R134a 和R417A 應用于熱泵熱水器灌注式替代R22的實驗分析

(上海理工大學 上海 200093)

能源消耗及環境污染現已成為全人類共同關心的問題，各國政府都紛紛制訂了可持續發展政策，節能和環保則是發展的主題。近些年，應用于熱水器的熱泵技術很受國內外研究學者以及熱水器生產廠家青睞。熱泵熱水器能夠把低品位熱能輸送至高品位，可大量利用自然資源和余熱資源中的熱量從而有效節省一次能源。但熱泵熱水器的高能效與其系統內部所使用的制冷劑也是息息相關的。R22自1936年面世以來即以其優越的綜合性能而被廣泛應用于空調、商業制冷等領域，但R22具有對臭氧層的破壞作用及溫室效應，使全世界空調和熱泵行業面臨嚴峻的考驗。根據《蒙特利爾議定書》的規定，對于R22等HCFC類過渡性替代制冷劑，1996年要開始削減，2004年要削減35%，到2020年發達國家將完全廢止，發展中國家可延長至2030年。因此，對于熱泵熱水器這項熱門且極具市場潛力的新型產品來說，找到一種能夠替代R22的環保、性能優良并且適用于熱泵熱水器運行工況的制冷劑的研究工作并使其商品化顯得尤為迫切。因此，這里將當今熱門HFCs類制冷劑——R134a和R417A應用于空氣源熱泵熱水器并對其性能進行理論及實驗分析，以期遴選出R22的最佳替代品。

1 R417A、R134a 和R22的熱物理性質分析

R417A是一種三元非共沸混合制冷劑, 由R125，R134a和R600(46.6%/50%/3.4%) 混合而成，理想“灌注式”替代要求替代物與被替代物有相近的熱物理性質，較高的單位容積制冷量、較低的排氣溫度、更高的能效比以及較好的環境可接受性(對臭氧層無破壞作用并且溫室效應作用極弱)和安全性(無毒、可燃性較小)。從表1可以看出，R417A、R134a在環境保護方面優于R22，熱物性參數如汽化潛熱、導熱系數以及比熱容也基本與R22相當。值得注意的是，R417A和R134a的飽和蒸氣壓力都比R22要低，因此，同樣的冷凝溫度，R417A和R134a可達到比R22更高的出水溫度。而且相比較R134a等其它HFCs類制冷劑，R417A系統壓縮機除可使用POE油之外，也可采用長期以來應用于R22系統中的礦物潤滑油[1]。

表1 R22及其替代物的熱物理性質Tab.1 Thermophysical property of R22 and its substitute

2 制冷劑理論循環性能計算

取過冷和過熱度為5℃，在過渡季、夏季和冬季對R22、R134a和R417A三種工質進行熱力計算。過渡季節:環境干濕球溫度20/15℃，取蒸發溫度T0=0℃；夏季工況:環境干濕球溫度35/24℃，取蒸發溫度T0=10℃；冬季工況:環境7/6℃，故取蒸發溫度為-10℃，冷凝溫度Tk取65℃。

由表2、3、4可知，R134a和R417A的冷凝壓力比R22都要低，分別是R22的70%和93.4%，排氣溫度也比R22要低17～27℃，并且在低溫工況下這種優勢更為明顯，因此在熱泵熱水器整機承壓能力和壓縮機運行穩定性方面，R134a和R417A要優于R22。由單位容積制熱量比較可知，R134a和R417A不及R22，分別是R22的56%～63%和73%～80%。從制熱效率比較來看，R134a和R22基本相當，而R417A是R22的92%左右，因此R417A基本滿足替代R22的條件，而R134a過低的容積制熱量使其替代R22優勢不如R417A。

表2 夏季工況理論循環性能Tab.2 The theoretical cycle properties in summer conditions

表3 過渡季工況理論循環性能Tab.3 The theoretical cycle properties in transition season conditions

表4 冬季工況理論循環性能Tab.4 The theoretical cycle properties in winter condition

3 實驗原理及裝置

實驗在空調焓差實驗室中進行，熱泵熱水器系統原理及實驗測點布置如圖1所示，實驗機組為國內某空氣源熱泵熱水器生產廠商某型號產品基礎上改進得到的，并采用電子膨脹閥將蒸發器出口過熱度控制在(5±0.5)℃，不同制冷劑的最佳充注量根據多次充注量的匹配實驗確定。

4 實驗結果及分析

實驗為考核三種制冷工質在惡劣工況下的極限性能，最終選擇以下實驗工況[2,3]，且空氣側干濕球溫度及水溫控制精度均為±0.1℃:

1)過渡季節控制室外溫度:20℃/15℃； 套管進出口水溫度:50℃～55℃/55℃～60℃；

圖1 實驗裝置原理及測點布置Fig.1 Experimental device principle and measuring-point arrangement

2)冬季控制室外溫度:7℃/6℃、2℃/1℃、-5℃/-6℃；套管進出口水溫度:50℃～55℃/55℃～60℃；

4.1 制熱量、輸入功率隨環境溫度及進水溫度變化

圖2 套管進出口水溫50/55℃時的制熱量比較Fig.2 Comparison of heating capacity (50/55℃)

圖3 套管進出口水溫55/60℃時的制熱量比較Fig.3 Comparison of heating capacity (55/60℃)

如圖2～5所示，三種制冷劑的制熱量隨室外環境溫度的降低和熱水器套管換熱器進水溫度的升高逐漸減小，耗功率隨室外環境溫度的升高和熱水器套管換熱器進水溫度的升高逐漸增加，室外環境溫度對制熱量和耗功率的影響更大。R134a和R417A的制熱量和耗功率在各個對應的室外環境溫度和進出口水溫下比R22都要低。套管換熱器進出口水溫為50～55℃和55～60℃，環境溫度分別為20、7、2、-5℃ ，R22的制熱量比R134a 高25.54%～33.67%，比使用R417A 高14.91%～20.9%。R22的耗功率比R134a 高26.03%～34.02%，比R417A高10.83～13.66。實驗結果與理論計算結果也基本一致。

圖4 套管進出口水溫50/55℃時的輸入功率比較Fig.4 Comparison of input power (50/55℃)

圖5 套管進出口水溫55/60℃時的輸入功率比較Fig.5 Comparison of input power (55/60℃)

4.2 COP 隨環境溫度及進水溫度變化

圖6和圖7為不同室外環境溫度和套管換熱器進出口水溫下使用三種制冷劑 熱泵熱水器COP變化。

圖6 套管進出口水溫50/55℃時的COP 比較Fig.6 Comparison of COP (50/55℃)

圖7 套管進出口水溫55/60℃時的COP 比較Fig.7 Comparison of COP (50/55℃)

不管使用哪種制冷劑，系統COP值都隨環境溫度的降低和套管冷凝器出水溫度的升高逐漸減小，環境溫度的影響更大。套管換熱器進出口水溫為50～55℃和55～60℃，環境溫度分別為20、7、2、-5℃ ，R22的COP比使用R134a 高-8.7%～4.69%，比使用R417A 高4.49%～8.72%。總體來講，R134a的COP最高，R417A略低于R22，但R22的低溫制熱效率高于R134a。

4.3 產熱水量隨環境溫度及進水溫度變化

圖8～9為不同室外環境溫度以及套管換熱器在50℃和55℃進水溫度的條件下，機組制熱水量。

圖8 套管進出口水溫50/55℃時的產熱水量比較Fig.8 Comparison of hot water production (50/55℃)

圖9 套管進出口水溫55/60℃時的產熱水量比較Fig.9 Comparison of hot water production (55/60℃)

從圖中可知，套管換熱器進出口水溫為50～55℃和55～60℃，環境溫度分別為20、7、2、-5℃ ，R22的制熱水量比R134a高24.84%～34.64%，比R417A高14.47%～18.85%。若要獲得和R22系統同樣的熱水量，勢必要增大R134a和R417A機組的尺寸。

4.4 壓縮機排氣溫度隨環境溫度及進水溫度變化

由圖10～11可知，隨著室外環境溫度和熱水器出水溫度的升高，使用三種制冷劑 ，壓縮機排氣溫度都逐漸增大，但R22增大的速度更快，從過渡季節的93℃增加到117℃。但使用R134a和R417A ，機組排氣溫度增大趨勢比較平緩，比采用R22 平均低20～30℃，這對系統無論從壓縮過程中的放熱還是潤滑都是有益的，且有利于機組使用效率和壽命的提高[4]。

圖10 套管進出口水溫50/55℃時壓縮機排氣溫度比較Fig.10 Comparison of compressor exhaust temperature

圖11 套管進出口水溫55/60℃時的壓縮機排氣溫度比較Fig.11 Comparison of compressor exhaust temperature

4.5 吸排氣壓力、壓力比隨環境溫度及進水溫度變化

4.5.1 排氣壓力分析

由圖12～13可知，使用三種制冷劑 ，壓縮機排氣壓力均隨室外環境溫度的降低而減小，隨熱泵熱水器套管冷凝器出水溫度的升高而增大。在相同的室外環境溫度和套管進出口水溫的條件下，使用R134a 系統的排氣壓力要比R22系統平均低0.7MPa，而R417A系統則比R22平均低0.17MPa。套管換熱器進出口水溫為50～55℃和55～60℃，環境溫度分別為20、7、2、-5℃，R134a的排氣壓力比使用R22 低31.71%～34.3%，R417A的排氣壓力比使用R22 低3.71%～4.71%。因此，使用R134a和R417A 系統的安全性要高于R22, 并且相同冷凝壓力下可得到更高的出水溫度。

圖12 套管進出口水溫50/55℃時的下排氣壓力的比較Fig.12 Comparison of the exhaust pressure of compressors

圖13 套管進口水溫55/60℃時的排氣壓力的比較Fig.13 Comparison of the exhaust pressure of compressors

4.5.2 吸氣壓力分析

由圖14～15可知，套管換熱器進出口水溫為50～55℃和55～60℃，環境溫度分別為20、7、2、-5℃ ，R134a的吸氣壓力比使用R22 低36.2%～61.77%，R417A的吸氣比使用R22 低15.76%～27.85%。值得注意的是，在室外環境溫度-5℃工況下，使用R134a ，系統吸氣壓力比較低，這一方面增加了空氣漏入系統的可能性，另一方面會造成壓縮機吸氣比容增大和輸氣系數降低，運行效率下降。

圖14 套管進出口水溫50/55℃時壓縮機吸氣壓力比較Fig.14 Comparison of the suction pressure of compressors

圖15 套管進口水溫55/60℃時壓縮機吸氣壓力比較Fig.15 Comparison of the suction pressure of compressors

4.5.3 壓力比分析

由圖16～17可知，對于三種制冷工質來說，隨著室外環境溫度的降低和套管冷凝器出水溫度的升高，壓縮機壓力比都呈增加趨勢，不過，室外溫度的影響要更大。套管換熱器進出口水溫為50～55℃和55～60℃，環境溫度分別為20、7、2、-5℃ ，R134a的壓力比比使用R22 高7.52%～19.8%，R417A比使用R22分別高11.0%～18.94%。過大的壓力比不僅造成系統制熱量下降、功耗增加、制熱系數下降和經濟性降低而且也會使排氣溫度過高。盡管實驗結果顯示R134a和R417A的壓比比R22都大，但從制冷劑物性來看，由于R134a和R417A的絕熱系數比R22小很多，所以造成R134a和R417A的排氣溫度卻比R22要低。

圖16 套管進出口水溫50/55℃時的壓力比的比較Fig.16 Comparison of the pressure ratio

圖17 套管進口水溫55/60℃時的壓力比的比較Fig.17 Comparison of the pressure ratio

5 結論

1) R134a應用于熱泵熱水器 ，除排氣溫度比R22系統低25℃左右，冷凝壓力比R22低30%，COP值與R22較為接近之外，R134a系統的制熱量卻只有R22系統的25%～33%，在低溫環境下吸氣壓力過低，而且使用R134a ，壓縮機的潤滑油與R22傳統礦物油不兼容，要達到原R22系統的性能勢必要對系統部件重新設計選型，如增大壓縮機以及換熱器的尺寸，更換潤滑油等。因此，實現R134a對R22在熱泵熱水器中的直接灌注式替代是不可行的。

2) 從理論計算和實驗研究分析結果可以看出，R417A的制熱量雖然比R22系統低15%～20%，

但耗功率同 也低12%左右，COP值與R22系統十分接近，而且應用R417A ，系統的排氣溫度也比R22系統平均低25℃，冷凝壓力低4%左右。這些特點不僅提高了熱水器系統的運行的安全性，也增加了機器使用壽命，還可以得到比R22更高的出水溫度。而且R417A系統不需要更換潤滑油，環境保護指標優于R22。因此， R417A應用于空氣源熱泵熱水器具有非常廣闊前景。

[1] 李雪, 高強, 孫平. R417A的應用現狀與展望[J].制冷與空調, 2007,7(4):59-61. (Li Xue, Gao Qiang, Sun Ping.Review and application status of R417A[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2007, 7(4):59-61.)

[2] 吳業正.制冷原理及設備[M].西安:西安交通大學出版社, 2000, 2.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會. GB/T 21362-2008 商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機[S]. 北京: 中國標準出版社,2008, 3.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會. GB/T 7725-2004 房間空氣調節器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2005,4.

[5] 李曉燕, 閆澤生. R417A在熱泵熱水器中替代R22的實驗研究[J].制冷學報，2003(3):1-4. (Li Xiaoyan, Yan Zesheng. Experimental Study on Replacement of R22 with R417A in Heat Pump Heating Water System[J].Journal of Refrigeration, 2003(3):1-4.)