熱泵熱水器中R1234ze(E)/R32替代R22的可行性分析

王團結巨福軍，2范曉偉*唐向陽鄺阿敏

1中原工學院能源與環境學院 2東南大學能源與環境學院

0 引言

據中國制冷空調工業協會統計[1]：HCFCs消耗總額中，R22（ODP=0.055，GWP=1700）占 99%，但 R22 屬于被替代制冷劑。鑒于《京都議定書》限制高GWP值制冷劑的使用，作為R22主要替代物的R410A和R407C也只能作為過渡性的替代制冷劑[2]。因此尋找安全高

效且環保性能優良的替代制冷劑，是目前學術界一個重要的研究方向。由于大氣壽命短，ODP=0，GWP=6，新型環保工質R1234ze(E)被作為潛在的熱泵替代工質[3]。Adrian[4]和張雷[5]研究發現，與R22相比，R1234ze(E)在冷凝壓力、排氣溫度上有較大優勢，但潛熱較小，導熱系數偏低，單位容積制熱量較小是其主要的制約因素。R32市場可獲性好，GWP=675，是GWP較低的替代制冷劑，在美國ARI Standard 520標準的空調工況下，其單位容積制冷量高于R22，但COP偏低、排氣壓力與排氣溫度偏高，且具有弱可燃性，限制了其作為替代制冷劑的使用[6-7]。因此，將兩種工質有目的的混合有望克服各自的缺點，組成非常具有潛力的環保替代工質。

目前，Koyama在R410A實驗臺上進行了R1234ze(E)/R32(50/50)混合工質的實驗研究，發現添加R32能夠提高R1234ze(E)系統的制冷量[8]，Fukuda在水-水壓縮制冷實驗臺上進行了替代研究，發現在熱泵模式和制冷模式下，質量配比分別為20/80和50/50時制冷劑COP最高[9]。目前已公開發表的文獻少有將R1234ze(E)/R32用于熱泵熱水器系統的研究，基于此，本文將對不同配比下R1234ze(E)/R32混合工質在熱泵熱水器循環系統中替代R22的可行性進行分析研究，為熱泵工質R22的替代研究提供理論依據。

1 R1234ze(E)/R32混合制冷劑的物性

1.1 環保及安全特性

如表1所示，與常用熱泵工質相比，可以看出R1234ze(E)和R32的ODP為0，GWP較小。因此，R1234ze(E)/R32混合制冷劑具有優異的環保特性。ASHRAE標準34和ISO/FD IS 817-2013均將R1234ze(E)劃分為A2L類制冷劑，即輕微可燃，但ASTME-681及歐盟A-11方法測試結果表明R1234ze(E)為不可燃氣體，且英國Chilworth Technologies Ltd試驗結果也表明其不具有助燃或爆炸性特性[10]。本文采用田貫三[11]所提出的混合工質燃燒極限估算公式，計算了不同質量配比下的燃燒極限，如圖1所示，R1234ze(E)的加入有效降低了R32的可燃性。

表1 幾種制冷劑的環保及安全特性

式中：Ce為不含阻燃工質的燃燒極限，%；Cz為混合工質的燃燒極限，%；B為阻燃工質的體積百分比，%。

圖1 R1234ze(E)/R32的燃燒極限與質量配比的關系

1.2 飽和蒸氣壓力

根據混合工質篩選原則，替代工質應與被替代工質應有相似的飽和蒸氣壓曲線，即組成混合工質的組元蒸氣壓曲線應位于被替代工質的蒸氣壓曲線兩側，這樣才有可能使混合工質的飽和蒸氣壓曲線接近被替代工質[12]。從圖2可以看出R1234ze(E)和R32的飽和蒸氣壓力曲線分別位于R22飽和蒸氣壓力曲線的兩側，且配比為45/55的混合工質與R22相似且接近，所以R1234ze(E)/R32（45/55）混合工質能夠實現對R22系統的直接充注替代，降低替代成本。

圖2 R1234ze(E)、R22和R32飽和蒸氣壓曲線

1.3 溫度滑移特性

溫度滑移是非共沸混合工質所具備的獨特性質。非共沸混合工質的使用可實現其與載熱流體在換熱器中較好的溫度匹配，從而減少傳熱不可逆損失，達到提高系統循環性能的目的。圖3表示不同壓力下溫度滑移與R32質量分數的關系，可看出相同質量配比下壓力越高溫度滑移越小，而同一壓力下溫度滑移呈現先增大后減小的趨勢。標準大氣壓力下混合工質的最大溫度滑移可達14.06℃，對應的R32質量分數為20%。熱泵熱水器試驗工況下熱源與熱匯測溫差分別為5℃和40℃，R32質量配比范圍為10%～50%時混合工質各壓力下的溫度滑移均大于5℃，因此能夠實現較好的溫度匹配。

圖3 不同壓力下混合制冷劑溫度滑移與R32質量分數的關系

1.4 溶油性

制冷劑與潤滑油的互溶性直接影響壓縮機的潤滑效果，從而影響壓縮機的使用壽命和系統性能穩定性。目前制冷和熱泵系統中最常用的潤滑油為礦物油（MO）、烷基苯油（AB）和POE。作為HCFCs工質，R22系統常用的潤滑油為烷基苯油，而R32屬于HFCs工質，完全不溶于礦物油和烷基苯油，但能很好的溶于聚酯類油（POE等）。從表2中可以發現，R1234ze(E)與常見潤滑油均具有良好的互溶性[13]，因此，R1234ze(E)的加入能夠有效提高混合工質與潤滑油的相溶性，無需更換R22采用的潤滑油。

表2 制冷劑與潤滑油的互溶性

2 模型建立

熱泵熱水器循環系統流程如圖4所示，主要部件包括蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥。

圖4 熱泵熱水器循環系統流程圖

本模型采用文獻[14]提出的熱泵模型。通過EES軟件進行求解計算，所有的熱物性參數均是調用美國NIST開發的數據庫Refprop9.1[15]。系統理論循環性能計算公式如下：

1）制熱性能系數COPh

2）單位質量制熱量qh

3）單位容積制熱量qhv

4）壓縮機壓比r

式中：h為混合制冷劑的比焓，kJ/kg；P為系統中的壓力，MPa；v為混合制冷劑的比熱容，m3/kg；1～4為圖 4中各狀態點；c為冷凝器；e為蒸發器。

3 計算結果分析

根據國家標準GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》[16]規定的名義工況，設定熱匯與熱源進出口溫度參數，如表3所示。

表3 熱泵熱水器名義工況參數

為便于分析混合制冷劑的循環系統特性并與常見的幾種制冷劑進行對比，在相同工況下，分別計算了熱泵系統純工質R22、R32和R1234ze(E)的循環性能參數。如表4所示，可以看出R1234ze(E)循環系統的排氣溫度最低，僅為65.15℃，比R22低19.52℃，單位容積制熱量比R22低54.16%。雖然R32循環系統的排氣溫度最高，但其單位容積制熱量比R22高61.80%，COPh高3.44%。

表4 熱泵熱水器系統循環性能參數

3.1 系統制熱COPh和壓比r

如圖5所示，R1234ze(E)/R32系統的COPh隨R32質量配比的增大，先增大到峰值再逐漸減小，主要原因是當R32較少時，R1234ze(E)為主要成分，其等熵線斜率較大，此時壓縮機耗功較小，制熱量的增加大于壓縮機功耗的增加，COPh呈現持續增大趨勢；隨著R32質量分數的增加，R32占主要成分，而R32等熵斜率較小，制熱量的增加無法彌補壓縮機功耗的增加，因此循環性能逐漸降低?；旌现评鋭┑膲罕萺由4.148逐漸下降到2.903，再緩慢增加到2.971，壓比低于R22和R32系統的質量配比范圍分別為30%～100%和50%～100%，較低的壓比有利于提高壓縮機的容積效率，降低功耗。

圖5 制熱性能系數、壓比與R32質量配比的關系

R1234ze(E)/R32（90/10）系統制熱循環性能為4.565與R22相當，R32的質量配比在10%～100%范圍內時混合制冷劑的COPh高于R32系統和R22系統。R1234ze(E)/R32系統最優質量配比為45/55，如表4所示，此時壓比低于R22系統，制熱COPh值為4.744，比R22系統和R32系統分別提高8.81%和5.19%，與R22系統相比，排氣溫度降低了3.92℃，單位質量制熱量和單位容積制熱量分別增加了3.59%和27.59%，而冷凝壓力升高了0.377 MPa。

3.2 壓縮機運行參數

圖6所示為不同R32質量配比下，R1234ze(E)/R32系統的冷凝壓力、蒸發壓力及排氣溫度的變化趨勢，可以看出：隨著R32質量配比的增大，混合制冷劑系統的冷凝壓力從1.237MPa線性增加到3.192 MPa。R32質量配比在0～35%范圍內時，系統冷凝壓力和蒸發壓力分別低于R22系統，在整個質量配比范圍內，冷凝壓力與蒸發壓力均低于R32系統，且蒸發壓力最小為0.298 MPa，大于標準大氣壓，不會出現吸氣壓力過低現象，有利于系統安全穩定運行。排氣溫度是壓縮機的一個重要安全性指標，較低的排氣溫度有利于循環系統的安全穩定運行。由圖6可以看出，隨著R32質量配比的增加，系統排氣溫度最高可達93.92℃，而質量配比在0～70%范圍內的系統排氣溫度均低于R22系統。

圖6 冷凝壓力、蒸發壓力及排氣溫度與R32質量配比的關系

3.3 系統的單位質量制熱量qh和單位容積制熱量qhv

如圖7所示，R1234ze(E)/R32系統的單位質量制熱量與單位容積制熱量隨R32質量配比的增加均呈現增長趨勢。其中單位質量制熱量從145.8 kJ/kg增長到279.4 kJ/kg，增長速率逐漸變小，R32質量配比為45%的混合制冷劑單位質量制熱量與R22系統（181 kJ/kg）相當，在相同的制熱量和熱泵工況下，制冷劑單位質量制熱量越大則灌注量越小，可減少工質的充注量，降低制冷劑成本，從而降低工質泄露時燃爆以及污染環境的可能性。與單位質量制熱量增長規律不同，混合工質的單位容積制熱量增長速率逐漸增大，從2321 kJ/m3增加到8192 kJ/m3，單位容積制熱量高于R22系統（5063 kJ/kg）的混合制冷劑中R32質量配比范圍為35%～100%。在相同制熱能力下，具有較大的單位容積制熱量的循環系統所需的壓縮機排量小，壓縮機結構更為緊湊。

圖7 單位質量制熱量和單位容積制熱量與R32質量配比的關系

4 結論

本文對混合工質R1234ze(E)/R32應用于熱泵熱水器上的制熱循環在名義工況下進行了理論分析，并在相同計算條件和工況條件下與R22系統進行對比，得出以下結論：

1）R1234ze(E)/R32混合制冷劑的最優質量配比為45/55，最優配比下COPh達到4.744，與R22系統相比，COPh提高8.81%，壓比減小，排氣溫度降低了3.92℃，單位質量制熱量和單位容積制熱量分別增加3.59%和27.59%，但冷凝壓力升高了0.377MPa。

2）R1234ze(E)/R32（45/55）具有良好的環保與安全性、溶油性和優異的溫度滑移特性，且與R22有相似的飽和蒸汽壓力曲線。

3）在冷凝壓力滿足系統要求，R1234ze(E)/R32系統制熱循環性能優于R22系統，且壓比、排氣溫度低于R22系統的條件下，可替代R22的混合制冷劑中的R32的質量配比范圍為30%～70%。