基于低环温空气源热泵机组的制冷剂替代实验研究

曹 巍

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

随着社会快速发展，空调技术也在不断更新。早期的空调使用的制冷剂是氟利昂R22，由于R22对臭氧层危害较大，逐渐被不含氯元素的R410A替代。R410A是由R32和R125按照50:50的质量百分比组成的二元准共沸混合制冷剂组成。R410A虽然对臭氧层没有危害，但在很大程度上会引发温室效应，加剧全球变暖。1 kg R410A排放到大气中所造成的温室效应相当于排放1 900 kg CO2，而1公斤R32相当于排放580公斤CO2，不到前者的三分之一。这样的背景下，R32作为新一代节能减排环保无毒制冷剂，成为一个上佳选择登上了历史舞台。随着《蒙特利尔议定书》基加利修正案的生效，加速了制冷剂替代在空调机组上的进程。目前制冷空调机组采用的R410A制冷剂将逐渐被低GWP（全球变暖潜能值）的制冷剂取代。在替代方案中，R32以及R32和HFC类（氢氟烃类）制冷剂组成的混合制冷剂成为业界研究重点。在中国、日本以及东南亚地区，R32的低成本高能效特性使其成为中小型空调机组的开发重点[1]。

1 制冷剂性能分析

R32与R410A的区别主要在热力性质、GWP值、CO2减排、可燃性和循环性能方面的区别。R32制冷剂是R410A制冷剂的优秀环保替代品之一。

表1是R32和R410A物理性质对比[2]，从表1中可以看出：

表1 制冷剂物理性质

1）热物性：R32充注量可减少，仅为R410A的0.71倍，R32可以使用较小排量的压缩机和系统部件，相比R410A系统节约成本；R32系统工作压力较R410A高，但最大升高不超过4 %，与R410A系统的承压要求相当。

2）环保特性：ODP值（消耗臭氧潜能值）均为0，但R32的GWP值适中，与R22相比CO2减排比例可达77.6 %，而R410A与R22相比CO2减排比例仅为2.5 %，R32在CO2减排方面明显优于R410A。

3）安全性：R32与R410A均无毒，R32具有可燃性。在R22的几种替代物R32、R290中，R32的LFL（燃烧下限）浓度最高。R290虽然最为环保，但有着高度易燃的性质，安全等级为A3，所以要求只能用于2匹以内的空调，大匹数空调使用受到限制。

表2是ARI Standard 520标准的空调工况（蒸发温度7.2 ℃，冷凝温度54.4 ℃，过热度11.1 ℃，过冷度8.3 ℃，压缩机等熵效率为0.75）下制冷剂理论循环特性[3]。从表中看出：R32热工性能优于R410A，R32系统单位容积制冷量比R410A要高12.7 %，COP约高5.3 %，但是排气温度高25 ℃，排气压力高0.03 MPa。

表2 制冷剂理论循环特性

可以看出，在环保性能方面，R32的GWP值比R410A低，同样不破坏臭氧层，所以R32在CO2减排方面表现出色。在安全性能方面，R32无毒，但具有低可燃性。在使用R32时，对产品进行相关的安全措施就能提高安全性能，提高设备使用R32时的可靠性。

2 实验测试

2.1 实验装置

实验样机选用2台25 kW低环温空气源热泵机组，系统流程如图1所示[4]。分别通过匹配实验确认最佳灌注量，样机1充注R410A冷媒11 kg；样机2充注R32冷媒9 kg，2台机组均采用补气增焓全封闭转子式压缩机（压缩机排量相当），样机2在样机1基础上减小了翅片换热器面积并增大了水侧换热器面积（在壳体尺寸、风机系统等方面相同的情况下，调整两器大小，以最终达到较好的性能）。

在系统运行时，采集排气压力Pc、中间压力Pm、低压压力Pe、感温包8的温度T1、感温包4的温度T2、感温包10的温度Ts。

机组制冷运行时，通过电子膨胀阀5和电子膨胀阀13的调节来控制系统过冷度和中间补气压力，通过电子膨胀阀7的调节来控制系统吸气过热度，进而确保双级压缩机压力平衡，实现机组安全可靠地运行。系统过冷度、中间补气目标压力和系统吸气过热度的计算分别见公式（1）、（2）和（3）。

式中：

△Tc—系统过冷度；

P补—中间补气目标压力；

K—中间压力系数；

△TS—系统吸气过热度。

机组制热运行时，通过电子膨胀阀7和电子膨胀阀13的调节来控制系统过冷度和中间补气压力，通过电子膨胀阀5的调节来控制系统吸气过热度。系统过冷度的计算见公式（4），中间补气目标压力和系统吸气过热度的计算与制冷运行的公式一样，分别见公式（2）和（3）。

系统过冷度△Tc、中间压力系数K和吸气过热度△TS需要通过不同工况下实际空调器的系统进行匹配测试后确定。

当系统过冷度偏小时，需减小电子膨胀阀5或电子膨胀阀7的开度；当系统过冷度偏大时，需增大电子膨胀阀5或电子膨胀阀7的开度（制冷运行时调节电子膨胀阀5，制热运行时调节电子膨胀阀7）。

当压力传感器14检测到的中间补气压力Pm＜P补时，需增大补气电子膨胀阀13的开度；当压力传感器14检测到的中间补气压力Pm＞P补时，需减小补气电子膨胀阀13的开度。

当系统吸气过热度偏小时，需减小电子膨胀阀7或电子膨胀阀5的开度；当系统吸气过热度偏大时，需增大电子膨胀阀7或电子膨胀阀5的开度（制冷运行时调节电子膨胀阀7，制热运行时调节电子膨胀阀5）。

2.2 实验工况

低环境温度空气源热泵的最新国标GB/T 25127.2-2020已于2021年4月实施，但2020年11月1日实施的低环温空气源热泵能效标准GB 37480-2019还是参照GB/T 25127.2-2010的测试方法[5-7]。且低环温空气源热泵机组节能认证的产品标准为GB 37480-2019，能效备案的执行标准也是GB 37480-2019。故实验依据GB 37480-2019标准确定测试工况如表3，分别对2台不同制冷剂的机组进行测试。两台机组名义制冷量和名义制热量明示值均为25 kW。

表3 实验运行工况

3 实验数据分析

从表4的对比数据看出，使用R32制冷剂机组的实测名义制冷量比R410A制冷剂机组实测名义制冷量提高了4.8 %，能效提高了9.7 %。使用R410A制冷剂的机组压缩机频率需要50 Hz运行才满足25 kW能力，而使用R32制冷剂的机组上的压缩机只需到46 Hz运行即可满足25 kW能力。这样，R32制冷剂机组相比R410A机组压缩机频率降低了4 Hz，系统功率降低了400 W，从而R32制冷剂机组能效更高。名义制冷工况下，使用R32制冷剂的机组的排气温度为86 ℃，虽然比R410A机组排气温度高了13 ℃，但仍在可控范围内。

表4 名义制冷性能对比

从表5的对比数据看出，使用R32制冷剂的空气源热泵机组的制热量比R410A制冷剂的机组降低了0.9 %，但都满足名义制热量的性能要求（GB/T 25127.2-2020标准要求机组的实测制热量不小于名义制热量明示值的95 %，实测制热量大于名义制热量明示值的100 %），能效提升3 %。使用R410A制冷剂的机组压缩机频率需要66 Hz运行才满足25 kW能力，而使用R32制冷剂的机组上的压缩机只需到64 Hz运行即可满足25 kW能力。这样，R32制冷剂机组相比R410A机组压缩机频率降低了2 Hz，系统功率降低了600 W，从而R32制冷剂机组能效更高。名义制热下，使用R32的机组的排气温度比R410A高了9 ℃，在可控范围内。

表5 名义制热性能对比

从表6的对比数据看出，使用R32制冷剂的空气源热泵机组低温制热量比R410A制冷剂的机组提升2.2 %，能效提升4.6 %。即在-20 ℃环温下，使用R32的系统制热效果也优于R410A。

表6 低温制热性能对比

从表7的对比数据看出，使用R32制冷剂的空气源热泵机组的IPLV（H）比R410A制冷剂的机组提升4.8 %。R410A制冷剂的机组能效等级为2级（GB 37480-2019），R32制冷剂的机组能效等级为1级。

表7 制热IPLV（H）对比

4 结论

通过以上制冷剂分析和实验数据分析，可得出以下结论：

1）R32的GWP不到R410A 的三分之一，是温室气体减排的高效解决方案，可在小型商用机组上推广。

2）R32的单位容积制冷量比R410A大，要达到同样的能力，可适当降低压缩机频率或选用较小排量的压缩机；系统冷凝器和蒸发器经优化后，R32制冷剂的充注量为R410A的81.8 %，R32系统机组通过优化选型可有效降低机组成本。

3）机组采用双级压缩中间补气系统，通过合理控制系统过冷度、中间压力系数和吸气过热度，以达到最优能效的同时，使R32制冷剂机组的排气温度控制在可接受范围内，防止排气温度过高而影响压缩机可靠性。

4）采用R32替代R410A后，各工况下的机组性能系数得到全面提升，表现出较好的性能优势。其中，名义制冷能效提升9.7 %，名义制热能效提升3 %，低温制热能效提升4.6 %，整机IPLV（H）提升4.8 %，机组能效等级由2级提升到1级。