張慶倫，姚卉，劉培沖，于同山

(大連斯頻德環(huán)境設(shè)備有限公司，遼寧 大連 116033)

0 引言

近日，2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布，哈塞爾曼和真鍋淑郎因“對(duì)地球氣候的物理建模，來量化變異性和可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”而獲得表彰。全球變暖問題已日益嚴(yán)峻，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，目前普遍認(rèn)為這與人類活動(dòng)及溫室氣體排放有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，2015年12月，第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)通過《巴黎協(xié)定》，確立2020年后以“國家自主貢獻(xiàn)”目標(biāo)為主體的國際應(yīng)對(duì)氣候變化機(jī)制安排，各方承諾將全球平均氣溫增幅控制在低于2 ℃的水平，并向1.5 ℃ 溫控目標(biāo)努力。2016年10月，《蒙特利爾議定書》 第28次締約方大會(huì)上正式通過了《基加利修正案》，將18種氫氟烴(HFCs)類物質(zhì)納入管控范疇[1]，并規(guī)定了具體的逐步淘汰時(shí)間表。自2024年起，我國受控用途的HFCs生產(chǎn)量和使用量將被凍結(jié)在基線水平，2029年削減10%，2035年削減30%，2040年削減50%，預(yù)計(jì)到2045年不超過基線20%[2]。

很多HFCs類物質(zhì)，因不破壞臭氧層、熱物性優(yōu)良、來源廣泛，安全性和適用度較好，而被大量應(yīng)用于供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)(HVAC)領(lǐng)域[3-4]。以R410A為例，是由HFC-32和HFC-125按等質(zhì)量比組成的二元混合物，目前被廣泛應(yīng)用于多種制冷熱泵系統(tǒng)中。國內(nèi)外各大制冷空調(diào)設(shè)備制造商大多有R410A機(jī)型產(chǎn)品。斯頻德主營產(chǎn)品是冷卻塔與精密空調(diào)，以R410A為制冷劑的產(chǎn)品制冷量涵蓋2.8 kW至32 kW。

然而，學(xué)術(shù)研究表明R410A的溫室效應(yīng)潛能值(GWP)是CO2的2 088倍[5]，在“碳達(dá)峰”和“碳中和”背景下，從能源、技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展角度，有必要研究新型環(huán)保R410A替代物。

1 R410A替代物的基礎(chǔ)熱物性

本研究基于“直接灌注式”制冷劑替代技術(shù)[6-7]，研發(fā)出一種新型環(huán)保三元替代物，并兼顧考慮成本、碳排放以及行業(yè)熟悉度因素，最大程度地兼容使用原R410A熱泵系統(tǒng)的零部件。三元替代物使用了GWP小于1的氫氟烯烴(HFO)組元和火焰壓制能力更優(yōu)的阻燃組元，同時(shí)保留了一定比例的HFC-32。三元替代物的直接GWP值約554，相對(duì)分子量約58.9 g·mol-1，臨界溫度、臨界壓力和臨界密度的估算值分別約為79.5 ℃、5.77 MPa以及454.3 kg·mol-1。

圖1示出了 R410A及其替代物的溫度-壓力對(duì)比關(guān)系，二者非常貼近，滿足最基本的技術(shù)要求。局部放大后，可以看到經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在相同溫度下，R410A的飽和蒸氣壓“恰好”位于替代物的氣液壓力和液相壓力之間。同R410A的歸類一樣，三元替代物也是一種非共沸混合物，其不同壓力下的溫度滑移分析結(jié)果如圖2所示。

圖1 R410A及替代物的溫度-壓力對(duì)比關(guān)系

在熱泵系統(tǒng)工作壓力范圍內(nèi)，三元替代物的溫度滑移隨壓力的升高而逐漸降低，如圖2所示，最大溫度滑移約1.6 ℃，而當(dāng)壓力達(dá)到3 MPa及以上后，溫度滑移低于1 ℃。圖2還示出，三元替代物的定壓比熱容(Cp)在壓力低于2.6 MPa的主要工作區(qū)域內(nèi)是略高于R410A的；而在高壓區(qū)域，三元替代物的定壓比熱容略低于R410A。

圖2 R410A及替代物的溫度滑移與比熱關(guān)系

圖3示出了R410A及其三元替代物的兩個(gè)重要輸運(yùn)性質(zhì)參數(shù)—導(dǎo)熱系數(shù)和液相黏度的對(duì)比分析結(jié)果。在-50 ℃至60 ℃溫度范圍內(nèi)，三元替換物具有更大的導(dǎo)熱系數(shù)，這有利于換熱器的緊湊化；而在10 ℃以下，三元替代物的液相黏度更低，因而在低溫?fù)Q熱器管內(nèi)的流動(dòng)性要優(yōu)于R410A。

圖3 R410A及替代物的熱系數(shù)和黏度的對(duì)比關(guān)系

2 制冷/制熱循環(huán)性能分析

如前所述，本研究所提出的新型環(huán)保三元替代物滿足了“直接灌注式”制冷劑替代技術(shù)的基本要求，與被替代物R410A相比，表現(xiàn)出較好的環(huán)保性、基礎(chǔ)熱物性與輸運(yùn)性質(zhì)。進(jìn)一步地，以美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)開發(fā)的Cycle_D-HX模型為基礎(chǔ)[8]，補(bǔ)充數(shù)據(jù)，進(jìn)而在8種制熱/制冷工況下，分別估算了R410A及三元替代物的理論循環(huán)性能。

關(guān)鍵條件設(shè)置如下：在四種制熱工況下，蒸發(fā)器出口溫度分別設(shè)置為-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃和-10 ℃；在四種制冷工況下，蒸發(fā)器出口溫度分別設(shè)置為-5 ℃、 0 ℃、5 ℃和10 ℃。此外，都調(diào)控了冷凝器出口溫度比蒸發(fā)器高出40 ℃，對(duì)冷、熱源溫差做了統(tǒng)一化處理。過冷度和過熱度皆為5 ℃，換熱器△T都設(shè)置為8 ℃，壓縮機(jī)的綜合效率為0.83，機(jī)組制冷量為5 kW。

如圖4所示，三元替代物的制冷/制熱性能系數(shù)(COP)在所有工況下都高于R410A，特別是在制冷模式下，節(jié)能效果更加優(yōu)秀，平均節(jié)能率超過3個(gè)百分點(diǎn)。在所有工況下，三元替代物的單位容積制冷/制熱量(Qv)都明顯高于R410A，最大可達(dá)108%，這為保持原壓縮機(jī)缸徑或是優(yōu)選更小缸徑奠定可能。

圖4 R410A及替代物的COP和Qv對(duì)比關(guān)系

如圖5所示，三元替代物的冷凝壓力(Pc)與R410A基本相當(dāng)，且呈略低狀態(tài)，這得益于充分利用各組元的氣液相特點(diǎn)所進(jìn)行的組分優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，在原R410A系統(tǒng)中直接替換灌注三元替代物，無需擔(dān)憂整套制冷系統(tǒng)的高壓部件—冷凝器的承壓問題。

圖5 R410A及替代物的冷凝壓力和循環(huán)量對(duì)比關(guān)系

如圖5所示，對(duì)比制冷劑質(zhì)量流率(MFL)可知，當(dāng)制冷量相同時(shí)，三元替代物的理論循環(huán)量平均比R410A低25%。而且在純制冷模式下，MFL值的削減量更大。因而，兼顧考慮制冷劑的直接GWP值和同冷量下的制冷劑循環(huán)量，三元替代物的當(dāng)量溫室效應(yīng)潛能值能夠比R410A低80%，減排量非常顯著。

需要注意的是，使用三元替代物時(shí)，壓縮機(jī)的排氣溫度要明顯高于R410A，如圖6所示。雖然相比于制冷模式，在制冷模式下此問題有所緩解，但排氣溫度提高的問題仍舊不容忽視。仍需注意做好壓縮機(jī)散熱、系統(tǒng)高溫自動(dòng)保護(hù)措施[9]，還需要考慮到潤滑油、非金屬件的耐熱性問題。

圖6 R410A及替代物的壓縮機(jī)排氣溫度對(duì)比關(guān)系

此外，另一個(gè)需要注意的問題是，三元替代物的安全性分類可能是A1類(標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下未見火焰?zhèn)鞑?。但如果阻燃組元在混合物中的摩爾比過低，則會(huì)轉(zhuǎn)變成A2L類(微可燃)，此時(shí)相關(guān)操作需要滿足國標(biāo)GB/T 9237—2017 《制冷系統(tǒng)及熱泵安全與環(huán)境要求》的具體規(guī)定，特別是有關(guān)制冷劑的最大允許充注量以及安全防護(hù)等問題。

3 結(jié)語

本文基于“直接灌注式”制冷劑替代技術(shù)，探討了熱泵系統(tǒng)在制冷和制熱兩種模式下的R410A制冷劑替代問題，得到以下主要結(jié)論：(1)本研究所提出的R410A三元替代物具有良好的熱力學(xué)性能、傳熱與流動(dòng)性能、理論循環(huán)性能、以及節(jié)能與減排性能，具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?2)本研究所提出的R410A三元替代物可以同時(shí)適用于制冷與制冷模式，且制冷模式下，對(duì)R410A的替代效果更佳，契合了精密空調(diào)產(chǎn)品的工作條件。(3)本研究所提出的R410A三元替代物具有較低的GWP值，具有發(fā)展?jié)摿?。而在?shí)際推廣使用前，需要開展真機(jī)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握其制冷性能，并在機(jī)組安全防護(hù)方面做細(xì)致強(qiáng)化。