R134a和R407c对热泵空调系统性能的影响
2018-05-29陈言桂
陈言桂，施 灵，方 璋
(集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门 361021)
0 引言
近年来随着技术和经济的发展，小型热泵空调已经成为家用、商用、汽车空调的主流设备，因其具有冬季高制热效率、夏季高制冷效率的特点，而受到欢迎。但是在冬季环境温度低于-10 ℃下，热泵空调制热效率低，甚至无法正常运行。目前国内对低温热泵的研究成果主要有：带经济器的低温空气源热泵技术，其可在-15～-20 ℃超低温环境中运行，且能效比在2.0左右[1]；在纯电动汽车上搭建混气型热泵空调系统，其可在-20 ℃的超低温工况下运行,能效比在1.5左右[2]；文献[3]在传统制冷循环系统上，研究了液体喷射技术、闪发蒸汽喷射技术等，能让热泵在室外温度-20 ℃以上运行[3]。但是目前这些技术只是在R22的基础上进行的改进，由于R22制冷剂不环保，目前已经禁止使用。故本文将从制冷系统循环所采用的制冷剂入手，选取R134a和R407c两种环保制冷剂，进行不同工况下的制冷量、制热量、压缩机输入功率和压缩机排气温度的试验测试，根据试验结果进行比较，探讨它们适合的工况及相关的影响因数，为同类空调系统，如电动汽车空调、空调热水器等提供参考。
1 试验模型
试验选取一台热泵空调为研究对象，压缩机型号为SZ084S4VC，排气量19.9 m3/h；排气容积114.5 cm3/r；转速2 900 r/min；电压为380～400 V；频率50 Hz，三相。系统测试原理图如图1所示。
根据图1搭建系统试验台，并在空调焓差实验室中进行系统性能测试。焓差实验室分为室1和室2，其中室1环境干球温度控制范围为10～50 ℃，室2环境干球温度控制范围为-15～55 ℃，控制精度为±0.5 ℃。
2 试验方案与试验数据处理
2.1 试验方案
根据测试平台，对该热泵空调分别充注R134a和R407c两种不同制冷剂，分别测试其蒸发温度从-25～15℃，冷凝温度从30～70℃的制冷量、制热量、压缩机输入功率和压缩机排气温度。试验台压缩机和冷凝器的主体部分放置在测试室1内，蒸发器与相应配套设备放置于测试室2内。
试验测试方法参考文献[4-7]，试验测试工况方案见表1。
表1 试验工况测试方案
2.2 试验数据处理
根据空气焓差法测量制冷能力原理，待工况稳定后，测试蒸发器或冷凝器的进、出口气流中的干、湿球温度以及出风口侧风量。
根据Q=L(I1-I2)/(υ(1+X))计算制冷量或制热量。式中：Q为蒸发器或冷凝器的制冷量或制热量，kW；I1为蒸发器或冷凝器回风空气焓值，kJ/kg(干)；I2为蒸发器或冷凝器送风空气焓值，kJ/kg(干)；L为蒸发器或冷凝器测点的风量，m3/s；υ为测点处湿空气比容，m3/kg；X为测点处空气绝对湿度，kg/kg(干)。
试验测试中的压缩机排气温度和压缩机输入功率可从测试平台的温度传感器和功率表获得。
3 试验结果分析
3.1 排气温度
R134a和R407c试验工况下的压缩机排气温度均随着蒸发温度的降低、冷凝温度的升高而升高(见图2)。当排气温度达到125 ℃，压缩机运行20 min左右，因过热出现停机保护。
由于R407c是由R32、R125和R134a组成的三元非共沸混合制冷剂，R134a的蒸发压力低，R32和R125蒸发压力高，因此R407c的蒸发压力比R134a高52%以上[8]。在压缩机输入功率一定的情况下，R407c的冷凝压力相应的比R134a高，故排气温度R134a
为防止压缩机过热(排气温度≥125 ℃)，R134a和R407c热泵空调冬季供热时，最低蒸发温度均只能达到-25 ℃(见图2)。故两者在低温热泵使用工况范围上几乎是没有差距的。
3.2 制冷量
试验工况下，R134a和R407c的制冷量均随着蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而升高，如图3所示。制冷量随蒸发温度的变化率，R134a约0.2～0.8 kW/℃，R407c约0.4～1.1 kW/℃，蒸发温度越高，制冷量变化率越大，两者差距也越大；而制冷量随冷凝温度的变化率两者约为0.1～0.3 kW/℃，变化幅度不明显，故提高蒸发温度有利于制冷量增大，尤其是R407c的制冷量。
由于R407c的蒸发压力比R134a大，压缩机吸气压力增大，相应的排气压力和冷凝压力也增大，系统有充足的动力克服节流阀和管道阻力，在蒸发器侧的制冷剂流量增大，用于制冷，热交换量就相应增大，故同工况下，R407c的制冷量比R134a的大。
3.3 制热量
在试验工况下，R134a和R407c的制热量均随着蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而升高，如图4所示。制热量随蒸发温度的变化率R134a约为0.2～0.7 kW/℃，R407c约为0.4～1.1 kW/℃，蒸发温度越高，制热量变化率越大，两者差距也越大；而制热量随冷凝温度的变化率R134a约为0.1 kW/℃，R407c约为0.2 kW/℃，变化幅度不明显，尤其是蒸发温度<-10 ℃时，两种制冷剂制热量随冷凝温度的变化率约为0，冷凝温度的变化对制热量几乎无影响。故提高蒸发温度有利于制热量增大，尤其是R407c的制热量。
同前述原因，R407c的排气压力和冷凝压力比R134a大，故R407c在冷凝器侧的制冷剂流量大，若用于制热，热交换量就相应大，故同工况下，R407c的制冷量比R134a的大。
3.4 输入功率
试验工况下R134a和R407c的压缩机输入功率均随着蒸发温度的降低、冷凝温度的升高而升高，如图5所示。输入功率随冷凝温度的变化率，R134a和R407c均约为0.1 kW/℃，比较恒定；而输入功率随蒸发温度的变化率，两种约为0，蒸发温度的变化对输入功率几乎无影响，故降低冷凝温度有利于减少压缩机耗功，节省运行费用。
由于R407c的吸气压力大，同时制冷剂在管道中的流量也大，压缩机吸气量变大，压缩机只有多做功，才能保证相应的排气压力，故同工况下，R407c的压缩机输入功率比R134a大。
3.5 性能比较
在ARI标准中性能系数COP(Coefficient of performance)实际就是热泵系统所能实现的制冷量(制热量)和输入功率的比值，在相同的工况下，其比值越大说明这个热泵系统的效率越高，越节能。
试验工况下R134a和R407c的热泵系统COP如图6所示。COP随着蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而升高。当蒸发温度>5 ℃时，R134a的平均COP比R407c高4.3%；当0 ℃<蒸发温度<5 ℃时，同工况下，R407c和R134a的COP几乎相同；当蒸发温度<0 ℃时，R407c的平均COP比R134a高27.6%。故热泵冬季供热时，R407c系统的效率和节能效果高于R134a，R407c制冷剂更适合于热泵低温环境运行；热泵夏季制冷时，R134a系统的效率和节能效果高于R407c。
4 总结
1)R134a和R407c的压缩机排气温度和输入功率均随着蒸发温度的降低、冷凝温度的升高而升高，其中冷凝温度对输入功率影响大；制冷量和制热量均随着蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而增大，其中蒸发温度影响更大。故在实际运行中应尽可能地提高蒸发温度、降低冷凝温度，以低输入功率来获得大制冷量(制热量)，同是又可降低压缩机的排气温度，防止压缩机过热。
2)同工况下，R407c的排气温度、制冷量、制热量和输入功率比R134a的大，故采用R134a的热泵空调设备型号要比R407c的容量大，才能满足热量和冷量的需求。
3)热泵冬季供热时，R407c的平均COP比R134a高27.6%；热泵夏季制冷时，R134a的平均COP比R407c高4.3%；R407c制冷剂更适合于热泵低温环境运行。
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[1]林创辉，欧阳惕，陈华，等.低温空气源热泵技术的应用[J].制冷与空调,2014,14(8):119-122.
[2]周光辉，李海军，李旭阁，等.纯电动汽车超低温热泵型空调系统性能试验研究[J].制冷与空调，2016,16(7):73-77.
[3]石文星.低温热泵技术在日本的进展[J].暖通空调，2008,38(12):26-34.
[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.容积式制冷剂压缩机性能试验方法:GB/T 5773-2004[S].2004.
[5]中国机械工业联合会.制冷装置试验:GB/T 7941-1987[S].1987.
[6]全国汽车标准化技术委员会.汽车空调制冷装置试验方法:QC/T 657-2000[S].2000.
[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.房间空气调节器:GB/T 7725-2004[S].2004.
[8]谷波,李文华.R22三种替代物R134a、R410a和R407c在空调系统中性能对比研究[J].流体机械,1999，27(10):41-42.
