基于低環(huán)溫空氣源熱泵機組的制冷劑替代實驗研究

曹 巍

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著社會快速發(fā)展，空調(diào)技術(shù)也在不斷更新。早期的空調(diào)使用的制冷劑是氟利昂R22，由于R22對臭氧層危害較大，逐漸被不含氯元素的R410A替代。R410A是由R32和R125按照50:50的質(zhì)量百分比組成的二元準(zhǔn)共沸混合制冷劑組成。R410A雖然對臭氧層沒有危害，但在很大程度上會引發(fā)溫室效應(yīng)，加劇全球變暖。1 kg R410A排放到大氣中所造成的溫室效應(yīng)相當(dāng)于排放1 900 kg CO2，而1公斤R32相當(dāng)于排放580公斤CO2，不到前者的三分之一。這樣的背景下，R32作為新一代節(jié)能減排環(huán)保無毒制冷劑，成為一個上佳選擇登上了歷史舞臺。隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的生效，加速了制冷劑替代在空調(diào)機組上的進程。目前制冷空調(diào)機組采用的R410A制冷劑將逐漸被低GWP（全球變暖潛能值）的制冷劑取代。在替代方案中，R32以及R32和HFC類（氫氟烴類）制冷劑組成的混合制冷劑成為業(yè)界研究重點。在中國、日本以及東南亞地區(qū)，R32的低成本高能效特性使其成為中小型空調(diào)機組的開發(fā)重點[1]。

1 制冷劑性能分析

R32與R410A的區(qū)別主要在熱力性質(zhì)、GWP值、CO2減排、可燃性和循環(huán)性能方面的區(qū)別。R32制冷劑是R410A制冷劑的優(yōu)秀環(huán)保替代品之一。

表1是R32和R410A物理性質(zhì)對比[2]，從表1中可以看出：

表1 制冷劑物理性質(zhì)

1）熱物性：R32充注量可減少，僅為R410A的0.71倍，R32可以使用較小排量的壓縮機和系統(tǒng)部件，相比R410A系統(tǒng)節(jié)約成本；R32系統(tǒng)工作壓力較R410A高，但最大升高不超過4 %，與R410A系統(tǒng)的承壓要求相當(dāng)。

2）環(huán)保特性：ODP值（消耗臭氧潛能值）均為0，但R32的GWP值適中，與R22相比CO2減排比例可達77.6 %，而R410A與R22相比CO2減排比例僅為2.5 %，R32在CO2減排方面明顯優(yōu)于R410A。

3）安全性：R32與R410A均無毒，R32具有可燃性。在R22的幾種替代物R32、R290中，R32的LFL（燃燒下限）濃度最高。R290雖然最為環(huán)保，但有著高度易燃的性質(zhì)，安全等級為A3，所以要求只能用于2匹以內(nèi)的空調(diào)，大匹數(shù)空調(diào)使用受到限制。

表2是ARI Standard 520標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)工況（蒸發(fā)溫度7.2 ℃，冷凝溫度54.4 ℃，過熱度11.1 ℃，過冷度8.3 ℃，壓縮機等熵效率為0.75）下制冷劑理論循環(huán)特性[3]。從表中看出：R32熱工性能優(yōu)于R410A，R32系統(tǒng)單位容積制冷量比R410A要高12.7 %，COP約高5.3 %，但是排氣溫度高25 ℃，排氣壓力高0.03 MPa。

表2 制冷劑理論循環(huán)特性

可以看出，在環(huán)保性能方面，R32的GWP值比R410A低，同樣不破壞臭氧層，所以R32在CO2減排方面表現(xiàn)出色。在安全性能方面，R32無毒，但具有低可燃性。在使用R32時，對產(chǎn)品進行相關(guān)的安全措施就能提高安全性能，提高設(shè)備使用R32時的可靠性。

2 實驗測試

2.1 實驗裝置

實驗樣機選用2臺25 kW低環(huán)溫空氣源熱泵機組，系統(tǒng)流程如圖1所示[4]。分別通過匹配實驗確認(rèn)最佳灌注量，樣機1充注R410A冷媒11 kg；樣機2充注R32冷媒9 kg，2臺機組均采用補氣增焓全封閉轉(zhuǎn)子式壓縮機（壓縮機排量相當(dāng)），樣機2在樣機1基礎(chǔ)上減小了翅片換熱器面積并增大了水側(cè)換熱器面積（在殼體尺寸、風(fēng)機系統(tǒng)等方面相同的情況下，調(diào)整兩器大小，以最終達到較好的性能）。

在系統(tǒng)運行時，采集排氣壓力Pc、中間壓力Pm、低壓壓力Pe、感溫包8的溫度T1、感溫包4的溫度T2、感溫包10的溫度Ts。

機組制冷運行時，通過電子膨脹閥5和電子膨脹閥13的調(diào)節(jié)來控制系統(tǒng)過冷度和中間補氣壓力，通過電子膨脹閥7的調(diào)節(jié)來控制系統(tǒng)吸氣過熱度，進而確保雙級壓縮機壓力平衡，實現(xiàn)機組安全可靠地運行。系統(tǒng)過冷度、中間補氣目標(biāo)壓力和系統(tǒng)吸氣過熱度的計算分別見公式（1）、（2）和（3）。

式中：

△Tc—系統(tǒng)過冷度；

P補—中間補氣目標(biāo)壓力；

K—中間壓力系數(shù)；

△TS—系統(tǒng)吸氣過熱度。

機組制熱運行時，通過電子膨脹閥7和電子膨脹閥13的調(diào)節(jié)來控制系統(tǒng)過冷度和中間補氣壓力，通過電子膨脹閥5的調(diào)節(jié)來控制系統(tǒng)吸氣過熱度。系統(tǒng)過冷度的計算見公式（4），中間補氣目標(biāo)壓力和系統(tǒng)吸氣過熱度的計算與制冷運行的公式一樣，分別見公式（2）和（3）。

系統(tǒng)過冷度△Tc、中間壓力系數(shù)K和吸氣過熱度△TS需要通過不同工況下實際空調(diào)器的系統(tǒng)進行匹配測試后確定。

當(dāng)系統(tǒng)過冷度偏小時，需減小電子膨脹閥5或電子膨脹閥7的開度；當(dāng)系統(tǒng)過冷度偏大時，需增大電子膨脹閥5或電子膨脹閥7的開度（制冷運行時調(diào)節(jié)電子膨脹閥5，制熱運行時調(diào)節(jié)電子膨脹閥7）。

當(dāng)壓力傳感器14檢測到的中間補氣壓力Pm＜P補時，需增大補氣電子膨脹閥13的開度；當(dāng)壓力傳感器14檢測到的中間補氣壓力Pm＞P補時，需減小補氣電子膨脹閥13的開度。

當(dāng)系統(tǒng)吸氣過熱度偏小時，需減小電子膨脹閥7或電子膨脹閥5的開度；當(dāng)系統(tǒng)吸氣過熱度偏大時，需增大電子膨脹閥7或電子膨脹閥5的開度（制冷運行時調(diào)節(jié)電子膨脹閥7，制熱運行時調(diào)節(jié)電子膨脹閥5）。

2.2 實驗工況

低環(huán)境溫度空氣源熱泵的最新國標(biāo)GB/T 25127.2-2020已于2021年4月實施，但2020年11月1日實施的低環(huán)溫空氣源熱泵能效標(biāo)準(zhǔn)GB 37480-2019還是參照GB/T 25127.2-2010的測試方法[5-7]。且低環(huán)溫空氣源熱泵機組節(jié)能認(rèn)證的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為GB 37480-2019，能效備案的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也是GB 37480-2019。故實驗依據(jù)GB 37480-2019標(biāo)準(zhǔn)確定測試工況如表3，分別對2臺不同制冷劑的機組進行測試。兩臺機組名義制冷量和名義制熱量明示值均為25 kW。

表3 實驗運行工況

3 實驗數(shù)據(jù)分析

從表4的對比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑機組的實測名義制冷量比R410A制冷劑機組實測名義制冷量提高了4.8 %，能效提高了9.7 %。使用R410A制冷劑的機組壓縮機頻率需要50 Hz運行才滿足25 kW能力，而使用R32制冷劑的機組上的壓縮機只需到46 Hz運行即可滿足25 kW能力。這樣，R32制冷劑機組相比R410A機組壓縮機頻率降低了4 Hz，系統(tǒng)功率降低了400 W，從而R32制冷劑機組能效更高。名義制冷工況下，使用R32制冷劑的機組的排氣溫度為86 ℃，雖然比R410A機組排氣溫度高了13 ℃，但仍在可控范圍內(nèi)。

表4 名義制冷性能對比

從表5的對比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑的空氣源熱泵機組的制熱量比R410A制冷劑的機組降低了0.9 %，但都滿足名義制熱量的性能要求（GB/T 25127.2-2020標(biāo)準(zhǔn)要求機組的實測制熱量不小于名義制熱量明示值的95 %，實測制熱量大于名義制熱量明示值的100 %），能效提升3 %。使用R410A制冷劑的機組壓縮機頻率需要66 Hz運行才滿足25 kW能力，而使用R32制冷劑的機組上的壓縮機只需到64 Hz運行即可滿足25 kW能力。這樣，R32制冷劑機組相比R410A機組壓縮機頻率降低了2 Hz，系統(tǒng)功率降低了600 W，從而R32制冷劑機組能效更高。名義制熱下，使用R32的機組的排氣溫度比R410A高了9 ℃，在可控范圍內(nèi)。

表5 名義制熱性能對比

從表6的對比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑的空氣源熱泵機組低溫制熱量比R410A制冷劑的機組提升2.2 %，能效提升4.6 %。即在-20 ℃環(huán)溫下，使用R32的系統(tǒng)制熱效果也優(yōu)于R410A。

表6 低溫制熱性能對比

從表7的對比數(shù)據(jù)看出，使用R32制冷劑的空氣源熱泵機組的IPLV（H）比R410A制冷劑的機組提升4.8 %。R410A制冷劑的機組能效等級為2級（GB 37480-2019），R32制冷劑的機組能效等級為1級。

表7 制熱IPLV（H）對比

4 結(jié)論

通過以上制冷劑分析和實驗數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

1）R32的GWP不到R410A 的三分之一，是溫室氣體減排的高效解決方案，可在小型商用機組上推廣。

2）R32的單位容積制冷量比R410A大，要達到同樣的能力，可適當(dāng)降低壓縮機頻率或選用較小排量的壓縮機；系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器經(jīng)優(yōu)化后，R32制冷劑的充注量為R410A的81.8 %，R32系統(tǒng)機組通過優(yōu)化選型可有效降低機組成本。

3）機組采用雙級壓縮中間補氣系統(tǒng)，通過合理控制系統(tǒng)過冷度、中間壓力系數(shù)和吸氣過熱度，以達到最優(yōu)能效的同時，使R32制冷劑機組的排氣溫度控制在可接受范圍內(nèi)，防止排氣溫度過高而影響壓縮機可靠性。

4）采用R32替代R410A后，各工況下的機組性能系數(shù)得到全面提升，表現(xiàn)出較好的性能優(yōu)勢。其中，名義制冷能效提升9.7 %，名義制熱能效提升3 %，低溫制熱能效提升4.6 %，整機IPLV（H）提升4.8 %，機組能效等級由2級提升到1級。