替代制冷剂空气源热泵热水器性能的理论与实验研究

周全，樊海彬，贾磊，夏玲，陈熙，李世锁

（1-合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031；2-大连三洋压缩机有限公司，辽宁大连 116033）

0 引言

随着全世界对节能减排和环保要求的日益迫切，人们对家用和商用的热水器节能和环保的要求也越来越高。一般来说，热泵热水器的热效率较高，消耗同样的传统能源而产生相同品质的热水量是传统热水器产量的2倍～3倍，节能的同时对环境的污染程度更低[1]。由于热泵热水器运行维护工作少，自动化程度高，所以在运行成本方面也是有着明显的优势。热泵热水器和空调一样，也是利用逆卡诺原理，通过工作的介质把低品位的热量通过压缩机的动力，传递到水中，形成高品位的热量，即热水。由于热泵热水器的工作介质就是我们常说的制冷剂，所以同空调制冷系统一样，制冷剂对于热泵热水器的性能影响非常明显[2]。

由于传统的制冷剂，如R22等，将面临被替换的命运，所以国内外很多学者对热泵热水器的制冷剂替代工作进行了研究[3]。2010年推出的HFCs类制冷剂R427a无毒不可燃、零ODP、低GWP，与R22性质相似。本文就R427a在热泵热水器上的应用开展理论和实验研究，并与R22和R134a的性能进行对比，以期为空气源热泵热水器系统的优化设计提供参考。

1 理论计算

R427a是由HFC-32/HFC-125/HFC-134a/HFC-143a(15/25/50/10)组成的共沸混合物。可与多元醇酯(POE)或聚亚烷基二醇(PAG)油作为冷冻油。R427a的毒性与可燃性评定等级是 A1/A1级,臭氧消耗潜值ODP为零[4]。R427a和 HCFC-22一样，适合典型的直接膨胀(DX)系统使用，有些场合用来替换HCFC-22制冷剂。

本实验所用的制冷剂物性如表1[5]。

表1 制冷剂物性

制冷剂R22，R134a，R427a的理论循环计算：蒸发温度7.2℃；冷凝温度54.4℃；过热度11.1℃；过冷度 8.3℃；等熵压缩因子 1[6]；忽略系统压降。利用REFPROP软件进行计算，结果如表2，各计算点示意图如图1。

表2 相同工况下各种制冷剂热力性能比较（ARI520标准规定工况）

图1 理论循环示意图

综合表1、表2和图1的结果可知，R22的冷凝压力和排气温度最高，不利于热泵系统的运行，而且对环境不友好，因而替代在所难免。而R134a的蒸发段焓差比较低，即单位制冷量比较低，灌注式充入R22系统后换热器的换热面积比较大，COP略有降低。R427a排气压力略微高于R22，但排气温度却降低了近20℃，这样就会降低循环时对润滑油粘度的影响，还可以有效防止润滑油分解变质，改善系统的工作条件，提高系统的使用寿命和降低系统的维护难度；R427a工质比 R22工质的运行COP略高，接近于R134a，最重要是环保效果非常显著，而且还可以灌注式替代，可以在旧有R22系统的替代和改良等场合发挥巨大的作用，因此R427a具有广阔的市场前景。

2 实验设备及实验方法

2.1 实验设备

采用的风冷热泵热水器机组，在标准工况20℃的环境温度下制热量为12.5 kW，功率为2.9 kW，产水量268 L/h。设备经改装后使用，主要是更换了节流装置，由原来的热力膨胀阀改变为电子膨胀阀和毛细管并联的节流机构，并在毛细管附近串联截止阀，毛细管主要用于节流不足时起到旁通节流作用；而且增加了视液镜、电磁阀和单向阀。

实验测试系统主要由YOKOGAWA WT230三相功率表、Rixin SBL-AY20CCZX流量计（精度为±0.2%）、Honeywell UDC3200 PID调节表、Agilent 34970a数据采集仪、Jumo Bodhi 压力传感器（精度为±0.5%）、Honeywell ST3000压力变送器（精度为±0.5%）、ChinoPt100铂电阻温度计（精度为A级±0.2℃）、恒温水箱、水泵、电动三通调节阀、铜球阀、计算机以及测试软件等组成。

2.2 实验测点布置

温度测点包括压缩机的进出口、板式换热器进出口、蒸发器进出口、环境温度；压力测点包括压缩机进出口，板式换热器出口和蒸发器出口。温度、压力测量参数由数据采集仪采集和水流量计、功率表所测参数一并传送给计算机，通过VB编程的操作界面显示，计算得出制热量、样机COP、过热度、过冷度等。所有仪表、设备可通过计算机集中监控。

2.3 实验过程

实验在热泵试验台上完成，同一台空气源热水器采用R427a、R22、R134a作为制冷剂，测得在四个典型工况（以下简称工况1、工况2、工况3和工况4）：-5℃/-，7℃/6℃（7℃为干球温度；6℃为湿球温度），20℃/15℃，43℃/26℃下，调节电子膨胀阀，保持蒸发器出口过热度为 5℃，并保持板式换热器进出水温差为5℃，分别测试50℃/55℃（50℃进水，55℃出水）、55℃/60℃；60℃/65℃进出水温度时热泵热水器的性能参数。

2.4 制冷剂充注量确定

制冷剂充注量对制冷系统性能有较大的影响，在制冷系统运行工况和结构参数给定的情况下，存在着制冷剂的最佳充注量问题[7]。热泵热水器实验中，将机组置于室外标准工况 20℃/15℃下，进行制冷剂最佳充注量匹配实验。

保持蒸发器出口过热度为 5℃，不断增加充注量，可以从图2看出制热量、COP的变化趋势均是先升高后降低、中间有峰值。COP峰值在前，制热量峰值在后，综合考虑确定R427a、R134a和R22三种制冷剂的最佳充注量分别为 2.68 kg、2.71 kg和3.28 kg。

图2 制热量和COP与制冷剂充注量的关系

3 实验结果及分析

3.1 R22、R427a、R134a在50℃进水/55℃出水时的实验结果与分析

从图3可以看出，随着环境温度升高，三种制冷剂系统(一次加热式热泵热水器)的吸排气温度变化趋势基本一致，吸气温度随环境温度的升高而增大，而排气温度随环境温度的升高而降低。三种制冷剂系统的吸气温度差别不大，而排气温度R22最高，在工况1时最高达到了127℃，R427a最高达到119℃，R134a最高达到90.6℃。由此可见R134a、R427a性能优于R22，利于系统的安全运行。

从图4可以看出，随着环境温度的变化，三种制冷剂系统吸排气压力变化基本一致，随环境温度的升高而增大，吸气压力较排气压力变化明显。吸、排气压力R22高于R427a和R134a，R427a和R134a优于R22，且R134a吸、排气压力随环境温度变化较小。

图5反应了水侧换热量随环境温度的变化关系。由图可知R134a、R427a系统的制热量都比R22系统的低，R134a的平均制热量为6858 W，为R22的68%；R427a的平均制热量为8903 W，为R22的90%；这主要是因为R427a是四元非共沸混合物，温度滑移约7.1℃左右，使得R427a的换热性能受到影响，特别是在核状沸腾条件下的气泡脱离阻力[8]，使得R427a的换热系数比R22要低，从而导致总的制热功率比R22要低一些。

图6反映了三种制冷剂系统的输入功率随环境温度的变化关系。从图中可以看出，3个制冷剂系统的压缩机输入功率的变化趋势基本一致。在环境温度变化过程中，R134a系统压缩的平均输入功率为2586 W，R427a系统的平均输入功率为3445 W，R22系统的平均输入功率为3715 W。R134a系统与R22系统相比，平均输入功率下降了约 30%，而R427a系统约下降了约7.2%，R134a、R427a有效降低了压缩机的负荷，利于热泵热水器机组的运行。

图7为三种制冷剂系统COP随环境温度的变化关系。从图中可以看出三种制冷剂系统 COP都是随着环境温度的升高而变大的，但在不同的室外环境温度区间内，COP变化有一定的差别。图中显示，与R22系统相比，R427a系统的COP基本持平，R134a系统在温度7℃以下时，COP降低了20%；在7℃～20℃范围内基本持平，而在20℃以上区域，升高了 9%，但总的来看，差别不大。R134a的平均COP约为2.67，R427a的平均COP约为2.59，R22的平均COP约为2.68，可见此时，R134a、R427a的COP略低于R22。

图3 压缩机吸排气温度和环境工况的关系

图4 压缩机吸排气压力和环境工况的关系

图5 制热量和环境工况的关系

3.2 R427a、R22、R134a在55℃进水/60℃出水和60℃进水/65℃出水时的实验结果与分析

在 55℃/60℃工况下，实验都可以做出，而在60℃/65℃工况下，由于 R22的排气温度和排气压力过高造成了压缩机保护，实验未能进行；R427a也由于上述原因在-5℃工况下，未做出实验数据。已做出的数据与3.1的趋势类似。在以下的分析过程中均以3.1作为基准。整体分析如表3。

表3 变化分析表

4 结论

1) 实验结果与理论计算吻合良好，R427a与R22的各方面的性能相似，在未对两器优化而直接更换制冷剂的情况下，与R22相比，R427a的制热量下降9%，COP下降3%，而且有环保优势；R134a与R22相比，制热量下降30%，COP持平。

2) 在相同的条件下，R427a的排气温度略低于R22，试验结果表明，在低环境温度，高出水温度条件下，R427a的适用性好于R22。

3) 三种制冷剂系统吸排气压力变化基本一致，与R22系统相比，R427a的吸气压力下降20%，排气压力下降 5%，R134a的吸气压力下降 40%，排气压力下降30%，R427a和 R134a明显优于R22，且R134a吸、排气压力随环境温度变化较小。这表明了R134a、R427a比R22更利于热泵热水器的安全可靠运行。

4) 热泵热水器在未对两器优化直接更换制冷剂的情况下，功率随环境温度的升高变化不大，与R22系统相比，R134a系统的平均输入功率下降了约30%，而R427a系统下降了7.2%左右，有利于延长热泵热水器机组的使用寿命。

5) 随着环境温度的升高，三种制冷剂系统的制热量增大，且变化趋势一致。R134a、R427a系统的制热量都比R22系统的低，R134a系统的平均制热量仅相当于R22的70%，而R427a系统的平均制热量相当于R22的90%，主要是受温度滑移的影响。

6) 三种制冷剂系统COP随着环境温度的升高而变大，且在不同的室外环境温度区间内，COP大小有一定的变化；总体分析表明三种制冷剂系统COP差别不大。

7) 在5℃进出水温差条件下，热水进水温度每上升5℃，例如50℃进水，55℃进水，60℃进水时，制热量下降2%～3%；COP下降10%～11%；功率上升 11%～13%；吸排气压力分别上升 3%～4%、10%～15%。

因此我们应根据热泵热水器使用环境及对热水水温的具体要求，优化匹配制冷剂工质种类，对于充分发挥空气源热泵热水器的节能优势具有重要意义。

[1] ROUSSEAU P G, GREYVESTEIN G P. Enhancing the impact of heat pump waters in the South African commercial sector[J]. Energy, 2000(25): 51-70.

[2] 陈嘉澍, 陈姝, 卓献荣, 等. R22和R134a应用于家用热泵热水器实验性能研究[J]. 广东化工, 2006, 33(6):25-27.

[3] RADERMACHER R, JUNG D S. Theoretical analysis of replacement refrigerants for R22 for residential uses [J].ASHRAE Trans., 1993, 9(1): 333-343.

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[6] National Institute of Standards and Technology. NIST.Thermodynamic Property of Refrigerants and Refrigerants Mixtures Database (REFPROP) [R]. 1996.

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