混合制冷剂在空气源热泵热水器系统中替代R22的可行性研究

2021-07-26王永强

可再生能源 2021年7期

彭斌，王永强

（兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050）

0 引言

空气源热泵热水器系统是一种可再生能源利用系统[1]。制冷剂的选取对空气源热泵热水器系统的设计和运行调控具有重要意义。

随着人们生活水平的提高，环境保护逐渐成为选择制冷剂的一个重要因素[2]。臭氧层零损耗、无温室效应已成为选取制冷剂时首先要考虑的因素。传统制冷剂R22的排放会破坏臭氧层，并导致温室效应，因此对新型制冷剂的研究变得极为重要。目前，对R22替代物的研究主要分为自然工质和合成工质两个方向[3]。自然工质以R290，R600a，CO2为主；合成工质以R410A，R407C，R134a为主。在环境温度较低的工况下，太阳能复合式空气源热泵热水器系统可改善空气源热泵的低温制热性能[4]。艾泽健研究了热虹吸型散热器与空气源热泵复合供热系统的各项性能，分析结果表明，当室外温度为-3.2℃时，该复合供热系统COP的平均值约为2.82，比电锅炉和燃煤锅炉更加经济[5]。

混合制冷剂可使几种制冷剂形成优势互补，从而提高空气源热泵热水器系统的性能参数。目前，混合制冷剂的研究主要在制冷空调领域，对于空气源热泵领域的研究较少[6]。范晓伟研究了以R22，R744/R600混合物作为制冷剂时，空气源热泵热水器系统的各项性能，分析结果表明，与R22相比，以R744/R600混合物为制冷剂时，空气源热泵热水器系统的制热量、排气温度等性能更优[7]。李丹通过试验分析了以R22以及由R417A与R22组成的混合物（配比为7∶3）为制冷剂的空气源热泵热水器系统的各项性能，试验结果表明，以R417A/R22作为循环工质时，空气源热泵热水器系统的吸、排气压力，排气温度和压缩机运行功率均低于以R22作为制冷剂时[8]。王团结以R1234ze和R32混合物作为空气源热泵热水器系统的制冷剂，通过实验发现，R1234ze和R32按45∶55的比例进行混合时，该空气源热泵热水器系统的单位质量制热量和容积制热量比以R22作为制冷剂时分别增加了3.59%和27.59%，排气温度和压力比均减小了[9]。综上可知，利用混合制冷剂替代R22具有可行性，但关于环境影响指数、热力学性能、安全性等方面的研究较少。

本文根据Refprop 9.1软件提供的制冷剂物性数据，从滑移温度特性出发，求出混合制冷剂的最佳混合比例，并根据计算结果从理论上对混合制冷剂的性能进行了全面分析，比较了混合制冷剂和R22的常见替换制冷剂的性能参数。

1 混合制冷剂的特点

1.1 环保和安全特性

选取R22的替代制冷剂时，应符合零ODP、低GWP和高安全等级的要求[10]。几种制冷剂的特性参数、安全等级以及应用时存在的缺点如表1所示[11]。

表1 几种制冷剂的特性参数、安全等级以及应用时存在的缺点Table 1 Environmental Impact and safety characteristics of several refrigerants

由表1可知，R290和R152a的单位摩尔质量较小，制冷剂的单位摩尔质量与其充注量近似成正比，故选用由R290和R152a组成的混合制冷剂时，空气源热泵热水器系统中制冷剂需要的充注量较少；R290和R152a的ODP，GWP均较低，当R290或R152a与R1234ze混合时，在环保和安全方面均有较大优势[10]。

1.2 滑移温度

非共沸混合工质具有滑移属性。较小的滑移温度有利于减少传热不可逆损失，提高系统循环性能。较小滑移温度的非共沸混合工质可以视为纯工质或近共沸混合工质，使用时可以降低空气源热泵热水器系统维修保养的难度[13]。在标准大气压强条件下，可以根据混合制冷剂的零滑移温度选出最佳的混合制冷剂配比。混合制冷剂R1234ze/R152a的露点温度、泡点温度、滑移温度随R152a质量分数的变化趋势如图1所示。

图1 混合制冷剂R1234ze/R152a的露点温度、泡点温度、滑移温度随R152a质量分数的变化趋势Fig.1 The variation trend of dew point temperature，bubble point temperature and slip temperature of R1234ze/R152a with R152a mass fraction

由图1可知:在标准大气压强条件下，混合制冷剂的泡点温度和露点温度随R152a质量分数的变化趋势大致相同，当R152a质量分数超过70%时，泡点温度和露点温度几乎重合；随着R152a质量分数的变化，混合制冷剂的滑移温度均小于0.6℃，当R152a的质量分数大于70%时，滑移温度接近于0。

在空气源热泵热水器系统名义工况下，R1234ze/R152a在蒸发器和冷凝器中的滑移温度随R152a质量分数的变化趋势如图2所示。

图2 空气源热泵热水器系统名义工况下，混合制冷剂R1234ze/R152a在蒸发器和冷凝器中的滑移温度随R152a质量分数的变化趋势Fig.2 Under the nominal operating conditions of the air source heat pump water heater system，the sliding temperature of the mixed refrigerant R1234ze/R152a in the evaporator and condenser varies with the mass fraction of R152a

由图2可知:在空气源热泵热水器系统名义工况下，R1234ze/R152a在蒸发器和冷凝器中的滑移温度均低于0.6℃；当R152a质量分数高于70%时，混合制冷剂R1234ze/R152a在蒸发器和冷凝器中的滑移温度低于0.05℃，因此，混合制冷剂R1234ze/R152a可视为一种近共沸混合制冷剂。由图1，2可知，可以利用配比为7∶3的R152a/R1234ze代替R22。此外，利用相同的分析方法能够确定，可以利用配比为3∶2的R152a/R134a以及配比为7∶3的R1234ze/R290代替R22。

1.3 饱和蒸气压力

从热力学性能来看，R22的替代制冷剂应与R22具有相似或接近的饱和压力线，这样二者的热力学性能可以达到一致。若替代制冷剂的饱和蒸气压力低于R22，则不仅可以减少对空气源热泵热水器系统结构的改造，还可以减小该系统因传热温差引起的热能损失，从而提高该系统的能源利用率和替换制冷剂的经济性[13]。R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂的饱和蒸气压力随环境温度的变化趋势如图3所示。

图3 R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂的饱和蒸气压力随环境温度的变化趋势Fig.3 The change trend of saturated vapor pressure of R22 common replacement refrigerants and mixed refrigerants with ambient temperature

由图3可知，各制冷剂的饱和蒸气压力随着环境温度的升高而升高，且具有相同的变化趋势，但混合制冷剂R290/R1234ze的饱和蒸气压力更加接近于R22，因此，利用R290/R1234ze代替R22时，空气源热泵热水器系统的热力学性能更具优势。由图3还可看出，R410A的饱和蒸气压力较大，利用该制冷剂替代R22时，空气源热泵热水器系统的改动较大。

1.4 饱和液体密度

R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂的饱和液体密度随环境温度的变化趋势如图4所示。

图4 R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂的饱和液体密度随环境温度的变化趋势Fig.4 The change trend of the saturated liquid density of R22 common replacement refrigerants and mixed refrigerants with ambient temperature

由图4可知，各制冷剂的饱和液体密度随环境温度的升高而呈现出逐渐下降的变化趋势，其中混合制冷剂R290/R1234ze的饱和液体密度约为其他制冷剂的1/2。饱和液体的密度与单位摩尔质量有关，R290和R152a的单位摩尔质量分别为R22的49%，24%。对于内容积相同的空气源热泵热水器系统，制冷剂在冷凝器和储液罐中主要以液态形式存在。当饱和液体密度较低时，可以减少该系统的充注量。由于R290/R1234ze的饱和液体密度为R22的50%～55%，因此，相比于R22，R290/R1234ze可以节省约1/2的充注量。

1.5 饱和蒸气比热容

R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂的饱和蒸气比热容随环境温度的变化趋势如图5所示。

图5 R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂的饱和蒸气比热容随环境温度的变化趋势Fig.5 The change trend of the specific heat capacity of the saturated gas of the common replacement refrigerants and mixed refrigerants of R22 with the ambient temperature

由图5可知，各制冷剂的饱和蒸气比热容随着环境温度的升高而升高。R140A和混合制冷剂R290/R1234ze的饱和蒸气比热容高于R22；在压缩机做功相同的条件下，使用饱和蒸气比热容较大的制冷剂时，压缩机温升较小，排气温度较低。因此，使用混合制冷剂能够减小压缩机的排气温度，提高空气源热泵热水器系统的整体性能，延长压缩机的使用寿命。

1.6 冷凝温度

冷水加热过程中，热水温度和冷凝温度的变化是一个动态过程。R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂冷凝压力随热水温度变化趋势见图6。

图6 R22及其常见替换制冷剂、混合制冷剂的冷凝压力随热水温度的变化趋势Fig.6 The change trend of the condensation pressure of the common replacement refrigerants and mixed refrigerants of R22 with the temperature of the hot water

由图6可知:在将冷水加热到55℃的过程中，制冷剂的冷凝压力随着热水温度的升高而升高；R140A和R407C的冷凝压力高于R22，因此，在空气源热泵热水器系统中利用R140A和R407C代替R22时，须要增大系统的承压能力；其他制冷剂的冷凝压力小于R22，在空气源热泵热水器系统中，利用这些制冷剂代替R22时，系统的承压能力无须改变；混合制冷剂R290/R1234ze冷凝压力的渐变过程更加接近R22。

2 空气源热泵热水器系统循环性能分析

2.1 空气源热泵热水器系统的简易模型

空气源热泵热水器系统主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。其工作原理为逆卡诺循环，蒸发器从空气中吸收大量低温热源使传热工质蒸发，蒸发后的工质经压缩机压缩后变为高温高压的气体，再通过冷凝器换热制取生活用水，换热后的冷凝液通过膨胀阀回到蒸发器，再次被蒸发，如此往复循环下去。

空气源热泵热水器系统的循环原理图如图7所示。

图7 空气源热泵热水器系统的循环原理图Fig.7 Circulation principle diagram of air source heat pump water heater system

2.2 理论循环的工况

根据国家标准GB/T 23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》规定的名义工况[14]，设定冷水进水温度和热水出水温度分别为15，55℃，干、湿球温度分别为20，15℃。根据机组的名义工况，假定理论蒸发、冷凝温度分别为10，56℃，吸气温度为15℃，过冷度为10℃。

2.3 循环性能分析

作为R22的替代制冷剂最基本的要求是低ODP和GWP、低压缩比和排气温度、高安全等级、制热系数和单位容积制热量高于或接近R22。低压缩比有利于减少压缩机功耗，低排气温度的空气源热泵热水器系统可以减少对压缩机的损耗，延长润滑油和压缩机寿命，有助于热泵机组的稳定工作；排气温度过高会使压缩机中润滑油的环境恶化，导致润滑油分解变质，甚至结焦[8]。

在空气源热泵热水器系统的名义工况下，调用Refprop9.1数据库中各制冷剂的物性参数，空气源热泵热水器系统使用的混合制冷剂、R22及其常见替换制冷剂的理论循环性能参数见表2。

表2混合制冷剂、R22及其常见替换制冷剂的理论循环性能参数Table 2 Theoretical cycle performance parameters of mixed refrigerants，R22 and common alternative refrigerants

续表2

由表2可知:混合制冷剂R290/R1234ze的压比最低，其他制冷剂的压比均高于R22；从压比出发，混合制冷剂R290/R1234ze是R22的最佳替代制冷剂；从冷凝压力和蒸发压力出发，几种混合制冷剂均具有优势；综合考虑冷凝、蒸发压力和压比发现，混合制冷剂R290/R1234ze替代R22的优势较为明显；工作压力过高时，须要对管道和部件进行承压处理，不能直接用于以R22作为制冷剂的系统；在单位质量制热量方面，几种混合制冷剂均高于R22，由于混合制冷剂吸气比热容低于R22，导致混合制冷剂的单位容积制热量低于R22，其中，R290/R1234ze的单位容积制热量接近R22；R410A的单位容积制热量较高，冷凝压力和GWP也较高。

由表2还可以看出:混合制冷剂R1234ze/R152a，R152a/R134a的COP高于R22；混合制冷剂R290/R1234ze的COP为R22的90%；R410A，R407C的COP值低于R22。相比于以R22为工质的压缩机，以混合制冷剂为工质的压缩机的功耗均较高，排气温度均较低。低排气温度能够保证压缩机正常工作以及空气源热泵热水器系统平稳运行。

2.4 安全性和经济性分析

在安全性方面，R290具有易燃、易爆性，安全等级为A3级。童明伟对R290的易燃、易爆性进行了实验研究发现制冷机组中R290几乎不会发生爆炸和燃烧，R290若要发生爆炸和燃烧必须同时满足2个条件，即空气的混合浓度达到2.5%～8.9 %，并且温度在810℃以上[16]。R152a具有微燃性，当R152a在空气中的体积分数达到4.5%～21.8%时，会发生燃烧现象。R134a的自燃温度为770℃，不具有可燃性，将R134a与R152a相混合，可以降低R152a的可燃性[10]。R1234ze不可燃、无毒且具有阻燃性，因此，常常作为抑燃剂以降低可燃工质的可燃性，常见的可燃物包括碳氢化合物（R152a，R32，丙烷、乙烷等）、氢氟碳化合物、环氧乙烷等。

在经济性方面，R290广泛存在于石油、天然气中，提炼方便，一般作为副产品出现，市场价格较低；R407C和R410A的市场价格远高于R134a，但R152a的市场价格低于R134a，因此，混合制冷剂R152a/R134a的经济性较好[13]。