R1234ze（E）與R32混合工質在熱泵系統中替代R410A的實驗研究

王路路張華邱金友

（1上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093；2福建工程學院生態環境與城市建設學院 福州 350118）

R1234ze（E）與R32混合工質在熱泵系統中替代R410A的實驗研究

王路路1張華1邱金友2

（1上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093；2福建工程學院生態環境與城市建設學院 福州 350118）

新型制冷劑R1234ze（E）因較低的GWP備受制冷行業關注，其與R32的混合工質作為熱泵系統制冷劑的研究也在逐步展開，本文以R1234ze（E）／R32（質量配比：27%／73%，命名為L-41b，GWP＝493）混合工質為研究對象，在人工環境室中設計并搭建了空氣源熱泵測試系統，對比研究了L-41b與R410A在熱泵系統中的性能系數COP、壓縮機功耗、制熱量、排氣溫度和循環壓比。結果表明：當恒定冷凝溫度，蒸發溫度從5℃增加到13℃時，R410A和L-41b的COP偏差從8.6%縮小到2.8%。當恒定蒸發溫度，冷凝溫度從30℃提高到42℃時，L-41b的運行性能系數COP的降幅小于R410A，變工況實驗表明在相對高溫區L-41b替代R410A具有較好的替代性能。

R1234ze（E）／R32；混合制冷劑；空氣源熱泵；運行工況

在目前經濟與技術的條件下，研究低GWP的混合替代制冷劑是當前制冷劑的替代趨勢之一［1－4］。新型制冷劑 R1234ze（E）（trans-1，3，3，3-tetrafluoropropene）因較低的GWP備受制冷行業關注，近期的研究報告［5］表明R1234ze（E）的GWP小于1，其作為空調、熱泵的替代品已初步得到認可［6－8］。 但R1234ze（E）單一成分的熱力學性能和傳輸特性并不理想，若直接應用于空調和熱泵系統，其系統性能系數（COP）和容積制冷量（VCC）均會低于目前常用工質R134a和R410A。R32屬于HFCs類物質，但其GWP并不高（GWP R32＝675），擁有較高的汽化潛熱和良好的傳輸性能［9－10］，在R1234ze（E）中混入R32成分可以有效改善其熱力學性能和傳輸性能［11］。

目前國內外對于環保制冷劑 R1234ze（E）和R1234ze（E）／R32混合工質的研究近幾年才逐步展開。K.Tanaka等［12］開展對R1234ze（E）及其與R32的混合物的熱力學特性和制冷循環性能系數與其組分關系的研究，其所獲得的COP和容積制冷量VCC與R1234ze（E）的質量分數的依賴關系，對于指導正確配置R1234ze（E）與R32混合制冷劑有參考價值。S.Koyama等［13］對純R1234ze（E）及質量比為0.5：0.5的R1234ze（E）／R32混合工質在R410系統上進行直接充灌研究，并與R410A比較。證明在R1234ze（E）中添加R32可以提高系統性能系數COP，且可提高系統制冷量。國內張志巍等［14］對不同 R1234ze（E）／R32混合比進行系統循環性能分析，指出R410A的替代方案應從R32適合配比與減少系統壓力損失著手。邱金友等［15］指出需要進行大量的實驗室充灌與改型實驗，獲得對比性能數據，找出存在的問題，并根據R1234ze（E）及其與R32混合物的特點對壓縮機、換熱器的傳熱面積與傳熱方式、連接管、節流裝置等方面進行優化設計，確保其性能達到或超過原有的設計水平，為下一步產品的優化設計奠定基礎。

初步的研究論證了環保制冷劑R1234ze（E）及其與R32的混合工質具有與R410A相似的熱物性和傳輸性能，有望成為新一代低GWP替代制冷劑，三者基本物性如表 1所示。本文從 AHRI Low-GWP AREP項目［16－17］第一階段對R134a和R410A的替代候選制冷劑中選擇 L-41b（R1234ze（E）／R32（27%／73%））作為研究對象，探索其混合物在熱泵系統中的運行性能。

表1 R410A、R32和R1234ze（E）的基本物性Tab.1 Physical properties of R410A，R32 and R1234ze（E）

1 實驗裝置與實驗方案

1.1 人工環境室簡介

人工環境室主要由實驗室外圍保溫結構、空氣處理機組、溫濕度采樣裝置、空氣流量測試裝置、系統控制系統及測量數據采集系統等組成。其中，空氣調節處理系統主要由室內空氣處理機組、水冷壓縮冷凝機組、循環風機、電加熱器、電加濕器及相關的控制設備組成。人工環境室的主要用途是提供測試機組性能時所需的各種工況，主要是保證室內的空氣的溫度、濕度、空氣流動速度等達到實驗所需的工況條件，使測試在一個穩定環境下進行，以準確測試空調器的性能。環境室內的溫度和濕度參數采用兩個PID控制器調節制冷系統、電加熱器和加濕器來實現，表2列舉環境室所能達到的測試工況。

表2 環境室參數控制及精度Tab.2 Working condition of environmental chamber

圖1 空氣源熱泵系統及測點布置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental bench and measuring points

1.2 空氣源熱泵系統實驗臺

圖1所示為設計搭建的空氣源熱泵實驗系統流程圖及測點布置圖。此系統包括兩個循環回路：熱泵系統制冷劑循環回路和冷凝器側水循環回路。熱泵系統制冷劑循環回路主要包括壓縮機、水冷冷凝器、回熱器、電子膨脹閥和翅片管式蒸發器等；冷凝器側水循環回路主要包括恒溫水箱、循環水泵和流量計等。壓縮機采用變頻滾動轉子式壓縮機，冷凝器采用水冷套管冷凝器，膨脹閥采用電子膨脹閥；蒸發器采用翅片管的形式，回熱器兩端連接旁通管路。

1.3 實驗工況方案設定

考慮到系統運行的工況未必恒定不變，同時也為了更全面的掌握新型工質L-41b的運行性能，研究了R410A與L-41b兩種工質在固定蒸發溫度或冷凝溫度下運行性能隨另一側溫度的變化情況。實驗的方式通過改變人工環境室的溫度、蒸發器風機風量、冷凝器進口載熱流體溫度和冷凝器載熱流體流量的參數來實現對工質側的蒸發溫度和冷凝溫度的控制。為了避免冷凝溫度過高導致壓縮機停機，設定冷凝溫度在38℃附近。同時考慮到人工環境室工況的限制，蒸發溫度設定在4℃以上，以此分別設定了三組實驗方案，如表3所示，改變蒸發溫度，保持冷凝側參數恒定。如表4所示，改變冷凝溫度，保持蒸發側工質參數恒定。

表3 變蒸發溫度工況表Tab.3 Variable evaporation temperature working condition

表4 變冷凝溫度工況表Tab.4 Variable condensation temperature working condition

2 實驗結果及性能對比分析

2.1 循環性能系數COP的對比

圖2和圖3分別給出了R410A和L-41b在固定一側溫度，循環性能系數COP隨另一側的變化規律。以圖2分析為例，在固定冷凝側溫度為38℃附近的工況下，蒸發溫度從5℃左右提高到13℃左右時，R410A和L-41b的COP分別從3.52和3.30提升到3.92和3.81，R410A和L-41b的COP偏差從8.6%縮小為2.8%，說明隨蒸發溫度的升高，L-41b的COP的增幅大于R410A。在圖3中同樣可以看出L-41b的COP隨冷凝溫度升高時的降幅小于R410A，相互印證了在較高溫區間L-41b與R410A具有更相似的運行性能，且隨著溫區的提高，L-41b表現出了一定的優越性。

圖2 COP隨蒸發溫度的變化Fig.2 COP varies with evaporation temperature

圖3 COP隨冷凝溫度變化Fig.3 COP varies with condensation temperature

圖4 壓縮機功耗隨蒸發溫度的變化Fig.4 The work of compressor varies with evaporation temperature

2.2 壓縮機功耗的對比

圖4和圖5所示分別為R410A和L-41b在固定一側溫度，壓縮機功耗隨另一側的變化規律。由圖4可知，當冷凝側溫度固定約為38℃時，兩者的壓縮機功耗均隨蒸發溫度的增大而增加，這是因為當蒸發溫度提高時，循環壓比降低，工質流量減小，從而功率降低，但R410A的運行功率始終大于L-41b。由圖5可知，R410A的運行功率始終大于L-41b，而且當冷凝溫度從30℃左右升高到42℃時，R410A運行功率的增幅大于 L-41b，表明在相對高溫區 L-41b替代R410A有一定的優越性。

圖5 壓縮機功耗隨冷凝溫度變化Fig.5 The work of compressor varies with condensation temperature

2.3 制熱量的對比

圖6和圖7所示分別為R410A和L-41b在固定一側溫度，制熱量Qh隨另一側的變化規律。其中制熱量是通過載熱流體的進出口溫度和載熱流體回路循環流量計算得到。由兩圖可知，兩者工質的制熱量均隨著蒸發溫度或冷凝溫度的升高而增大，總體上L-41b的制熱量小于R410A，但同時由上可知其總體功耗也比R410A小，因此L-41b的COP與R410A總體偏差不大。

圖6 制熱量隨蒸發溫度的變化Fig.6 Heating capacity varies with evaporation temperature

2.4 壓縮機排氣溫度的對比

圖8和圖9所示分別為R410A和L-41b在固定一側溫度，壓縮機排氣溫度隨另一側的變化趨勢。由兩圖可知，在整個工況溫區內，L-41b的壓縮機排氣溫度始終低于R410A。且當固定冷凝側溫度，兩者工質排氣溫度隨蒸發溫度的變化時，L-41b的排氣溫度平均較R410A低9.6℃。壓縮機排氣溫度較低有助于延長壓縮機的使用壽命，從排氣溫度角度考慮L-41b替代R410A具有較優的性能。

圖7 制熱量隨冷凝溫度變化Fig.7 Heating capacity varies with condensation temperature

圖8 壓縮機排氣溫度隨蒸發溫度變化Fig.8 The discharge temperature of compressor varies with evaporation temperature

圖9 壓縮機排氣溫度隨冷凝溫度變化Fig.9 The discharge temperature of compressor varies with condensation temperature

2.5 循環壓比的對比

表5和表6所示為R410A和L-41b在固定一側溫度，循環性能另一側的變化趨勢。由表6可知，當蒸發溫度恒定為5℃時，兩種工質的壓縮機吸排氣壓比均隨冷凝溫度的提高而逐漸增大，當冷凝溫度為30℃左右時，R410A的循環壓比小于R1234ze（E），偏差為8.2%。隨冷凝溫度的提升，當冷凝溫度提高到43℃左右時，R410A循環壓力大于L-41b，偏差為3.1%。其壓比的變化規律與變蒸發溫度實驗相似，即兩工質在較高溫度區運行時，L-41b的循環壓力小于R410A，有利于系統運行性能的提高，表明在較高循環溫區中L-41b替代R410A的可行性。

表5 變蒸發溫度實驗測試數據表Tab.5 The test results in the condition of variable evaporation temperature

表6 變冷凝溫度實驗測試數據表Tab.6 The test results in the condition of variable condensation temperature

3 結論

本文在人工環境室中設計和搭建了空氣源熱泵測試實驗系統，對比研究了L-41b與R410A在熱泵系統中的運行性能，為L-41b在熱泵系統中的應用提供參考和必要的數據基礎，得出如下結論：

1）在整個工況溫區內，兩者工質的制熱量均隨著蒸發溫度或冷凝溫度的升高而增大，總體上L-41b的制熱量小于 R410A，但同時總體功耗也小于R410A，所以L-41b與R410A總體的COP偏差不大。而L-41b的壓縮機排氣溫度始終低于R410A，從壓縮機排氣溫度較低有助于延長壓縮機使用壽命的角度，L-41b替代R410A具有較好的可行性。

2）兩工質在較高溫度區（工況Z3和N3）運行時，L-41b與R410A的COP已較為接近，且隨著溫區的提高，L-41b的COP表現出了一定的優越性。同時L-41b的循環壓比小于R410A，有利于L-41b運行性能的提高，表明在相對高溫區L-41b替代R410A具有較優的替代性能。

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Experimental Investigation of R1234ze（E）／R32 Replacing R410A in Heat Pump System

Wang Lulu1Zhang Hua1Qiu Jinyou2
（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China；2.College of Ecological Environment and Urban Construction，Fujian University of Technology，Fuzhou，350118，China）

Nowadays，more and more attention is being paid to the new low Global Warming Potential（GWP）refrigerant R1234ze（E）.Mixing this refrigerant with R32 has been studied in recent years.We focused on contrasting the actual performance of the R1234ze（E）／R32 mixture（mass ratio：27%／73%，named L-41b，with a GWP value of 493）with R410A in a heat pump system.A test system of an air source heat pump was designed and built in an environmental chamber in order to compare the differences between L-41b and R410A under a wide range of working conditions.The compressor energy consumption（COP），heating capacity，refrigeration cycle pressure ratio，and discharge temperature of the compressor were discussed and compared with R410A under similar working conditions.The results shows that，in the variable-condition experiments，the COP deviation decreased from 8.6%to 2.8%when the evaporation temperature increased from 5℃ to 13℃ at a constant condensation temperature of 38℃.The COP deviation was minimized when the condensation temperature increased from 30℃ to 42℃ at a constant evaporation temperature of 5℃.The results further demonstrate that the L-41b mixture can be used to replace R410A in a heat pump system，particularly at relatively high cycle temperatures.

R1234ze（E）／R32；mixed refrigerants；air-source heat pump；operating condition

TB61；TQ051.5；TB64

：A

0253－4339（2017）03－0030－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.030

張華，男，教授，博士生導師，上海理工大學制冷與低溫工程研究所，（021）55275542，E-mail：zhanghua3000＠163.com。研究方向：制冷低溫過程與系統。

2016年9月29日

About the corresponding author

Zhang Hua，male，professor，Ph.D.supervisor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，University of Shanghai for Science and Technology，＋86 21-55275542，E-mail：zhanghua3000＠163. com.Research fields：system process of refrigeration and cryogenics.