周全，樊海彬，賈磊，夏玲，陳熙，李世鎖

（1-合肥通用機械研究院，安徽合肥 230031；2-大連三洋壓縮機有限公司，遼寧大連 116033）

0 引言

隨著全世界對節(jié)能減排和環(huán)保要求的日益迫切，人們對家用和商用的熱水器節(jié)能和環(huán)保的要求也越來越高。一般來說，熱泵熱水器的熱效率較高，消耗同樣的傳統(tǒng)能源而產(chǎn)生相同品質(zhì)的熱水量是傳統(tǒng)熱水器產(chǎn)量的2倍～3倍，節(jié)能的同時對環(huán)境的污染程度更低[1]。由于熱泵熱水器運行維護(hù)工作少，自動化程度高，所以在運行成本方面也是有著明顯的優(yōu)勢。熱泵熱水器和空調(diào)一樣，也是利用逆卡諾原理，通過工作的介質(zhì)把低品位的熱量通過壓縮機的動力，傳遞到水中，形成高品位的熱量，即熱水。由于熱泵熱水器的工作介質(zhì)就是我們常說的制冷劑，所以同空調(diào)制冷系統(tǒng)一樣，制冷劑對于熱泵熱水器的性能影響非常明顯[2]。

由于傳統(tǒng)的制冷劑，如R22等，將面臨被替換的命運，所以國內(nèi)外很多學(xué)者對熱泵熱水器的制冷劑替代工作進(jìn)行了研究[3]。2010年推出的HFCs類制冷劑R427a無毒不可燃、零ODP、低GWP，與R22性質(zhì)相似。本文就R427a在熱泵熱水器上的應(yīng)用開展理論和實驗研究，并與R22和R134a的性能進(jìn)行對比，以期為空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 理論計算

R427a是由HFC-32/HFC-125/HFC-134a/HFC-143a(15/25/50/10)組成的共沸混合物。可與多元醇酯(POE)或聚亞烷基二醇(PAG)油作為冷凍油。R427a的毒性與可燃性評定等級是 A1/A1級,臭氧消耗潛值ODP為零[4]。R427a和 HCFC-22一樣，適合典型的直接膨脹(DX)系統(tǒng)使用，有些場合用來替換HCFC-22制冷劑。

本實驗所用的制冷劑物性如表1[5]。

表1 制冷劑物性

制冷劑R22，R134a，R427a的理論循環(huán)計算：蒸發(fā)溫度7.2℃；冷凝溫度54.4℃；過熱度11.1℃；過冷度 8.3℃；等熵壓縮因子 1[6]；忽略系統(tǒng)壓降。利用REFPROP軟件進(jìn)行計算，結(jié)果如表2，各計算點示意圖如圖1。

表2 相同工況下各種制冷劑熱力性能比較（ARI520標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工況）

圖1 理論循環(huán)示意圖

綜合表1、表2和圖1的結(jié)果可知，R22的冷凝壓力和排氣溫度最高，不利于熱泵系統(tǒng)的運行，而且對環(huán)境不友好，因而替代在所難免。而R134a的蒸發(fā)段焓差比較低，即單位制冷量比較低，灌注式充入R22系統(tǒng)后換熱器的換熱面積比較大，COP略有降低。R427a排氣壓力略微高于R22，但排氣溫度卻降低了近20℃，這樣就會降低循環(huán)時對潤滑油粘度的影響，還可以有效防止?jié)櫥头纸庾冑|(zhì)，改善系統(tǒng)的工作條件，提高系統(tǒng)的使用壽命和降低系統(tǒng)的維護(hù)難度；R427a工質(zhì)比 R22工質(zhì)的運行COP略高，接近于R134a，最重要是環(huán)保效果非常顯著，而且還可以灌注式替代，可以在舊有R22系統(tǒng)的替代和改良等場合發(fā)揮巨大的作用，因此R427a具有廣闊的市場前景。

2 實驗設(shè)備及實驗方法

2.1 實驗設(shè)備

采用的風(fēng)冷熱泵熱水器機組，在標(biāo)準(zhǔn)工況20℃的環(huán)境溫度下制熱量為12.5 kW，功率為2.9 kW，產(chǎn)水量268 L/h。設(shè)備經(jīng)改裝后使用，主要是更換了節(jié)流裝置，由原來的熱力膨脹閥改變?yōu)殡娮优蛎涢y和毛細(xì)管并聯(lián)的節(jié)流機構(gòu)，并在毛細(xì)管附近串聯(lián)截止閥，毛細(xì)管主要用于節(jié)流不足時起到旁通節(jié)流作用；而且增加了視液鏡、電磁閥和單向閥。

實驗測試系統(tǒng)主要由YOKOGAWA WT230三相功率表、Rixin SBL-AY20CCZX流量計（精度為±0.2%）、Honeywell UDC3200 PID調(diào)節(jié)表、Agilent 34970a數(shù)據(jù)采集儀、Jumo Bodhi 壓力傳感器（精度為±0.5%）、Honeywell ST3000壓力變送器（精度為±0.5%）、ChinoPt100鉑電阻溫度計（精度為A級±0.2℃）、恒溫水箱、水泵、電動三通調(diào)節(jié)閥、銅球閥、計算機以及測試軟件等組成。

2.2 實驗測點布置

溫度測點包括壓縮機的進(jìn)出口、板式換熱器進(jìn)出口、蒸發(fā)器進(jìn)出口、環(huán)境溫度；壓力測點包括壓縮機進(jìn)出口，板式換熱器出口和蒸發(fā)器出口。溫度、壓力測量參數(shù)由數(shù)據(jù)采集儀采集和水流量計、功率表所測參數(shù)一并傳送給計算機，通過VB編程的操作界面顯示，計算得出制熱量、樣機COP、過熱度、過冷度等。所有儀表、設(shè)備可通過計算機集中監(jiān)控。

2.3 實驗過程

實驗在熱泵試驗臺上完成，同一臺空氣源熱水器采用R427a、R22、R134a作為制冷劑，測得在四個典型工況（以下簡稱工況1、工況2、工況3和工況4）：-5℃/-，7℃/6℃（7℃為干球溫度；6℃為濕球溫度），20℃/15℃，43℃/26℃下，調(diào)節(jié)電子膨脹閥，保持蒸發(fā)器出口過熱度為 5℃，并保持板式換熱器進(jìn)出水溫差為5℃，分別測試50℃/55℃（50℃進(jìn)水，55℃出水）、55℃/60℃；60℃/65℃進(jìn)出水溫度時熱泵熱水器的性能參數(shù)。

2.4 制冷劑充注量確定

制冷劑充注量對制冷系統(tǒng)性能有較大的影響，在制冷系統(tǒng)運行工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)給定的情況下，存在著制冷劑的最佳充注量問題[7]。熱泵熱水器實驗中，將機組置于室外標(biāo)準(zhǔn)工況 20℃/15℃下，進(jìn)行制冷劑最佳充注量匹配實驗。

保持蒸發(fā)器出口過熱度為 5℃，不斷增加充注量，可以從圖2看出制熱量、COP的變化趨勢均是先升高后降低、中間有峰值。COP峰值在前，制熱量峰值在后，綜合考慮確定R427a、R134a和R22三種制冷劑的最佳充注量分別為 2.68 kg、2.71 kg和3.28 kg。

圖2 制熱量和COP與制冷劑充注量的關(guān)系

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 R22、R427a、R134a在50℃進(jìn)水/55℃出水時的實驗結(jié)果與分析

從圖3可以看出，隨著環(huán)境溫度升高，三種制冷劑系統(tǒng)(一次加熱式熱泵熱水器)的吸排氣溫度變化趨勢基本一致，吸氣溫度隨環(huán)境溫度的升高而增大，而排氣溫度隨環(huán)境溫度的升高而降低。三種制冷劑系統(tǒng)的吸氣溫度差別不大，而排氣溫度R22最高，在工況1時最高達(dá)到了127℃，R427a最高達(dá)到119℃，R134a最高達(dá)到90.6℃。由此可見R134a、R427a性能優(yōu)于R22，利于系統(tǒng)的安全運行。

從圖4可以看出，隨著環(huán)境溫度的變化，三種制冷劑系統(tǒng)吸排氣壓力變化基本一致，隨環(huán)境溫度的升高而增大，吸氣壓力較排氣壓力變化明顯。吸、排氣壓力R22高于R427a和R134a，R427a和R134a優(yōu)于R22，且R134a吸、排氣壓力隨環(huán)境溫度變化較小。

圖5反應(yīng)了水側(cè)換熱量隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。由圖可知R134a、R427a系統(tǒng)的制熱量都比R22系統(tǒng)的低，R134a的平均制熱量為6858 W，為R22的68%；R427a的平均制熱量為8903 W，為R22的90%；這主要是因為R427a是四元非共沸混合物，溫度滑移約7.1℃左右，使得R427a的換熱性能受到影響，特別是在核狀沸騰條件下的氣泡脫離阻力[8]，使得R427a的換熱系數(shù)比R22要低，從而導(dǎo)致總的制熱功率比R22要低一些。

圖6反映了三種制冷劑系統(tǒng)的輸入功率隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，3個制冷劑系統(tǒng)的壓縮機輸入功率的變化趨勢基本一致。在環(huán)境溫度變化過程中，R134a系統(tǒng)壓縮的平均輸入功率為2586 W，R427a系統(tǒng)的平均輸入功率為3445 W，R22系統(tǒng)的平均輸入功率為3715 W。R134a系統(tǒng)與R22系統(tǒng)相比，平均輸入功率下降了約 30%，而R427a系統(tǒng)約下降了約7.2%，R134a、R427a有效降低了壓縮機的負(fù)荷，利于熱泵熱水器機組的運行。

圖7為三種制冷劑系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。從圖中可以看出三種制冷劑系統(tǒng) COP都是隨著環(huán)境溫度的升高而變大的，但在不同的室外環(huán)境溫度區(qū)間內(nèi)，COP變化有一定的差別。圖中顯示，與R22系統(tǒng)相比，R427a系統(tǒng)的COP基本持平，R134a系統(tǒng)在溫度7℃以下時，COP降低了20%；在7℃～20℃范圍內(nèi)基本持平，而在20℃以上區(qū)域，升高了 9%，但總的來看，差別不大。R134a的平均COP約為2.67，R427a的平均COP約為2.59，R22的平均COP約為2.68，可見此時，R134a、R427a的COP略低于R22。

圖3 壓縮機吸排氣溫度和環(huán)境工況的關(guān)系

圖4 壓縮機吸排氣壓力和環(huán)境工況的關(guān)系

圖5 制熱量和環(huán)境工況的關(guān)系

3.2 R427a、R22、R134a在55℃進(jìn)水/60℃出水和60℃進(jìn)水/65℃出水時的實驗結(jié)果與分析

在 55℃/60℃工況下，實驗都可以做出，而在60℃/65℃工況下，由于 R22的排氣溫度和排氣壓力過高造成了壓縮機保護(hù)，實驗未能進(jìn)行；R427a也由于上述原因在-5℃工況下，未做出實驗數(shù)據(jù)。已做出的數(shù)據(jù)與3.1的趨勢類似。在以下的分析過程中均以3.1作為基準(zhǔn)。整體分析如表3。

表3 變化分析表

4 結(jié)論

1) 實驗結(jié)果與理論計算吻合良好，R427a與R22的各方面的性能相似，在未對兩器優(yōu)化而直接更換制冷劑的情況下，與R22相比，R427a的制熱量下降9%，COP下降3%，而且有環(huán)保優(yōu)勢；R134a與R22相比，制熱量下降30%，COP持平。

2) 在相同的條件下，R427a的排氣溫度略低于R22，試驗結(jié)果表明，在低環(huán)境溫度，高出水溫度條件下，R427a的適用性好于R22。

3) 三種制冷劑系統(tǒng)吸排氣壓力變化基本一致，與R22系統(tǒng)相比，R427a的吸氣壓力下降20%，排氣壓力下降 5%，R134a的吸氣壓力下降 40%，排氣壓力下降30%，R427a和 R134a明顯優(yōu)于R22，且R134a吸、排氣壓力隨環(huán)境溫度變化較小。這表明了R134a、R427a比R22更利于熱泵熱水器的安全可靠運行。

4) 熱泵熱水器在未對兩器優(yōu)化直接更換制冷劑的情況下，功率隨環(huán)境溫度的升高變化不大，與R22系統(tǒng)相比，R134a系統(tǒng)的平均輸入功率下降了約30%，而R427a系統(tǒng)下降了7.2%左右，有利于延長熱泵熱水器機組的使用壽命。

5) 隨著環(huán)境溫度的升高，三種制冷劑系統(tǒng)的制熱量增大，且變化趨勢一致。R134a、R427a系統(tǒng)的制熱量都比R22系統(tǒng)的低，R134a系統(tǒng)的平均制熱量僅相當(dāng)于R22的70%，而R427a系統(tǒng)的平均制熱量相當(dāng)于R22的90%，主要是受溫度滑移的影響。

6) 三種制冷劑系統(tǒng)COP隨著環(huán)境溫度的升高而變大，且在不同的室外環(huán)境溫度區(qū)間內(nèi)，COP大小有一定的變化；總體分析表明三種制冷劑系統(tǒng)COP差別不大。

7) 在5℃進(jìn)出水溫差條件下，熱水進(jìn)水溫度每上升5℃，例如50℃進(jìn)水，55℃進(jìn)水，60℃進(jìn)水時，制熱量下降2%～3%；COP下降10%～11%；功率上升 11%～13%；吸排氣壓力分別上升 3%～4%、10%～15%。

因此我們應(yīng)根據(jù)熱泵熱水器使用環(huán)境及對熱水水溫的具體要求，優(yōu)化匹配制冷劑工質(zhì)種類，對于充分發(fā)揮空氣源熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢具有重要意義。

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