proper ventilation or respiratory protection is required for any work on equipment in an enclosed area 

where a leak is suspected.  

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 4 

•  Always  ventilate  or  test  the  atmosphere  of  an  enclosed  area  before  beginning  work.  Many 

refrigerants which may  be  undetectable  by  human  senses  are  heavier  than  air  and will  replace  the 

oxygen in an enclosed area causing loss of consciousness.  

• Evacuate the area if a large spill occurs. Return only after the area has been properly ventilated.  

• Always ventilate the work area before using open flames.  

Safe working with a system  

When working on a system, several basic considerations should be borne in mind:  

• Always check  for the correct operating pressure of the refrigerant used. Use gauges to monitor the system pressure.  

• Charge the refrigerant into the low side of the system to avoid damaging the compressor, or causing the system to rupture.  

• Refrigerant oil in a hermetic compressor is often very acidic causing severe burns. Avoid skin contact with this oil. 

Never  cut  or  drill  into  any  refrigeration  system,  without  first  removing  the  refrigerant.  The  high pressure refrigerant will be released rapidly and have serious consequences.  

•  Ensure  that  all  refrigerant  is  removed  from  the  system  and  the  pressure  has  been  brought  up  to atmospheric pressure with oxygen‐free dry nitrogen before disassembling a system.  

• When soldering, brazing, or welding on  refrigeration  lines,  the  lines should be continuously purged with  low pressure oxygen‐free dry nitrogen. Cylinders,  transfer  lines and other equipment used with refrigerants  should not be exposed  to high  temperature  sources,  such as welding, brazing and open flames.  

• Following work, the system parts should only be pressure tested with nitrogen.  

• Never  pressurise  systems  or  vessels  containing  refrigerants with  air  for  leak  testing  or  any  other purpose.  

•  Before  transferring  refrigerant,  verify  that  the  hoses  are  properly  connected  to  the  system  and cylinders.  

• Open cylinder valves, hose valves and manifold valves slowly and steadily.  

• Verify that the system has been completely evacuated with a vacuum pump before cutting any lines.  

• Before welding or brazing, evacuate the equipment and then break the vacuum with oxygen free dry nitrogen. Do not perform any repair on pressurised equipment.  

• Whenever using nitrogen cylinders, ensure that the correctly rated regulator is used, and the setting does not exceed the maximum working pressure of the system being worked on  

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 1 

 

   

MODULE 5. NOTES 2 WEEKS 

RELATED STANDARDS AND CODES OF 

SYSTEMS AND SUBSTANCES 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 2 

1. INTRODUCTION TO STANDARDS & BENEFITS 

A standard or “norm” is developed to ensure a certain uniform level of goods, products, and service 

quality. It is a formal document which requires certain characteristics or behavior of goods, persons, 

situations, etc. representing the consensus view of participants in the standards development process. 

Standards are developed to ensure a certain uniform level of goods, products and service quality. 

International standards are based on a consensual mechanism with a wide network of national 

members and stakeholders. 

In practice however many developing countries have limited engagement in the standardization 

process and consequently cannot review, vote and contribute to standards and the process of 

developing these. Smaller enterprises or non‐industry participants can be deterred due to the often 

high level of fees charged for participation. 

Standards can be supported by supplementary information and interpretation of requirements, which 

can be covered by industry guidelines or codes of practice 

Main benefits of standards: 

• Ensure safety considerations (of products, people, production, use, etc.). 

• Enable dissemination and harmonization of best practices. 

• Present a harmonized, stable and globally recognized framework. 

• Can support economic growth. 

• Can minimize technical barriers for trade. 

In the RAC sector, technical standards are becoming increasingly recognized as a key component in 

successfully transitioning away from reliance on ozone‐depleting and powerful global warming gases. 

The adoption and utilization of appropriate technical standards can establish uniform definitions, 

guidelines, rules, criteria, methods, processes, practices or characteristics for activities and their results. 

A standard (sometimes called a ‘norm’), is a formal document developed by experts to ensure a certain 

uniform level of products and services. International standards adapted by countries to suit the national 

situation, or directly adopted into national legislation, bring with them the great advantage of a tool 

which is agreed by the consensus of participants of national committees, with the aim of achieving high 

quality and safety. Such standards can be useful tools for the introduction of alternatives and 

technologies for ozone depleting substances (ODS) especially through specifying safe handling 

practices and provision of measures for minimizing risks. 

The scope of the standards covered in this document can be grouped into four main categories: 

• Safety standards ‐ for design, construction and installation of RAC products and systems 

• Performance standards – for determining the efficiency and performance of RAC systems and 

equipment, as well as for refrigerants1 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 3 

• Practice standards ‐ for identifying knowledge and guiding best practices for technicians when 

handling RAC systems and refrigerants 

• Quality standards ‐ these can be general and cover any industry, but can be applied to processes 

involving refrigerants such as production, accounting, certifying, training, etc. 

2. DEVELOPMENT OF STANDARDS  

Standards are developed at the international, regional, national and other levels by a variety of 

organizations. These organizations are independent of governments, industry, associations and the 

private sector. At the national level, many countries have their own national standardization bodies. 

Usually these national standardization bodies are the contact points for the regional and international 

organizations developing standards. The main role of the national standardizations bodies is to produce 

or review their own standards. Bodies can be independent or linked to the national government. 

Standards issued at the national level generally have priority over the regional or international 

standards. 

It is a common practice that international and regional standards are adopted at the regional and 

national levels. During this procedure, standards can be modified to suit the best local demands and 

conditions. In some cases a contrary approach can be applied and the standard from the national or 

regional level may be adopted for the regional or international level.  

 

3. MAIN STANDARDIZATION ORGANIZATIONS  

There are several principal organizations developing standards related to the refrigeration and air‐

conditioning sector.  

International level  

Of the international standardization organizations, the two main bodies which are principally involved 

into the development of standards related to the RAC sector are the ISO (International Organization for 

Standardization) and the IEC (International Electro technical Commission). A formal agreement 

between these organizations aims to prevent overlap and potentially contradictory standards. 

The International Organization for Standardization (Iso) 

ISO is the largest standardization organization in the world with 162 member countries and with more 

than 19,500 standards issued which were developed by some 300 technical committees. The Technical 

Committee TC 86 on Refrigeration and Air‐conditioning is crucial for the RAC sector.  

 

 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 4 

International Electro Technical Commission (Iec) 

IEC is primarily focused on safety issues of electrical and electronic technologies, devices containing 

electronics, using or producing electricity. IEC has 82 member countries (national committees). 

Standards related to the RAC sector are developed by experts of the technical committees: 

‐ TC 59 on Performance of household and similar electrical appliances 

‐ TC 61 on Safety of household and similar electrical appliances  

Regional level 

Good examples of regional standards include two European Committees for 

Standardization: CEN and CENELEC whose approved standards are automatically valid within the 

member countries. 

European Committee for Standardization (Cen) and European Committee for Electro 

Technical Standardization (Cenelec) 

CEN and CENELEC are recognized European standards organizations independent of governments, 

European institutions and each other. These European standards organizations cooperate with each 

other and with the European Commission to harmonies their work and prevent contradictions. 

Members of CEN and CENELEC are national standardization bodies of all EU member countries and 

some other European countries  

Implementation of European Standards as national standards is the responsibility of the CEN/CENELEC 

national member country. Standards directly related to the RAC sector are developed by Technical 

Committee CEN TC 182 on Refrigerating systems, safety and environmental requirements  

National level 

At the national level, the majority of countries have a national standardization body (NSB) or several 

bodies. These institutions can produce their own national standards or adopt international/regional 

standards. Depending on the country, national standardization bodies can be independent or linked to 

and be responsible to the government. Some national standardization organizations can have a reach 

and influence which can be considered as regional or international in operation (e.g. ANSI, ASHRAE). 

Some Examples of National Standardization Bodies: 

ANSI (American National Standards Institute) 

BSi (British Standards Institution) 

DIN (Deutsches Institut für Normung e.V.) 

EOS (Egyptian Organization for Standardization and Quality Control) 

IJISI (Institute of Standards and Industrial Research of Iran) 

JSA (Japanese Standards Association) 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 5 

NZS (Standards New Zealand) 

Standardization Administration of China 

Standards Australia 

UL (Underwriters Laboratories) 

Existing Standards 

In general the standards related to the ozone depleting substances and their use are concerned with 

four major areas: 

• Standards for the substances themselves such as specifications for refrigerant gas and refrigerant 

designation (e.g ISO 817). 

• Standards for systems, equipment and components; including, for example, safety requirements for 

refrigerating equipment, codes/ guides for refrigeration & air conditioning systems (e.g. ISO 5149), and 

refrigerant recovery/ recycling equipment (e.g., IEC 60335‐2‐104), and equipment charge size. 

• Standards for refrigerant containers, including content of recovery cylinders (AHRI), color codes, and 

pressurized cylinders standards. 

• Other related standards such as foam final products, content and fire retardant requirements, 

buildings codes (which for example could prohibit the use of flammable refrigerants), energy efficiency 

labelling programs, installations, and practice. 

Safety issues, such as safety in construction and installation, use, service, maintenance, leak 

prevention, dismantling and recycling of technologies and substances are of particular importance, and 

in general standards aim to maximize operational safety and minimize hazard and risk. There are 

several technical international ISO and IEC standards as well as several regional and national standards 

particularly from the European Union (e.g. CEN, CENELC) and the United States (e.g. ANSI/ASHRAE, 

UL) relevant and applicable to ozone‐depleting substances and technologies relying on them. 

In the context of the HCFC phase out and requirement for non‐ozone depleting, low‐GWP alternatives, 

there is a requirement that existing standards are updated and/or new standards created to cover the 

use of these substances. Some important relevant standards, published several years ago have recently 

been revised and updated (e.g ISO 5149, ISO 817) or are currently under the process of revision (e.g EN 

378). The previous version of standard ISO 5149 on ‘Mechanical refrigerating systems used for cooling 

and heating – Safety requirements’ which was issued in 1993 essentially prohibited the use of 

flammable refrigerants which are now widely applied in many sectors. Because many of the lower‐GWP 

refrigerants are flammable, RAC equipment must conform to the requirements of any standards for 

flammable atmospheres. In most countries these standards have a higher status than the general 

refrigeration standards. For example, the UN has “A Common Regulatory Framework for Equipment Used 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 6 

in Environments with an Explosive Atmosphere”, to which a large number of developed and developing 

countries are signatories. 

Although the general refrigeration standards include provisions for flammable refrigerants, they are not 

considered to provide adequate guidance for how to safely apply them. In this regard, the design, 

construction and evaluation requirements for achieving safety of equipment using flammable 

refrigerants must be sought in the relevant standards (such as EN 1127‐1 and the IEC 60079‐series in the 

European Union).  

4. MAIN ASHRAE STANDARDS 

ASHRAE 15: Safety Standard for Refrigeration Systems 

1. Purpose 

This standard specifies safe design, construction, installation, and operation of refrigeration systems. 

2. Scope 

2.1 This standard establishes safeguards for life, limb, health, and property and prescribes safety 

requirements. 

2.2 This standard applies to a. the design, construction, test, installation, operation, and inspection of 

mechanical and absorption refrigeration systems, including heat‐pump systems used in stationary 

applications; 

b. modifications, including replacement of parts or components if they are not identical in function and 

capacity; and 

c. substitutions of refrigerant having a different designation. 

4. OCCUPANCY CLASSIFICATION 

4.1 Locations of refrigerating systems are described by occupancy classifications that consider the 

ability of people to respond to potential exposure to refrigerant as follows. 

4.1.1 Institutional occupancy is a premise or that portion of a premise from which, because they are 

disabled, debilitated, or confined, occupants cannot readily leave without the assistance of others. 

Institutional occupancies include, among others, hospitals, nursing homes, asylums, and spaces 

containing locked cells. 

4.1.2 Public assembly occupancy is a premise or that portion of a premise where large numbers of 

people congregate and from which occupants cannot quickly vacate the space. Public assembly 

occupancies include, among others, auditoriums, ballrooms, classrooms, passenger depots, 

restaurants, and theaters. 

4.1.3 Residential occupancy is a premise or that portion of a premise that provides the occupants with 

complete independent living facilities, including permanent provisions for living, sleeping, eating, 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 7 

cooking, and sanitation. Residential occupancies include, among others, dormitories, hotels, multi‐unit 

apartments, and private residences. 

4.1.4 Commercial occupancy is a premise or that portion of a premise where people transact business, 

receive personal service, or purchase food and other goods. Commercial occupancies include, among 

others, office and professional buildings, markets (but not large mercantile occupancies), and work or 

storage areas that do not qualify as industrial occupancies. 

4.1.5 Large mercantile occupancy is a premise or that portion of a premise where more than 100 persons 

congregate on levels above or below street level to purchase personal merchandise. 

4.1.6 Industrial occupancy is a premise or that portion of a premise that is not open to the public, where 

access by authorized persons is controlled, and that is used to manufacture, process, or store goods 

such as chemicals, food, ice, meat, or petroleum. 

4.1.7 Mixed occupancy occurs when two or more occupancies are located within the same building. 

When each occupancy is isolated from the rest of the building by tight walls, floors, and ceilings and by 

self‐closing doors, the requirements for each occupancy shall apply to its portion of the building. When 

the various occupancies are not so isolated, the occupancy having the most stringent requirements 

shall be the governing occupancy. 

4.2 Equipment, other than piping, located outside a building and within 20 ft (6.1 m) of any building 

opening shall be governed by the occupancy classification of the building. 

Exception Equipment located within 20 ft (6.1 m) of the building opening for the machinery room. 

5. REFRIGERATING SYSTEM CLASSIFICATION 

5.1 Refrigerating Systems. Refrigerating systems are defined by the method employed for 

extracting or delivering heat as follows (see Figure 5.1). 

 

5.1.1 A direct system is one in which the evaporator or condenser of the refrigerating system is in direct 

contact with the air or other substances to be cooled or heated. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 8 

5.1.2 An indirect system is one in which a secondary coolant cooled or heated by the refrigerating 

system is circulated to the air or other substance to be cooled or heated. Indirect systems are 

distinguished by the method of application given below. 

5.1.2.1 An indirect open spray system is one in which a secondary coolant is in direct contact with the air 

or other substance to be cooled or heated. 

5.1.2.2 A double indirect open spray system is one in which the secondary substance for an indirect open 

spray system (Section 5.1.2.1) is heated or cooled by the secondary coolant circulated from a second 

enclosure. 

5.1.2.3 An indirect closed system is one in which a secondary coolant passes through a closed circuit in 

the air or other substance to be cooled or heated. 

5.1.2.4 An indirect, vented closed system is one in which a secondary coolant passes through a closed 

circuit in the air or other substance to be cooled or heated, except that the evaporator or condenser is 

placed in an open or appropriately vented tank. 

5.2 REFRIGERATION SYSTEM CLASSIFICATION. For the purpose of applying the data shown in Table 

4‐1 or 4‐2 of ASHRAE Standard 34,1 a refrigerating system shall be classified according to the degree of 

probability that a leakage of refrigerant will enter an occupancy‐classified area as follows. 

5.2.1 HIGH‐PROBABILITY SYSTEM. A high‐probability system is any system in which the basic design, 

or the location of components, is such that a leakage of refrigerant from a failed connection, seal, or 

component will enter the occupied space. 

Typical high‐probability systems are (a) direct systems or (b) indirect open spray systems in which the 

refrigerant is capable of producing pressure greater than the secondary coolant. 

5.2.2 LOW‐PROBABILITY SYSTEM. A low‐probability system is any system in which the basic design or 

location of the components is such that leakage of refrigerant from a failed connection, seal, or 

component cannot enter the occupied space. Typical low‐probability systems are (a) indirect closed 

systems or (b) double indirect systems and (c) indirect open spray systems if the following condition is 

met: In a low probability indirect open spray system, the secondary coolant pressure shall remain 

greater than refrigerant pressure in all conditions of operation and standby. Operation conditions are 

defined in Section 9.2.1 and standby conditions are defined in Section 9.2.1.2. 

5.3 Changing Refrigerant. A change in the type of refrigerant in a system shall not be made without 

the notification of the AHJ, the user, and due observance of safety requirements. The refrigerant being 

considered shall be evaluated for suitability. 

 

 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 9 

6. REFRIGERANT SAFETY CLASSIFICATION 

6.1 Single‐Compound Refrigerants. Single‐compound refrigerants shall be classified into safety 

groups in accordance with ASHRAE Standard 34.1 the classifications indicated in the referenced edition 

of ASHRAE Standard 34 shall be used for refrigerants that have them assigned. Other refrigerants shall 

be classified in accordance with the criteria in ASHRAE Standard 34; such classifications shall be 

submitted for approval to the AHJ. 

6.2 Blends. Refrigerant blends shall be classified following the worst‐case of fractionation composition, 

determined in accordance with ASHRAE Standard 34. For blends assigned only a single safety group in 

ASHRAE Standard 34, that classification shall be used. 

7. RESTRICTIONS ON REFRIGERANT USE 

7.1 General. The occupancy, refrigerating system, and refrigerant safety classifications cited in this 

section shall be determined in accordance with Sections 4, 5, and 6, respectively. 

7.2 Refrigerant Concentration Limits. The concentration of refrigerant in a complete discharge of 

each independent circuit of high‐probability systems shall not exceed the amounts shown in Table 4‐1 

or 4‐2 of ASHRAE Standard 34, except as provided in Sections 7.2.1 and 7.2.2 of this standard. The 

volume of occupied space shall be determined in accordance with Section 7.3. 

Exceptions: 

1. Listed equipment containing not more than 6.6 lb (3 kg) of refrigerant, regardless of its refrigerant 

safety classification, is exempt from Section 7.2 provided the equipment is installed in accordance with 

the listing and with the manufacturer’s installation instructions. 

2. Listed equipment for use in laboratories with more than 100 ft2 (9.3 m2) of space per person, 

regardless of the refrigerant safety classification, is exempt from Section 7.2, provided that the 

equipment is installed in accordance with the listing and the manufacturer’s installation instructions. 

7.2.1 Institutional Occupancies. The amounts shown in Table 4‐1 or 4‐2 of ASHRAE Standard 341 

shall be reduced by 50% for all areas of institutional occupancies. Also, the total of all Group A2, B2, A3, 

and B3 refrigerants shall not exceed 550 lb (250 kg) in the occupied areas and machinery rooms of 

institutional occupancies. 

7.2.2 Industrial Occupancies and Refrigerated Rooms. Section 7.2 does not apply in industrial 

occupancies and refrigerated rooms where the following seven conditions are met: 

a. The space(s) containing the machinery is (are) separated from other occupancies by tight 

construction with tightfitting doors. 

b. Access is restricted to authorized personnel. 

c. The floor area per occupant is not less than 100 ft2 (9.3 m2). 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 10 

Exception The minimum floor area shall not apply where the space is provided with egress directly to 

the outdoors or into approved building exits. 

d. Refrigerant detectors are installed with the sensing location and alarm level as required in 

refrigerating machinery rooms in accordance with Section 8.11.2.1. 

e. Open flames and surfaces exceeding 800°F (426.7°C) are not permitted where any Group A2, B2, A3, 

or B3 refrigerant other than R‐717 (ammonia) is used. 

f. All electrical equipment conforms to Class 1, Division 2, of NFPA 705 where the quantity of any Group 

A2, B2, A3, or B3 refrigerant other than R‐717 (ammonia) in an independent circuit would exceed 25% of 

the lower flammability limit (LFL) upon release to the space based on the volume determined by 

Section 7.3. g. All refrigerant‐containing parts in systems exceeding 100 hp (74.6 kW) compressor drive 

power, except evaporators used for refrigeration or dehumidification, condensers used for heating, 

control and pressure‐relief valves for either, and connecting piping, are located either in a machinery 

room or outdoors. 

7.3 Volume Calculations. The volume used to convert from refrigerant concentration limits to 

refrigerating system quantity limits for refrigerants in Section 7.2 shall be based on the volume of space 

to which refrigerant disperses in the event of a refrigerant leak. 

7.3.1 Nonconnecting Spaces. Where a refrigerating system or a part thereof is located in one or 

more enclosed occupied spaces that do not connect through permanent openings or HVAC ducts, the 

volume of the smallest occupied space shall be used to determine the refrigerant quantity limit in the 

system. Where different stories and floor levels connect through an open atrium or mezzanine 

arrangement, the volume to be used in calculating the refrigerant quantity limit shall be determined by 

multiplying the floor area of the lowest space by 8.2 ft (2.5 m). 

7.3.2 Ventilated Spaces. Where a refrigerating system or a part thereof is located within an air 

handler, in an air distribution duct system, or in an occupied space served by a mechanical ventilation 

system, the entire air distribution system shall be analyzed to determine the worst‐case distribution of 

leaked refrigerant. The worst case or the smallest volume in which the leaked refrigerant disperses shall 

be used to determine the refrigerant quantity limit in the system, subject to the following criteria. 

7.3.2.1 Closures. Closures in the air distribution system shall be considered. If one or more spaces of 

several arranged in parallel can be closed off from the source of the refrigerant leak, their volume(s) 

shall not be used in the calculation. 

EXCEPTIONS: The following closure devices are not considered: 

1. Smoke dampers, fire dampers, and combination smoke/fire dampers that close only in an emergency 

not associated with a refrigerant leak 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 11 

2. Dampers, such as variable‐air‐volume (VAV) boxes, that provide limited closure where airflow is not 

reduced below 10% of its maximum (with the fan running) 

7.3.2.2 Plenums. The space above a suspended ceiling shall not be included in calculating the 

refrigerant quantity limit in the system unless such space is part of the air supply or return system. 

7.3.2.3 Supply and Return Ducts. The volume of the supply and return ducts and plenums shall be 

included when calculating the refrigerant quantity limit in the system. 

7.4 Location in a Machinery Room or Outdoors. All components containing refrigerant shall be 

located either in a machinery room or outdoors, where 

a. the quantity of refrigerant needed exceeds the limits defined by Section 7.2 and Section 7.3 or 

b. direct‐fired absorption equipment, other than sealed absorption systems not exceeding the 

refrigerant quantity limits indicated in Table 7.4, is used. 

 

7.4.1 Nonflammable Refrigerants. Machinery rooms required by Section 7.4 shall be constructed 

and maintained in accordance with Section 8.11 for Group A1 and B1 refrigerants. 

7.4.2 Flammable Refrigerants. Machinery rooms required by Section 7.4 shall be constructed and 

maintained in accordance with Sections 8.11 and 8.12 for Group A2, B2, A3, and B3 refrigerants. 

7.5 ADDITIONAL RESTRICTIONS 

7.5.1 All Occupancies. Sections 7.5.1.1 through 7.5.1.8 apply to all occupancies. 

7.5.1.1 Flammable Refrigerants. The total of all Group A2, B2, A3, and B3 refrigerants other than R‐

717 (ammonia) shall not exceed 1100 lb (500 kg) without approval by the AHJ. 

7.5.1.2 Corridors and Lobbies. Refrigerating systems installed in a public corridor or lobby shall be 

limited to either a. unit systems containing not more than the quantities of 

Group A1 or B1 refrigerant indicated in Table 4‐1 or 4‐2 of ASHRAE Standard 341 or 

b. sealed absorption and unit systems having refrigerant quantities less than or equal to those indicated 

in Table 7.4. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 12 

7.5.1.3 Refrigerant Type and Purity. Refrigerants shall be of a type specified by the equipment 

manufacturer unless converted in accordance with Section 7.5.1.8. Refrigerants used in new equipment 

shall conform to ARI 7003 in purity unless otherwise specified by the equipment manufacturer. 

7.5.1.4 Recovered Refrigerants. Recovered refrigerants shall not be reused except in the system 

from which they were removed or as provided in Sections 7.5.1.5 or 7.5.1.6. When contamination is 

evident by discoloration, odor, acid test results, or system history, recovered refrigerants shall be 

reclaimed in accordance with Section 7.5.1.6 before reuse. 

7.5.1.5 Recycled Refrigerants. Recycled refrigerants shall not be reused except in systems using the 

same refrigerant and lubricant designation and belonging to the same owner as the systems from 

which they were removed. When contamination is evident by discoloration, odor, acid test results, or 

system history, recycled refrigerants shall be reclaimed in accordance with Section 7.5.1.6. 

Exception Drying is not required in order to use recycled refrigerants where water is the refrigerant, is 

used as an absorbent, or is a deliberate additive. 

7.5.1.6 Reclaimed Refrigerants. Used refrigerants shall not be reused in a different owner’s 

equipment unless tested and found to meet the requirements of AHRI 700.3 Contaminated refrigerants 

shall not be used unless reclaimed and found to meet the requirements of AHRI 700. 

7.5.1.7 Mixing. Refrigerants, including refrigerant blends, with different designations in ASHRAE 

Standard 341 shall not be mixed in a system. 

Exception Addition of a second refrigerant is allowed where specified by the equipment manufacturer 

to improve oil return at low temperatures. The refrigerant and amount added shall follow the 

manufacturer’s instructions. 

7.5.1.8 Refrigerant or Lubricant Conversion. The type of refrigerant or lubricant in a system shall 

not be changed without evaluation for suitability, notification to the AHJ and the user, due observance 

of safety requirements, and replacement or addition of signs and identification as required in Section 

11.2.3. 

7.5.2 Applications for Human Comfort. Group A2, A3, B1, B2, and B3 refrigerants shall not be used 

in high‐probability systems for human comfort. 

Exceptions: 

1. This restriction does not apply to sealed absorption and unit systems having refrigerant quantities 

less than or equal to those indicated in Table 7.4. 

2. This restriction does not apply to industrial occupancies. 

7.5.3 Higher Flammability Refrigerants. Group A3 and B3 refrigerants shall not be used except 

where approved by the AHJ. 

Exceptions: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 13 

1. This restriction does not apply to laboratories with more than 100 ft2 (9.3 m2) of space per person. 

2. This restriction does not apply to industrial occupancies. 

3. This restriction does not apply to listed portable‐unit systems containing no more than 0.331 lb (150 

g) of Group A3 refrigerant, provided that the equipment is installed in accordance with the listing and 

the manufacturer’s installation instructions. 

8. INSTALLATION RESTRICTIONS 

8.1 Foundations. Foundations and supports for condensing units or compressor units shall be of 

noncombustible construction and capable of supporting loads imposed by such units. Isolation 

materials such as rubber are permissible between the foundation and condensing or compressor units. 

8.2 Guards. Moving machinery shall be guarded in accordance with approved safety standards. 

8.3 Safe Access. A clear and unobstructed approach and space shall be provided for inspection, 

service, and emergency shutdown of condensing units, compressor units, condensers, stop valves, and 

other serviceable components of refrigerating machinery. Permanent ladders, platforms, or portable 

access equipment shall be provided in accordance with the requirements of the AHJ. 

8.4 Water Connections. Water supply and discharge connections shall be made in accordance with 

the requirements of the AHJ. 

8.5 Electrical Safety. Electrical equipment and wiring shall be installed in accordance with the 

National Electrical Code5 and the requirements of the AHJ. 

8.6 Gas Fuel Equipment. Gas fuel devices and equipment used with refrigerating systems shall be 

installed in accordance with approved safety standards and the requirements of the AHJ. 

8.7 Air Duct Installation. Air duct systems of air‐conditioning equipment for human comfort using 

mechanical refrigeration shall be installed in accordance with approved safety standards, the 

requirements of the AHJ, and the requirements of Section 8.11.7. 

8.8 Refrigerant Parts in Air Duct. Joints and all refrigerantcontaining parts of a refrigerating system 

located in an air duct carrying conditioned air to and from an occupied space shall be constructed to 

withstand a temperature of 700°F (371°C) without leakage into the airstream. 

8.9 Refrigerant Pipe Joint Inspection. Refrigerant pipe joints erected on the premises shall be 

exposed to view for visual inspection prior to being covered or enclosed. 

8.10 Location of Refrigerant Piping 

8.10.1 Refrigerant piping crossing an open space that affords passageway in any building shall not be 

less than 7.25 ft (2.2 m) above the floor unless the piping is located against the ceiling of such space and 

is permitted by the AHJ. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 14 

8.10.2 Passages shall not be obstructed by refrigerant piping. Refrigerant piping shall not be placed in 

any elevator, dumbwaiter, or other shaft containing a moving object or in any shaft that has openings 

to living quarters or to means of egress. Refrigerant piping shall not be installed in an enclosed public 

stairway, stair landing, or means of egress. 

8.10.3 Refrigerant piping shall not penetrate floors, ceilings, or roofs. 

Exceptions: 

1. Penetrations connecting the basement and the first floor. 

2. Penetrations connecting the top floor and a machinery penthouse or roof installation. 

3. Penetrations connecting adjacent floors served by the refrigeration system. 

4. Penetrations of a direct system where the refrigerant concentration does not exceed that listed in 

Table 4‐1 or Table 4‐2 of ASHRAE Standard 34 for the smallest occupied space through which the 

refrigerant piping passes. 

5. In other than industrial occupancies and where the refrigerant concentration exceeds that listed in 

Table 4‐1 or 4‐2 of ASHRAE Standard 34 for the smallest occupied space, penetrations that connect 

separate pieces of equipment that are 

a. enclosed by an approved gas‐tight, fire‐resistive duct or shaft with openings to those floors served by 

the refrigerating system or 

b. located on the exterior wall of a building when vented to the outdoors or to the space served by the 

system and not used as an air shaft, closed court, or similar space. 

8.10.4 Refrigerant piping installed in concrete floors shall be encased in pipe duct. Refrigerant piping 

shall be properly isolated and supported to prevent damaging vibration, stress, or corrosion. 

8.11 Refrigerating Machinery Room, General Requirements. 

When a refrigerating system is located indoors and a machinery room is required by Section 7.4, the 

machinery room shall be in accordance with the following provisions. 

8.11.1 Machinery rooms are not prohibited from housing other mechanical equipment unless 

specifically prohibited elsewhere in this standard. A machinery room shall be so dimensioned that parts 

are accessible with space for service, maintenance, and operations. There shall be clear head room of 

not less than 7.25 ft (2.2 m) below equipment situated over passageways. 

8.11.2 Each refrigerating machinery room shall have a tightfitting door or doors opening outward, self‐

closing if they open into the building and adequate in number to ensure freedom for persons to escape 

in an emergency. With the exception of access doors and panels in air ducts and air‐handling units 

conforming to Section 8.11.7, there shall be no openings that will permit passage of escaping 

refrigerant to other parts of the building. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 15 

8.11.2.1 Each refrigerating machinery room shall contain a detector, located in an area where 

refrigerant from a leak will concentrate, that actuates an alarm and mechanical ventilation in 

accordance with Section 8.11.4 at a value not greater than the corresponding TLV‐TWA (or toxicity 

measure consistent therewith). The alarm shall annunciate visual and audible alarms inside the 

refrigerating machinery room and outside each entrance to the refrigerating machinery room. The 

alarms required in this section shall be of the manual reset type with the reset located inside the 

refrigerating machinery room. 

Alarms set at other levels (such as IDLH) and automatic reset alarms are permitted in addition to those 

required by this section. The meaning of each alarm shall be clearly marked by signage near the 

annunciators. 

Exceptions: 

1. For ammonia, refer to Section 8.12(h). 

2. Detectors are not required when only systems using R‐718 (water) are located in the refrigerating 

machinery room. 

8.11.3 Machinery rooms shall be vented to the outdoors, utilizing mechanical ventilation in accordance 

with Sections 8.11.4 and 8.11.5. 

8.11.4 Mechanical ventilation referred to in Section 8.11.3 shall be by one or more power‐driven fans 

capable of exhausting air from the machinery room at least in the amount given in the formula in 

Section 8.11.5. To obtain a reduced airflow for normal ventilation, multiple fans or multispeed fans shall 

be used. Provision shall be made for inlet air to replace that being exhausted. Openings for inlet air shall 

be positioned to avoid recirculation. Air supply and exhaust ducts to the machinery room shall serve no 

other area. The discharge of the air shall be to the outdoors in such a manner as not to cause a nuisance 

or danger. The mechanical exhaust inlet(s) shall be located in an area where refrigerant from a leak is 

likely to concentrate, in consideration of the location of the replacement air path(s), refrigerating 

machine(s), and the density of the refrigerant relative to air. 

8.11.5 The mechanical ventilation required to exhaust an accumulation of refrigerant due to leaks or a 

rupture of the system shall be capable of removing air from the machinery room 

A part of the refrigerating machinery room mechanical ventilation shall be 

a. operated, when occupied, to supply at least 0.5 cfm/ft2 (2.54 L/s/m2) of machinery room area or 20 

cfm (9.44 L/s) per person and b. operable, when occupied at a volume required to not exceed the higher 

of a temperature rise of 18°F (10°C) above inlet air temperature or a maximum temperature of 122°F 

(50°C). 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 16 

When a refrigerating system is located outdoors more than 20 ft (6.1 m) from building openings and is 

enclosed by a penthouse, lean‐to, or other open structure, natural or mechanical ventilation shall be 

provided.  

b. Locations of the gravity ventilation openings shall be based on the relative density of the refrigerant 

to air. 

8.11.6 No open flames that use combustion air from the machinery room shall be installed where any 

refrigerant is used. Combustion equipment shall not be installed in the same machinery room with 

refrigerant‐containing equipment except under one of the following conditions: 

a. Combustion air is ducted from outside the machinery room and sealed in such a manner as to 

prevent any refrigerant leakage from entering the combustion chamber. 

b. A refrigerant detector, conforming to Section 8.11.2.1, is employed to automatically shut down the 

combustion process in the event of refrigerant leakage. 

Exceptions: 

1. Machinery rooms where only carbon dioxide (R‐744) or water (R‐718) is the refrigerant. 

2. Machinery rooms where only ammonia (R‐717) is the refrigerant and internal combustion engines are 

used as the prime mover for the compressors. 

8.11.7 There shall be no airflow to or from an occupied space through a machinery room unless the air 

is ducted and sealed in such a manner as to prevent any refrigerant leakage from entering the 

airstream. Access doors and panels in ductwork and air‐handling units shall be gasketed and tight 

fitting. 

8.11.8 Access. Access to the refrigerating machinery room shall be restricted to authorized personnel. 

Doors shall be clearly marked or permanent signs shall be posted at each entrance to indicate this 

restriction. 

8.12 Machinery Room, Special Requirements.  

In cases specified in the rules of Section 7.4, a refrigerating machinery room shall meet the following 

special requirements in addition to those in Section 8.11: 

a. There shall be no flame‐producing device or continuously operating hot surface over 800°F (427°C) 

permanently installed in the room. 

b. Doors communicating with the building shall be approved, self‐closing, tight‐fitting fire doors. 

c. Walls, floor, and ceiling shall be tight and of noncombustible construction. Walls, floor, and ceiling 

separating the refrigerating machinery room from other occupied spaces shall be of at least one‐hour 

fire‐resistive construction. 

d. The refrigerating machinery room shall have a door that opens directly to the outdoors or through a 

vestibule equipped with self‐closing, tight‐fitting doors. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 17 

e. Exterior openings, if present, shall not be under any fire escape or any open stairway. 

f. All pipes piercing the interior walls, ceiling, or floor of such rooms shall be tightly sealed to the walls, 

ceiling, or floor through which they pass. 

g. When refrigerants of Groups A2, A3, B2, and B3 are used, the machinery room shall conform to Class 

1, Division 2, of the National Electrical Code.5 When refrigerant Groups A1 and B1 are used, the 

machinery room is not required to meet Class 1, Division 2, of the National Electrical Code. 

Exception When ammonia is used, the requirements of Class 1, Division 2, of the National Electrical 

Code shall not apply, providing the requirements of Section 8.12(h) are met. 

h. When ammonia (R‐717) is used, the machinery room is not required to meet Class 1, Division 2, of the 

National Electrical Code,5 provided (a) the mechanical ventilation system in the machinery room is run 

continuously and failure of the mechanical ventilation system actuates an alarm or (b) the machinery 

room is equipped with a detector, conforming to Section 8.11.2.1, except the detector shall alarm at 

1000 ppm. 

i. Remote control of the mechanical equipment in the refrigerating machinery room shall be provided 

immediately outside the machinery room door solely for the purpose of shutting down the equipment 

in an emergency. Ventilation fans shall be on a separate electrical circuit and have a control switch 

located immediately outside the machinery room door. 

8.13 Purge Discharge. The discharge from purge systems shall be governed by the same rules as 

pressure‐relief device and fusible plugs (see Section 9.7.8) and shall be piped in conjunction with these 

devices. 

Exception When R‐718 (water) is the refrigerant. 

9. DESIGN AND CONSTRUCTION OF EQUIPMENT AND SYSTEMS 

9.1 Materials 

9.1.1 Materials used in the construction and installation of refrigerating systems shall be suitable for 

conveying the refrigerant used. Materials shall not be used that will deteriorate because of the 

refrigerant, the lubricant, or their combination in the presence of air or moisture to a degree that poses 

a safety hazard. 

9.1.2 Aluminum, zinc, magnesium, or their alloys shall not be used in contact with methyl chloride. 

Magnesium alloys shall not be used in contact with any halogenated refrigerants. 

9.1.3 Copper and its alloys shall not be used in contact with ammonia except as a component of bronze 

alloys for bearings or other nonrefrigerant‐containing uses. 

9.1.4 Aluminum and its alloys are suitable for use in ammonia systems. 

9.1.5 Piping material used in the discharge line of a pressurerelief device or fusible plug shall be the 

same as required for refrigerants. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 18 

Exception When discharging to atmosphere, Type F buttweld pipe is allowed. 

9.2 System Design Pressure 

9.2.1 Design pressures shall not be less than pressure arising under maximum operating, standby, or 

shipping conditions. When selecting the design pressure, allowance shall be provided for setting 

pressure‐limiting devices and pressure relief devices to avoid nuisance shutdowns and loss of 

refrigerant. 

The ASME Boiler and Pressure Vessel Code,6 Section VIII, Division I, Appendix M, contains information 

on the appropriate allowances for design pressure. 

Refrigerating equipment shall be designed for a vacuum of 29.0 in. Hg (3.12 kPa). Design pressure for 

lithium bromide absorption systems shall not be less than 5 psig (34.7 kPa gage). Design pressure for 

mechanical refrigeration systems shall not be less than 15 psig (103.4 kPa gage) and, except as noted in 

Sections 9.2.2, 9.2.3, 9.2.4, 9.2.5, and 9.2.6, shall not be less than the saturation pressure (gage) 

corresponding to the following temperatures: 

a. Low sides of all systems: 80°F (26.7°C) 

b. High sides of all water‐cooled or evaporatively cooled systems: 30°F (16.7°C) higher than the summer 

1% wet‐bulb temperature for the location as applicable or 15°F (8.3°C) higher than the highest design 

leaving condensing water temperature for which the equipment is designed or 104°F (40°C), whichever 

is greatest 

c. High sides of all air‐cooled systems: 30°F (16.7°C) higher than the highest summer 1% design dry‐

bulb temperature for the location but not lower than 122°F (50°C) 

Note: See Informative Reference 7 for sources of information relating to summer 1% wet‐bulb and 

summer 1% dry bulb temperature data for a specific location. 

9.2.1.1 The design pressure selected shall exceed maximum pressures attained under any anticipated 

normal operating conditions, including conditions created by expected fouling of heat exchange 

surfaces. 

9.2.1.2 Standby conditions are intended to include normal conditions that are capable of being attained 

when the system is not in operation (e.g., maintenance, shutdown, power failure). Selection of the 

design pressure for lowside components shall also consider pressure developed in the lowside of the 

system from equalization, or heating due to changes in ambient temperature, after the system has 

stopped. 

9.2.1.3 The design pressure for both lowside and highside components that are shipped as part of a 

gas‐ or refrigerant charged system shall be selected with consideration of internal pressures arising 

from exposure to maximum temperatures anticipated during the course of shipment. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 19 

9.2.2 The design pressure for either the highside or lowside need not exceed the critical pressure of the 

refrigerant unless such pressures are anticipated during operating, standby, or shipping conditions. 

9.2.3 When part of a limited charge system is protected by a pressure‐relief device, the design pressure 

of the part need not exceed the setting of the pressure‐relief device. 

9.2.4 When a compressor is used as a booster and discharges into the suction side of another 

compressor, the booster compressor shall be considered a part of the lowside. 

9.2.5 Components connected to pressure vessels and subject to the same pressure as the pressure 

vessel shall have a design pressure no less than the pressure vessel. 

9.2.6 When a refrigerating system utilizes carbon dioxide (R‐744) as a heat transfer fluid, the minimum 

design pressure for system components shall comply with the following. 

9.2.6.1 In a circuit without a compressor, the design pressure shall be at least 20% higher than the 

saturation pressure corresponding to the warmest location in the circuit. 

9.2.6.2 In a cascade refrigerating system, the highside design pressure shall be at least 20% higher than 

the maximum pressure developed by a pressure‐imposing element, and the lowside pressure shall be at 

least 20% higher than the saturation pressure corresponding to the warmest location in the circuit. 

9.3 Refrigerant‐Containing Pressure Vessels 

9.3.1 Inside Dimensions 6 In. (152 Mm) Or Less. These vessels have an inside diameter, width, 

height, or cross‐sectional diagonal not exceeding 6 in. (152 mm) with no limitation on length of vessel. 

9.3.1.1 Pressure vessels having inside dimensions of 6 in. (152 mm) or less shall be a. listed either 

individually or as part of an assembly by an approved, nationally recognized testing laboratory, or 

b. marked directly on the vessel or on a nameplate attached to the vessel with a “U” or “UM” symbol 

signifying compliance with Section VIII of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code,6 or 

c. when requested by the AHJ, the manufacturer shall provide documentation to confirm that the vessel 

meets the design, fabrication, and testing requirements of Section VIII of the ASME Boiler and Pressure 

Vessel Code. 

Exception Vessels having an internal or external design pressure of 15 psig (103.4 kPa gage) or less. 

Pressure vessels having inside dimensions of 6 in. (152 mm) or less shall be protected by either a 

pressure‐relief device or a fusible plug. 

9.3.1.2 If a pressure‐relief device is used to protect a pressure vessel having an inside dimension of 6 in. 

(152 mm) or less, the ultimate strength of the pressure vessel so protected shall be sufficient to 

withstand a pressure at least 3.0 times the design pressure. 

9.3.1.3 If a fusible plug is used to protect a pressure vessel having an inside diameter of 6 in. (152 mm) 

or less, the ultimate strength of the pressure vessel so protected shall be sufficient to withstand a 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 20 

pressure 2.5 times the saturation pressure of the refrigerant used at the temperature stamped on the 

fusible plug or 2.5 times the critical pressure of the refrigerant used, whichever is less. 

9.3.2 Inside Dimensions Greater Than 6 In. (152 Mm). Pressure vessels having an inside diameter 

exceeding 6 in. (152 mm) and having an internal or external design pressure greater than 15 psig (103.4 

kPa gage) shall be directly marked, or marked on a nameplate, with a “U” or “UM” symbol signifying 

compliance with the rules of Section VIII of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.6 

9.3.3 Pressure Vessels For 15 Psig (103.4 Kpa Gage) Or Less. Pressure vessels having an internal 

or external design pressure of 15 psig (103.4 kPa gage) or less shall have an ultimate strength to 

withstand at least 3.0 times the design pressure and shall be tested with a pneumatic test pressure no 

less than 1.25 times the design pressure or a hydrostatic test pressure no less than 1.50 times the design 

pressure. 

9.4 Pressure‐Relief Protection 

9.4.1 Refrigerating systems shall be protected by a pressurerelief device or other approved means to 

safely relieve pressure due to fire or other abnormal conditions. 

9.4.2 Pressure vessels shall be protected in accordance with Section 9.7. Pressure‐relief devices are 

acceptable if they either bear a nameplate or are directly marked with a “UV” or “VR” symbol signifying 

compliance with Section VIII of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.6 

9.4.3 Hydrostatic Expansion. Pressure rise resulting from hydrostatic expansion due to 

temperature rise of liquid refrigerant trapped in or between closed valves shall be addressed by the 

following. 

9.4.3.1 If trapping of liquid with subsequent hydrostatic expansion can occur automatically during 

normal operation or during standby, shipping, or power failure, engineering control(s) shall be used that 

is (are) capable of preventing the pressure from exceeding the design pressure. Acceptable engineering 

controls include but are not limited to a 

a. pressure‐relief device to relieve hydrostatic pressure to another part of the system and 

b. reseating pressure‐relief valve to relieve the hydrostatic pressure to an approved treatment system. 

9.4.3.2 If trapping of liquid with subsequent hydrostatic expansion can occur only during 

maintenance—i.e., when personnel are performing maintenance tasks—either engineering or 

administrative controls shall be used to relieve or prevent the hydrostatic overpressure. 

9.4.4 Evaporators located downstream, or upstream within 18 in. (460 mm), of a heating coil shall be 

fitted with a pressure‐ relief device discharging outside the building in accordance with the 

requirements of Section 9.7.8. 

Exceptions: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 21 

1. Relief valves shall not be required on heating coils that are designed to produce a temperature that 

will result in the saturation pressure of the refrigerant being less than the design pressure. 

2. A relief valve shall not be required on self‐contained or unit systems if the volume of the lowside of 

the system, which is shut off by valves, is greater than the specific volume of the refrigerant at critical 

conditions of temperature and pressure 

9.4.5 Pressure‐relief devices shall be direct‐pressure actuated or pilot operated. Pilot‐operated 

pressure‐relief valves shall be self‐actuated, and the main valve shall open automatically at the set 

pressure and, if some essential part of the pilot fails, shall discharge its full rated capacity.  

9.4.6 Stop valves shall not be located between a pressure relief device and parts of the system 

protected thereby. A three‐way valve, used in conjunction with the dual relief valve requirements of 

Section 9.7.2.3, is not considered a stop valve.  

9.4.7 When relief valves are connected to discharge to a common discharge header as described in 

Section 9.7.8.4, a full area stop valve is not prohibited from being installed in the discharge pipe 

between the relief valve and the common header. When such a stop valve is installed, a locking device 

shall be installed to ensure that the stop valve is locked in the open position. This discharge stop valve 

shall not be shut unless one of the following conditions exists: 

a. a parallel relief valve is installed that protects the system or vessels or 

b. the system or vessels being protected have been depressurized and are vented to the atmosphere. 

9.4.8 Pressure‐relief devices shall be connected directly to the pressure vessel or other parts of the 

system protected thereby. These devices shall be connected above the liquid refrigerant level and 

installed so that they are accessible for inspection and repair and so that they cannot be readily 

rendered inoperative. 

Exception: When fusible plugs are used on the highside, they shall be located either above or below the 

liquid refrigerant level. 

9.4.9 The seats and discs of pressure‐relief devices shall be constructed of suitable material to resist 

refrigerant corrosion or other chemical action caused by the refrigerant. Seats or discs of cast iron shall 

not be used. Seats and discs shall be limited in distortion, by pressure or other cause, to a set pressure 

change of not more than 5% in a span of five years. 

9.5 Setting of Pressure‐Relief Devices 

9.5.1 Pressure‐Relief Valve Setting. Pressure‐relief valves shall start to function at a pressure not 

to exceed the design pressure of the parts of the system protected. 

Exception: See Section 9.7.8.1 for relief valves that discharge into other parts of the system. 

9.5.2 Rupture Member Setting. Rupture members used in lieu of, or in series with, a relief valve 

shall have a nominal rated rupture pressure not to exceed the design pressure of the parts of the system 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 22 

protected. The conditions of application shall conform to the requirements of paragraph UG‐127 of 

Section VIII, Division 1, of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.6 The size of rupture members 

installed ahead of relief valves shall not be less than the relief valve inlet. 

9.6 Marking of Relief Devices And Fusible Plugs 

9.6.1 Pressure‐relief valves for refrigerant‐containing components shall be set and sealed by the 

manufacturer or an assembler as defined in Section VIII, Division 1, of the ASME 

Boiler and Pressure Vessel Code.6 Each pressure‐relief valve shall be marked by the manufacturer or 

assembler with the data required in Section VIII, Division 1, of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code. 

EXCEPTION: Relief valves for systems with design pressures of 15 psig (103.4 kPa gage) or less shall be 

marked by the manufacturer with the pressure‐setting capacity. 

9.6.2 Each rupture member for refrigerant pressure vessels shall be marked with the data required in 

paragraph UGV1 129(e) of Section VIII, Division 1, of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.6 

9.6.3 Fusible plugs shall be marked with the melting temperatures in Fahrenheit or Celsius. 

9.7 Pressure Vessel Protection 

9.7.1 Pressure vessels shall be provided with overpressure protection in accordance with rules in 

Section VIII, Division 1, of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.6 

9.7.2 Pressure vessels containing liquid refrigerant that are capable of being isolated by stop valves 

from other parts of a refrigerating system shall be provided with overpressure protection. Pressure‐

relief devices or fusible plugs shall be sized in accordance with Section 9.7.5. 

9.7.2.1 Pressure vessels with an internal gross volume of 3 ft3 (0.085 m3) or less shall use one or more 

pressure‐relief devices or a fusible plug. 

9.7.2.2 Pressure vessels of more than 3 ft3 (0.085 m3) but less than 10 ft3 (0.285 m3) internal gross 

volume shall use one or more pressure‐relief devices. Fusible plugs shall not be used. 

9.7.2.3 Pressure vessels of 10 ft3 (0.285 m3) or more internal gross volume shall use one or more rupture 

member(s) or dual pressure‐relief valves when discharging to the atmosphere. Dual pressure‐relief 

valves shall be installed with a three‐way valve to allow testing or repair. When dual relief valves are 

used, each valve must meet the requirements of Section 9.7.5. 

Exceptions: A single relief valve is permitted on pressure vessels of 10 ft3 (0.285 m3) or more internal 

gross volume when all of the following conditions are met: 

1. The relief valves are located on the lowside of the system. 

2. The vessel is provided with shutoff valves designed to allow pumpdown of the refrigerant charge of 

the pressure vessel. 

3. Other pressure vessels in the system are separately protected in accordance with Section 9.7.2. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 23 

9.7.3 For pressure‐relief valves discharging into the lowside of the system, a single relief valve (not 

rupture member) of the required relieving capacity shall not be used on vessels of 10 ft3 (0.283 m3) or 

more internal gross volume except under the conditions permitted in Section 9.7.8.1. 

9.7.4 Large vessels containing liquid refrigerant shall not be prohibited from using two or more 

pressure‐relief devices or dual pressure‐relief devices in parallel to obtain the required capacity. 

9.7.5 The minimum required discharge capacity of the pressure‐relief device or fusible plug for each 

pressure vessel shall be determined  

9.7.6 The rated discharge capacity of a pressure‐relief device expressed in pounds of air per minute 

(kilograms of air per second) shall be determined in accordance with paragraph UG‐131, Section VIII, 

Division 1, of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code.6 All pipe and fittings between the pressure‐ 

relief valve and the parts of the system it protects shall have at least the area of the pressure‐relief valve 

inlet area. 

9.7.7 The rated discharge capacity of a rupture member or fusible plug discharging to the atmosphere 

under critical flow conditions in pounds of air per minute (kilograms of air per second) shall be 

determined. 

9.7.8 For systems in which one or more of the following conditions apply, pressure‐relief devices and 

fusible plugs shall discharge to the atmosphere at a location not less than 

15 ft (4.57 m) above the adjoining ground level and not less than 20 ft (6.1 m) from any window, 

ventilation opening, or exit in any building: 

a. Any system containing a Group A3 or B3 refrigerant 

b. Any system containing more than 6.6 lb (3 kg) of a Group A2, B1, or B2 refrigerant 

c. Any system containing more than 110 lb (50 kg) of a Group A1 refrigerant 

d. Any system for which a machinery room is required by the provisions of Section 7.4 

The discharge shall be terminated in a manner that will prevent both the discharged refrigerant from 

being sprayed directly on personnel in the vicinity and foreign material or debris from entering the 

discharge piping. Discharge piping connected to the discharge side of a fusible plug or rupture member 

shall have provisions to prevent plugging the pipe in the event the fusible plug or rupture member 

functions. 

Exceptions: When R‐718 (water) is the only refrigerant, discharge to a floor drain is also acceptable if all 

of the following three conditions are met: 

1. The pressure relief device set pressure does not exceed 15 psig. 

2. The floor drain is sized to handle no less than the flow rate from a single broken tube in any 

refrigerant‐containing heat exchanger. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 24 

3. Either a. the AHJ finds it acceptable that the working fluid, corrosion inhibitor, and other additives 

used in this type of refrigeration system may infrequently be discharged to the sewer system or 

b. a catch tank, sized to handle the expected discharge, is installed and equipped with a normally closed 

drain valve and an overflow line to drain. 

9.7.8.1 The application of pressure‐relief valves that discharge from a higher‐pressure vessel into a 

lower‐pressure vessel of the system shall comply with (a) through (c) as 

follows: 

a. The pressure‐relief valve that protects the higher‐pressure vessel shall be selected to deliver capacity 

in accordance with Section 9.7.5 without exceeding the maximum allowable working pressure of the 

higher‐pressure vessel accounting for the change in mass flow capacity due to the elevated back 

pressure. 

b. The capacity of the pressure‐relief valve protecting the part of the system receiving a discharge from 

a pressure relief valve protecting a higher‐pressure vessel shall be at least the sum of the capacity 

required in Section 9.7.5 plus the mass flow capacity of the pressure‐relief valve discharging into that 

part of the system. 

c. The design pressure of the body of the relief valve used on the higher‐pressure vessel shall be rated 

for operation at the design pressure of the higher‐pressure vessel in both pressure‐containing areas of 

the valve. 

9.7.8.2 Ammonia Discharge. Ammonia from pressurerelief valves shall be discharged into one or 

more of the following: 

a. The atmosphere, per Section 9.7.8 

b. A tank containing one gallon of water for each pound of ammonia (8.3 litres of water for each 

kilogram of ammonia) that will be released in one hour from the largest relief device connected to the 

discharge pipe. The water shall be prevented from freezing. The discharge pipe from the pressure‐relief 

device shall distribute ammonia in the bottom of the tank but no lower than 33 ft (10 m) below the 

maximum liquid level. The tank shall contain the volume of water and ammonia without overflowing. 

c. Other treatment systems that meet the requirements of the AHJ 

9.7.8.3 Optional Sulfur Dioxide Discharge. When sulfur dioxide is used, the discharge shall be into 

a tank of absorptive solution that shall be used for no other purpose except sulfur dioxide absorption. 

The absorptive solution shall be one gallon of standard dichromate solution (2.5 pounds of sodium 

dichromate per gallon of water [300 grams of sodium dichromate per litre of water]) for each pound of 

sulfur dioxide in the system 

(8.3 litres of standard dichromate solution for each kilogram of sulfur dioxide in the system). Solutions 

made with caustic soda or soda ash shall not be used in place of sodium dichromate unless the quantity 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 25 

and strength have the equivalent sulfur‐ dioxide‐absorbing power. The tank shall be constructed of not 

less than 1/8 in. (3.2 mm) or No. 11 US gage iron or steel. The tank shall have a hinged cover or, if of the 

enclosed type, shall have a vent hole at the top. All pipe connections shall be through the top of the 

tank only. The discharge pipe from the pressure‐relief valve shall discharge the sulfur dioxide in the 

center of the tank near the bottom.  

9.7.8.4 The size of the discharge pipe from a pressurerelief device or fusible plug shall not be less than 

the outlet size of the pressure‐relief device or fusible plug. Where outlets of two or more relief devices 

or fusible plugs are connected to a common line or header, the effect of back pressure that will be 

developed when more than one relief device or fusible plug operates shall be considered. The sizing of 

the common discharge header downstream from each of the two or more relief devices or fusible plugs 

that are expected to operate simultaneously shall be based on the sum of their outlet areas with due 

allowance for the pressure drop in all downstream sections. 

9.7.8.5 The maximum length of the discharge piping installed on the outlets of pressure‐relief devices 

and fusible plugs discharging to the atmosphere shall be determined by the method in Normative 

Appendix D. See Table 9.7.8.5 for the flow capacity of various equivalent lengths of discharge piping for 

conventional relief valves. 

 

9.8 Positive Displacement Compressor Protection. Every positive displacement compressor with 

a stop valve in the discharge connection shall be equipped with a pressure‐relief device of adequate size 

and pressure setting, as specified by the compressor manufacturer, to prevent rupture of the 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 26 

compressor or to prevent the pressure from increasing to more than 10% above the maximum 

allowable working pressure of any other component located in the discharge line between the 

compressor and the stop valve or in accordance with Section 9.7.5, whichever is larger. The pressure‐

relief device shall discharge into the low‐pressure side of the system or in accordance with Section 

9.7.8. 

Exception: Hermetic refrigerant motor‐compressors that are listed and have a displacement less than 

or equal to 50 ft3/min (1.42 m3/min). The relief device(s) shall be sized based on compressor flow at the 

following conditions: 

a. Compressors in Single‐Stage Systems and High‐Stage Compressors of Other Systems: Flow shall be 

calculated based on 50°F (10°C) saturated suction temperature at the compressor suction. 

b. Low‐Stage or Booster Compressors in Compound Systems: For those compressors that are capable of 

running only when discharging to the suction of a high‐stage compressor, flow shall be calculated 

based on the saturated suction temperature equal to the design operating intermediate temperature. 

c. Low‐Stage Compressors in Cascade Systems: For those compressors that are located in the lower‐

temperature stage(s) of cascade systems, flow shall be calculated based on the suction pressure being 

equal to the pressure setpoint of the pressure‐relieving devices that protect the lowside of the stage 

against overpressure. 

Exceptions for (A), (B), and (C): The discharge capacity of the relief device is allowed to be the minimum 

regulated flow rate of the compressor when all of the following conditions are met: 

1. The compressor is equipped with capacity regulation.  

2. Capacity regulation actuates to minimum flow at 90% of the pressure‐relief device setting. 

3. A pressure‐limiting device is installed and set in accordance with the requirements of Section 9.9.  

9.9 Pressure‐Limiting Devices 

9.9.1 When Required. Pressure‐limiting devices shall be provided on all systems operating above 

atmospheric pressure, except that a pressure‐limiting device is not required on any factory‐sealed 

system containing less than 22 lb (10 kg) of Group A1 refrigerant that has been listed by an approved, 

nationally recognized testing laboratory and is so identified. 

9.9.2 Setting. When required by Section 9.9.1, the maximum setting to which a pressure‐limiting 

device is capable of being readily set by use of the adjusting means provided shall not exceed the 

design pressure of the highside of a system that is not protected by a pressure‐relief device or 90% of 

the setting of the pressure‐relief device installed on the highside of a system. The pressure‐limiting 

device shall stop the action of the pressure‐imposing element at a pressure no higher than this 

maximum setting. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 27 

Exception: On systems using nonpositive displacement compressors, the maximum setting of the 

pressurelimiting device is not required to be less than the design pressure of the highside of the system, 

provided the pressure‐relief device is (a) located in the lowside, 

(b) subject to lowside pressure, and (c) there is a permanent (unvalved) relief path between the highside 

and the lowside of the system. 

9.9.3 Connection. Pressure‐limiting devices shall be connected between the pressure‐imposing 

element and any stop valve on the discharge side. There shall be no intervening stop valves in the line 

leading to the pressure‐limiting device. 

9.10 Refrigerant Piping, Valves, Fittings, and Related Parts 

9.10.1 Refrigerant piping, valves, fittings, and related parts having a maximum internal or external 

design pressure greater than 15 psig (103.4 kPa gage) shall be listed either individually or as part of an 

assembly or a system by an approved, nationally recognized laboratory or shall comply with ASME 

B31.58 where applicable. 

9.10.2 Refrigerant Parts in Air Duct. Joints and all refrigerant‐ containing parts of a refrigerating 

system located in an air duct carrying conditioned air to and from an occupied space shall be 

constructed to withstand a temperature of 700°F (371°C) without leaking into the airstream. 

9.11 Components Other Than Pressure Vessels and Piping  

9.11.1 Every pressure‐containing component of a refrigerating system, other than pressure vessels, 

piping, pressure gages, and control mechanisms, shall be listed either individually or as part of a 

complete refrigerating system or a subassembly by an approved, nationally recognized testing 

laboratory or shall be designed, constructed, and assembled to have an ultimate strength sufficient to 

withstand three times the design pressure for which it is rated. 

Exception: Water‐side components exempted from the rules of Section VIII of the ASME Boiler and 

Pressure Vessel Code6 shall be designed, constructed, and assembled to have an ultimate strength 

sufficient to withstand 150 psig (1034 kPa) or two times the design pressure for which it is rated, 

whichever is greater. 

9.11.2 Liquid‐level‐gage glass columns shall have automatic closing shutoff valves. All such glass 

columns shall be protected against external damage and properly supported. 

Exception: Liquid‐level‐gage glasses of the bull’s‐eye type 

9.11.3 When a pressure gage is permanently installed on the highside of a refrigerating system, its dial 

shall be graduated to at least 1.2 times the design pressure. 

9.11.4 Liquid receivers, if used, or parts of a system designed to receive the refrigerant charge during 

pumpdown shall have sufficient capacity to receive the pumpdown charge. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 28 

The liquid shall not occupy more than 90% of the volume when the temperature of the refrigerant is 

90°F (32°C). 

Note: The receiver volume is not required to contain the total system charge but is required to contain 

the amount being transferred. If the environmental temperature is expected to rise above 122°F (50°C), 

the designer shall account for the specific expansion characteristics of the refrigerant. 

9.12 Service Provisions 

9.12.1 All serviceable components of refrigerating systems shall be provided with safe access. 

9.12.2 Condensing units or compressor units with enclosures shall be provided with safe access without 

the need to climb over or remove any obstacles or to use portable access devices to get to the 

equipment. 

9.12.3 All systems shall have provisions to handle the refrigerant charge for service purposes. When 

required, there shall be liquid and vapor transfer valves, a transfer compressor or pump, and refrigerant 

storage tanks or appropriate valved connections for removal by a reclaim, recycle, or recovery device. 

9.12.4 Systems containing more than 6.6 lb (3 kg) of refrigerant shall have stop valves installed at 

a. the suction inlet of each compressor, compressor unit, or condensing unit; 

b. the discharge of each compressor, compressor unit, or condensing unit; and 

c. the outlet of each liquid receiver. 

Exception: Systems that have a refrigerant pumpout function capable of storing the entire refrigerant 

charge, or are equipped with the provisions for pumpout of the refrigerant, or self‐contained systems 

9.12.5 Systems containing more than 110 lb (50 kg) of refrigerant shall have stop valves installed at 

a. the suction inlet of each compressor, compressor unit, or condensing unit; 

b. the discharge outlet of each compressor, compressor unit, or condensing unit; 

c. the inlet of each liquid receiver, except for self‐contained systems or where the receiver is an integral 

part of the condenser or condensing unit; 

d. the outlet of each liquid receiver; and 

e. the inlets and outlets of condensers when more than one condenser is used in parallel in the system. 

Exception: Systems that have a refrigerant pumpout function capable of storing the entire refrigerant 

charge, or are equipped with the provisions for pumpout of the refrigerant, or self‐contained systems 

9.12.6 Stop valves shall be suitably labeled if the components to and from which the valve regulates 

flow are not in view at the valve location. Valves or piping adjacent to the valves shall be identified in 

accordance with ANSI A13.1.9 

When numbers are used to label the valves, there shall be a key to the numbers located within sight of 

the valves with letters at least 0.5 in. (12.7 mm) high. 

9.13 Fabrication 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 29 

9.13.1 The following are requirements for unprotected refrigerant‐containing copper pipe or tubing: 

a. Copper tubing used for refrigerant piping shall conform to one of the following ASTM specifications: 

B8810 types K or L or B280.11 Where ASTM B6812 and B7513 tubing is 

used, the tube wall thickness shall meet or exceed the requirements of ASTM B28011 for the given 

outside diameter. 

b. Copper tube shall be connected by brazed joints, soldered joints, or compression fittings. 

c. For Group A2, A3, B1, B2, and B3 refrigerants, protective metal enclosures shall be provided for 

annealed copper tube erected on the premises. 

Exception: No enclosures shall be required for connections between a condensing unit and the nearest 

protected riser if such connections are not longer than 6.6 ft (2 m) in length. 

9.13.2 Joints on refrigerant‐containing copper tube that are made by the addition of filler metal shall be 

brazed. 

Exception: A1 refrigerants 

9.14 Factory Tests 

9.14.1 All refrigerant‐containing parts or unit systems shall be tested and proved tight by the 

manufacturer at not less than the design pressure for which they are rated. Pressure vessels shall be 

tested in accordance with Section 9.3. 

9.14.1.1 TESTING PROCEDURE. Tests shall be performed with dry nitrogen or another nonflammable, 

nonreactive, dried gas. Oxygen, air, or mixtures containing them shall not be used. The means used to 

build up the test pressure shall have either a pressure‐limiting device or a pressure‐reducing device and 

a gage on the outlet side. The pressure‐relief device shall be set above the test pressure but low enough 

to prevent permanent deformation of the system’s components. 

Exceptions: 

1. Mixtures of dry nitrogen, inert gases, nonflammable refrigerants allowed for factory tests. 

2. Mixtures of dry nitrogen, inert gases, or a combination of them with flammable refrigerants in 

concentrations not exceeding the lesser of a refrigerant weight fraction (mass fraction) of 5% or 25% of 

the LFL are allowed for factory tests. 

3. Compressed air without added refrigerant is allowed for factory tests, provided the system is 

subsequently evacuated to less than 1000 microns (132 Pa) before charging with refrigerant. The 

required evacuation level is atmospheric pressure for systems using R‐718 (water) or R‐744 (carbon 

dioxide) as the refrigerant. 

9.14.2 The test pressure applied to the highside of each factory‐ assembled refrigerating system shall 

be at least equal to the design pressure of the highside. The test pressure applied to the lowside of each 

factory‐assembled refrigerating system shall be at least equal to the design pressure of the lowside. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 30 

The pressure test on the complete unit shall not be conducted at the lowside design pressure per 

Section 9.2 unless the final assembly connections are made per ASME B31.5.8 In this case, parts shall be 

individually tested by either the unit manufacturer or the manufacturer of the part at not less than the 

highside design pressure. 

9.14.3 Units with a design pressure of 15 psig (103.4 kPa gage) or less shall be tested at a pressure not 

less than 1.33 times the design pressure and shall be proved leak‐tight at not less than the lowside 

design pressure. 

9.15 Nameplate. Each unit system and each separate condensing unit, compressor, or compressor unit 

sold for field assembly in a refrigerating system shall carry a nameplate marked with the manufacturer’s 

name, nationally registered trademark or trade name, identification number, design pressures, and 

refrigerant for which it is designed. The refrigerant shall be designated by the refrigerant number (R 

number) as shown in Table 4‐1 or 4‐2 of ASHRAE Standard 34.1 

10. OPERATION ANDTESTING 

10.1 Field Tests 

10.1.1 Every refrigerant‐containing part of every system that is erected on the premises, except 

compressors, condensers, evaporators, safety devices, pressure gages, control mechanisms, and 

systems that are factory‐tested, shall be tested and proved tight after complete installation and before 

operation. 

The highside and lowside of each system shall be tested and proved tight at not less than the lower of 

the design pressure or the setting of the pressure‐relief device protecting the highside or lowside of the 

system, respectively. 

10.1.2 Testing Procedure. Tests shall be performed with dry nitrogen or another nonflammable, 

nonreactive, dried gas. Oxygen, air, or mixtures containing them shall not be used. The means used to 

build up the test pressure shall have either 

a pressure‐limiting device or a pressure‐reducing device and a gage on the outlet side. The pressure‐

relief device shall be set above the test pressure but low enough to prevent permanent deformation of 

the system’s components. 

Exceptions: 

1. Mixtures of dry nitrogen, inert gases, or a combination of them with nonflammable refrigerants in 

concentrations of a refrigerant weight fraction (mass fraction) not exceeding 5% are allowed for tests. 

2. Mixtures of dry nitrogen, inert gases, or a combination of them with flammable refrigerants in 

concentrations not exceeding the lesser of a refrigerant weight fraction (mass fraction) of 5% or 25% of 

the 

LFL are allowed for tests. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 31 

3. Compressed air without added refrigerant is allowed for tests, provided the system is subsequently 

evacuated to less than 1000 microns (132 Pa) before charging with refrigerant. The required evacuation 

level is atmospheric pressure for systems using R‐718 (water) or R‐744 (carbon dioxide) as the 

refrigerant. 

4. Systems erected on the premises using Group A1 refrigerant and with copper tubing not exceeding 

0.62 in. (16 mm) outside diameter shall be tested by means of the refrigerant charged into the system 

at the saturated vapor pressure of the refrigerant at 

68°F (20°C) minimum. 

10.2 Declaration. A dated declaration of test shall be provided for all systems containing 55 lb (25 kg) or 

more of refrigerant. The declaration shall give the name of the refrigerant and the field test pressure 

applied to the highside and the lowside of the system. The declaration of test shall be signed by the 

installer and, if an inspector is present at the tests, the inspector shall also sign the declaration. When 

requested, copies of this declaration shall be furnished to the AHJ. 

   

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 32 

ASHRAE 34: DESIGNATION AND SAFETY CLASSIFICATION OF REFRIGERANTS  

1. PURPOSE 

This standard is intended to establish a simple means of referring to common refrigerants instead of 

using the chemical name, formula, or trade name. It establishes a uniform system for assigning 

reference numbers, safety classifications, and refrigerant concentration limits to refrigerants. The 

standard also identifies requirements to apply for designations and safety classifications for refrigerants 

and to determine refrigerant concentration limits. 

2. SCOPE 

This standard provides an unambiguous system for numbering refrigerants and assigning composition‐

designating prefixes for refrigerants. Safety classifications based on toxicity and flammability data are 

included along with refrigerant concentration limits for the refrigerants. 

This standard does not imply endorsement or concurrence that individual refrigerant blends are 

suitable for any particular application. 

4. NUMBERING OF REFRIGERANTS 

An identifying number shall be assigned to each refrigerant. Reference C1 in Informative Appendix C 

provides background on the need for a standard refrigerant nomenclature. Assigned numbers are 

shown in Tables 4‐1 and 4‐2. 

 

Section of Table 4.1 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 33 

SECTION OF TABLE 4.2 

4.1 The identifying numbers assigned to the hydrocarbons and halocarbons of the methane, ethane, 

ethene, propane, propene, butane, butene, and cyclobutane series are such that the chemical 

composition of the compounds can be explicitly determined from the refrigerant numbers, and vice 

versa, without ambiguity. The molecular structure can be similarly determined for the methane, 

ethane, ethene, and most of the propane and propene, butane, butene, and cyclobutane series from 

only the identification number. 

4.1.1 The first digit on the right is the number of fluorine (F) atoms in the compound. 

4.1.2 The second digit from the right is one more than the number of hydrogen (H) atoms in the 

compound. 

4.1.3 The third digit from the right is one less than the number of carbon (C) atoms in the compound. 

When this digit is zero, it is omitted from the number. 

4.1.4 The fourth digit from the right is equal to the number of unsaturated carbon‐carbon bonds in the 

compound. When this digit is zero, it is omitted from the number. 

4.1.5 In those instances where bromine (Br) is present in place of part or all of the chlorine, the same 

rules apply, except that the uppercase letter “B” after the designation for the parent chlorofluoro 

compound shows the presence of bromine. The number following the letter “B” shows the number of 

bromine atoms present. 

4.1.6 The number of chlorine (Cl) atoms in the compound is found by subtracting the sum of fluorine 

(F), bromine (Br), and hydrogen (H) atoms from the total number of atoms that can be connected to the 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 34 

carbon (C) atoms. For saturated refrigerants, this number is 2n + 2, where n is the number of carbon 

atoms. The number is 2n for mono‐unsaturated and cyclic‐saturated refrigerants. 

4.1.7 The carbon atoms shall be numbered sequentially, in order of appearance, with the number “1” 

assigned to the end carbon with the greatest number of hydrogen substituents (i.e., number of 

halogenated atoms substituted for hydrogen on the alkane end carbon atoms). In the case where both 

end carbons of a saturated compound contain the same number of (but different) halogen atoms, the 

number “1” shall be assigned to the end carbon, defined as having the largest number of bromine, then 

chlorine, then fluorine, and then iodine atoms. If the compound is an olefin, then the end carbon 

nearest to the double bond will be assigned the number “1,” as the presence of a double bond in the 

backbone of the molecule has priority over substituent groups on the molecule.  

4.1.8 In the case of isomers in the ethane series, each has the same number, with the most symmetrical 

one indicated by the number alone. As the isomers become more and more unsymmetrical, 

successive lowercase letters (e.g., “a,” “b,” or “c”) are appended. Symmetry is determined by 

first summing the atomic mass of the halogen and hydrogen atoms attached to each carbon 

atom. One sum is subtracted from the other; the smaller the absolute value of the difference, 

the more symmetrical the isomer.  

4.1.9 In the case of isomers in the propane series, each has the same number, with the isomers 

distinguished by two appended lowercase letters. The first appended letter indicates the substitution 

on the central carbon atom (C2): 

   ‐ Cl      x 

  ‐  F       y 

  ‐  H      z 

 

For halogenated derivatives of cyclopropane, the carbon atom with the largest sum of attached atomic 

masses shall be considered the central carbon atom; for these compounds, the first appended letter is 

omitted. The second appended letter indicates the relative symmetry of the substituents on the end 

carbon atoms (C1 and C3). Symmetry is determined by first summing the atomic masses of the halogen 

and hydrogen atoms attached to the C1 and C3 carbon atoms. One sum is subtracted from the other; 

the smaller the absolute value of this difference, the more symmetrical the isomer. In contrast to the 

ethane series, however, the most symmetrical isomer has a second appended letter of “a” (as opposed 

to no appended letter for ethane isomers); increasingly asymmetrical isomers are assigned successive 

letters. Appended letters are omitted when no isomers are possible, and the number alone represents 

the molecular structure unequivocally; for example, CF3CF2CF3 is designated R‐218, not R‐218ca. An 

example of this system is given in Informative Appendix A. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 35 

4.1.10 In the case of isomers of the propene series, each has the same number, with the isomers 

distinguished by two appended lowercase letters. The first appended letter indicates the substitution 

on the central carbon atom (C2): 

—Cl x 

—F y 

—H z 

The second letter designates the substitution on the terminal methylene carbon as defined for the 

methylene carbon of the propane, consistent with the methodology described in 

Section 4.1.9: 

=CCl2 a 

=CClF b 

=CF2 c 

=CHCl d 

=CHF e 

=CH2 f 

In the case where stereoisomers can exist, the opposed (Entgegen or trans) isomer will be identified by 

the suffix (E) and the same side (Zusamen or cis) isomer will be identified by the suffix (Z). 

4.1.11 Extension to Compounds of Four Carbon Atoms. 

Compounds are coded according to the above‐stated rules with the designation number followed by a 

set of letters indicating structure. The number of unsaturated linkages is given in the fourth digit from 

the right. When the number for a digit place exceeds nine, it is set off by dashes. Linear compounds are 

lettered starting at one end, cyclic compounds from a side group, or, if none, from a carbon in the ring 

as described in Section 4.1.9. Carbon atoms with two hydrogens or halogens are lettered as in Section 

4.1.9. Carbon atoms with three hydrogen or halogen atom substituents are lettered as shown below: 

–CCl3 j 

–CCl2F k 

–CClF2 l 

–CF3 m 

–CHCl2 n 

–CH2Cl o 

–CHF2 p 

–CH2F q 

–CHClF r 

–CH3 s 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 36 

Only as many letters are used as are required to completely define the compound when taken with the 

empirical structure given by the numerical designation. It is understood that no branching occurs in the 

remaining structure. After the starting point, a side group(s) is/are given its/their letter(s) before the 

backbone substituent (if any). When two or more lettering sequences may be applied, that with the 

fewest letters and first alphabetical sequence is used. 

4.1.12 Bromine‐containing, propane‐series isomers cannot be uniquely designated by this system. 

4.2 For cyclic derivatives, the letter “C” is used before the identifying refrigerant numbers. 

4.3 Ether‐based refrigerants shall be designated with the prefix “E” (for ethers) immediately preceding 

the number. Except for the following differences, the root number designations for the hydrocarbon 

atoms shall be determined according to the current standard for hydrocarbon nomenclature (see 

Section 4.1). 

4.3.1 Two‐carbon, dimethyl ethers require no further suffixes, as the presence of the “E” prefix provides 

an unambiguous description. 

4.3.2 Straight‐chain, three‐carbon ethers require the agreement of the hydrocarbon ordering in Section 

4.1.7. 

4.3.2.1 The position(s) of the ether oxygen(s) shall be given by the carbons to which they are first 

encountered. An additional integer identifying the first carbon to which the ether oxygen is attached 

will be appended to the suffix letters. 

4.3.2.2 In the case of otherwise symmetric hydrocarbon structures, the ether oxygen shall appear in the 

earliest sequential position. 

4.3.2.3 Even in those cases where only a single propane isomer exists for the hydrocarbon portion of 

the ether structure, such as CF3‐O‐CF2‐CF3, the suffix letters described in 

Section 4.1.9 shall be retained. In this cited example, the correct designation shall be R‐E218ca1. 

4.3.2.4 Structures containing two interspersed oxygen atoms, di‐ethers, shall be designated with two 

following integers to designate the positions of the ether oxygens. 

4.3.3 For cyclic ethers carrying both the C‐” and “E‐” prefixes, the “C” shall precede the “E,” as “CE,” to 

designate cyclic ethers. 

For four‐membered cyclic ethers, including three carbon and one ether oxygen atom, the root number 

designations for the hydrocarbon atoms shall be constructed according to the current standard for 

hydrocarbon nomenclature (Section 4.1). 

4.4 Blends shall be identified by the designations assigned in this standard. Blends without assigned 

designations shall be identified by their compositions, listing the components in order of increasing 

normal boiling points separated by slashes, for example, R‐32/134a for a blend of R‐32 and R‐ 134a. 

Specific formulations shall be further identified by appending the corresponding mass fractions 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 37 

expressed as percentages to one decimal place and enclosing them in parentheses, for example, R‐

32/134a (30.0/70.0). No component shall be permitted at less than 0.6% m/m nominal. When 

formulation tolerances are relevant to the discussion, the corresponding tolerances shall be appended 

in a second set of parentheses, for example, R‐32/125/134a (30.0/10.0/60.0) (+1.0,–2.0/±2.0/±2.0) for a 

blend of R‐32, R‐125, and R‐134a with nominal mass fractions of 30.0%, 10.0%, and 60.0%, respectively, 

and mass fractions of 28.0% to 31.0%, 8.0% to 12.0%, and 58.0% to 62.0% with tolerances, 

respectively. 

4.4.1 Designation. Zeotropic blends shall be assigned an identifying number in the 400 series. 

Azeotropes shall be assigned an identifying number in the 500 series. To differentiate among blends 

having the same components with different proportions (% m/m), an uppercase letter shall be added as 

a suffix in serial order of assignment. An example of a zoetrope would be R‐401A and an example of an 

azeotrope would be R‐508A. 

4.4.2 Composition Tolerances. Blends shall have tolerances specified for individual components. 

Those tolerances shall be specified to the nearest 0.1% m/m. The maximum tolerance above or below 

the nominal shall not exceed 2.0% m/m. The tolerance above or below the nominal shall not be less 

than 

0.1% m/m. The difference between the highest and the lowest tolerances shall not exceed one‐half of 

the nominal component composition. 

4.5 Miscellaneous organic compounds shall be assigned numbers in the 600 series in decadal groups, as 

outlined in Table 4‐1, in serial order of designation within the groups. For the saturated hydrocarbons 

with four to eight carbon atoms, the number assigned shall be 600 plus the number of carbon atoms 

minus four. For example, butane is R‐600, pentane is R‐601, hexane is R‐602, heptane is R‐603, and 

octane is R‐ 

604. The straight‐chain or “normal” hydrocarbon has no suffix. For isomers of the hydrocarbons with 

four to eight carbon atoms, the lower‐case letters “a,” “b,” “c,” etc., are appended to isomers according 

to the group(s) attached to the longest carbon chain as indicated below. For example, R‐601a is 

assigned for 2‐methylbutane (isopentane) and R‐601b would be assigned for 2,2‐dimethylpropane 

(neopentane). 

Attached Group(S) Suffix none (straight chain) No suffix 

2‐methyl‐ a 

2,2‐dimethyl‐ b 

3‐methyl‐ c 

2,3‐dimethyl‐ d 

3,3‐dimethyl‐ e 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 38 

4.6 Inorganic compounds shall be assigned numbers in the 700 and 7000 series. 

4.6.1 For compounds with relative molecular masses less than 100, the number shall be the sum of 700 

and the relative molecular mass, rounded to the nearest integer. 

4.6.2 For compounds with relative molecular masses equal to or greater than 100, the number shall be 

the sum of 7000 and the relative molecular mass, rounded to the nearest integer. 

4.6.3 When two or more inorganic refrigerants have the same relative molecular masses, uppercase 

letters (i.e., “A,” “B,” “C,” etc.) shall be added, in serial order of designation, to distinguish among them. 

5. DESIGNATION 

5.1 General. This section provides guidance on prefixes for refrigerants to improve uniformity in order 

to promote understanding. Both technical and nontechnical designations are provided to be selected 

based on the nature and audience of the use. 

5.2 Identification. Refrigerants shall be identified in accordance with Section 5.2.1, 5.2.2, or 5.2.3. 

Section 5.2.1 shall be used in technical publications (for international uniformity and to preserve 

archival consistency), on equipment nameplates, and in specifications. Section 5.2.2 can be used for 

single component halocarbon refrigerants, where distinction between the presence or absence of 

chlorine or bromine is pertinent. Composition designation may be appropriate for nontechnical, public, 

and regulatory communications addressing compounds having environmental impact, such as ozone 

depletion or global warming potential. Section 5.2.3 can be used, under the same circumstances as 

Section 5.2.2, for blends (both azeotropic and zeotropic). Section 5.2.1 shall be used for miscellaneous 

organic and inorganic compounds.  

5.2.1 Technical Prefixes. The identifying number, as determined by Section 4, shall be preceded by the 

letter “R,” the word “Refrigerant” (“Refrigerants” if more than one), or the manufacturer’s trademark or 

trade name. Examples include: R 12, R‐12, Refrigerant 12, <Trade Name> 12, <Trade Name> R 12, R‐

500, R‐22/152a/114 (36.0/24.0/40.0), and R‐717. Trademarks and trade names shall not be used to 

identify refrigerants on equipment nameplates or in specifications. 

5.2.2 Composition‐Designating Prefixes. The identifying number, as determined by Section 4, shall be 

prefixed by the letter “C” for carbon and preceded by “B,” “C,” or “F”—or a combination thereof in this 

sequence—to signify the presence of bromine, chlorine, or fluorine, respectively. Compounds that also 

contain hydrogen shall be further preceded by the letter “H” to signify the increased deterioration 

potential before reaching the stratosphere.6 The compositional designating prefixes for ether shall 

substitute an “E” for “C”, such that “HFE,” “HCFE,” and “CFE” refer to hydrofluoroethers, 

hydrochlorofluoroethers, and chlorofluoroethers, respectively. The composition‐designating prefixes 

for halogenated olefins shall be either “CFC,” “HCFC,” or “HFC” to refer to chlorofluorocarbon, 

hydrochlorofluorocarbon, or hydrofluorocarbon, respectively, or with substitution of an “O” for the 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 39 

carbon “C” as “CFO,” “HCFO,” or “HFO” to refer to chlorofluoro‐ olefin, hydrochlorofluoro‐olefin, or 

hydrofluoroolefin, respectively. Halogenated olefins are a subset of halogenated organic (or carbon‐

containing) compounds having significantly shorter atmospheric lifetimes than their saturated 

counterparts. Examples include CFC‐11, CFC‐12, BCFC‐12B1, BFC‐13B1, HCFC‐22, HC‐50, CFC‐113, CFC‐

114, CFC‐115, HCFC‐123, HCFC‐124, HFC‐125, HFC‐134a, HCFC‐141b, HCFC‐142b, HFC‐143a, HFC‐152a, 

HC‐170, FC‐C318, and HFC‐1234yf or HFO‐1234yf. 

5.2.3 Recognized blends (whether azeotropic, near azeotropic, or zeotropic) with assigned numbers can 

be identified by linking the appropriate composition‐designating prefixes of individual components 

(e.g., CFC/HFC‐500). Blends without assigned numbers can be identified using appropriate 

composition‐ designating prefixes for each component (e.g., HCFC‐ 22/HFC‐152a/CFC‐114 

[36.0/24.0/40.0]). Linked prefixes (e.g., HCFC/HFC/CFC‐22/152a/114 [36.0/24.0/40.0]) and prefixes 

implying synthesized compositions (e.g., HCFC‐500 or HCFC‐22/152a/114 [36.0/24.0/40.0]) shall not be 

used. 

5.2.4 Composition‐designating prefixes should be used only in nontechnical publications in which the 

potential for environmental impact is pertinent. The prefixes specified in Section 5.2.1, augmented if 

necessary as indicated in Section 5.4, are preferred in other communications. Section 5.2.1 also may be 

preferable for blends when the number of components makes composition‐designating prefixes 

awkward, such as for those containing more than three individual components (e.g., in tetrary and 

pentary blends). 

5.3 Other prefixes, including “ACFC” and “HFA,” for “alternative to chlorofluorocarbons” and 

“hydrofluorocarbon alternative,” respectively, shall not be used. Similarly, neither “FC” nor “CFC” shall 

be used as universal prefixes to signify the fluorocarbon and chlorofluorocarbon families of refrigerants 

(i.e., other than as stipulated in Section 5.2.2). 

5.4 The convention specified in Section 5.2.1 can be complemented with pertinent data, when 

appropriate, as a preferred alternative to composition‐designating prefixes in technical 

communications. For example, the first mention of R‐12 in a discussion of the ozone‐depletion issue 

might read, “R‐12, a CFC” or “R‐12 (ODP = 1.0).” Similarly, a document on the greenhouse effect could 

cite “R‐22 (GWP = 0.34 relative to 

R‐11),” and one on flammability might refer to “R‐152a (LFL = 4.1%).” 

6. SAFETY GROUP CLASSIFICATIONS 

6.1 Refrigerants shall be classified into safety groups according to the following criteria. 

6.1.1 Classification. The safety classification shall consist of two alphanumeric characters (e.g., “A2” or 

“B1”). The capital letter indicates the toxicity as determined by Section 6.1.2; the arabic numeral 

denotes the flammability as determined by Section 6.1.3. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 40 

6.1.2 Toxicity Classification. Refrigerants shall be assigned to one of two classes—A or B—based on 

allowable exposure: 

Class A refrigerants have an OEL of 400 ppm or greater. 

Class B refrigerants have an OEL of less than 400 ppm. 

6.1.3 Flammability Classification. Refrigerants shall be assigned to one of three classes (1, 2, or 3) 

and one optional subclass (2L) based on lower flammability limit testing, heat of combustion, and the 

optional burning velocity measurement. Flammability tests shall be conducted in accordance with 

ASTM E681, Standard Test Method for Concentration Limits of Flammability of Chemicals (Vapors and 

Gases)7 using a spark ignition source. Testing of all halocarbon refrigerants shall be in accordance with 

the Annex of ASTM E681. Single‐compound refrigerants shall be assigned a single flammability 

classification. Refrigerant blends shall be assigned flammability classifications as specified in Section 

6.1.5. 

Blends shall be assigned a flammability classification based on their WCF and WCFF, as determined 

from a fractionation analysis (see Section B2 in Normative Appendix B). A fractionation analysis for 

flammability is not required if the components of the blend are all in one class; the blend shall be 

assigned the same class (see Table 6.1.3). 

 

 

 Burning velocity measurements shall be conducted according to a credible method. The method shall 

be in agreement with established methods of determining burning velocity by demonstrating 

measurement results of 6.7 ± 0.7 cm/s burning velocity for R‐32 and 23.0 ± 2.3 cm/s for R‐152a, or by 

presenting other evidence supporting the accuracy of the method. One acceptable method is the 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 41 

vertical‐tube method as detailed by Jabbour and summarized by Jabbour and Clodic.8,9 Measurements 

shall be conducted starting from the LFL to at least 125% of the stoichiometric concentration. 

Measurements shall be done with increments of, at most, 10% of the stoichiometric concentration, and 

each measurement shall be repeated at least two times. The burning velocity is the maximum value 

obtained from a least‐squares fit to the measured data. The gas mixture shall be made by any method 

that produces a blend of air/refrigerant that is accurate to ±0.1% in the test chamber. Dry air (less than 

0.00015 g of water vapor per gram of dry air) containing 21.0% ± 0.1% O2 shall be used as the oxidant. 

The flammable gas shall have a minimum purity of 99.5% by weight. 

Note: Methods that have been used include (a) a pressurized mixture made by using partial pressure 

and (b) quantitative flow methods like volumetric flowmeters and mass flow controllers fixing the ratio 

of air and refrigerant. 

6.1.3.1 Class 1 

a. A single‐compound refrigerant shall be classified as Class 1 if the refrigerant does not show flame 

propagation when tested in air at 140°F (60°C) and 14.7 psia (101.3 kPa). 

b. The WCF of a refrigerant blend shall be classified as Class 

1 if the WCF of the blend does not show flame propagation when tested in air at 140°F (60°C) and 14.7 

psia (101.3 kPa). 

c. The WCFF of a refrigerant blend shall be classified as Class 1 if the WCFF of the blend, as determined 

from a fractionation analysis specified by Section B2 in Normative Appendix B, does not show flame 

propagation when tested at 140°F(60.0°C) and 14.7 psia (101.3 kPa). 

 6.1.3.2 Class 2 

a. A single‐compound refrigerant shall be classified as Class 2 if the refrigerant meets all three of the 

following conditions: 

1. Exhibits flame propagation when tested at 140°F (60°C) and 14.7 psia (101.3 kPa) 

2. Has an LFL >0.0062 lb/ft3 (0.10 kg/m3) (see Section 

3. Has a heat of combustion <8169 Btu/lb (19,000 kJ/kg) (see Section 6.1.3.5). 

b. The WCF of a refrigerant blend shall be classified as Class 2 if it meets all three of the following 

conditions: 

1. Exhibits flame propagation when tested at 140°F (60°C) and 14.7 psia (101.3 kPa) 

2. Has an LFL >0.0062 lb/ft3 (0.10 kg/m3) (see Section 6.1.3.4 if the WCF of the blend has no LFL at 

73.4°F [23.0°C] and 14.7 psia [101.3 kPa]) 

3. Has a heat of combustion <8169 Btu/lb (19,000 kJ/kg) (see Section 6.1.3.5). 

c. The WCFF of a refrigerant blend shall be classified as Class 2 if it meets all three of the following 

conditions: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 42 

1. Exhibits flame propagation when tested at 140°F (60.0°C) and 14.7 psia (101.3 kPa) 

2. Has an LFL >0.0062 lb/ft3 (0.10 kg/m3) (see Section 6.1.3.4 if the WCFF of the blend has no LFL at 

73.4°F [23.0°C] and 14.7 psia [101.3 kPa]) 

3. Has a heat of combustion <8169 Btu/lb (19,000 kJ/kg) (see Section 6.1.3.5). 

6.1.3.2.1 Subclass 2l (Optional). Refrigerants that meet the following additional condition: have a 

maximum 

6.1.3.3 Class 3 

a. A single‐compound refrigerant shall be classified as Class 3 if the refrigerant meets both of the 

following conditions: 

1. Exhibits flame propagation when tested at 140°F (60°C) and 101.3 kPa (14.7 psia) 

2. Has an LFL 0.0062 lb/ft3 (0.10 kg/m3) (see Section 6.1.3.4 if the refrigerant has no LFL at 73.4°F 

[23.0°C] and 14.7 psia [101.3 kPa]) or it has a heat of combustion that is 8169 Btu/lb (19,000 kJ/kg) 

b. The WCF of a refrigerant blend shall be classified as Class 3 if it meets both of the following 

conditions: 

1. Exhibits flame propagation when tested at 140°F (60°C) and 101.3 kPa (14.7 psia) 

2. Has an LFL 0.0062 lb/ft3 (0.10 kg/m3) (see Section 6.1.3.4 if the refrigerant has no LFL at 73.4°F 

[23.0°C] and 14.7 psia [101.3 kPa]) or it has a heat of combustion that is 8169 Btu/lb (19,000 kJ/kg) 

c. The WCFF of a refrigerant blend shall be classified as Class 3 if it meets both of the following 

conditions: 

1. Exhibits flame propagation when tested at 60.0°C (140°F) and 101.3 kPa (14.7 psia) and 

2. Has an LFL 0.0062 lb/ft3 (0.10 kg/m3) (see Section 6.1.3.4 if the refrigerant has no LFL at 73.4°F 

[23.0°C] and 14.7 psia [101.3 kPa]) or it has a heat of combustion that is 8169 Btu/lb (19,000 kJ/kg) 

6.1.3.4 For Class 2 or Class 3 refrigerants or refrigerant blends, the LFL shall be determined. For those 

Class 2 or Class 3 refrigerants or refrigerant blends that show no flame propagation when tested at 

73.4°F (23.0°C) and 14.7 psia (101.3 kPa) (i.e., no LFL), an elevated temperature flame limit at 140°F 

(60°C) (ETFL60) shall be used in lieu of the LFL for determining their flammability classifications. 

6.1.3.5 The heat of combustion shall be calculated for conditions of 77°F (25°C) and 14.7 psia (101.3 

kPa). 

a. For single‐component refrigerants, the heat of combustion shall be calculated. The heat of 

combustion is the enthalpy of formation of the reactants (refrigerant and oxygen) minus the enthalpy 

of formation of the products of reaction. Values for heats of formation are tabulated in several chemical 

and physical property handbooks and databases. 

In this standard, the heat of combustion is positive for exothermic reactions. Calculated values shall be 

based on the complete combustion of one mole of refrigerant with enough oxygen for a stoichiometric 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 43 

reaction. The reactants and the combustion products shall be assumed to be in the gas phase. The 

combustion products shall be HF(g) (Note: not aqueous solution (aq)], CO2(g), [N2(g) or SO2(g) if 

nitrogen or sulfur are part of the refrigerant’s molecular structure], HCl(g), and H2O(g). 

If there is insufficient hydrogen (H) available for the formation of HF(g), HCl(g), and H2O(g), then the 

formation of HF(g) takes preference over the formation of HCl(g), which takes preference over the 

formation of H2O. If there is insufficient hydrogen available for all of the fluorine (F) to form HF(g), then 

the remaining fluorine produces COF2(g) in preference of carbon (C) forming CO2. Any remaining 

chloride (Cl) produces Cl2(g) (chlorine). 

b. For refrigerant blends, the heat of combustion shall be calculated from a balanced stoichiometric 

equation of all component refrigerants. This can be thought of conceptually as breaking the refrigerant 

molecules into their constituent atoms and creating a hypothetical molecule with the same molar ratio 

of total carbons, hydrogens, fluorines, etc. as is in the original blend. The hypothetical molecule would 

then be treated as a pure refrigerant as in Section 6.1.3.5(a). The heat of formation for this hypothetical 

molecule is the molar average of the heats of formation for the original blend of molecules. 

Note: The molar percent or mass percent weighted average of the HOC of the pure component of a 

blend produces incorrect results. For an example, see Informative Appendix F. 

c. Heats of formation and heats of combustion are normally expressed as energy per mole (kJ/mol or 

Btu/mol). For urposes of flammability classification under this standard, convert the heat of combustion 

for a refrigerant from an energy per mole value to an energy per mass value (Btu/lb [kJ/kg]). 

6.1.4 Matrix Diagram Of Safety Group Classification System. The toxicity and flammability 

classifications described in Sections 6.1.1, 6.1.2, and 6.1.3 yield six separate safety group classifications 

(A1, A2, A3, B1, B2, and B3) and two subclasses (A2L and B2L) for refrigerants. These classifications are 

represented by the matrix shown in Figure 6.1.4. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 44 

 

6.1.5 Safety Classification Of Refrigerant Blends. Blends, whether zeotropic or azeotropic, 

whose flammability and/or toxicity characteristics may change as the composition hanges during 

fractionation, shall be assigned a safety group classification based on the worst case of fractionation. 

This classification shall be determined according to the same criteria as that for a single‐compound 

refrigerant. 

For flammability, worst case of fractionation is defined as the composition during fractionation that 

results in the highest concentration of the flammable component(s) in the vapor or liquid phase. For 

toxicity, worst case of fractionation is defined as the composition during fractionation that results in the 

highest concentration of the component(s) in the vapor or liquid phase for which the TLV‐TWA is less 

than 400 ppm by volume. The TLV‐TWA for a specific blend composition shall be calculated from the 

TLV‐TWA of the individual components (see Reference C‐4 of Informative Appendix C). 

6.2 Other Standards. This classification is to be used in conjunction with other relevant safety 

standards, such as ANSI/ASHRAE Standard 15, Safety Standard for Refrigeration Systems.10 

7. REFRIGERANT CONCENTRATION LIMIT (RCL) 

7.1 Single‐Compound Refrigerants. The RCL for each refrigerant shall be the lowest of the quantities 

calculated in accordance with Sections 7.1.1, 7.1.2, and 7.1.3, using data as indicated in Section 7.3 and 

adjusted in accordance with Section 

7.4. Determination shall assume full vaporization with no removal by ventilation, dissolution, reaction, 

or decomposition and complete mixing of the refrigerant in the space to which it is released. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 45 

7.1.1 Acute‐Toxicity Exposure Limit (Atel). The ATEL shall be the lowest of items (a) through (d) as 

follows: 

a. Mortality: 28.3% of the four‐hour LC50 for rats. If not determined, 28.3% of the four‐hour ALC for 

rats. If neither has been determined, 0 ppm.  

b. Cardiac Sensitization: One‐hundred percent of the NOEL for cardiac sensitization in unanesthetized 

dogs. If not determined, 80% of the LOEL for cardiac sensitization in dogs. If neither has been 

determined, 1000 ppm. The cardiac sensitization term is omitted from ATEL determination if the LC50 

or ALC in (a) is less than 10,000 ppm by volume or if the refrigerant is found, by toxicological review, not 

to cause cardiac sensitization. 

c. Anesthetic or Central Nervous System Effects: Fifty percent of the ten‐minute EC50 in mice or rats for 

loss of righting ability in a rotating apparatus, or 80% of NOEL in mice or rats for loss of righting ability 

in a rotating apparatus, whichever is higher. If not determined, 50% of the LOEL for signs of any 

anesthetic or CNS effect in rats during acute toxicity studies. If neither has been determined, 80% of 

the NOEL for signs of any anesthetic or CNS effect in rats during an acute, subchronic, or chronic 

toxicity study in which clinical signs are documented. 

d. Other Escape‐Impairing Effects and Permanent Injury: Eighty percent of the lowest concentration, for 

human exposures of 30 minutes, that is likely to impair ability to escape or to cause irreversible health 

effects. 

7.1.2 Oxygen Deprivation Limit (Odl). The ODL shall be 140,000 ppm by volume for locations with 

altitudes at and below 3300 ft (1000 m) above sea level. At locations higher than 3300 ft (1000 m) but 

below or equal to 4920 ft (1500 m), the ODL shall be 112,000 ppm, and at altitudes higher than 4920 ft 

(1500 m), the ODL shall be 69,100 ppm (19.5% oxygen by volume). 

7.1.3 Flammable Concentration Limit (Fcl). The FCL shall be calculated as 25% of the LFL determined 

in accordance with Section 6.1.3. 

7.2 Blends. The RCL for refrigerants comprising multiple compounds shall be determined by the 

method in Section 7.1 except that individual parameter values in Section 7.1.1 (a) through (d) shall be 

calculated as the mole‐weighted average, by composition of the nominal formulation, of the values for 

the components. The calculation used to determine the ATEL and RCL of a refrigerant blend is 

summarized in Informative 

Appendix G. The calculation can also be performed using a computer program or spreadsheet. 

   

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 46 

STANDARD 90.2: ENERGY EFFICIENT DESIGN OF LOW‐RISE RESIDENTIAL BUILDINGS 

1. PURPOSE The purpose of this standard is to provide minimum requirements for the energy‐

efficient design of residential buildings. 

2. SCOPE 

2.1 This standard provides minimum energy‐efficiency requirements for the design and construction of  

a. new residential dwelling units and their systems and 

b. where explicitly specified, 

1. new portions of residential dwelling units and their systems and 

2. new systems and equipment in existing dwelling units. 

Note: There are no requirements in this standard that apply to new portions of residential dwelling 

units and their systems, nor to new systems and equipment in existing dwelling units. 

For the purposes of this standard, “residential dwelling units” include single‐family houses, multi‐family 

structures (of three stories or fewer above grade), and modular houses. 

This standard does not include “transient” housing, such as hotels, motels, nursing homes, jails, and 

barracks, or manufactured housing. 

2.2 This standard applies to the building envelope, heating equipment and systems, air‐conditioning 

equipment and systems, domestic water‐heating equipment and systems, and provisions for overall 

building design alternatives and trade‐offs. 

2.3 This standard does not apply to 

a. specific procedures for the operation, maintenance, and use of residential buildings; 

b. portable products such as appliances and heaters; and 

c. residential electric service or lighting requirements. 

2.4 This standard shall not be used to abridge any safety, health, or environmental requirements. 

4. COMPLIANCE 

4.1 General. This standard provides different methods by which compliance can be determined for 

low‐rise residential buildings—prescriptive or performance path methods (Sections 

5, 6, and 7) or an annual energy cost method (Section 8). 

5. BUILDING ENVELOPE REQUIREMENTS 

5.1 Prescriptive Path 

5.1.1 General. This section provides thermal performance requirements for the residential building 

envelope that separates conditioned spaces from either exterior conditions or unconditioned spaces. 

5.1.1.1 Single‐Family And Multi‐Family Compliance. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 47 

For the appropriate climate, the single‐family house and multi‐family structure envelope shall comply 

with: 

ANSI/ASHRAE Standard 90.2‐2007 5 

a. the Prescriptive Path Method in accordance with Sections 5.2 through 5.11, or 

b. the Envelope Performance Path Trade‐Off Method in accordance with Section 5.12, or 

c. in cases where a systems analysis method of building design is desired, the requirements of Section 8 

of this standard. 

5.1.1.2 Climate. The climate for the requirements in Sections 5 and 8 shall be determined based on 

Section 9. 

5.2 Prescriptive Path Method. For one‐ and two‐family dwellings and multi‐family structures, the 

thermal resistance of the cavity insulation and the thermal resistance of the continuous insulation 

uninterrupted by framing, applied to the opaque building envelope components, shall be greater than 

or equal to the minimum R‐values; the thermal transmittance of all assemblies shall be less than or 

equal to the maximum U‐factors; and SHGC of all fenestration assemblies shall be less than or equal to 

the maximum SHGC criteria, shown in Table 5.2 

 

Exception High albedo roofs in Section 5.6. 

5.2.1 Thermal Transmittance. The design thermal transmittance (U) shall be the variable used to 

specify the requirements and demonstrate compliance for all doors and fenestration. All design U‐

factors are air‐to‐air, including interior and exterior air films. Calculation of design U‐factors shall be 

done in accordance with the procedures in the ASHRAE Handbook—Fundamentals and account for 

thermal bridges and anomalies. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 48 

5.2.2 Thermal Conductance. The thermal conductance (C) of all below‐grade envelope components 

shall be the variable used to set the requirements and demonstrate compliance. 

All C‐factors are surface‐to‐surface, excluding air films and the adjacent ground. Calculation of C‐

factors shall be done in accordance with the procedures in the ASHRAE Handbook—Fundamentals and 

account for thermal bridges and anomalies. 

5.3 Walls Next to Unconditioned Spaces. Unconditioned spaces shall include unconditioned 

basements, unconditioned enclosed mechanical rooms, and unconditioned enclosed vestibules. Wood‐ 

and steel‐framed walls adjacent to unconditioned spaces shall comply with the insulation values 

specified in the Table 5.2 category “Frame Adjacent to Unconditioned Spaces.” Mass walls adjacent to 

unconditioned spaces shall comply with the “Above‐Grade Mass, Exterior Insulation” insulation values 

specified in Table 5.2. 

5.4 Mass Walls. Exterior insulation requirements shall apply when at least 50% of the required 

insulation R‐value is on the exterior of, or integral to, the wall. Walls that do not meet this requirement 

for insulation placement shall meet the requirements for interior insulation. The interior insulation case 

shall apply when there are no exterior insulation requirements and wood or steel framing is used. When 

an added R‐value of 3.4 or less is required, concrete block walls, in accordance with ASTM C90, with 

cores filled with material having a maximum thermal conductivity of 0.44 Btu⋅in./h⋅ft2⋅°F, shall be 

permitted to be used. 

5.5 Envelope Assemblies Containing Steel Framing 

5.5.1 Steel Stud Walls. The thermal transmittance of frame walls that contain steel stud assemblies 

shall be calculated  

5.5.2 Steel Framing In Ceiling/Roof. When the ceiling/ roof assembly contains cold‐formed steel 

truss framing, the UR value to be used shall be determined by Equations 5‐3, 5‐ 4, or 5‐5. These 

equations apply to cold‐formed steel truss roof framing spaced at 24 in. (609 mm) on‐center and where 

the penetrations through the cavity insulation do not exceed three penetrations for each 4 ft (1220 mm) 

length of the truss. 

5.5.3 Steel Framing in Floors Over Unconditioned 

Spaces. When the floor assembly contains cold‐formed steel framing, the value of Ufn used shall be 

recalculated using a series of path procedures to correct for parallel path thermal bridging.  

Exception When overall system‐tested Ufn values for steelframed floors from approved laboratories 

are available (when such data are acceptable to the code official). 

5.6 High Albedo Roofs. For roofs in climate zones 1, 2, or 3, where the exterior surface has either of 

the following: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 49 

a. a minimum total solar reflectance of 0.65 when tested in accordance with ASTM C1549, E903, or 

E1918 and a minimum thermal emittance of 0.75 when tested in accordance with ASTM E408 or C1371, 

or 

b. a minimum solar reflectance index (SRI) of 75 calculated in accordance with ASTM E1980 for medium 

wind speed conditions, the R‐value of the proposed ceiling shall comply with the values in Table 5.6.1 or 

the U‐factor of the proposed ceiling shall comply with the values in Table 5.6.2. The values for solar 

reflectance and thermal emittance shall be determined by a laboratory accredited by a nationally 

recognized accreditation organization, such as the Cool Roof Rating Council 

CRRC‐1 Product Rating Program, and shall be labeled and certified by the manufacturer. 

 

5.7 Floors 

5.7.1 Slab‐On‐Grade Floors. All R‐values (°F∙ft2∙h/Btu) refer only to the insulation, excluding the 

wall constructions and all other elements such as interior finish materials, the floor slab, exterior finish 

materials, air films, and the adjacent ground. Perimeter insulation shall begin at the top surface of the 

slab. The insulation length requirement may be satisfied by a combination of vertical and horizontal 

sections provided they are continuous. Perimeter insulation is not required of areas of very heavy 

termite infestation probability, as shown in Figure 5.6. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 50 

 

5.8 Doors. The requirements shall apply to all door assemblies that permit entry or exit from heated or 

mechanically cooled spaces or both. 

5.8.1 Opaque Portion of Non‐Wood Doors. The opaque portion of a non‐wood door assembly 

shall not exceed the maximum U‐factor shown in Table 5.2. 

5.8.2 Opaque Portion of Wood Doors. The opaque portion of a wood door assembly shall not 

exceed a maximum U‐factor of 0.40 Btu/h⋅ft2⋅°F (5.678 W/m2∙K). 

5.8.3 Glazed Portion of Any Door. The glazed portion of any door assembly shall not exceed a 

maximum U‐factor as shown in the column entitled “fenestration” in Table 5.2. 

5.9 Fenestration. The requirements shall apply to all operable or fixed glazed assemblies, including 

windows, skylights, and glass doors, and shall not exceed the maximum U‐factors and SHGC values as 

shown in Table 5.2. The U‐factor (U) of fenestration shall be determined in accordance with NFRC 

100, and the SHGC of fenestration shall be determined in accordance with NFRC 200 by an accredited, 

independent laboratory, and the fenestration shall be labeled and certified by the manufacturer. 

Exceptions: 

a. Skylight area, including frames, less than or equal to 1% of the total floor space utilized for living, 

sleeping, eating, cooking, bathing, washing, and sanitation purposes is exempt from this requirement 

provided the skylight U‐factor is less than 0.8. 

b. Fenestration that can be thermally separated from the conditioned space (such as sunrooms, 

solariums, and greenhouses) shall be excluded from the prescriptive 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 51 

U‐factor, SHGC, and area requirements provided it is separated by envelope components that meet 

this standard. 

5.10 Air Leakage. The building envelope shall meet the provisions of Sections 5.10.1 through 5.10.4 or 

shall comply with ANSI/ASHRAE Standard 119, Air Leakage Performance for Detached Single‐Family 

Residential Buildings. 

5.10.1 Windows And Doors. Window and door assemblies shall comply with Table 5.10.1. 

 

5.10.2 Access Openings. Access openings in the building envelope, other than sliding and swinging 

doors and windows, shall be sealed using weather stripping and be provided with a latch or some other 

positive means of closure. The level of insulation provided with the access openings shall be equivalent 

to that of the building envelope assembly in which it is installed. 

5.10.3 Foundations. Foundation walls, crawlspace walls, and other building envelope walls below 

grade shall have all cracks and the intersection of above‐grade construction assemblies with below‐

grade construction materials sealed. 

5.10.4 Joints and Penetrations. Joints and penetrations in the building envelope that are sources of 

air leakage shall be sealed with caulking, gasketing, weather stripping, or other materials compatible 

with the construction materials, location, and anticipated conditions. 

5.11 Water Vapor Retarders and Moisture Barriers. 

5.11.1 A durable continuous moisture barrier at least 6 mil thick shall be placed over exposed soils in 

crawlspaces and extend 1 ft (305 mm) up the crawlspace walls. Joints in the moisture barrier shall 

overlap a minimum of 1 ft (305 mm). 

5.11.2 A moisture barrier shall be installed beneath a heated slab. 

5.12 Envelope Performance Path Trade‐Off Method. 

The building envelope complies with this standard if the proposed building satisfies the provisions of 

Section 5.2 and the envelope performance factor of the proposed building is less than or equal to the 

annual heating and cooling energy costs for the envelope of the prescriptive path building. The annual 

heating and cooling energy cost considers only the building envelope components. Heating, 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 52 

ventilating, and air‐conditioning systems and equipment and service water heating shall be the same 

for both the proposed building and the prescriptive. 

6. HEATING, VENTILATING, AND AIR‐CONDITIONING (HVAC) SYSTEMS AND 

EQUIPMENT 

6.1 General. This section provides performance requirements for heating, ventilating, air‐

conditioning, and service water heating equipment for one‐ and two‐family houses and multi‐family 

structures. 

6.2 Heating, Ventilating, and Air‐Conditioning Systems And Equipment. This section shall 

regulate only equipment using single‐phase electric power, air conditioners, and heat pumps with rated 

cooling capacities less than 65,000 Btu/h (19 kW), warm air furnaces with rated heating capacities less 

than 225,000 Btu/h (66 kW), boilers less than 300,000 Btu/h (88 kW) input, and heating‐only heat 

pumps with rated heating capacities less than 65,000 Btu/h (19 kW). 

6.3 Balancing. The air distribution system design, including outlet grilles, shall provide a means for 

balancing the air distribution system unless the design procedure provides a system intended to 

operate within ±10% of design air quantities. 

6.4 Insulation For Ducts. All portions of the air distribution system installed in or on buildings for 

heating and cooling shall be R‐8. When the mean outdoor dew‐point temperature in any month 

exceeds 60°F (15°C), vapor retarders shall be installed on conditioned‐air supply ducts. Vapor retarders 

shall have a  water vapor permeance not exceeding 0.5 perm (0.003 μg/Pa⋅s⋅m2) when tested in 

accordance with Procedure A in ASTM E96. Insulation is not required when the ducts are within the 

conditioned space. 

6.5 Insulation for Piping. HVAC system piping installed to serve buildings and within buildings shall 

be thermally insulated in accordance with Table 6.5. 

 

6.6 Ventilation and Combustion Air 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 53 

6.6.1 Ventilation Air. The building shall be designed to have the capability to provide the ventilation 

air specified in Table 6.6.1. 

 

6.6.2 Combustion Air. Combustion air for fossil fuel heating equipment shall be in accordance with 

the locally adopted code or with one of the following: natural gas and propane heating equipment, 

ANSI Z223.1/NFPA 54; oil heating equipment, NFPA 31; solid fuel burning equipment, NFPA 211. 

6.7 Electric Heating Systems. Electric heating systems shall be installed in accordance with the 

following requirements. 

6.7.1 Wall, Floor, Or Ceiling Electric‐Resistance Heating. When wall, floor, or ceiling electric‐

resistance heating units are used, the structure shall be zoned and heaters installed in each zone in 

accordance with the heat loss of that zone. Where living and sleeping zones are separate, the minimum 

number of zones shall be two. If two or more heaters are installed in any one room, they shall be 

controlled by one thermostat. 

6.7.2 Electric Central Warm Air Heating. When electric central warm air heating is to be installed, 

an electric heat pump or an off‐peak electric heating system with thermal storage shall be used. 

Exceptions: a. Electric resistance furnaces where the ducts are located inside the conditioned space 

and a minimum of two zones are provided where the living and sleeping zones are separate. 

b. Packaged air‐conditioning units with supplemental electric heat. 

6.8 Bath Ceiling Units. Bath ceiling units providing any combination of heat, light, or ventilation shall 

be provided with controls permitting separate operation of the heating function. 

6.9 Hvac Equipment, Rated Combinations. HVAC system equipment and system components 

shall be furnished with the input(s), the output(s), and the value of the appropriate performance 

descriptor of HVAC products in accordance with federal law or as specified in Table 6.9, as applicable.  

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 54 

 

These shall be based on newly produced equipment or components. Manufacturers’ recommended 

maintenance instructions shall be furnished with and attached to the equipment. 

The manufacturer of electric resistance heating equipment shall furnish full‐load energy input over the 

range of voltages at which the equipment is intended to operate. 

6.10 Controls 

6.10.1 Temperature Control. Each system or each zone within a system shall be provided with at 

least one thermostat capable of being set from 55°F (13°C) to 85°F (29°C) and capable of operating the 

system’s heating and cooling. The thermostat or control system, or both, shall have an adjustable 

deadband, the range of which includes a setting of 10°F (5.6°C) between heating and cooling when 

automatic changeover is provided. Wall‐mounted temperature controls shall be mounted on an inside 

wall. 

6.10.2 Ventilation Control. Each mechanical ventilation system (supply or exhaust or both) shall be 

equipped with a readily accessible switch or other means for shutoff. Manual or automatic dampers 

installed for the purpose of isolating outside air intakes and exhausts from the air distribution system 

shall be designed for tight shutoff. 

6.10.3 Humidity Control 

6.10.3.1 Heating. If additional energy‐consuming equipment is provided for adding moisture to 

maintain specific selected relative humidities in spaces or zones, a humidistat shall be provided. This 

device shall be capable of being set to prevent energy from being used to produce relative humidity 

within the space above 30%. 

6.10.3.2 Cooling. If additional energy‐consuming equipment is provided for reducing humidity, it shall 

be equipped with controls capable of being set to prevent energy from being used to produce a relative 

humidity within the space below 50% during periods of human occupancy and below 60% during 

unoccupied periods. 

6.10.3.3 Other Controls. When setback, zoned, humidity and cooling controls and equipment are 

provided, they shall be designed and installed in accordance with Section 6.10. 

7. SERVICE WATER HEATING 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 55 

7.1 Application. Residential‐type water heaters, pool heaters, and unfired water heater storage tanks 

shall meet the minimum performance requirements specified by federal law. Unfired storage water  

heatingequipment shall have a heat loss through the tank surface area of less than 6.5 Btu/h⋅ft2. 

7.2 Pump Operation. Circulating hot water systems shall be arranged so that the circulating pump(s) 

can be turned off (automatically or manually) when the hot water system is not in operation. 

7.3 Central Water Heating Equipment. Service water heating equipment (central systems) that 

does not fall under the requirements for residential‐type service water heating equipment addressed in 

Section 7.1 shall meet the applicable requirements for service water‐heating equipment found in 

Standard 90.1. 

7.4 Swimming Pools, Hot Tubs, and Spas 

7.4.1 Pool Covers. Heated pools shall be equipped with a pool cover. 

7.4.2 Covers. Outdoor pools deriving over 70% of the energy for heating (computed over an operating 

season) from nondepletable sources or from recovery of energy that would otherwise be wasted shall 

not be required to have pool covers. 

7.4.3 Time Clock. Time clocks shall be installed so that the pump can be set to run in the off‐peak 

electric demand period and can be set for the minimum time necessary to maintain the water in a clear 

and sanitary condition in keeping with applicable health standards. 

7.4.3.1 Pump. Pumps used to operate solar pool heating systems are not required to have time clocks 

installed. 

7.5 Heat Traps. Heat traps shall be installed on both the inlet and outlet of water heaters that have 

vertical pipe risers connected to the top of the heater unless the water heater is equipped with an 

integral heat trap or is part of a circulating system. The heat trap shall be installed as close as possible 

to the inlet and the outlet fitting. The heat trap may be an arrangement of piping and fittings, such as 

elbows, or a commercially available heat trap that prevents the thermosiphoning of the hot water 

during standby periods. 

   

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 56 

STANDARD 90.1: ENERGY STANDARD FOR BUILDINGS EXCEPT LOW‐RISE 

RESIDENTIAL BUILDINGS  

1. PURPOSE  

To establish the minimum energy efficiency requirements of buildings other than low‐rise residential 

buildings for 

a. design, construction, and a plan for operation and maintenance; and 

b. utilization of on‐site, renewable energy resources. 

2. SCOPE 

2.1 This standard provides 

a. minimum energy‐efficient requirements for the design and construction, and a plan for operation 

and maintenance of 

1. new buildings and their systems, 

2. new portions of buildings and their systems, 

3. new systems and equipment in existing buildings, and 

4. new equipment or building systems specifically identified in the standard that are part of industrial or 

manufacturing processes and  

b. criteria for determining compliance with these requirements. 

2.2 The provisions of this standard do not apply to 

a. single‐family houses, multifamily structures of three stories or fewer above grade, manufactured 

houses (mobile homes), and manufactured houses (modular) or 

b. buildings that use neither electricity nor fossil fuel. 

2.3 Where specifically noted in this standard, certain other buildings or elements of buildings shall be 

exempt. 

2.4 This standard shall not be used to circumvent any safety, health, or environmental requirements. 

4. ADMINISTRATION AND ENFORCEMENT 

4.1 General 

4.1.1 Scope 

4.1.1.1 New Buildings. New buildings shall comply with the standard as described in Section 4.2. 

4.1.1.2 Additions to Existing Buildings. An extension or increase in the floor area or height of a 

building outside of the existing building envelope shall be considered additions to existing buildings and 

shall comply with the standard as described in Section 4.2. 

4.1.1.3 Alterations of Existing Buildings. Alterations of existing buildings shall comply with the 

standard as described in Section 4.2. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 57 

4.1.1.4 Replacement of Portions of Existing Buildings. 

Portions of a building envelope, heating, ventilating, airconditioning, service water heating, power, 

lighting, and other systems and equipment that are being replaced shall be considered as alterations of 

existing buildings and shall comply with the standard as described in Section 4.2. 

4.1.1.5 Changes in Space Conditioning. Whenever unconditioned or semiheated spaces in a 

building are converted to conditioned spaces, such conditioned spaces shall be brought into compliance 

with all the applicable requirements of this standard that would apply to the building envelope, heating, 

ventilating, air‐conditioning, service water heating, power, lighting, and other systems and equipment 

of the space as if the building were new. 

4.1.2 Administrative Requirements. Administrative requirements relating to permit requirements, 

enforcement by the authority having jurisdiction, locally adopted energy standards, interpretations, 

claims of exemption, and rights of appeal are specified by the authority having jurisdiction. 

4.1.3 Alternative Materials, Methods of Construction, Or Design. The provisions of this 

standard are not intended to prevent the use of any material, method of construction, design, 

equipment, or building system not specifically prescribed herein. 

4.1.4 Validity. If any term, part, provision, section, paragraph, subdivision, table, chart, or referenced 

standard of this standard shall be held unconstitutional, invalid, or ineffective, in whole or in part, such 

determination shall not be deemed to invalidate any remaining term, part, provision, section, 

paragraph, subdivision, table, chart, or referenced standard of this standard. 

4.1.5 Other Laws. The provisions of this standard shall not be deemed to nullify any provisions of 

local, state, or federal law. Where there is a conflict between a requirement of this standard and such 

other law affecting construction of the building, precedence shall be determined by the authority 

having jurisdiction. 

4.1.6 Referenced Standards. The standards referenced in this standard and listed in Section 12 shall 

be considered part of the requirements of this standard to the prescribed extent of such reference. 

Where differences occur between the provision of this standard and referenced standards, the 

provisions of this standard shall apply. Informative references are cited to acknowledge sources and are 

not part of this standard. 

4.1.7 Normative Appendices. The normative appendices to this standard are considered to be 

integral parts of the mandatory requirements of this standard, which, for reasons of convenience, are 

placed apart from all other normative elements. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 58 

4.1.8 Informative Appendices. The informative appendices to this standard and informative notes 

located within this standard contain additional information and are not mandatory or part of this 

standard. 

4.2 Compliance 

4.2.1 Compliance Paths 

4.2.1.1 New Buildings. New buildings shall comply with either the provisions of Section 5, “Building 

Envelope”; Section 6, “Heating, Ventilating, and Air Conditioning”; Section 7, “Service Water Heating”; 

Section 8, “Power”; 9, “Lighting”; and Section 10, “Other Equipment” or Section 11, “Energy Cost 

Budget Method.” 

4.2.1.2 Additions to Existing Buildings. Additions to existing buildings shall comply with either the 

provisions of Sections 5, 6, 7, 8, 9, and 10 or Section 11. 

4.2.1.2.1 When an addition to an existing building cannot comply by itself, trade‐offs will be allowed by 

modification to one or more of the existing components of the existing building. Modeling of the 

modified components of the existing building and addition shall employ the procedures of Section 11; 

the addition shall not increase the energy consumption of the existing building plus the addition 

beyond the energy that would be consumed by the existing building plus the addition if the addition 

alone did comply. 

4.2.1.3 Alterations of Existing Buildings. Alterations of existing buildings shall comply with the 

provisions of Sections 5, 6, 7, 8, 9, and 10, provided, however, that nothing in this standard shall require 

compliance with any provision of this standard if such compliance will result in the increase of energy 

consumption of the building. 

Exceptions: 

1. A building that has been specifically designated as historically significant by the adopting authority or 

is listed in The National Register of Historic Places or has been determined to be eligible for listing by 

the U.S. Secretary of the Interior need not comply with these requirements. 

2. Where one or more components of an existing building or portions thereof are being replaced, the 

annual energy consumption of the comprehensive design shall not be greater than the annual energy 

consumption of a substantially identical design, using the same energy types, in which compliance with 

the applicable requirements of Sections 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as provided in Section 4.2.1.2,1, is verified 

by a design professional by the use of any calculation methods acceptable to the authority having 

jurisdiction. 

4.2.2 Compliance Documentation 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 59 

4.2.2.1 Construction Details. Compliance documents shall show all the pertinent data and features 

of the building, equipment, and systems in sufficient detail to permit a determination of compliance by 

the building official and to indicate compliance with the requirements of this standard. 

4.2.2.2 Supplemental Information. Supplemental information necessary to verify compliance with 

this standard, such as calculations, worksheets, compliance forms, vendor literature, or other data, shall 

be made available when required by the building official. 

4.2.2.3 Manuals. Operating and maintenance information shall be provided to the building owner. 

This information shall include, but not be limited to, the information specified in Sections 6.7.2.2, 8.7.2, 

and 9.7.2.2. 

4.2.3 Labeling Of Material and Equipment. Materials and equipment shall be labeled in a manner 

that will allow for a determination of their compliance with the applicable provisions of this standard. 

4.2.4 Inspections. All building construction, additions, or alterations subject to the provisions of this 

standard shall be subject to inspection by the building official, and all such work shall remain accessible 

and exposed for inspection purposes until approved in accordance with the procedures specified by the 

building official. Items for inspection include at least the following: 

a. Wall insulation after the insulation and vapor retarder are in place but before concealment 

b. Roof/ceiling insulation after roof/insulation is in place but before concealment 

c. Slab/foundation wall after slab/foundation insulation is in place but before concealment 

d. Fenestration after all glazing materials are in place 

e. Continuous air barrier after installation but before concealment 

f. Mechanical systems and equipment and insulation after installation but before concealment 

g. Electrical equipment and systems after installation but before concealment 

5. BUILDING ENVELOPE 

5.1 General 

5.1.1 Scope. Section 5 specifies requirements for the building envelope. 

5.1.2 Space‐Conditioning Categories 

5.1.2.1 Separate exterior building envelope requirements are specified for each of three categories of 

conditioned space: (a) nonresidential conditioned space, (b) residential conditioned space, and (c) 

semiheated space. 

5.1.2.2 The minimum skylight area requirements in Section 5.5.4.2.3 are also specified for 

unconditioned spaces. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 60 

5.1.2.3 Spaces shall be assumed to be conditioned spaces and shall comply with the requirements for 

conditioned spaces at the time of construction, regardless of whether mechanical or electrical 

equipment is included in the building permit application or installed at that time. 

5.1.2.4 In Climate Zones 3 through 8, a space may be designated as either a semiheated space or an 

unconditioned space only if approved by the building official. 

5.1.3 Envelope Alterations. Alterations to the building envelope shall comply with the requirements of 

Section 5 for insulation, air leakage, and fenestration applicable to those specific portions of the 

building that are being altered. 

Exceptions: The following alterations need not comply with these requirements, provided such 

alterations will not increase the energy usage of the building: 

1. Installation of storm windows or glazing panels over existing glazing, provided the storm window or 

glazing panel contains a low‐emissivity coating. However, a low‐emissivity coating is not required 

where the existing glazing already has a low‐emissivity coating. Installation is permitted to be either on 

the inside or outside of the existing glazing. 

2. Replacement of glazing in existing sash and frame, provided the U‐factor and SHGC will be equal to 

or lower than before the glass replacement. 

3. Alterations to roof/ceiling, wall, or floor cavities that are insulated to full depth with insulation having 

a minimum nominal value of R‐0.02/mm. 

4. Alterations to walls and floors, where the existing structure is without framing cavities and no new 

framing cavities are created. 

5. Roof recovering. 

6. Removal and replacement of a roof membrane where there is existing roof insulation integral to or 

below the roof deck 

7. Replacement of existing doors that separate a conditioned space from the exterior shall not require 

the installation of a vestibule or revolving door, provided that an existing vestibule that separates a 

conditioned space from the exterior shall not be removed. 

8. Replacement of existing fenestration, provided that the area of the replacement fenestration does 

not exceed 25% of the total fenestration area of an existing building and that the U‐factor and SHGC 

will be equal to or lower than before the fenestration replacement. 

5.2 Compliance Paths 

5.2.1 Compliance. For the appropriate climate, space‐conditioning category, and class of 

construction, the building envelope shall comply with Section 5.1, “General”; Section 5.4, “Mandatory 

Provisions”; Section 5.7, “Submittals”; Section 5.8, “Product Information and Installation 

Requirements”; and either 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 61 

a. Section 5.5, “Prescriptive Building Envelope Option,” provided that the fenestration area does not 

exceed the maximum allowed by Section 5.5.4.2, or 

b. Section 5.6, “Building Envelope Trade‐Off Option.” 

5.2.2 Projects using the Energy Cost Budget Method (see Section 11 of this standard) must comply with 

Section 5.4, the mandatory provisions of this section, as a portion of that compliance path. 

5.3 Simplified Building (Not Used) 

5.4 Mandatory Provisions 

5.4.1 Insulation. Where insulation is required in Section 5.5 or 5.6, it shall comply with the 

requirements found in Sections 5.8.1.1 through 5.8.1.10. 

5.4.2 Fenestration and Doors. Procedures for determining fenestration and door performance are 

described in Section 5.8.2. Product samples used for determining fenestration performance shall be 

production line units or representative of units purchased by the consumer or contractor. 

5.4.3 Air Leakage 

5.4.3.1 Continuous Air Barrier. The entire building envelope shall be designed and constructed with 

a continuous air barrier. 

Exceptions: 

1. Semiheated spaces in Climate Zones 1 through 6. 

2. Single wythe concrete masonry buildings in Climate Zone 2B. 

5.4.3.1.1 Air Barrier Design. The air barrier shall be designed and noted in the following manner: 

a. All air barrier components of each building envelope assembly shall be clearly identified or otherwise 

noted on construction documents. 

b. The joints, interconnections, and penetrations of the air barrier components, including lighting 

fixtures, shall be detailed or otherwise noted. 

c. The continuous air barrier shall extend over all surfaces of the building envelope (at the lowest floor, 

exterior walls, and ceiling or roof). 

d. The continuous air barrier shall be designed to resist positive and negative pressures from wind, stack 

effect, and mechanical ventilation. 

5.4.3.1.2 Air Barrier Installation. The following areas of the continuous air barrier in the building 

envelope shall be wrapped, sealed, caulked, gasketed, or taped in an approved manner to minimize air 

leakage: 

a. Joints around fenestration and door frames (both manufactured and site‐built) 

b. Junctions between walls and floors, between walls at building corners, and between walls and roofs 

or ceilings 

c. Penetrations through the air barrier in building envelope roofs, walls, and floors 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 62 

d. Building assemblies used as ducts or plenums 

e. Joints, seams, connections between planes, and other changes in air barrier materials 

5.4.3.1.3 Acceptable Materials And Assemblies. Continuous air barrier materials and assemblies 

for the opaque building envelope shall comply with one of the following requirements: 

a. Materials that have an air permeance not exceeding 0.02 L/s∙m2 under a pressure differential of 0.02 

L/s∙m2 at 75 Pa when tested in accordance with ASTM E 2178. The following materials meet these 

requirements: 

1. Plywood—minimum 10 mm 

2. Oriented strand board—minimum 10 mm 

3. Extruded polystyrene insulation board—minimum 12 mm 

4. Foil‐faced urethane insulation board—minimum 12 mm 

5. Exterior gypsum sheathing or interior gypsum board—minimum 12 mm 

6. Cement board—minimum 12 mm 

7. Built‐up roofing membrane 

8. Modified bituminous roof membrane 

9. Fully adhered single‐ply roof membrane 

10. A Portland cement/sand parge, stucco, or gypsum plaster—minimum 12 mm thick 

11. Cast‐in‐place and precast concrete 

12. Sheet metal 

13. Closed‐cell 32 kg/m3 nominal density spray polyurethane foam—minimum 25 mm 

b. Assemblies of materials and components (sealants, tapes, etc.) that have an average air leakage not 

to exceed 0.2 L/ s∙m2 under a pressure differential of 0.2 L/s∙m2 at 75 Pa when tested in accordance with 

ASTM E 2357, ASTM E 1677, ASTM E 1680, or ASTM E283. The following assemblies meet these 

requirements: 

1. Concrete masonry walls that are 

(a) fully grouted, or 

(b) painted to fill the pores. 

5.4.3.2 Fenestration And Doors. Air leakage for fenestration and doors shall be determined in 

accordance with AAMA/WDMA/CSA 101/I.S.2/A440, NFRC 400, or ASTM E283 as specified below. Air 

leakage shall be determined by a laboratory accredited by a nationally recognized accreditation 

organization, such as the National Fenestration Rating Council, and shall be labeled and certified by the 

manufacturer. Air leakage shall not exceed 

a. 18.3 m3/h∙m2 for glazed swinging entrance doors and revolving doors, tested at a pressure of at least 

75 Pa in accordance with AAMA/WDMA/CSA 101/I.S.2/A440, NFRC 400, or ASTM E283; 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 63 

b. 1.1 m3/h∙m2for curtainwall and storefront glazing, tested at a pressure of at least 75 Pa or higher in 

accordance with NFRC 400 or ASTM E283; 

c. 5.5 m3/h∙m2 for unit skylights having condensation weepage openings, tested at a pressure of at least 

75 Pa in accordance with AAMA/WDMA/CSA 101/I.S.2/A440 or NFRC 400, or 9.1 m3/h∙m2tested at a 

pressure of at least 300 Pa in accordance with AAMA/WDMA/CSA 101/I.S.2/A440; 

d. 23.8 m3/h∙m2 for nonswinging doors intended for vehicular access and material transportation, with a 

minimum opening rate of 0.81 m/s, tested at a pressure of at least 75 Pa or higher in accordance with 

ANSI/DASMA 105, NFRC 400, or ASTM E283. 

e. 7.3 m3/h∙m2 for other nonswinging opaque doors, glazed sectional garage doors, and upward acting 

nonswinging glazed doors tested at a pressure of at least 75 Pa or higher in accordance with 

ANSI/DASMA 105, NFRC 400, or ASTM E283; and 

f. 3.7 m3/h∙m2 for all other products tested at a pressure of at least 75 Pa in accordance with 

AAMA/WDMA/CSA 101/I.S.2/A440 or NFRC 400, or 5.5 m3/h∙m2 tested at a pressure of at least 300 Pa in 

accordance with AAMA/ WDMA/CSA 101/I.S/A440. 

Exceptions: 

1. Field‐fabricated fenestration and doors 

2. Metal coiling doors in semiheated spaces in Climate Zones 1 through 6 

3. Products in buildings that comply with a whole building air leakage rate of 7.3 m3/h∙m2 under a 

pressure differential of 2 L/s∙m2 at 75Pa when tested in accordance with ASTM E 779 

5.4.3.3 Loading Dockweatherseals. In Climate Zones 4 through 8, cargo doors and loading dock 

doors shall be equipped with weatherseals to restrict infiltration when vehicles are parked in the 

doorway. 

5.4.3.4 Vestibules. Building entrances that separate conditioned space from the exterior shall be 

protected with an enclosed vestibule, with all doors opening into and out of the vestibule equipped with 

self‐closing devices. Vestibules shall be designed so that in passing through the vestibule it is not 

necessary for the interior and exterior doors to open at the same time. Interior and exterior doors shall 

have a minimum distance between them of not less than 2.1m when in the closed position. The floor 

area of each vestibule shall not exceed the greatest of 5 m2 or 2% of the gross conditioned floor area for 

that level of the building. The exterior envelope of conditioned vestibules shall comply with the 

requirements for a conditioned space. The interior and exterior envelope of unconditioned vestibules 

shall comply with the requirements for a semiheated space. 

Exceptions: 

1. Building entrances with revolving doors 

2. Doors not intended to be used as a building entrance 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 64 

3. Doors opening directly from a dwelling unit 

4. Building entrances in buildings located in Climate Zone 1 or 2 

5. Building entrances in buildings that are located in Climate Zone 3, less than four stories above grade, 

and less than 1000 m2 in gross conditioned floor area 

6. Building entrances in buildings that are located in Climate Zone 4, 5, 6, 7, or 8 and are less than 100 

m2 in gross conditioned floor area 

7. Doors that open directly from a space that is less than 300 m2 in area and is separate from the 

building entrance 

8. Semiheated spaces. 

9. Enclosed elevator lobbies for building entrances directly from parking garages. 

5.4.3.4.1 Where vestibules are required under Section 5.4.3.4, for spaces having a gross conditioned 

floor area for that level of the building of 4000 m2 and greater, and when the doors opening into and 

out of the vestibule are equipped with automatic, electrically driven, self‐closing devices, the interior 

and exterior doors shall have a minimum distance between them of not less than 4.8 m. 

5.5 Prescriptive Building Envelope Option 

5.5.1 For a conditioned space, the exterior building envelope shall comply with either the nonresidential 

or residential requirements in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8 for the appropriate climate. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 65 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 66 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 67 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 68 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 69 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 70 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 71 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 72 

 

5.5.2 If a building contains any semiheated space or unconditioned space, then the semi‐exterior 

building envelope shall comply with the requirements for semiheated space in Tables 5.5‐1 through 5.5‐

8 for the appropriate climate. (See Figure 5.5.2.) 

5.5.3 Opaque Areas. For all opaque surfaces except doors, compliance shall be demonstrated by one of 

the following two methods: 

a. Minimum rated R‐values of insulation for the thermal resistance of the added insulation in framing 

cavities and continuous insulation only. Specifications listed in Normative Appendix A for each class of 

construction shall be used to determine compliance. 

b. Maximum U‐factor, C‐factor, or F‐factor for the entire assembly. The values for typical construction 

assemblies listed in Normative Appendix A shall be used to determine compliance. 

Exceptions: 

1. For assemblies significantly different than those in Appendix A, calculations shall be performed in 

accordance with the procedures required in Appendix A. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 73 

2. For multiple assemblies within a single class of construction for a single space‐conditioning category, 

compliance shall be shown for either (a) the most restrictive requirement or (b) an 

areaweightedaverageU‐ factor,C‐factor,orF‐factor. 

5.5.3.1 Roof Insulation. All roofs shall comply with the insulation values specified in Tables 5.5‐1 

through 5.5‐8. Skylight curbs shall be insulated to the level of roofs with insulation entirely above deck 

or R‐0.9, whichever is less. 

5.5.3.1.1 Roof Solar Reflectance And Thermal Emittance. Roofs in Climate Zones 1 through 3 

shall have one of the following: 

a. A minimum three‐year‐aged solar reflectance of 0.55 and a minimum three‐year‐aged thermal 

emittance of 0.75 when tested in accordance with CRRC‐1 Standard 

b. A minimum Solar Reflectance Index of 64 when determined in accordance with the Solar Reflectance 

Index method in ASTM E1980 using a convection coefficient of 12 W/m2∙K, based on three‐year‐aged 

solar reflectance and three‐year‐aged thermal emittance tested in accordance with CRRC‐1 Standard 

c. Increased roof insulation levels found in Table 5.5.3.1.1 

 

Exceptions: 

1. Ballasted roofs with a minimum stone ballast of 74 kg/m2 or 117 kg/m2 pavers 

2. Vegetated roof systems that contain a minimum thickness of 63.5 mm of growing medium and 

covering a minimum of 75% of the roof area with durable plantings 

3. Roofs where a minimum of 75% of the roof area 

a. is shaded during the peak sun angle on June 21 by permanent components or features of the 

building; 

b. is covered by offset photovoltaic arrays, building‐ integrated photovoltaic arrays, or solar air or water 

collectors; or 

c. is permitted to be interpolated using a combination of 1 and 2 above 

4. Steep‐sloped roofs 

5. Low‐sloped metal building roofs in Climate Zones 2 and 3 

6. Roofs over ventilated attics, roofs over semiheated spaces, or roofs over conditioned spaces that are 

not cooled spaces 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 74 

7. Asphaltic membranes in Climate Zones 2 and 3 The values for three‐year‐aged solar reflectance and 

three‐year‐aged thermal emittance shall be determined by a laboratory accredited by a nationally 

recognized accreditation organization and shall be labeled and certified by the manufacturer. 

5.5.3.2 Above‐Grade Wall Insulation. All above‐grade walls shall comply with the insulation values 

specified in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8. 

Exception Alternatively, for mass walls, where the requirement in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8 is for a 

maximum assembly U‐0.86 followed by footnote “b,” ASTM C90 concrete block walls, ungrouted or 

partially grouted at 800 mm or less on center vertically and 1200 mm or less on center horizontally, shall 

have ungrouted cores filled with material having a maximum thermal conductivity of 0.063 W/m∙K. 

Other mass walls with integral insulation shall meet the criteria when their U‐factors are equal to or less 

than those for the appropriate thickness and density in the “Partly Grouted, Cells Insulated” column of 

Table A3.1‐3. 

When a wall consists of both above‐grade and below‐grade portions, the entire wall for that story shall 

be insulated on either the exterior or the interior or be integral. 

1. If insulated on the interior, the wall shall be insulated to the above‐grade wall requirements. 

2. If insulated on the exterior or integral, the belowgrade wall portion shall be insulated to the below‐

grade wall requirements, and the abovegrade wall portion shall be insulated to the above‐grade wall 

requirements. 

5.5.3.3 Below‐Grade Wall Insulation. Below‐grade walls shall have a rated R‐value of insulation no 

less than the insulation values specified in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8. 

Exception Where framing, including metal and wood studs, is used, compliance shall be based on the 

maximum assembly C‐factor. 

5.5.3.4 Floor Insulation. All floors shall comply with the insulation values specified in Tables 5.5‐1 

through 5.5‐8. 

5.5.3.5 Slab‐On‐Grade Floor Insulation. All slab‐ongrade floors, including heated slab‐on‐grade 

floors and unheated slab‐on‐grade floors, shall comply with the insulation values specified in Tables 5.5‐

1 through 5.5‐8. 

5.5.3.6 Opaque Doors. All opaque doors shall have a Ufactor not greater than that specified in Tables 

5.5‐1 through 5.5‐8. 

5.5.4 Fenestration 

5.5.4.1 General. Compliance with U‐factors, SHGC, and VT/SHGC shall be demonstrated for the 

overall fenestration product. Gross wall areas and gross roof areas shall be calculated separately for 

each space‐conditioning category for the purposes of determining compliance. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 75 

Exception If there are multiple assemblies within a single class of construction for a single space 

conditioning category, compliance shall be based on an areaweighted average U‐factor, SHGC, 

VT/SHGC, or LSG. It is not acceptable to do an area‐weighted average across multiple classes of 

construction or multiple space‐conditioning categories. 

5.5.4.2 Fenestration Area 

5.5.4.2.1 Vertical Fenestration Area. The total vertical fenestration area shall not be greater than 

that specified in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8. 

Exception Vertical fenestration complying with Exception (3) to Section 5.5.4.4.1. 

5.5.4.2.2 Maximum Skylight Fenestration Area. The total skylight area shall not be greater than 

that specified in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8. 

Exception The total skylight area is permitted to be increased to no greater than 6% of the gross roof 

area, provided the skylights meet all of the criteria in Exception (1) to Section 5.5.4.4.2 and the total 

daylight area under skylights is a minimum of half the floor area of the space. 

5.5.4.2.3 Minimum Skylight Fenestration Area. In any enclosed space in a building that is 

a. 232 m2 and greater; 

b. directly under a roof with ceiling heights greater than 4.6 m; and 

c. one of the following space types: office, lobby, atrium, concourse, corridor, storage (including 

nonrefrigerated warehouse), gymnasium, fitness/exercise area, playing area, gymnasium seating area, 

convention exhibit/event space, courtroom, automotive service, fire station engine room, 

manufacturing corridor/transition and bay areas, retail, library reading and stack areas, 

distribution/sorting area, transportation baggage and seating areas, or workshop, the total daylight 

area under skylights shall be a minimum of half the floor area and either 

a. provide a minimum skylight area to daylight area under skylights of 3% with a skylight VT of at least 

0.40 or 

b. provide a minimum skylight effective aperture of at least 1%. 

These skylights shall have a glazing material or diffuser with a measured haze value greater than 90% 

when tested according to ASTM D1003. General lighting in the daylight area shall be controlled as 

described in Section 9.4.1.1(f). 

Exceptions: 

1. Enclosed spaces in Climate Zones 6 through 8 

2. Enclosed spaces where it is documented that existing structures or natural objects block direct the 

enclosed space for more than 1500 daytime hours per year between 8 a.m. and 4 p.m. 

3. Enclosed spaces where the daylight area under roof monitors is greater than 50% of the enclosed 

space floor area 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 76 

4. Enclosed spaces where it is documented that 90% of the skylight area is shaded on June 21 in the 

Northern Hemisphere (December 21 in the Southern Hemisphere) at noon by permanent architectural 

features of the building 

5. Enclosed spaces where the total area minus the primary and secondary sidelighted area(s) is 

less than 232 m2 and where the lighting is controlled according to sidelighting requirements described 

in Section 9.4.1.1(e) 

5.5.4.3 Fenestration U‐Factor. Fenestration shall have a U‐factor not greater than that specified in 

Tables 5.5‐1 through 5.5‐8. 

However, for locations in Climate Zone 1 with a cooling design temperature of 35°C and greater, the 

maximum allowed U‐factors for vertical fenestration for all conditioned spaces, nonresidential and 

residential, are U‐1.82 for nonmetal framing, U‐2.84 for fixed metal framing, U‐3.69 for operable metal 

framing, and U‐4.71 for entrance door metal framing. 

Exception The U‐factor for skylights is permitted to be increased to no greater than 5.11 W/m2∙K in 

Climate Zones 1 through 3 and 4.26 W/m2∙K in Climate Zones 4 through 8, provided the skylights meet 

all of the criteria in Exception (1) to Section 5.5.4.4.2. 

5.5.4.4 Fenestration Solar Heat Gain 

Coefficient (SHGC) 

5.5.4.4.1 SHGC of Vertical Fenestration. Vertical fenestration shall have an SHGC not greater than 

that specified in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8. 

Exceptions: 

1. For demonstrating compliance for vertical fenestration shaded by opaque permanent projections 

that will last as long as the building itself, the SHGC in the proposed building shall be reduced by using 

the multipliers in Table 5.5.4.4.1.   

Permanent projections consisting of open louvers shall be considered to provide shading, provided that 

no sun penetrates the louvers during the peak sun angle on June 21. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 77 

2. For demonstrating compliance for vertical fenestration shaded by partially opaque permanent 

projections (e.g., framing with glass or perforated metal) that will last as long as the building itself, the 

projection factor (PF) shall be reduced by multiplying it by a factor of Os,  

The SHGC in the proposed building then shall be reduced by using the multipliers in Table 5.5.4.4.1 for 

each fenestration product. 

3. Vertical fenestration that is located on the street side of the street‐level story only, provided that 

a. the street side of the street‐level story does not exceed 6 m in height, 

b. the fenestration has a continuous overhang with a weighted average PF greater than 0.5, and 

c. the fenestration area for the street side of the street‐level story is less than 75% of the gross wall area 

for the street side of the street‐level story. 

When this exception is utilized, separate calculations shall be performed for these sections of the 

building envelope, and these values shall not be averaged with any others for compliance purposes. No 

credit shall be given here or elsewhere in the building for not fully utilizing the fenestration area 

allowed. 

4. For dynamic glazing, the minimum SHGC shall be used to demonstrate compliance with this section. 

Dynamic glazing shall be considered separately from other vertical fenestration, and area‐weighted 

averaging with other vertical fenestration that is not dynamic glazing shall not be permitted. 

5. Vertical fenestration that is north‐oriented shall be allowed to have a maximum solar heat gain 

coefficient SHGC‐0.05 greater than that specified in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8. When this exception is 

utilized, separate calculations shall be performed for these sections of the building envelope, and these 

values shall not be averaged with any others for compliance purposes. 

5.5.4.4.2 SHGC of Skylights. Skylights shall have an SHGC not greater than that specified in Tables 

5.5‐1 through 5.5‐8. 

Exceptions: 

1. Skylights are exempt from SHGC requirements provided the following: 

a. They have a glazing material or diffuser with a measured haze value greater than 90% when tested 

according toASTM D1003. 

b. They have a skylight VT greater than 0.40. 

c. They have all general lighting in the daylight area under skylights controlled by multilevel 

photocontrols in accordance with Section 9.4.1.1(f). 

2. For dynamic glazing, the minimum SHGC shall be used to demonstrate compliance with this section. 

Dynamic glazing shall be considered separately from other skylights, and areaweighted averaging with 

other skylights that is not dynamic glazing shall not be permitted. 

Exceptions: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 78 

1. Vertical fenestration that complies with Exception (3) Section 5.5.4.4.1. 

2. Buildings that have an existing building or existing permanent infrastructure within 6 m to the south 

(north in the southern hemisphere) that is at least half as tall as the proposed building 

3. Buildings with shade on 75% of the west‐ and east‐oriented vertical fenestration areas from 

permanent projections, existing buildings, existing permanent infrastructure, or topography at 9 a.m. 

and 3 p.m. on the summer solstice (June 21 in the northern hemisphere) 

4. Alterations and additions with no increase in vertical fenestration area 

5. Buildings where the west‐oriented and east‐oriented vertical fenestration area (as defined in Section 

5.5.4.5) does not exceed 20% of the gross wall area for each of those façades, and SHGC on those 

facades is no greater than 90% of the criteria in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8 

6. Buildings in Climate Zone 8 

5.5.4.6 Visible Transmittance/SHGC Ratio. Where automatic daylighting controls are required in 

accordance with Section 9.4.1.1(e) or (f), fenestration shall have a ratio of VT divided by SHGC not less 

than that specified in Tables 5.5‐1 through 5.5‐8 for the appropriate fenestration area. 

Exceptions: 

1. A light‐to‐solar‐gain ratio (LSG) of not less than 1.25 is allowed to be used as an alternative to 

VT/SHGC. When using this option, the centerof‐ glass VT and the center‐of‐glass SHGC shall be 

determined in accordance with NFRC 300 and NFRC 301, determined by an independent laboratory or 

included in a database published by a government agency, and certified by the manufacturer. 

2. Fenestration not covered in the scope of the NFRC 200  

3. Enclosed spaces where the daylight area under rooftop monitors is greater than 50% of the enclosed 

space floor area 

4. Enclosed spaces with skylight(s) that comply with Section 5.5.4.2.3 

5. Enclosed spaces where the sidelighting effective aperture is greater than or equal to 0.15 

6. For dynamic glazing, the VT/SHGC ratio and the LSG shall be determined using the maximum VT and 

maximum SHGC. Dynamic glazing shall be considered separately from other fenestration, and area‐

weighted averaging with other fenestration that is not dynamic glazing shall not be permitted. 

5.6 Building Envelope Trade‐Off Option 

5.6.1 The building envelope complies with the standard if 

a. the proposed building satisfies the provisions of Sections 5.1, 5.4, 5.7, and 5.8 and 

b. the envelope performance factor of the proposed building is less than or equal to the envelope 

performance factor of the budget building. 

5.6.1.1 All components of the building envelope shown on architectural drawings or installed in existing 

buildings shall be modeled in the proposed building design. The simulation model fenestration and 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 79 

opaque envelope types and area shall be consistent with the design documents. Any envelope 

assembly that covers less than 5% of the total area of that assembly type (e.g., exterior walls) need not 

be separately described, provided it is similar to an assembly being modeled. If not separately 

described, the area of an envelope assembly shall be added to the area of an assembly of that same 

type with the same orientation and thermal properties. 

5.6.1.2 Trade‐Offs Limited to Building Permit. When the building permit being sought applies to 

less than the whole building, parameters relating to unmodified existing conditions or to future building 

components shall be identical for both the proposed envelope performance factor and the base 

envelope performance factor. Future building components shall meet the prescriptive requirements of 

Section 5.5 

5.6.1.3 Envelope performance factor shall be calculated using the procedures of Normative Appendix 

C. 

5.7 Submittals 

5.7.1 General. The authority having jurisdiction may require submittal of compliance documentation 

and supplemental information in accordance with Section 4.2.2 of this standard. 

5.7.2 Submittal Document Labeling of Space Conditioning Categories. For buildings that 

contain spaces that will be only semiheated or unconditioned, and compliance is sought using the 

semiheated envelope criteria, such spaces shall be clearly indicated on the floor plans that are 

submitted for review. 

5.7.3 Visible Transmittance. Test results required in Section 5.8.2.5 for skylight glazing or diffusers 

shall be included with construction documents submitted with each application for a permit. 

5.7.4 Submittal Documentation of Daylight Areas. Daylighting documentation shall identify 

daylight areas on floor plans, including the primary sidelighted areas, secondary sidelighted areas, 

daylight areas under skylights, and daylight areas under roof monitor. 

5.8 Product Information and Installation Requirements 

5.8.1 Insulation 

5.8.1.1 Labeling Of Building Envelope Insulation. The rated R‐value shall be clearly identified by 

an identification mark applied by the manufacturer to each piece of building envelope insulation. 

Exception When insulation does not have such an identification mark, the installer of such insulation 

shall provide a signed and dated certification for the installed insulation listing the type of insulation, 

the manufacturer, the rated R‐value, and, where appropriate, the initial installed thickness, the settled 

thickness, and the coverage area. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 80 

5.8.1.2 Compliance with Manufacturers’ Requirements. Insulation materials shall be installed in 

accordance with manufacturers’ recommendations and in such a manner as to achieve rated R‐value of 

insulation. 

Exception Where metal‐building roof and metal‐building wall insulation is compressed between the 

roof or wall skin and the structure 

5.8.1.3 Loose‐Fill Insulation Limitation. Open‐blown or poured loose‐fill insulation shall not be 

used in attic roof spaces when the slope of the ceiling is more than three in twelve. 

5.8.1.4 Baffles. When eave vents are installed, baffling of the vent openings shall be provided to 

deflect the incoming air above the surface of the insulation. 

5.8.1.5 Substantial Contact. Insulation shall be installed in a permanent manner in substantial 

contact with the inside surface in accordance with manufacturers’ recommendations for the framing 

system used. Flexible batt insulation installed in floor cavities shall be supported in a permanent 

manner by supports no greater than 600 mm on center. 

Exception Insulation materials that rely on air spaces adjacent to reflective surfaces for their rated 

performance. 

5.8.1.6 Recessed Equipment. Lighting fixtures; heating, ventilating, and air‐conditioning 

equipment, including wall heaters, ducts, and plenums; and other equipment shall not be recessed in 

such a manner as to affect the insulation thickness unless 

a. the total combined area affected (including necessary clearances) is less than 1% of the opaque area 

of the assembly, 

b. the entire roof, wall, or floor is covered with insulation to the full depth required, or 

c. the effects of reduced insulation are included in calculations using an area‐weighted‐average method 

and compressed insulation values obtained from Table A9.4‐2. 

In all cases, air leakage through or around the recessed equipment to the conditioned space shall be 

limited in accordance with Section 5.4.3. 

5.8.1.7 Insulation Protection. Exterior insulation shall be covered with a protective material to 

prevent damage from sunlight, moisture, landscaping operations, equipment maintenance, and wind. 

5.8.1.7.1 In attics and mechanical rooms, a way to access equipment that prevents damaging or 

compressing the insulation shall be provided. 

5.8.1.7.2 Foundation vents shall not interfere with the insulation. 

5.8.1.7.3 Insulation materials in ground contact shall have a water absorption rate no greater than 0.3% 

when tested in accordance with ASTM C272. 

5.8.1.8 Location of Roof Insulation. The roof insulation shall not be installed on a suspended 

ceiling with removable ceiling panels. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 81 

5.8.1.9 Extent of Insulation. Insulation shall extend over the full component area to the required 

rated R‐value of insulation U‐factor, C‐factor, or F‐factor, unless otherwise allowed in Section 5.8.1. 

5.8.1.10 Joints In Rigid Insulation. Where two or more layers of rigid insulation board are used in a 

construction assembly, the edge joints between each layer of boards shall be staggered. 

5.8.2 Fenestration and Doors 

5.8.2.1 Rating of Fenestration Products. The U‐factor, SHGC, VT, and air leakage rate for all 

manufactured fenestration products shall be determined by a laboratory accredited by a nationally 

recognized accreditation organization, such as the National Fenestration Rating Council. 

5.8.2.2 Labeling Of Fenestration and Door Products. All manufactured and site‐built 

fenestration and door products shall be labeled, or a signed and dated certificate shall be provided, by 

the manufacturer, listing the U‐factor, SHGC, VT, and air leakage rate. 

Exception Doors with less than 25% glazing are not required to list SHGC and VT. 

5.8.2.3 U‐Factor. U‐factors shall be determined in accordance with NFRC 100. U‐factors for skylights 

shall be determined for a slope of 20 degrees above the horizontal. 

Exceptions: 

1. U‐factors from Section A8.1 shall be an acceptable alternative for determining compliance with the 

U‐factor criteria for skylights. Where credit is being taken for a low‐emissivity coating, the emissivity of 

the coating shall be determined in accordance with NFRC 300. Emissivity shall be verified and certified 

by the manufacturer. 

2. U‐factors from Section A8.2 shall be an acceptable alternative for determining compliance with the 

U‐factor criteria for vertical fenestration. 

3. U‐factors from Section A7 shall be an acceptable alternative for determining compliance with the 

U‐factor criteria for opaque doors. 

4. For garage doors, ANSI/DASMA105 shall be an acceptable alternative for determining U‐factors. 

5.8.2.4 Solar Heat Gain Coefficient. SHGC for the overall fenestration area shall be determined in 

accordance with NFRC 200. 

Exceptions: 

1. Shading coefficient (SC) of the center‐of‐glass multiplied by 0.86 shall be an acceptable alternative 

for determining compliance with the SHGC requirements for the overall fenestration area. SC shall be 

determined using a spectral data file determined in accordance with NFRC 300. SC shall be verified and 

certified by the manufacturer. 

2. SHGC of the center‐of‐glass shall be an acceptable alternative for determining compliance with the 

SHGC requirements for the overall fenestration area. SHGC shall be determined using a spectral data 

file determined in accordance with NFRC 300. SHGC shall be verified and certified by the manufacturer. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 82 

3. SHGC from Section A8.1 shall be an acceptable alternative for determining compliance with the 

SHGC criteria for skylights. Where credit is being taken for a low‐emissivity coating, the emissivity of 

the coating shall be determined in accordance with NFRC 300. Emissivity shall be verified and certified 

by the manufacturer. 

4. SHGC from Section A8.2 shall be an acceptable alternative for determining compliance with the 

SHGC criteria for vertical fenestration. 

5.8.2.5 Visible Transmittance. VT shall be determined in accordance with NFRC 200. VT shall be 

verified and certified by the manufacturer. 

Exceptions: For skylights whose transmittances are not within the scope of NFRC 200, their 

transmittance shall be the solar photometric transmittance of the skylight glazing material(s) 

determined in accordance with ASTM E972. 

6. HEATING, VENTILATING, AND AIR CONDITIONING 

6.1 General 

6.1.1 Scope 

6.1.1.1 New Buildings. Mechanical equipment and systems serving the heating, cooling, ventilating, 

or refrigeration needs of new buildings shall comply with the requirements of this section as described 

in Section 6.2. 

6.1.1.2 Additions to Existing Buildings. Mechanical equipment and systems serving the heating, 

cooling, ventilating, or refrigeration needs of additions to existing buildings shall comply with the 

requirements of this section as described in Section 6.2. 

Exception When HVACR to an addition is provided by existing HVACR systems and equipment, such 

existing systems and equipment shall not be required to comply with this standard. However, any new 

systems or equipment installed must comply with specific requirements applicable to those systems 

and equipment. 

6.1.1.3 Alterations to Heating, Ventilating, Air Conditioning, and Refrigeration in Existing 

Buildings 

6.1.1.3.1 New HVACR equipment as a direct replacement of existing HVACR equipment shall comply 

with the specific minimum efficiency requirements applicable to that equipment. 

6.1.1.3.2 New cooling systems installed to serve previously uncooled spaces shall comply with this 

section as described in Section 6.2. 

6.1.1.3.3 Alterations to existing cooling systems shall not decrease economizer capability unless the 

system complies with Section 6.5.1. 

6.1.1.3.4 New and replacement ductwork shall comply with Sections 6.4.4.1 and 6.4.4.2. 

6.1.1.3.5 New and replacement piping shall comply with Section 6.4.4.1. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 83 

Exceptions to Section 6.1.1.3: Compliance shall not be required 

1. for equipment that is being modified or repaired but not replaced, provided that such modifications 

and/or repairs will not result in an increase in the annual energy consumption of the equipment using 

the same energy type; 

2. where a replacement or alteration of equipment requires extensive revisions to other systems, 

equipment, or elements of a building, and such replaced or altered equipment is a like‐for‐like 

replacement; 

3. for a refrigerant change of existing equipment; 

4. for the relocation of existing equipment; or 

5. for ducts and piping where there is insufficient space or access to meet these requirements. 

6.2 Compliance Paths 

6.2.1 Compliance. Compliance with Section 6 shall be achieved by meeting all requirements for 

Sections 6.1, “General”; Section 6.7, “Submittals”; Section 6.8, “Minimum Equipment Efficiency 

Tables”; and one of the following: 

a. Section 6.3, “Simplified Approach Option for HVAC Systems” 

b. Sections 6.4, “Mandatory Provisions” and 6.5, “Prescriptive Path” 

c. Sections 6.4, “Mandatory Provisions” and 6.6, “Alternative Compliance Path” 

6.2.2 Projects using the Energy Cost Budget Method (see Section 11 of this standard) must comply with 

Section 6.4, the mandatory provisions of this section, as a portion of that compliance path. 

6.3 Simplified Approach Option for HVAC Systems 

6.3.1 Scope. The simplified approach is an optional path for compliance when the following 

conditions are met: 

a. The building is two stories or fewer in height. 

b. Gross floor area is less than 2300 m2. 

c. Each HVAC system in the building complies with the requirements listed in Section 6.3.2. 

6.3.2 Criteria. The HVAC system must meet all of the following criteria: 

a. The system serves a single HVAC zone. 

b. The equipment must meet the variable flow requirements of Section 6.5.3.2.1. 

c. Cooling (if any) shall be provided by a unitary packaged or split‐system air conditioner that is either 

air cooled or evaporatively cooled, with efficiency meeting the requirements shown in Table 6.8.1‐1 (air 

conditioners), Table 6.8.1‐2 (heat pumps), or Table 6.8.1‐4 (packaged terminal and room air 

conditioners and heat pumps) for the applicable equipment category. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 84 

 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 85 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 86 

 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 87 

 

d. The system shall have an air economizer meeting the requirements of Section 6.5.1. 

e. Heating (if any) shall be provided by a unitary packaged or split‐system heat pump that meets the 

applicable efficiency requirements shown in Table 6.8.1‐2 (heat pumps) or Table 6.8.1‐4 (packaged 

terminal and room air conditioners and heat pumps), a fuel‐fired furnace that meets the applicable 

efficiency requirements shown in Table 6.8.1‐5 (furnaces, duct furnaces, and unit heaters), an electric 

resistance heater, or a baseboard system connected to a boiler that meets the applicable efficiency 

requirements shown in Table 6.8.1‐6 (boilers). 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 88 

 

 

f. The system shall meet the exhaust air energy recovery requirements of Section 6.5.6.1. 

g. The system shall be controlled by a manual changeover or dual setpoint thermostat. 

h. If a heat pump equipped with auxiliary internal electric resistance heaters is installed, controls shall 

be provided that prevent supplemental heater operation when the heating load can be met by the heat 

pump alone during both steady‐state operation and setback recovery. Supplemental heater operation 

is permitted during outdoor coil defrost cycles. The heat pump must be controlled by either (1) a digital 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 89 

or electronic thermostat designed for heat‐pump use that energizes auxiliary heat only when the heat 

pump has insufficient capacity to maintain setpoint or to warm up the space at a sufficient rate or (2) a 

multistage space thermostat and an outdoor air thermostat wired to energize auxiliary heat only on the 

last stage of the space thermostat and when outdoor air temperature is less than 4.4°C. 

Exception Heat pumps that comply with the following: 

1. Have a minimum efficiency regulated by NAECA 

2. Meet the requirements in Table 6.8.1‐2 

3. Include all usage of internal electric resistance heating 

i. The system controls shall not permit reheat or any other form of simultaneous heating and cooling for 

humidity control. 

j. Systems serving spaces other than hotel/motel guest rooms, and other than those requiring 

continuous operation, which have both a cooling or heating capacity greater than 4.4 kW and a supply 

fan motor power greater than 0.56 kW, shall be provided with a time clock that (1) can start and stop 

the system under different schedules for seven different day types per week, (2) is capable of retaining 

programming and time setting during a loss of power for a period of at least ten hours, (3) includes an 

accessible manual override that allows temporary operation of the system for up to two hours, (4) is 

capable of temperature setback down to 13°C during off hours, and (5) is capable of temperature setup 

to 32°C during off hours. 

k. Except for piping within manufacturers’ units, HVAC piping shall be insulated in accordance with 

Tables 6.8.3‐1 and 6.8.3‐2. 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 90 

 

Insulation exposed to weather shall be suitable for outdoor service, e.g., protected by aluminum, sheet 

metal, painted canvas, or plastic cover. Cellular foam insulation shall be protected as above or painted 

with a coating that is water retardant and provides shielding from solar radiation. 

l. Ductwork and plenums shall be insulated in accordance with Tables 6.8.2‐1 and 6.8.2‐2 and shall be 

sealed in accordance with Section 6.4.4.2.1. Construction documents shall require a ducted system to 

be air balanced in accordance with industry accepted procedures. 

n. Outdoor air intake and exhaust systems shall meet the requirements of Section 6.4.3.4. 

o. Where separate heating and cooling equipment serves the same temperature zone, thermostats 

shall be interlocked to prevent simultaneous heating and cooling. 

p. Systems with a design supply air capacity greater than 5000 L/s shall have optimum start controls. 

q. The system shall comply with the demand control ventilation requirements in Section 6.4.3.8. 

r. The system complies with the door switch requirements in Section 6.5.10. rates, including controls 

necessary to modulate airflow in response to appliance operation and to maintain full capture and 

containment of smoke, effluent, and combustion products during cooking and idle. 

c. Listed energy recovery devices with a sensible heat recovery effectiveness of not less than 40% on at 

least 50% of the total exhaust airflow. 

6.5.7.1.5 Performance Testing. An approved field test method shall be used to evaluate design 

airflow rates and demonstrate proper capture and containment performance of installed commercial 

kitchen exhaust systems. Where demand ventilation systems are utilized to meet Section 6.5.7.1.4, 

additional performance testing shall be required to demonstrate proper capture and containment at 

minimum airflow. 

6.5.7.2 Laboratory Exhaust Systems. Buildings with laboratory exhaust systems having a total 

exhaust rate greater than 2360 L/s shall include at least one of the following features: 

a. VAV laboratory exhaust and room supply system capable of reducing exhaust and makeup airflow 

rates and/or incorporate a heat recovery system to precondition makeup air from laboratory exhaust  

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 91 

b. VAV laboratory exhaust and room supply systems that are required to have minimum circulation 

rates to comply with code or accreditation standards shall be capable of reducing zone exhaust and 

makeup airflow rates to the regulated minimum circulation values or the minimum required to maintain 

pressurization relationship requirements. Nonregulated zones shall be capable of reducing exhaust and 

makeup airflow rates to 50% of the zone design values or the minimum required to maintain 

pressurization relationship requirements. 

c. Direct makeup (auxiliary) air supply equal to at least 75% of the exhaust airflow rate, heated no 

warmer than 1.1°C below room setpoint, cooled to no cooler than 1.7°C above room setpoint, no 

humidification added, and no simultaneous heating and cooling used for dehumidification control. 

6.5.8 Radiant Heating Systems 

6.5.8.1 Heating Unenclosed Spaces. Radiant heating shall be used when heating is required for 

unenclosed spaces. 

Exception Loading docks equipped with air curtains 

6.5.8.2 Heating Enclosed Spaces. Radiant heating systems that are used as primary or 

supplemental enclosed space heating must be in conformance with the governing provisions of the 

standard, including, but not limited to, the following: 

a. Radiant hydronic ceiling or floor panels (used for heating or cooling) 

b. Combination or hybrid systems incorporating radiant heating (or cooling) panels 

c. Radiant heating (or cooling) panels used in conjunction with other systems such as VAV or thermal 

storage systems 

6.5.9 Hot Gas Bypass Limitation. Cooling systems shall not use hot gas bypass or other evaporator 

pressure control systems unless the system is designed with multiple steps of unloading or continuous 

capacity modulation. The capacity of the hot gas bypass shall be limited as indicated in Table 6.5.9 for 

VAV units and single‐zone VAV units. Hot gas bypass shall not be used on constant‐volume units. 

 

6.5.10 Door Switches. Any conditioned space with a door, including doors with more than one‐half 

glass, opening to the outdoors shall be provided with controls that, when any such door is open, 

a. disable mechanical heating or reset the heating setpoint to 13°C or lower within five minutes of the 

door opening and 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 92 

b. disable mechanical cooling or reset the cooling setpoint to 32°C or greater within five minutes of the 

door opening. Mechanical cooling may remain enabled if outdoor air temperature is below space 

temperature. 

Exceptions: 

1. Building entries with automatic closing devices 

2. Any space without a thermostat 

3. Alterations to existing buildings 

4. Loading docks 

6.5.11 Refrigeration Systems. Refrigeration systems that are comprised of refrigerated display 

cases, walk‐in coolers, or walk‐in freezers connected to remote compressors, remote condensers, or 

remote condensing units shall meet the requirements of Sections 6.5.11.1 through 6.5.11.2. 

Exception Systems utilizing transcritical refrigeration cycle or ammonia refrigerant 

6.5.11.1 Condensers Serving Refrigeration Systems. 

Fan‐powered condensers shall conform to the following requirements: 

a. Design saturated condensing temperatures for air‐cooled condensers shall be less than or equal to 

the design drybulb temperature plus 5.5°C for low‐temperature refrigeration systems and less than or 

equal to the design drybulb temperature plus 8°C for medium‐temperature refrigeration systems. 

1. Saturated condensing temperature for blend refrigerants shall be determined using the average of 

liquid and vapor temperatures as converted from the condenser drain pressure. 

b. Condenser fan motors that are less than 75 kW shall use electronically commutated motors, 

permanent split capacitor‐type motors, or three‐phase motors. 

c. All condenser fans for air‐cooled condensers, evaporatively cooled condensers, and air‐ or water‐

cooled fluid coolers or cooling towers shall incorporate one of the following continuous variable‐speed 

fan‐control approaches and shall reduce fan motor demand to no more than 30% of design wattage at 

50% of design air volume: 

1. Refrigeration system condenser control for aircoole condensers shall use variable setpoint control 

logic to reset the condensing temperature setpoint in response to ambient dry‐bulb temperature. 

2. Refrigeration system condenser control for evaporatively cooled condensers shall use variable 

setpoint control logic to reset the condensing temperature setpoint in response to ambient wet‐bulb 

temperature. 

d. Multiple fan condensers shall be controlled in unison. 

e. The minimum condensing temperature setpoint shall be no greater than 21.1°C. 

6.5.11.2 Compressor Systems. Refrigeration compressor systems shall conform to the following 

requirements: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 93 

a. Compressors and multiple‐compressor systems suction groups shall include control systems that use 

floating suction pressure control logic to reset the target suction pressure temperature based on the 

temperature requirements of the attached refrigeration display cases or walk‐ins. 

Exceptions: 

1. Single‐compressor systems that do not have variable capacity capability 

2. Suction groups that have a design saturated suction temperature equal to or greater than –1.1°C, 

suction groups that comprise the high stage of a two‐stage or cascade system, or suction groups that 

primarily serve chillers for secondary cooling fluids. 

b. Liquid subcooling shall be provided for all low‐temperature compressor systems with a design 

cooling capacity equal to or greater than 29.3 kW with a design saturated suction temperature equal to 

or less than –23.3°C. The subcooled liquid temperature shall be controlled at a maximum temperature 

setpoint of 10°C at the exit of the subcooler using either compressor economizer (interstage) ports or a 

separate compressor suction group operating at a saturated suction temperature equal to or greater 

than –7.8°C. 

1. Subcooled liquid lines are subject to the insulation requirements of Table 6.8.3‐2. 

c. All compressors that incorporate internal or external crankcase heaters shall provide a means to cycle 

the heaters off during compressor operation. 

6.6 Alternative Compliance Path 

6.6.1 Computer Rooms Systems. HVAC systems serving the heating, cooling, or ventilating needs 

of a computer room shall comply with Sections 6.1, 6.4, 6.6.1.1 or 6.6.1.2, 6.6.1.3, 6.7, and 6.8. 

6.6.1.1 The computer room PUE1 shall be less than or equal to the values listed in Table 6.6.1.  

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 94 

 

Hourly simulation of the proposed design, for purposes of calculating PUE1, shall be based on the 

ASHRAE Standard 90.1 Appendix G simulation methodology. 

Exceptions: This compliance path is not allowed for a proposed computer room design utilizing a 

combined heat and power system. 

6.6.1.2 The computer room PUE0 is less than or equal to the values listed in Table 6.6.1, shall be the 

highest value determined at outdoor cooling design temperatures, and shall be limited to systems only 

utilizing electricity for an energy source. PUE0 shall be calculated for two conditions: 100% design IT 

equipment energy and 50% design IT equipment energy. 

6.6.1.3 Documentation shall be provided, including a breakdown of energy consumption or demand by 

at least the following components: IT equipment, power distribution losses external to the IT 

equipment, HVAC systems, and lighting. 

6.7 Submittals 

6.7.1 General. The authority having jurisdiction may require submittal of compliance documentation 

and supplemental information in accordance with Section 4.2.2 of this standard. 

6.7.2 Completion Requirements. The following requirements are mandatory provisions and are 

necessary for compliance with the standard. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 95 

6.7.2.1 Drawings. Construction documents shall require that, within 90 days after the date of system 

acceptance, record drawings of the actual installation be provided to the building owner or the 

designated representative of the building owner. Record drawings shall include, as a minimum, the 

location and performance data on each piece of equipment; general configuration of the duct and pipe 

distribution system, including sizes; and the terminal air or water design flow rates. 

6.7.2.2 Manuals. Construction documents shall require that an operating manual and a maintenance 

manual be pro‐ 

7. SERVICEWATER HEATING 

7.1 General 

7.1.1 ServiceWater Heating Scope 

7.1.1.1 New Buildings. Service water heating systems and equipment shall comply with the 

requirements of this section as described in Section 7.2. 

7.1.1.2 Additions to Existing Buildings. Service water heating systems and equipment shall comply 

with the requirements of this section. 

Exception When the service water heating to an addition is provided by existing service water heating 

systems and equipment, such systems and equipment shall not be required to comply with this 

standard. 

However, any new systems or equipment installed must comply with specific requirements applicable 

to those systems and equipment. 

7.1.1.3 Alterations to Existing Buildings. Building service water heating equipment installed as a 

direct replacement for existing building service water heating equipment shall comply with the 

requirements of Section 7 applicable to the equipment being replaced. New and replacement piping 

shall comply with Section 7.4.3. 

Exception Compliance shall not be required where there is insufficient space or access to meet these 

requirements. 

7.2 Compliance Paths 

7.2.1 Compliance. Compliance shall be achieved by meeting the requirements of Section 7.1, 

“General”; Section 7.4,“Mandatory Provisions”; Section 7.5, “Prescriptive Path”; Section 7.7, 

“Submittals”; and Section 7.8, “Product Information.” 

7.2.2 Projects using the Energy Cost Budget Method (Section 11) for demonstrating compliance with 

the standard shall meet the requirements of Section 7.4, “Mandatory Provisions,” in conjunction with 

Section 11, “Energy Cost Budget Method.” 

7.3 Simplified/Small Building Option (Not Used) 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 96 

7.4 Mandatory Provisions 

7.4.1 Load Calculations. Service water heating system design loads for the purpose of sizing systems 

and equipment shall be determined in accordance with manufacturers’ published sizing guidelines or 

generally accepted engineering standards and handbooks acceptable to the adopting authority (e.g., 

ASHRAE Handbook—HVAC Applications). 

7.4.2 Equipment Efficiency. All water heating equipment, hot‐water supply boilers used solely for 

heating potable water, pool heaters, and hot‐water storage tanks shall meet the criteria listed in Table 

7.8.  

 

Where multiple criteria are listed, all criteria shall be met. Omission of minimum performance 

requirements for certain classes of equipment does not preclude use of such equipment where 

appropriate. Equipment not listed in Table 7.8 has no minimum performance requirements. 

Exceptions: All water heaters and hot‐water supply boilers having more than 530 L of storage capacity 

are not required to meet the standby loss (SL) requirements of Table 7.8 when 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 97 

a. the tank surface is thermally insulated to R‐2.2, 

b. a standing pilot light is not installed, and 

c. gas‐ or oil‐fired storage water heaters have a flue damper or fan‐assisted combustion. 

7.4.3 Service Hot‐Water Piping Insulation. The following piping shall be insulated to levels 

shown in Section 6, Table 6.8.3‐1: 

a. Recirculating system piping, including the supply and return piping of a circulating tank type water 

heater 

b. The first 2.4 m of outlet piping for a constant temperature nonrecirculating storage system 

c. The inlet piping between the storage tank and a heat trap in a nonrecirculating storage system 

d. Piping that is externally heated (such as heat trace or impedance heating) 

7.4.4 ServiceWater Heating System Controls 

7.4.4.1 Temperature Controls. Temperature controls shall be provided that allow for 

storage temperature adjustment from 49°C or lower to a maximum temperature compatible 

with the intended use. 

Exception When the manufacturers’ installation instructions specify a higher minimum thermostat 

setting to minimize condensation and resulting corrosion. 

7.4.4.2 Temperature Maintenance Controls. Systems designed to maintain usage 

temperatures in hot‐water pipes, such as recirculating hot‐water systems or heat trace, shall be 

equipped with automatic time switches or other controls that can be set to switch off the usage 

temperature maintenance system during extended periods when hot water is not required. 

7.4.4.3 Outlet Temperature Controls. Temperature controlling means shall be provided to 

limit the maximum temperature of water delivered from lavatory faucets in public facility 

restrooms to 43°C. 

7.4.4.4 Circulating Pump Controls. When used to maintain storage tank water 

temperature, recirculating pumps shall be equipped with controls limiting operation to a period 

from the start of the heating cycle to a maximum of five minutes after the end of the heating 

cycle. 

7.4.5 Pools 

7.4.5.1 Pool Heaters. Pool heaters shall be equipped with a readily accessible “on/off” switch 

to allow shutting off the heater without adjusting the thermostat setting. Pool heaters fired by 

natural gas shall not have continuously burning pilot lights. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 98 

7.4.5.2 Pool Covers. Heated pools shall be equipped with a vapor retardant pool cover on or 

at the water surface. Pools heated to more than 32°C shall have a pool cover with a minimum 

insulation value of R‐2.1. 

Exception Pools deriving over 60% of the energy for heating from site‐recovered energy or solar 

energy source. 

7.4.5.3 Time Switches. Time switches shall be installed on swimming pool heaters and 

pumps. 

Exceptions: 

1. Where public health standards require 24‐hour pump operation 

2. Where pumps are required to operate solar and waste heat recovery pool heating systems 

7.4.6 Heat Traps. Vertical pipe risers serving storage water heaters and storage tanks not 

having integral heat traps and serving a nonrecirculating system shall have heat traps on both 

the inlet and outlet piping as close as practical to the storage tank. A heat trap is a means to 

counteract the natural convection of heated water in a vertical pipe run. The means is either a 

device specifically designed for the purpose or an arrangement of tubing that forms a loop of 

360 degrees or piping that from the point of connection to the water heater (inlet or outlet) 

includes a length of piping directed downward before connection to the vertical piping of the 

supply water or hot‐water distribution system, as applicable. 

7.5 Prescriptive Path 

7.5.1 Space Heating and Water Heating. The use of a gas‐fired or oil‐fired space‐heating 

boiler system otherwise complying with Section 6 to provide the total space heating and water 

heating for a building is allowed when one of the following conditions is met: 

a. The single space‐heating boiler, or the component of a modular or multiple boiler system that is 

heating the service water, has a standby loss in kW  

The standby loss is to be determined for a test period of 24 hours duration while maintaining a boiler 

water temperature of at least 50°C above ambient, with an ambient temperature between 16°C and 

32°C. For a boiler with 

a modulating burner, this test shall be conducted at the lowest input. 

b. It is demonstrated to the satisfaction of the authority having jurisdiction that the use of a single heat 

source will consume less energy than separate units. 

c. The energy input of the combined boiler and water heater system is less than 44 kW. 

7.5.2 Service Water Heating Equipment. Service water heating equipment used to provide the 

additional function of space heating as part of a combination (integrated) system shall satisfy all stated 

requirements for the service water heating equipment. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 99 

7.5.3 Buildings with High‐Capacity Service Water Heating Systems. New buildings with gas 

service hot‐water systems with a total installed gas water‐heating input capacity of 293 kW or greater, 

shall have gas service water‐heating equipment with a minimum thermal efficiency (Et) of 90%. 

Multiple units of gas water‐heating equipment are allowed to meet this requirement if the water‐

heating input provided by equipment with thermal efficiency (Et) above and below 90% provides an 

input capacity‐weighted average thermal efficiency of at least 90%. 

The requirements of Section 7.5.3 are effective on July 30, 2015. 

Exceptions: 

1. Where 25% of the annual service water‐heating requirement is provided by site‐solar or site‐

recovered energy. 

2. Water heaters installed in individual dwelling units. 

3. Individual gas water heaters with input capacity not greater than 293 kW 

7.6 Alternative Compliance Path (Not Used) 

7.7 Submittals 

7.7.1 General. The authority having jurisdiction may require submittal of compliance documentation 

and supplemental information, in accord with Section 4.2.2 of this standard. 

7.8 Product Information 

8. POWER 

8.1 General 

8.1.1 Scope. This section applies to all building power distribution systems and only to equipment 

described below. 

8.1.2 New Buildings. Equipment installed in new buildings shall comply with the requirements of this 

section.  

8.1.3 Addition to Existing Buildings. Equipment installed in addition to existing buildings shall 

comply with the requirements of this section. 

8.1.4 Alterations to Existing Buildings 

Exception Compliance shall not be required for the relocation or reuse of existing equipment at the 

same site. 

8.1.4.1 Alterations to building service equipment or systems shall comply with the requirements of this 

section applicable to those specific portions of the building and its systems that are being altered. 

8.1.4.2 Any new equipment subject to the requirements of this section that is installed in conjunction 

with the alterations as a direct replacement of existing equipment shall comply with the specific 

requirements applicable to that equipment. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 100 

8.2 Compliance Paths 

8.2.1 Compliance. Power distribution systems in all projects shall comply with the requirements of 

Section 8.1, “General”; Section 8.4, “Mandatory Provisions”; and Section 8.7, “Submittals.” 

8.3 Simplified/Small Building Option (Not Used) 

8.4 Mandatory Provisions 

8.4.1 Voltage Drop 

Exception Feeder conductors and branch circuits that are dedicated to emergency services 

8.4.1.1 Feeders. Feeder conductors shall be sized for a maximum voltage drop of 2% at design load. 

8.4.1.2 Branch Circuits. Branch circuit conductors shall be sized for a maximum voltage drop of 3% 

at design load. 

8.4.2 Automatic Receptacle Control. The following shall be automatically controlled: 

a. At least 50% of all 125‐volt 15‐ and 20‐amp receptacles in all private offices, conference rooms, rooms 

used primarily for printing and/or copying functions, break rooms, classrooms, and individual 

workstations 

b. At least 25% of branch circuit feeders installed for modular furniture not shown on the construction 

documents This control shall function on 

a. a scheduled basis using a time‐of‐day operated control device that turns receptacles off at specific 

programmed times—an independent program schedule shall be provided for controlled areas of no 

more than 464.5 m2 and not more than one floor (the occupant shall be able to manually override the 

control device for up to two hours), 

b. an occupant sensor that shall turn receptacles off within 20 minutes of all occupants leaving a space, 

or 

c. an automated signal from another control or alarm system that shall turn receptacles off within 20 

minutes after determining that the area is unoccupied. All controlled receptacles shall be permanently 

marked to visually differentiate them from uncontrolled receptacles and are to be uniformly distributed 

throughout the space. Plug‐in devices shall not be used to comply with Section 8.4.2. 

Exceptions: Receptacles for the following shall not require an automatic control device: 

1. Receptacles specifically designated for equipment requiring continuous operation (24 hours/day, 365 

days/year)  

2. Spaces where an automatic control would endanger the safety or security of the room or building 

occupant(s). 

8.4.3 Electrical Energy Monitoring 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 101 

8.4.3.1 Monitoring. Measurement devices shall be installed in new buildings to monitor the electrical 

energy use for each of the following separately: 

a. Total electrical energy 

b. HVAC systems 

c. Interior lighting 

d. Exterior lighting 

e. Receptacle circuits 

For buildings with tenants, these systems shall be separately monitored for the total building and 

(excluding shared systems) for each individual tenant. 

Exception Up to 10% of the load for each of the categories (b) through (e) shall be allowed to be from 

other electrical loads. 

8.4.3.2 Recording and Reporting. The electrical energy usage for all loads specified in Section 

8.4.3.1 shall be recorded a minimum of every 15 minutes and reported at least hourly, daily, monthly, 

and annually. The data for each tenant space shall be made available to that tenant. The system shall 

be capable of maintaining all data collected for a minimum of 36 months. 

Exceptions to 8.4.3.1 and 8.4.3.2: 

1. Building less than 232 m2 

2. Individual tenant spaces less than 929 m2 

3. Dwelling units 

4. Residential buildings with less than 929 m2 of common area 

5. Critical and Equipment branches of NEC Article 517 

8.4.4 Low‐Voltage Dry‐Type Distribution Transformers. Low‐voltage dry‐type transformers 

shall comply with the provisions of the Energy Policy Act of 2005, where applicable, as shown in Table 

8.4.4. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 102 

 

Transformers that are not included in the scope of the Energy Policy Act of 2005 have no performance 

requirements in this section and are listed for ease of reference as exceptions. 

Exceptions: Transformers that meet any of the following exclusions of the Energy Policy Act of 2005 

based on 10 CFR 431 definition: 

1. Special purpose applications 

2. Not likely to be used in general purpose applications 

3. Transformers with multiple voltage taps where the highest tap is at least 20% more than the lowest 

tap 

4. Drive transformer 

5. Rectifier transformer 

6. Auto‐transformer 

7. Uninterruptible power system transformer 

8. Impedance transformer 

9. Regulating transformer 

10. Sealed and nonventilating transformer 

11. Machine tool transformer 

12. Welding transformer 

13. Grounding transformer, or 

14. Testing transformer 

8.5 Prescriptive Path (Not Used) 

8.6 Alternative Compliance Path (Not Used) 

8.7 Submittals 

8.7.1 Drawings. Construction documents shall require that within 30 days after the date of system 

acceptance, record drawings of the actual installation shall be provided to the building owner, including 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 103 

a. a single‐line diagram of the building electrical distribution system and 

b. floor plans indicating location and area served for all distribution. 

8.7.2 Manuals. Construction documents shall require that an operating manual and maintenance 

manual be provided to the building owner. The manuals shall include, at a minimum, the following: 

a. Submittal data stating equipment rating and selected options for each piece of equipment requiring 

maintenance.  

b. Operation manuals and maintenance manuals for each piece of equipment requiring maintenance. 

Required routine maintenance actions shall be clearly identified. 

c. Names and addresses of at least one qualified service agency. 

d. A complete narrative of how each system is intended to operate. 

(Enforcement agencies should only check to ensure that the construction documents require this 

information to be transmitted to the owner and should not expect copies of any of the materials.) 

9. LIGHTING 

9.1 General 

9.1.1 Scope. This section shall apply to the following: a. Interior spaces of buildings 

b. Exterior building features, including façades, illuminated roofs, architectural features, entrances, 

exits, loading docks, and illuminated canopies c. Exterior building grounds lighting provided through 

the building’s electrical service 

Exceptions: 

1. Emergency lighting that is automatically off during normal building operation 

2. Lighting within dwelling units 

3. Lighting that is specifically designated as required by a health or life safety statute, ordinance, or 

regulation 

4. Decorative gas lighting systems 

9.1.2 Lighting Alterations. For the alteration of any lighting system in an interior space, that space 

shall comply with the lighting power density (LPD) requirements of Section 9 applicable to that space 

and the automatic shutoff requirements of Section 9.4.1.1. For the alteration of any lighting system in 

an exterior building application, that lighting system shall comply with the lighting power density (LPD) 

requirements of Section 9 applicable to the area illuminated by that lighting system and the applicable 

control requirements of Sections 9.4.1.4(a) and 9.4.1.4(b). Such alterations shall include all luminaires 

that are added, replaced or removed. This requirement shall also be met for alterations that involve 

only the replacement of lamps plus ballasts. Alterations do not include routine maintenance or repair 

situations. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 104 

Exception Alterations that involve less than 10% of the connected lighting load in a space or area need 

not comply with these requirements, provided that such alterations do not increase the installed LPD. 

9.1.3 Installed Lighting Power. The luminaire wattage for all interior and exterior applications shall 

include all power used by the luminaires, including lamps, ballasts, transformers, and control devices, 

except as specifically exempted in Section 9.1.1, 9.2.2.3, or 9.4.2. 

Exception If two or more independently operating lighting systems in a space are capable of being 

controlled to prevent simultaneous user operation, the installed interior lighting power or the installed 

exterior lighting power shall be based solely on the lighting system with the highest wattage. 

9.1.4 Interior and Exterior Luminaire Wattage. Luminaire wattage, when used to calculate either 

installed interior lighting power or installed exterior lighting power, shall be determined in accordance 

with the following criteria: 

a. The wattage of line‐voltage luminaires not containing permanently installed ballasts, transformers, 

or similar devices shall be the manufacturers’ labeled maximum wattage of the luminaire. 

b. The wattage of luminaires with permanently installed or remote ballasts, transformers, or similar 

devices shall be the operating input wattage of the maximum lamp/auxiliary combination based on 

values from the auxiliary manufacturers’ literature or recognized testing laboratories or shall be the 

maximum labeled wattage of the luminaire. 

Exception Lighting power calculations for ballasts with adjustable ballast factors shall be based on the 

ballast factor that will be used in the space, provided that the ballast factor is not user changeable. 

c. For line‐voltage lighting track and plug‐in busway designed to allow the addition and/or relocation of 

luminaires without altering the wiring of the system, the wattage shall be 

1. the specified wattage of the luminaires included in the system with a minimum of 98 W/lin m, 

2. the wattage limit of the system’s circuit breaker or 

3. the wattage limit of other permanent current‐limiting device(s) on the system. 

d. The wattage of low‐voltage lighting track, cable conductor, rail conductor, and other flexible lighting 

systems that allow the addition and/or relocation of luminaires without altering the wiring of the 

system shall be the specified wattage of the transformer supplying the system. 

e. The wattage of all other miscellaneous lighting equipment shall be the specified wattage of the 

lighting equipment. 

9.2 Compliance 

9.2.1 Compliance Paths. Lighting systems and equipment shall comply with Section 9.1, “General”; 

Section 9.4, “Mandatory Provisions”; Section 9.7, “Submittals”; and the prescriptive requirements of 

either 

a. Section 9.5, “Building Area Method Compliance Path” or 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 105 

b. Section 9.6, “Alternative Compliance Path: Space‐by‐ Space Method.” 

9.2.2 Prescriptive Requirements 

9.2.2.1 Building Area Method. This method for determining the interior lighting power allowance, 

described in Section 9.5, is a simplified approach for demonstrating compliance. 

9.2.2.2 Space‐by‐Space Method. This method, described in Section 9.6, is an alternative approach 

that allows greater flexibility.  

9.2.2.3 Interior Lighting Power. The interior lighting power allowance for a building or a separately 

metered or permitted portion of a building shall be determined by either the Building Area Method, 

described in Section 9.5, or the Space‐by‐Space Method, described in Section 9.6. Trade‐offs of interior 

lighting power allowance among portions of the building for which a different method of calculation 

has been used are not permitted. The installed interior lighting power identified in accordance with 

Section 9.1.3 shall not exceed the interior lighting power allowance developed in accordance with 

Section 9.5 or 9.6. 

Exceptions: The following lighting equipment and applications shall not be considered when 

determining the interior lighting power allowance developed in accordance with Section 9.5 or 9.6, nor 

shall the wattage for such lighting be included in the installed interior lighting power identified in 

accordance with Section 

9.1.3. However, any such lighting shall not be exempt unless it is an addition to general lighting and is 

controlled by an independent control device. 

1. Display or accent lighting that is an essential element for the function performed in galleries, 

museums, and monuments 

2. Lighting that is integral to equipment or instrumentation and is installed by its manufacturer 

3. Lighting specifically designed for use only during medical or dental procedures and lighting integral 

to medical equipment 

4. Lighting integral to both open and glass‐enclosed refrigerator and freezer cases 

5. Lighting integral to food warming and food preparation equipment 

6. Lighting specifically designed for the life support of nonhuman life forms 

7. Lighting in retail display windows, provided the display area is enclosed by ceiling‐height partitions 

8. Lighting in interior spaces that have been specifically designated as a registered interior historic 

landmark 

9. Lighting that is an integral part of advertising or directional signage 

10. Exit signs 

11. Lighting that is for sale or lighting educational demonstration systems 

12. Lighting for theatrical purposes, including performance, stage, and film and video production 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 106 

13. Lighting for television broadcasting in sporting activity areas 

14. Casino gaming areas 

15. Furniture‐mounted supplemental task lighting that is controlled by automatic shutoff and complies 

with Section 9.4.1.3(c) 

16. Mirror lighting in dressing rooms and accent lighting in religious pulpit and choir areas 

17. Parking garage transition lighting—lighting for covered vehicle entrances and exits from buildings 

and parking structures—that complies with Section 9.4.1.2(a) and 9.4.1.2(c); each transition zone shall 

not exceed a depth of 20 m inside the structure and a width of 15 m 

9.3 (Not Used) 

9.4 Mandatory Provisions 

9.4.1 Lighting Control. Building lighting controls shall be installed to meet the provisions of Sections 

9.4.1.1, 9.4.1.2, 9.4.1.3, and 9.4.1.4. 

9.4.1.1 Interior Lighting Controls. For each space in the building, all of the lighting control 

functions indicated in Table 9.6.1, for the appropriate space type in column A, and as described below, 

shall be implemented. All control functions labeled with an “REQ” are mandatory and shall be 

implemented. If a space type has control functions labeled “ADD1” then at least one of those functions 

shall be implemented. 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 107 

If a space type has control functions labeled “ADD2” then at least one of those functions shall be 

implemented. For space types not listed, select a reasonably equivalent type. If using the Space‐by‐

Space Method for LPD requirements, the space type used for determining control requirement shall be 

the same space type used to determine the LPD. 

a. Local control: There shall be one or more manual lighting controls in the space that controls all of the 

lighting in the space. Each control device shall control an area (1) no larger than 232m2 if the space is  

929 m2 and (2) no larger than 929 m2 otherwise. The device installed to comply with this provision shall 

be readily accessible and located so that the occupants can see the controlled lighting when using the 

control device. 

Exception Remote location of this local control device or devices shall be permitted for reasons of 

safety or security when each remote control device has an indicator pilot light as part of or next to the 

control device and the light is clearly labeled to identify the controlled lighting. 

b. Restricted to manual ON: None of the lighting shall be automatically turned on. 

Exception Manual ON is not required where manual ON operation of the general lighting would 

endanger the safety or security of the room or building occupants. 

c. Restricted to partial automatic ON: No more than 50% of the lighting power for the general lighting 

shall be allowed to be automatically turned on, and none of the remaining lighting shall be 

automatically turned on. 

d. Bilevel lighting control: The general lighting in the space shall be controlled so as to provide at least 

one intermediate step in lighting power or continuous dimming in addition to full ON and full OFF. At 

least one intermediate step shall be between 30% and 70% (inclusive) of full lighting power. 

e. Automatic daylight responsive controls for sidelighting: In any space where the combined input power 

of all general lighting completely or partially within the primary sidelighted areas is 150 W or greater, 

the general lighting in the primary sidelighted areas shall be controlled by photocontrols. 

In any space where the combined input power of all general lighting completely or partially within the 

primary and secondary sidelighted areas is 300 W or greater, the general lighting in the primary 

sidelighted areas and secondary sidelighted areas shall be controlled by photocontrols. 

The control system shall have the following characteristics: 

1. The calibration adjustments shall be readily accessible. 

2. At minimum, general lighting in the secondary sidelighted area shall be controlled independently of 

the general lighting in the primary sidelighted area. 

3. The photocontrol shall reduce electric lighting in response to available daylight using continuous 

dimming or with at least one control point between 50% and 70% of design lighting power, a second 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 108 

control point between 20% and 40% of design lighting power or the lowest dimming level the 

technology allows, and a third control point that turns off all the controlled lighting. 

Exceptions: The following areas are exempted from Section 9.4.1.1(e): 

1. Primary sidelighted areas where the top of any existing adjacent structure is twice as high above the 

windows as its distance away from the windows 

2. Sidelighted areas where the total glazing area is less than 1.9 m2 

3. Retail spaces 

f. Automatic daylight responsive controls for toplighting: 

In any space where the combined input power for all general lighting completely or partially within 

daylight areas under skylights and daylight areas under roof monitors is 150 W or greater, general 

lighting in the daylight area shall be controlled by photocontrols having the following characteristics: 

1. The calibration adjustments shall be readily accessible. 

2. The photocontrol shall reduce electric lighting in response to available daylight using continuous 

dimming or with at least one control point that is between 50% and 70% of design lighting power, a 

second control point between 20% and 40% of design lighting power or the lowest dimming level the 

technology allows, and a third control point that turns off all the controlled lighting. 

3. General lighting in overlapping toplighted and sidelighted daylight areas shall be controlled together 

with general lighting in the daylight area under skylights or daylight areas under roof monitors. 

Exceptions: The following areas are exempted from Section 9.4.1.1(f): 

1. Daylight areas under skylights where it is documented that existing adjacent structures or natural 

objects block direct sunlight for more than 1500 daytime hours per year between 8 a.m. and 4 p.m. 

2. Daylight areas where the skylight visual transmittance (VT) is less than 0.4 

3. In each space within buildings in Climate Zone 8 where the input power of the general lighting within 

daylight areas is less than 200W 

g. Automatic partial OFF (full OFF complies): The general lighting power in the space shall be 

automatically reduced by at least 50% within 20 minutes of all occupants leaving the space. 

Exceptions: This requirement does not have to be complied with in spaces that meet all three of the 

following requirements: 

1. The space has an LPD of no more than 8.6 W/m2 

2. The space is lighted by HID 

3. The general lighting power in the space is automatically reduced by at least 30% within 20 minutes of 

all occupants leaving the space 

h. Automatic full OFF: All lighting shall be automatically shut off within 20 minutes of all occupants 

leaving the space. A control device meeting this requirement shall control no more than 465 m2. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 109 

Exceptions: The following lighting is not required to be automatically shut off: 

1. General lighting and task lighting in shop and laboratory classrooms 

2. General lighting and task lighting in spaces where automatic shutoff would endanger the safety or 

security of room or building occupants 

3. Lighting required for 24/7 operation 

i. Scheduled shutoff: All lighting in the space not exempted by Exception (1) to Section 9.1.1 shall be 

automatically shut off during periods when the space is scheduled to be unoccupied using either (1) a 

time‐of‐day operated control device that automatically turns the lighting off at specific programmed 

times or (2) a signal from another automatic control device or alarm/security system. The control device 

or system shall provide independent control sequences that (1) control the lighting for an area of no 

more than 232 m2, (2) include no more than one floor, and (3) shall be programmed to account for 

weekends and holidays. Any manual control installed to provide override of the scheduled shutoff 

control shall not turn the lighting on for more than two hours per activation during scheduled off 

periods and shall not control more than 465 m2. 

Exceptions: The following lighting is not required to be on scheduled shutoff: 

1. Lighting in spaces where lighting is required for 24/ 7 continuous operation 

2. Lighting in spaces where patient care is rendered 

3. Lighting in spaces where automatic shutoff would endanger the safety or security of the room or 

building occupants 

9.4.1.2 Parking Garage Lighting Control. Lighting for parking garages shall comply with the 

following requirements: 

a. Parking garage lighting shall have automatic lighting shutoff per Section 9.4.1.1(i). 

b. Lighting power of each luminaire shall be automatically reduced by a minimum of 30% when there is 

no activity detected within a lighting zone for 20 minutes. Lighting zones for this requirement shall be 

no larger than 334 m2. 

Exceptions: The following areas are exempt: 

1. Daylight transitions zones and ramps without parking 

c. Lighting for covered vehicle entrances and exits from buildings and parking structures shall be 

separately controlled by a device that automatically reduces the lighting by at least 50% from sunset to 

sunrise. 

d. The power to luminaires within 1.9 m2 of any perimeter wall structure that has a net opening‐to‐wall 

ratio of at least 40% and no exterior obstructions within 1.9 m2, shall be automatically reduced in 

response to daylight. 

Exceptions: Lighting in the following areas is exempt: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 110 

1. Lighting in daylight transitions zones and ramps without parking 

9.4.1.3 Special Applications 

a. The following lighting shall be separately controlled from the general lighting in all spaces: 

1. Display or accent lighting 

2. Lighting in display cases 

3. Nonvisual lighting, such as for plant growth or food warming 

4. Lighting equipment that is for sale or used for demonstrations in lighting education 

b. Guestrooms 

1. All lighting and all switched receptacles in guestrooms and suites in hotels, motels, boarding houses, 

or similar buildings shall be automatically controlled such that the power to the lighting and switched 

receptacles in each enclosed space will be turned off within 20 minutes after all occupants leave that 

space. 

Exception Enclosed spaces where the lighting and switched receptacles are controlled by captive key 

systems and bathrooms are exempt. 

2. Bathrooms shall have a separate control device installed to automatically turn off the bathroom 

lighting within 30 minutes after all occupants have left the bathroom. 

Exception Night lighting of up to 5W per bathroom is exempt. 

c. All supplemental task lighting, including permanently installed undershelf or undercabinet lighting, 

shall be controlled from either (1) a control device integral to the luminaires or (2) by a wall‐mounted 

control device that is readily accessible and located so that the occupant can see the controlled lighting. 

9.4.1.4 Exterior Lighting Control. Lighting for exterior applications not exempted in Section 9.1 

shall meet the following requirements: 

a. Lighting shall be controlled by a device that automatically turns off the lighting when sufficient 

daylight is available. 

b. All building façade and landscape lighting shall be automatically shut off between midnight or 

business closing, whichever is later, and 6 a.m. or business opening, whichever comes first, or between 

times established by the authority having jurisdiction. 

c. Lighting not specified in Section 9.4.1.4(b) and lighting for signage shall be controlled by a device 

that automatically reduces the connected lighting power by at least 

30% for at least one of the following conditions: 

1. From 12 midnight or within one (1) hour of the end of business operations, whichever is later, until 6 

a.m. or business opening, whichever is earlier 

2. During any period when no activity has been detected for a time of no longer than 15 minutes 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 111 

All time switches shall be capable of retaining programming and the time setting during loss of power 

for a period of at least ten hours. 

Exceptions: 

1. Lighting for covered vehicle entrances or exits from buildings or parking structures where required 

for safety, security, or eye adaptation 

2. Lighting that is integral to signage and installed in the signage by the manufacturer 

9.4.2 Exterior Building Lighting Power. The total exterior lighting power allowance for all exterior 

building applications is the sum of the base site allowance plus the individual allowances for areas that 

are designed to be illuminated and are permitted in Table 9.4.2‐1 for the applicable lighting zone. 

 

The installed exterior lighting power identified in accordance with Section 9.1.3 shall not exceed the 

exterior lighting power allowance developed in accordance with this section. Trade‐offs are allowed 

only among exteri 

9.5 Building Area Method Compliance Path 

9.5.1 Building Area Method of Calculating Interior 

Lighting Power Allowance. Use the following steps to determine the interior lighting power 

allowance by the Building Area Method:  

a. Determine the appropriate building area type from 

Table 9.5.1 and the allowed LPD (watts per unit area) from the “Building Area Method” column. For 

building area types not listed, selection of a reasonably equivalent type shall be permitted. 

b. Determine the gross lighted floor area (square metres) of the building area type. 

c. Multiply the gross lighted floor areas of the building area type(s) times the LPD. 

d. The interior lighting power allowance for the building is the sum of the lighting power allowances of 

all building area types. Trade‐offs among building area types are permitted, provided that the total 

installed interior lighting power does not exceed the interior lighting power allowance. 

9.6 Alternative Compliance Path: Space‐by‐Space Method 

9.6.1 Space‐by‐Space Method of Calculating Interior 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 112 

Lighting Power Allowance. Use the following steps to determine the interior lighting power 

allowance by the Space‐by‐ Space Method: 

a. For each space enclosed by partitions that are 80% of the ceiling height or taller, determine the 

appropriate space type from Table 9.6.1. If a space has multiple functions, where more than one space 

type is applicable, that space shall be broken up into smaller subspaces, each using its own space type 

from Table 9.6.1. Any of these subspaces that are smaller in floor area than 20% of the original space 

and less than 300 m2 need not be broken out separately. 

Include the floor area of balconies and other projections in this calculation. 

b. In calculating the area of each space and subspace, the limits of the area are defined by the centerline 

of interior walls, the dividing line between subspaces, and the outside surface of exterior walls. 

c. Based on the space type selected for each space or subspace, determine the lighting power 

allowance of each space or subspace by multiplying the calculated area of the space or subspace by the 

appropriate LPD determined in Section 9.6.1(a). For space types not listed, selection of a reasonable 

equivalent category shall be permitted. 

d. The interior lighting power allowance is the sum of lighting power allowances of all spaces and 

subspaces. Tradeoffs among spaces and subspaces are permitted, provided that the total installed 

interior lighting power does not exceed the interior lighting power allowance. 

9.6.2 Additional Interior Lighting Power. When using the Space‐by‐Space Method, an increase in 

the interior lighting power allowance is allowed for specific lighting functions. 

Additional power shall be allowed only if the specified lighting is installed and automatically controlled, 

separately from the general lighting, to be turned off during nonbusiness hours. This additional power 

shall be used only for the specified luminaires and shall not be used for any other purpose unless 

otherwise indicated. 

An increase in the interior lighting power allowance is permitted in the following cases: 

a. For spaces in which lighting is specified to be installed in addition to the general lighting for the 

purpose of decorative appearance or for highlighting art or exhibits, provided that the additional 

lighting power shall not exceed 10.8 W/m2 of such spaces 

b. For lighting equipment installed in sales areas and specifically designed and directed to highlight 

merchandise, calculate the additional lighting power as follows: 

Additional Interior Lighting Power Allowance = 

1000 W + (Retail Area 1 × 6.5 W/m2) 

9.7 Submittals 

9.7.1 General. Where required by the authority having jurisdiction, the submittal of compliance 

documentation and supplemental information shall be in accordance with Section 4.2.2. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 113 

9.7.2 Completion requirements. The following requirements are mandatory provisions and are 

necessary for compliance with this standard. 

9.7.2.1 Drawings. Construction documents shall require that within 90 days after the date of system 

acceptance, record drawings of the actual installation be provided to the building owner or the 

designated representative of the building owner. 

Record drawings shall include, as a minimum, the location, luminaire identifier, control, and circuiting 

for each piece of lighting equipment. 

9.7.2.2 Manuals. Construction documents shall require for all lighting equipment and lighting 

controls, an operating and maintenance manual be provided to the building owner or the designated 

representative of the building owner within 90 days after the date of system acceptance. These 

manuals shall include, at a minimum, the following: 

a. Submittal data indicating all selected options for each piece of lighting equipment, including but not 

limited to lamps, ballasts, drivers, and lighting controls. 

b. Operation and maintenance manuals for each piece of lighting equipment and lighting controls with 

routine maintenance clearly identified including, as a minimum, a recommended relamping/cleaning 

program and a schedule for inspecting and recalibrating all lighting controls. 

c. A complete narrative of how each lighting control system is intended to operate including 

recommended settings. 

9.7.2.3 Daylighting Documentation. The design documents shall identify all luminaires for general 

lighting that are located within daylight areas under skylights, daylight areas under roof monitors as 

well as primary sidelighted areas and secondary sidelighted areas. 

10. OTHER EQUIPMENT 

10.1 General 

10.1.1 Scope. This section applies only to the equipment described below. 

10.1.1.1 New Buildings. Other equipment installed in new buildings shall comply with the 

requirements of this section. 

10.1.1.2 Additions to Existing Buildings. Other equipment installed in additions to existing 

buildings shall comply with the requirements of this section. 

10.1.1.3 Alterations to Existing Buildings 

10.1.1.3.1 Alterations to other building service equipment or systems shall comply with the 

requirements of this section applicable to those specific portions of the building and its systems that are 

being altered. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 114 

10.1.1.3.2 Any new equipment subject to the requirements of this section that is installed in 

conjunction with the alterations as a direct replacement of existing equipment or control devices shall 

comply with the specific requirements  applicable to that equipment or control devices. 

Exception Compliance shall not be required for the relocation or reuse of existing equipment. 

10.2 Compliance Paths 

10.2.1 Compliance. Compliance with Section 10 shall be achieved by meeting all requirements of 

Section 10.1, “General”; Section 10.4, “Mandatory Provisions”; and Section 10.8, “Product Information.” 

10.2.2 Projects using the Energy Cost Budget Method (Section 11 of this standard) must comply with 

Section 10.4, the mandatory provisions of this section, as a portion of that compliance path. 

10.3 Simplified/Small Building Option (Not Used) 

10.4 Mandatory Provisions 

10.4.1 Electric Motors. Electric motors manufactured alone or as a component of another piece of 

equipment with a power rating of 0.75 kW or more, and less than or equal to 150 kW, shall comply with 

the requirements of the Energy Independence and Security Act of 2007, as shown in Table 10.8‐1 for 

general purpose electric motors (subtype I) and Table 10.8‐2 for general purpose electric motors 

(subtype II). 

General purpose electric motors with a power rating of more than 149.2 kW, but no more than 373 kW, 

shall have a minimum nominal full‐load efficiency that is not less than as shown in Table 10.8‐3. 

Fire‐pump electric motors shall have a minimum nominal full‐load efficiency that is not less than that 

shown in Table 10.8‐6. 

Motors that are not included in the scope of the Energy Independence and Security Act of 2007, Section 

313, have no performance requirements in this section. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 115 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 116 

 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 117 

 

10.4.2 Service Water Pressure Booster Systems. Service water pressure booster systems shall be 

designed such that 

a. one or more pressure sensors shall be used to vary pump speed and/or start and stop pumps. The 

sensor(s) shall either be located near the critical fixture(s) that determine the pressure required, or logic 

shall be employed that adjusts the setpoint to simulate operation of remote sensor(s). 

b. no device(s) shall be installed for the purpose of reducing the pressure of all of the water supplied by 

any booster system pump or booster system, except for safety devices. 

c. no booster system pumps shall operate when there is no service water flow. 

10.4.3 Elevators. Elevator systems shall comply with the requirements of this section. 

10.4.3.1 Lighting. For the luminaires in each elevator cab, not including signals and displays, the sum 

of the lumens divided by the sum of the watts (as described in Section 9.1.4) shall be no less than 35 

lm/W. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 118 

10.4.3.2 Ventilation Power Limitation. Cab ventilation fans for elevators without air conditioning 

shall not consume over 0.7 W∙s/L at maximum speed. 

10.4.3.3 Standby Mode. When stopped and unoccupied with doors closed for over 15 minutes, cab 

interior lighting and ventilation shall be de‐energized until required for operation. 

10.4.4 Escalators and Moving Walks. Escalators and moving walks shall automatically slow to the 

minimum permitted speed in accordance with ASME A17.1/CSA B44 or applicable local code when not 

conveying passengers.  

10.4.5 Whole‐Building Energy Monitoring. Measurement devices shall be installed at the building 

site to monitor the energy use of each new building. 

10.4.5.1 Monitoring. Measurement devices shall be installed to monitor the building use of the 

following types of energy supplied by a utility, energy provider, or plant that is not within the building: 

a. Natural gas 

b. Fuel oil 

c. Propane 

d. Steam 

e. Chilled water 

f. Hot water 

10.4.5.2 Recording and Reporting. The energy use of each building on the building site shall be 

recorded at a minimum of every 60 minutes and reported at least hourly, daily, monthly, and annually. 

The system shall be capable of maintaining all data collected for a minimum of 36 months and creating 

user reports showing at least hourly, daily, monthly, and annual energy consumption and demand. 

Exceptions to 10.4.5.1 and 10.4.5.2: 

1. Buildings or additions less than 232 m2 

2. Individual tenant spaces less than 929 m2 

3. Dwelling units 

4. Residential buildings with less than 929 m2 of common area 

5. Fuel used for on‐site emergency equipment 

   

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 119 

STANDARD 62.1: VENTILATION FOR ACCEPTABLE INDOOR AIR QUALITY 

 

1. PURPOSE 

1.1 The purpose of this standard is to specify minimum ventilation rates and other measures intended 

to provide indoor air quality that is acceptable to human occupants and that minimizes adverse health 

effects. 

1.2 This standard is intended for regulatory application to new buildings, additions to existing buildings, 

and those changes to existing buildings that are identified in the body of the standard. 

1.3 This standard is intended to be used to guide the improvement of indoor air quality in existing 

buildings. 

2. SCOPE 

2.1 This standard applies to all spaces intended for human occupancy except those within single‐family 

houses, multi‐ family structures of three stories or fewer above grade, vehicles, and aircraft. 

2.2 This standard defines requirements for ventilation and air‐cleaning‐system design, installation, 

commissioning, and operation and maintenance. 

2.3 Additional requirements for laboratory, industrial, health care, and other spaces may be dictated by 

workplace and other standards, as well as by the processes occurring within the space. 

2.4 Although the standard may be applied to both new and existing buildings, the provisions of this 

standard are not intended to be applied retroactively when the standard is used as a mandatory 

regulation or code. 

2.5 This standard does not prescribe specific ventilation rate requirements for spaces that contain 

smoking or that do not meet the requirements in the standard for separation from spaces that contain 

smoking. 

2.6 Ventilation requirements of this standard are based on chemical, physical, and biological 

contaminants that can affect air quality. 

2.7 Consideration or control of thermal comfort is not included. 

2.8 This standard contains requirements, in addition to ventilation, related to certain sources, including 

outdoor air, construction processes, moisture, and biological growth. 

 2.9 Acceptable indoor air quality may not be achieved in allbuildings meeting the requirements of this 

standard for one or more of the following reasons: 

a. Because of the diversity of sources and contaminants in indoor air 

b. Because of the many other factors that may affect occupant perception and acceptance of indoor air 

quality, such as air temperature, humidity, noise, lighting, and psychological stress 

c. Because of the range of susceptibility in the population 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 120 

d. Because outdoor air brought into the building may be unacceptable or may not be adequately 

cleaned 

4. OUTDOOR AIR QUALITY 

Outdoor air quality shall be investigated in accordance with Sections 4.1 and 4.2 prior to completion of 

ventilation system design. The results of this investigation shall be documented in accordance with 

Section 4.3. 

4.1 Regional Air Quality. The status of compliance with national ambient air quality standards shall 

be determined for the geographic area of the building site. 

4.1.1 In the United States, compliance status shall be either in “attainment” or “nonattainment” with 

the National Ambient Air Quality Standards (NAAQS).1 In the United States, areas with no EPA 

compliance status designation shall be considered “attainment” areas. 

4.2 Local Air Quality. An observational survey of the building site and its immediate surroundings 

shall be conducted during hours the building is expected to be normally occupied to identify local 

contaminants from surrounding facilities that may be of concern if allowed to enter the building. 

4.3 Documentation. Documentation of the outdoor air quality investigation shall be reviewed with 

building owners or their representative and shall include the following as a minimum: 

a. Regional air quality compliance status 

Note: Regional outdoor air quality compliance status for the United States is available from the U.S. 

Environmental Protection Agency located at www.epa.gov. 

b. Local survey information 

1. Date of observations 

2. Time of observations 

3. Site description 

4. Description of facilities on site and on adjoining properties 

5. Observation of odors or irritants 

6. Observation of visible plumes or visible air contaminants 

7. Description of sources of vehicle exhaust on site and on adjoining properties 

8. Identification of potential contaminant sources on the site and from adjoining properties 

c. Conclusions regarding the acceptability of outdoor air quality based on consideration of information 

from investigation 

5. SYSTEMS AND EQUIPMENT 

5.1 Ventilation Air Distribution. Ventilating systems shall be designed in accordance with the 

requirements of the following subsections. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 121 

5.1.1 Designing for Air Balancing. The ventilation air distribution system shall be provided with 

means to adjust the system to achieve at least the minimum ventilation airflow as required by Section 6 

under any load condition. 

5.1.2 Plenum Systems. When the ceiling or floor plenum is used both to recirculate return air and to 

distribute ventilation air to ceiling‐mounted or floor‐mounted terminal units, the system shall be 

engineered such that each space is provided with its required minimum ventilation airflow. 

Note: Systems with direct connection of ventilation air ducts to terminal units, for example, comply 

with this requirement. 

5.1.3 Documentation. The design documents shall specify minimum requirements for air balance 

testing or reference applicable national standards for measuring and balancing airflow. The design 

documentation shall state assumptions that were made in the design with respect to ventilation rates 

and air distribution. 

5.2 Exhaust Duct Location. Exhaust ducts that convey potentially harmful contaminants shall be 

negatively pressurized relative to spaces through which they pass, so that exhaust air cannot leak into 

occupied spaces; supply, return, or outdoor air ducts; or plenums. 

Exception Exhaust ducts that are sealed in accordance with SMACNA Seal Class A.2 

5.3 Ventilation System Controls. Mechanical ventilation systems shall include controls in 

accordance with the following subsections. 

5.3.1 All systems shall be provided with manual or automatic controls to maintain no less than the 

outdoor air intake flow (Vot) required by Section 6 under all load conditions or dynamic reset 

conditions. 

5.3.2 Systems with fans supplying variable primary air (Vps), including single‐zone VAV and multiple‐

zone recirculating VAV systems, shall be provided with one or more of the following: 

a. Outdoor air intake, return air dampers, or a combination of the two that modulate(s) to maintain no 

less than the outdoor air intake flow (Vot) 

b. Outdoor air injection fans that modulate to maintain no less than the outdoor air intake flow (Vot) 

c. Other means of ensuring compliance with Section 5.3.1 

5.4 Airstream Surfaces. All airstream surfaces in equipment and ducts in the heating, ventilating, 

and air‐conditioning system shall be designed and constructed in accordance with the requirements of 

the following subsections. 

5.4.1 Resistance to Mold Growth. Material surfaces shall be determined to be resistant to mold 

growth in accordance with a standardized test method, such as the “Mold Growth and Humidity Test” 

in UL 181,3 ASTM C 1338,4 or comparable test methods. 

Exception Sheet metal surfaces and metal fasteners 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 122 

Note: Even with this resistance, any airstream surface that is continuously wetted is still subject to 

microbial growth. 

5.4.2 Resistance to Erosion. Airstream surface materials shall be evaluated in accordance with the 

“Erosion Test” in UL 1813 and shall not break away, crack, peel, flake off, or show evidence of 

delamination or continued erosion under test conditions. 

Exception Sheet metal surfaces and metal fasteners 

5.5 Outdoor Air Intakes. Ventilation system outdoor intakes shall be designed in accordance with 

the following subsections. 

5.5.1 Location. Outdoor air intakes (including openings that are required as part of a natural 

ventilation system) shall be located such that the shortest distance from the intake to any specific 

potential outdoor contaminant source shall be equal to or greater than the separation distance listed in 

Table 5.5.1. 

 

Exception Other minimum separation distances shall be permitted, provided it can be shown 

analytically that an equivalent or lesser rate of introduction of contaminants from outdoor sources will 

be attained. 

Note: Informative Appendix F presents an analytical method for determining the minimum separation 

distances based on dilution of outdoor contaminants. 

5.5.2 Rain Entrainment. Outdoor air intakes that are part of the mechanical ventilation system shall 

be designed to manage rain entrainment in accordance with any one of the following: 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 123 

a. Limit water penetration through the intake to 0.07 oz/ft2h (21.5 g/m2h) of inlet area when tested 

using the rain test apparatus described in Section 58 of UL 1995.12 

b. Select louvers that limit water penetration to a maximum of 0.01 oz/ft2 (3 g/m2) of louver free area at 

the maximum intake velocity. This water penetration rate shall be determined for a minimum 15‐

minute test duration when subjected to a water flow rate of 0.25 gal/min (16 mL/s) as described under 

the Water Penetration Test in AMCA 500‐L13 or equivalent. Manage the water that penetrates the 

louver by providing a drainage area and/or moisture removal devices. 

c. Select louvers that restrict wind‐driven rain penetration to less than 2.36 oz/ft2h (721 g/m2h) when 

subjected to a simulated rainfall of 3 in. (75 mm) per hour and a 29 mph (13 m/s) wind velocity at the 

design outdoor air intake rate with the air velocity calculated based on the louver face area. 

Note: This performance corresponds to Class A (99% effectiveness) when rated according to AMCA 

51114 and tested per AMCA 500‐L.13 

d. Use rain hoods sized for no more than 500 fpm (2.5 m/s) face velocity with a downward‐facing intake 

such that all intake air passes upward through a horizontal plane that intersects the solid surfaces of the 

hood before entering the system. 

e. Manage the water that penetrates the intake opening by providing a drainage area and/or moisture 

removal devices. 

5.5.3 Rain Intrusion. Air‐handling and distribution equipment mounted outdoors shall be designed to 

prevent rain intrusion into the airstream when tested at design airflow and with no airflow, using the 

rain test apparatus described in Section 58 of UL 1995.12 

5.5.4 Snow Entrainment. Where climate dictates, outdoor air intakes that are part of the mechanical 

ventilation system shall be designed to manage water from snow, which is blown or drawn into the 

system, as follows: 

a. Suitable access doors to permit cleaning of wetted surfaces shall be provided. 

b. Outdoor air ductwork or plenums shall pitch to drains designed in accordance with the requirements 

of Section 5.10. 

5.5.5 Bird Screens. Outdoor air intakes shall include a screening device designed to prevent 

penetration by a 0.5 in. (13 mm) diameter probe. The screening device material shall be corrosion 

resistant. The screening device shall be located, or other measures shall be taken, to prevent bird 

nesting within the outdoor air intake. 

Note: Any horizontal surface may be subject to bird nesting. 

5.6 Local Capture of Contaminants. The discharge from noncombustion equipment that captures 

the contaminants generated by the equipment shall be ducted directly to the outdoors. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 124 

Exception Equipment specifically designed for discharge indoors in accordance with the 

manufacturer’s recommendations 

5.7 Combustion Air. Fuel‐burning appliances, both vented and unvented, shall be provided with 

sufficient air for combustion and adequate removal of combustion products in accordance with 

manufacturer instructions. Products of combustion from vented appliances shall be vented directly 

outdoors. 

5.8 Particulate Matter Removal. Particulate matter filters or air cleaners having a minimum 

efficiency reporting value (MERV) of not less than 8 when rated in accordance with ANSI/ASHRAE 

Standard 52.215 shall be provided upstream of all cooling coils or other devices with wetted surfaces 

through which air is supplied to an occupiable space. 

5.9 Dehumidification Systems. Mechanical air‐conditioning systems with dehumidification 

capability shall be designed to comply with the following subsections. 

5.9.1 Relative Humidity. Occupied‐space relative humidity shall be limited to 65% or less when 

system performance is analyzed with outdoor air at the dehumidification design condition (that is, 

design dew‐point and mean coincident drybulb temperatures) and with the space interior loads (both 

sensible and latent) at cooling design values and space solar loads at zero. 

Note: System configuration and/or climatic conditions may adequately limit space relative humidity at 

these conditions without additional humidity‐control devices. The specified conditions challenge the 

system dehumidification performance with high outdoor latent load and low space sensible heat ratio. 

Exception Spaces where process or occupancy requirements dictate higher humidity conditions, such 

as 

kitchens, hot‐tub rooms that contain heated standing water, refrigerated or frozen storage rooms and 

ice rinks, and/or spaces designed and constructed to manage moisture, such as shower rooms, pools, 

and spas 

5.9.2 Exfiltration. For a building, the ventilation system(s) shall be designed to ensure that the 

minimum outdoor air intake equals or exceeds the maximum exhaust airflow. 

Exceptions: 

1. Where excess exhaust is required by process considerations and approved by the authority having 

jurisdiction, such as in certain industrial facilities 

2. When outdoor air dry‐bulb temperature is below the indoor space dew‐point design temperature 

Note: Although individual zones within a building may be neutral or negative with respect to outdoors 

or to other zones, net positive mechanical intake airflow for the building as a whole reduces infiltration 

of untreated outdoor air. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 125 

5.10 Drain Pans. Drain pans, including their outlets and seals, shall be designed and constructed in 

accordance with this section. 

5.10.1 Drain Pan Slope. Pans intended to collect and drain liquid water shall be sloped at least 0.125 

in./ft (10 mm/m) from the horizontal toward the drain outlet or shall be otherwise designed to ensure 

that water drains freely from the pan whether the fan is on or off. 

5.10.2 Drain Outlet. The drain pan outlet shall be located at the lowest point(s) of the drain pan and 

shall be of sufficient diameter to preclude drain pan overflow under any normally expected operating 

condition. 

5.10.3 Drain Seal. For configurations that result in negative static pressure at the drain pan relative to 

the drain outlet (such as a draw‐through unit), the drain line shall include a Ptrap or other sealing device 

designed to maintain a seal against ingestion of ambient air while allowing complete drainage of the 

drain pan under any normally expected operating condition, whether the fan is on or off. 

5.10.4 Pan Size. The drain pan shall be located under the water‐producing device. Drain pan width shall 

be sufficient to collect water droplets across the entire width of the water‐producing device or 

assembly. For horizontal airflow configurations, the drain pan length shall begin at the leading face or 

edge of the water producing device or assembly and extend downstream from the leaving face or edge 

to a distance of either 

a. one half of the installed vertical dimension of the waterproducing device or assembly or 

b. as necessary to limit water droplet carryover beyond the drain pan to 0.0044 oz/ ft2 (1.5 mL/m2) of 

face area per hour under peak sensible and peak dew‐point design conditions, considering both latent 

load and coil face velocity. 

5.11 Finned‐Tube Coils and Heat Exchangers 

5.11.1 Drain Pans. A drain pan in accordance with Section 

5.10 shall be provided beneath all dehumidifying cooling coil assemblies and all condensate‐producing 

heat exchangers. 

5.11.2 Finned‐Tube Coil Selection for Cleaning. Individual finned‐tube coils or multiple finned‐

tube coils in series without intervening access space(s) of at least 18 in. (457 mm) shall be selected to 

result in no more than 0.75 in. wc (187 Pa) combined dry‐coil pressure drop at 500 fpm (2.54 m/s) face 

velocity. 

Exception When access for cleaning of both upstream and downstream coil surfaces is provided as well 

as clear and complete instructions for access and cleaning both upstream and downstream coil surfaces 

are provided 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 126 

5.12 Humidifiers and Water‐Spray Systems. Steam and direct‐evaporative humidifiers, air 

washers, direct‐evaporative coolers, and other water‐spray systems shall be designed in accordance 

with this section. 

5.12.1 Water Quality. Water purity shall meet or exceed potable water standards at the point where 

it enters the ventilation system, space, or water‐vapor generator. Water vapor generated shall contain 

no chemical additives other than those chemicals in a potable water system. 

Exceptions: 

1. Water‐spray systems that utilize chemical additives that meet NSF/ANSI Standard 60, Drinking Water 

Treatment Chemicals—Health Effects22 

2. Boiler water additives that meet the requirements of 21 CFR 173.310, Secondary Direct Food Additives 

Permitted In Food For Human Consumption,23 and include automated dosing devices  

5.12.2 Obstructions. Air cleaners or ductwork obstructions, such as turning vanes, volume dampers, 

and duct offsets greater than 15 degrees, that are installed downstream of humidifiers or water spray 

systems shall be located a distance equal to or greater than the absorption distance recommended by 

the humidifier or water spray system manufacturer. 

Exception Equipment such as eliminators, coils, or evaporative media shall be permitted to be located 

within the absorption distance recommended by the manufacturer, provided a drain pan complying 

with the requirements of Section 5.10 is used to capture and remove any water that may drop out of the 

airstream due to impingement on these obstructions. 

5.13 Access for Inspection, Cleaning, and Maintenance 

5.13.1 Equipment Clearance. Ventilation equipment shall be installed with sufficient working space 

for inspection and routine maintenance (e.g., filter replacement and fan belt adjustment and 

replacement). 

5.13.2 Ventilation Equipment Access. Access doors, panels, or other means shall be provided and 

sized to allow convenient and unobstructed access sufficient to inspect, maintain, and calibrate all 

ventilation system components for which routine inspection, maintenance, or calibration is necessary. 

Ventilation system components comprise, for example, air‐handling units, fan‐coil units, water‐source 

heat pumps, other terminal units, controllers, and sensors. 

5.13.3 Air Distribution System. Access doors, panels, or other means shall be provided in ventilation 

equipment, ductwork, and plenums, located and sized to allow convenient and unobstructed access for 

inspection, cleaning, and routine maintenance of the following: 

a. Outdoor air intake areaways or plenums 

b. Mixed‐air plenums 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 127 

c. Upstream surface of each heating, cooling, and heatrecovery coil or coil assembly having a total of 

four rows or fewer 

d. Both upstream and downstream surface of each heating, cooling, and heat‐recovery coil having a 

total of more than four rows and air washers, evaporative coolers, heat wheels, and other heat 

exchangers 

e. Air cleaners 

f. Drain pans and drain seals 

g. Fans 

h. Humidifiers 

5.14 Building Envelope and Interior Surfaces. The building envelope and interior surfaces within 

the building envelope shall be designed in accordance with the following subsections. 

5.14.1 Building Envelope. The building envelope, including roofs, walls, fenestration systems, and 

foundations, shall comply with the following: 

a. A weather barrier or other means shall be provided to prevent liquid‐water penetration into the 

envelope. 

Exception When the envelope is engineered to allow incidental water penetration to occur without 

resulting in damage to the envelope construction. 

b. An appropriately placed vapor retarder or other means shall be provided to limit water vapor 

diffusion to prevent condensation on cold surfaces within the envelope. 

Exception When the envelope is engineered to manage incidental condensation without resulting in 

damage to the envelope construction. 

c. Exterior joints, seams, or penetrations in the building envelope that are pathways for air leakage shall 

be caulked, gasketed, weather‐stripped, provided with a continuous air barrier, or otherwise sealed to 

limit infiltration through the envelope to reduce uncontrolled entry of outdoor air moisture and 

pollutants. 

Note: In localities where soils contain high concentrations of radon or other soil gas contaminants, the 

authority having jurisdiction may impose additional measures, such as subslab depressurization. 

5.14.2 Condensation on Interior Surfaces. Pipes, ducts, and other surfaces within the building whose 

surface temperatures are expected to fall below the surrounding dew‐point temperature shall be 

insulated. The insulation system thermal resistance and material characteristics shall be sufficient to 

prevent condensation from forming on the exposed surface and within the insulating material. 

Exceptions: 

1. Where condensate will wet only surfaces that can be managed to prevent or control mold growth 

2. Where local practice has demonstrated that condensation does not result in mold growth 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 128 

5.15 Buildings with Attached Parking Garages. In order to limit the entry of vehicular exhaust into 

occupiable spaces, buildings with attached parking garages shall be designed to 

a. maintain the garage pressure at or below the pressure of the adjacent occupiable spaces, 

b. use a vestibule to provide an airlock between the garage and the adjacent occupiable spaces, or 

c. otherwise limit migration of air from the attached parking garage into the adjacent occupiable spaces 

of the building in a manner acceptable to the authority having jurisdiction. 

5.16 Air Classification and Recirculation. Air shall be classified, and its recirculation shall be limited 

in accordance with the following subsections. 

5.16.1 Classification. Air (return, transfer, or exhaust air) leaving each space or location shall be 

designated at an expected air‐quality classification not less than that shown in Tables 5.16.1, 6.2.2.1, or 

6.5, or as approved by the authority having jurisdiction. Air leaving spaces or locations that are not 

listed in Table 5.16.1, 6.2.2.1, or 6.5 shall be designated with the same classification as air from the most 

similar space or location listed in terms of occupant activities and building construction. 

 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 129 

 

(Section of the table) 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 130 

 

Exception Air from spaces where ETS is present (Classification of air from spaces where ETS is present 

is not addressed. Spaces that are expected to include ETS do not have a classification listed in Table 

6.2.2.1.) 

Note: Classifications in Tables 5.16.1, 6.2.2.1, and 6.5 are based on relative contaminant concentration 

using the following subjective criteria: 

• Class 1: Air with low contaminant concentration, low sensory‐irritation intensity, and inoffensive odor 

• Class 2: Air with moderate contaminant concentration, mild sensory‐irritation intensity, or mildly 

offensive odors (Class 2 air also includes air that is not necessarily harmful or objectionable but that is 

inappropriate for transfer or recirculation to spaces used for different purposes.) 

• Class 3: Air with significant contaminant concentration, significant sensory‐irritation intensity, or 

offensive odor  

• Class 4: Air with highly objectionable fumes or gases or with potentially dangerous particles, 

bioaerosols, or gases, at concentrations high enough to be considered harmful 

5.16.2 Redesignation 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 131 

5.16.2.1 Air Cleaning. If air leaving a space or location passes through an air‐cleaning system, 

redesignation of the cleaned air to a cleaner classification shall be permitted, using the subjective 

criteria noted above, with the approval of the authority having jurisdiction. 

5.16.2.2 Transfer. A mixture of air that has been transferred through or returned from spaces or 

locations with different air classes shall be redesignated with the highest classification among the air 

classes mixed. 

Note: For example, mixed return air to a common system serving both a Class 1 space and a Class 2 

space is designated as Class 2 air. 

5.16.2.3 Ancillary Spaces. Redesignation of Class 1 air to Class 2 air shall be permitted for Class 1 

“spaces that are ancillary to Class 2 spaces.” 

Note: For example, an office within a restaurant may be designated as a space ancillary to a Class 2 

space, thus enabling the office to receive Class 2 air. 

5.16.3 Recirculation Limitations. When the Ventilation Rate Procedure of Section 6 is used to 

determine ventilation airflow values, recirculation of air shall be limited in accordance with the 

requirements of this section. 

5.16.3.1 Class 1 Air. Recirculation or transfer of Class 1 air to any space shall be permitted. 

5.16.3.2 Class 2 Air 

5.16.3.2.1 Recirculation of Class 2 air within the space of origin shall be permitted. 

5.16.3.2.2 Recirculation or transfer of Class 2 air to other Class 2 or Class 3 spaces shall be permitted, 

provided the other spaces are used for the same or similar purpose or task and involve the same or 

similar pollutant sources as the Class 2 space. 

5.16.3.2.3 Transfer of Class 2 air to toilet rooms shall be permitted. 

5.16.3.2.4 Recirculation or transfer of Class 2 air to Class 4 spaces shall be permitted. 

5.16.3.2.5 Class 2 air shall not be recirculated or transferred to Class 1 spaces. 

Exception When using any energy recovery device, recirculation from leakage, carryover, or transfer 

from the exhaust side of the energy recovery device is permitted. Recirculated Class 2 air shall not 

exceed 10% of the outdoor air intake flow. 

5.16.3.3 Class 3 Air 

5.16.3.3.1 Recirculation of Class 3 air within the space of origin shall be permitted. 

5.16.3.3.2 Class 3 air shall not be recirculated or transferred to any other space. 

Exception When using any energy recovery device, recirculation from leakage, carryover, or transfer 

from the exhaust side of the energy recovery device is permitted. Recirculated Class 3 air shall not 

exceed 5% of the outdoor air intake flow. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 132 

5.16.3.4 Class 4 Air. Class 4 air shall not be recirculated or transferred to any space nor recirculated 

within the space of origin. 

5.16.4 Documentation. Design documentation shall indicate the justification for classification of air 

from any occupancy category, airstream, or location not listed in Table 5.16.1, 6.2.2.1, or 6.5. 

5.17 Requirements for Buildings Containing ETS Areas and ETS‐Free Areas. The 

requirements of this section must be met when a building contains both ETS areas and ETS‐free areas. 

Such buildings shall be constructed and operated in accordance with Sections 5.17.1 through 5.17.8. 

This section does not purport to achieve acceptable indoor air quality in ETS areas. 

5.17.1 Classification. All spaces shall be classified as either ETS‐free areas or ETS areas. 

5.17.2 Pressurization. ETS‐free areas shall be at a positive pressure with respect to any adjacent or 

connected ETS areas. 

Note: Examples of methods for demonstrating relative pressure include engineering analysis, pressure 

differential measurement, and airflow measurement. 

Exceptions: 

1. Dwelling units, including hotel and motel guestrooms, and adjacent properties under different 

ownership with separation walls that are structurally independent and that contain no openings. This 

exception shall apply only when 

a. the separation walls are constructed as smoke barriers in accordance with the requirements of 

applicable standards; 

b. the separation walls include an air barrier consisting of a continuous membrane or surface treatment 

in the separation wall that has documented resistance to air leakage; continuity of the barrier shall be 

maintained at openings for pipes, ducts, and other conduits and at points where the barrier meets the 

outside walls and other barriers; and 

c. interior corridors common to ETS and ETS‐free areas are mechanically supplied with outdoor air at 

the rate of 0.1 cfm/ft2 (0.5 L/sm2). 

2. Adjacent spaces otherwise required to be held at negative pressure and posted with signs due to the 

presence of hazardous or flammable materials or vapors 

5.17.3 Separation. Solid walls, floors, ceilings, and doors equipped with automatic closing 

mechanisms shall separate ETS areas from ETS‐free areas. 

Exception Openings without doors are permitted in the separation where engineered systems are 

designed to provide airflow from ETS‐free areas into ETS areas, notwithstanding eddies that may occur 

in the immediate vicinity of the boundary between the ETS and ETSfree areas and reverse flow that 

may occur due to shortterm conditions such as wind gusts. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 133 

Note: Examples of methods for demonstrating air motion are engineering analysis and the use of a 

directional airflow indicator at representative locations in the opening, such as on 1 ft (0.3 m) centers or 

at locations required for duct traverses in standard testing and balancing procedures, such as those 

described in ASHRAE Standard 111.16 

5.17.4 Transfer Air. When air is transferred from ETS‐free areas to ETS areas, the transfer airflow rate 

shall be maintained regardless of whether operable doors or windows between ETS‐free and ETS areas 

are opened or closed. Acceptable means of doing so include fixed openings in doors, walls, or floors, 

transfer grilles, transfer ducts, or unducted air plenums with air pressure differentials in compliance 

with Section 5.17.2. 

5.17.5 Recirculation. Air‐handling and natural ventilation systems shall not recirculate or transfer air 

from an ETS area to an ETS‐free area. 

5.17.6 Exhaust Systems. Exhaust or relief air from an ETS area shall be discharged such that none of 

the air is recirculated back into any ETS‐free area. 

5.17.7 Signage. A sign shall be posted outside each entrance to each ETS area. The sign shall state, as 

a minimum, “This Area May Contain Environmental Tobacco Smoke” in letters at least 1 in. (25 mm) 

high or otherwise in compliance with accessibility guidelines. 

Note: Based on the definition of ETS area, such a sign may be posted outside a larger ETS area that 

includes the area where smoking is permitted. 

Exception Instead of the specified sign, equivalent notification means acceptable to the authority 

having jurisdiction may be used. 

5.17.8 Reclassification. An area that was previously an ETS area, but now meets the requirements of 

an ETS‐free area, may be classified as such after intentional or allowed smoke exposure has stopped 

and odor and irritation from residual ETS contaminants are not apparent. 

6. PROCEDURES 

6.1 General. The Ventilation Rate Procedure, the IAQ Procedure, and/or the Natural Ventilation 

Procedure shall be used to meet the requirements of this section. In addition, the requirements for 

exhaust ventilation in Section 6.5 shall be met regardless of the method used to determine minimum 

outdoor airflow rates. 

Note: Although the intake airflow determined using each of these approaches may differ significantly 

because of assumptions about the design, any of these approaches is a valid basis for design. 

6.1.1 Ventilation Rate Procedure. The prescriptive design procedure presented in Section 6.2, in 

which outdoor air intake rates are determined based on space type/application, occupancy level, and 

floor area, shall be permitted to be used for any zone or system. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 134 

Note: The Ventilation Rate Procedure minimum rates are based on contaminant sources and source 

strengths that are typical for the listed occupancy categories. 

6.1.2 IAQ Procedure. This performance‐based design procedure (presented in Section 6.3), in which 

the building outdoor air intake rates and other system design parameters are based on an analysis of 

contaminant sources, contaminant concentration limits, and level of perceived indoor air acceptability, 

shall be permitted to be used for any zone or system. 

6.1.3 Natural Ventilation Procedure. The prescriptive design procedure presented in Section 6.4, 

in which outdoor air is provided through openings to the outdoors, shall be permitted to be used for any 

zone or portion of a zone in conjunction with mechanical ventilation systems as required in Section 6.4. 

6.2 Ventilation Rate Procedure. The outdoor air intake flow (Vot) for a ventilation system shall be 

determined in accordance with Sections 6.2.1 through 6.2.7. 

8. OPERATIONS AND MAINTENANCE 

8.1 General 

8.1.1 Application. The requirements of this section apply to buildings and their ventilation systems 

and their components constructed or renovated after the adoption date of this section. 

8.1.2 Building Alterations or Change‐of‐Use. Ventilation system design, operation, and maintenance 

shall be reevaluated when changes in building use or occupancy category, significant building 

alterations, significant changes in occupant density, or other changes inconsistent with system design 

assumptions are made. 

8.2 Operations and Maintenance Manual. An operations and maintenance (O&M) manual, either 

written or electronic, shall be developed and maintained on site or in a centrally accessible location for 

the working life of the applicable ventilation system equipment or components. This manual shall be 

updated as necessary. The manual shall include the O&M procedures, ventilation system operating 

schedules and any changes made thereto, final design drawings, maintenance schedules and any 

changes made thereto, and the maintenance requirements and frequencies detailed in Section 8.4. 

8.3 Ventilation System Operation. Mechanical and natural ventilation systems shall be operated in 

a manner consistent with the O&M manual. Systems shall be operated such that spaces are ventilated 

in accordance with Section 6 when they are expected to be occupied. 

8.4 Ventilation System Maintenance 

8.4.1 Ventilation System Components. The building ventilation system components shall be 

maintained in accordance with the O&M manual or as required by this section and summarized in Table 

8.4.1. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 135 

 

8.4.1.1 Filters and Air‐Cleaning Devices. All filters and air‐cleaning devices shall be replaced or 

maintained as specified by the O&M manual. 

8.4.1.2 Outdoor Air Dampers. At a minimum of once every three months or as specified in the O&M 

manual, the outdoor air dampers and actuators shall be visually inspected or remotely monitored to 

verify that they are functioning in accordance with the O&M manual. 

8.4.1.3 Humidifiers. Humidifiers shall be cleaned and maintained to limit fouling and microbial 

growth. Any automatic chemical‐dosing equipment shall be calibrated and maintained in accordance 

with the O&M manual to maintain additive concentrations to comply with Section 5.12.1. These 

systems shall be inspected at a minimum of once every three months of operation and/or treated in 

accordance with the O&M manual. 

8.4.1.4 Dehumidification Coils. All dehumidifying cooling coils shall be visually inspected for 

cleanliness and microbial growth regularly when it is likely that dehumidification occurs, but no less 

than once per year or as specified in the O&M manual, and shall be cleaned when fouling or microbial 

growth is observed. 

  MODULE 5 NOTES: RELATED STANDARDS AND CODES OF SYSTEMS AND SUBSTANCES. 136 

8.4.1.5 Drain Pans. Drain pans shall be visually inspected for cleanliness and microbial growth at a 

minimum of once per year during the cooling season, or as specified in the O&M manual, and shall be 

cleaned if needed. Areas adjacent to drain pans that were subjected to wetting shall be investigated, 

cleaned if necessary, and the cause of unintended wetting rectified. 

8.4.1.6 Outdoor Air Intake Louvers. Outdoor air intake louvers, bird screens, mist eliminators, and 

adjacent areas shall be visually inspected for cleanliness and integrity at a minimum of once every six 

months, or as specified in the O&M manual, and cleaned as needed. When visible debris or visible 

biological material is observed, it shall be removed. Physical damage to louvers, screens, or mist 

eliminators shall be repaired if such damage impairs their function in preventing contaminant entry. 

8.4.1.7 Sensors. Sensors whose primary function is dynamic minimum outdoor air control, such as 

flow stations at an air handler and those used for demand control ventilation, shall have their accuracy 

verified as specified in the O&M manual. This activity shall occur at a minimum of once every six 

months or periodically in accordance with the O&M manual. A sensor failing to meet the accuracy 

specified in the 

O&M manual shall be recalibrated or replaced. 

8.4.1.8 Outdoor Airflow Verification. The total quantity of outdoor air to air handlers, except for 

units under 2000 cfm (1000 L/s) of supply air, shall be measured in minimum outdoor air mode once 

every five years. If measured minimum airflow rates are less than the design minimum rate (±10% 

balancing tolerance) documented in the O&M manual, they shall be adjusted or modified to bring them 

to the minimum design rate or evaluated to determine if the measured rates are in compliance with this 

standard. 

8.4.1.9 Cooling Towers. Cooling tower water systems shall be treated to limit the growth of 

microbiological contaminants including legionella sp. in accordance with the O&M manual or the water 

treatment program. 

8.4.1.10 Equipment/Component Accessibility. The space provided for routine maintenance and 

inspection around ventilation equipment shall be kept clear. 

8.4.1.11 Floor Drains. Floor drains located in air plenums or rooms that serve as plenums shall be 

maintained to prevent transport of contaminants from the floor drain to the plenum. 

8.4.2 Microbial Contamination. Visible microbial contamination shall be investigated and rectified. 

8.4.3 Water Intrusion. Water intrusion or accumulation in ventilation system components such as 

ducts, plenums, and air handlers shall be investigated and rectified.