基于低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組的制冷劑替代實(shí)驗(yàn)研究

曹 巍

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著社會(huì)快速發(fā)展，空調(diào)技術(shù)也在不斷更新。早期的空調(diào)使用的制冷劑是氟利昂R22，由于R22對(duì)臭氧層危害較大，逐漸被不含氯元素的R410A替代。R410A是由R32和R125按照50:50的質(zhì)量百分比組成的二元準(zhǔn)共沸混合制冷劑組成。R410A雖然對(duì)臭氧層沒(méi)有危害，但在很大程度上會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)，加劇全球變暖。1 kg R410A排放到大氣中所造成的溫室效應(yīng)相當(dāng)于排放1 900 kg CO2，而1公斤R32相當(dāng)于排放580公斤CO2，不到前者的三分之一。這樣的背景下，R32作為新一代節(jié)能減排環(huán)保無(wú)毒制冷劑，成為一個(gè)上佳選擇登上了歷史舞臺(tái)。隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的生效，加速了制冷劑替代在空調(diào)機(jī)組上的進(jìn)程。目前制冷空調(diào)機(jī)組采用的R410A制冷劑將逐漸被低GWP（全球變暖潛能值）的制冷劑取代。在替代方案中，R32以及R32和HFC類（氫氟烴類）制冷劑組成的混合制冷劑成為業(yè)界研究重點(diǎn)。在中國(guó)、日本以及東南亞地區(qū)，R32的低成本高能效特性使其成為中小型空調(diào)機(jī)組的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)[1]。

1 制冷劑性能分析

R32與R410A的區(qū)別主要在熱力性質(zhì)、GWP值、CO2減排、可燃性和循環(huán)性能方面的區(qū)別。R32制冷劑是R410A制冷劑的優(yōu)秀環(huán)保替代品之一。

表1是R32和R410A物理性質(zhì)對(duì)比[2]，從表1中可以看出：

表1 制冷劑物理性質(zhì)

1）熱物性：R32充注量可減少，僅為R410A的0.71倍，R32可以使用較小排量的壓縮機(jī)和系統(tǒng)部件，相比R410A系統(tǒng)節(jié)約成本；R32系統(tǒng)工作壓力較R410A高，但最大升高不超過(guò)4 %，與R410A系統(tǒng)的承壓要求相當(dāng)。

2）環(huán)保特性：ODP值（消耗臭氧潛能值）均為0，但R32的GWP值適中，與R22相比CO2減排比例可達(dá)77.6 %，而R410A與R22相比CO2減排比例僅為2.5 %，R32在CO2減排方面明顯優(yōu)于R410A。

3）安全性：R32與R410A均無(wú)毒，R32具有可燃性。在R22的幾種替代物R32、R290中，R32的LFL（燃燒下限）濃度最高。R290雖然最為環(huán)保，但有著高度易燃的性質(zhì)，安全等級(jí)為A3，所以要求只能用于2匹以內(nèi)的空調(diào)，大匹數(shù)空調(diào)使用受到限制。

表2是ARI Standard 520標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)工況（蒸發(fā)溫度7.2 ℃，冷凝溫度54.4 ℃，過(guò)熱度11.1 ℃，過(guò)冷度8.3 ℃，壓縮機(jī)等熵效率為0.75）下制冷劑理論循環(huán)特性[3]。從表中看出：R32熱工性能優(yōu)于R410A，R32系統(tǒng)單位容積制冷量比R410A要高12.7 %，COP約高5.3 %，但是排氣溫度高25 ℃，排氣壓力高0.03 MPa。

表2 制冷劑理論循環(huán)特性

可以看出，在環(huán)保性能方面，R32的GWP值比R410A低，同樣不破壞臭氧層，所以R32在CO2減排方面表現(xiàn)出色。在安全性能方面，R32無(wú)毒，但具有低可燃性。在使用R32時(shí)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)的安全措施就能提高安全性能，提高設(shè)備使用R32時(shí)的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)選用2臺(tái)25 kW低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組，系統(tǒng)流程如圖1所示[4]。分別通過(guò)匹配實(shí)驗(yàn)確認(rèn)最佳灌注量，樣機(jī)1充注R410A冷媒11 kg；樣機(jī)2充注R32冷媒9 kg，2臺(tái)機(jī)組均采用補(bǔ)氣增焓全封閉轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)（壓縮機(jī)排量相當(dāng)），樣機(jī)2在樣機(jī)1基礎(chǔ)上減小了翅片換熱器面積并增大了水側(cè)換熱器面積（在殼體尺寸、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等方面相同的情況下，調(diào)整兩器大小，以最終達(dá)到較好的性能）。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采集排氣壓力Pc、中間壓力Pm、低壓壓力Pe、感溫包8的溫度T1、感溫包4的溫度T2、感溫包10的溫度Ts。

機(jī)組制冷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電子膨脹閥5和電子膨脹閥13的調(diào)節(jié)來(lái)控制系統(tǒng)過(guò)冷度和中間補(bǔ)氣壓力，通過(guò)電子膨脹閥7的調(diào)節(jié)來(lái)控制系統(tǒng)吸氣過(guò)熱度，進(jìn)而確保雙級(jí)壓縮機(jī)壓力平衡，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全可靠地運(yùn)行。系統(tǒng)過(guò)冷度、中間補(bǔ)氣目標(biāo)壓力和系統(tǒng)吸氣過(guò)熱度的計(jì)算分別見(jiàn)公式（1）、（2）和（3）。

式中：

△Tc—系統(tǒng)過(guò)冷度；

P補(bǔ)—中間補(bǔ)氣目標(biāo)壓力；

K—中間壓力系數(shù)；

△TS—系統(tǒng)吸氣過(guò)熱度。

機(jī)組制熱運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電子膨脹閥7和電子膨脹閥13的調(diào)節(jié)來(lái)控制系統(tǒng)過(guò)冷度和中間補(bǔ)氣壓力，通過(guò)電子膨脹閥5的調(diào)節(jié)來(lái)控制系統(tǒng)吸氣過(guò)熱度。系統(tǒng)過(guò)冷度的計(jì)算見(jiàn)公式（4），中間補(bǔ)氣目標(biāo)壓力和系統(tǒng)吸氣過(guò)熱度的計(jì)算與制冷運(yùn)行的公式一樣，分別見(jiàn)公式（2）和（3）。

系統(tǒng)過(guò)冷度△Tc、中間壓力系數(shù)K和吸氣過(guò)熱度△TS需要通過(guò)不同工況下實(shí)際空調(diào)器的系統(tǒng)進(jìn)行匹配測(cè)試后確定。

當(dāng)系統(tǒng)過(guò)冷度偏小時(shí)，需減小電子膨脹閥5或電子膨脹閥7的開(kāi)度；當(dāng)系統(tǒng)過(guò)冷度偏大時(shí)，需增大電子膨脹閥5或電子膨脹閥7的開(kāi)度（制冷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)電子膨脹閥5，制熱運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)電子膨脹閥7）。

當(dāng)壓力傳感器14檢測(cè)到的中間補(bǔ)氣壓力Pm＜P補(bǔ)時(shí)，需增大補(bǔ)氣電子膨脹閥13的開(kāi)度；當(dāng)壓力傳感器14檢測(cè)到的中間補(bǔ)氣壓力Pm＞P補(bǔ)時(shí)，需減小補(bǔ)氣電子膨脹閥13的開(kāi)度。

當(dāng)系統(tǒng)吸氣過(guò)熱度偏小時(shí)，需減小電子膨脹閥7或電子膨脹閥5的開(kāi)度；當(dāng)系統(tǒng)吸氣過(guò)熱度偏大時(shí)，需增大電子膨脹閥7或電子膨脹閥5的開(kāi)度（制冷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)電子膨脹閥7，制熱運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)電子膨脹閥5）。

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

低環(huán)境溫度空氣源熱泵的最新國(guó)標(biāo)GB/T 25127.2-2020已于2021年4月實(shí)施，但2020年11月1日實(shí)施的低環(huán)溫空氣源熱泵能效標(biāo)準(zhǔn)GB 37480-2019還是參照GB/T 25127.2-2010的測(cè)試方法[5-7]。且低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組節(jié)能認(rèn)證的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為GB 37480-2019，能效備案的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也是GB 37480-2019。故實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB 37480-2019標(biāo)準(zhǔn)確定測(cè)試工況如表3，分別對(duì)2臺(tái)不同制冷劑的機(jī)組進(jìn)行測(cè)試。兩臺(tái)機(jī)組名義制冷量和名義制熱量明示值均為25 kW。

表3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從表4的對(duì)比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑機(jī)組的實(shí)測(cè)名義制冷量比R410A制冷劑機(jī)組實(shí)測(cè)名義制冷量提高了4.8 %，能效提高了9.7 %。使用R410A制冷劑的機(jī)組壓縮機(jī)頻率需要50 Hz運(yùn)行才滿足25 kW能力，而使用R32制冷劑的機(jī)組上的壓縮機(jī)只需到46 Hz運(yùn)行即可滿足25 kW能力。這樣，R32制冷劑機(jī)組相比R410A機(jī)組壓縮機(jī)頻率降低了4 Hz，系統(tǒng)功率降低了400 W，從而R32制冷劑機(jī)組能效更高。名義制冷工況下，使用R32制冷劑的機(jī)組的排氣溫度為86 ℃，雖然比R410A機(jī)組排氣溫度高了13 ℃，但仍在可控范圍內(nèi)。

表4 名義制冷性能對(duì)比

從表5的對(duì)比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑的空氣源熱泵機(jī)組的制熱量比R410A制冷劑的機(jī)組降低了0.9 %，但都滿足名義制熱量的性能要求（GB/T 25127.2-2020標(biāo)準(zhǔn)要求機(jī)組的實(shí)測(cè)制熱量不小于名義制熱量明示值的95 %，實(shí)測(cè)制熱量大于名義制熱量明示值的100 %），能效提升3 %。使用R410A制冷劑的機(jī)組壓縮機(jī)頻率需要66 Hz運(yùn)行才滿足25 kW能力，而使用R32制冷劑的機(jī)組上的壓縮機(jī)只需到64 Hz運(yùn)行即可滿足25 kW能力。這樣，R32制冷劑機(jī)組相比R410A機(jī)組壓縮機(jī)頻率降低了2 Hz，系統(tǒng)功率降低了600 W，從而R32制冷劑機(jī)組能效更高。名義制熱下，使用R32的機(jī)組的排氣溫度比R410A高了9 ℃，在可控范圍內(nèi)。

表5 名義制熱性能對(duì)比

從表6的對(duì)比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑的空氣源熱泵機(jī)組低溫制熱量比R410A制冷劑的機(jī)組提升2.2 %，能效提升4.6 %。即在-20 ℃環(huán)溫下，使用R32的系統(tǒng)制熱效果也優(yōu)于R410A。

表6 低溫制熱性能對(duì)比

從表7的對(duì)比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑的空氣源熱泵機(jī)組的IPLV（H）比R410A制冷劑的機(jī)組提升4.8 %。R410A制冷劑的機(jī)組能效等級(jí)為2級(jí)（GB 37480-2019），R32制冷劑的機(jī)組能效等級(jí)為1級(jí)。

表7 制熱IPLV（H）對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)以上制冷劑分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

1）R32的GWP不到R410A 的三分之一，是溫室氣體減排的高效解決方案，可在小型商用機(jī)組上推廣。

2）R32的單位容積制冷量比R410A大，要達(dá)到同樣的能力，可適當(dāng)降低壓縮機(jī)頻率或選用較小排量的壓縮機(jī)；系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器經(jīng)優(yōu)化后，R32制冷劑的充注量為R410A的81.8 %，R32系統(tǒng)機(jī)組通過(guò)優(yōu)化選型可有效降低機(jī)組成本。

3）機(jī)組采用雙級(jí)壓縮中間補(bǔ)氣系統(tǒng)，通過(guò)合理控制系統(tǒng)過(guò)冷度、中間壓力系數(shù)和吸氣過(guò)熱度，以達(dá)到最優(yōu)能效的同時(shí)，使R32制冷劑機(jī)組的排氣溫度控制在可接受范圍內(nèi)，防止排氣溫度過(guò)高而影響壓縮機(jī)可靠性。

4）采用R32替代R410A后，各工況下的機(jī)組性能系數(shù)得到全面提升，表現(xiàn)出較好的性能優(yōu)勢(shì)。其中，名義制冷能效提升9.7 %，名義制熱能效提升3 %，低溫制熱能效提升4.6 %，整機(jī)IPLV（H）提升4.8 %，機(jī)組能效等級(jí)由2級(jí)提升到1級(jí)。