R32与R410A家用空调器性能对比分析

2023-04-01刘思哲

制冷与空调 2023年1期

刘思哲张超

（中原工学院能源与环境学院郑州 451191）

0 引言

目前我国的家用空调器市场中，变频空调器因为其节能的优异特性，已经成为市场的主导产品。制冷剂作为空调器的重要部分，合适的制冷剂可以让其达到事半功倍的效果。在生态环境日益恶化的今天，环保制冷剂的地位也逐步提高。目前我国市场上广泛用于替代R22 的制冷剂主要是R410A。但R410A 作为氢氟烃类的制冷剂是温室效应的主要来源。那么作为R410A 组成单元的R32 在环保方面表现得更为出色[1]。R32 作为一个弱可燃性、低毒性的制冷剂，相较于R410A，R32 的饱和蒸汽压力与R410A 几乎持平，意味着两者可以在同一机组下使用，R32 还有比其更高的液相比容、气相比容以及汽化潜热，在同一个空气源热泵机组下，R32 所需要的充注量更少。所以R32 比起R410A是更为合适的过渡制冷剂[3]。同时，以往的家用空调器大多采用Φ7mm 换热器，但是近些年铜的价格水涨船高，液体动力粘度更小的R32 可以采用理论换热效果更佳的小管径换热器。本文着重对R410A和R32 两种制冷剂在搭配Φ5mm 蒸发器家用空调器的循环性能进行对比试验研究，为进一步用R32替代R410A 的研究提供基础数据。

1 R32 与R410A 制冷剂热物性对比分析

R32 和R410A 的热力学性质较为接近。R32的GWP 为675，相较于R410A 来说更环保，ODP为0[2]，也就意味着R32 并不会对臭氧层造成实质性的危害。R32 比R410A 饱和蒸汽压力略高，液相比容在44℃以下比R410A 大，液体导热系数也比R410A 大。表1为R32 与R410A 理论热工性能，其数据是44℃热力和输运物性。

表1 R32 与R410A 理论热工性能Table 1 Theoretical thermal performance of R32 and R410A

2 实验装置

实验样机由江苏新科电器有限公司提供，在KFRd-35GW-BpNXCA+1（一级能效机）的机型上改装而成。机组由1 台全封闭旋转式直流变频压缩机、室内外翅片管式换热器、节流阀、油分离器、气液分离器、储液器及四通阀等部件所组成。压缩机采用美芝压缩机，型号为KSK103D33UEZ3，室内机换热器为管径为5mm 的翅片管式换热器，节流阀采用规格为1.3×750 毛细管作为节流阀，内径为1.3mm、总长为750mm。依据GB/T 21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》[3]，通过对比R410A和R32在同一系统下的APF值（即全年能源消耗效率），以及不同工况下的实验数据，分析R410A 和R32 在空气源热泵系统下的优劣之处。本实验在新科5HP 防爆焓差试验室进行，由合肥通用机械研究院有限公司监制，试验条件符合GB/T 7725-2004 的要求，焓差室系统如图1所示。

图1 焓差实验室原理图Fig.1 Schematic diagram of enthalpy difference laboratory

3 实验结果分析

依据GB/T 7725-2004《房间空气调节器》[4]和GB 21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》，确定了额定制冷、额定中间制冷、低温额定制冷、低温额定中间制冷、额定制热、额定中间制热以及额定低温制热7 个实验工况，通过改变焓差实验室室内侧以及室外侧的干湿球温度来改变不同的工况。分别在不同工况下测定了两种不同制冷剂在同一个系统下的制冷（热）量，制冷（热）消耗功率，COP，压缩机排气温度等性能参数。

对于同一空调系统而言，当使用R32 制冷剂充注时可以充注相对较少的制冷剂量。由于R32 与R410A 的热物性差异，R32 的汽化潜热远大于R410A，使用R32 代替R410A 时，所需要的充注量仅为R410A 的71%左右就能达到较好的性能状态[6]。表2，3 为R32 与R410A 在同一个系统下不同充注量的性能测试结果。

表2 R32 制冷剂在样机的测试结果Table 2 Test results of R32 refrigerant in the prototype

3.1 不同工况下制冷（热）量和制冷（热）消耗功率实验

由表2、表3的实验结果可知，除制冷剂充注量以外，其余系统配置完全相同的情况下，如图2所示R32 系统的额定制冷量和低温额定制冷量分别高出R410A 系统6%和10%；中间制冷量和低温中间制冷量较R410A 系统高出2.4%和3.25%；额定制热量、中间制热量以及低温制热量也高出R410A 系统0.5%、2.9%以及1.4%。因为R32 制冷剂的比热容高于R410A，所以其理论容积制冷（热）量也高于R410A[7]，呈现在数据上的就是不同工况下的制冷（热）量较R410A 均有不同程度的上升。

表3 R410A 制冷剂在样机的测试结果Table 3 Test results of R410A refrigerant in the prototype

图2 不同工况下制冷（热）量对比Fig.2 Comparison of cooling(heat)capacity under different working conditions

R32 系统的额定制冷功率和低温额定制冷功率分别低于R410A 系统6%和7%；中间制冷功率较R410A 系统几乎持平；低温中间制冷功率较R410A 系统高出2%；额定制热功率、低温制热功率分别低于R410A 系统6.5%、7%；中间制热功率较R410A 系统高出3%。

图3 不同工况下制冷（热）消耗功率对比Fig.3 Comparison of cooling(heat)power consumption under different working conditions

由于制冷（热）量和能效的差异，所以二者反映在COP 上的数据如图4所示，R32 系统在额定制冷、低温制冷额定制热以及低温制热工况下的能效比较R410A 系统具有显著升高；在中间制冷、低温中冷、中间制热工况下的能效比较R410A 系统仅有微小的提升。试验结果表明R32 系统在性能方面上整体优于R410A。

图4 不同工况下COP 对比Fig.4 Comparison of COP under different working conditions

3.2 不同工况下压缩机排气温度对比分析

R32 系统在额定制冷和低温额定制冷的工况下压缩机的排气温度较R410A 系统分别高出6.4℃和9℃；中间制冷和低温中间制冷工况下较R410A系统高出2.4℃和2℃；额定制热、中间制热以及低温制热工况下高于R410A 系统2.4℃、5.9℃和4.7℃。由此可见，R32 系统在七种不同的工况下的压缩机排气温度均高于R410A 系统。根据R32 与R410A 的热物性差异，由于R32 的比热容较大，具有更高的制冷（热）量，同时也有更高的排气温度[8]。但是过高的排气温度会对压缩机造成不可逆的损害，所以R32 的压缩机运行范围较R410A 的会减少。

图5 不同工况下压缩机排气温度对比Fig.5 Comparison of compressor discharge temperature under different operating conditions

3.3 R32 与R410A 系统全年能效对比分析

依据GB 21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》中对能源消耗效率的计算方法。全年能源消耗效率按式（1）计算。

式中：CSTL为制冷季节制冷量；CSTE为制冷季节耗电量；HSTL为制热季节制热量；HSTE为制热季节耗电量。

制热、制冷能源消耗效率按式（2）～（7）计算。

式中：Lc(tj)、Lh(tj)分别为环境温度为tj时房间冷负荷、热负荷，W；nj为制冷/热各温度分区所需时长，h；Φful(tj)为制冷季节室外温度为tj时空调器运行制冷能力；X(tj)、PLF(tj)分别为房间热负荷与空调器运行时制冷量的修正系数；Phal(tj)为空调器以中间制冷能力运行时消耗的功率，W；Phf(tj)为介于中间与额定制冷能力对应房间热负荷运行时消耗的功率，W；Pful(tj)为额定制冷能力运行时所消耗的功率，W；P(tj)为空调器制热运行时消耗的功率，W；PRH(tj)为空调器对应房间负荷制热能力不足时加人电热装置的消耗电量，kW/h。

根据上述计算公式综合七种工况下的实验数据，可得出同一个系统下R32 系统和R410A 系统的制冷季节能源消耗效率、制热季节能源消耗效率和全年能源消耗效率（即空调器在制冷和制热季节期间，从室内空气中除去的冷量与送入室内的热量总和与同期间内消耗电量的综合之比）[9]，能源消耗效率越高意味着能耗越低，更加节能。计算结果表明，无论是制冷或者制热的季节能源消耗效率还是全年能源消耗效率，R32 的表现较R410A 更好，全年能源消耗效率比R410A 高出4%。