陳紅群 王芳 藕俊彥 汪濤 余大維 王瑩

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093）

HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑用于熱泵熱水器的實(shí)驗(yàn)研究

陳紅群 王芳 藕俊彥 汪濤 余大維 王瑩

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093）

本文選用了NIST發(fā)行的REFPRO9.0制冷劑計(jì)算程序及KW2模型參數(shù)對(duì)混合制冷劑HFO-1234ze與HFC-32在不同配比下的熱物性進(jìn)行了模擬計(jì)算，并依據(jù)熱泵熱水器測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)工況，計(jì)算了不同配比下混合制冷劑的理論循環(huán)特性，分析得出了HFO-1234ze／HFC-32較為合適的配比。通過(guò)一次加熱（即熱式）熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)多種環(huán)境工況及不同進(jìn)水溫度進(jìn)行性能測(cè)試，分別對(duì)R410A和混合制冷劑（HFO-1234ze與HFC-32配比0.3／0.7）在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)功率、系統(tǒng)性能系數(shù)、壓縮機(jī)吸、排氣壓力和溫度、冷凝器出水溫度等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：混合制冷劑（HFO-1234ze與HFC-32配比0.3／0.7）的壓縮機(jī)功率和排氣壓力都低于R410A系統(tǒng)，而COP高于R410A系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，分別為4.03和3.56，且在高于標(biāo)準(zhǔn)工況的環(huán)境溫度情況下，混合制冷劑系統(tǒng)COP下降速率低于R410A系統(tǒng)，有利于熱水器機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在替代R410A系統(tǒng)方面具有可行性。

熱泵熱水器；混合制冷劑；實(shí)驗(yàn)工況；性能系數(shù)

近年來(lái)，溫室氣體帶來(lái)的氣候變化及環(huán)境破壞引起了人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視。熱泵熱水器以其高效、環(huán)保的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注［1-2］。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，熱水能耗在建筑能耗中占的比重越來(lái)越大，促進(jìn)了人們對(duì)熱水器產(chǎn)品的環(huán)保節(jié)能需求。我國(guó)2012年6月將其納入了家電的補(bǔ)貼范圍，空氣源熱泵熱水器迎來(lái)了行業(yè)繁榮發(fā)展的黃金時(shí)期［3］。目前空氣源熱泵熱水器廣泛采用R22作為制冷劑，R22屬于氫氯氟烴（HCFCs）類(lèi)制冷劑，對(duì)臭氧層具有破壞作用。《蒙特利爾議定書(shū)》規(guī)定，發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)在2020年淘汰HCFCs的使用，而發(fā)展中國(guó)家可延長(zhǎng)至2030年［4］。國(guó)內(nèi)熱泵熱水器對(duì)R22的替代物氫氟烴（HFCs）R410A，雖然 ODP為零，但 GWP仍然達(dá)到 1924。2014年歐盟修訂的F-gas法規(guī)［5］明確規(guī)定，從2015 年1月1日和2022年1月1日起，分別禁止包含HFCs及其GWP大于150的家用冰箱和冷凍機(jī)及商用冷藏箱和冷凍箱進(jìn)入市場(chǎng)。高GWP的制冷劑已越來(lái)越多的引起關(guān)注且終將被并入淘汰行列［6］，制冷劑從高GWP向低GWP過(guò)渡也成為制冷空調(diào)行業(yè)制冷劑替代的重要研究?jī)?nèi)容。

杜邦公司和霍尼韋爾公司共同開(kāi)發(fā)了新型制冷劑HFO-1234ze，其ODP為0，GWP僅為6，且大氣壽命較短，是一種環(huán)境友好型制冷劑。但純工質(zhì)的HFO-1234ze潛熱值較小，蒸發(fā)壓力較低，導(dǎo)熱系數(shù)偏低，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)的下降，而HFC-32具有較好的熱物性及傳輸特性，擁有較高的理論COP及容積制冷量［7-10］，可作為改善制冷劑HFO-1234ze熱力學(xué)特性與傳輸特性的摻混物［11］。國(guó)外已有學(xué)者Hossain M A等［12-13］對(duì)HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在蒸發(fā)和冷凝下進(jìn)行了單管流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究。

本文在混合制冷劑熱物性理論分析及制冷循環(huán)最佳配比討論的基礎(chǔ)上，通過(guò)熱泵熱水器多工況性能測(cè)試，開(kāi)展整機(jī)運(yùn)行特性方面的研究。

1 理論分析

1.1 混合法則

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于HFO-1234ze及其混合制冷劑的熱力學(xué)狀態(tài)方程已經(jīng)有了一定的研究。用亥姆霍茲（Helmholtz）能量表示的狀態(tài)方程被廣泛用來(lái)描述制冷劑的熱力學(xué)特性參數(shù)，Akasaka R［14］對(duì)基于混合物的亥姆霍茲能量表示的狀態(tài)方程模型進(jìn)行了研究，并結(jié)合已有的工作對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)擬合。亥姆霍茲能量α表示為：

式中：a為摩爾亥姆霍茲能量；T為混合制冷劑溫度；R=8.314472J／（mol·K）為通用氣體常數(shù)；αidmix為理想部分，由下式計(jì)算：

1.2 熱力學(xué)性質(zhì)分析

本文選用了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（USA National Institute of Standard and Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)NIST）發(fā)行的REFPRO9.0制冷劑計(jì)算程序，并應(yīng)用Ryo Akasaka優(yōu)化的KW2模型參數(shù)（如表1所示）對(duì)HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在各配比下制冷劑的熱物性及循環(huán)性能進(jìn)行了計(jì)算，選取的HFC-32／HFO-1234ze配比比率關(guān)系如表2所示。

將各配比下混合制冷劑作為研究對(duì)象，在各配比下的混合制冷劑壓焓圖中，選取飽和液體線上溫度為253.15 K時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力，計(jì)算等壓蒸發(fā)時(shí)的飽和氣體線上的溫度，從而計(jì)算出其溫度滑移列于表3。

表1 REFPRO9.0中的KW2模型參數(shù)Tab.1 The KW2model parameters in REFPRO9.0

表2 HFC-32／HFO-1234ze配比（質(zhì)量百分比）Tab.2 The m ixing ratio of R32／R1234ze（m ass percentage）

表3 不同配比下混合制冷劑定壓蒸發(fā)時(shí)的溫度滑移Tab.3 Temperature glide of m ixed refrigerant under different m ixing ratio

表4 不同配比下混合制冷劑臨界壓力Tab.4 The critical pressure of m ixed refrigerant under different m ixing ratio

由表3可知，不同配比下的混合制冷劑存在不同的溫度滑移，溫度滑移在配比2時(shí)最大，之后隨著HFC-32的增加而逐漸減小。造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于HFC-32與HFO-1234ze的混合物是非共沸制冷劑，隨著配比的變化引起蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生不同露點(diǎn)溫度和泡點(diǎn)溫度，導(dǎo)致兩相區(qū)的范圍變化，這些因素造成了溫度滑移的產(chǎn)生。對(duì)混合制冷劑的臨界壓力進(jìn)行研究，將其列入表4，可以看出，隨著配比中HFC-32含量的不斷增加，混合物的臨界壓力逐漸增高，對(duì)系統(tǒng)承壓性能要求也就越高，從而機(jī)組運(yùn)行安全性降低。

1.3 理論循環(huán)性能分析

熱泵熱水器理論循環(huán)計(jì)算工況的確定參照國(guó)標(biāo)GB／T 23137—2008［15］中有關(guān)熱泵熱水器試驗(yàn)工況的規(guī)定。對(duì)于生活熱水，溫度規(guī)定要高于55℃，更要考慮衛(wèi)生方面的要求，城市用水取自市政自來(lái)水，不必考慮滋生細(xì)菌問(wèn)題。生活中用于洗浴、洗碗、洗衣等，若不使用水箱，熱泵可直接供40℃或45℃熱水，達(dá)到需要的流量［16］。由于本文提供人工環(huán)境測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室容量所限，選配機(jī)組功率較小，且主要通過(guò)比較制冷劑性能展開(kāi)研究，故采用42℃作為即熱式熱泵熱水器出口水溫，取熱泵機(jī)組冷凝溫度為52℃，在標(biāo)準(zhǔn)工況下對(duì)不同配比下的混合制冷劑和 HFC-32，R410A以及HFO-1234ze進(jìn)行理論循環(huán)計(jì)算，測(cè)試工況條件如表5所示。理論循環(huán)計(jì)算過(guò)程中各點(diǎn)的壓力、比焓、比體積、比熵等狀態(tài)參數(shù)均依據(jù) REFPROP9.0軟件的計(jì)算得出，計(jì)算結(jié)果列出如下表6所示。

表5 熱泵熱水器理論循環(huán)計(jì)算工況Tab.5 Theoretical cycle calculation condition of heat pum p water heater

表6 理論循環(huán)性能對(duì)比Tab.6 Performance comparison of theoretical cycle

由幾種制冷劑及HFC-32與HFO-1234ze混合制冷劑的理論循環(huán)分析可知，HFC-32排氣壓力最高，其對(duì)應(yīng)的單位制熱量亦最大，而純HFO-1234ze制冷劑各循環(huán)參數(shù)都較低，HFO-1234ze與HFC-32的混合制冷劑隨著HFC-32含量由配比1增加到配比2，即由10%增加到30%時(shí)，單位制熱量有一個(gè)降低過(guò)程，而理論比功由于壓力的上升而上升，使得制熱系數(shù)降低。當(dāng)HFC-32含量繼續(xù)增加時(shí)，單位制熱量和理論比功呈現(xiàn)持續(xù)增加的形式，雖然純HFO-1234ze在氣相區(qū)等熵線斜率較大，理論比功較小，增加HFC-32會(huì)使得理論比功增大，但由于增加HFC-32同時(shí)也使單位制熱量增加，且增加幅度大于理論比功的增加，使制熱系數(shù)總體上有上升趨勢(shì)。由以上對(duì)比可知，當(dāng)混合制冷劑組成在配比4和配比5時(shí)，制熱系數(shù)高于R410A，單位容積制熱量最為接近，而冷凝壓力卻能低于R410A，循環(huán)性能有所提高，可以替代R410A熱泵系統(tǒng)?？紤]HFO-1234ze的低GWP及低排氣壓力，配比4即HFC-32／HFO-1234ze質(zhì)量比為0.7／0.3時(shí)可作為替代R410A的混合制冷劑配比。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在對(duì)HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑的熱物性及理論循環(huán)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)充注混合制冷劑和R410A的熱泵熱水器進(jìn)行性能測(cè)試，觀察實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行對(duì)比。熱泵熱水器所選用R410A專(zhuān)用壓縮機(jī)，標(biāo)況下功率為1 615 W，冷凝器為套管式換熱器，蒸發(fā)器為7 mm管徑的翅片管式換熱器，用T型熱電偶采集溫度，并在壓縮機(jī)進(jìn)出口安裝壓力變送器。各實(shí)驗(yàn)儀器精度見(jiàn)表7，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖及實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示。

表7 測(cè)量?jī)x器精度Tab.7 The accuracy of measuring instrument

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 23137—2008中有關(guān)熱泵熱水器試驗(yàn)工況的規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試除標(biāo)準(zhǔn)工況外另自擬定5個(gè)工況，為便于敘述及在圖上表達(dá)，下文中統(tǒng)一按工況1～工況6依次表示，其中工況4為標(biāo)準(zhǔn)工況。具體各工況條件見(jiàn)表8所示。

圖1 熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理及測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Schematic diagram and measuring points distribution of the experimental system

圖2 熱泵熱水器系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 The factual picture of heat pump water heater

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析

2.2.1 壓縮機(jī)吸排氣壓力及溫度對(duì)比分析

HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑和R410A在不同工況下的吸排氣溫度及吸排氣壓力分別如圖3和圖4所示。隨著環(huán)境溫度及進(jìn)水溫度的增加，R410A的吸排氣溫度和吸排氣壓力都不斷增加，且混合制冷劑吸排氣壓力均低于R410A，這主要是受到HFO-1234ze的影響，純工質(zhì)HFO-1234ze的吸排氣壓力和溫度均低于R410A。當(dāng)環(huán)境溫度及進(jìn)水溫度不斷增加時(shí)，制冷劑的冷凝效果變差，導(dǎo)致冷凝壓力上升，壓縮機(jī)排氣壓力增大，而壓縮機(jī)的吸氣壓力變化不大，因此在高溫工況下壓比增大，但HFO-1234ze 與HFC-32的混合制冷劑壓比變化明顯低于R410A，較低的壓力是機(jī)組安全運(yùn)行的有力保障。

表8 熱泵熱水器測(cè)試工況Tab.8 The test conditions of heat pum p water heater

圖3 壓縮機(jī)在不同工況下的吸排氣溫度Fig.3 The suction and discharge tem perature of compressor under different conditions

2.2.2 壓縮機(jī)功率及系統(tǒng)COP對(duì)比分析

由圖5和圖6可知，在各工況下，HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑的COP均高于R410A，且R410A 的COP最大值為3.56，混合制冷劑的COP最大值為4.03。隨著工況溫度越來(lái)越高，由于排氣溫度和壓力越來(lái)越高，換熱效果變差，而壓縮機(jī)功率變大，在工況4、工況5、工況6時(shí)，R410A及混合制冷劑的COP值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但混合制冷劑COP下降趨勢(shì)明顯小于R410A。這是因?yàn)榛旌现评鋭┪艢鈮毫Χ驾^低，循環(huán)系統(tǒng)在壓焓圖上的過(guò)熱區(qū)等熵線斜率較大，隨著環(huán)境溫度的升高，壓縮機(jī)功率的變化相對(duì)緩慢，在換熱量變化相差不大時(shí)，系統(tǒng)COP降低的更慢。

圖4 壓縮機(jī)在不同工況下的吸排氣壓力Fig.4 The suction and discharge pressure of compressor under different conditions

圖5 不同工況下的壓縮機(jī)功率Fig.5 The com pressor power under different conditions

圖6 系統(tǒng)在不同工況下的COPFig.6 COP of the system under different conditions

2.2.3 出水溫度測(cè)試及分析

熱泵熱水器制冷劑替代研究不僅要有合適的性能參數(shù)，還要保證一定的出水溫度，圖7所示為制冷劑分別為HFO-1234ze與HFC-32和R410A時(shí)熱泵熱水器在各工況下的進(jìn)出水溫度。

由圖7可知，由于機(jī)組功率較小，熱泵熱水器出水溫度整體偏低，在換熱器及系統(tǒng)匹配上有待進(jìn)一步優(yōu)化。在不同工況下，HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑的出水溫度比R410A的出水溫度略低，但相差不大，只有1～2℃。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看到混合制冷劑機(jī)組的功耗較低，COP較高，尤其是在高溫工況下優(yōu)勢(shì)更為明顯，使得混合制冷劑在替代R410A機(jī)組方面具有可行性，因此與R410A制冷劑相比，混合制冷劑更適合于高溫工況。

圖7 不同工況下的進(jìn)出水溫度Fig.7 The temperature of inlet and outlet water under different conditions

3 結(jié)論

本文選用NIST發(fā)行的REFPRO9.0制冷劑計(jì)算程序，應(yīng)用Ryo Akasaka優(yōu)化的KW2模型參數(shù)計(jì)算并對(duì)比分析了HFO-1234ze和HFC-32的混合制冷劑與R410A的熱物理性質(zhì)，計(jì)算了HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在不同配比下的理論循環(huán)，分析得出HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑配比為0.3／0.7時(shí)，單位容積制熱量與R410A最為接近，且制熱系數(shù)更高，而冷凝壓力卻低于 R410A，循環(huán)性能有所提高。

對(duì)該配比下HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑及R410A制冷劑應(yīng)用于熱泵熱水器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)不同工況下HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑及R410A熱泵熱水器的運(yùn)行參數(shù)特性分析。結(jié)果表明：HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑系統(tǒng)的運(yùn)行壓力低于 R410A系統(tǒng)，但性能系數(shù) COP高于R410A，且HFO-1234ze與HFC-32混合制冷劑在高于標(biāo)準(zhǔn)工況的環(huán)境溫度時(shí)，COP下降更為緩慢，性能優(yōu)勢(shì)更為明顯，可為熱泵熱水器的制冷劑替代提供可行性參考。

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About the author

Chen Hongqun，male，master candidate，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 15901822926，E-mail：chenhonqun＠163.com. Research fields：new environmental protection refrigerant substitution，refrigeration system test.

Experimental Study of HFO-1234ze and HFC-32 Mixture on Heat Pump Water Heater

Chen Hongqun Wang Fang Ou Junyan Wang Tao Yu Dawei Wang Ying

（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Based on REFPRO 9.0 and KW2 model parameters，the thermophysical properties of mixing refrigerant HFO-1234ze／HFC-32 were calculated in this paper，and the cycle performance of mixed refrigerant in different ratios was figured out according to the heat pump water heater test standard.The results showed that the optimal mixture ratio is 0.3／0.7.With this ratio，the performance of heat pump water heater in different operating conditions were conducted and compared with R410A.The results indicate that the mixed refrigerant′s compressor power consumption and discharge pressure are lower than R410A system，which is conducive to the safe and stable operation of the water heater；under the standard condition，the COP is 4.03 which is higher than R410A′s 3.56；meanwhile the decline rate of COP is lower than R410A when the temperature is higher than the standard condition.Therefore，the mixed refrigerant is feasible to replace R410A.

heat pump water heater；mixed refrigerants；test conditions；COP

TB61+2；TQ051.5

A

0253-4339（2016）06-0020-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.020

陳紅群，男，碩士研究生，上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，15901822926，E-mail：chenhonqun＠163.com。研究方向：新型環(huán)保制冷劑替代，制冷系統(tǒng)測(cè)試。

2016年3月16日