R290一體落地式熱泵熱水器的開發研究

杜順祥 楊磊 孫成龍 高文帥

青島海爾新能源電器有限公司 山東青島 266103

1 引言

目前關于空調熱泵制冷劑的替代趨勢，國際上主要國家和地區有不同的技術主張[1]：其中歐盟和中國代表一種技術主張，主張采用自然工質作為制冷劑，如R290、R600a、R717等；同時另外一種技術主張以美國和日本為代表，主張采用HFCs作為替代物，如R410A、R407C、R32等。R290冷媒屬于第一種技術主張的自然工質，從冷媒本身特性來講，R290的GWP為20，相對其他冷媒很小，這也是自然工質所共有的優點。其缺點是易燃爆。

R290憑借全球變暖潛值小，熱力學性質優良，成為我國和歐盟共同推崇的自然工質，目前R290成為國內替代R22/R410a/R134a的最受關注和最有潛力的環保制冷劑。國內已經開始開發和銷售R290相關機型，包括家用空調、冰箱、汽車空調、冷柜、熱泵熱水器等。以海爾、格力、美的為代表的國內空調企業已研制出R290制冷劑的空調產品。德國的斯寶亞創和汀普萊斯均已有了R290的熱泵熱水器產品，這表明R290已逐漸地被空調熱泵廠家接受，成為最具潛力的新一代制冷劑。

2 R290熱泵熱水器開發

本文的研發目的主要是在R290系統制熱性能提升、安全控制方面取得研發成果，主要研究內容是采用新式換熱器減小冷媒充灌量，換熱器流路優化提升制熱性能、防爆燃結構及電控控制設計等。

本文選擇一體落地式熱泵作為開發機型，基礎機型是R134a冷媒系統，在其基礎上更換R290冷媒系統，要求制熱量和能效不降低，制熱量為1800w，能效為4.15；整機做到小型化設計以達成成本下降，整機冷媒充注量控制在150～170g。一體式熱泵可以免去聯機安裝，避免物理連接時產生泄露隱患，此外不使用聯機管可以降低冷媒充注量。

首先分析兩種冷媒的物理特性，值得注意的是兩者混合物R290/R134a是一種近共沸制冷劑，其中R134a有阻燃性的效果，并且R134a加入到R290中可以適應礦物油[2]，可以應用在空調熱泵上面。

2.1 R290替代性分析

2.1.1 R290優點

（1）R290分子量比R134a小很多，粘度亦比R134a小，使空調制冷回路阻力損失減少，氣相密度較小，詳見表1。

（2）R290的汽化潛熱是R134a的1.72倍，這說明在相同制冷量下，采用R290可減少工質的循環量及充注量。

（3）R290絕熱指數低于R134a，在相同壓縮比時，可減少壓縮機耗功，降低排氣溫度，提高輸氣系數；導熱系數高于R134a。

（4）R134a理論制冷循環COP約為R290的106%，實際制冷循環的效率是理論制冷循環COP、傳熱、壓降特性三種因素綜合作用的結果。

（5）單位質量制冷量R290大于R134a。R134a單位質量制冷量約是R290的75%，結果是充注量小，毛細管長，質量流量小。

（6）單位容積比功從大到小為R290、R134a。R134a單位容積比功約為R290的70%。

（7）R290能與潤滑油友好互溶，R290溶于潤滑油會使潤滑油粘度降低，因此應選用粘度較大的潤滑油。

從圖1中可以看出，R290作為熱泵熱水器制冷劑，其相對壓比隨冷凝溫度變化趨勢要比R134a平緩不少，表明在水箱加熱過程中，R290的壓比要小于R134a，這對系統的高效運行是個不可忽略的標示。

2.1.2 R290缺點

R290屬A3等級，其“易燃易爆”的缺點是目前限制其大規模推廣的最大阻礙。只能通過減小灌裝量來降低其風險，因此只應用在小冷/熱量的空調熱泵設備上。

2.2 R290熱泵熱水器性能設計

R290熱泵熱水器設計的重點可以分成兩方面：一是降低冷媒充注量，二是防燃爆設計。具體內容可參見圖2的分析圖，在設計上如何提高R290熱泵的安全可靠性。

降低充注量是降低R290燃爆危害的最直接的辦法，即使泄露，不容易形成燃爆的必要條件，也就不會發生燃爆。主要途徑是要減冷媒系統的內容積，其中對降低冷媒量至關重要的則是高壓系統部分，包括壓縮機、冷凝器、高壓管路等。而蒸發器、低壓管路等對冷媒充注量影響相對較小。

2.2.1 壓縮機選型設計

降低壓縮機內容積及儲液量的途徑有：

（1）優化定轉子和電機的結構及配合關系，縮小壓縮機機殼的空腔容積[3]；

（2）采取間接吸氣，直接排氣的方式；

（3）優化氣液分離器。

根據以上原則，選用廠家提供的R290熱泵熱水器專用壓縮機，對氣液分離器進行了優化設計，其排量為9.0cc，吸氣管徑為7.94mm，排氣管徑為6.35mm。

2.2.2 四通閥及冷媒管路的內容積優化

盡可能減小折彎次數和折彎尺寸，在阻力允許的范圍內降低管路的內徑，降低冷媒管路的總長度。如冷凝液管至電子膨脹閥前管路由6.35mm更改為4.76mm管徑。

2.2.3 冷凝器設計

水箱原微通道扁管規格是25*2*18（寬度*厚度*孔數），集液管徑為φ20*2（直徑*壁厚）；微通道降低內容積的設計方向有兩個，一是采用25.4*1.3*26扁管，二是采用16*1.3*16扁管，集液管徑都是更改為φ12*1.8mm，此設計可極大地降低微通道冷凝器的內容積，降低冷媒充注量，還可以降低微通道耗材，降低冷凝器成本。

從圖3可以看出，三種微通道管型尺寸的變化主要是扁管內部通孔的尺寸變化，通孔尺寸變小，內容積下降，而扁管壁厚變化不大，可以保證耐腐蝕及爆破壓力的需求。

從圖4可以看出，采用后兩種微通道扁管及集液管的冷凝器組件其內容積大幅度下降，其中25.4*1.3*26扁管由于扁管數量少，其扁管總間距變小，集液管長度同樣變小，因此內容積下降是最大的。

從表2中可以看到，這三種不同微通道扁管的冷凝器性能數據對比，冷媒充注量主要是看水箱的上下溫差及冷凝后的過冷度確定，制熱量和能效方面是25.4*1.3*26扁管表現最好，從冷凝器高度來講，25*2*18＞16*1.3*16＞25.4*1.3*26，由于水箱加熱過程中高溫水向上流動，水箱溫度呈上高下低的梯形分布，冷凝器越靠近水箱下部，其冷凝壓力應越低，同時水箱上下溫差會減小，對系統運行能效具有一定的提高。

圖1 R290/R310a相對壓比對比圖

圖2 R290安全可靠設計之魚骨分析圖

圖3 三種微通道扁管尺寸示意圖

圖4 三種微通道冷凝器內容積百分比示意圖

微通道扁管內通孔尺寸變小，提高了冷媒阻力，但冷媒流速增加，也增強了換熱系數，因此需要調整冷凝器流路來協調冷媒阻力和流速的關系，在冷媒阻力允許的范圍內盡可能提高流速來增強換熱。25*2*16扁管冷凝器是4流程設計，而25.4*1.3*26與16*1.3*16是3流程設計，雖然冷媒阻力稍有上升，但系統制熱量和能效提高更多。

結合以上壓縮機、管路及冷凝器的優化設計，R290充注量從最初的290g下降為205g，下降幅度為29.3%。

2.2.4 蒸發器設計

蒸發器原先是三排7mm管翅式換熱器，優化方向一是采用雙排20mm折彎微通道換熱器，詳見圖5的示意圖，二是采用三排5.0mm管翅式換熱器，性能參數對比見表3。

5.0mm管翅式蒸發器較7.0mm蒸發器相比，其冷媒側換熱面積降低，對其整體換熱量是有不利影響的，因此5.0mm蒸發器管間距降低，管數增加，并且其翅片寬度沒有降低，彌補了其性能的下降，同時優化5.0mm蒸發器的流路設計，由7.0mm的三路分流優化為4路分流，并調整分液毛細管的內徑及長度，降低管路長度及內容積，可以達到和原7.0mm相接近的性能水平。

微通道蒸發器扁管規格是16*1.3*16，中間部分的扁管經偏向折彎形成雙排結構，兩個集液管處于蒸發器的下部，分液集液管中間為特殊分流結構設計，可以提高蒸發器分流均勻性。在額定工況及高溫工況下微通道蒸發器可以做到接近管翅式換熱器的水平，但在低溫及凝霜工況下，微通道蒸發器的制熱量大幅度下降，造成加熱時間過長，能效下降。因此最終蒸發器選定5.0mm三排蒸發器，冷媒充注量從205g下降170g，降低幅度約16%。

2.3 R290熱泵熱水器防燃爆設計

R290能夠發生燃爆的四個條件分別是有R290、氧氣、特定濃度、點火源，這四個條件缺一不可，只要想辦法使其中一個條件失效，R290就不會發生爆炸。對熱泵設計來講，后兩個條件是重點關注的。與此對應的針對抑制R290燃爆的研究主要集中于解決特定濃度和點火源兩個方面。

（1）R290的爆炸濃度范圍為2.1%～9.5%。在該濃度范圍以外時不會產生爆炸或者燃燒，因此在R290發生泄漏時及時將其濃度稀釋就不會產生隱患。

（2）點火源是指能夠使R290和周圍氧氣燃燒進而發生爆炸所需的能量來源。將可能會發生電火花等點火源的電控板、周圍電氣環境采用抑制電火花及防爆設計。

在熱泵設計方面，可以從系統、結構、電控分別考慮抑制燃爆的設計方案，其出發點基本上是防止泄露、快速擴散、抑制點火源產生等方面：

一是物理方法截斷系統流路，將制冷劑在系統管路中分成內外兩部分，使得泄露段只能泄露部分制冷劑，或從泄露源頭進行管控。著重從制冷劑壓力與溫度來判斷。再者改進系統的運行水平，優化系統結構設計；改善管材和焊接工藝水平，減少活動連接，避免系統運行過程中的泄漏、爆管等情況發生[4]。

表1 R134a/R290冷媒物性比較

表2 三種微通道冷凝器之性能參數對比

表3 三種蒸發器之性能參數對比

圖5 7mm管翅式蒸發器改雙排微通道換熱器示意圖

二是結構設計上避免存在可以使泄露冷媒聚集的區域，電控盒進行密封設計，電控板連接線通過電控盒進出口使用絕緣材料進行密封處理，電控盒上下蓋使用絕緣橡膠密封墊，機器內部除電控盒以外沒有密閉或半密閉的空間存在，使得泄露冷媒能夠在較短時間內擴散開來。

三是采用防爆電氣元器件以抑制大能量明火，大功率元器件周圍不應布置熱敏元件，要留有足夠的距離；運行過程中元器件不能釋放電火花，并且隔熱絕緣，避免R290在局部空間燃燒，造成火災隱患。因此電控盒組件中有可能產生電火花的元器件，如溫度控制器、繼電器、電容、電源連接、電機、熱保護器等具有觸點閉合—斷開功能的開關必須是防爆設計的，符合GB 4706.32-2012《家用和類似用途電器的安全 熱泵、空調器和除濕機的特殊要求》中關于可燃制冷劑的電氣元件要求。

四是通過微燃風險評估和模擬試驗：泄漏分析、燃爆破壞性模擬和試驗對風險概率進行分析。

3 結論

綜上所述，本文得出以下結論：

（1）R290熱泵熱水器通過優化壓縮機、兩器、管路降低系統內容積，在制熱量和能效不降低時降低冷媒充注量，同時亦可適當降低制熱量和系統能效，來降低冷媒充注量。

（2）R290熱泵熱水器需要做好防燃爆的產品設計工作和易燃爆警示。在冷媒充注量少時，其燃爆的概率和危害急劇降低。

（3）微通道冷凝器和5.0管蒸發器在內容積降低的同時，要考慮其流速帶來的壓損上升對系統能力能效的影響。

（4）后續考慮在熱泵直熱機和水循環機采用R290冷媒，其主機安裝在室外，保證通風良好。室內只有水路循環，無燃爆風險。

[1] 張守信，張明杰，付裕. R290作為家用空調制冷劑的研究.日用電器[J],2010(1).

[2] 錢文波，晏剛. 冷凍陳列柜應用混合工質R290/R134a替代R404A的實驗研究.中國制冷冷藏凍結專業委員會2009年學術論文集[C].

[3] 何國庚，劉強，倪敏慧，劉付偉. R290替代R22的空調用旋轉壓縮機優化.中國制冷學會2009學術年會論文集[C]，2009.

[4] 魯益軍，劉哲，張先雄，尹守偉. R290制冷劑空調器的阻燃性設計探討.家電科技[J]，2010(12).