熱泵系統R410A制冷劑的替代物研究

張慶倫，姚卉，劉培沖，于同山

(大連斯頻德環境設備有限公司，遼寧 大連 116033)

0 引言

近日，2021年諾貝爾物理學獎公布，哈塞爾曼和真鍋淑郎因“對地球氣候的物理建模，來量化變異性和可靠地預測全球變暖”而獲得表彰。全球變暖問題已日益嚴峻，受到國內外的廣泛關注，目前普遍認為這與人類活動及溫室氣體排放有關。為實現可持續性發展，2015年12月，第21屆聯合國氣候變化大會通過《巴黎協定》，確立2020年后以“國家自主貢獻”目標為主體的國際應對氣候變化機制安排，各方承諾將全球平均氣溫增幅控制在低于2 ℃的水平，并向1.5 ℃ 溫控目標努力。2016年10月，《蒙特利爾議定書》 第28次締約方大會上正式通過了《基加利修正案》，將18種氫氟烴(HFCs)類物質納入管控范疇[1]，并規定了具體的逐步淘汰時間表。自2024年起，我國受控用途的HFCs生產量和使用量將被凍結在基線水平，2029年削減10%，2035年削減30%，2040年削減50%，預計到2045年不超過基線20%[2]。

很多HFCs類物質，因不破壞臭氧層、熱物性優良、來源廣泛，安全性和適用度較好，而被大量應用于供熱通風與空氣調節(HVAC)領域[3-4]。以R410A為例，是由HFC-32和HFC-125按等質量比組成的二元混合物，目前被廣泛應用于多種制冷熱泵系統中。國內外各大制冷空調設備制造商大多有R410A機型產品。斯頻德主營產品是冷卻塔與精密空調，以R410A為制冷劑的產品制冷量涵蓋2.8 kW至32 kW。

然而，學術研究表明R410A的溫室效應潛能值(GWP)是CO2的2 088倍[5]，在“碳達峰”和“碳中和”背景下，從能源、技術的可持續性發展角度，有必要研究新型環保R410A替代物。

1 R410A替代物的基礎熱物性

本研究基于“直接灌注式”制冷劑替代技術[6-7]，研發出一種新型環保三元替代物，并兼顧考慮成本、碳排放以及行業熟悉度因素，最大程度地兼容使用原R410A熱泵系統的零部件。三元替代物使用了GWP小于1的氫氟烯烴(HFO)組元和火焰壓制能力更優的阻燃組元，同時保留了一定比例的HFC-32。三元替代物的直接GWP值約554，相對分子量約58.9 g·mol-1，臨界溫度、臨界壓力和臨界密度的估算值分別約為79.5 ℃、5.77 MPa以及454.3 kg·mol-1。

圖1示出了 R410A及其替代物的溫度-壓力對比關系，二者非常貼近，滿足最基本的技術要求。局部放大后，可以看到經優化設計后，在相同溫度下，R410A的飽和蒸氣壓“恰好”位于替代物的氣液壓力和液相壓力之間。同R410A的歸類一樣，三元替代物也是一種非共沸混合物，其不同壓力下的溫度滑移分析結果如圖2所示。

圖1 R410A及替代物的溫度-壓力對比關系

在熱泵系統工作壓力范圍內，三元替代物的溫度滑移隨壓力的升高而逐漸降低，如圖2所示，最大溫度滑移約1.6 ℃，而當壓力達到3 MPa及以上后，溫度滑移低于1 ℃。圖2還示出，三元替代物的定壓比熱容(Cp)在壓力低于2.6 MPa的主要工作區域內是略高于R410A的；而在高壓區域，三元替代物的定壓比熱容略低于R410A。

圖2 R410A及替代物的溫度滑移與比熱關系

圖3示出了R410A及其三元替代物的兩個重要輸運性質參數—導熱系數和液相黏度的對比分析結果。在-50 ℃至60 ℃溫度范圍內，三元替換物具有更大的導熱系數，這有利于換熱器的緊湊化；而在10 ℃以下，三元替代物的液相黏度更低，因而在低溫換熱器管內的流動性要優于R410A。

圖3 R410A及替代物的熱系數和黏度的對比關系

2 制冷/制熱循環性能分析

如前所述，本研究所提出的新型環保三元替代物滿足了“直接灌注式”制冷劑替代技術的基本要求，與被替代物R410A相比，表現出較好的環保性、基礎熱物性與輸運性質。進一步地，以美國國家標準局(NIST)開發的Cycle_D-HX模型為基礎[8]，補充數據，進而在8種制熱/制冷工況下，分別估算了R410A及三元替代物的理論循環性能。

關鍵條件設置如下：在四種制熱工況下，蒸發器出口溫度分別設置為-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃和-10 ℃；在四種制冷工況下，蒸發器出口溫度分別設置為-5 ℃、 0 ℃、5 ℃和10 ℃。此外，都調控了冷凝器出口溫度比蒸發器高出40 ℃，對冷、熱源溫差做了統一化處理。過冷度和過熱度皆為5 ℃，換熱器△T都設置為8 ℃，壓縮機的綜合效率為0.83，機組制冷量為5 kW。

如圖4所示，三元替代物的制冷/制熱性能系數(COP)在所有工況下都高于R410A，特別是在制冷模式下，節能效果更加優秀，平均節能率超過3個百分點。在所有工況下，三元替代物的單位容積制冷/制熱量(Qv)都明顯高于R410A，最大可達108%，這為保持原壓縮機缸徑或是優選更小缸徑奠定可能。

圖4 R410A及替代物的COP和Qv對比關系

如圖5所示，三元替代物的冷凝壓力(Pc)與R410A基本相當，且呈略低狀態，這得益于充分利用各組元的氣液相特點所進行的組分優化設計。因此，在原R410A系統中直接替換灌注三元替代物，無需擔憂整套制冷系統的高壓部件—冷凝器的承壓問題。

圖5 R410A及替代物的冷凝壓力和循環量對比關系

如圖5所示，對比制冷劑質量流率(MFL)可知，當制冷量相同時，三元替代物的理論循環量平均比R410A低25%。而且在純制冷模式下，MFL值的削減量更大。因而，兼顧考慮制冷劑的直接GWP值和同冷量下的制冷劑循環量，三元替代物的當量溫室效應潛能值能夠比R410A低80%，減排量非常顯著。

需要注意的是，使用三元替代物時，壓縮機的排氣溫度要明顯高于R410A，如圖6所示。雖然相比于制冷模式，在制冷模式下此問題有所緩解，但排氣溫度提高的問題仍舊不容忽視。仍需注意做好壓縮機散熱、系統高溫自動保護措施[9]，還需要考慮到潤滑油、非金屬件的耐熱性問題。

圖6 R410A及替代物的壓縮機排氣溫度對比關系

此外，另一個需要注意的問題是，三元替代物的安全性分類可能是A1類(標準測試條件下未見火焰傳播)。但如果阻燃組元在混合物中的摩爾比過低，則會轉變成A2L類(微可燃)，此時相關操作需要滿足國標GB/T 9237—2017 《制冷系統及熱泵安全與環境要求》的具體規定，特別是有關制冷劑的最大允許充注量以及安全防護等問題。

3 結語

本文基于“直接灌注式”制冷劑替代技術，探討了熱泵系統在制冷和制熱兩種模式下的R410A制冷劑替代問題，得到以下主要結論：(1)本研究所提出的R410A三元替代物具有良好的熱力學性能、傳熱與流動性能、理論循環性能、以及節能與減排性能，具有一定的發展潛力。(2)本研究所提出的R410A三元替代物可以同時適用于制冷與制冷模式，且制冷模式下，對R410A的替代效果更佳，契合了精密空調產品的工作條件。(3)本研究所提出的R410A三元替代物具有較低的GWP值，具有發展潛力。而在實際推廣使用前，需要開展真機實驗，進一步掌握其制冷性能，并在機組安全防護方面做細致強化。