两种工况下R417a和R22用于空气源热泵热水器的实验研究＊

尹爱勇，仇富强

（铜陵职业技术学院 电气工程系，安徽 铜陵 244061）

0 引言

空气源热泵热水器由于安全性好、节能环保等优点，得到了迅速发展和推广［1］。从节约能源和环保的观点来看，热泵热水器具有其独特的优点和市场前景［2－3］。但是，目前热泵热水器广泛使用的工质是R22，根据《蒙特利尔议定书》规定，发达国家2020年后禁止使用HCHCs制冷剂［4］，发展中国家于其后的10年禁用。在德国，任何空调器已不允许使用R22，美日等发达国家也纷纷将禁用期提前至2005—2010年。1993年中国国务院批准的《中国消耗臭氧层物质的逐步淘汰国家方案》规定2040年以前淘汰HCFCs。随着各国禁用期的提前，届时我国也会提前R22的禁用期。

R417a是由法国罗地亚公司研制的环保型制冷剂，是一种近共沸混合工质，它是由R125，R134a，R600按47%，50%，3%的比例配制而成的。与单一的化合物制冷剂相比，有一定的优点，性能与R22接近，是R22的理想替代品。近年来我国也有研究人员对此制冷剂的应用做了一些研究，如李晓燕、闫泽生［5］对R417a与R22用在热泵热水器中时，当冷凝温度为50℃和45℃，蒸发温度在－5～15℃时作了对比研究。曹锋等［6］人在变进水温度、变水量、变蒸发温度等工况下对R417a试验样机进行了相关性能测试。朱兴旺等［7］人对R417a试验样机在7℃环境工况下进行了研究，并与R22进行了对比分析。但到目前为止，此种制冷剂研究的仍较少，还未得到普遍应用。

本文做了R417a空气源热泵热水器在环境温度20℃和7℃两种工况下其性能受环境温度和进水温度影响的试验，并与R22进行了对比分析，可为今后的产品开发提供一定的参考。

1 实验装置及工质特性

1.1 实验装置

（1）本文测试样机额定工况制热量为25kW，输入功率为5.98kW，热水水量为5.2m3／h。实验样机主要部件的结构参数为：① 谷轮涡旋式压缩机2个，型号为ZR47KC；② 冷却器1个，采用板式换热器，氟路为独立系统，水路共用一个系统，逆流布置，型号为EATB55；③ 储水箱，承压结构，容积615 L；④ 艾默生膨胀阀2个，型号为BAE7；⑤ 翅片管式蒸发器2个，总长121m。

实验台自动测试系统由一台计算机和一台数据采集器组成，温度采用热电偶测量，压力采用压力传感器测量，系统所消耗的功率采用三相线制功率计测量。

（2）温度压力测试点布置。在压缩机进出口、冷却器进出水口、环境室、膨胀阀前后共设置8个温度采集点；在压缩机进出口各设置2只压力传感器；冷却器、蒸发器的进出口各设置2只压力表。

（3）热泵热水器运行经济性指标。热泵热水器的经济性能用制热系数COP来表示，即消耗单位电功量W0所得到的热量Q1（用于加热卫生热水）为式中，ρ为密度，kg／m3；c为热水的定压比热，kJ／（kg·℃）；V为储水箱的容积，m3；tw1，tw2为单位时间间隔内，加热前、后的水温，℃；Δt为单位时间间隔，s；ΔP为单位时间间隔内的平均功率，kW。

1.2 工质物理特性

工质的物理特性如表1所示。

表1 工质的物理特性Table 1 Physical properties of working fluids

2 实验结果分析

图1为R417a系统与R22系统在两种工况下吸排气压力随进水温度的变化情况。从图上可以看出，在两种工况下，随着热水温度的升高，系统的吸气压力变化不大，由于换热条件的恶化，系统的排气压力逐渐升高，变化越来越快，且R417a系统的吸／排气压力要低于R22系统，有利于系统的安全运行。R417a的压力受热水温度的影响要比R22略小。从这点来看，作为热泵热水器的替代工质R417a要优于R22。

与20℃工况相比，7℃工况下两个系统的排气压力变化不大，而吸气压力明显降低。这是由于随着环境温度的降低，蒸发侧制冷剂与环境间的传热温差变小，换热条件恶化，蒸发压力变低，制冷剂的气化度减小，压力降低，此时由于膨胀阀的调节作用，制冷剂流量的减小对系统压力的降低也起到了一定的作用。

从图2可以看出，两种工况下R417a系统的输入功率均低于R22系统的输入功率，而且在同一工况下随着进水温度的升高，R417a输入功率的变化范围要比R22系统的略小，这有利于压缩机的安全运行。

系统在运行过程中，20℃工况下R417a系统的总平均输入功率为5.467kW，比R22系统的6.74 kW约减少了19%；7℃工况下R417a系统的总平均输入功率为4.831kW，比R22系统的6.21kW约减少了22.2%，有效降低了压缩机的负荷。

图1 吸排气压力随进水温度的变化关系Fig.1 Changing relationship of suction and exhaust pressure with the inlet water

图2 输入功率随进水温度的变化关系Fig.2 Changing relationship of input power with inlet water temperature

图3反映了制热水时系统制热量随着进水温度的变化关系，从图上可以看出，2种工况下R417a系统的制热量也是比R22系统低的，而且进水温度越高，制热量也越低，降低趋势要比R22系统快。这是因为R417a作为三元非共沸混合物存在着温度滑移现象，使得R417a的换热受到影响，特别是在核状沸腾条件下的气泡脱离阻力，致使R417a的换热系数比R22的要低，从而导致总的换热量也比R22要低。

系统运行时，20℃工况下R417a的总制热量为23.51kW，比R22的27.17kW 要低3.66kW，相当于R22的86.5%；7℃工况下R417a的总制热量为15.75kW，比 R22的19.60kW 要低3.85kW，相当于R22的80%。所以，应该考虑用R417a环保制冷剂替代R22。

图3 制热量随进水温度的变化关系Fig.3 Changing relationship of heating power with inlet water temperature

图4所示为系统制热水性能系数随进水温度的变化关系。

图4 制热水性能系数随进水温度的变化关系Fig.4 Changing relationship of water heating of performance with inlet water temperature

从图4可以看出，R417a和R22的制热性能系数都是随进水温度的增加而逐渐减小的。R417a的性能系数随进水温度的升高下降得比R22的快。在进水温度约35℃前，R417a的制热性能系数是优于R22的，但在热水温度达到约35℃之后，R417a系统的性能系数要低于R22系统的，且随着进水温度的进一步增高，二者的差距逐渐加大。

当把水从15℃加热到55℃时，20℃工况下所测的R417a的平均性能系数为4.30，所测的R22的平均性能系数为4.14，其实测总体性能系数比R22高出约3.86%；7℃工况下所测的R417a的平均性能系数为3.26，所测的R22的平均性能系数为3.03，其实测总体性能系数比R22高出约7.6%。所以R417a优于R22。

3 结论

（1）实验结果表明，随着进水温度的升高，系统的吸气压力变化不大，系统的排气压力逐渐升高，且趋势逐渐变大。2种工况下417a系统的吸／排气压力要低于R22系统，且R417a的压力受热水温度的影响要比R22略小，有利于系统的安全运行。二者受环境影响相同。

（2）随着进水温度的升高，其消耗功率也是逐渐增加的，且上升趋势是逐渐加快的。在同一工况下随着进水温度的升高，R417a输入功率的变化趋势比R22略缓。系统运行过程中，20℃工况下R417a系统的总平均输入功率为R22系统的81%，7℃工况下R417a系统的平均输入功率为R22系统的约77.8%，有效降低了压缩机的负荷，有利于延长装置的寿命。

（3）随着进水温度的升高，其制热量是逐渐下降的，R417a系统的制热量比R22也小，且受水温的影响比R22要小。系统运行时，20℃工况下R417a的制热量为R22的制热量的86.5%，7℃工况下R417a的制热量相当于R22的80%，所以，应该考虑制冷剂的替代问题。

（4）随着进水温度的升高，它们的制热系数是不断下降的，下降趋势逐渐变缓，但R417a系统的制热能效的变化趋势要大于R22的。在进水温度约35℃前，R417a的制热性能系数是优于R22的，但在热水温度达到约35℃之后要低于R22的，且随着进水温度的进一步增高，二者的差距逐渐加大。这种制冷剂适用于用水温度不是太高的场所。当把水从15℃加热到55℃时，20℃工况下R417a的性能系数为4.30，R22的性能系数为4.14；7℃工况下R417a的性能系数为3.26，R22的性能系数为3.03，优于R22。

［1］ 柴沁虎，马国远.空气源热泵低温适应性研究的现状及进展［J］.能源工程，2002（5）：25－31.

［2］ 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.

［3］ 余乐渊，赵军，朱强，等.压缩式热泵热水器实验研究及性能分析［J］.能源工程，2003（4）：56－58.

［4］ 联合国环境规划署.蒙特利尔议定书［EB／OL］.［2014－01－20］.http：／／baike.baidu.com／link？url＝wmdB9g－GcdlXLuCfX6TPfwX6Nwu9etFGlbZYLuE3tG5Wm9V－xKJH＿54l2QrRjW6p3L.

［5］ 李晓燕，闫泽生.在热泵热水系统中替代R22的实验研究［J］.制冷学报，2003（4）：1－4.

［6］ 曹锋，马元，王凯，等.R417a用于热泵热水器的试验研究［J］.流体机械，2005，33（增刊）：117－120.

［7］ 朱兴旺，仇富强，尹斌，等.7℃工况下R417a和R22用于空气源热泵热水器的试验研究［J］.流体机械，2009，37（6）：57－69.