R290與常見熱泵熱水器工質的循環特性分析

摘" 要：該文列舉R290與R32、R410A、R134a家用熱泵熱水器常用工質的基礎物性參數，基于單級蒸汽壓縮熱力學循環模型，在35～70 ℃不同冷凝溫度條件下對4種工質的循環特性進行熱力學分析。結果表明，在相同條件下R290的排氣溫度、排氣壓力以及壓縮比較低，且對冷凝溫度變化的敏感度較小，具備較優的排氣特性；R290在制熱量方面沒有較多的優勢，為達到與R32和R410A系統相同的制熱能力水平，R290系統需要更大的壓縮機排量，但其具備更優循環COP，在降低系統能耗方面更有潛力。

關鍵詞：R290工質；家用熱泵熱水器；熱泵循環特性；熱力學分析；制熱能力

中圖分類號：TB612" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0095-05

Abstract： This paper lists the basic physical parameters of commonly used working fluids of R290， R32， R410A， and R134a household heat pump water heater. Based on a single-stage vapor compression thermodynamic cycle model， the cycle characteristics of the four working fluids are analyzed under different condensation temperatures of 35 to 70℃. The results show that under the same conditions， R290 has low exhaust temperature， exhaust pressure and compression ratio， and is less sensitive to changes in condensation temperature， and has better exhaust characteristics; The R290 does not have many advantages in terms of heating capacity. In order to achieve the same heating capacity level as the R32 and R410A systems， the R290 system requires a larger compressor displacement， but it has better cycle COP and reduces system energy consumption. More potential.

Keywords： R290 working fluid; household heat pump water heater; heat pump cycle characteristics; thermodynamic analysis; heating capacity

近年來，全球氣候環境問題已經演變為國際社會尋求低碳可持續發展道路上共同面臨的重大問題，立足日益嚴峻的全球氣候變暖形勢，在“雙碳”目標的大背景下，各個行業吹響低碳發展的沖鋒號。在熱泵、空調領域，面對HCFCs制冷劑對環境影響的壓力，尋找低碳、高效的環保制冷劑已成為全行業踐行低碳可持續發展理念的必由之路[1-5]。其中在家用熱泵空調領域，對于現在主流的R410A、R32以及R134a等第三代HFCs制冷劑而言，由于其具有較高的GWP值，注定會逐漸被其他更環保的新型冷媒替代。相關研究發現，碳氫化合物是最有潛力的替代工質，特別是天然制冷劑R290，在GWP、ODP和熱物性方面具備顯著優勢，逐漸被業內所研究和應用[6-12]，張太康等[13]在熱泵熱水器典型工況下對R134a、R417a和R22進行了實驗測試，驗證了性能參數隨環境工況變化的關系，為熱泵熱水器的設計及工質選用提供了參考，秦闖和張振亞等[14-15]在制冷及空調工況下對R290和R32的循環特性進行了理論和實驗研究，為R290在制冷及空調系統中的工質替代提供了理論參考；彭斌等[16]基于空氣源熱泵熱水器能量■分析模型，對R22和R134a系統和部件的有效能進行了研究，為R134a替代R22的系統優化提供一定的理論依據。

1" 物性參數差異對比

由表1可知，在臭氧消耗潛能方面，4種制冷劑的ODP均為0，但是在溫室效應潛能方面，R410A具有最高的GWP值，對溫室效應的危害最大，R290的GWP最小，對溫室效應最為友好，具備良好的環保特性，具備成為長期制冷劑的可能性。臨界溫度和標準沸點分表代表了不同制冷劑的飽和溫度的上限和下限，對比可知，R290相對于R32和R410A具有更高的臨界溫度，因此適合于更高溫度需求的家用熱泵系統，而在低溫特性方面相比兩者稍遜一籌。此外，R290的臨界壓力低于R32和R410A，因此對于R290系統的耐壓設計更為友好。從飽和密度來看，在相同條件下，R290密度最小，這意味著R290系統可以實現更小的充注量。從導熱系數來看，在相同條件下，R290的蒸汽導熱系數最大，這意味著在換熱端，系統具備更優的換熱效果，在相同的熱負荷條件下，可以減小設備的體積。同時，在4種制冷劑中，R290具備較小的黏度系數，這說明R290具備更優的流動特性，降低系統的壓降損失，同時較低的黏度可以減小換熱壁面的流體底層的厚度，從而進一步提升系統的換熱特性。

2" 單級蒸汽壓縮循環分析模型

為了比較4種不同冷媒工質的熱泵熱水系統在相同負荷條件下壓縮機性能的差異性，設定了基本工況條件和輸入參數，見表2。在熱泵熱水系統的使用場景中，在單次加熱運行過程中，環境溫度相對穩定，而隨著水溫的不斷升高，在換熱溫差不變的條件下，冷凝溫度處于不斷升高的非穩態變化過程，因此，設定蒸發溫度不變，冷凝溫度35～70 ℃進行分析。根據單級蒸汽壓縮熱力循環的數學模型調用REFPROP進行計算分析（圖1），其中，在熱力學分析過程中的假設條件如下：①發生在蒸發器中的過熱度為有效過熱；②忽略工質在系統中流動過程的壓降損失； ③假定所有部件都是穩定狀態或穩定流動過程；④壓縮過程和節流過程為絕熱過程。熱力分析數學模型如下。

3" 壓縮機性能差異分析

3.1" 壓縮機排量需求的差異性

由圖2可知，熱泵熱水系統在相同的工況條件下，系統的工質不同，單位容積制熱量有所不同，其中，R290的單位容積制熱量與R32和R410A相比相差較大，與R134a較為接近，由于單位容積制熱量不同，在相同的制熱負荷需求條件下，所需要的理論壓縮機排氣量就會有所不同。其中，在上述4種工質中，在相同制熱量條件下，R32和R410A的壓縮機理論排氣量幾乎相同，而與R32和R410A相比， R290壓縮機的理論排氣量需求較大，為R32的1.8倍，R410A的1.7倍，這說明對于目前熱泵熱水市場流行的轉子壓縮機而言，為了達到與R32和R410A系統相同的制熱能力水平，R290系統需要更大的壓縮機單體的氣缸容積或者增大壓縮機的運行頻率及轉速，同時還需要兼顧到壓縮機單體的結構可靠性。

3.2" 壓縮比和壓縮功耗對冷凝溫度的敏感性分析

圖3為4種工質在相同工況條件下，進行單級蒸汽壓縮循環時的壓縮比π隨著冷凝溫度的變化規律。從整體變化趨勢上可以看出，當蒸發溫度一定時，壓縮比隨著冷凝溫度升高不斷升高，這是因為在蒸發溫度和換熱溫差不變時，冷凝溫度不斷升高，對應的飽和壓力不斷升高，而壓縮機排氣壓力也對應升高，當壓縮機的吸氣壓力不變時，壓縮比就會呈現增大趨勢。另一方面，在全冷凝溫度段，R290對應的壓縮比均小于另外3種工質，且隨著冷凝溫度的升高，壓縮比差值逐漸增大，在70 ℃冷凝溫度時，R290的壓縮比相對R134a小了22%，比R410A和R32小了近8%，可見4種工質中，R290壓縮比的增大率對冷凝溫度的敏感度最低，且在高溫時R290的壓比最小，因此采用R290的系統，壓縮機具備更優的輸氣系數。

圖4為4種工質壓縮功耗隨著冷凝溫度的變化規律。從整體變化趨勢上可以看出，當蒸發溫度一定時，壓縮功耗隨著冷凝溫度升高不斷增加，這是因為在蒸發溫度和換熱溫差不變時，冷凝溫度不斷升高，壓縮比增大，壓縮機的輸氣系數降低，且壓縮過程的不可逆損失增大，排氣的熵值增大導致壓縮比功增加，且比功增大的效應大于循環流量變化的效應，導致壓縮功耗增加。另一方面，隨著冷凝溫度從35 ℃升高到70 ℃時，R290、R32、R410A和R134a壓縮功耗相對冷凝溫度的增長率近似為9.8、21.4、19.0和7.4 W/℃，其中R290壓縮功耗增長率相對R32和R410A分別低了55%和49%，說明在相同的工況下R290系統壓縮功耗對冷凝溫度的敏感度要遠低于R32和R410A系統，且在高溫時壓縮功耗也遠低于兩者，可見R290系統相對R32和R410A具備更優的壓縮經濟性。

3.3" 壓縮機排氣溫度和排氣壓力對冷凝溫度的敏感性分析

從圖5和圖6可以看出，當蒸發溫度一定時，從整體上看，排氣溫度及壓力隨著冷凝溫度的升高顯著升高，這是因為隨著冷凝溫度的不斷升高，壓比不斷增大導致的。其中R32和R410A的排氣壓力及排氣溫度隨冷凝溫度的升高，上升的速度不斷加快，說明兩者的排氣特性對冷凝溫度的變化更加敏感。

在全冷凝溫度段，R290與R134a的排氣溫度基本相同，均處于低位，遠低于R32，且兩者的排氣壓力也遠低于R32和R410A，其中，在低冷凝溫度段，R290排氣溫度比R32低了38%，在高冷凝溫度段，R290排氣溫度比R32低了44%，隨著冷凝溫度的升高R290的排氣溫度及排氣壓力與R32的差距越來越大，可見，R290系統相對R32系統對冷凝溫度的變化敏感度更低，尤其在高冷凝溫度段，R290系統具備更優的排氣特性，更低的排氣溫度不僅有利于潤滑油的潤滑效果，減緩潤滑油碳化，且減小了冷凝器中過熱段顯熱換熱的占比，有益于提升整個冷凝器的換熱效率。

4" 系統理論循環特性分析

4.1" 系統制熱量的差異性

圖7描述了4種循環工質系統瞬時制熱量隨冷凝溫度變化的規律，從整體上開看，4種工質的瞬時制熱量均隨著冷凝溫度的升高而呈現下降趨勢，這是因為隨著冷凝溫度的升高，冷凝器中的兩相沸騰換熱段占比減小，冷凝側換熱效率下降，單位質量制熱量逐漸減小，另一方面隨著壓比的增大壓縮機輸氣系數逐漸減小，工質的循環流量減小，兩者共同作用導致瞬時制熱量下降。此外，從圖7中可以看出，R32和R410A工質的瞬時制熱量明顯比R290和R134a要高，這是因為在相同的工況條件下，R32和R410A的單位容積制熱量比R290和R134a要大，所以在相同的壓縮排量條件下，制熱量相應要大。其中，全冷凝溫度段R290系統的瞬時制熱量比R32小45%～50%，可以看出R290工質系統在制熱量方面沒有較多的優勢。

4.2" 系統COP的差異性

5" 結論

為了探討R290工質在家用熱泵熱水器中的適用性，基于單級蒸汽壓縮熱力學循環模型，針對R290與R32、R410A、R134a幾種家用熱泵熱水器常用工質的物性參數以及不同冷凝溫度條件下的循環學特性進行對比分析，主要得出以下結論：

1）R290的ODP為0，GWP最小，具備良好的環保特性，但是具備易燃特性，在產品使用中的安全要求更高，在相同的熱負荷條件下，R290具備更優的換熱效果且系統壓降更小，在降低系統能耗方面更有潛力。

2）對于壓縮機性能差異性而言，為了達到與R32和R410A系統相同的制熱能力水平，R290系統需要更大的壓縮機排量，此外，R290的壓縮比、排氣溫度以及排氣壓力均低于R32和R410A，且對冷凝溫度的敏感度均較小，系統壓縮功耗小也遠低于R32和R410A，可見R290系統相對R32和R410A具備更優的排氣特性和壓縮經濟性。

3）在系統性能方面，在相同工況條件下，R290系統具有較好的能量利用優勢，循環COP較高，具備較優的循環經濟性，但在制熱量方面沒有較多的優勢。

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