替代高溫氣候區域分體式家用空調R22的低GWP制冷劑R444B實驗研究

林恩新，牛永明，霍宏祥，林云

（霍尼韋爾綜合科技有限公司，上海201203）

替代高溫氣候區域分體式家用空調R22的低GWP制冷劑R444B實驗研究

林恩新*，牛永明，霍宏祥，林云

（霍尼韋爾綜合科技有限公司，上海201203）

制冷劑R444B是霍尼韋爾最新開發的、可作為高溫氣候區域家用空調制冷劑R22的替代制冷劑。R444B的ODP（臭氧消耗潛能值）為零，GWP（全球變暖潛能值）僅為295；相對于R22，GWP減少85%。理論制冷循環分析表明，R444B的制冷量和COP（性能系數）在高溫工況下與R22相當。分體式空調實驗結果顯示：在高溫氣候區域的T3和T3Max工況下，R444B的制冷量和COP與R22相當，略高于R407C；R444B的排氣溫度與R22相當；R444B換熱器壓降也小于R22；R444B制冷劑流量約為R22的80%。通過優化室內機管路連接方式，優化后R444B空調制冷量和COP相對于原型提升0.3%～1.0%。R444B的制冷量和COP隨高溫環境衰變速率與R22相當，優于R407C。

高溫氣候區域；性能系數；R444B；制冷劑

0　引言

R22制冷劑具有良好的制冷性能、較高的臨界溫度和合適的熱物理性質，廣泛應用于空調領域，特別是環境溫度極其惡劣的高溫區域家用空調領域。人類使用的HCFC類制冷劑會影響地球上空臭氧層厚度，威脅到人類的生存環境。蒙特利爾協議通過后，開始逐步禁止使用含有ODP（臭氧消耗潛能值）的HCFC類制冷劑。根據蒙特利爾協議具體條款［1］，高溫氣候區域（T3工況）發展中國家將于2015年開始凍結HCFC類制冷劑使用量，并逐步減少使用量。R407C作為R22的替代制冷劑，雖仍然可以應用于此區域，但因其具有較高的全球變暖潛能值（GWP），根據京都協議書［2］和文獻［3-4］所述，將會被低GWP制冷劑替換。

根據蒙特利爾協議和京都協議書，下一代制冷劑應該具有零ODP、低GWP的特點。它們可能是自然工質，比如CO2、NH3等；或為HFO類制冷劑，比如HFO-1234yf和HFO-1234ze。自然工質雖然具有低GWP值，符合環保趨勢，但是它們具有一些突出的缺點，比如NH3有毒性，因此本文暫不考慮。根據文獻［5-6］報道，霍尼韋爾基于已有的HFO類制冷劑R1234yf和R1234ze開發一系列低GWP制冷劑，包括替代R22的低GWP制冷劑R444B，其GWP值僅295，且ODP為0，并且，相對于R22，其具有零ODP優勢；相對于R407C，可減少80%GWP。

以中東為代表的高溫區域的氣候溫度很高，如沙特麥加全年有5個月平均溫度高于 35 ℃，有6個月平均高溫高于 40 ℃，有 9個月最高溫高于40 ℃。應用于高溫區域的空調，需要適應于此極端高溫氣候；而高環境溫度要求空調冷凝溫度更高，因此，文獻［7］指出極端高溫氣候區域空調對制冷劑提出更高要求。

霍尼韋爾開發的低GWP制冷劑R444B在高溫區域具有良好的特性，本文將分別從熱物性、理論循環分析和實驗研究方面分析作為R22低GWP替代制冷劑 R444B，借鑒文獻［8］方法并根據 R444B物性特點優化室內換熱器并進行實驗評估。

1　R444B物性

R22、R407C和低GWP制冷劑R444B的基本熱力學參數如表1所示。表1為R22、R407C和R444B的壓焓圖，R444B、R407C的飽和液相焓與R22基本吻合，R444B的飽和氣相焓大于 R22和R407C。從另一層面可知，R444B的汽化潛熱大于R22或R407C，這樣在相同能力下，R444B具有較小的制冷劑流量，有利用于降低換熱器壓降。

由表1和圖1可知R22的臨界溫度為96 ℃，R444B的臨界溫度只比R22低4 ℃，達到92 ℃，而R407C的臨界溫度約為86 ℃。對于應用于高溫區域，臨界溫度高更易發揮制冷劑的熱物性，因此作為R22的替代制冷劑，R444B相對于R407C具有更好特性應用于高溫區域空調。

表1　R22、R407C、R444B基本熱力學參數

圖1　R22、R407C和R444B壓焓圖

圖2為R22、R407C和R444B的飽和氣態壓力與溫度圖。從圖2可知，當溫度大于50 ℃時，R444B飽和氣相壓力與R22相當，低于R407C壓力。由于R444B飽和氣相壓力與R22相當，可確保原來使用R22空調改充注R444B制冷空調系統安全性，無須重新設計。

圖2　R22、R407C和R444B飽和氣態壓力-溫度圖

2　R444B理論循環分析

R407C和R444B都為非共沸制冷劑，而R22為純工質。R407C和R444B具有滑移溫度，而R22無滑移溫度。為反映非共沸制冷劑的特性，根據文獻［9］采用冷凝溫度和蒸發溫度的均值溫度理論分析它們的循環特性。即采用冷凝壓力對應的泡點溫度和露點溫度的平均值作為冷凝溫度，采用蒸發壓力對應的露點溫度和蒸發器進口溫度的平均值作為蒸發溫度。理論循環分析在蒸發溫度為5 ℃，過熱度為5 ℃，過冷度為10 ℃，變化冷凝溫度的基礎上進行。其中蒸發溫度和冷凝溫度都是采用均值溫度。

圖3為不同冷凝溫度下R22、R407C和R444B的理論循環分析結果。圖 3（a）給出了 R407C和R444B相對于R22的比容積制冷量變化趨勢。當冷凝溫度高時候，從圖中可知R444B相對R407C具有更高比容積制冷量。即采用R444B的空調，在高溫氣候區域相對于R407C具有更高制冷量。圖3（b）為R407C和R444B相對于R22的COP能力變化趨勢。當冷凝溫度高時候，從圖中可知 R444B相對R407C具有更高COP。即采用R444B的空調在高溫氣候區域相對于R407C具有更高COP或能效。圖3（c）為R22、R407C和R444B的理論排氣溫度隨冷凝溫度變化的趨勢。R444B的排氣溫度與R22相當，略高于R407C；但是即使冷凝溫度高達70 ℃，R444B和R22的排氣溫度達到100 ℃，亦低于壓縮機許可最大排氣溫度。R22、R407C和R444B應用于高溫區域，應不存在排氣溫度過高的問題。圖3（d）和圖3（e）給出不同冷凝溫度下排氣壓力和吸氣壓力變化趨勢。R444B的排氣壓力略高于R22，但是低于R407C的，因此在相同冷凝條件下R444B對制冷劑空調系統承壓條件低于R407C，有利于R444B空調設計。圖 3（e）顯示 R444B的吸氣壓力略低于R22和R407C，但是它們都遠高于大氣壓力，使用它們的制冷系統都不用考慮負壓影響。

圖3　R444B、R407C和R22的理論循環分析

從圖3理論循環分析結果表明，R444B相對于R407C在高溫氣候區域具有更高的制冷量和能效，可作為R22和R407C的低GWP替代制冷劑，并可直接灌注式替換。

3　R444B空調性能實驗研究

針對高溫氣候區域設計的單冷分體式空調進行實驗研究，分別研究R22、以及現有替代制冷劑R407C和將來低GWP制冷劑R444B的性能。

3.1焓差試驗臺簡介

被研究的單冷R22空調為針對高溫氣候區域（T3）設計的空調，包括分體機和窗機。被研究的單冷空調將被置于空調焓差試驗臺測試其在不同工況下性能，測試過程同時遵守中國 GB/T7725-2004房間空氣調節器標準［10］和國際ISO5151-2011標準［11］，具體測試工況見表2。實驗臺的溫度是通過PT100熱電偶測量，其精度為±0.1 ℃；制冷劑流量由 Endress+Hauser Promass 83流量計測量，精度為±0.1%；壓縮機輸入電功率通過YOKOGAWA/WT230功率計測量，不確定度為±0.1%；壓力通過壓力傳感器測量，其精度為±0.25%。實驗臺測量過程制冷劑物性計算采用LEMMON等［12］編制的Refprop軟件。

表2　空調測試工況表

4.2分體式空調灌注式實驗分析

被實驗的R22分體式空調是針對高溫區域氣候設計的，被測試空調銘牌數據為：在T1工況制冷量為6.15 kW，COP為2.86；在T3工況制冷量為5.25 kW，COP為2.1。分體式空調灌注式實驗過程包括：1）R22性能測試；2）R407C灌注式性能實驗測試；3）R444B灌注式性能實驗測試。

R22性能測試包括充注量優化和性能測試，由于分體空調需要增加一些管路來測量制冷劑流量和換熱器壓降，需要先進行制冷劑充注量優化實驗，然后進行R22性能測試。R407C灌注式性能實驗測試包括充注量優化和R407C性能測試，R407C實驗采用 R22原裝毛細管，最優充注量是確保 R407C的過熱度等于R22過熱度減去一半的R407C滑移溫度。R444B灌注式性能實驗測試包括充注量優化和R444B性能測試，R444B的制冷劑流量相對于R22小，需要更新毛細管長度；充注量優化和毛細管長度優化過程同時進行，此過程確保R444B的過熱度等于R22過熱度減去一半R444B滑移溫度的基礎上得到最佳毛細管長度和最優充注量。

圖4為R22、R407C和R444B的分體機空調性能對比。圖4（a）為不同工況下相對于R22的R407C和R444B空調制冷量。在高溫的T3和T3Max工況下，R444B的制冷量達到R22的95%，約比R407C高了2%～4%。圖4（b）為不同工況下相對于R22的R407C和R444B空調COP。在高溫的T3和T3Max工況下，R444B的COP達到R22的93%，約比R407C能力高了 4%～5%。R444B在高溫 T3和T3Max的工況下，實驗測量的制冷量和COP均比R407C高，比R22略低，這與制冷循環理論分析結果相似。圖4（c）為不同工況下R22、R407C和R444B空調排氣溫度。R444B的排氣溫度與R22相當，略高于R407C；R22和R444B在T3Max排氣溫度約為110 ℃，均低于壓縮機最大許可溫度，與理論循環分析相符合。圖4（d）為不同工況下相對于R22的R407C和R444B制冷劑質量流量，R407C的流量與R22相當，但是R444B的質量流量約為R22的80%，有利于降低換熱器中R444B壓降。

圖4（e）為不同工況下R22、R407C和R444B蒸發器和冷凝器的壓降。R444B的冷凝壓降只為R22的60%，蒸發壓力約為R22的85%；R407C的冷凝壓降低于R22，但R407C蒸發壓降高于R22。此被測空調的冷凝器管路布置為流入4個支路，然后合并為2支路，最后合并成一個支路流出，此管路設計模式可根據流動制冷劑密度變化降低制冷劑壓降，也適合于非共沸制冷劑。此被測空調的蒸發器采用6進6出管路布置形式，可有效降低大制冷劑流量的壓降，沒有兼顧到小制冷劑流量（如R444B）的壓降的特點；由于非共沸制冷劑流動過程滑移溫度對換熱影響，蒸發器管路布置將不能有效減少R407C壓降。

R22空調原始毛細管內徑1.8 mm，長度470 mm；實驗結果的R444B的最優毛細管內徑1.8 mm，長度550 mm。由于R444B制冷劑流量低于R22的，因此R444B相對于R22需要更長的毛細管。實驗優化的R444B最佳充注量為1.37 kg，R22的最佳充注量為1.47 kg，R407C的最佳充注量為1.44 kg。R444B在分體式空調充注量約為R22的93%，可進一步減低GWP值；R407C在分體式空調充注量與R22的相當。R444B和R407C空調需要將R22的礦物潤滑油替換為POE潤滑油。

圖4　R444B和R407C相對于R22的分體機性能對比

4　R444B空調優化及驗證

R444B在泡點溫度為10 ℃，溫度滑移為8.9 ℃；在泡點溫度為40 ℃，溫度滑移為7.9 ℃。即R444B具有較大滑移溫度，而純工質R22無滑移溫度。考慮到沿流動方向壓降影響，沿流動方向制冷劑飽和溫度逐漸下降，被冷卻的空氣溫度也逐漸下降，因此單冷R22空調室內機管路流程一般采用順流布置形式。圖5（a）示意性給出順流布置形式的R22室內機換熱溫度變化趨勢，順流布置形式可以提升整個流程換熱溫差，提升換熱效率。對于具有滑移溫度的R444B，由于蒸發器（單冷機的室內機）沿流動方向制冷劑（兩相）溫度逐漸升高，這與純工質不同。圖5（b）為在50 kPa換熱壓降情況下，R22、R407C和R444B順流和逆流對數平均溫差變化。從圖中可知，考慮到流動壓降的影響，純工質蒸發器建議采用順流管路布置形式，具有溫度滑移的工質蒸發器建議采用逆流管路布置形式。

圖5　R444B、R407C和R22不同順逆流布置形式下的傳熱溫差變化

R444B先在R22原型機上進行灌注式試驗，原型機室內機管路是采用順流布置形式，如圖6（a）所示。根據上面針對具有滑移溫度制冷劑分析結果表明，R444B空調室內機采用逆流布置方式可提升換熱。因此針對原型機室內機進行管路優化以提升R444B能力和效率，優化方向是采用逆流布置方式代替順流布置方式，圖6（b）為針對R444B室內機管路優化布置方式。同時根據優化結果，進行實驗驗證。圖7為管路優化布置形式下實驗測量的制冷能力和COP的提升，從圖7可知，T1、T3和T3Max工況下，管路優化布置方案的制冷能力提升0.3～1.0%，COP提升0.4～1.0%。

圖6　R444B室內機管路流程優化方案

圖7　R444B室內機管路流程優化實驗評估

5　R444B高溫性能衰減研究

高溫氣候空調不僅僅在標準工況下工作，同時將在高溫環境條件下工作，因此高溫環境下空調能力和COP的同樣非常重要。本文通過實驗研究R22、R407C和R444B制冷劑在相同室內環境溫度（干球27 ℃，濕球 19 ℃），不同室外環境溫度下高溫區域空調能力和COP變化，以此研究這3種制冷劑在高溫環境下能力和COP的衰減幅度。

圖 8為不同室外環境工況下 R22、R407C和R444B的制冷量和COP。R444B和R22在隨著室外環境升高，制冷量和COP下降趨勢一致，R444B在高溫工況下制冷量和COP下降幅度與R22一致。隨著環境溫度升高，R407C的制冷量下降幅度大于R22和R444B，與理論循環分析結果一致。

圖8　R444B、R407C和R22不同室外環境下分體機性能

圖9為R22、R407C和R444B的制冷量和COP隨環境溫度升高衰減比例變化狀況。從圖 9可知，隨環境溫度升高，制冷量和 COP均快速下降。在高溫環境下，制冷量下降到T1工況的80%，COP下降的更多，下降到T1工況的60%。因此高溫環境對空調性能影響很大，替代高溫區域家用空調制冷劑必須注重考查制冷劑是否適應于高溫環境。從圖 8和圖 9可知，R444B在高溫環境下制冷量和COP衰減幅度與 R22相當，優于 R407C，因此R444B相對于R407C更適用于高溫環境。

圖9　R22、R407C和R444B空調性能隨環境溫度衰變

6　結論

R444B作為高溫氣候區域（T3）空調R22的低GWP替代制冷劑，零ODP，可減少85%GWP。理論循環分析表明：在高溫氣候區域的T3和T3Max工況，R444B的制冷量和 COP與 R22相當，比R407C略高。

分體式空調實驗結果表明：在T3和T3Max工況下，R444B的制冷量和COP與R22相當，略高于R407C；R444B的排氣溫度與R22相當，R444B換熱器壓降也小于 R22，R444B制冷劑流量約為R22的80%。R444B的毛細管要長于R22。

采用R444B和R407C空調需要將原R22空調的潤滑油替換為POE潤滑油。

R444B相對于R22具有溫度滑移，R444B室內機管路建議采用逆流布置方式，采用逆流布置形式的空調制冷量和 COP相對于順流布置形式提升0.3%～1.0%。R444B制冷量和COP隨高溫環境衰減速率與R22相當，但優于R407C。

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Experiment Study on R444B as an Alternative Low GWP Refrigerant of R22 Used in Room Air Conditioners in High Ambient Temperature Regions

LIN En-xin*, NIU Yong-ming, HUO Hong-xiang, LIN Yun
（Honeywell Integrated Technology（China）Co., Ltd, Shanghai 201203, China）

Refrigerant R444B is developed by Honeywell as an alternative to R22 used in room air conditioners in high ambient temperature regions. R444B shows zero ODP（ozone depletion potential）and 295 GWP（global warming potential）. Comparing with R22, GWP of R444B reduces 85%. Analysis on the theory refrigeration cycle at the condition of high ambient temperature shows the refrigeration capacity and COP（coefficient of performance）of R444B are similar with that of R22. Experimental study on Mini-Split air conditioner under T3 and T3max shows that, the refrigeration capacity and COP of R444B are similar to those of R22, and are higher than those of R407C； the discharge temperature of R444B is similar to those of R22；the pressure drop of R444B in the heat exchanger is lower than that of R22. Comparing with the original one, the refrigeration capacity and COP of the optimized R444B air conditioner can be increased by 0.3%～1.0% through optimization on the pipeline connection of indoor unit. The degradation of refrigeration capacity and COP of R444B are similar to those of R22, and are better than those of R407C.

High ambient temperature regions； Coefficient of performance； R444B； Refrigerant

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.102

*林恩新（1981-），男，高級工程師，博士，研究方向：低GWP制冷劑應用。聯系地址：上海張江高科技園區李冰路430號，郵編：201203。聯系電話：021-28942677。E-mail：lynn.lin@honeywell.com。