混合制冷劑在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中替代R22的可行性研究

彭 斌，王永強

（蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)是一種可再生能源利用系統(tǒng)[1]。制冷劑的選取對空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的設(shè)計和運行調(diào)控具有重要意義。

隨著人們生活水平的提高，環(huán)境保護逐漸成為選擇制冷劑的一個重要因素[2]。臭氧層零損耗、無溫室效應(yīng)已成為選取制冷劑時首先要考慮的因素。傳統(tǒng)制冷劑R22的排放會破壞臭氧層，并導(dǎo)致溫室效應(yīng)，因此對新型制冷劑的研究變得極為重要。目前，對R22替代物的研究主要分為自然工質(zhì)和合成工質(zhì)兩個方向[3]。自然工質(zhì)以R290，R600a，CO2為主；合成工質(zhì)以R410A，R407C，R134a為主。在環(huán)境溫度較低的工況下，太陽能復(fù)合式空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)可改善空氣源熱泵的低溫制熱性能[4]。艾澤健研究了熱虹吸型散熱器與空氣源熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)的各項性能，分析結(jié)果表明，當室外溫度為-3.2℃時，該復(fù)合供熱系統(tǒng)COP的平均值約為2.82，比電鍋爐和燃煤鍋爐更加經(jīng)濟[5]。

混合制冷劑可使幾種制冷劑形成優(yōu)勢互補，從而提高空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的性能參數(shù)。目前，混合制冷劑的研究主要在制冷空調(diào)領(lǐng)域，對于空氣源熱泵領(lǐng)域的研究較少[6]。范曉偉研究了以R22，R744/R600混合物作為制冷劑時，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的各項性能，分析結(jié)果表明，與R22相比，以R744/R600混合物為制冷劑時，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的制熱量、排氣溫度等性能更優(yōu)[7]。李丹通過試驗分析了以R22以及由R417A與R22組成的混合物（配比為7∶3）為制冷劑的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的各項性能，試驗結(jié)果表明，以R417A/R22作為循環(huán)工質(zhì)時，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的吸、排氣壓力，排氣溫度和壓縮機運行功率均低于以R22作為制冷劑時[8]。王團結(jié)以R1234ze和R32混合物作為空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的制冷劑，通過實驗發(fā)現(xiàn)，R1234ze和R32按45∶55的比例進行混合時，該空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的單位質(zhì)量制熱量和容積制熱量比以R22作為制冷劑時分別增加了3.59%和27.59%，排氣溫度和壓力比均減小了[9]。綜上可知，利用混合制冷劑替代R22具有可行性，但關(guān)于環(huán)境影響指數(shù)、熱力學(xué)性能、安全性等方面的研究較少。

本文根據(jù)Refprop 9.1軟件提供的制冷劑物性數(shù)據(jù)，從滑移溫度特性出發(fā)，求出混合制冷劑的最佳混合比例，并根據(jù)計算結(jié)果從理論上對混合制冷劑的性能進行了全面分析，比較了混合制冷劑和R22的常見替換制冷劑的性能參數(shù)。

1 混合制冷劑的特點

1.1 環(huán)保和安全特性

選取R22的替代制冷劑時，應(yīng)符合零ODP、低GWP和高安全等級的要求[10]。幾種制冷劑的特性參數(shù)、安全等級以及應(yīng)用時存在的缺點如表1所示[11]。

表1 幾種制冷劑的特性參數(shù)、安全等級以及應(yīng)用時存在的缺點Table 1 Environmental Impact and safety characteristics of several refrigerants

由表1可知，R290和R152a的單位摩爾質(zhì)量較小，制冷劑的單位摩爾質(zhì)量與其充注量近似成正比，故選用由R290和R152a組成的混合制冷劑時，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中制冷劑需要的充注量較少；R290和R152a的ODP，GWP均較低，當R290或R152a與R1234ze混合時，在環(huán)保和安全方面均有較大優(yōu)勢[10]。

1.2 滑移溫度

非共沸混合工質(zhì)具有滑移屬性。較小的滑移溫度有利于減少傳熱不可逆損失，提高系統(tǒng)循環(huán)性能。較小滑移溫度的非共沸混合工質(zhì)可以視為純工質(zhì)或近共沸混合工質(zhì)，使用時可以降低空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)維修保養(yǎng)的難度[13]。在標準大氣壓強條件下，可以根據(jù)混合制冷劑的零滑移溫度選出最佳的混合制冷劑配比。混合制冷劑R1234ze/R152a的露點溫度、泡點溫度、滑移溫度隨R152a質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢如圖1所示。

圖1 混合制冷劑R1234ze/R152a的露點溫度、泡點溫度、滑移溫度隨R152a質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢Fig.1 The variation trend of dew point temperature，bubble point temperature and slip temperature of R1234ze/R152a with R152a mass fraction

由圖1可知:在標準大氣壓強條件下，混合制冷劑的泡點溫度和露點溫度隨R152a質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢大致相同，當R152a質(zhì)量分數(shù)超過70%時，泡點溫度和露點溫度幾乎重合；隨著R152a質(zhì)量分數(shù)的變化，混合制冷劑的滑移溫度均小于0.6℃，當R152a的質(zhì)量分數(shù)大于70%時，滑移溫度接近于0。

在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)名義工況下，R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度隨R152a質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢如圖2所示。

圖2 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)名義工況下，混合制冷劑R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度隨R152a質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢Fig.2 Under the nominal operating conditions of the air source heat pump water heater system，the sliding temperature of the mixed refrigerant R1234ze/R152a in the evaporator and condenser varies with the mass fraction of R152a

由圖2可知:在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)名義工況下，R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度均低于0.6℃；當R152a質(zhì)量分數(shù)高于70%時，混合制冷劑R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度低于0.05℃，因此，混合制冷劑R1234ze/R152a可視為一種近共沸混合制冷劑。由圖1，2可知，可以利用配比為7∶3的R152a/R1234ze代替R22。此外，利用相同的分析方法能夠確定，可以利用配比為3∶2的R152a/R134a以及配比為7∶3的R1234ze/R290代替R22。

1.3 飽和蒸氣壓力

從熱力學(xué)性能來看，R22的替代制冷劑應(yīng)與R22具有相似或接近的飽和壓力線，這樣二者的熱力學(xué)性能可以達到一致。若替代制冷劑的飽和蒸氣壓力低于R22，則不僅可以減少對空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造，還可以減小該系統(tǒng)因傳熱溫差引起的熱能損失，從而提高該系統(tǒng)的能源利用率和替換制冷劑的經(jīng)濟性[13]。R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣壓力隨環(huán)境溫度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣壓力隨環(huán)境溫度的變化趨勢Fig.3 The change trend of saturated vapor pressure of R22 common replacement refrigerants and mixed refrigerants with ambient temperature

由圖3可知，各制冷劑的飽和蒸氣壓力隨著環(huán)境溫度的升高而升高，且具有相同的變化趨勢，但混合制冷劑R290/R1234ze的飽和蒸氣壓力更加接近于R22，因此，利用R290/R1234ze代替R22時，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的熱力學(xué)性能更具優(yōu)勢。由圖3還可看出，R410A的飽和蒸氣壓力較大，利用該制冷劑替代R22時，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的改動較大。

1.4 飽和液體密度

R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和液體密度隨環(huán)境溫度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和液體密度隨環(huán)境溫度的變化趨勢Fig.4 The change trend of the saturated liquid density of R22 common replacement refrigerants and mixed refrigerants with ambient temperature

由圖4可知，各制冷劑的飽和液體密度隨環(huán)境溫度的升高而呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢，其中混合制冷劑R290/R1234ze的飽和液體密度約為其他制冷劑的1/2。飽和液體的密度與單位摩爾質(zhì)量有關(guān)，R290和R152a的單位摩爾質(zhì)量分別為R22的49%，24%。對于內(nèi)容積相同的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，制冷劑在冷凝器和儲液罐中主要以液態(tài)形式存在。當飽和液體密度較低時，可以減少該系統(tǒng)的充注量。由于R290/R1234ze的飽和液體密度為R22的50%～55%，因此，相比于R22，R290/R1234ze可以節(jié)省約1/2的充注量。

1.5 飽和蒸氣比熱容

R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣比熱容隨環(huán)境溫度的變化趨勢如圖5所示。

圖5 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣比熱容隨環(huán)境溫度的變化趨勢Fig.5 The change trend of the specific heat capacity of the saturated gas of the common replacement refrigerants and mixed refrigerants of R22 with the ambient temperature

由圖5可知，各制冷劑的飽和蒸氣比熱容隨著環(huán)境溫度的升高而升高。R140A和混合制冷劑R290/R1234ze的飽和蒸氣比熱容高于R22；在壓縮機做功相同的條件下，使用飽和蒸氣比熱容較大的制冷劑時，壓縮機溫升較小，排氣溫度較低。因此，使用混合制冷劑能夠減小壓縮機的排氣溫度，提高空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的整體性能，延長壓縮機的使用壽命。

1.6 冷凝溫度

冷水加熱過程中，熱水溫度和冷凝溫度的變化是一個動態(tài)過程。R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑冷凝壓力隨熱水溫度變化趨勢見圖6。

圖6 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的冷凝壓力隨熱水溫度的變化趨勢Fig.6 The change trend of the condensation pressure of the common replacement refrigerants and mixed refrigerants of R22 with the temperature of the hot water

由圖6可知:在將冷水加熱到55℃的過程中，制冷劑的冷凝壓力隨著熱水溫度的升高而升高；R140A和R407C的冷凝壓力高于R22，因此，在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中利用R140A和R407C代替R22時，須要增大系統(tǒng)的承壓能力；其他制冷劑的冷凝壓力小于R22，在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中，利用這些制冷劑代替R22時，系統(tǒng)的承壓能力無須改變；混合制冷劑R290/R1234ze冷凝壓力的漸變過程更加接近R22。

2 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)性能分析

2.1 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的簡易模型

空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)主要包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器。其工作原理為逆卡諾循環(huán)，蒸發(fā)器從空氣中吸收大量低溫熱源使傳熱工質(zhì)蒸發(fā)，蒸發(fā)后的工質(zhì)經(jīng)壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，再通過冷凝器換熱制取生活用水，換熱后的冷凝液通過膨脹閥回到蒸發(fā)器，再次被蒸發(fā)，如此往復(fù)循環(huán)下去。

空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的循環(huán)原理圖如圖7所示。

圖7 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的循環(huán)原理圖Fig.7 Circulation principle diagram of air source heat pump water heater system

2.2 理論循環(huán)的工況

根據(jù)國家標準GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》規(guī)定的名義工況[14]，設(shè)定冷水進水溫度和熱水出水溫度分別為15，55℃，干、濕球溫度分別為20，15℃。根據(jù)機組的名義工況，假定理論蒸發(fā)、冷凝溫度分別為10，56℃，吸氣溫度為15℃，過冷度為10℃。

2.3 循環(huán)性能分析

作為R22的替代制冷劑最基本的要求是低ODP和GWP、低壓縮比和排氣溫度、高安全等級、制熱系數(shù)和單位容積制熱量高于或接近R22。低壓縮比有利于減少壓縮機功耗，低排氣溫度的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)可以減少對壓縮機的損耗，延長潤滑油和壓縮機壽命，有助于熱泵機組的穩(wěn)定工作；排氣溫度過高會使壓縮機中潤滑油的環(huán)境惡化，導(dǎo)致潤滑油分解變質(zhì)，甚至結(jié)焦[8]。

在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的名義工況下，調(diào)用Refprop9.1數(shù)據(jù)庫中各制冷劑的物性參數(shù)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)使用的混合制冷劑、R22及其常見替換制冷劑的理論循環(huán)性能參數(shù)見表2。

表2混合制冷劑、R22及其常見替換制冷劑的理論循環(huán)性能參數(shù)Table 2 Theoretical cycle performance parameters of mixed refrigerants，R22 and common alternative refrigerants

續(xù)表2

由表2可知:混合制冷劑R290/R1234ze的壓比最低，其他制冷劑的壓比均高于R22；從壓比出發(fā)，混合制冷劑R290/R1234ze是R22的最佳替代制冷劑；從冷凝壓力和蒸發(fā)壓力出發(fā)，幾種混合制冷劑均具有優(yōu)勢；綜合考慮冷凝、蒸發(fā)壓力和壓比發(fā)現(xiàn)，混合制冷劑R290/R1234ze替代R22的優(yōu)勢較為明顯；工作壓力過高時，須要對管道和部件進行承壓處理，不能直接用于以R22作為制冷劑的系統(tǒng)；在單位質(zhì)量制熱量方面，幾種混合制冷劑均高于R22，由于混合制冷劑吸氣比熱容低于R22，導(dǎo)致混合制冷劑的單位容積制熱量低于R22，其中，R290/R1234ze的單位容積制熱量接近R22；R410A的單位容積制熱量較高，冷凝壓力和GWP也較高。

由表2還可以看出:混合制冷劑R1234ze/R152a，R152a/R134a的COP高于R22；混合制冷劑R290/R1234ze的COP為R22的90%；R410A，R407C的COP值低于R22。相比于以R22為工質(zhì)的壓縮機，以混合制冷劑為工質(zhì)的壓縮機的功耗均較高，排氣溫度均較低。低排氣溫度能夠保證壓縮機正常工作以及空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

2.4 安全性和經(jīng)濟性分析

在安全性方面，R290具有易燃、易爆性，安全等級為A3級。童明偉對R290的易燃、易爆性進行了實驗研究發(fā)現(xiàn) 制冷機組中R290幾乎不會發(fā)生爆炸和燃燒，R290若要發(fā)生爆炸和燃燒必須同時滿足2個條件，即空氣的混合濃度達到2.5%～8.9 %，并且溫度在810℃以上[16]。R152a具有微燃性，當R152a在空氣中的體積分數(shù)達到4.5%～21.8%時，會發(fā)生燃燒現(xiàn)象。R134a的自燃溫度為770℃，不具有可燃性，將R134a與R152a相混合，可以降低R152a的可燃性[10]。R1234ze不可燃、無毒且具有阻燃性，因此，常常作為抑燃劑以降低可燃工質(zhì)的可燃性，常見的可燃物包括碳氫化合物（R152a，R32，丙烷、乙烷等）、氫氟碳化合物、環(huán)氧乙烷等。

在經(jīng)濟性方面，R290廣泛存在于石油、天然氣中，提煉方便，一般作為副產(chǎn)品出現(xiàn)，市場價格較低；R407C和R410A的市場價格遠高于R134a，但R152a的市場價格低于R134a，因此，混合制冷劑R152a/R134a的經(jīng)濟性較好[13]。

3 結(jié)論

本文研究了以R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的各項性能，得到如下分析結(jié)果。

①在環(huán)境安全方面，混合制冷劑的ODP，GWP均較低，對環(huán)境的影響均較?。浑m然R290和R152a具有可燃性，但二者與R1234或R134a混合后,可燃性相對降低；R1234ze的GWP較低，與其他制冷劑混合時可降低混合制冷劑的GWP[17]。

②R290和R1234ze以7∶3的比例混合時，滑移溫度接近于0，可以當成近共沸混合制冷劑；混合制冷劑R290/R1234ze的飽和蒸氣壓低于R22，飽和液體密度約為R22的1/2，可節(jié)省1/2的充注量，飽和蒸氣比熱容大于R22，在壓縮機做功相同時，溫升較小，排氣溫度較低。

③在理論循環(huán)性能方面，混合制冷劑R290/R1234ze的COP為R22的90%，但在壓比和排氣溫度上優(yōu)于R22。

綜上可知，混合制冷劑R290/R1234ze替代R22在理論上是可行的，較其他幾種制冷劑更具有潛力。