R290變頻熱泵空調(diào)器性能的實驗研究

吳國強， 馬國遠， 許樹學

(北京工業(yè)大學環(huán)境與生命學部， 北京 100124)

隨著全球變暖的加劇，各國加強了對氫氟烴化物(hydrofluorocarbons, HFCs)的管控. 2021年3月中國政府在兩會上提出了碳中和、碳達峰的概念，即承諾在2030年前實現(xiàn)二氧化碳的零增長，在2060年實現(xiàn)二氧化碳的零排放. 2021年4月中國政府決定接受《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》，加強對非二氧化碳溫室氣體的管控. R290的臭氧消耗潛值(ozone depletion potential, ODP)為0，全球變暖潛值(global warming potential, GWP)為20，作為環(huán)保高效的制冷劑，在空調(diào)熱泵領(lǐng)域受到矚目[1].

在整機性能研究方面，Tang等[2]對某名義制熱量為13kW的R290空氣源熱泵進行了測試，額定制熱COP和額定制冷COP分別達到了3.27和2.80，達到國家相關(guān)法規(guī)的要求. 張耘等[3]使用R290直接替換低溫熱泵系統(tǒng)中的工質(zhì)R22，在對壓縮機進行優(yōu)化后，R290熱泵系統(tǒng)的效率較R22提高了6.65%，排氣溫度降低了36%. 但另一方面，Padalkar等[4]將R22空調(diào)更換R290壓縮機后發(fā)現(xiàn)能效比(energy efficiency ratio, EER)下降了1.1%. 席新宇等[5]將R22熱泵型空調(diào)器制冷劑直接替換為R290后，由于流量的減少，制熱量降低了14.6%，COP降低了7.5%. 楊春等[6]對R290變頻空氣源熱泵的供熱運行特性進行了測試，在平均氣溫為-0.75 ℃的低溫供熱季節(jié)里，系統(tǒng)能效比達到2.21.

在關(guān)鍵部件研究上，Liu等[7]對不同節(jié)流機構(gòu)進行了研究，比較了不同室內(nèi)外溫度下R290空調(diào)的性能表現(xiàn)，研究結(jié)果顯示在毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥3種方式中，使用毛細管的系統(tǒng)性能更容易受到充注量的影響. 而且，R290系統(tǒng)適合采用大過熱度. Qiu等[8-9]利用VOF多相流模型和SSTk-ω湍流模型對R290在微通道內(nèi)的傳熱和流動特性進行了研究，結(jié)果顯示：當微通道流動角為90°(往下流動)時，傳熱系數(shù)最佳；在相同的傳熱系數(shù)和傳熱溫差下，減小微通道直徑最高可以降低94.8%的制冷劑充注量.

此外，李小燕等[10]使用了全生命周期評價方法，發(fā)現(xiàn)R290空調(diào)的生命周期碳排放約為R32空調(diào)的 85% ，顯示了R290空調(diào)減排的潛力. Chen等[11]研究了使用礦物油MOs和聚烷基乙二醇合成油(PAGs)的R290空調(diào)的性能，發(fā)現(xiàn)使用PAG潤滑油可以減少壓縮機內(nèi)10～13 g的R290質(zhì)量，并提高了1.8%～2.3%的制熱量，但COP略有下降. Paula等[12]建立了制冷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型，從環(huán)保特性、能量效率和效率角度比較了使用R290、R1234yf和R744的系統(tǒng)，結(jié)果顯示R290具有最高的環(huán)保特性，并且具有最高的能量效率和效率，充注量也更少. 變頻是利用變頻器改變壓縮機頻率的一種方式，具有自動調(diào)節(jié)負荷、節(jié)能省電、噪聲低的優(yōu)點[13-14]，但目前關(guān)于R290變頻空調(diào)的性能的研究基本集中于標準工況，對于較寬運行溫度范圍內(nèi)的研究較少. 本文分析了幾種常見制冷劑在制冷和制熱工況下的性能表現(xiàn)，并對某R290變頻分體式熱泵空調(diào)器進行了實驗研究，測試了制熱和制冷工況下空調(diào)器的性能表現(xiàn)情況、排氣溫度和室內(nèi)機出風溫度，為R290變頻空調(diào)的優(yōu)化提供了參考.

1 R290與幾種常見制冷劑制冷與制熱性能的對比

為了比較額定制冷量同為2.5 kW的不同制冷劑作為工質(zhì)的熱泵空調(diào)在不同溫度下的性能，參考《房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動機- 壓縮機》GB/T157—2014的工況設(shè)定蒸發(fā)溫度為7.2 ℃，冷凝溫度為54.4 ℃，吸氣過熱度為11.1 ℃，液體過冷度為8.3 ℃. 根據(jù)設(shè)定的工況計算出同一額定制冷量下壓縮機的輸氣量，結(jié)果如圖1所示. 然后利用Matlab調(diào)用REFPROP對同一冷凝溫度、不同蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)的制熱性能和同一蒸發(fā)溫度、不同冷凝溫度下的制冷性能進行模擬分析，得到了制熱工況下空調(diào)的制熱量、功耗和制熱COP，分別如圖2～4所示.

圖1 額定制冷量為2.5 kW的幾種工質(zhì)的 壓縮機輸氣量Fig.1 Capacity of compressors using different refrigerants with rated cooling capacity of 2.5 kW

圖2所示是幾種制冷劑在空調(diào)制熱工況下制熱量隨蒸發(fā)溫度的變化. 當蒸發(fā)溫度從10 ℃下降至-25 ℃時，不同制冷劑作為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)的制熱量差距逐漸擴大. R290系統(tǒng)和R410A系統(tǒng)的制熱量很接近，同時在這4種制冷劑作為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)中，R290和R410A系統(tǒng)制熱量最高. R32系統(tǒng)略低于R290和R410A系統(tǒng)，表現(xiàn)最差的是R134a系統(tǒng)，與其他3種制冷劑相差較大. 在蒸發(fā)溫度為10 ℃時，R134a系統(tǒng)制熱量與R290系統(tǒng)幾乎一致，但在蒸發(fā)溫度為-25 ℃時，R290系統(tǒng)的制熱量為1.25 kW，R134a系統(tǒng)為1.02 kW. R290系統(tǒng)的制熱量比后者高22.5%.

圖2 制熱量隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.2 Heating capacity with different evaporation temperatures

圖3是制熱工況下功耗隨蒸發(fā)溫度的變化. 整體上，功耗隨蒸發(fā)溫度的變化呈拋物線型，所研究的制冷劑系統(tǒng)功耗極大值在4～9 ℃取得. 當系統(tǒng)僅蒸發(fā)溫度升高時，吸氣量不變，質(zhì)量流量增加，比功減少，兩者的相互作用導致功耗呈現(xiàn)拋物線型. 在制熱工況下，4種制冷劑的區(qū)別較為明顯，功耗從高到低依次是R410A、R32、R290、R134a.

圖3 功耗隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.3 Power consumption with different evaporation temperatures

圖4所示為制熱COP隨蒸發(fā)溫度的變化. 從圖中可以看出，R290與R134a的制熱COP十分接近，而R32與R410A的制熱COP十分接近,這與文獻[15]的實驗結(jié)果一致. 在制熱工況下，R290與R134a系統(tǒng)制熱COP始終高于R32和R410A系統(tǒng). 與R32相比，R290系統(tǒng)的制熱COP在蒸發(fā)溫度為-25 ℃時比R32高8.1%，在蒸發(fā)溫度為10 ℃時則比R32高4.7%.

圖4 制熱COP隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.4 Heating COP with different evaporation temperatures

圖5～7所示分別為制冷工況下空調(diào)的制冷量、功耗和制冷COP. 圖5所示是制冷量隨冷凝溫度的變化. 總體上看，在不同冷凝溫度下R134a保持了較高的制冷量. R32在低冷凝溫度下制冷量最低，在高冷凝溫度下制冷量與R134a十分接近. R410A在低冷凝溫度下制冷量最高，在高冷凝溫度下制冷量與R290十分接近.

圖5 制冷量隨冷凝溫度的變化Fig.5 Cooling capacity with different condensation temperatures

圖6所示為制冷功耗隨冷凝溫度的變化. 制冷工況下功耗從高到低依次是R410A、R32、R290、R134a，其中R290的功耗表現(xiàn)和R134a接近.

圖6 功耗隨冷凝溫度的變化Fig.6 Power consumption with different condensation temperatures

圖7是制冷COP隨冷凝溫度的變化. 制冷COP從高到低依次是R134a、R290、R32、R410A. 其中，R134a系統(tǒng)的COP與R290接近，R32則與R410A接近但略高于R410A，與文獻[15]的實驗結(jié)果一致. 以R410A為基準，在冷凝溫度為40 ℃時，R290系統(tǒng)比R410A高5.6%，在冷凝溫度為60 ℃時，R290系統(tǒng)比R410A高9.9%.

圖7 制冷COP隨冷凝溫度的變化Fig.7 Cooling COP with different condensation temperatures

2 實驗系統(tǒng)及原理

從前文的分析可知，R290與R32、R410A和R134a相比，具有較高的制熱和制冷性能. 尤其在制熱工況下，制熱COP和制熱量隨蒸發(fā)溫度降低而導致的衰減量都保持了較好的水平. 為了探究R290熱泵空調(diào)的實際表現(xiàn)，本文以某額定制冷量為2 600 W的變頻家用分體式空調(diào)器為實驗對象，在焓差室進行了測試. 依據(jù)國標《GBT7725—2004房間空氣調(diào)節(jié)器》進行實驗并設(shè)定室內(nèi)制熱工況干球溫度和濕度溫度分別為20 ℃、15 ℃；制冷工況干球溫度和濕度溫度分別為27 ℃、19 ℃. 共設(shè)計了10組實驗，實驗工況如表1所示.

表1 實驗工況設(shè)計

實驗通過計算室內(nèi)機進出風的焓值并結(jié)合室內(nèi)側(cè)送風平均風速來確定制冷量和制熱量. 室內(nèi)機送風口加裝了方形風道，利用風速儀對出口每間隔45 mm進行測量風速，最后求出平均風速；送風風道出口均勻地布置有3個熱電偶測點和相對濕度計以獲得出口平均溫度和相對濕度.

制冷量(制熱量)計算式為

Q=μavS(|ρaouthaout-ρainhain|)

(1)

式中：Q為制冷量(制熱量)，W；ρaout、ρain分別為室內(nèi)機空氣的出口和進口密度，kg/m3；haout、hain分別為室內(nèi)機空氣的出口和進口焓值，分別由出口溫度taout、相對濕φaout和進口溫度tain、相對濕度φain決定，J/kg；μav為風道出口空氣流速，m/s；S為風道出口橫截面積，m2.

能效比計算式為

(2)

1—壓縮機； 2—四通換向閥； 3—室外換熱器； 4—電子膨脹閥； 5—室內(nèi)機組及風道； 6—氣液分離器. 圖8 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic of experimental setup

式中W為機組功耗，W.

管道內(nèi)布置有熱電偶用于監(jiān)測各項溫度，系統(tǒng)功耗由功率計顯示.實驗系統(tǒng)原理圖如圖8所示，圖中T1～T3為熱電偶的布置位置.實驗測試儀器的精確度如表2所示.

表2 實驗測試儀器及參數(shù)

實驗測得的各參數(shù)不確定度分別用uμav、uS、utaout、uφaout、utain、uφain、uW表示，EER與各測量參數(shù)的關(guān)系可以表示成EER=f(μav,S,taout,φaout,tain,φain,W).則制熱量(制冷量)Q與EER的不確定度分別表示為

(3)

(4)

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 制熱測試

空調(diào)性能隨環(huán)境溫度變化情況如圖9所示. 整體上制熱量隨環(huán)境溫度的下降而下降，而電功耗則隨環(huán)境溫度的下降而上升，但制熱量在2 ℃以上時制熱量衰減較為緩慢，環(huán)境溫度由12 ℃下降為2 ℃過程中，制熱量由5.30 kW下降為4.84 kW，僅下降了8.7%. 在2 ℃降低到-12 ℃過程中，制熱量衰減較為嚴重，下降了22.6%(以12 ℃時制熱量為基準). 能效比在12 ℃降低到2 ℃時從3.78降低到2.99，-12 ℃時降低到了2.19，在這兩個區(qū)間內(nèi)分別下降了20.8%和21.2%，變化較為均勻. 變頻空調(diào)的電功耗在測試過程中隨著溫度的升高而降低，在-12 ℃到2 ℃范圍內(nèi)，電功耗的變化較為緩慢，環(huán)境溫度由-12 ℃升高到2 ℃時，電功耗僅下降4%，而從2 ℃升高到12 ℃時，電功耗下降13.3%.

席新宇等[5]在R290直接替換R22的熱泵型空調(diào)器的實驗中顯示在室外平均環(huán)境為6 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為26 ℃，制熱量在5.5 kW附近時，R290熱泵的制熱EER最低在2.2，平均為2.9，低于本實驗環(huán)境溫度7 ℃，室內(nèi)20 ℃工況測得的EER值3.49，考慮到室外溫度的差異，實驗結(jié)果在合理范圍之內(nèi). 在額定制熱工況下的R410A和R32的EER在3.8附近[16]，略高于本實驗測得的結(jié)果. 文獻[17]中實驗顯示R290的EER高于R32，本實驗出現(xiàn)EER偏低的情況，可能與機組壓縮機容量匹配和系統(tǒng)的控制有關(guān).

圖9 制熱時空調(diào)性能隨環(huán)境溫度變化Fig.9 Performance of AC at heating condition with different ambient temperatures

排氣隨環(huán)境溫度變化如圖10所示. 排氣溫度在環(huán)境溫度-12 ℃～7 ℃基本呈現(xiàn)線性增加趨勢，溫度由39.90 ℃上升到62.75 ℃，當在7 ℃～12 ℃時，排氣溫度略有降低. 額定制熱工況下R290的排氣溫度為62.75 ℃，接近于文獻[10]同工況下的67.20 ℃，遠低于R32同工況下的102.13 ℃.

圖10 制熱時排氣溫度隨環(huán)境溫度變化Fig.10 Discharge temperature at heating condition with different ambient temperatures

3.2 制冷測試

制冷空調(diào)性能隨環(huán)境溫度變化如圖11所示. 環(huán)境溫度從29 ℃變化到43 ℃時，壓縮機功耗略有波動，但基本維持在1.5 kW附近；制冷量和能效比則隨著環(huán)境溫度的上升而下降. 制冷測試過程中，在環(huán)境溫度為48 ℃時，電功耗和制冷量急劇下降. 這是因為48 ℃運行工況已經(jīng)超過了國標規(guī)定的最大運行工作溫度43 ℃，此時排氣溫度過高，高頻率運行難以維持，由于頻率與功耗呈正相關(guān)，頻率回落，功耗降低. 環(huán)境溫度從29 ℃到43 ℃時，制冷量從3.33 kW下降到2.96 kW，下降了11.1%. 對于功耗，大體呈現(xiàn)上升趨勢，但29 ℃工況和35 ℃工況相近；功耗從1.473 kW升高到1.546 kW，僅增加了5%；對于能效比，除35 ℃工況和40 ℃工況基本一致外，大體呈線性下降，從2.26變化到1.91.

文獻[16]中實驗測得的以R410A為工質(zhì)的空調(diào)系統(tǒng)額定制冷EER為2.6，R32則為2.52. 本實驗所測的R290空調(diào)額定制冷EER為2.03，從測試結(jié)果來看，R290在額定制冷工況下的能效比與R410A和R32的差距高于額定制熱工況下與R410A和R32的差距. 造成制冷工況下R290空調(diào)EER偏低的原因是出風溫度過低,后續(xù)將詳細說明.

圖11 制冷時空調(diào)性能隨環(huán)境溫度變化Fig.11 Performance of AC at cooling condition with different ambient temperatures

排氣隨環(huán)境溫度變化如圖12所示. 整體上排氣溫度呈隨環(huán)境溫度的增加而增加，環(huán)境溫度由29 ℃上升到48 ℃，排氣溫度由58.7 ℃上升到74.3 ℃，變化過程較為均勻. 當環(huán)溫為48 ℃時，雖然壓縮機頻率回落，排氣溫度并無明顯下降. 額定制冷工況下的排氣溫度為67.7 ℃，與文獻[6]同工況的R290系統(tǒng)的排氣溫度65.7 ℃很接近，同時遠低于R32系統(tǒng)同工況的97.3 ℃，這證明使用R290工質(zhì)對于降低排氣溫度具有很大的作用.

圖12 制冷時排氣溫度隨環(huán)境溫度變化Fig.12 Discharge temperature at cooling condition with different ambient temperatures

3.3 出風溫度

除了性能參數(shù)、排氣溫度外，室內(nèi)機的出風溫度是空調(diào)重要參數(shù)之一，影響著人體舒適性和機組的經(jīng)濟性. 圖13是制冷和制熱時室內(nèi)機的平均出風溫度變化. 不管是制冷還是制熱，外界環(huán)境溫度越高，則出風溫度越高. 制熱工況下，出風溫度范圍為39.4～48.5 ℃. 文獻[18]指出為滿足空調(diào)的舒適性要求，減小垂直溫差，出風溫度應(yīng)控制在39～41 ℃內(nèi). 而所測機組在室外溫度為2 ℃以上時出風溫度均高于推薦溫度，不僅舒適性差，而且造成系統(tǒng)冷凝壓力過高，效率低，具有較大的改進空間. 制冷工況下，出風溫度范圍為7.4～12.0 ℃，而通常空調(diào)制冷時的出風溫度在15～25 ℃，過低的出風溫度是以低蒸發(fā)溫度為代價的，而較低蒸發(fā)溫度會降低空調(diào)系統(tǒng)效率，這解釋了測試中制冷效率低的原因. 從實驗結(jié)果來看，通過優(yōu)化風速與室內(nèi)換熱器的傳熱效果將有利于控制現(xiàn)有R290變頻空調(diào)的出風溫度在一個舒適經(jīng)濟的水平.

圖13 室內(nèi)機出風溫度隨環(huán)境溫度變化Fig.13 Outlet air temperature of indoor unit with different ambient temperatures

4 結(jié)論

國內(nèi)外對于R290變頻家用空調(diào)器性能的實驗系統(tǒng)研究比較少，本文對R290系統(tǒng)的循環(huán)特性進行了理論分析，并測試了某R290變頻空調(diào)器在不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)的制熱量(制冷量)、功耗和能效比的變化. 得出以下結(jié)論：

1) R290系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)的在空調(diào)工況下COP十分接近，而R32則與R410A十分接近，R290在空調(diào)工況下始終保持較高的COP，而制熱量隨蒸發(fā)溫度變化的衰減優(yōu)于制冷量的衰減；

2) 制熱工況下，R290變頻家用空調(diào)器制熱量在低環(huán)溫時下降較快，電功耗在低環(huán)溫下的變化較為緩慢，在環(huán)境溫度從12 ℃變化到-12 ℃時，能效比從3.78較為均勻地變化到2.79；

3) 制冷工況下，環(huán)境溫度從29 ℃到43 ℃時，R290變頻家用空調(diào)器的制冷量從3.33 kW下降到2.96 kW，但制冷功耗在1.5 kW附近上下波動，能效比從2.26下降到1.91；

4) R290家用空調(diào)系統(tǒng)的排氣溫度遠低于R32，但送風溫度并不經(jīng)濟舒適，風溫的控制仍有改善空間.