热泵系统R410A制冷剂的替代物研究

张庆伦，姚卉，刘培冲，于同山

(大连斯频德环境设备有限公司，辽宁 大连 116033)

0 引言

近日，2021年诺贝尔物理学奖公布，哈塞尔曼和真锅淑郎因“对地球气候的物理建模，来量化变异性和可靠地预测全球变暖”而获得表彰。全球变暖问题已日益严峻，受到国内外的广泛关注，目前普遍认为这与人类活动及温室气体排放有关。为实现可持续性发展，2015年12月，第21届联合国气候变化大会通过《巴黎协定》，确立2020年后以“国家自主贡献”目标为主体的国际应对气候变化机制安排，各方承诺将全球平均气温增幅控制在低于2 ℃的水平，并向1.5 ℃ 温控目标努力。2016年10月，《蒙特利尔议定书》 第28次缔约方大会上正式通过了《基加利修正案》，将18种氢氟烃(HFCs)类物质纳入管控范畴[1]，并规定了具体的逐步淘汰时间表。自2024年起，我国受控用途的HFCs生产量和使用量将被冻结在基线水平，2029年削减10%，2035年削减30%，2040年削减50%，预计到2045年不超过基线20%[2]。

很多HFCs类物质，因不破坏臭氧层、热物性优良、来源广泛，安全性和适用度较好，而被大量应用于供热通风与空气调节(HVAC)领域[3-4]。以R410A为例，是由HFC-32和HFC-125按等质量比组成的二元混合物，目前被广泛应用于多种制冷热泵系统中。国内外各大制冷空调设备制造商大多有R410A机型产品。斯频德主营产品是冷却塔与精密空调，以R410A为制冷剂的产品制冷量涵盖2.8 kW至32 kW。

然而，学术研究表明R410A的温室效应潜能值(GWP)是CO2的2 088倍[5]，在“碳达峰”和“碳中和”背景下，从能源、技术的可持续性发展角度，有必要研究新型环保R410A替代物。

1 R410A替代物的基础热物性

本研究基于“直接灌注式”制冷剂替代技术[6-7]，研发出一种新型环保三元替代物，并兼顾考虑成本、碳排放以及行业熟悉度因素，最大程度地兼容使用原R410A热泵系统的零部件。三元替代物使用了GWP小于1的氢氟烯烃(HFO)组元和火焰压制能力更优的阻燃组元，同时保留了一定比例的HFC-32。三元替代物的直接GWP值约554，相对分子量约58.9 g·mol-1，临界温度、临界压力和临界密度的估算值分别约为79.5 ℃、5.77 MPa以及454.3 kg·mol-1。

图1示出了 R410A及其替代物的温度-压力对比关系，二者非常贴近，满足最基本的技术要求。局部放大后，可以看到经优化设计后，在相同温度下，R410A的饱和蒸气压“恰好”位于替代物的气液压力和液相压力之间。同R410A的归类一样，三元替代物也是一种非共沸混合物，其不同压力下的温度滑移分析结果如图2所示。

图1 R410A及替代物的温度-压力对比关系

在热泵系统工作压力范围内，三元替代物的温度滑移随压力的升高而逐渐降低，如图2所示，最大温度滑移约1.6 ℃，而当压力达到3 MPa及以上后，温度滑移低于1 ℃。图2还示出，三元替代物的定压比热容(Cp)在压力低于2.6 MPa的主要工作区域内是略高于R410A的；而在高压区域，三元替代物的定压比热容略低于R410A。

图2 R410A及替代物的温度滑移与比热关系

图3示出了R410A及其三元替代物的两个重要输运性质参数—导热系数和液相黏度的对比分析结果。在-50 ℃至60 ℃温度范围内，三元替换物具有更大的导热系数，这有利于换热器的紧凑化；而在10 ℃以下，三元替代物的液相黏度更低，因而在低温换热器管内的流动性要优于R410A。

图3 R410A及替代物的热系数和黏度的对比关系

2 制冷/制热循环性能分析

如前所述，本研究所提出的新型环保三元替代物满足了“直接灌注式”制冷剂替代技术的基本要求，与被替代物R410A相比，表现出较好的环保性、基础热物性与输运性质。进一步地，以美国国家标准局(NIST)开发的Cycle_D-HX模型为基础[8]，补充数据，进而在8种制热/制冷工况下，分别估算了R410A及三元替代物的理论循环性能。

关键条件设置如下：在四种制热工况下，蒸发器出口温度分别设置为-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃和-10 ℃；在四种制冷工况下，蒸发器出口温度分别设置为-5 ℃、 0 ℃、5 ℃和10 ℃。此外，都调控了冷凝器出口温度比蒸发器高出40 ℃，对冷、热源温差做了统一化处理。过冷度和过热度皆为5 ℃，换热器△T都设置为8 ℃，压缩机的综合效率为0.83，机组制冷量为5 kW。

如图4所示，三元替代物的制冷/制热性能系数(COP)在所有工况下都高于R410A，特别是在制冷模式下，节能效果更加优秀，平均节能率超过3个百分点。在所有工况下，三元替代物的单位容积制冷/制热量(Qv)都明显高于R410A，最大可达108%，这为保持原压缩机缸径或是优选更小缸径奠定可能。

图4 R410A及替代物的COP和Qv对比关系

如图5所示，三元替代物的冷凝压力(Pc)与R410A基本相当，且呈略低状态，这得益于充分利用各组元的气液相特点所进行的组分优化设计。因此，在原R410A系统中直接替换灌注三元替代物，无需担忧整套制冷系统的高压部件—冷凝器的承压问题。

图5 R410A及替代物的冷凝压力和循环量对比关系

如图5所示，对比制冷剂质量流率(MFL)可知，当制冷量相同时，三元替代物的理论循环量平均比R410A低25%。而且在纯制冷模式下，MFL值的削减量更大。因而，兼顾考虑制冷剂的直接GWP值和同冷量下的制冷剂循环量，三元替代物的当量温室效应潜能值能够比R410A低80%，减排量非常显著。

需要注意的是，使用三元替代物时，压缩机的排气温度要明显高于R410A，如图6所示。虽然相比于制冷模式，在制冷模式下此问题有所缓解，但排气温度提高的问题仍旧不容忽视。仍需注意做好压缩机散热、系统高温自动保护措施[9]，还需要考虑到润滑油、非金属件的耐热性问题。

图6 R410A及替代物的压缩机排气温度对比关系

此外，另一个需要注意的问题是，三元替代物的安全性分类可能是A1类(标准测试条件下未见火焰传播)。但如果阻燃组元在混合物中的摩尔比过低，则会转变成A2L类(微可燃)，此时相关操作需要满足国标GB/T 9237—2017 《制冷系统及热泵安全与环境要求》的具体规定，特别是有关制冷剂的最大允许充注量以及安全防护等问题。

3 结语

本文基于“直接灌注式”制冷剂替代技术，探讨了热泵系统在制冷和制热两种模式下的R410A制冷剂替代问题，得到以下主要结论：(1)本研究所提出的R410A三元替代物具有良好的热力学性能、传热与流动性能、理论循环性能、以及节能与减排性能，具有一定的发展潜力。(2)本研究所提出的R410A三元替代物可以同时适用于制冷与制冷模式，且制冷模式下，对R410A的替代效果更佳，契合了精密空调产品的工作条件。(3)本研究所提出的R410A三元替代物具有较低的GWP值，具有发展潜力。而在实际推广使用前，需要开展真机实验，进一步掌握其制冷性能，并在机组安全防护方面做细致强化。