空气源热泵R22与R134a富余充注量利用的比较研究

程浩

中铁第四勘察设计院集团有限公司

空气源热泵R22与R134a富余充注量利用的比较研究

程浩

中铁第四勘察设计院集团有限公司

以R22和R134a两种制冷剂为研究对象，对二者在冬季制热工况下的富余充注量分别应用于空气源热泵热气旁通除霜、显热除霜、过冷放热除霜三种模式中的热量利用率、耗热率以及理论制热系数进行对比研究。结果表明：在控制制冷剂流量的空气源热泵空调系统正常制热运行时，富余制冷剂充注量应用于三种除霜模式都能有效地抑制室外换热器表面的结霜，其中制冷剂过冷放热除霜法最佳，定时除霜时，显热除霜所用时间最短；另外，在三种不同的除霜模式下，R22的热效率均高于R134a，定时除霜时，R134a的除霜时间均少于R22。

空气源热泵 富余制冷剂充注量 热效率 除霜时间

0 引言

空气源热泵是一种节能环保的绿色空调技术，其最大优点是可冬夏共用、安装方便、节省建筑面积。但其缺点是当空气源热泵的空气侧表面换热器的温度低于0℃时，换热器表面就有可能会结霜，导致热泵的制热量以及性能系数下降[1]。所以室外换热器结霜时，必须采取有效的除霜方式除掉换热器外面的霜层。逆循环除霜法目前从节能上考虑，已很少使用，而近年来热气旁通除霜法得到了较多的应用[2]。此外，梁彩华、张小松提出了一种新型的除霜方法——显热除霜，并对此方式进行了理论分析和对比试验研究[3～5]。王鸿雁提出了利用制冷剂过冷所放出的热量来解决冬季空气源热泵结霜的问题[6]。

文献[7]中以R22为制冷剂工质进行计算，计算得出在热泵空调系统运行过程中制热工况下空调系统的制冷剂充注量比制冷工况下所需的量要少，两者差值为0.316kg，所以需要对制热工况下富余出来的制冷剂量进行有效的控制。而冬季室外温度较低时需要进行定期除霜，因此可对富余的制冷剂流量进行有效的利用，将其应用于不同的除霜模式。本文对R22和R134a两种制冷剂进行研究，将其制热时富余的制冷剂流量应用于不同除霜模式中，通过比较二者的热效率和除霜时间，得出最佳除霜方式以及适用的制冷剂类型。

1 计算工况

实验表明，在不同的相对湿度下，空气的严重结霜区均为0～3℃，此温度范围内，相对湿度越大，结霜速度越快[8]。本文研究过程中，假设制冷剂蒸发温度与换热器冷表面温度近似相等，令风冷热泵在严重结霜区运行。设空气进蒸发器的温度为3℃，相对湿度为90%，出蒸发器的温度为0℃。

分别以R22与R134a为制冷剂进行研究，制热时的计算工况：冷凝温度tk=45℃；蒸发温度t0=-5℃；过冷温度tsc=40℃；过热温度tsh=0℃；压缩机排气温度为80℃。正常制热循环时制冷剂的质量流量为Ge= 0.05440kg/s，制冷循环时制冷剂的质量流量 Gl= 0.08905kg/s，所以控制的那部分富余的制冷剂流量为Gi=0.03465kg/s。图1是常规热泵空调系统示意图，图2是常规热泵空调系统循环图。

图1 常规热泵空调系统示意图

图2 常规热泵空调系统循环图

使用焓湿图查得标准大气压下进出口空气的状态参数为：hr=13.71kJ/kg干空气、dr=4.26g/kg干空气、hc=9.44kJ/kg干空气、dc=3.78g/kg干空气（hr、dr、hc、dc分别为蒸发器入口处空气的焓值、蒸发器入口处空气的含湿量、蒸发器出口处空气的焓值、蒸发器出口处空气的含湿量）。则对于R22，各状态点焓值h1、h2、h2’、h3、h4分别为409.443kJ/kg、451.480kJ/kg、417.263kJ/kg、249.678kJ/kg、249.678kJ/kg；对于R134a，各状态点焓值h1、h2、h2’、h3、h4分别为400.022kJ/kg、460.122kJ/kg、421.520kJ/kg、256.3832kJ/kg、256.3832kJ/kg。

2 富余制冷剂流量的利用

2.1 热气旁通法

制冷剂流量控制法应用于热气旁通除霜的原理是将从压缩机出来的一部分高温高压气体直接旁通到室外换热器中进行融霜，剩下的大部分制冷剂进行正常的制热循环。旁通的制冷剂流量为Gi，正常制热循环的制冷剂流量为Ge。图3是热气旁通除霜系统示意图，图4是热气旁通除霜系统循环图。

图3 热气旁通除霜系统示意图

图4 热气旁通除霜系统循环图

1-1’-2-3-4-1是正常的制热过程，正常制热循环的制冷剂流量为Ge；1’-2-2’-1’是热气旁通除霜过程，旁通的制冷剂流量为Gi。

蒸发器中的蒸发热量：

式中：q0p为制冷剂单位质量的蒸发吸热量。

蒸发器所对应的风量：

蒸发器结霜量：

融霜所需的热量：

式中：Cpf为霜层的平均比热，2.1kJ/(kg·K)；tf为霜层的平均温度，-5℃；rf为霜的融化热，335kJ/kg。

将相关数值代入式（1）～（4）得：采用R22融霜所需的热量qmp=0.338kW，采用R134a融霜所需的热量qmp=0.303kW。

热气旁通放热量：

计算得：对于R22，qfp=1.186kW；对于R134a，qfp=1.338kW。通过比较得：qfp＞qmp，这说明热气旁通量足以融化蒸发器表面上的霜，能够有效地抑制结霜。

旁通热量利用率：

计算得：对于R22，ηp=28.50%；对于R134a，ηp= 22.68%。

房间供热量：

式中：qkp为制冷剂单位质量的冷凝放热量。计算得：对于R22，QKp=10.978kW；对于R134a，QKp=8.572kW。

除霜耗热率：

计算得：对于R22，η'p=9.75%；对于R134a，η'p= 13.50%。

1’的焓值：

计算得：对于R22，h1'=412.486kJ/kg；对于R134a，h1'=408.387 kJ/kg。

压缩机功率：

计算得：对于R22，WCp=3.470kW；对于R134a，WCp=4.188kW。

理论制热系数：

计算得：对于R22，εthp=3.163；对于R134a，εthp= 2.047。

2.2 显热除霜法

显热除霜的工作原理是将从压缩机出来的高温高压制冷剂过热蒸汽经过电子膨胀阀变成低温低压的制冷剂过热蒸汽送入蒸发器的结霜部分进行除霜。图5是显热除霜系统示意图，图6是显热除霜系统循环图。

图5 显热除霜系统示意图

图6 显热除霜系统循环图

1-1’’-2-3-4-1为正常制热循环过程，1’’-2-2’’-3’’-1’’为显热除霜循环过程。2-2’’过程中，R22的压力降为0.4MPa，R134a的压力降为0.2MPa，比正常制热时蒸发器内的压力略低，可避免制冷剂放出潜热冷凝的现象；2’’-3’’的过程中R22所对应的饱和温度为-6.51℃，R134a所对应的饱和温度为-7.64℃，比霜层的温度-5℃要低，所以R22与R134a放热后所能达到的最低温度就是-5℃，即制冷剂在蒸发器中不会放出冷凝热。显热除霜方式中，由于除霜时的压力比蒸发压力略低，所以混合后气体状态点1’’比状态点1的压力和温度都要低一些，导致压缩机吸气压力和温度会有所降低。通过压焓图计算得：R22：h2''=451.480kJ/kg，h3'' =406.449kJ/kg；R134a：h2'' =460.122kJ/kg，h3'' = 396.9442kJ/kg

根据压焓图可知，在相同的计算工况下显热除霜和热气旁通除霜的制热量相同，蒸发量相同，所以二者所需的融霜热量也相同。R22：Qkx=Qkp=10.978kW，qmx= qmp=0.338 kW；R134a：Qkx=Qkp=8.572kW，qmx=qmp=0.303 kW。

显热除霜的放热量：

计算得：对于R22，qfx=1.560kW；对于R134a，qfx= 2.189kW。

通过比较得：qfx＞qmx。这说明制冷剂的显热放热量足以融化蒸发器表面的霜，能够有效地抑制结霜。

显热放热量利用率：

计算得：对于R22，ηx=21.66%；对于R134a，ηx= 13.84%。

除霜耗热率：

计算得：对于R22，η'x=12.44%；对于R134a，η'x= 20.34%。

1’’的焓值：

计算得：对于R22，h1''=408.278kJ/kg；对于R134a，h1''=398.824kJ/kg。

压缩机功率：

计算得：对于R22，WCx=3.845kW；对于R134a，WCx=5.459kW。

理论制热系数：

计算得：对于R22，εthx=2.855；对于R134a，εthx= 1.570。

2.3 制冷剂过冷放热除霜法

制冷剂过冷除霜的原理是将从冷凝器中出来的制冷剂过冷液体直接送入蒸发器放热融霜。令制冷剂在蒸发器中除霜时过冷到28℃。图7是制冷剂过冷放热除霜系统示意图，图8是制冷剂过冷放热除霜循环图。

图7 制冷剂过冷放热除霜系统示意图

图8 制冷剂过冷放热除霜循环图

正常的制热循环为1-2-3-4-1，增加了制冷剂过冷放热除霜的循环为1-2-3-5-6-1。通过压焓图计算得：h5=h6=233.702kJ/kg。h5=h6=238.840kJ/kg。

将相关数值代入得：对于R22，qmg=0.371kW；对于R134a，qmg=0.341 kW。

制冷剂过冷放热量：

计算得：对于R22，qfg=0.869kW；对于R134a，qfg= 0.954kW。

通过比较得：qfg＞qmg。这说明只需要在正常的制热循环中增加一段制冷剂过冷放热除霜循环，即可有效地融化蒸发器表面的霜。那么制热时这部分富余的制冷剂流量即可用来作为液态制冷剂喷射冷却压缩机，降低压缩机的排气温度和焓值，使压缩机在低温制热的工况下稳定高效的安全运行。

本文将制冷剂喷射过程当做压缩机在两级压缩过程中喷射制冷剂处理。喷射的制冷剂液体与压缩机中的制冷剂过热蒸汽混合的过程可当做等压混合。所以制冷剂的喷射可当做是一个绝热节流+等压混合的过程[9]。

令喷液率为10%，吸气质量流量Ge=0.0544kg/s，喷液率=喷液质量流量/吸气质量流量=Gy/Ge则喷液质量流量Gy=0.00544kg/s。

图8中，3-4’-1’-6’-3构成了一个喷射制冷剂液体冷却压缩机的循环。令喷射压力为蒸发压力和冷凝压力的中间值，所以，对于R22，状态点4’和5’的焓值分别为：h4'=249.678kJ/kg，h5'=430.462kJ/kg；对于R134a，状态点4’和5’的焓值分别为：h4'=256.383kJ/kg，h5'= 430.071kJ/kg。

1’的焓值：

计算得：对于R22，h1'=414.025kJ/kg；对于R134a，h1'=414.281kJ/kg。

由于1’-6’是等熵压缩的过程，所以，对于R22，6’的焓值h6'=439.112kJ/kg；对于R134a，h6'=444.336kJ/kg。

制热量：

计算得：对于R22，Qkg=11.336kW；对于R134a，Qkg=11.247kW。

压缩机功率：

计算得：对于R22，Wcg=2.644kW；对于R134a，Wcg=3.433kW。

除霜热量利用率：

计算得：对于R22，ηg=42.69%；对于R134a，ηg= 35.75%。

除霜耗热率：

计算得：对于R22，η'g=7.12%；对于R134a，η'g= 7.82%。

理论制热系数：

计算得：对于R22，εthg=4.287；对于R134a，εthg= 3.276。

2.4 不同制冷剂及除霜模式的比较

不同制冷剂及除霜模式的比较见表1。

表1 不同制冷剂及除霜模式的比较

3 除霜时间

若想降低正常制热循环时的压缩机功耗，制热循环时可停止除霜循环，将富余的制冷剂放在储液器中。当机组在结霜工况下运行一定时间后，可打开电动调节阀和电磁阀，在制热循环正常运行的情况下，用富余的制冷剂流量进行定时除霜，可很大程度上缩短除霜时间。

除霜时间：

式中：t为除霜周期，30min；qm为单位时间内的融霜需热量；qf为单位时间内融霜放热量。

将三种除霜模式的相关数值代入计算得：对于R22，热气旁通除霜所需时间τp为8.55min，显热除霜所用时间 τx=6.50min，制冷剂过冷放热除霜 τg= 12.81min；对于R134a，热气旁通除霜所需时间τp= 6.79min，显热除霜所用时间τx=4.15min，制冷剂过冷放热除霜τg=10.72min。

由此可看出：在除霜周期相同的情况下，显热除霜所需时间最短，制冷剂过冷放热除霜时间所需最长，R22与R134a相比较，R134a所需除霜时间较少。

4 结论

为有效利用空气源热泵制热工况下富余的制冷剂充注量，本文以R22与R134a两种制冷剂为研究对象，将制热工况下富余制冷剂充注量应用于热气旁通除霜、显热除霜、制冷剂过冷放热除霜三种除霜模式中，并对三种不同除霜模式进行分析。计算表明：对R22和R134a而言，三种除霜方式都能有效地抑制室外换热器表面的结霜，其中制冷剂过冷放热除霜方式最佳；而定时除霜时，显热除霜所用的除霜时间最少。对于同一种除霜模式而言，在除霜热量利用率、制冷剂除霜耗热率、制热系数方面，R22比R134a的热效率高。

将制热时的富余制冷剂流量应用于除霜循环，既可以对富余的制冷剂流量加以利用不浪费，又能够使热泵机组在结霜工况下一边正常制热一边抑制霜层的生成。在定时除霜时，能够正常制热，不消耗室内的热量，造成室内温度剧烈波动，给人以不舒适感。通过对比两种不同制冷剂除霜循环时的热效率，说明选择一种合理的制冷剂，能够使富余制冷剂流量控制法得到更加合理的应用。

[1]D L O’Neal,D R Tree.A review of frost formation in simple geometries[J].ASHRAE Transactions,1985,91(2A):267-281

[2]付少锋.空气源热泵结霜与除霜的研究现状[J].浙江建筑,2010, 27(10):61-63

[3]梁彩华,张小松,巢龙兆,等.显热除霜方式与逆向除霜方式的对比试验研究[J].制冷学报,2005,26(4):20-24

[4]梁彩华,张小松,徐国英.显热除霜方式的能量分析和试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2006,36(1):81-85

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Com pa ra tive Study on the Utiliza tion of Surplus Re frige ra nt Cha rge R22&R134a of Air Sourc e He a t Pum p unde r He a ting Conditions

CHENG Hao
China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.

Taking the two refrigerants R22 and R134a as research objects,a study has been performed to compare the heat utilization ratio,heat consumption rate and theoretical COP which applied surplus refrigerant charge of the two respectively in air source heat pump to realize the three defrosting modes of hot-gas bypass defrosting,sensible heat defrosting and heat generated from refrigerant subcooling under heating conditions.The results show that frosting can be restrained on outdoor heat exchanger surface effectively by applying surplus refrigerant charge in the three defrosting mode when the air source heat pump system with refrigerant flux control runs heating normally,wherein the subcooling defrosting method is optimal.When defrosting at predetermined time,the sensible heat defrosting takes the minimum time.In addition,under the three different defrosting modes,the thermal efficiencies of R22 are higher than R134a,while the defrosting time of R134a are less than R22 when defrosting at predetermined time.

air source heat pump,surplus refrigerant charge,thermal efficiency,defrosting time

1003-0344（2015）03-044-5

2014-3-25

程浩（1986～），男，硕士，助工；武汉市武昌区杨园和平大道745号铁四院后门城地院暖通所（430063）；E-mail:hvac915@163.com