HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑用于熱泵熱水器的實驗研究

陳紅群 王芳 藕俊彥 汪濤 余大維 王瑩

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑用于熱泵熱水器的實驗研究

陳紅群 王芳 藕俊彥 汪濤 余大維 王瑩

（上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093）

本文選用了NIST發行的REFPRO9.0制冷劑計算程序及KW2模型參數對混合制冷劑HFO-1234ze與HFC-32在不同配比下的熱物性進行了模擬計算，并依據熱泵熱水器測試的標準工況，計算了不同配比下混合制冷劑的理論循環特性，分析得出了HFO-1234ze／HFC-32較為合適的配比。通過一次加熱（即熱式）熱泵熱水器實驗臺，對多種環境工況及不同進水溫度進行性能測試，分別對R410A和混合制冷劑（HFO-1234ze與HFC-32配比0.3／0.7）在實驗系統中的壓縮機功率、系統性能系數、壓縮機吸、排氣壓力和溫度、冷凝器出水溫度等參數進行了對比分析。結果表明：混合制冷劑（HFO-1234ze與HFC-32配比0.3／0.7）的壓縮機功率和排氣壓力都低于R410A系統，而COP高于R410A系統，在標準工況下，分別為4.03和3.56，且在高于標準工況的環境溫度情況下，混合制冷劑系統COP下降速率低于R410A系統，有利于熱水器機組的安全穩定運行，在替代R410A系統方面具有可行性。

熱泵熱水器；混合制冷劑；實驗工況；性能系數

近年來，溫室氣體帶來的氣候變化及環境破壞引起了人們對環境保護的日益重視。熱泵熱水器以其高效、環保的特點受到廣泛關注［1-2］。隨著經濟的發展，熱水能耗在建筑能耗中占的比重越來越大，促進了人們對熱水器產品的環保節能需求。我國2012年6月將其納入了家電的補貼范圍，空氣源熱泵熱水器迎來了行業繁榮發展的黃金時期［3］。目前空氣源熱泵熱水器廣泛采用R22作為制冷劑，R22屬于氫氯氟烴（HCFCs）類制冷劑，對臭氧層具有破壞作用。《蒙特利爾議定書》規定，發達國家應在2020年淘汰HCFCs的使用，而發展中國家可延長至2030年［4］。國內熱泵熱水器對R22的替代物氫氟烴（HFCs）R410A，雖然 ODP為零，但 GWP仍然達到 1924。2014年歐盟修訂的F-gas法規［5］明確規定，從2015 年1月1日和2022年1月1日起，分別禁止包含HFCs及其GWP大于150的家用冰箱和冷凍機及商用冷藏箱和冷凍箱進入市場。高GWP的制冷劑已越來越多的引起關注且終將被并入淘汰行列［6］，制冷劑從高GWP向低GWP過渡也成為制冷空調行業制冷劑替代的重要研究內容。

杜邦公司和霍尼韋爾公司共同開發了新型制冷劑HFO-1234ze，其ODP為0，GWP僅為6，且大氣壽命較短，是一種環境友好型制冷劑。但純工質的HFO-1234ze潛熱值較小，蒸發壓力較低，導熱系數偏低，會導致系統性能系數的下降，而HFC-32具有較好的熱物性及傳輸特性，擁有較高的理論COP及容積制冷量［7-10］，可作為改善制冷劑HFO-1234ze熱力學特性與傳輸特性的摻混物［11］。國外已有學者Hossain M A等［12-13］對HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在蒸發和冷凝下進行了單管流動換熱實驗研究。

本文在混合制冷劑熱物性理論分析及制冷循環最佳配比討論的基礎上，通過熱泵熱水器多工況性能測試，開展整機運行特性方面的研究。

1 理論分析

1.1 混合法則

目前，國內外許多學者對于HFO-1234ze及其混合制冷劑的熱力學狀態方程已經有了一定的研究。用亥姆霍茲（Helmholtz）能量表示的狀態方程被廣泛用來描述制冷劑的熱力學特性參數，Akasaka R［14］對基于混合物的亥姆霍茲能量表示的狀態方程模型進行了研究，并結合已有的工作對模型進行了參數擬合。亥姆霍茲能量α表示為：

式中：a為摩爾亥姆霍茲能量；T為混合制冷劑溫度；R=8.314472J／（mol·K）為通用氣體常數；αidmix為理想部分，由下式計算：

1.2 熱力學性質分析

本文選用了美國國家標準和技術研究所（USA National Institute of Standard and Technology，簡稱NIST）發行的REFPRO9.0制冷劑計算程序，并應用Ryo Akasaka優化的KW2模型參數（如表1所示）對HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在各配比下制冷劑的熱物性及循環性能進行了計算，選取的HFC-32／HFO-1234ze配比比率關系如表2所示。

將各配比下混合制冷劑作為研究對象，在各配比下的混合制冷劑壓焓圖中，選取飽和液體線上溫度為253.15 K時對應的壓力，計算等壓蒸發時的飽和氣體線上的溫度，從而計算出其溫度滑移列于表3。

表1 REFPRO9.0中的KW2模型參數Tab.1 The KW2model parameters in REFPRO9.0

表2 HFC-32／HFO-1234ze配比（質量百分比）Tab.2 The m ixing ratio of R32／R1234ze（m ass percentage）

表3 不同配比下混合制冷劑定壓蒸發時的溫度滑移Tab.3 Temperature glide of m ixed refrigerant under different m ixing ratio

表4 不同配比下混合制冷劑臨界壓力Tab.4 The critical pressure of m ixed refrigerant under different m ixing ratio

由表3可知，不同配比下的混合制冷劑存在不同的溫度滑移，溫度滑移在配比2時最大，之后隨著HFC-32的增加而逐漸減小。造成這一現象的主要原因是由于HFC-32與HFO-1234ze的混合物是非共沸制冷劑，隨著配比的變化引起蒸發時產生不同露點溫度和泡點溫度，導致兩相區的范圍變化，這些因素造成了溫度滑移的產生。對混合制冷劑的臨界壓力進行研究，將其列入表4，可以看出，隨著配比中HFC-32含量的不斷增加，混合物的臨界壓力逐漸增高，對系統承壓性能要求也就越高，從而機組運行安全性降低。

1.3 理論循環性能分析

熱泵熱水器理論循環計算工況的確定參照國標GB／T 23137—2008［15］中有關熱泵熱水器試驗工況的規定。對于生活熱水，溫度規定要高于55℃，更要考慮衛生方面的要求，城市用水取自市政自來水，不必考慮滋生細菌問題。生活中用于洗浴、洗碗、洗衣等，若不使用水箱，熱泵可直接供40℃或45℃熱水，達到需要的流量［16］。由于本文提供人工環境測試的實驗室容量所限，選配機組功率較小，且主要通過比較制冷劑性能展開研究，故采用42℃作為即熱式熱泵熱水器出口水溫，取熱泵機組冷凝溫度為52℃，在標準工況下對不同配比下的混合制冷劑和 HFC-32，R410A以及HFO-1234ze進行理論循環計算，測試工況條件如表5所示。理論循環計算過程中各點的壓力、比焓、比體積、比熵等狀態參數均依據 REFPROP9.0軟件的計算得出，計算結果列出如下表6所示。

表5 熱泵熱水器理論循環計算工況Tab.5 Theoretical cycle calculation condition of heat pum p water heater

表6 理論循環性能對比Tab.6 Performance comparison of theoretical cycle

由幾種制冷劑及HFC-32與HFO-1234ze混合制冷劑的理論循環分析可知，HFC-32排氣壓力最高，其對應的單位制熱量亦最大，而純HFO-1234ze制冷劑各循環參數都較低，HFO-1234ze與HFC-32的混合制冷劑隨著HFC-32含量由配比1增加到配比2，即由10%增加到30%時，單位制熱量有一個降低過程，而理論比功由于壓力的上升而上升，使得制熱系數降低。當HFC-32含量繼續增加時，單位制熱量和理論比功呈現持續增加的形式，雖然純HFO-1234ze在氣相區等熵線斜率較大，理論比功較小，增加HFC-32會使得理論比功增大，但由于增加HFC-32同時也使單位制熱量增加，且增加幅度大于理論比功的增加，使制熱系數總體上有上升趨勢。由以上對比可知，當混合制冷劑組成在配比4和配比5時，制熱系數高于R410A，單位容積制熱量最為接近，而冷凝壓力卻能低于R410A，循環性能有所提高，可以替代R410A熱泵系統。考慮HFO-1234ze的低GWP及低排氣壓力，配比4即HFC-32／HFO-1234ze質量比為0.7／0.3時可作為替代R410A的混合制冷劑配比。

2 實驗測試

在對HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑的熱物性及理論循環進行分析的基礎上，本文通過實驗分別對充注混合制冷劑和R410A的熱泵熱水器進行性能測試，觀察實際運行中進行對比。熱泵熱水器所選用R410A專用壓縮機，標況下功率為1 615 W，冷凝器為套管式換熱器，蒸發器為7 mm管徑的翅片管式換熱器，用T型熱電偶采集溫度，并在壓縮機進出口安裝壓力變送器。各實驗儀器精度見表7，實驗系統原理圖及實物圖分別如圖1和圖2所示。

表7 測量儀器精度Tab.7 The accuracy of measuring instrument

2.1 實驗測試工況

根據國家標準GB／T 23137—2008中有關熱泵熱水器試驗工況的規定，本實驗測試除標準工況外另自擬定5個工況，為便于敘述及在圖上表達，下文中統一按工況1～工況6依次表示，其中工況4為標準工況。具體各工況條件見表8所示。

圖1 熱水器實驗系統原理及測點分布圖Fig.1 Schematic diagram and measuring points distribution of the experimental system

圖2 熱泵熱水器系統實物圖Fig.2 The factual picture of heat pump water heater

2.2 實驗結果及性能分析

2.2.1 壓縮機吸排氣壓力及溫度對比分析

HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑和R410A在不同工況下的吸排氣溫度及吸排氣壓力分別如圖3和圖4所示。隨著環境溫度及進水溫度的增加，R410A的吸排氣溫度和吸排氣壓力都不斷增加，且混合制冷劑吸排氣壓力均低于R410A，這主要是受到HFO-1234ze的影響，純工質HFO-1234ze的吸排氣壓力和溫度均低于R410A。當環境溫度及進水溫度不斷增加時，制冷劑的冷凝效果變差，導致冷凝壓力上升，壓縮機排氣壓力增大，而壓縮機的吸氣壓力變化不大，因此在高溫工況下壓比增大，但HFO-1234ze 與HFC-32的混合制冷劑壓比變化明顯低于R410A，較低的壓力是機組安全運行的有力保障。

表8 熱泵熱水器測試工況Tab.8 The test conditions of heat pum p water heater

圖3 壓縮機在不同工況下的吸排氣溫度Fig.3 The suction and discharge tem perature of compressor under different conditions

2.2.2 壓縮機功率及系統COP對比分析

由圖5和圖6可知，在各工況下，HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑的COP均高于R410A，且R410A 的COP最大值為3.56，混合制冷劑的COP最大值為4.03。隨著工況溫度越來越高，由于排氣溫度和壓力越來越高，換熱效果變差，而壓縮機功率變大，在工況4、工況5、工況6時，R410A及混合制冷劑的COP值均呈現下降趨勢，但混合制冷劑COP下降趨勢明顯小于R410A。這是因為混合制冷劑吸排氣壓力都較低，循環系統在壓焓圖上的過熱區等熵線斜率較大，隨著環境溫度的升高，壓縮機功率的變化相對緩慢，在換熱量變化相差不大時，系統COP降低的更慢。

圖4 壓縮機在不同工況下的吸排氣壓力Fig.4 The suction and discharge pressure of compressor under different conditions

圖5 不同工況下的壓縮機功率Fig.5 The com pressor power under different conditions

圖6 系統在不同工況下的COPFig.6 COP of the system under different conditions

2.2.3 出水溫度測試及分析

熱泵熱水器制冷劑替代研究不僅要有合適的性能參數，還要保證一定的出水溫度，圖7所示為制冷劑分別為HFO-1234ze與HFC-32和R410A時熱泵熱水器在各工況下的進出水溫度。

由圖7可知，由于機組功率較小，熱泵熱水器出水溫度整體偏低，在換熱器及系統匹配上有待進一步優化。在不同工況下，HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑的出水溫度比R410A的出水溫度略低，但相差不大，只有1～2℃。由實驗數據看到混合制冷劑機組的功耗較低，COP較高，尤其是在高溫工況下優勢更為明顯，使得混合制冷劑在替代R410A機組方面具有可行性，因此與R410A制冷劑相比，混合制冷劑更適合于高溫工況。

圖7 不同工況下的進出水溫度Fig.7 The temperature of inlet and outlet water under different conditions

3 結論

本文選用NIST發行的REFPRO9.0制冷劑計算程序，應用Ryo Akasaka優化的KW2模型參數計算并對比分析了HFO-1234ze和HFC-32的混合制冷劑與R410A的熱物理性質，計算了HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在不同配比下的理論循環，分析得出HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑配比為0.3／0.7時，單位容積制熱量與R410A最為接近，且制熱系數更高，而冷凝壓力卻低于 R410A，循環性能有所提高。

對該配比下HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑及R410A制冷劑應用于熱泵熱水器進行了實驗研究，通過不同工況下HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑及R410A熱泵熱水器的運行參數特性分析。結果表明：HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑系統的運行壓力低于 R410A系統，但性能系數 COP高于R410A，且HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在高于標準工況的環境溫度時，COP下降更為緩慢，性能優勢更為明顯，可為熱泵熱水器的制冷劑替代提供可行性參考。

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About the author

Chen Hongqun，male，master candidate，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 15901822926，E-mail：chenhonqun＠163.com. Research fields：new environmental protection refrigerant substitution，refrigeration system test.

Experimental Study of HFO-1234ze and HFC-32 Mixture on Heat Pump Water Heater

Chen Hongqun Wang Fang Ou Junyan Wang Tao Yu Dawei Wang Ying

（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Based on REFPRO 9.0 and KW2 model parameters，the thermophysical properties of mixing refrigerant HFO-1234ze／HFC-32 were calculated in this paper，and the cycle performance of mixed refrigerant in different ratios was figured out according to the heat pump water heater test standard.The results showed that the optimal mixture ratio is 0.3／0.7.With this ratio，the performance of heat pump water heater in different operating conditions were conducted and compared with R410A.The results indicate that the mixed refrigerant′s compressor power consumption and discharge pressure are lower than R410A system，which is conducive to the safe and stable operation of the water heater；under the standard condition，the COP is 4.03 which is higher than R410A′s 3.56；meanwhile the decline rate of COP is lower than R410A when the temperature is higher than the standard condition.Therefore，the mixed refrigerant is feasible to replace R410A.

heat pump water heater；mixed refrigerants；test conditions；COP

TB61+2；TQ051.5

A

0253-4339（2016）06-0020-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.020

陳紅群，男，碩士研究生，上海理工大學能源與動力工程學院，15901822926，E-mail：chenhonqun＠163.com。研究方向：新型環保制冷劑替代，制冷系統測試。

2016年3月16日