替代高温气候区域分体式家用空调R22的低GWP制冷剂R444B实验研究

林恩新，牛永明，霍宏祥，林云

（霍尼韦尔综合科技有限公司，上海201203）

替代高温气候区域分体式家用空调R22的低GWP制冷剂R444B实验研究

林恩新*，牛永明，霍宏祥，林云

（霍尼韦尔综合科技有限公司，上海201203）

制冷剂R444B是霍尼韦尔最新开发的、可作为高温气候区域家用空调制冷剂R22的替代制冷剂。R444B的ODP（臭氧消耗潜能值）为零，GWP（全球变暖潜能值）仅为295；相对于R22，GWP减少85%。理论制冷循环分析表明，R444B的制冷量和COP（性能系数）在高温工况下与R22相当。分体式空调实验结果显示：在高温气候区域的T3和T3Max工况下，R444B的制冷量和COP与R22相当，略高于R407C；R444B的排气温度与R22相当；R444B换热器压降也小于R22；R444B制冷剂流量约为R22的80%。通过优化室内机管路连接方式，优化后R444B空调制冷量和COP相对于原型提升0.3%～1.0%。R444B的制冷量和COP随高温环境衰变速率与R22相当，优于R407C。

高温气候区域；性能系数；R444B；制冷剂

0　引言

R22制冷剂具有良好的制冷性能、较高的临界温度和合适的热物理性质，广泛应用于空调领域，特别是环境温度极其恶劣的高温区域家用空调领域。人类使用的HCFC类制冷剂会影响地球上空臭氧层厚度，威胁到人类的生存环境。蒙特利尔协议通过后，开始逐步禁止使用含有ODP（臭氧消耗潜能值）的HCFC类制冷剂。根据蒙特利尔协议具体条款［1］，高温气候区域（T3工况）发展中国家将于2015年开始冻结HCFC类制冷剂使用量，并逐步减少使用量。R407C作为R22的替代制冷剂，虽仍然可以应用于此区域，但因其具有较高的全球变暖潜能值（GWP），根据京都协议书［2］和文献［3-4］所述，将会被低GWP制冷剂替换。

根据蒙特利尔协议和京都协议书，下一代制冷剂应该具有零ODP、低GWP的特点。它们可能是自然工质，比如CO2、NH3等；或为HFO类制冷剂，比如HFO-1234yf和HFO-1234ze。自然工质虽然具有低GWP值，符合环保趋势，但是它们具有一些突出的缺点，比如NH3有毒性，因此本文暂不考虑。根据文献［5-6］报道，霍尼韦尔基于已有的HFO类制冷剂R1234yf和R1234ze开发一系列低GWP制冷剂，包括替代R22的低GWP制冷剂R444B，其GWP值仅295，且ODP为0，并且，相对于R22，其具有零ODP优势；相对于R407C，可减少80%GWP。

以中东为代表的高温区域的气候温度很高，如沙特麦加全年有5个月平均温度高于 35 ℃，有6个月平均高温高于 40 ℃，有 9个月最高温高于40 ℃。应用于高温区域的空调，需要适应于此极端高温气候；而高环境温度要求空调冷凝温度更高，因此，文献［7］指出极端高温气候区域空调对制冷剂提出更高要求。

霍尼韦尔开发的低GWP制冷剂R444B在高温区域具有良好的特性，本文将分别从热物性、理论循环分析和实验研究方面分析作为R22低GWP替代制冷剂 R444B，借鉴文献［8］方法并根据 R444B物性特点优化室内换热器并进行实验评估。

1　R444B物性

R22、R407C和低GWP制冷剂R444B的基本热力学参数如表1所示。表1为R22、R407C和R444B的压焓图，R444B、R407C的饱和液相焓与R22基本吻合，R444B的饱和气相焓大于 R22和R407C。从另一层面可知，R444B的汽化潜热大于R22或R407C，这样在相同能力下，R444B具有较小的制冷剂流量，有利用于降低换热器压降。

由表1和图1可知R22的临界温度为96 ℃，R444B的临界温度只比R22低4 ℃，达到92 ℃，而R407C的临界温度约为86 ℃。对于应用于高温区域，临界温度高更易发挥制冷剂的热物性，因此作为R22的替代制冷剂，R444B相对于R407C具有更好特性应用于高温区域空调。

表1　R22、R407C、R444B基本热力学参数

图1　R22、R407C和R444B压焓图

图2为R22、R407C和R444B的饱和气态压力与温度图。从图2可知，当温度大于50 ℃时，R444B饱和气相压力与R22相当，低于R407C压力。由于R444B饱和气相压力与R22相当，可确保原来使用R22空调改充注R444B制冷空调系统安全性，无须重新设计。

图2　R22、R407C和R444B饱和气态压力-温度图

2　R444B理论循环分析

R407C和R444B都为非共沸制冷剂，而R22为纯工质。R407C和R444B具有滑移温度，而R22无滑移温度。为反映非共沸制冷剂的特性，根据文献［9］采用冷凝温度和蒸发温度的均值温度理论分析它们的循环特性。即采用冷凝压力对应的泡点温度和露点温度的平均值作为冷凝温度，采用蒸发压力对应的露点温度和蒸发器进口温度的平均值作为蒸发温度。理论循环分析在蒸发温度为5 ℃，过热度为5 ℃，过冷度为10 ℃，变化冷凝温度的基础上进行。其中蒸发温度和冷凝温度都是采用均值温度。

图3为不同冷凝温度下R22、R407C和R444B的理论循环分析结果。图 3（a）给出了 R407C和R444B相对于R22的比容积制冷量变化趋势。当冷凝温度高时候，从图中可知R444B相对R407C具有更高比容积制冷量。即采用R444B的空调，在高温气候区域相对于R407C具有更高制冷量。图3（b）为R407C和R444B相对于R22的COP能力变化趋势。当冷凝温度高时候，从图中可知 R444B相对R407C具有更高COP。即采用R444B的空调在高温气候区域相对于R407C具有更高COP或能效。图3（c）为R22、R407C和R444B的理论排气温度随冷凝温度变化的趋势。R444B的排气温度与R22相当，略高于R407C；但是即使冷凝温度高达70 ℃，R444B和R22的排气温度达到100 ℃，亦低于压缩机许可最大排气温度。R22、R407C和R444B应用于高温区域，应不存在排气温度过高的问题。图3（d）和图3（e）给出不同冷凝温度下排气压力和吸气压力变化趋势。R444B的排气压力略高于R22，但是低于R407C的，因此在相同冷凝条件下R444B对制冷剂空调系统承压条件低于R407C，有利于R444B空调设计。图 3（e）显示 R444B的吸气压力略低于R22和R407C，但是它们都远高于大气压力，使用它们的制冷系统都不用考虑负压影响。

图3　R444B、R407C和R22的理论循环分析

从图3理论循环分析结果表明，R444B相对于R407C在高温气候区域具有更高的制冷量和能效，可作为R22和R407C的低GWP替代制冷剂，并可直接灌注式替换。

3　R444B空调性能实验研究

针对高温气候区域设计的单冷分体式空调进行实验研究，分别研究R22、以及现有替代制冷剂R407C和将来低GWP制冷剂R444B的性能。

3.1焓差试验台简介

被研究的单冷R22空调为针对高温气候区域（T3）设计的空调，包括分体机和窗机。被研究的单冷空调将被置于空调焓差试验台测试其在不同工况下性能，测试过程同时遵守中国 GB/T7725-2004房间空气调节器标准［10］和国际ISO5151-2011标准［11］，具体测试工况见表2。实验台的温度是通过PT100热电偶测量，其精度为±0.1 ℃；制冷剂流量由 Endress+Hauser Promass 83流量计测量，精度为±0.1%；压缩机输入电功率通过YOKOGAWA/WT230功率计测量，不确定度为±0.1%；压力通过压力传感器测量，其精度为±0.25%。实验台测量过程制冷剂物性计算采用LEMMON等［12］编制的Refprop软件。

表2　空调测试工况表

4.2分体式空调灌注式实验分析

被实验的R22分体式空调是针对高温区域气候设计的，被测试空调铭牌数据为：在T1工况制冷量为6.15 kW，COP为2.86；在T3工况制冷量为5.25 kW，COP为2.1。分体式空调灌注式实验过程包括：1）R22性能测试；2）R407C灌注式性能实验测试；3）R444B灌注式性能实验测试。

R22性能测试包括充注量优化和性能测试，由于分体空调需要增加一些管路来测量制冷剂流量和换热器压降，需要先进行制冷剂充注量优化实验，然后进行R22性能测试。R407C灌注式性能实验测试包括充注量优化和R407C性能测试，R407C实验采用 R22原装毛细管，最优充注量是确保 R407C的过热度等于R22过热度减去一半的R407C滑移温度。R444B灌注式性能实验测试包括充注量优化和R444B性能测试，R444B的制冷剂流量相对于R22小，需要更新毛细管长度；充注量优化和毛细管长度优化过程同时进行，此过程确保R444B的过热度等于R22过热度减去一半R444B滑移温度的基础上得到最佳毛细管长度和最优充注量。

图4为R22、R407C和R444B的分体机空调性能对比。图4（a）为不同工况下相对于R22的R407C和R444B空调制冷量。在高温的T3和T3Max工况下，R444B的制冷量达到R22的95%，约比R407C高了2%～4%。图4（b）为不同工况下相对于R22的R407C和R444B空调COP。在高温的T3和T3Max工况下，R444B的COP达到R22的93%，约比R407C能力高了 4%～5%。R444B在高温 T3和T3Max的工况下，实验测量的制冷量和COP均比R407C高，比R22略低，这与制冷循环理论分析结果相似。图4（c）为不同工况下R22、R407C和R444B空调排气温度。R444B的排气温度与R22相当，略高于R407C；R22和R444B在T3Max排气温度约为110 ℃，均低于压缩机最大许可温度，与理论循环分析相符合。图4（d）为不同工况下相对于R22的R407C和R444B制冷剂质量流量，R407C的流量与R22相当，但是R444B的质量流量约为R22的80%，有利于降低换热器中R444B压降。

图4（e）为不同工况下R22、R407C和R444B蒸发器和冷凝器的压降。R444B的冷凝压降只为R22的60%，蒸发压力约为R22的85%；R407C的冷凝压降低于R22，但R407C蒸发压降高于R22。此被测空调的冷凝器管路布置为流入4个支路，然后合并为2支路，最后合并成一个支路流出，此管路设计模式可根据流动制冷剂密度变化降低制冷剂压降，也适合于非共沸制冷剂。此被测空调的蒸发器采用6进6出管路布置形式，可有效降低大制冷剂流量的压降，没有兼顾到小制冷剂流量（如R444B）的压降的特点；由于非共沸制冷剂流动过程滑移温度对换热影响，蒸发器管路布置将不能有效减少R407C压降。

R22空调原始毛细管内径1.8 mm，长度470 mm；实验结果的R444B的最优毛细管内径1.8 mm，长度550 mm。由于R444B制冷剂流量低于R22的，因此R444B相对于R22需要更长的毛细管。实验优化的R444B最佳充注量为1.37 kg，R22的最佳充注量为1.47 kg，R407C的最佳充注量为1.44 kg。R444B在分体式空调充注量约为R22的93%，可进一步减低GWP值；R407C在分体式空调充注量与R22的相当。R444B和R407C空调需要将R22的矿物润滑油替换为POE润滑油。

图4　R444B和R407C相对于R22的分体机性能对比

4　R444B空调优化及验证

R444B在泡点温度为10 ℃，温度滑移为8.9 ℃；在泡点温度为40 ℃，温度滑移为7.9 ℃。即R444B具有较大滑移温度，而纯工质R22无滑移温度。考虑到沿流动方向压降影响，沿流动方向制冷剂饱和温度逐渐下降，被冷却的空气温度也逐渐下降，因此单冷R22空调室内机管路流程一般采用顺流布置形式。图5（a）示意性给出顺流布置形式的R22室内机换热温度变化趋势，顺流布置形式可以提升整个流程换热温差，提升换热效率。对于具有滑移温度的R444B，由于蒸发器（单冷机的室内机）沿流动方向制冷剂（两相）温度逐渐升高，这与纯工质不同。图5（b）为在50 kPa换热压降情况下，R22、R407C和R444B顺流和逆流对数平均温差变化。从图中可知，考虑到流动压降的影响，纯工质蒸发器建议采用顺流管路布置形式，具有温度滑移的工质蒸发器建议采用逆流管路布置形式。

图5　R444B、R407C和R22不同顺逆流布置形式下的传热温差变化

R444B先在R22原型机上进行灌注式试验，原型机室内机管路是采用顺流布置形式，如图6（a）所示。根据上面针对具有滑移温度制冷剂分析结果表明，R444B空调室内机采用逆流布置方式可提升换热。因此针对原型机室内机进行管路优化以提升R444B能力和效率，优化方向是采用逆流布置方式代替顺流布置方式，图6（b）为针对R444B室内机管路优化布置方式。同时根据优化结果，进行实验验证。图7为管路优化布置形式下实验测量的制冷能力和COP的提升，从图7可知，T1、T3和T3Max工况下，管路优化布置方案的制冷能力提升0.3～1.0%，COP提升0.4～1.0%。

图6　R444B室内机管路流程优化方案

图7　R444B室内机管路流程优化实验评估

5　R444B高温性能衰减研究

高温气候空调不仅仅在标准工况下工作，同时将在高温环境条件下工作，因此高温环境下空调能力和COP的同样非常重要。本文通过实验研究R22、R407C和R444B制冷剂在相同室内环境温度（干球27 ℃，湿球 19 ℃），不同室外环境温度下高温区域空调能力和COP变化，以此研究这3种制冷剂在高温环境下能力和COP的衰减幅度。

图 8为不同室外环境工况下 R22、R407C和R444B的制冷量和COP。R444B和R22在随着室外环境升高，制冷量和COP下降趋势一致，R444B在高温工况下制冷量和COP下降幅度与R22一致。随着环境温度升高，R407C的制冷量下降幅度大于R22和R444B，与理论循环分析结果一致。

图8　R444B、R407C和R22不同室外环境下分体机性能

图9为R22、R407C和R444B的制冷量和COP随环境温度升高衰减比例变化状况。从图 9可知，随环境温度升高，制冷量和 COP均快速下降。在高温环境下，制冷量下降到T1工况的80%，COP下降的更多，下降到T1工况的60%。因此高温环境对空调性能影响很大，替代高温区域家用空调制冷剂必须注重考查制冷剂是否适应于高温环境。从图 8和图 9可知，R444B在高温环境下制冷量和COP衰减幅度与 R22相当，优于 R407C，因此R444B相对于R407C更适用于高温环境。

图9　R22、R407C和R444B空调性能随环境温度衰变

6　结论

R444B作为高温气候区域（T3）空调R22的低GWP替代制冷剂，零ODP，可减少85%GWP。理论循环分析表明：在高温气候区域的T3和T3Max工况，R444B的制冷量和 COP与 R22相当，比R407C略高。

分体式空调实验结果表明：在T3和T3Max工况下，R444B的制冷量和COP与R22相当，略高于R407C；R444B的排气温度与R22相当，R444B换热器压降也小于 R22，R444B制冷剂流量约为R22的80%。R444B的毛细管要长于R22。

采用R444B和R407C空调需要将原R22空调的润滑油替换为POE润滑油。

R444B相对于R22具有温度滑移，R444B室内机管路建议采用逆流布置方式，采用逆流布置形式的空调制冷量和 COP相对于顺流布置形式提升0.3%～1.0%。R444B制冷量和COP随高温环境衰减速率与R22相当，但优于R407C。

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Experiment Study on R444B as an Alternative Low GWP Refrigerant of R22 Used in Room Air Conditioners in High Ambient Temperature Regions

LIN En-xin*, NIU Yong-ming, HUO Hong-xiang, LIN Yun
（Honeywell Integrated Technology（China）Co., Ltd, Shanghai 201203, China）

Refrigerant R444B is developed by Honeywell as an alternative to R22 used in room air conditioners in high ambient temperature regions. R444B shows zero ODP（ozone depletion potential）and 295 GWP（global warming potential）. Comparing with R22, GWP of R444B reduces 85%. Analysis on the theory refrigeration cycle at the condition of high ambient temperature shows the refrigeration capacity and COP（coefficient of performance）of R444B are similar with that of R22. Experimental study on Mini-Split air conditioner under T3 and T3max shows that, the refrigeration capacity and COP of R444B are similar to those of R22, and are higher than those of R407C； the discharge temperature of R444B is similar to those of R22；the pressure drop of R444B in the heat exchanger is lower than that of R22. Comparing with the original one, the refrigeration capacity and COP of the optimized R444B air conditioner can be increased by 0.3%～1.0% through optimization on the pipeline connection of indoor unit. The degradation of refrigeration capacity and COP of R444B are similar to those of R22, and are better than those of R407C.

High ambient temperature regions； Coefficient of performance； R444B； Refrigerant

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.102

*林恩新（1981-），男，高级工程师，博士，研究方向：低GWP制冷剂应用。联系地址：上海张江高科技园区李冰路430号，邮编：201203。联系电话：021-28942677。E-mail：lynn.lin@honeywell.com。