R290小冷量制冷压缩机的测试方法及性能比对研究

徐华保 杨双 李欣

中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176

1 引言

目前，环保制冷剂R290作为满足基加利修正案要求的优选技术方案，在制冷产品上的应用已日趋成熟，国内大型压缩机企业及空调企业均投入了较大资源，致力于R290产品的开发设计及产品升级。珠海格力于2011年建立了全球首条碳氢制冷剂R290分体式空调示范生产线，广东美芝建立了联合国蒙特利尔多边基金首条R290压缩机示范生产线，为推动中国在环保制冷剂替代及制冷技术创新升级方面发挥了极为重要的作用。

现阶段，R290在家用空调、热泵、除湿机等产品上的应用较多，在冰箱、冷柜等小冷量制冷产品上的研究和应用还具有较大空间。文献[1]针对R290与R600a在冰箱制冷系统的应用对比分析，得出R290在冷却能力、冷冻能力和降温速度上有明显的优势。文献[2]根据R290与R600a在商用冷柜中的试验测试对比得出，R290在冷却速度和冷冻能力方面优势明显，综合性价比更高。冰箱冷柜等小冷量制冷器具与空调相比，制冷系统无现场安装需要，降低了安装过程中因操作不当导致的燃爆风险，且充注量一般比空调器小。因此，加强R290制冷剂在小冷量制冷产品中的应用研究具有较强的实际意义。文献[3]对R290与R134a、R404A制冷剂优劣势进行了对比研究，并提出了R290制冷压缩机可能出现的压缩机不启动、卡死等故障的解决措施，极大的改善了压缩机的可靠性，为R290制冷压缩机的推广应用奠定基础。

为确保R290制冷剂产品在使用过程中的安全可靠性及性能稳定性，相关产品必须经过严苛的检测方可投入市场。目前的国家标准中采用的制冷工况来源于ASHRAE，将冷凝温度定在54.4℃，这种冷凝温度与实际整机最常运行温度相差甚远。作为压缩机制造商，如果按照这个冷凝温度调整压缩机在此冷凝温度下达到最优，就会造成在实际使用中压缩机大多情况下并非在最优情况下运行，从而造成耗电量上升，制冷量下降，COP下降，反而与国家的节能政策相违背。目前制冷压缩机标准正在进行修订，为了初步改变这种状况，将更适合整机实际运行工况作为国标工况的一种，同时摸索R290制冷剂压缩机在整个行业的现状。本文针对国内外现有标准的工况条件要求开展试验结果的差异性分析，并研究在国标条件下压缩机性能分布特点，为R290制冷剂压缩机产品开发提供依据，为国标修制定提供理论支撑。

2 R290的热力学性能

碳氢工质R290作为替代制冷剂的明显优势主要来源于其优异的热力学特性。与传统制冷剂R22相比，R290的标准沸点、凝固点、临界点等基本物性与之极其接近。但R290的导热系数更大、粘性系数及绝热指数更小，作为制冷系统换热介质可有效改善换热效果，降低功耗，减少充注量[4]。与目前冰箱冷柜等小型制冷系统中主流制冷剂R600a相比，R290也具有相对明显的优势，由表1中的对比参数可以看出，相比于R600a，R290的沸点更低而汽化潜热略高，更适宜于有低温速冷需求的冰箱产品。两种制冷剂都属于低毒易燃的自然工质，但是R290的单位容积制冷量与单位质量制冷量均高于R600a，相同系统中R290的充注量更少。因此，作为纯天然工质的R290也被称为“超具发展潜力的环保制冷剂”。

表1 R290与R600a制冷剂主要性能参数对比

R290推广应用中面临的最关键的问题是存在一定的燃爆危险，按照GB/T 7778-2017《制冷剂编号方法和安全性分类》中的制冷剂安全性分类（如图1所示），R290属于A3类制冷剂。R290发生爆炸危险一般需要同时满足两个条件：（1）与空气混合且浓度达到2.5%～8.9%；（2）温度超过810℃[5]。但是对于小型制冷器具来说，在实际使用过程中同时达到上述两点的概率是极其微小的。

图1 制冷剂安全性分类

3 不同压缩机标准的性能测试条件分析

3.1 标准测试工况

目前小冷量压缩机性能测试依据的标准主要有GB/T 9098-2008《电冰箱用全封闭型电动机-压缩机》[6]、ASHEARE、EN 12900-2013 Refrigerant compressors - Rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data[7]、T/CAS 319-2018《电冰箱实际工况下全封闭型电动机-压缩机性能评价技术规范》[8]以及用户自定义工况条件等。其中ASHEARE与GB/T 9098在测试工况上是基本一致的，合并为一组进行分析。主要试验方法一般主侧为第二制冷剂热量热计法，辅侧为液体质量流量计法，对应的国标为GB/T 5773-2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》。不同标准低背压条件的测试工况如表2所示。从表2中可以看出，对于所涉及的几种测试工况，除EN12900外，吸气温度和环境温度基本一致，主要区别在于冷凝温度、蒸发温度以及过冷温度存在一定的差异性，因此分别针对这三点不同将国标与其他三个测试条件进行对比分析。

表2 制冷量测试工况

3.2 国标与EN标准的差异性

图2 理想循环压焓图（简化）

从表2可以看出，国标和EN标准在测试工况上基本相同，主要区别在于过冷度的确定，国标要求22 K的过冷度，而EN标准过冷度则为0 K。从如图2所示的制冷循环lgP-h图可以知道，如果对于同一台样机进行测试，国标GB/T 9098中的制冷量试验的测试结果考虑了冷凝温度对应冷凝压力下的饱和液态状态点3以及阀前过冷状态点3’之间的这部分能力，则一般情况下国标条件下的制冷量测试结果QGB应略大于EN条件下的制冷量测试结果QEN。此处需要说明，国标GB/T 5773-2016中的制冷量计算公式并未将过冷部分的能力考虑进去，但是在实际处理过程中，大部分企业及第三方检测机构的实测制冷量都加入了该部分能力。因此本文所涉及的国标的制冷量计算都是考虑了此部分能力的测试结果。

根据制冷量计算公式简化计算则：

其中：qm为制冷剂质量流量（公式忽略了其他测试条件的差别所带来的影响，仅分析过冷度对制冷量测试结果的影响）。

3.3 国标与T/CAS 319的差异性

T/CAS 319-2018《电冰箱实际工况下全封闭型电动机-压缩机性能评价技术规范》的制订主要基于国标测试工况与压缩机设计的标准工况存在一定的差异性。设计工况是针对整机产品制冷系统稳态运行而确定的，因此两种方法在蒸发温度和冷凝温度状态的选择上具有明显区别。T/CAS 319的蒸发温度略低于国标测试工况，而冷凝温度与国标工况则存在较大差异，差值达到16.4 K。对于R290制冷压缩机，对应的蒸发压力和冷凝压力分别如表3所示。由此可知，同一测试样机在T/CAS 319工况下的制冷量及消耗功率将比国标工况下的测试结果偏低，且功率的降低幅度更大，在压焓图上表示如图3所示。

表3 R290制冷循环在国标与T/CAS 319工况下的的压力对比

图3 国标与T/CAS 319制冷循环（简化）

3.4 国标与典型自定义工况的差异性

典型的自定义工况是针对企业定制性开发的设定测试条件，与国标工况相比最明显的差异在于蒸发温度升高而冷凝温度降低，在此条件下压缩比大幅降低，测试样机的COP将明显提升，具体参数如表4所示。

表4 R290制冷循环在国标与自定义工况下的压力对比

4 结果差异性分析

4.1 不同标准同一机器的测试结果差异性分析

为分析不同工况条件对压缩机制冷量测试结果的影响选取一台规格参数如表5中所示的小冷量制冷压缩机进行四种不同测试工况下的性能测试，制冷量及输入功率测试结果如图3所示。

表5 测试样机规格参数

图4 某机型在四种不同测试工况下的性能测试结果比对

对应3.2至3.4小节的分析可以看出，与国标工况相比，该机型在EN 12900测试工况下，实测制冷量减小22.32 W，降低幅度达到7.88%；在T/CAS 319工况下，制冷量和消耗功率都有所减小，但是因为功率降低幅度更大，因此实测COP结果略大于国标工况；在典型自定义工况下，COP的提升幅度达到13%。由上可知，不同工况下同一样机的测试结果偏差是比较明显的，企业或者检测机构在测试过程中，必须根据产品依据的标准来设定测试条件，并尽可能提高测控精度，以免引起测试结果误差。

4.2 国标测试工况下不同机器性能测试结果分析

R290是冰箱压缩机中R600a的最佳替代制冷剂之一，因此近几年各冰箱压缩机厂家都在深入研发并上市R290制冷剂压缩机，但是R290制冷压缩机产品整体性能情况及产品间的性能比对研究确不多见。本文以GB/T 9098测试工况为统一条件，选取了10家冰箱压缩机企业具有代表性的小冷量制冷压缩机产品共计40台，进行性能测试结果分析，其中制冷量分布如图5所示，有25台的能力测试结果为200 W～600 W，占总数的63%。将COP测试结果划为四个等级进行占比分析，如图6所示，其中COP在1.0～1.2范围内的占比为10%，在1.2～1.4范围内的占比为35%，在1.4～1.6范围内的占比为30%，在1.6～1.8范围内的占比为25%。

选取制冷量在240 W～300 W以及300 W以上的测试样机与标准要求的R600a制冷剂压缩机的COP分级要求进行比对。测试样机分别有9台和18台处在该范围，占比分别为总数的23%和45%，性能系数分布分别如表6、表7所示。其中制冷量在240 W～300 W有5台，即一半以上的测试样品的COP大于1.5，即分级为对应R600a的B级。300 W以上的测试样机则由占比72%以上的COP测试结果对应分级在B级及以上。

图5 测试压缩机制冷量分布

图6 测试压缩机COP分布

表6 240 W～300 W测试样机性能系数（COP）

表7 300 W以上测试样机性能系数（COP）

5 结论

环保工质R290在小冷量制冷系统中的推广应用是制冷剂替代背景下的必然趋势，其环保易获取的特性迎合市场需求。本文从国标、欧盟标准、团体标准以及自定义工况等对于测试条件的不同要求，分析了压缩机制冷量试验及其测试结果的差异性。

（1）不同标准对于测试工况的要求存在一定区别，通过同一机器在不同测试条件下开展试验比对可以发现，工况条件的变化对压缩机制冷量的影响是比较明显的。因此，在压缩机性能测试前确定所需满足的试验工况，为了尽可能提高测试精度，本文采用高精度量热器设备，其再现性误差＜1%，在整个制冷量范围测量误差＜2%（包含因子K=2），电气参数误差＜0.5%（包含因子K=2），更好的满足压缩机制冷量测试结果可靠性的基本要求。

（2）通过选取40台具有代表性的不同冰箱压缩机企业生产的R290制冷压缩机，在国标测试条件下进行性能测试，并将COP测试结果与标准要求的R600a的分级要求进行比对，R290制冷压缩机表现出良好的性能特点。

（3）根据40台R290制冷压缩机在各种工况下性能测试结果，以及考虑到上述所说的国标工况选择的缺陷，建议在新国标中增加更适合整机运行的测试工况。同时暂时保留原标准工况，这样用户一来可以有数据的延续性；二是可以在新工况下积累数据，为后续的数据对比提供支撑，在条件适合情况下彻底改为整机适用工况。

总言之，R290作为替代制冷剂在制冷压缩机的应用中具有显著意义，加大R290应用技术研究，完善标准体系，推动环保制冷剂在制冷系统中的应用具有深刻意义。