R290变频热泵空调器性能的实验研究

吴国强， 马国远， 许树学

(北京工业大学环境与生命学部， 北京 100124)

随着全球变暖的加剧，各国加强了对氢氟烃化物(hydrofluorocarbons, HFCs)的管控. 2021年3月中国政府在两会上提出了碳中和、碳达峰的概念，即承诺在2030年前实现二氧化碳的零增长，在2060年实现二氧化碳的零排放. 2021年4月中国政府决定接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，加强对非二氧化碳温室气体的管控. R290的臭氧消耗潜值(ozone depletion potential, ODP)为0，全球变暖潜值(global warming potential, GWP)为20，作为环保高效的制冷剂，在空调热泵领域受到瞩目[1].

在整机性能研究方面，Tang等[2]对某名义制热量为13kW的R290空气源热泵进行了测试，额定制热COP和额定制冷COP分别达到了3.27和2.80，达到国家相关法规的要求. 张耘等[3]使用R290直接替换低温热泵系统中的工质R22，在对压缩机进行优化后，R290热泵系统的效率较R22提高了6.65%，排气温度降低了36%. 但另一方面，Padalkar等[4]将R22空调更换R290压缩机后发现能效比(energy efficiency ratio, EER)下降了1.1%. 席新宇等[5]将R22热泵型空调器制冷剂直接替换为R290后，由于流量的减少，制热量降低了14.6%，COP降低了7.5%. 杨春等[6]对R290变频空气源热泵的供热运行特性进行了测试，在平均气温为-0.75 ℃的低温供热季节里，系统能效比达到2.21.

在关键部件研究上，Liu等[7]对不同节流机构进行了研究，比较了不同室内外温度下R290空调的性能表现，研究结果显示在毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀3种方式中，使用毛细管的系统性能更容易受到充注量的影响. 而且，R290系统适合采用大过热度. Qiu等[8-9]利用VOF多相流模型和SSTk-ω湍流模型对R290在微通道内的传热和流动特性进行了研究，结果显示：当微通道流动角为90°(往下流动)时，传热系数最佳；在相同的传热系数和传热温差下，减小微通道直径最高可以降低94.8%的制冷剂充注量.

此外，李小燕等[10]使用了全生命周期评价方法，发现R290空调的生命周期碳排放约为R32空调的 85% ，显示了R290空调减排的潜力. Chen等[11]研究了使用矿物油MOs和聚烷基乙二醇合成油(PAGs)的R290空调的性能，发现使用PAG润滑油可以减少压缩机内10～13 g的R290质量，并提高了1.8%～2.3%的制热量，但COP略有下降. Paula等[12]建立了制冷系统的稳态模型，从环保特性、能量效率和效率角度比较了使用R290、R1234yf和R744的系统，结果显示R290具有最高的环保特性，并且具有最高的能量效率和效率，充注量也更少. 变频是利用变频器改变压缩机频率的一种方式，具有自动调节负荷、节能省电、噪声低的优点[13-14]，但目前关于R290变频空调的性能的研究基本集中于标准工况，对于较宽运行温度范围内的研究较少. 本文分析了几种常见制冷剂在制冷和制热工况下的性能表现，并对某R290变频分体式热泵空调器进行了实验研究，测试了制热和制冷工况下空调器的性能表现情况、排气温度和室内机出风温度，为R290变频空调的优化提供了参考.

1 R290与几种常见制冷剂制冷与制热性能的对比

为了比较额定制冷量同为2.5 kW的不同制冷剂作为工质的热泵空调在不同温度下的性能，参考《房间空气调节器用全封闭型电动机- 压缩机》GB/T157—2014的工况设定蒸发温度为7.2 ℃，冷凝温度为54.4 ℃，吸气过热度为11.1 ℃，液体过冷度为8.3 ℃. 根据设定的工况计算出同一额定制冷量下压缩机的输气量，结果如图1所示. 然后利用Matlab调用REFPROP对同一冷凝温度、不同蒸发温度下的系统的制热性能和同一蒸发温度、不同冷凝温度下的制冷性能进行模拟分析，得到了制热工况下空调的制热量、功耗和制热COP，分别如图2～4所示.

图1 额定制冷量为2.5 kW的几种工质的 压缩机输气量Fig.1 Capacity of compressors using different refrigerants with rated cooling capacity of 2.5 kW

图2所示是几种制冷剂在空调制热工况下制热量随蒸发温度的变化. 当蒸发温度从10 ℃下降至-25 ℃时，不同制冷剂作为工质的热泵系统的制热量差距逐渐扩大. R290系统和R410A系统的制热量很接近，同时在这4种制冷剂作为工质的热泵系统中，R290和R410A系统制热量最高. R32系统略低于R290和R410A系统，表现最差的是R134a系统，与其他3种制冷剂相差较大. 在蒸发温度为10 ℃时，R134a系统制热量与R290系统几乎一致，但在蒸发温度为-25 ℃时，R290系统的制热量为1.25 kW，R134a系统为1.02 kW. R290系统的制热量比后者高22.5%.

图2 制热量随蒸发温度的变化Fig.2 Heating capacity with different evaporation temperatures

图3是制热工况下功耗随蒸发温度的变化. 整体上，功耗随蒸发温度的变化呈抛物线型，所研究的制冷剂系统功耗极大值在4～9 ℃取得. 当系统仅蒸发温度升高时，吸气量不变，质量流量增加，比功减少，两者的相互作用导致功耗呈现抛物线型. 在制热工况下，4种制冷剂的区别较为明显，功耗从高到低依次是R410A、R32、R290、R134a.

图3 功耗随蒸发温度的变化Fig.3 Power consumption with different evaporation temperatures

图4所示为制热COP随蒸发温度的变化. 从图中可以看出，R290与R134a的制热COP十分接近，而R32与R410A的制热COP十分接近,这与文献[15]的实验结果一致. 在制热工况下，R290与R134a系统制热COP始终高于R32和R410A系统. 与R32相比，R290系统的制热COP在蒸发温度为-25 ℃时比R32高8.1%，在蒸发温度为10 ℃时则比R32高4.7%.

图4 制热COP随蒸发温度的变化Fig.4 Heating COP with different evaporation temperatures

图5～7所示分别为制冷工况下空调的制冷量、功耗和制冷COP. 图5所示是制冷量随冷凝温度的变化. 总体上看，在不同冷凝温度下R134a保持了较高的制冷量. R32在低冷凝温度下制冷量最低，在高冷凝温度下制冷量与R134a十分接近. R410A在低冷凝温度下制冷量最高，在高冷凝温度下制冷量与R290十分接近.

图5 制冷量随冷凝温度的变化Fig.5 Cooling capacity with different condensation temperatures

图6所示为制冷功耗随冷凝温度的变化. 制冷工况下功耗从高到低依次是R410A、R32、R290、R134a，其中R290的功耗表现和R134a接近.

图6 功耗随冷凝温度的变化Fig.6 Power consumption with different condensation temperatures

图7是制冷COP随冷凝温度的变化. 制冷COP从高到低依次是R134a、R290、R32、R410A. 其中，R134a系统的COP与R290接近，R32则与R410A接近但略高于R410A，与文献[15]的实验结果一致. 以R410A为基准，在冷凝温度为40 ℃时，R290系统比R410A高5.6%，在冷凝温度为60 ℃时，R290系统比R410A高9.9%.

图7 制冷COP随冷凝温度的变化Fig.7 Cooling COP with different condensation temperatures

2 实验系统及原理

从前文的分析可知，R290与R32、R410A和R134a相比，具有较高的制热和制冷性能. 尤其在制热工况下，制热COP和制热量随蒸发温度降低而导致的衰减量都保持了较好的水平. 为了探究R290热泵空调的实际表现，本文以某额定制冷量为2 600 W的变频家用分体式空调器为实验对象，在焓差室进行了测试. 依据国标《GBT7725—2004房间空气调节器》进行实验并设定室内制热工况干球温度和湿度温度分别为20 ℃、15 ℃；制冷工况干球温度和湿度温度分别为27 ℃、19 ℃. 共设计了10组实验，实验工况如表1所示.

表1 实验工况设计

实验通过计算室内机进出风的焓值并结合室内侧送风平均风速来确定制冷量和制热量. 室内机送风口加装了方形风道，利用风速仪对出口每间隔45 mm进行测量风速，最后求出平均风速；送风风道出口均匀地布置有3个热电偶测点和相对湿度计以获得出口平均温度和相对湿度.

制冷量(制热量)计算式为

Q=μavS(|ρaouthaout-ρainhain|)

(1)

式中：Q为制冷量(制热量)，W；ρaout、ρain分别为室内机空气的出口和进口密度，kg/m3；haout、hain分别为室内机空气的出口和进口焓值，分别由出口温度taout、相对湿φaout和进口温度tain、相对湿度φain决定，J/kg；μav为风道出口空气流速，m/s；S为风道出口横截面积，m2.

能效比计算式为

(2)

1—压缩机； 2—四通换向阀； 3—室外换热器； 4—电子膨胀阀； 5—室内机组及风道； 6—气液分离器. 图8 实验系统原理图Fig.8 Schematic of experimental setup

式中W为机组功耗，W.

管道内布置有热电偶用于监测各项温度，系统功耗由功率计显示.实验系统原理图如图8所示，图中T1～T3为热电偶的布置位置.实验测试仪器的精确度如表2所示.

表2 实验测试仪器及参数

实验测得的各参数不确定度分别用uμav、uS、utaout、uφaout、utain、uφain、uW表示，EER与各测量参数的关系可以表示成EER=f(μav,S,taout,φaout,tain,φain,W).则制热量(制冷量)Q与EER的不确定度分别表示为

(3)

(4)

3 实验结果及分析

3.1 制热测试

空调性能随环境温度变化情况如图9所示. 整体上制热量随环境温度的下降而下降，而电功耗则随环境温度的下降而上升，但制热量在2 ℃以上时制热量衰减较为缓慢，环境温度由12 ℃下降为2 ℃过程中，制热量由5.30 kW下降为4.84 kW，仅下降了8.7%. 在2 ℃降低到-12 ℃过程中，制热量衰减较为严重，下降了22.6%(以12 ℃时制热量为基准). 能效比在12 ℃降低到2 ℃时从3.78降低到2.99，-12 ℃时降低到了2.19，在这两个区间内分别下降了20.8%和21.2%，变化较为均匀. 变频空调的电功耗在测试过程中随着温度的升高而降低，在-12 ℃到2 ℃范围内，电功耗的变化较为缓慢，环境温度由-12 ℃升高到2 ℃时，电功耗仅下降4%，而从2 ℃升高到12 ℃时，电功耗下降13.3%.

席新宇等[5]在R290直接替换R22的热泵型空调器的实验中显示在室外平均环境为6 ℃，室内环境温度为26 ℃，制热量在5.5 kW附近时，R290热泵的制热EER最低在2.2，平均为2.9，低于本实验环境温度7 ℃，室内20 ℃工况测得的EER值3.49，考虑到室外温度的差异，实验结果在合理范围之内. 在额定制热工况下的R410A和R32的EER在3.8附近[16]，略高于本实验测得的结果. 文献[17]中实验显示R290的EER高于R32，本实验出现EER偏低的情况，可能与机组压缩机容量匹配和系统的控制有关.

图9 制热时空调性能随环境温度变化Fig.9 Performance of AC at heating condition with different ambient temperatures

排气随环境温度变化如图10所示. 排气温度在环境温度-12 ℃～7 ℃基本呈现线性增加趋势，温度由39.90 ℃上升到62.75 ℃，当在7 ℃～12 ℃时，排气温度略有降低. 额定制热工况下R290的排气温度为62.75 ℃，接近于文献[10]同工况下的67.20 ℃，远低于R32同工况下的102.13 ℃.

图10 制热时排气温度随环境温度变化Fig.10 Discharge temperature at heating condition with different ambient temperatures

3.2 制冷测试

制冷空调性能随环境温度变化如图11所示. 环境温度从29 ℃变化到43 ℃时，压缩机功耗略有波动，但基本维持在1.5 kW附近；制冷量和能效比则随着环境温度的上升而下降. 制冷测试过程中，在环境温度为48 ℃时，电功耗和制冷量急剧下降. 这是因为48 ℃运行工况已经超过了国标规定的最大运行工作温度43 ℃，此时排气温度过高，高频率运行难以维持，由于频率与功耗呈正相关，频率回落，功耗降低. 环境温度从29 ℃到43 ℃时，制冷量从3.33 kW下降到2.96 kW，下降了11.1%. 对于功耗，大体呈现上升趋势，但29 ℃工况和35 ℃工况相近；功耗从1.473 kW升高到1.546 kW，仅增加了5%；对于能效比，除35 ℃工况和40 ℃工况基本一致外，大体呈线性下降，从2.26变化到1.91.

文献[16]中实验测得的以R410A为工质的空调系统额定制冷EER为2.6，R32则为2.52. 本实验所测的R290空调额定制冷EER为2.03，从测试结果来看，R290在额定制冷工况下的能效比与R410A和R32的差距高于额定制热工况下与R410A和R32的差距. 造成制冷工况下R290空调EER偏低的原因是出风温度过低,后续将详细说明.

图11 制冷时空调性能随环境温度变化Fig.11 Performance of AC at cooling condition with different ambient temperatures

排气随环境温度变化如图12所示. 整体上排气温度呈随环境温度的增加而增加，环境温度由29 ℃上升到48 ℃，排气温度由58.7 ℃上升到74.3 ℃，变化过程较为均匀. 当环温为48 ℃时，虽然压缩机频率回落，排气温度并无明显下降. 额定制冷工况下的排气温度为67.7 ℃，与文献[6]同工况的R290系统的排气温度65.7 ℃很接近，同时远低于R32系统同工况的97.3 ℃，这证明使用R290工质对于降低排气温度具有很大的作用.

图12 制冷时排气温度随环境温度变化Fig.12 Discharge temperature at cooling condition with different ambient temperatures

3.3 出风温度

除了性能参数、排气温度外，室内机的出风温度是空调重要参数之一，影响着人体舒适性和机组的经济性. 图13是制冷和制热时室内机的平均出风温度变化. 不管是制冷还是制热，外界环境温度越高，则出风温度越高. 制热工况下，出风温度范围为39.4～48.5 ℃. 文献[18]指出为满足空调的舒适性要求，减小垂直温差，出风温度应控制在39～41 ℃内. 而所测机组在室外温度为2 ℃以上时出风温度均高于推荐温度，不仅舒适性差，而且造成系统冷凝压力过高，效率低，具有较大的改进空间. 制冷工况下，出风温度范围为7.4～12.0 ℃，而通常空调制冷时的出风温度在15～25 ℃，过低的出风温度是以低蒸发温度为代价的，而较低蒸发温度会降低空调系统效率，这解释了测试中制冷效率低的原因. 从实验结果来看，通过优化风速与室内换热器的传热效果将有利于控制现有R290变频空调的出风温度在一个舒适经济的水平.

图13 室内机出风温度随环境温度变化Fig.13 Outlet air temperature of indoor unit with different ambient temperatures

4 结论

国内外对于R290变频家用空调器性能的实验系统研究比较少，本文对R290系统的循环特性进行了理论分析，并测试了某R290变频空调器在不同环境温度下系统的制热量(制冷量)、功耗和能效比的变化. 得出以下结论：

1) R290系统与R134a系统的在空调工况下COP十分接近，而R32则与R410A十分接近，R290在空调工况下始终保持较高的COP，而制热量随蒸发温度变化的衰减优于制冷量的衰减；

2) 制热工况下，R290变频家用空调器制热量在低环温时下降较快，电功耗在低环温下的变化较为缓慢，在环境温度从12 ℃变化到-12 ℃时，能效比从3.78较为均匀地变化到2.79；

3) 制冷工况下，环境温度从29 ℃到43 ℃时，R290变频家用空调器的制冷量从3.33 kW下降到2.96 kW，但制冷功耗在1.5 kW附近上下波动，能效比从2.26下降到1.91；

4) R290家用空调系统的排气温度远低于R32，但送风温度并不经济舒适，风温的控制仍有改善空间.