R290房间空调器运行特性实验研究

高　峥　李红旗　刘忠民（.北京工业大学　北京　004；.广东科龙空调器有限公司　佛山　58303）



R290房间空调器运行特性实验研究

高峥1李红旗1刘忠民2
（1.北京工业大学北京100124；2.广东科龙空调器有限公司佛山528303）

【摘要】为探究R290家用房间空调器的性能特点，分别制作了采用定频压缩机与变频压缩机的空调器样机数台，在分别灌注R290及R22制冷剂后进行运行特性对比分析。在焓差室内进行多组不同毛细管规格及制冷剂灌注量试验，选择最佳性能结果进行分析，结果表明：R290空调器样机在制冷性能表现方面与R22相近。但定频样机在制热运行时制热量明显不足，仅为R22的90.8%，更换大管径换热器后制热量稍有提升，为R22的93.2%。采用变频压缩机及提升灌注量后制热量有明显提升，为R22的98.9%。指出R290样机制热量不足的主要原因之一为较低的制冷剂质量流量，变频技术、补气增焓技术可有效改善R290空调器制热量不足的问题。

【关键词】R290；房间空调器；制冷性能；制热性能；制热量

0　引言

R22作为目前应用量最大、应用范围最广的制冷剂，其替代进程已经进入了实质阶段。天然工质R290具有GWP为0、ODP极低、热物理性质与R22接近等特点，被确定为R22最佳替代物之一[1]。

家用房间空调器在制冷空调行业占有着一定的比重，替换现行R22制冷剂势在必行，R290应用在房间空调器中是可行的[2-4]，但应针对空调器运行特性做出相应改进措施。

王倩[5]通过实验证明，对使用R22的家用空调器仅需更换毛细管而不改动其他结构，使用R290就能达到良好的效果。肖友元[6]等通过R290家用空调器样机的设计，证明了将R290作为R22的替代品应用于家用空调的可行性。肖洪海[7]等对R290用于家用空调中的特性进行实验，结果表明在合理匹配的情况下，R290最佳充灌量为原机R22充灌量的50%左右，其冷量能够达到R22机型的97.2%，能效比最高提高12.6%，如果合理配置回热器和系统工况，R290系统采用回热循环后可以提高系统的性能。

李廷勋[8]进行了R290灌注式替代R22空调器整机性能研究，指出系统充灌R290后制冷能力持平（99%），而性能系数提高了10%～15%。涂中强[9]在进行R290与R22的制冷性能比较分析实验后指出了同样的结论。刘振[10]进行了R290空调器制热特性研究，指出由于充注量受到限制，提升R290家用空调的制热量需要从系统配置着手，根据R290的特性，对系统，尤其是换热器进行调整。

本文主要根据R290空调器样机性能参数，并结合理论计算结果进行特性分析，研究提升制热量的方法。

1　定频空调器性能对比分析

为更加准确的分析R290制冷剂空调器的性能表现，有针对性的提出R290空调器制热性能提升技术途径，了解R290制冷剂的自身特性，首先制作两台一匹定速R290实验样机，在名义工况下（制冷：室内27/19，室外5/24；制热：室内20/15，室外7/6）测试R290空调器性能，所得数据均是在通过多组变化毛细管和冷媒量后得到的最优结果，并根据所测运行工况进行了理论计算。对同型号R290与R22空调器的性能参数，如蒸发压力、冷凝压力、压力比、压缩机排气温度、制冷量、性能系数、单位质量制冷量、单位质量制热量、制冷剂质量流量等进行了对比分析。

1.1定频样机规格参数

空调器样机采用定频旋转式压缩机，排气量为18.1cm3/rev，额定转速48rev/s，输入功率695W，制冷能力2990W。室外热交换器尺寸为574mm ×266mm，采用Φ5铜管。室内热交换器尺寸为718mm×456mm，同样采用Φ5铜管。同时制作了另一台大管径换热器样机，铜管管径为7mm。

1.2 R290样机运行压力分析

在标准工况下对样机进行了运行测试，在焓差室内进行多组不同毛细管规格及制冷剂灌注量试验，选择最佳性能结果进行分析[11-13]。

表1　空调样机制冷工况运行压力Table 1 Operation pressures of the Air-conditioner under cooling conditions

表2　空调样机制热工况运行压力Table 2 Operation pressures of the Air-conditioner under heating conditions

通过对比结果可知，在制冷工况运行时，R290样机的排气压力要低于R22，其他运行压力略高于R22，但并不足以给系统耐压部件带来任何影响。在制热工况运行时，R290样机的所有运行压力均低于R22。较低的运行压力可以减少对系统耐压部件的考验，有利于系统平稳运行。因此可以看出，样机的耐压设计已达到使用要求，无需改进设计。

从表1中可以看出，在制冷工况运行时，R290的压力比低于R22。压力比的降低可以减少压缩机的摩擦功耗，提高压缩机工作效率，同时提高输气系数。从R290的热物性来看，压比的降低主要是由于其饱和蒸汽压力曲线在房间空调器的蒸发段与R22接近，在冷凝段略低于R22。从表2中数据可知，在制热运行时，R290压力比要高于R22，此时较高的压力有利于制热量的提升。

1.3样机制冷运行对比分析

为了更加准确的分析样机运行特性，根据所测得的运行工况数据进行理论计算，结合实测数据与理论计算结果进行对比分析。在进行样机试验时，测定了压缩机吸排气口的压力值，根据经验，蒸发压力比吸气压力高约0.01MPa，冷凝压力比排气压力低约0.01MPa。根据测试数据结合制冷剂热物性软件确定不同制冷剂状态点参数，完成理论计算。得到单位质量制冷/制热量、质量流量、单位容积制冷/制热量、EER等相关参数。理论计算工况如表3所示。

表3　制冷运行理论计算工况Table 3 Working conditions of refrigeration of the theoretical calculation

表4　 R290与R22空调器制冷性能参数Table 4 Refrigerating parameters of the Air-conditioner

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1.3.1排气温度

R290的排气温度比R22有大幅降低，在小管径换热器样机中较R22低28.2，在大管径换热器样机中较R22低27.4。较低的排气温度可以降低气体与压缩机气缸之间的热交换，使得压缩过程更加接近等熵过程，从而提高压缩机的工作效率；同时有利于减少不凝性气体的产生；并且排气温度的降低能够为压缩机提供更加有利的工作环境，延长压缩机使用寿命。R290的排气温度比R22低的原因之一为两者比热容不同。在相同温度下，R290的饱和液体比热容与饱和气体比热容都比R22大，使得在相同的蒸发器负荷下，R290系统的排气温度较低。

1.3.2制冷能力

由表4可以看出，不论是在采用大管径室外换热器或小管径室外换热器时，R290系统与R22系统相比，实际制冷量均十分接近，并且EER要明显优于R22系统，提升0.6左右。对于R290系统，大管径换热器的采用仅使得制冷量有很少量的提升，但灌注量却增加85g，使得系统总灌注量超过安全标准，并无实际意义。从理论计算结果可知，R290的单位质量制冷量要远大于R22，约为R22 的1.7倍。但R290制冷剂质量流量较小，仅为R22 的56%。在这两者的综合作用下，R290系统的制冷量并未出现大幅下降。R290良好的热物性表现同样有助于提升制冷量，其汽化潜热较大，约为R22的一倍左右，且R290的导热系数大、粘滞系数小，可以获得更高的换热器换热效率。

R290系统制冷剂质量流量小的原因主要是由于其吸气比体积远大于R22。在定频压缩机系统中，吸气容积不变，R290质量流量必然较低。样机制冷运行时，R290吸气比体积为R22的2倍，由于R22系统的压比较R290大，因此R22系统的实际吸气容积较R290小。在这两者的综合作用下，使得R22系统质量流量约为R290的1.7倍。

单独考虑制冷工况下R290样机的性能，已经达到和R22原型机相同的效果，且相比之下，EER有所提高。无需再做任何方面的系统改进。

1.4样机制热运行对比分析

进行制热运行分析时，同样采用实测数据与理论数据结合的分析方式，理论计算工况如表5所示。

表5　制热运行理论计算工况Table 5 Working conditions of heating of the theoretical calculation

表6　 R290与R22空调器制热性能参数Table 6 Heating parameters of the Air-conditioner

图1　制冷剂质量流量对比Fig.1 Comparison of refrigerant mass flow

由表6可知，相比R22系统，R290样机的制热量出现了明显下降。在小管径换热器时，R290样机的实际制热量为2786W，为R22原型机的90.8%，在增大换热器后实际制热量为2875，为R22样机的93.8%，出现了小幅度的提升，但相比R22系统，仍然存在较大差距。

理论计算结果显示，在制热运行时，R290样机的单位质量制热量是R22原型机的1.8倍，但R290的质量流量为R22的48%，制冷剂质量流量的大幅度降低无法由较高的单位质量制热量所补偿，因此造成了一定程度的制热量下降。

2　变频空调器运行分析

采用变频技术的空调器，可以凭借压缩机变频运行，为系统提供适当的制冷剂质量流量。通过对定频样机的运行分析可知，R290制冷剂质量流量较低是其制热量不足的主要原因之一，因此采用变频压缩机可以有效改善制热量不足的问题。变频样机制冷运行性能仍保持较高水平，不再进行进一步分析。由于系统设计原因，变频样机同时加大了制冷剂灌注量。

2.1变频样机规格参数

空调器样机采用直流变频压缩机，排气量为13.8cm3/rev，输入功率1280W，制冷能力4080W，转速变化范围为1600-7800rev/min。室外热交换器尺寸为641×294，翅片宽度13.6mm，采用Φ7铜管。室内热交换器尺寸为718×462，翅片宽度18.19mm，采用Φ7铜管。相比定频样机，换热器尺寸有所加大。

2.2变频样机制热运行分析

同样在标准工况下对变频样机进行了运行测试，选择最佳性能结果进行分析。

表7　 R290与R22变频空调器制热性能参数Table7 Heatingparameters of the inverterAir-conditioner

从表7中可以看出，在名义制热工况下，R290的制热量为R22的98.9%，在中间制热工况下，R290的制热量为R22的99.2%，与R22系统相差无几。对比压缩机运转频率，可以看到，为达到与R22系统相近的制热量，R290系统压缩机运转频率要高于R22。较高的运转频率可以有效提升制冷剂质量流量，验证了变频技术在提升空调器制热能力方面的作用。在能效表现方面，名义制热工况时，R290系统与R22系统一致，中间制热工况时，R290系统略低，总的来说R290系统能效表现与R22无异。

相比于定频空调，变频空调器制热量有了显著的提升。但是变频样机采用了较大的换热器管径，导致制冷剂灌注量有较明显的增加，R290的充注量达到了470g。根据国家标准中的限定灌注量还有一定的差距，在后续的样机设计中应考虑采用微通道换热器等技术，在保证制热量的基础上进一步降低制冷剂灌注量[14-16]。

3　结论

R290空调器在制冷性能方面表现优异，与R22样机在制冷能力上表现一致，EER实现大幅度提升。

R290定频空调器的制热能力有所降低，主要原因之一为较小的制冷剂质量流量。在采用变频压缩机及加大制冷剂灌注量等措施后，制热量有明显提升，与R22系统相差无几。

采用补气增焓技术可以进一步提升空调器制热能力。在保证制热量的前提下，为进一步降R290灌注量，可以考虑采用微通道换热器等技术途径。

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Experimental Study on Operation Characteristics of R290 Room Air-conditioner

Gao Zheng1Li Hongqi1Liu Zhongmin2
( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hisense Kelon(Guangdong) Air Conditioner Co., Ltd, Foshan, 528303 )

【Abstract】Several samples have been made for inquiring the operation characteristics of domestic R290 room air-conditioner. It used different kinds of compressors. One is invariable frequency compressor; the other is variable frequency compressor. The air-conditioner samples were tested in enthalpy different laboratory with different capillary tube lengths and perfusion amounts. The best working character results was analyzed. The results show that the cooling performance of R290 is closed to R22. But the heating performance of the sample which is used invariable frequency compressor is obviously insufficient. It is only 90.8% of R22. After changing bigger heat exchanger, the heating performance increased 2.4%. The heating performance of the sample with variable frequency compressor and bigger refrigerant perfusion is good. It is 98.9% of R22. It is found that one of the reasons of deficiency heating capacity of R290 is low refrigerant mass flow. The technology of frequency conversion and refrigerant injection could obviously improve this problem.

【Keywords】R290;Air-conditioner; cooling performance; heating performance; heating capacity

中图分类号TB61

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-090-05

基金项目：环保部开展丙烷房间空调器制热性能提升研究技术支持活动项目专项经费资助（编号：C/III/S/13/459）

作者简介：高峥（1990.01-），男，在读硕士研究生，E-mail：fsgaozheng@126.com

通讯作者：李红旗（1963.06-），男，教授，E-mail：hongqili@sina.com

收稿日期：2015-03-12