R290小冷量制冷壓縮機的測試方法及性能比對研究

徐華保 楊雙 李欣

中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 100176

1 引言

目前，環保制冷劑R290作為滿足基加利修正案要求的優選技術方案，在制冷產品上的應用已日趨成熟，國內大型壓縮機企業及空調企業均投入了較大資源，致力于R290產品的開發設計及產品升級。珠海格力于2011年建立了全球首條碳氫制冷劑R290分體式空調示范生產線，廣東美芝建立了聯合國蒙特利爾多邊基金首條R290壓縮機示范生產線，為推動中國在環保制冷劑替代及制冷技術創新升級方面發揮了極為重要的作用。

現階段，R290在家用空調、熱泵、除濕機等產品上的應用較多，在冰箱、冷柜等小冷量制冷產品上的研究和應用還具有較大空間。文獻[1]針對R290與R600a在冰箱制冷系統的應用對比分析，得出R290在冷卻能力、冷凍能力和降溫速度上有明顯的優勢。文獻[2]根據R290與R600a在商用冷柜中的試驗測試對比得出，R290在冷卻速度和冷凍能力方面優勢明顯，綜合性價比更高。冰箱冷柜等小冷量制冷器具與空調相比，制冷系統無現場安裝需要，降低了安裝過程中因操作不當導致的燃爆風險，且充注量一般比空調器小。因此，加強R290制冷劑在小冷量制冷產品中的應用研究具有較強的實際意義。文獻[3]對R290與R134a、R404A制冷劑優劣勢進行了對比研究，并提出了R290制冷壓縮機可能出現的壓縮機不啟動、卡死等故障的解決措施，極大的改善了壓縮機的可靠性，為R290制冷壓縮機的推廣應用奠定基礎。

為確保R290制冷劑產品在使用過程中的安全可靠性及性能穩定性，相關產品必須經過嚴苛的檢測方可投入市場。目前的國家標準中采用的制冷工況來源于ASHRAE，將冷凝溫度定在54.4℃，這種冷凝溫度與實際整機最常運行溫度相差甚遠。作為壓縮機制造商，如果按照這個冷凝溫度調整壓縮機在此冷凝溫度下達到最優，就會造成在實際使用中壓縮機大多情況下并非在最優情況下運行，從而造成耗電量上升，制冷量下降，COP下降，反而與國家的節能政策相違背。目前制冷壓縮機標準正在進行修訂，為了初步改變這種狀況，將更適合整機實際運行工況作為國標工況的一種，同時摸索R290制冷劑壓縮機在整個行業的現狀。本文針對國內外現有標準的工況條件要求開展試驗結果的差異性分析，并研究在國標條件下壓縮機性能分布特點，為R290制冷劑壓縮機產品開發提供依據，為國標修制定提供理論支撐。

2 R290的熱力學性能

碳氫工質R290作為替代制冷劑的明顯優勢主要來源于其優異的熱力學特性。與傳統制冷劑R22相比，R290的標準沸點、凝固點、臨界點等基本物性與之極其接近。但R290的導熱系數更大、粘性系數及絕熱指數更小，作為制冷系統換熱介質可有效改善換熱效果，降低功耗，減少充注量[4]。與目前冰箱冷柜等小型制冷系統中主流制冷劑R600a相比，R290也具有相對明顯的優勢，由表1中的對比參數可以看出，相比于R600a，R290的沸點更低而汽化潛熱略高，更適宜于有低溫速冷需求的冰箱產品。兩種制冷劑都屬于低毒易燃的自然工質，但是R290的單位容積制冷量與單位質量制冷量均高于R600a，相同系統中R290的充注量更少。因此，作為純天然工質的R290也被稱為“超具發展潛力的環保制冷劑”。

表1 R290與R600a制冷劑主要性能參數對比

R290推廣應用中面臨的最關鍵的問題是存在一定的燃爆危險，按照GB/T 7778-2017《制冷劑編號方法和安全性分類》中的制冷劑安全性分類（如圖1所示），R290屬于A3類制冷劑。R290發生爆炸危險一般需要同時滿足兩個條件：（1）與空氣混合且濃度達到2.5%～8.9%；（2）溫度超過810℃[5]。但是對于小型制冷器具來說，在實際使用過程中同時達到上述兩點的概率是極其微小的。

圖1 制冷劑安全性分類

3 不同壓縮機標準的性能測試條件分析

3.1 標準測試工況

目前小冷量壓縮機性能測試依據的標準主要有GB/T 9098-2008《電冰箱用全封閉型電動機-壓縮機》[6]、ASHEARE、EN 12900-2013 Refrigerant compressors - Rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data[7]、T/CAS 319-2018《電冰箱實際工況下全封閉型電動機-壓縮機性能評價技術規范》[8]以及用戶自定義工況條件等。其中ASHEARE與GB/T 9098在測試工況上是基本一致的，合并為一組進行分析。主要試驗方法一般主側為第二制冷劑熱量熱計法，輔側為液體質量流量計法，對應的國標為GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》。不同標準低背壓條件的測試工況如表2所示。從表2中可以看出，對于所涉及的幾種測試工況，除EN12900外，吸氣溫度和環境溫度基本一致，主要區別在于冷凝溫度、蒸發溫度以及過冷溫度存在一定的差異性，因此分別針對這三點不同將國標與其他三個測試條件進行對比分析。

表2 制冷量測試工況

3.2 國標與EN標準的差異性

圖2 理想循環壓焓圖（簡化）

從表2可以看出，國標和EN標準在測試工況上基本相同，主要區別在于過冷度的確定，國標要求22 K的過冷度，而EN標準過冷度則為0 K。從如圖2所示的制冷循環lgP-h圖可以知道，如果對于同一臺樣機進行測試，國標GB/T 9098中的制冷量試驗的測試結果考慮了冷凝溫度對應冷凝壓力下的飽和液態狀態點3以及閥前過冷狀態點3’之間的這部分能力，則一般情況下國標條件下的制冷量測試結果QGB應略大于EN條件下的制冷量測試結果QEN。此處需要說明，國標GB/T 5773-2016中的制冷量計算公式并未將過冷部分的能力考慮進去，但是在實際處理過程中，大部分企業及第三方檢測機構的實測制冷量都加入了該部分能力。因此本文所涉及的國標的制冷量計算都是考慮了此部分能力的測試結果。

根據制冷量計算公式簡化計算則：

其中：qm為制冷劑質量流量（公式忽略了其他測試條件的差別所帶來的影響，僅分析過冷度對制冷量測試結果的影響）。

3.3 國標與T/CAS 319的差異性

T/CAS 319-2018《電冰箱實際工況下全封閉型電動機-壓縮機性能評價技術規范》的制訂主要基于國標測試工況與壓縮機設計的標準工況存在一定的差異性。設計工況是針對整機產品制冷系統穩態運行而確定的，因此兩種方法在蒸發溫度和冷凝溫度狀態的選擇上具有明顯區別。T/CAS 319的蒸發溫度略低于國標測試工況，而冷凝溫度與國標工況則存在較大差異，差值達到16.4 K。對于R290制冷壓縮機，對應的蒸發壓力和冷凝壓力分別如表3所示。由此可知，同一測試樣機在T/CAS 319工況下的制冷量及消耗功率將比國標工況下的測試結果偏低，且功率的降低幅度更大，在壓焓圖上表示如圖3所示。

表3 R290制冷循環在國標與T/CAS 319工況下的的壓力對比

圖3 國標與T/CAS 319制冷循環（簡化）

3.4 國標與典型自定義工況的差異性

典型的自定義工況是針對企業定制性開發的設定測試條件，與國標工況相比最明顯的差異在于蒸發溫度升高而冷凝溫度降低，在此條件下壓縮比大幅降低，測試樣機的COP將明顯提升，具體參數如表4所示。

表4 R290制冷循環在國標與自定義工況下的壓力對比

4 結果差異性分析

4.1 不同標準同一機器的測試結果差異性分析

為分析不同工況條件對壓縮機制冷量測試結果的影響選取一臺規格參數如表5中所示的小冷量制冷壓縮機進行四種不同測試工況下的性能測試，制冷量及輸入功率測試結果如圖3所示。

表5 測試樣機規格參數

圖4 某機型在四種不同測試工況下的性能測試結果比對

對應3.2至3.4小節的分析可以看出，與國標工況相比，該機型在EN 12900測試工況下，實測制冷量減小22.32 W，降低幅度達到7.88%；在T/CAS 319工況下，制冷量和消耗功率都有所減小，但是因為功率降低幅度更大，因此實測COP結果略大于國標工況；在典型自定義工況下，COP的提升幅度達到13%。由上可知，不同工況下同一樣機的測試結果偏差是比較明顯的，企業或者檢測機構在測試過程中，必須根據產品依據的標準來設定測試條件，并盡可能提高測控精度，以免引起測試結果誤差。

4.2 國標測試工況下不同機器性能測試結果分析

R290是冰箱壓縮機中R600a的最佳替代制冷劑之一，因此近幾年各冰箱壓縮機廠家都在深入研發并上市R290制冷劑壓縮機，但是R290制冷壓縮機產品整體性能情況及產品間的性能比對研究確不多見。本文以GB/T 9098測試工況為統一條件，選取了10家冰箱壓縮機企業具有代表性的小冷量制冷壓縮機產品共計40臺，進行性能測試結果分析，其中制冷量分布如圖5所示，有25臺的能力測試結果為200 W～600 W，占總數的63%。將COP測試結果劃為四個等級進行占比分析，如圖6所示，其中COP在1.0～1.2范圍內的占比為10%，在1.2～1.4范圍內的占比為35%，在1.4～1.6范圍內的占比為30%，在1.6～1.8范圍內的占比為25%。

選取制冷量在240 W～300 W以及300 W以上的測試樣機與標準要求的R600a制冷劑壓縮機的COP分級要求進行比對。測試樣機分別有9臺和18臺處在該范圍，占比分別為總數的23%和45%，性能系數分布分別如表6、表7所示。其中制冷量在240 W～300 W有5臺，即一半以上的測試樣品的COP大于1.5，即分級為對應R600a的B級。300 W以上的測試樣機則由占比72%以上的COP測試結果對應分級在B級及以上。

圖5 測試壓縮機制冷量分布

圖6 測試壓縮機COP分布

表6 240 W～300 W測試樣機性能系數（COP）

表7 300 W以上測試樣機性能系數（COP）

5 結論

環保工質R290在小冷量制冷系統中的推廣應用是制冷劑替代背景下的必然趨勢，其環保易獲取的特性迎合市場需求。本文從國標、歐盟標準、團體標準以及自定義工況等對于測試條件的不同要求，分析了壓縮機制冷量試驗及其測試結果的差異性。

（1）不同標準對于測試工況的要求存在一定區別，通過同一機器在不同測試條件下開展試驗比對可以發現，工況條件的變化對壓縮機制冷量的影響是比較明顯的。因此，在壓縮機性能測試前確定所需滿足的試驗工況，為了盡可能提高測試精度，本文采用高精度量熱器設備，其再現性誤差＜1%，在整個制冷量范圍測量誤差＜2%（包含因子K=2），電氣參數誤差＜0.5%（包含因子K=2），更好的滿足壓縮機制冷量測試結果可靠性的基本要求。

（2）通過選取40臺具有代表性的不同冰箱壓縮機企業生產的R290制冷壓縮機，在國標測試條件下進行性能測試，并將COP測試結果與標準要求的R600a的分級要求進行比對，R290制冷壓縮機表現出良好的性能特點。

（3）根據40臺R290制冷壓縮機在各種工況下性能測試結果，以及考慮到上述所說的國標工況選擇的缺陷，建議在新國標中增加更適合整機運行的測試工況。同時暫時保留原標準工況，這樣用戶一來可以有數據的延續性；二是可以在新工況下積累數據，為后續的數據對比提供支撐，在條件適合情況下徹底改為整機適用工況。

總言之，R290作為替代制冷劑在制冷壓縮機的應用中具有顯著意義，加大R290應用技術研究，完善標準體系，推動環保制冷劑在制冷系統中的應用具有深刻意義。