基于R134a 和R152a 制冷劑的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)性能對比

劉鳳國，田長飛，張 鑫

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

熱泵系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于制冷劑的選擇.目前，大部分的制冷劑在使用過程中都會加劇全球變暖.2019 年，《蒙特利爾議定書基加利修正案》的實(shí)施，對高全球變暖潛值的制冷劑使用產(chǎn)生重大影響，該修正案指出，高全球變暖潛值的制冷劑將逐步淘汰[1].因此，尋找替代目前高全球變暖潛值的制冷劑是十分必要的.R134a 是制冷空調(diào)領(lǐng)域使用最廣泛的制冷劑之一，其全球變暖潛值為1301[2]，因此需要尋找一種全球變暖潛值較低的制冷劑來替代.根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)顯示，R290、R600a、R436a、R152a、R1234ze（E）和R1234yf可以作為高全球變暖潛值的替代物[3]. 同時(shí)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)指出，R152a 是低全球變暖潛值純飽和氫氟碳化合物最有前景的替代品之一，GWP 值僅為130[4].近年來，國內(nèi)外學(xué)者對R152a 進(jìn)行了廣泛的研究，Sanchez 等[5]測試了5 種低全球變暖潛值制冷劑，并與R134a 進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示R152a 比其他制冷劑更適合替代R134a. Serevina 等[6]發(fā)現(xiàn)，與R134a 相比，R152a 在汽車空調(diào)中使用可以明顯提高性能.Direk 等[7]通過對R152a、R444a 和R134a 的測試，也證實(shí)了在汽車空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中，使用R152a 的系統(tǒng)具有最高的COP 和最大的制冷量.Hasheer 等[8]將制冷劑R1234ze（E）、R1234yf 和R152a 應(yīng)用在家用冰箱中并進(jìn)行了熱力學(xué)分析.結(jié)果表明，R152a 和R1234yf 是替代R134a 的兩種選擇.Bellos 等[9]對使用制冷劑R152a的熱泵系統(tǒng)在不同工況下進(jìn)行了參數(shù)化研究.結(jié)果表明，R152a 熱泵系統(tǒng)具有較好的制冷性能，是環(huán)保制冷系統(tǒng)的一種選擇.Nie 等[10]比較了R32、R134a、R143a、R152a 在空氣源熱泵上的制熱性能，結(jié)果證明R152a的COP 高于其他制冷劑.

由于燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)熱回收過程的存在，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的循環(huán)特性與常規(guī)熱泵有很大的不同.因此，有必要對R152a 在燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)上進(jìn)行比較研究.本文基于水源燃?xì)鈾C(jī)熱泵實(shí)驗(yàn)裝置，對比分析燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)使用R152a 和R134a 的制熱性能、能源消耗和一次能源率的影響，從而為燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)制冷劑選擇提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 系統(tǒng)描述

圖1 是燃?xì)鈾C(jī)熱泵原理及測點(diǎn)位置.包括四個(gè)循環(huán)：制冷劑循環(huán)、余熱回收循環(huán)、冷凍水循環(huán)以及冷卻水循環(huán).圖2 為燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)測試平臺.該實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬用戶負(fù)荷變化，由燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動壓縮式熱泵進(jìn)行制冷、供暖；由冷卻水水循環(huán)進(jìn)行回收冷凝器和余熱換熱器中的熱量，多余的熱量由冷卻塔散掉.水-水換熱器用于中和冷凍水和冷卻水的熱量，調(diào)節(jié)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度.測量儀器的型號和規(guī)格見表1.

表1 測量儀器的型號和規(guī)格

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器流程

圖2 水源燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)實(shí)物

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試工況，在系統(tǒng)開機(jī)之前先將冷凍水流量調(diào)至5.5 m3/h 左右，將冷卻水流量調(diào)至7.1 m3/h左右，待開機(jī)后根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行微調(diào)，調(diào)好之后啟動燃?xì)獍l(fā)動機(jī)，待燃?xì)獍l(fā)動機(jī)冷卻水溫度上升至75 ℃時(shí)，閉合電磁離合器，帶動壓縮機(jī)，啟動燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng).待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)測試.分別對比兩種制冷劑在相同冷卻水進(jìn)口溫度和相同排氣壓力下的燃?xì)鈾C(jī)熱泵性能.在相同冷卻水進(jìn)口溫度下（38 ℃），保持冷凍水流量為5.56 m3/h，冷卻水流量為7.15 m3/h，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min，改變蒸發(fā)器進(jìn)水溫度（13～19 ℃）；在相同的排氣壓力下，使用R134a 工質(zhì)的系統(tǒng)冷卻水進(jìn)口溫度保持38 ℃，使用R152 工質(zhì)的系統(tǒng)冷卻水進(jìn)口溫度保持45 ℃，并保持冷凍水流量為5.56 m3/h，冷卻水流量為7.15 m3/h，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min，改變蒸發(fā)器進(jìn)水溫度（13～19 ℃）.對于變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)工況與以上實(shí)驗(yàn)工況基本一致，不同的是，此實(shí)驗(yàn)保持蒸發(fā)器進(jìn)水溫度16 ℃不變，逐漸改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（1200～1600 r/min）.以上實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)都是在燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定3 min 后測得，并通過PLC 記錄.

2 數(shù)據(jù)分析

燃?xì)鈾C(jī)熱泵的的燃?xì)庀牧?、系統(tǒng)總產(chǎn)能和一次能源利用率是評價(jià)燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)性能的重要參數(shù).本實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)通過refprop9.0 和MATLAB 程序進(jìn)行分析[11].

燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的制熱量可以通過冷凝器水側(cè)的進(jìn)出水溫度和質(zhì)量流量確定.制熱量的表達(dá)式如下

式中：Qcon是制熱量，kW；cp，w是水的定壓比熱容，kJ/kg·K；mw是水的質(zhì)量流量，kg/s；Tcon，in和Tcon，out分別為冷凝器進(jìn)出水溫度，°C.

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)余熱回收量可以描述為

式中：Qeng是發(fā)動機(jī)余熱回收量，kW；Tw，in和Tw，out分別為余熱換熱器進(jìn)出水溫度，°C.

燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)總產(chǎn)能包括制熱量和發(fā)動機(jī)余熱回收量，公式如下

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的燃?xì)庀牧靠梢酝ㄟ^天然氣體積流量和低熱值來定義，具體公式如下

式中：Qgas是燃?xì)庀牧浚琸W；Vgas是天然氣體積流量，m3/s；LHV 是天然氣低熱值，36750 kJ/m3[12].

燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的一次能源利用率為系統(tǒng)總產(chǎn)能與燃?xì)庀牧康谋戎?，公式如?/p>

3 結(jié)果與討論

本文研究了燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)分別采用R134a 和R152a 時(shí)的系統(tǒng)性能，分析了系統(tǒng)在不同蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和轉(zhuǎn)速下的性能變化規(guī)律.在蒸發(fā)器進(jìn)水溫度變化的工況下，分別保持冷卻水進(jìn)口溫度（38 ℃）和壓縮機(jī)排氣壓力（1.32 MPa）的恒定，分析了蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對熱水水溫、燃?xì)庀牧?、系統(tǒng)總產(chǎn)能以及系統(tǒng)一次能源利用率的影響.并進(jìn)一步測試了恒定壓縮機(jī)排氣壓力（1.26 MPa）下，轉(zhuǎn)速變化對燃?xì)鈾C(jī)熱泵的熱水溫度、燃?xì)庀牧亢鸵淮文茉蠢寐实挠绊?

3.1 典型工況分析

在蒸發(fā)器進(jìn)水溫度為16℃，冷卻水流量為7.15m3/h，冷凍水流量為5.56 m3/h，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min 條件下，對比了兩種制冷劑在不同冷卻水進(jìn)口溫度下的制冷劑性能.使用R134a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的冷卻水進(jìn)口溫度為38 ℃，使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的冷卻水進(jìn)口溫度為38 ℃和45 ℃.表2 是該測試工況下的測試數(shù)據(jù).并通過REFPROP 繪制了三種試驗(yàn)條件下的壓焓圖，如圖3 所示.

表2 典型工況下的試驗(yàn)結(jié)果

從圖3 可以看出，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度為38 ℃時(shí)，R152a 的冷凝溫度為49 ℃，R134a 的冷凝溫度為50℃.其中，兩種制冷劑的蒸發(fā)溫度均為4 ℃.從圖3 的壓焓圖中可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，使用R152a的系統(tǒng)焓差明顯高于使用R134a 的系統(tǒng).這是因?yàn)樵谙嘧冞^程中，R152a 的進(jìn)出口比焓大于R134a.在冷卻水進(jìn)口溫度為38 ℃時(shí)，R134a 的蒸發(fā)壓力高于R152a.為了便于比較，本文還繪制了蒸發(fā)器進(jìn)水溫度為16 ℃，冷卻水流量為7.15 m3/h，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min 條件下冷卻水進(jìn)口溫度為45 ℃時(shí)R152a 的壓焓圖. 此時(shí)，蒸發(fā)溫度為4 ℃，冷凝溫度為55 ℃.R152a 的排氣壓力與冷卻水進(jìn)口溫度為38 ℃時(shí)R134a 的排氣壓力基本相同，但R152a 的冷凝溫度高于R134a.所以在相同的冷凝壓力下，由于R152a 比R134a 具有更高的冷凝溫度，R152a 在制取更高溫的熱水方面有更大的優(yōu)勢.

圖3 R134a 和152a 的壓焓圖

3.2 蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的影響

圖4-5 表示了蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對熱水溫度和排氣壓力的影響.此時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min，冷卻水流量為7.15 m3/h，冷卻水進(jìn)水溫度為38 ℃，冷凍水流量為5.53 m3/h.從圖4 可以看出，隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的增加，R152a 和R134a 的熱水溫度升高. 如圖4a所示，在相同冷卻水進(jìn)口溫度下，當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度從12.8 ℃增加到19.1 ℃時(shí)，使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵熱水溫度從46.7 ℃增加到47.9 ℃；使用R134a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵熱水溫度從46.0 ℃增加到47.0 ℃.同時(shí)，如圖5 所示，R152a 的壓縮機(jī)排氣壓力從1.02 MPa 增加到1.06 MPa；R134a 的壓縮機(jī)排氣壓力從1.20 MPa 增加到1.24 MPa；使用R152a 時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力比R134a 的低約0.18 MPa.這是因?yàn)樵谙嗤柡蜏囟鹊那闆r下，R134a 的飽和壓力高于R152a.此外還進(jìn)一步比較了兩種制冷劑在相同排氣壓力下產(chǎn)生的熱水溫度.如圖4b 所示，在相同排氣壓力情況下，使用R152a的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的熱水溫度比使用R134a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的熱水溫度高約7 ℃.

圖4 蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對熱水溫度的影響

圖5 蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對排氣壓力的影響

圖6 為蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對燃?xì)庀牧亢拖到y(tǒng)總產(chǎn)能的影響.隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的增加，使用兩種制冷劑的燃?xì)鈾C(jī)熱泵機(jī)組的燃?xì)庀牧亢拖到y(tǒng)總產(chǎn)能均增加.這是因?yàn)檎舭l(fā)進(jìn)水溫度增加導(dǎo)致蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的增加，系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量增加，進(jìn)而引起系統(tǒng)制熱量的增加，另外，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速未變，制冷劑質(zhì)量流量增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功的增加；而壓縮機(jī)由燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動從而引起燃?xì)庀牧亢桶l(fā)動機(jī)余熱量的增加，由于系統(tǒng)總產(chǎn)能由系統(tǒng)制熱量和發(fā)動機(jī)余熱量共同決定，因此系統(tǒng)總產(chǎn)能也會隨之增加.如圖6a 和圖6b 所示，在相同的冷卻水進(jìn)口溫度下，當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度從12.8 ℃增加到19.1 ℃時(shí)，采用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的燃?xì)庀牧亢拖到y(tǒng)總產(chǎn)能分別增加了8.8%和13.5%.使用R134a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的燃?xì)庀牧亢拖到y(tǒng)總產(chǎn)能分別提高了7.2%和10.0%.不難發(fā)現(xiàn)，R152a 比R134a 燃?xì)庀牧扛?，雖然變化率更高，但系統(tǒng)總產(chǎn)能也更高.如圖6c 和圖6d 所示，在壓縮機(jī)排氣壓力相同的情況下，R152a 和R134a 的燃?xì)庀牧糠謩e增大3.3%和7.2%. R152a 和R134a的系統(tǒng)總產(chǎn)能分別增長4.8%和10.0%.

圖6 蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對燃?xì)庀牧康挠绊?/p>

圖7 比較了R152a 和R134a 在不同蒸發(fā)器進(jìn)水溫度下的一次能源利用率變化.隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的增加，兩種制冷劑的一次能源利用率均增加.這是由于系統(tǒng)的總產(chǎn)能增加幅度大于燃?xì)庀牧吭黾臃?在相同冷卻水進(jìn)口溫度的情況下，如圖7a 所示，R152a 和R134a 的一次能源利用率分別增加了4.2%和2.9%.如圖7b 所示，在相同的壓縮機(jī)排氣壓力下，與R134a 相比，使用R152a 燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的一次能源利用率高2.1%～4.1%.這是由燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的燃?xì)庀牧亢涂偖a(chǎn)能決定的.在相同的冷卻水進(jìn)口溫度下，R152a 的燃?xì)庀牧康陀赗134a 的燃?xì)庀牧浚到y(tǒng)總產(chǎn)能則相反，因此R152a 的一次能源利用率高于R134a.在壓縮機(jī)排氣壓力相同的情況下，R152a的燃?xì)庀牧亢涂偖a(chǎn)能的增長速度有所減緩，導(dǎo)致R152a的一次能源利用率變化有所減緩，但仍高于R134a.

圖7 蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對一次能源利用率的影響

3.3 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

圖8 顯示了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化對熱水溫度的影響.如圖8a 所示，在相同壓縮機(jī)排氣壓力下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，使用R134a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵熱水溫度從44.6 ℃增加到46.3 ℃，增加了4.1%；而使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵熱水溫度從50.9 ℃增加到52.4 ℃，增加了4.3%.這可以解釋為制冷劑流量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，導(dǎo)致系統(tǒng)總產(chǎn)能增加（如圖8b 所示），從而引起水溫的增加.同時(shí)，R152a 產(chǎn)生的熱水溫度比R134a 約高6 ℃.這是因?yàn)镽152a 的系統(tǒng)總制熱量比R134a 的系統(tǒng)總制熱量大，因此產(chǎn)生的熱水水溫也越高.

圖8 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對制取熱水的影響

圖9 顯示了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化對燃?xì)庀牧康挠绊?當(dāng)轉(zhuǎn)速從1200 r/min 增加到1600 r/min 時(shí)，R152a和R134a 的燃?xì)庀牧糠謩e增加32.7%和32.8%.其中，使用R134a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的燃?xì)庀牧坑?6.6 kW增加到48.6 kW，使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的燃?xì)庀牧坑?4.6 kW 增加到45.9 kW. 這是由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，制冷劑流量的增加導(dǎo)致發(fā)動機(jī)軸功的增加，從而導(dǎo)致天然氣消耗量的變化.盡管兩種制冷劑變化率差別不大，但是R152a 的燃?xì)庀牧咳匀恍∮赗134a 的燃?xì)庀牧?

圖9 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對燃?xì)庀牧康挠绊?/p>

圖10 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化對一次能源利用率的影響，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，一次能源利用率降低，R152a 和R134a 的一次能源利用率分別降低了9.9%和8.8%.這是由于發(fā)動機(jī)負(fù)載隨著燃?xì)獍l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而逐漸降低，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出效率的下降.因此，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在保證用戶負(fù)荷的前提下，將發(fā)動機(jī)保持在低速區(qū)運(yùn)行，更有利于用戶節(jié)能. 雖然R152a 的一次能源率下降幅度大于R134a，但R152a的一次能源利用率明顯大于R134a.這是由燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的燃?xì)庀牧亢拖到y(tǒng)總產(chǎn)能共同決定的，R152的系統(tǒng)總產(chǎn)能比R134a 的系統(tǒng)總產(chǎn)能大，而R152a 的燃?xì)庀牧糠炊萊134a 的小.

圖10 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對一次能源利用率的影響

4 結(jié)論

本文分析了制冷劑R134a 和R152a 對燃?xì)鈾C(jī)熱泵制取熱水的水溫、能源消耗以及一次能源利用的影響，重點(diǎn)分析了在冷凝進(jìn)水溫度和壓縮機(jī)排氣壓力相同時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對以燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)性能的影響.主要結(jié)論如下.

（1）在相同的冷卻水進(jìn)口溫度下，兩種制冷劑產(chǎn)生的熱水溫度均隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的增加而升高.與R134a 相比，使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵具有較高的水溫和較低的排氣壓力. 在相同的壓縮機(jī)排氣壓力下，使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的熱水溫度比使用R134a的熱水溫度約高7 ℃.

（2）在相同的冷卻水進(jìn)口溫度下，使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵的一次能源利用率始終高于R134a，然而燃?xì)庀牧繀s低于R134a.因此，采用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵在節(jié)能方面具有一定的優(yōu)勢.

（3）在相同的排氣壓力情況下，隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度增加，R152a 系統(tǒng)的一次能源利用率比R134a 高2.1%～4.1%.可見，相同排氣壓力下，使用R152a 的燃?xì)鈾C(jī)熱泵優(yōu)勢更為明顯.

（4）在相同壓縮機(jī)排氣壓力下，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，R152a 產(chǎn)生的熱水溫度比R134a 高6 ℃左右，并且一次能源利用率也更高.