彭 斌，王永強(qiáng)

（蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)是一種可再生能源利用系統(tǒng)[1]。制冷劑的選取對(duì)空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)控具有重要意義。

隨著人們生活水平的提高，環(huán)境保護(hù)逐漸成為選擇制冷劑的一個(gè)重要因素[2]。臭氧層零損耗、無溫室效應(yīng)已成為選取制冷劑時(shí)首先要考慮的因素。傳統(tǒng)制冷劑R22的排放會(huì)破壞臭氧層，并導(dǎo)致溫室效應(yīng)，因此對(duì)新型制冷劑的研究變得極為重要。目前，對(duì)R22替代物的研究主要分為自然工質(zhì)和合成工質(zhì)兩個(gè)方向[3]。自然工質(zhì)以R290，R600a，CO2為主；合成工質(zhì)以R410A，R407C，R134a為主。在環(huán)境溫度較低的工況下，太陽能復(fù)合式空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)可改善空氣源熱泵的低溫制熱性能[4]。艾澤健研究了熱虹吸型散熱器與空氣源熱泵復(fù)合供熱系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，分析結(jié)果表明，當(dāng)室外溫度為-3.2℃時(shí)，該復(fù)合供熱系統(tǒng)COP的平均值約為2.82，比電鍋爐和燃煤鍋爐更加經(jīng)濟(jì)[5]。

混合制冷劑可使幾種制冷劑形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提高空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的性能參數(shù)。目前，混合制冷劑的研究主要在制冷空調(diào)領(lǐng)域，對(duì)于空氣源熱泵領(lǐng)域的研究較少[6]。范曉偉研究了以R22，R744/R600混合物作為制冷劑時(shí)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，分析結(jié)果表明，與R22相比，以R744/R600混合物為制冷劑時(shí)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的制熱量、排氣溫度等性能更優(yōu)[7]。李丹通過試驗(yàn)分析了以R22以及由R417A與R22組成的混合物（配比為7∶3）為制冷劑的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，以R417A/R22作為循環(huán)工質(zhì)時(shí)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的吸、排氣壓力，排氣溫度和壓縮機(jī)運(yùn)行功率均低于以R22作為制冷劑時(shí)[8]。王團(tuán)結(jié)以R1234ze和R32混合物作為空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的制冷劑，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，R1234ze和R32按45∶55的比例進(jìn)行混合時(shí)，該空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的單位質(zhì)量制熱量和容積制熱量比以R22作為制冷劑時(shí)分別增加了3.59%和27.59%，排氣溫度和壓力比均減小了[9]。綜上可知，利用混合制冷劑替代R22具有可行性，但關(guān)于環(huán)境影響指數(shù)、熱力學(xué)性能、安全性等方面的研究較少。

本文根據(jù)Refprop 9.1軟件提供的制冷劑物性數(shù)據(jù)，從滑移溫度特性出發(fā)，求出混合制冷劑的最佳混合比例，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果從理論上對(duì)混合制冷劑的性能進(jìn)行了全面分析，比較了混合制冷劑和R22的常見替換制冷劑的性能參數(shù)。

1 混合制冷劑的特點(diǎn)

1.1 環(huán)保和安全特性

選取R22的替代制冷劑時(shí)，應(yīng)符合零ODP、低GWP和高安全等級(jí)的要求[10]。幾種制冷劑的特性參數(shù)、安全等級(jí)以及應(yīng)用時(shí)存在的缺點(diǎn)如表1所示[11]。

表1 幾種制冷劑的特性參數(shù)、安全等級(jí)以及應(yīng)用時(shí)存在的缺點(diǎn)Table 1 Environmental Impact and safety characteristics of several refrigerants

由表1可知，R290和R152a的單位摩爾質(zhì)量較小，制冷劑的單位摩爾質(zhì)量與其充注量近似成正比，故選用由R290和R152a組成的混合制冷劑時(shí)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中制冷劑需要的充注量較少；R290和R152a的ODP，GWP均較低，當(dāng)R290或R152a與R1234ze混合時(shí)，在環(huán)保和安全方面均有較大優(yōu)勢(shì)[10]。

1.2 滑移溫度

非共沸混合工質(zhì)具有滑移屬性。較小的滑移溫度有利于減少傳熱不可逆損失，提高系統(tǒng)循環(huán)性能。較小滑移溫度的非共沸混合工質(zhì)可以視為純工質(zhì)或近共沸混合工質(zhì)，使用時(shí)可以降低空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)維修保養(yǎng)的難度[13]。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)條件下，可以根據(jù)混合制冷劑的零滑移溫度選出最佳的混合制冷劑配比。混合制冷劑R1234ze/R152a的露點(diǎn)溫度、泡點(diǎn)溫度、滑移溫度隨R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 混合制冷劑R1234ze/R152a的露點(diǎn)溫度、泡點(diǎn)溫度、滑移溫度隨R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)Fig.1 The variation trend of dew point temperature，bubble point temperature and slip temperature of R1234ze/R152a with R152a mass fraction

由圖1可知:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)條件下，混合制冷劑的泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度隨R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)大致相同，當(dāng)R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%時(shí)，泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度幾乎重合；隨著R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，混合制冷劑的滑移溫度均小于0.6℃，當(dāng)R152a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%時(shí)，滑移溫度接近于0。

在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)名義工況下，R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度隨R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)名義工況下，混合制冷劑R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度隨R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)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

由圖2可知:在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)名義工況下，R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度均低于0.6℃；當(dāng)R152a質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于70%時(shí)，混合制冷劑R1234ze/R152a在蒸發(fā)器和冷凝器中的滑移溫度低于0.05℃，因此，混合制冷劑R1234ze/R152a可視為一種近共沸混合制冷劑。由圖1，2可知，可以利用配比為7∶3的R152a/R1234ze代替R22。此外，利用相同的分析方法能夠確定，可以利用配比為3∶2的R152a/R134a以及配比為7∶3的R1234ze/R290代替R22。

1.3 飽和蒸氣壓力

從熱力學(xué)性能來看，R22的替代制冷劑應(yīng)與R22具有相似或接近的飽和壓力線，這樣二者的熱力學(xué)性能可以達(dá)到一致。若替代制冷劑的飽和蒸氣壓力低于R22，則不僅可以減少對(duì)空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造，還可以減小該系統(tǒng)因傳熱溫差引起的熱能損失，從而提高該系統(tǒng)的能源利用率和替換制冷劑的經(jīng)濟(jì)性[13]。R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣壓力隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣壓力隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)Fig.3 The change trend of saturated vapor pressure of R22 common replacement refrigerants and mixed refrigerants with ambient temperature

由圖3可知，各制冷劑的飽和蒸氣壓力隨著環(huán)境溫度的升高而升高，且具有相同的變化趨勢(shì)，但混合制冷劑R290/R1234ze的飽和蒸氣壓力更加接近于R22，因此，利用R290/R1234ze代替R22時(shí)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的熱力學(xué)性能更具優(yōu)勢(shì)。由圖3還可看出，R410A的飽和蒸氣壓力較大，利用該制冷劑替代R22時(shí)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的改動(dòng)較大。

1.4 飽和液體密度

R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和液體密度隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和液體密度隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)Fig.4 The change trend of the saturated liquid density of R22 common replacement refrigerants and mixed refrigerants with ambient temperature

由圖4可知，各制冷劑的飽和液體密度隨環(huán)境溫度的升高而呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)，其中混合制冷劑R290/R1234ze的飽和液體密度約為其他制冷劑的1/2。飽和液體的密度與單位摩爾質(zhì)量有關(guān)，R290和R152a的單位摩爾質(zhì)量分別為R22的49%，24%。對(duì)于內(nèi)容積相同的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，制冷劑在冷凝器和儲(chǔ)液罐中主要以液態(tài)形式存在。當(dāng)飽和液體密度較低時(shí)，可以減少該系統(tǒng)的充注量。由于R290/R1234ze的飽和液體密度為R22的50%～55%，因此，相比于R22，R290/R1234ze可以節(jié)省約1/2的充注量。

1.5 飽和蒸氣比熱容

R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣比熱容隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的飽和蒸氣比熱容隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)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

由圖5可知，各制冷劑的飽和蒸氣比熱容隨著環(huán)境溫度的升高而升高。R140A和混合制冷劑R290/R1234ze的飽和蒸氣比熱容高于R22；在壓縮機(jī)做功相同的條件下，使用飽和蒸氣比熱容較大的制冷劑時(shí)，壓縮機(jī)溫升較小，排氣溫度較低。因此，使用混合制冷劑能夠減小壓縮機(jī)的排氣溫度，提高空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的整體性能，延長壓縮機(jī)的使用壽命。

1.6 冷凝溫度

冷水加熱過程中，熱水溫度和冷凝溫度的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑冷凝壓力隨熱水溫度變化趨勢(shì)見圖6。

圖6 R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的冷凝壓力隨熱水溫度的變化趨勢(shì)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

由圖6可知:在將冷水加熱到55℃的過程中，制冷劑的冷凝壓力隨著熱水溫度的升高而升高；R140A和R407C的冷凝壓力高于R22，因此，在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中利用R140A和R407C代替R22時(shí)，須要增大系統(tǒng)的承壓能力；其他制冷劑的冷凝壓力小于R22，在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中，利用這些制冷劑代替R22時(shí)，系統(tǒng)的承壓能力無須改變；混合制冷劑R290/R1234ze冷凝壓力的漸變過程更加接近R22。

2 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)性能分析

2.1 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的簡易模型

空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器。其工作原理為逆卡諾循環(huán)，蒸發(fā)器從空氣中吸收大量低溫?zé)嵩词箓鳠峁べ|(zhì)蒸發(fā)，蒸發(fā)后的工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，再通過冷凝器換熱制取生活用水，換熱后的冷凝液通過膨脹閥回到蒸發(fā)器，再次被蒸發(fā)，如此往復(fù)循環(huán)下去。

空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的循環(huán)原理圖如圖7所示。

圖7 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的循環(huán)原理圖Fig.7 Circulation principle diagram of air source heat pump water heater system

2.2 理論循環(huán)的工況

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》規(guī)定的名義工況[14]，設(shè)定冷水進(jìn)水溫度和熱水出水溫度分別為15，55℃，干、濕球溫度分別為20，15℃。根據(jù)機(jī)組的名義工況，假定理論蒸發(fā)、冷凝溫度分別為10，56℃，吸氣溫度為15℃，過冷度為10℃。

2.3 循環(huán)性能分析

作為R22的替代制冷劑最基本的要求是低ODP和GWP、低壓縮比和排氣溫度、高安全等級(jí)、制熱系數(shù)和單位容積制熱量高于或接近R22。低壓縮比有利于減少壓縮機(jī)功耗，低排氣溫度的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)可以減少對(duì)壓縮機(jī)的損耗，延長潤滑油和壓縮機(jī)壽命，有助于熱泵機(jī)組的穩(wěn)定工作；排氣溫度過高會(huì)使壓縮機(jī)中潤滑油的環(huán)境惡化，導(dǎo)致潤滑油分解變質(zhì)，甚至結(jié)焦[8]。

在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的名義工況下，調(diào)用Refprop9.1數(shù)據(jù)庫中各制冷劑的物性參數(shù)，空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)使用的混合制冷劑、R22及其常見替換制冷劑的理論循環(huán)性能參數(shù)見表2。

表2混合制冷劑、R22及其常見替換制冷劑的理論循環(huán)性能參數(shù)Table 2 Theoretical cycle performance parameters of mixed refrigerants，R22 and common alternative refrigerants

續(xù)表2

由表2可知:混合制冷劑R290/R1234ze的壓比最低，其他制冷劑的壓比均高于R22；從壓比出發(fā)，混合制冷劑R290/R1234ze是R22的最佳替代制冷劑；從冷凝壓力和蒸發(fā)壓力出發(fā)，幾種混合制冷劑均具有優(yōu)勢(shì)；綜合考慮冷凝、蒸發(fā)壓力和壓比發(fā)現(xiàn)，混合制冷劑R290/R1234ze替代R22的優(yōu)勢(shì)較為明顯；工作壓力過高時(shí)，須要對(duì)管道和部件進(jìn)行承壓處理，不能直接用于以R22作為制冷劑的系統(tǒng)；在單位質(zhì)量制熱量方面，幾種混合制冷劑均高于R22，由于混合制冷劑吸氣比熱容低于R22，導(dǎo)致混合制冷劑的單位容積制熱量低于R22，其中，R290/R1234ze的單位容積制熱量接近R22；R410A的單位容積制熱量較高，冷凝壓力和GWP也較高。

由表2還可以看出:混合制冷劑R1234ze/R152a，R152a/R134a的COP高于R22；混合制冷劑R290/R1234ze的COP為R22的90%；R410A，R407C的COP值低于R22。相比于以R22為工質(zhì)的壓縮機(jī)，以混合制冷劑為工質(zhì)的壓縮機(jī)的功耗均較高，排氣溫度均較低。低排氣溫度能夠保證壓縮機(jī)正常工作以及空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 安全性和經(jīng)濟(jì)性分析

在安全性方面，R290具有易燃、易爆性，安全等級(jí)為A3級(jí)。童明偉對(duì)R290的易燃、易爆性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn) 制冷機(jī)組中R290幾乎不會(huì)發(fā)生爆炸和燃燒，R290若要發(fā)生爆炸和燃燒必須同時(shí)滿足2個(gè)條件，即空氣的混合濃度達(dá)到2.5%～8.9 %，并且溫度在810℃以上[16]。R152a具有微燃性，當(dāng)R152a在空氣中的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4.5%～21.8%時(shí)，會(huì)發(fā)生燃燒現(xiàn)象。R134a的自燃溫度為770℃，不具有可燃性，將R134a與R152a相混合，可以降低R152a的可燃性[10]。R1234ze不可燃、無毒且具有阻燃性，因此，常常作為抑燃劑以降低可燃工質(zhì)的可燃性，常見的可燃物包括碳?xì)浠衔铮≧152a，R32，丙烷、乙烷等）、氫氟碳化合物、環(huán)氧乙烷等。

在經(jīng)濟(jì)性方面，R290廣泛存在于石油、天然氣中，提煉方便，一般作為副產(chǎn)品出現(xiàn)，市場價(jià)格較低；R407C和R410A的市場價(jià)格遠(yuǎn)高于R134a，但R152a的市場價(jià)格低于R134a，因此，混合制冷劑R152a/R134a的經(jīng)濟(jì)性較好[13]。

3 結(jié)論

本文研究了以R22及其常見替換制冷劑、混合制冷劑的各項(xiàng)性能，得到如下分析結(jié)果。

①在環(huán)境安全方面，混合制冷劑的ODP，GWP均較低，對(duì)環(huán)境的影響均較小；雖然R290和R152a具有可燃性，但二者與R1234或R134a混合后,可燃性相對(duì)降低；R1234ze的GWP較低，與其他制冷劑混合時(shí)可降低混合制冷劑的GWP[17]。

②R290和R1234ze以7∶3的比例混合時(shí)，滑移溫度接近于0，可以當(dāng)成近共沸混合制冷劑；混合制冷劑R290/R1234ze的飽和蒸氣壓低于R22，飽和液體密度約為R22的1/2，可節(jié)省1/2的充注量，飽和蒸氣比熱容大于R22，在壓縮機(jī)做功相同時(shí)，溫升較小，排氣溫度較低。

③在理論循環(huán)性能方面，混合制冷劑R290/R1234ze的COP為R22的90%，但在壓比和排氣溫度上優(yōu)于R22。

綜上可知，混合制冷劑R290/R1234ze替代R22在理論上是可行的，較其他幾種制冷劑更具有潛力。