R134a 和R417A 应用于热泵热水器灌注式替代R22的实验分析

(上海理工大学 上海 200093)

能源消耗及环境污染现已成为全人类共同关心的问题，各国政府都纷纷制订了可持续发展政策，节能和环保则是发展的主题。近些年，应用于热水器的热泵技术很受国内外研究学者以及热水器生产厂家青睐。热泵热水器能够把低品位热能输送至高品位，可大量利用自然资源和余热资源中的热量从而有效节省一次能源。但热泵热水器的高能效与其系统内部所使用的制冷剂也是息息相关的。R22自1936年面世以来即以其优越的综合性能而被广泛应用于空调、商业制冷等领域，但R22具有对臭氧层的破坏作用及温室效应，使全世界空调和热泵行业面临严峻的考验。根据《蒙特利尔议定书》的规定，对于R22等HCFC类过渡性替代制冷剂，1996年要开始削减，2004年要削减35%，到2020年发达国家将完全废止，发展中国家可延长至2030年。因此，对于热泵热水器这项热门且极具市场潜力的新型产品来说，找到一种能够替代R22的环保、性能优良并且适用于热泵热水器运行工况的制冷剂的研究工作并使其商品化显得尤为迫切。因此，这里将当今热门HFCs类制冷剂——R134a和R417A应用于空气源热泵热水器并对其性能进行理论及实验分析，以期遴选出R22的最佳替代品。

1 R417A、R134a 和R22的热物理性质分析

R417A是一种三元非共沸混合制冷剂, 由R125，R134a和R600(46.6%/50%/3.4%) 混合而成，理想“灌注式”替代要求替代物与被替代物有相近的热物理性质，较高的单位容积制冷量、较低的排气温度、更高的能效比以及较好的环境可接受性(对臭氧层无破坏作用并且温室效应作用极弱)和安全性(无毒、可燃性较小)。从表1可以看出，R417A、R134a在环境保护方面优于R22，热物性参数如汽化潜热、导热系数以及比热容也基本与R22相当。值得注意的是，R417A和R134a的饱和蒸气压力都比R22要低，因此，同样的冷凝温度，R417A和R134a可达到比R22更高的出水温度。而且相比较R134a等其它HFCs类制冷剂，R417A系统压缩机除可使用POE油之外，也可采用长期以来应用于R22系统中的矿物润滑油[1]。

表1 R22及其替代物的热物理性质Tab.1 Thermophysical property of R22 and its substitute

2 制冷剂理论循环性能计算

取过冷和过热度为5℃，在过渡季、夏季和冬季对R22、R134a和R417A三种工质进行热力计算。过渡季节:环境干湿球温度20/15℃，取蒸发温度T0=0℃；夏季工况:环境干湿球温度35/24℃，取蒸发温度T0=10℃；冬季工况:环境7/6℃，故取蒸发温度为-10℃，冷凝温度Tk取65℃。

由表2、3、4可知，R134a和R417A的冷凝压力比R22都要低，分别是R22的70%和93.4%，排气温度也比R22要低17～27℃，并且在低温工况下这种优势更为明显，因此在热泵热水器整机承压能力和压缩机运行稳定性方面，R134a和R417A要优于R22。由单位容积制热量比较可知，R134a和R417A不及R22，分别是R22的56%～63%和73%～80%。从制热效率比较来看，R134a和R22基本相当，而R417A是R22的92%左右，因此R417A基本满足替代R22的条件，而R134a过低的容积制热量使其替代R22优势不如R417A。

表2 夏季工况理论循环性能Tab.2 The theoretical cycle properties in summer conditions

表3 过渡季工况理论循环性能Tab.3 The theoretical cycle properties in transition season conditions

表4 冬季工况理论循环性能Tab.4 The theoretical cycle properties in winter condition

3 实验原理及装置

实验在空调焓差实验室中进行，热泵热水器系统原理及实验测点布置如图1所示，实验机组为国内某空气源热泵热水器生产厂商某型号产品基础上改进得到的，并采用电子膨胀阀将蒸发器出口过热度控制在(5±0.5)℃，不同制冷剂的最佳充注量根据多次充注量的匹配实验确定。

4 实验结果及分析

实验为考核三种制冷工质在恶劣工况下的极限性能，最终选择以下实验工况[2,3]，且空气侧干湿球温度及水温控制精度均为±0.1℃:

1)过渡季节控制室外温度:20℃/15℃； 套管进出口水温度:50℃～55℃/55℃～60℃；

图1 实验装置原理及测点布置Fig.1 Experimental device principle and measuring-point arrangement

2)冬季控制室外温度:7℃/6℃、2℃/1℃、-5℃/-6℃；套管进出口水温度:50℃～55℃/55℃～60℃；

4.1 制热量、输入功率随环境温度及进水温度变化

图2 套管进出口水温50/55℃时的制热量比较Fig.2 Comparison of heating capacity (50/55℃)

图3 套管进出口水温55/60℃时的制热量比较Fig.3 Comparison of heating capacity (55/60℃)

如图2～5所示，三种制冷剂的制热量随室外环境温度的降低和热水器套管换热器进水温度的升高逐渐减小，耗功率随室外环境温度的升高和热水器套管换热器进水温度的升高逐渐增加，室外环境温度对制热量和耗功率的影响更大。R134a和R417A的制热量和耗功率在各个对应的室外环境温度和进出口水温下比R22都要低。套管换热器进出口水温为50～55℃和55～60℃，环境温度分别为20、7、2、-5℃ ，R22的制热量比R134a 高25.54%～33.67%，比使用R417A 高14.91%～20.9%。R22的耗功率比R134a 高26.03%～34.02%，比R417A高10.83～13.66。实验结果与理论计算结果也基本一致。

图4 套管进出口水温50/55℃时的输入功率比较Fig.4 Comparison of input power (50/55℃)

图5 套管进出口水温55/60℃时的输入功率比较Fig.5 Comparison of input power (55/60℃)

4.2 COP 随环境温度及进水温度变化

图6和图7为不同室外环境温度和套管换热器进出口水温下使用三种制冷剂 热泵热水器COP变化。

图6 套管进出口水温50/55℃时的COP 比较Fig.6 Comparison of COP (50/55℃)

图7 套管进出口水温55/60℃时的COP 比较Fig.7 Comparison of COP (50/55℃)

不管使用哪种制冷剂，系统COP值都随环境温度的降低和套管冷凝器出水温度的升高逐渐减小，环境温度的影响更大。套管换热器进出口水温为50～55℃和55～60℃，环境温度分别为20、7、2、-5℃ ，R22的COP比使用R134a 高-8.7%～4.69%，比使用R417A 高4.49%～8.72%。总体来讲，R134a的COP最高，R417A略低于R22，但R22的低温制热效率高于R134a。

4.3 产热水量随环境温度及进水温度变化

图8～9为不同室外环境温度以及套管换热器在50℃和55℃进水温度的条件下，机组制热水量。

图8 套管进出口水温50/55℃时的产热水量比较Fig.8 Comparison of hot water production (50/55℃)

图9 套管进出口水温55/60℃时的产热水量比较Fig.9 Comparison of hot water production (55/60℃)

从图中可知，套管换热器进出口水温为50～55℃和55～60℃，环境温度分别为20、7、2、-5℃ ，R22的制热水量比R134a高24.84%～34.64%，比R417A高14.47%～18.85%。若要获得和R22系统同样的热水量，势必要增大R134a和R417A机组的尺寸。

4.4 压缩机排气温度随环境温度及进水温度变化

由图10～11可知，随着室外环境温度和热水器出水温度的升高，使用三种制冷剂 ，压缩机排气温度都逐渐增大，但R22增大的速度更快，从过渡季节的93℃增加到117℃。但使用R134a和R417A ，机组排气温度增大趋势比较平缓，比采用R22 平均低20～30℃，这对系统无论从压缩过程中的放热还是润滑都是有益的，且有利于机组使用效率和寿命的提高[4]。

图10 套管进出口水温50/55℃时压缩机排气温度比较Fig.10 Comparison of compressor exhaust temperature

图11 套管进出口水温55/60℃时的压缩机排气温度比较Fig.11 Comparison of compressor exhaust temperature

4.5 吸排气压力、压力比随环境温度及进水温度变化

4.5.1 排气压力分析

由图12～13可知，使用三种制冷剂 ，压缩机排气压力均随室外环境温度的降低而减小，随热泵热水器套管冷凝器出水温度的升高而增大。在相同的室外环境温度和套管进出口水温的条件下，使用R134a 系统的排气压力要比R22系统平均低0.7MPa，而R417A系统则比R22平均低0.17MPa。套管换热器进出口水温为50～55℃和55～60℃，环境温度分别为20、7、2、-5℃，R134a的排气压力比使用R22 低31.71%～34.3%，R417A的排气压力比使用R22 低3.71%～4.71%。因此，使用R134a和R417A 系统的安全性要高于R22, 并且相同冷凝压力下可得到更高的出水温度。

图12 套管进出口水温50/55℃时的下排气压力的比较Fig.12 Comparison of the exhaust pressure of compressors

图13 套管进口水温55/60℃时的排气压力的比较Fig.13 Comparison of the exhaust pressure of compressors

4.5.2 吸气压力分析

由图14～15可知，套管换热器进出口水温为50～55℃和55～60℃，环境温度分别为20、7、2、-5℃ ，R134a的吸气压力比使用R22 低36.2%～61.77%，R417A的吸气比使用R22 低15.76%～27.85%。值得注意的是，在室外环境温度-5℃工况下，使用R134a ，系统吸气压力比较低，这一方面增加了空气漏入系统的可能性，另一方面会造成压缩机吸气比容增大和输气系数降低，运行效率下降。

图14 套管进出口水温50/55℃时压缩机吸气压力比较Fig.14 Comparison of the suction pressure of compressors

图15 套管进口水温55/60℃时压缩机吸气压力比较Fig.15 Comparison of the suction pressure of compressors

4.5.3 压力比分析

由图16～17可知，对于三种制冷工质来说，随着室外环境温度的降低和套管冷凝器出水温度的升高，压缩机压力比都呈增加趋势，不过，室外温度的影响要更大。套管换热器进出口水温为50～55℃和55～60℃，环境温度分别为20、7、2、-5℃ ，R134a的压力比比使用R22 高7.52%～19.8%，R417A比使用R22分别高11.0%～18.94%。过大的压力比不仅造成系统制热量下降、功耗增加、制热系数下降和经济性降低而且也会使排气温度过高。尽管实验结果显示R134a和R417A的压比比R22都大，但从制冷剂物性来看，由于R134a和R417A的绝热系数比R22小很多，所以造成R134a和R417A的排气温度却比R22要低。

图16 套管进出口水温50/55℃时的压力比的比较Fig.16 Comparison of the pressure ratio

图17 套管进口水温55/60℃时的压力比的比较Fig.17 Comparison of the pressure ratio

5 结论

1) R134a应用于热泵热水器 ，除排气温度比R22系统低25℃左右，冷凝压力比R22低30%，COP值与R22较为接近之外，R134a系统的制热量却只有R22系统的25%～33%，在低温环境下吸气压力过低，而且使用R134a ，压缩机的润滑油与R22传统矿物油不兼容，要达到原R22系统的性能势必要对系统部件重新设计选型，如增大压缩机以及换热器的尺寸，更换润滑油等。因此，实现R134a对R22在热泵热水器中的直接灌注式替代是不可行的。

2) 从理论计算和实验研究分析结果可以看出，R417A的制热量虽然比R22系统低15%～20%，

但耗功率同 也低12%左右，COP值与R22系统十分接近，而且应用R417A ，系统的排气温度也比R22系统平均低25℃，冷凝压力低4%左右。这些特点不仅提高了热水器系统的运行的安全性，也增加了机器使用寿命，还可以得到比R22更高的出水温度。而且R417A系统不需要更换润滑油，环境保护指标优于R22。因此， R417A应用于空气源热泵热水器具有非常广阔前景。

[1] 李雪, 高强, 孙平. R417A的应用现状与展望[J].制冷与空调, 2007,7(4):59-61. (Li Xue, Gao Qiang, Sun Ping.Review and application status of R417A[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2007, 7(4):59-61.)

[2] 吴业正.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版社, 2000, 2.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 21362-2008 商业或工业用及类似用途的热泵热水机[S]. 北京: 中国标准出版社,2008, 3.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 7725-2004 房间空气调节器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005,4.

[5] 李晓燕, 闫泽生. R417A在热泵热水器中替代R22的实验研究[J].制冷学报，2003(3):1-4. (Li Xiaoyan, Yan Zesheng. Experimental Study on Replacement of R22 with R417A in Heat Pump Heating Water System[J].Journal of Refrigeration, 2003(3):1-4.)