R290與常見熱泵熱水器工質(zhì)的循環(huán)特性分析

摘" 要：該文列舉R290與R32、R410A、R134a家用熱泵熱水器常用工質(zhì)的基礎(chǔ)物性參數(shù)，基于單級(jí)蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)模型，在35～70 ℃不同冷凝溫度條件下對(duì)4種工質(zhì)的循環(huán)特性進(jìn)行熱力學(xué)分析。結(jié)果表明，在相同條件下R290的排氣溫度、排氣壓力以及壓縮比較低，且對(duì)冷凝溫度變化的敏感度較小，具備較優(yōu)的排氣特性；R290在制熱量方面沒有較多的優(yōu)勢(shì)，為達(dá)到與R32和R410A系統(tǒng)相同的制熱能力水平，R290系統(tǒng)需要更大的壓縮機(jī)排量，但其具備更優(yōu)循環(huán)COP，在降低系統(tǒng)能耗方面更有潛力。

關(guān)鍵詞：R290工質(zhì)；家用熱泵熱水器；熱泵循環(huán)特性；熱力學(xué)分析；制熱能力

中圖分類號(hào)：TB612" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）08-0095-05

Abstract： This paper lists the basic physical parameters of commonly used working fluids of R290， R32， R410A， and R134a household heat pump water heater. Based on a single-stage vapor compression thermodynamic cycle model， the cycle characteristics of the four working fluids are analyzed under different condensation temperatures of 35 to 70℃. The results show that under the same conditions， R290 has low exhaust temperature， exhaust pressure and compression ratio， and is less sensitive to changes in condensation temperature， and has better exhaust characteristics; The R290 does not have many advantages in terms of heating capacity. In order to achieve the same heating capacity level as the R32 and R410A systems， the R290 system requires a larger compressor displacement， but it has better cycle COP and reduces system energy consumption. More potential.

Keywords： R290 working fluid; household heat pump water heater; heat pump cycle characteristics; thermodynamic analysis; heating capacity

近年來，全球氣候環(huán)境問題已經(jīng)演變?yōu)閲?guó)際社會(huì)尋求低碳可持續(xù)發(fā)展道路上共同面臨的重大問題，立足日益嚴(yán)峻的全球氣候變暖形勢(shì)，在“雙碳”目標(biāo)的大背景下，各個(gè)行業(yè)吹響低碳發(fā)展的沖鋒號(hào)。在熱泵、空調(diào)領(lǐng)域，面對(duì)HCFCs制冷劑對(duì)環(huán)境影響的壓力，尋找低碳、高效的環(huán)保制冷劑已成為全行業(yè)踐行低碳可持續(xù)發(fā)展理念的必由之路[1-5]。其中在家用熱泵空調(diào)領(lǐng)域，對(duì)于現(xiàn)在主流的R410A、R32以及R134a等第三代HFCs制冷劑而言，由于其具有較高的GWP值，注定會(huì)逐漸被其他更環(huán)保的新型冷媒替代。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，碳?xì)浠衔锸亲钣袧摿Φ奶娲べ|(zhì)，特別是天然制冷劑R290，在GWP、ODP和熱物性方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸被業(yè)內(nèi)所研究和應(yīng)用[6-12]，張?zhí)档萚13]在熱泵熱水器典型工況下對(duì)R134a、R417a和R22進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了性能參數(shù)隨環(huán)境工況變化的關(guān)系，為熱泵熱水器的設(shè)計(jì)及工質(zhì)選用提供了參考，秦闖和張振亞等[14-15]在制冷及空調(diào)工況下對(duì)R290和R32的循環(huán)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，為R290在制冷及空調(diào)系統(tǒng)中的工質(zhì)替代提供了理論參考；彭斌等[16]基于空氣源熱泵熱水器能量■分析模型，對(duì)R22和R134a系統(tǒng)和部件的有效能進(jìn)行了研究，為R134a替代R22的系統(tǒng)優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1" 物性參數(shù)差異對(duì)比

由表1可知，在臭氧消耗潛能方面，4種制冷劑的ODP均為0，但是在溫室效應(yīng)潛能方面，R410A具有最高的GWP值，對(duì)溫室效應(yīng)的危害最大，R290的GWP最小，對(duì)溫室效應(yīng)最為友好，具備良好的環(huán)保特性，具備成為長(zhǎng)期制冷劑的可能性。臨界溫度和標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)分表代表了不同制冷劑的飽和溫度的上限和下限，對(duì)比可知，R290相對(duì)于R32和R410A具有更高的臨界溫度，因此適合于更高溫度需求的家用熱泵系統(tǒng)，而在低溫特性方面相比兩者稍遜一籌。此外，R290的臨界壓力低于R32和R410A，因此對(duì)于R290系統(tǒng)的耐壓設(shè)計(jì)更為友好。從飽和密度來看，在相同條件下，R290密度最小，這意味著R290系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更小的充注量。從導(dǎo)熱系數(shù)來看，在相同條件下，R290的蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)最大，這意味著在換熱端，系統(tǒng)具備更優(yōu)的換熱效果，在相同的熱負(fù)荷條件下，可以減小設(shè)備的體積。同時(shí)，在4種制冷劑中，R290具備較小的黏度系數(shù)，這說明R290具備更優(yōu)的流動(dòng)特性，降低系統(tǒng)的壓降損失，同時(shí)較低的黏度可以減小換熱壁面的流體底層的厚度，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的換熱特性。

2" 單級(jí)蒸汽壓縮循環(huán)分析模型

為了比較4種不同冷媒工質(zhì)的熱泵熱水系統(tǒng)在相同負(fù)荷條件下壓縮機(jī)性能的差異性，設(shè)定了基本工況條件和輸入?yún)?shù)，見表2。在熱泵熱水系統(tǒng)的使用場(chǎng)景中，在單次加熱運(yùn)行過程中，環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定，而隨著水溫的不斷升高，在換熱溫差不變的條件下，冷凝溫度處于不斷升高的非穩(wěn)態(tài)變化過程，因此，設(shè)定蒸發(fā)溫度不變，冷凝溫度35～70 ℃進(jìn)行分析。根據(jù)單級(jí)蒸汽壓縮熱力循環(huán)的數(shù)學(xué)模型調(diào)用REFPROP進(jìn)行計(jì)算分析（圖1），其中，在熱力學(xué)分析過程中的假設(shè)條件如下：①發(fā)生在蒸發(fā)器中的過熱度為有效過熱；②忽略工質(zhì)在系統(tǒng)中流動(dòng)過程的壓降損失； ③假定所有部件都是穩(wěn)定狀態(tài)或穩(wěn)定流動(dòng)過程；④壓縮過程和節(jié)流過程為絕熱過程。熱力分析數(shù)學(xué)模型如下。

3" 壓縮機(jī)性能差異分析

3.1" 壓縮機(jī)排量需求的差異性

由圖2可知，熱泵熱水系統(tǒng)在相同的工況條件下，系統(tǒng)的工質(zhì)不同，單位容積制熱量有所不同，其中，R290的單位容積制熱量與R32和R410A相比相差較大，與R134a較為接近，由于單位容積制熱量不同，在相同的制熱負(fù)荷需求條件下，所需要的理論壓縮機(jī)排氣量就會(huì)有所不同。其中，在上述4種工質(zhì)中，在相同制熱量條件下，R32和R410A的壓縮機(jī)理論排氣量幾乎相同，而與R32和R410A相比， R290壓縮機(jī)的理論排氣量需求較大，為R32的1.8倍，R410A的1.7倍，這說明對(duì)于目前熱泵熱水市場(chǎng)流行的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)而言，為了達(dá)到與R32和R410A系統(tǒng)相同的制熱能力水平，R290系統(tǒng)需要更大的壓縮機(jī)單體的氣缸容積或者增大壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率及轉(zhuǎn)速，同時(shí)還需要兼顧到壓縮機(jī)單體的結(jié)構(gòu)可靠性。

3.2" 壓縮比和壓縮功耗對(duì)冷凝溫度的敏感性分析

圖3為4種工質(zhì)在相同工況條件下，進(jìn)行單級(jí)蒸汽壓縮循環(huán)時(shí)的壓縮比π隨著冷凝溫度的變化規(guī)律。從整體變化趨勢(shì)上可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，壓縮比隨著冷凝溫度升高不斷升高，這是因?yàn)樵谡舭l(fā)溫度和換熱溫差不變時(shí)，冷凝溫度不斷升高，對(duì)應(yīng)的飽和壓力不斷升高，而壓縮機(jī)排氣壓力也對(duì)應(yīng)升高，當(dāng)壓縮機(jī)的吸氣壓力不變時(shí)，壓縮比就會(huì)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。另一方面，在全冷凝溫度段，R290對(duì)應(yīng)的壓縮比均小于另外3種工質(zhì)，且隨著冷凝溫度的升高，壓縮比差值逐漸增大，在70 ℃冷凝溫度時(shí)，R290的壓縮比相對(duì)R134a小了22%，比R410A和R32小了近8%，可見4種工質(zhì)中，R290壓縮比的增大率對(duì)冷凝溫度的敏感度最低，且在高溫時(shí)R290的壓比最小，因此采用R290的系統(tǒng)，壓縮機(jī)具備更優(yōu)的輸氣系數(shù)。

圖4為4種工質(zhì)壓縮功耗隨著冷凝溫度的變化規(guī)律。從整體變化趨勢(shì)上可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，壓縮功耗隨著冷凝溫度升高不斷增加，這是因?yàn)樵谡舭l(fā)溫度和換熱溫差不變時(shí)，冷凝溫度不斷升高，壓縮比增大，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)降低，且壓縮過程的不可逆損失增大，排氣的熵值增大導(dǎo)致壓縮比功增加，且比功增大的效應(yīng)大于循環(huán)流量變化的效應(yīng)，導(dǎo)致壓縮功耗增加。另一方面，隨著冷凝溫度從35 ℃升高到70 ℃時(shí)，R290、R32、R410A和R134a壓縮功耗相對(duì)冷凝溫度的增長(zhǎng)率近似為9.8、21.4、19.0和7.4 W/℃，其中R290壓縮功耗增長(zhǎng)率相對(duì)R32和R410A分別低了55%和49%，說明在相同的工況下R290系統(tǒng)壓縮功耗對(duì)冷凝溫度的敏感度要遠(yuǎn)低于R32和R410A系統(tǒng)，且在高溫時(shí)壓縮功耗也遠(yuǎn)低于兩者，可見R290系統(tǒng)相對(duì)R32和R410A具備更優(yōu)的壓縮經(jīng)濟(jì)性。

3.3" 壓縮機(jī)排氣溫度和排氣壓力對(duì)冷凝溫度的敏感性分析

從圖5和圖6可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，從整體上看，排氣溫度及壓力隨著冷凝溫度的升高顯著升高，這是因?yàn)殡S著冷凝溫度的不斷升高，壓比不斷增大導(dǎo)致的。其中R32和R410A的排氣壓力及排氣溫度隨冷凝溫度的升高，上升的速度不斷加快，說明兩者的排氣特性對(duì)冷凝溫度的變化更加敏感。

在全冷凝溫度段，R290與R134a的排氣溫度基本相同，均處于低位，遠(yuǎn)低于R32，且兩者的排氣壓力也遠(yuǎn)低于R32和R410A，其中，在低冷凝溫度段，R290排氣溫度比R32低了38%，在高冷凝溫度段，R290排氣溫度比R32低了44%，隨著冷凝溫度的升高R290的排氣溫度及排氣壓力與R32的差距越來越大，可見，R290系統(tǒng)相對(duì)R32系統(tǒng)對(duì)冷凝溫度的變化敏感度更低，尤其在高冷凝溫度段，R290系統(tǒng)具備更優(yōu)的排氣特性，更低的排氣溫度不僅有利于潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果，減緩潤(rùn)滑油碳化，且減小了冷凝器中過熱段顯熱換熱的占比，有益于提升整個(gè)冷凝器的換熱效率。

4" 系統(tǒng)理論循環(huán)特性分析

4.1" 系統(tǒng)制熱量的差異性

圖7描述了4種循環(huán)工質(zhì)系統(tǒng)瞬時(shí)制熱量隨冷凝溫度變化的規(guī)律，從整體上開看，4種工質(zhì)的瞬時(shí)制熱量均隨著冷凝溫度的升高而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著冷凝溫度的升高，冷凝器中的兩相沸騰換熱段占比減小，冷凝側(cè)換熱效率下降，單位質(zhì)量制熱量逐漸減小，另一方面隨著壓比的增大壓縮機(jī)輸氣系數(shù)逐漸減小，工質(zhì)的循環(huán)流量減小，兩者共同作用導(dǎo)致瞬時(shí)制熱量下降。此外，從圖7中可以看出，R32和R410A工質(zhì)的瞬時(shí)制熱量明顯比R290和R134a要高，這是因?yàn)樵谙嗤墓r條件下，R32和R410A的單位容積制熱量比R290和R134a要大，所以在相同的壓縮排量條件下，制熱量相應(yīng)要大。其中，全冷凝溫度段R290系統(tǒng)的瞬時(shí)制熱量比R32小45%～50%，可以看出R290工質(zhì)系統(tǒng)在制熱量方面沒有較多的優(yōu)勢(shì)。

4.2" 系統(tǒng)COP的差異性

5" 結(jié)論

為了探討R290工質(zhì)在家用熱泵熱水器中的適用性，基于單級(jí)蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)模型，針對(duì)R290與R32、R410A、R134a幾種家用熱泵熱水器常用工質(zhì)的物性參數(shù)以及不同冷凝溫度條件下的循環(huán)學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比分析，主要得出以下結(jié)論：

1）R290的ODP為0，GWP最小，具備良好的環(huán)保特性，但是具備易燃特性，在產(chǎn)品使用中的安全要求更高，在相同的熱負(fù)荷條件下，R290具備更優(yōu)的換熱效果且系統(tǒng)壓降更小，在降低系統(tǒng)能耗方面更有潛力。

2）對(duì)于壓縮機(jī)性能差異性而言，為了達(dá)到與R32和R410A系統(tǒng)相同的制熱能力水平，R290系統(tǒng)需要更大的壓縮機(jī)排量，此外，R290的壓縮比、排氣溫度以及排氣壓力均低于R32和R410A，且對(duì)冷凝溫度的敏感度均較小，系統(tǒng)壓縮功耗小也遠(yuǎn)低于R32和R410A，可見R290系統(tǒng)相對(duì)R32和R410A具備更優(yōu)的排氣特性和壓縮經(jīng)濟(jì)性。

3）在系統(tǒng)性能方面，在相同工況條件下，R290系統(tǒng)具有較好的能量利用優(yōu)勢(shì)，循環(huán)COP較高，具備較優(yōu)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性，但在制熱量方面沒有較多的優(yōu)勢(shì)。

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