新型制冷剂房间空调器高温特性实验研究

(1 中山大学工学院 广州 510725； 2 广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311)

自1987年《蒙特利尔议定书》签订以来，经过近30年的发展，制冷剂的替代工作已在全球范围内展开，对臭氧层具有破坏性的制冷剂已在全球范围内逐步削减或淘汰，高GWP(全球变暖潜值)的制冷剂在部分地区已开始限制使用。制冷行业对于制冷剂环保特性的要求逐渐转化为相关的政策法规和市场需求，2016年4月签署的《巴黎协定》及10月通过的《基加利修正案》将进一步加速制冷剂的替代工作。

目前，家用空调制冷剂的替代技术路线主要包括以下两种：1)以R29等为代表的天然工质；2)以日本空调企业用来替代R410A的R32为代表的HFC类物质。碳氢工质在环保特性上具有极大的优势，以R290为例，GWP仅为3，且热力学性能优于R22，但可燃性成为其应用的最大阻力。R32的热力学特性优于R410A，GWP=670，优于R410A，但仍然偏高，且具有弱可燃性。公开发表的文献中涉及制冷剂替代的内容，多为分析4种制冷剂的汽化潜热、饱和态导热系数、饱和态黏度系数等热力学参数及某设定工况下的理论制冷循环，由结论可知，R290的理论能效仅次于R22，但优于R32与R410A[1-2]。但是，目前发现的在同一制冷系统配置下进行实测对比分析的资料，或基于R22制冷系统，或基于R410A制冷系统，多是两两对比，如R22与R290，或R32与R410A，未发现4种制冷剂基于同一制冷系统的实测分析对比资料[3-5]。就目前家用空调而言，R22与R410A的制冷系统在换热器的大小与流路上均存在较大差异，这些差异会直接影响制冷剂的对比分析结果。K. A. Joudi等[6]研究表明在高温工况下，R290是R22的最佳替代制冷剂。

本文基于家用房间空调系统，主要针对R290、R32、R22、R410A，采用相同的蒸发器与冷凝器，研究这4种制冷剂在室外环境温度从常规测试工况到高温测试工况的具体表现。

1 实验设置

选取定速分体机作为对象，机型配置见表1(该配置基于R32空调系统，R32制冷剂的系统配置即为产品配置，另外3种制冷剂的系统配置除制冷剂、压缩机与节流部件不同，其余均相同。冷凝器直径为5 mm，长度为28.4 m;蒸发器直径为7 mm,长度为19.59 m)。压缩机能效的测试工况为：冷凝温度=46 ℃，过冷液温度=41 ℃，蒸发温度=10 ℃，吸气温度=18 ℃，环境温度=35 ℃，机型额定制冷量=3.6 kW。采用相同的蒸发器和冷凝器(该换热器配置及流路基于R32特性设计，如图1和图2所示)，针对4种制冷剂分别采用不同的压缩机、毛细管及充注量。为了准确研究所有制冷剂均在工况Ⅰ(测试工况见表2，其中52 ℃的室外温度取自国家标准[7]中空调工作的最高环境温度，并在此基础上设定更严苛的55 ℃)下确定最佳充注量，不考虑因可燃性导致的充注量受限的问题。重点研究4种制冷剂在高温环境下的性能衰减特性。

表1 机型配置

注：该数据为压缩机总能效，来源于厂家提供的正式规格书。

表2 实验测试工况

图1 蒸发器的配管Fig.1 The evaporator circuits

图2 冷凝器的配管Fig.2 The condenser circuits

2 理论分析

2.1 基本热力学特性

制冷剂的基本热力学特性如表3所示，标准沸点与临界温度，R290与R22较接近，而R32与R410A较接近。同时，根据临界温度与临界压力，可以预见在实际使用时，R32的制冷系统压力高于其它3种制冷剂，而R290的系统压力在4种制冷剂中最低。

2.2 理论制冷循环对比

根据制冷系统的测试工况，分别设定室外环境温度在35～55 ℃下的制冷系统温度(表4)，对4种制冷剂进行热力学计算，作为实验的理论依据。根据表4设定的理论工况，理论制冷循环的各项参数见表5。

表3 制冷剂的基本热力学特性

表4 理论设定工况

理论分析中涉及的压力、温度、焓值、导热系数、黏度系数等均查自美国国家标准局热物性参数数据。

制冷剂饱和状态导热系数如图3所示。由图3可知，在空调制冷运行的范围内，R290、R32、R410A在饱和态的导热系数均高于R22。因此，在温差和换热器面积相同的情况，R22换热器的换热量要小于另外3种制冷剂；在空调制冷运行的蒸发温度0～20 ℃范围内，4种制冷剂的饱和气体导热系数随温度变化的曲线斜率近似，但随温度上升，R22和R290饱和液体导热系数衰减小于R32及R410A的导热系数衰减，因此在高温工况下R290与R22的蒸发器换热量的衰减率小于R32与R410A的。

表5 理论制冷循环参数对比

图3 制冷剂饱和状态导热系数Fig.3 Thermal conductivity of saturated refrigerants

在实际制冷循环中，制冷剂流体内部及流体与铜管内壁之间存在摩擦损失，同时，制冷剂会在铜管内壁形成附着层，影响换热效果。黏度系数小的制冷剂，摩擦损失与附着层的厚度要小。制冷剂饱和状态黏度系数如图4所示。由图4可知，R290的黏度系数小于另外3种制冷剂，因此其流动产生的阻力损失更小，对制冷能力与制冷功率的影响更小，换热效果优于另外3种制冷剂[8]。表6所示为理论与实测衰减率参数对比，表7所示为制冷能力实测数据。

图4 制冷剂饱和状态黏度系数Fig.4 Viscosity coefficient of saturated refrigerants

表6 理论与实测衰减率参数对比

表7 实测数据

3 实验结果

3.1 能力的衰减

随着室外环境温度的升高，空调制冷能力的衰减将直接影响用户的使用体验。图5所示为4种制冷剂随工况变化的能力衰减情况。

图5 制冷能力衰减率Fig.5 Decrement of cooling capacity

由图5可知，以室外温度35 ℃下各自的制冷能力为基准，在室外温度55 ℃时，R290与R22的能力衰减率基本相当，分别为74.52%与74.00%，但明显优于R32(71.51%)与R410A(72.43%)。同时，由图8～图11可知，在实际的空调系统中，4种制冷剂的能力衰减均要差于理论制冷循环的能力衰减。

3.2 能效的衰减

室外环境的升高同时会导致制冷能效的衰减。由图6可知，R290(54.73%)在高温下的能效衰减率略低于R22(56.17%)，与R410A(54.37%)相当，R32(50.14%)在高温下的表现则差于另外3种制冷剂。同时，由图7～图10可知，在实际的空调系统中，4种制冷剂的能效衰减均与理论制冷循环的能效衰减相当。

图6 制冷能效衰减率Fig.6 Decrement of EER

图11所示为4种制冷剂的能力能效分布图(分别以R22在4种工况下的能力能效为基准)，可知R290在各个工况下的表现均优于另外3种制冷剂。

以上结果均在标准高精度焓差实验室测得，实验室的整机制冷量测试精度≤±2%，重复性≤±1%。

图7 R22理论与实测衰减率对比Fig.7 Contrast of theoretical value and test data of R22

图8 R290理论与实测衰减率对比Fig.8 Contrast of theoretical value and test data of R290

图9 R32理论与实测衰减率对比Fig.9 Contrast of theoretical value and test data of R32

3.3 压力与排气温度

图10 R410A理论与实测衰减率对比Fig.10 Contrast of theoretical value and test data of R410A

图11 能力、能效对比分布Fig.11 Distribution of cooling capacity and EER

室外环境温度的升高同时导致制冷系统压力和排气温度的升高。对于长期运行在高温环境下的空调，过高的系统压力和排气温度将直接影响空调尤其是压缩机的使用寿命，并会产生潜在的可靠性风险和安全隐患。在理论制冷循环中，无论是高压还是排气温度，R32均高于另外3种制冷剂，R290最低，R32与R290的这个特点在实际测试中得到了验证。

对于定转速系统，高温工况会引起压缩机保护器动作而导致空调停机。压缩机保护器一般通过压缩机电机的电流与绕组温度触发动作。表8所示为电机电流在10 A时各压缩机保护器的动作温度。

表8 压缩机保护器动作触发条件

由表8可知，当运行电流相同(10 A)时，R290压缩机保护器的动作温度与R32几乎相同，但R32系统的排气温度远高于R290。由图12可知，当室外环境温度为55 ℃时，R290的系统压力与排气温度均最低，R32的这两项指标均高于其它3种制冷剂，系统高压为R290的1.78倍，高达4.5 MPa，排气温度比R290高21.4 ℃，因此，对于定转速系统，运行所能达到的极限温度，R32最低，R290最高。对于变频空调，R32系统可能会在更低的环境下保护，这将直接影响系统在高温下的衰减率。

图12 高温下(55 ℃)的系统压力和排气温度Fig.12 Pressure and discharge temperature at 55 ℃

4 结论

本文以定速分体式空调器为基础，采用相同的换热器，对比R22、R290、R32、R410A 4种制冷剂从常规工况到高温工况的表现，得到如下结论：

1)综合各个工况下的表现，R22在高温下的衰减性能最优。

2)R290在各个工况下的表现均优于另外3种制冷剂。

3)R290的能力衰减率与R22相当，比R32高2.49%。

4)R290与R22在高温工况下的衰减率基本相当，且系统运行压力略低，排气温度要低约15 ℃。

5)R32在高温工况下的表现不理想，能力与能效衰减率在4种制冷剂中最低，排气温度与系统压力则最高，所能达到的极限温度最低，在高温下使用时可能存在潜在的可靠性风险及安全隐患，不适用于高温地区的空调。

本文由佛山市海内外重点招标(2013AH100023)项目资助。(The project was supported by the Foshan Major Biding Research Program for Domestic and Abroad (No.2013AH10-0023).)

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