基于R134a 和R152a 制冷剂的燃气机热泵系统性能对比

刘凤国，田长飞，张 鑫

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384）

热泵系统的性能在很大程度上取决于制冷剂的选择.目前，大部分的制冷剂在使用过程中都会加剧全球变暖.2019 年，《蒙特利尔议定书基加利修正案》的实施，对高全球变暖潜值的制冷剂使用产生重大影响，该修正案指出，高全球变暖潜值的制冷剂将逐步淘汰[1].因此，寻找替代目前高全球变暖潜值的制冷剂是十分必要的.R134a 是制冷空调领域使用最广泛的制冷剂之一，其全球变暖潜值为1301[2]，因此需要寻找一种全球变暖潜值较低的制冷剂来替代.根据现有的文献显示，R290、R600a、R436a、R152a、R1234ze（E）和R1234yf可以作为高全球变暖潜值的替代物[3]. 同时ASHRAE标准指出，R152a 是低全球变暖潜值纯饱和氢氟碳化合物最有前景的替代品之一，GWP 值仅为130[4].近年来，国内外学者对R152a 进行了广泛的研究，Sanchez 等[5]测试了5 种低全球变暖潜值制冷剂，并与R134a 进行了比较，结果显示R152a 比其他制冷剂更适合替代R134a. Serevina 等[6]发现，与R134a 相比，R152a 在汽车空调中使用可以明显提高性能.Direk 等[7]通过对R152a、R444a 和R134a 的测试，也证实了在汽车空调系统应用中，使用R152a 的系统具有最高的COP 和最大的制冷量.Hasheer 等[8]将制冷剂R1234ze（E）、R1234yf 和R152a 应用在家用冰箱中并进行了热力学分析.结果表明，R152a 和R1234yf 是替代R134a 的两种选择.Bellos 等[9]对使用制冷剂R152a的热泵系统在不同工况下进行了参数化研究.结果表明，R152a 热泵系统具有较好的制冷性能，是环保制冷系统的一种选择.Nie 等[10]比较了R32、R134a、R143a、R152a 在空气源热泵上的制热性能，结果证明R152a的COP 高于其他制冷剂.

由于燃气机热泵系统热回收过程的存在，燃气机热泵的循环特性与常规热泵有很大的不同.因此，有必要对R152a 在燃气机热泵系统上进行比较研究.本文基于水源燃气机热泵实验装置，对比分析燃气机热泵系统使用R152a 和R134a 的制热性能、能源消耗和一次能源率的影响，从而为燃气机热泵系统制冷剂选择提供实验依据.

1 实验部分

1.1 系统描述

图1 是燃气机热泵原理及测点位置.包括四个循环：制冷剂循环、余热回收循环、冷冻水循环以及冷却水循环.图2 为燃气机热泵系统测试平台.该实验装置可以模拟用户负荷变化，由燃气发动机驱动压缩式热泵进行制冷、供暖；由冷却水水循环进行回收冷凝器和余热换热器中的热量，多余的热量由冷却塔散掉.水-水换热器用于中和冷冻水和冷却水的热量，调节蒸发器进水温度.测量仪器的型号和规格见表1.

表1 测量仪器的型号和规格

图1 实验设备与仪器流程

图2 水源燃气机热泵系统实物

1.2 实验方法

根据实验测试工况，在系统开机之前先将冷冻水流量调至5.5 m3/h 左右，将冷却水流量调至7.1 m3/h左右，待开机后根据系统运行工况进行微调，调好之后启动燃气发动机，待燃气发动机冷却水温度上升至75 ℃时，闭合电磁离合器，带动压缩机，启动燃气机热泵系统.待系统运行稳定后，进行以下实验测试.分别对比两种制冷剂在相同冷却水进口温度和相同排气压力下的燃气机热泵性能.在相同冷却水进口温度下（38 ℃），保持冷冻水流量为5.56 m3/h，冷却水流量为7.15 m3/h，发动机转速为1400 r/min，改变蒸发器进水温度（13～19 ℃）；在相同的排气压力下，使用R134a 工质的系统冷却水进口温度保持38 ℃，使用R152 工质的系统冷却水进口温度保持45 ℃，并保持冷冻水流量为5.56 m3/h，冷却水流量为7.15 m3/h，发动机转速为1400 r/min，改变蒸发器进水温度（13～19 ℃）.对于变发动机转速的实验工况与以上实验工况基本一致，不同的是，此实验保持蒸发器进水温度16 ℃不变，逐渐改变发动机转速（1200～1600 r/min）.以上实验所测数据都是在燃气机热泵系统稳定3 min 后测得，并通过PLC 记录.

2 数据分析

燃气机热泵的的燃气消耗量、系统总产能和一次能源利用率是评价燃气机热泵系统性能的重要参数.本实验所得数据通过refprop9.0 和MATLAB 程序进行分析[11].

燃气机热泵系统的制热量可以通过冷凝器水侧的进出水温度和质量流量确定.制热量的表达式如下

式中：Qcon是制热量，kW；cp，w是水的定压比热容，kJ/kg·K；mw是水的质量流量，kg/s；Tcon，in和Tcon，out分别为冷凝器进出水温度，°C.

燃气发动机余热回收量可以描述为

式中：Qeng是发动机余热回收量，kW；Tw，in和Tw，out分别为余热换热器进出水温度，°C.

燃气机热泵系统总产能包括制热量和发动机余热回收量，公式如下

燃气发动机的燃气消耗量可以通过天然气体积流量和低热值来定义，具体公式如下

式中：Qgas是燃气消耗量，kW；Vgas是天然气体积流量，m3/s；LHV 是天然气低热值，36750 kJ/m3[12].

燃气机热泵系统的一次能源利用率为系统总产能与燃气消耗量的比值，公式如下

3 结果与讨论

本文研究了燃气机热泵系统分别采用R134a 和R152a 时的系统性能，分析了系统在不同蒸发器进水温度和转速下的性能变化规律.在蒸发器进水温度变化的工况下，分别保持冷却水进口温度（38 ℃）和压缩机排气压力（1.32 MPa）的恒定，分析了蒸发器进水温度对热水水温、燃气消耗量、系统总产能以及系统一次能源利用率的影响.并进一步测试了恒定压缩机排气压力（1.26 MPa）下，转速变化对燃气机热泵的热水温度、燃气消耗量和一次能源利用率的影响.

3.1 典型工况分析

在蒸发器进水温度为16℃，冷却水流量为7.15m3/h，冷冻水流量为5.56 m3/h，发动机转速为1400 r/min 条件下，对比了两种制冷剂在不同冷却水进口温度下的制冷剂性能.使用R134a 的燃气机热泵系统的冷却水进口温度为38 ℃，使用R152a 的燃气机热泵系统的冷却水进口温度为38 ℃和45 ℃.表2 是该测试工况下的测试数据.并通过REFPROP 绘制了三种试验条件下的压焓图，如图3 所示.

表2 典型工况下的试验结果

从图3 可以看出，当冷却水进口温度为38 ℃时，R152a 的冷凝温度为49 ℃，R134a 的冷凝温度为50℃.其中，两种制冷剂的蒸发温度均为4 ℃.从图3 的压焓图中可以看出，在相同实验条件下，使用R152a的系统焓差明显高于使用R134a 的系统.这是因为在相变过程中，R152a 的进出口比焓大于R134a.在冷却水进口温度为38 ℃时，R134a 的蒸发压力高于R152a.为了便于比较，本文还绘制了蒸发器进水温度为16 ℃，冷却水流量为7.15 m3/h，发动机转速为1400 r/min 条件下冷却水进口温度为45 ℃时R152a 的压焓图. 此时，蒸发温度为4 ℃，冷凝温度为55 ℃.R152a 的排气压力与冷却水进口温度为38 ℃时R134a 的排气压力基本相同，但R152a 的冷凝温度高于R134a.所以在相同的冷凝压力下，由于R152a 比R134a 具有更高的冷凝温度，R152a 在制取更高温的热水方面有更大的优势.

图3 R134a 和152a 的压焓图

3.2 蒸发器进水温度的影响

图4-5 表示了蒸发器进水温度对热水温度和排气压力的影响.此时发动机转速为1400 r/min，冷却水流量为7.15 m3/h，冷却水进水温度为38 ℃，冷冻水流量为5.53 m3/h.从图4 可以看出，随着蒸发器进水温度的增加，R152a 和R134a 的热水温度升高. 如图4a所示，在相同冷却水进口温度下，当蒸发器进水温度从12.8 ℃增加到19.1 ℃时，使用R152a 的燃气机热泵热水温度从46.7 ℃增加到47.9 ℃；使用R134a 的燃气机热泵热水温度从46.0 ℃增加到47.0 ℃.同时，如图5 所示，R152a 的压缩机排气压力从1.02 MPa 增加到1.06 MPa；R134a 的压缩机排气压力从1.20 MPa 增加到1.24 MPa；使用R152a 时，压缩机排气压力比R134a 的低约0.18 MPa.这是因为在相同饱和温度的情况下，R134a 的饱和压力高于R152a.此外还进一步比较了两种制冷剂在相同排气压力下产生的热水温度.如图4b 所示，在相同排气压力情况下，使用R152a的燃气机热泵的热水温度比使用R134a 的燃气机热泵的热水温度高约7 ℃.

图4 蒸发器进水温度对热水温度的影响

图5 蒸发器进水温度对排气压力的影响

图6 为蒸发器进水温度对燃气消耗量和系统总产能的影响.随着蒸发器进水温度的增加，使用两种制冷剂的燃气机热泵机组的燃气消耗量和系统总产能均增加.这是因为蒸发进水温度增加导致蒸发温度和蒸发压力的增加，系统制冷剂质量流量增加，进而引起系统制热量的增加，另外，由于压缩机转速未变，制冷剂质量流量增加，导致压缩机耗功的增加；而压缩机由燃气发动机驱动从而引起燃气消耗量和发动机余热量的增加，由于系统总产能由系统制热量和发动机余热量共同决定，因此系统总产能也会随之增加.如图6a 和图6b 所示，在相同的冷却水进口温度下，当蒸发器进水温度从12.8 ℃增加到19.1 ℃时，采用R152a 的燃气机热泵的燃气消耗量和系统总产能分别增加了8.8%和13.5%.使用R134a 的燃气机热泵的燃气消耗量和系统总产能分别提高了7.2%和10.0%.不难发现，R152a 比R134a 燃气消耗量更少，虽然变化率更高，但系统总产能也更高.如图6c 和图6d 所示，在压缩机排气压力相同的情况下，R152a 和R134a 的燃气消耗量分别增大3.3%和7.2%. R152a 和R134a的系统总产能分别增长4.8%和10.0%.

图6 蒸发器进水温度对燃气消耗量的影响

图7 比较了R152a 和R134a 在不同蒸发器进水温度下的一次能源利用率变化.随着蒸发器进水温度的增加，两种制冷剂的一次能源利用率均增加.这是由于系统的总产能增加幅度大于燃气消耗量增加幅度.在相同冷却水进口温度的情况下，如图7a 所示，R152a 和R134a 的一次能源利用率分别增加了4.2%和2.9%.如图7b 所示，在相同的压缩机排气压力下，与R134a 相比，使用R152a 燃气机热泵系统的一次能源利用率高2.1%～4.1%.这是由燃气机热泵系统的燃气消耗量和总产能决定的.在相同的冷却水进口温度下，R152a 的燃气消耗量低于R134a 的燃气消耗量，而系统总产能则相反，因此R152a 的一次能源利用率高于R134a.在压缩机排气压力相同的情况下，R152a的燃气消耗量和总产能的增长速度有所减缓，导致R152a的一次能源利用率变化有所减缓，但仍高于R134a.

图7 蒸发器进水温度对一次能源利用率的影响

3.3 发动机转速的影响

图8 显示了发动机转速变化对热水温度的影响.如图8a 所示，在相同压缩机排气压力下，随着转速的增加，使用R134a 的燃气机热泵热水温度从44.6 ℃增加到46.3 ℃，增加了4.1%；而使用R152a 的燃气机热泵热水温度从50.9 ℃增加到52.4 ℃，增加了4.3%.这可以解释为制冷剂流量随着转速的增加而增加，导致系统总产能增加（如图8b 所示），从而引起水温的增加.同时，R152a 产生的热水温度比R134a 约高6 ℃.这是因为R152a 的系统总制热量比R134a 的系统总制热量大，因此产生的热水水温也越高.

图8 发动机转速对制取热水的影响

图9 显示了发动机转速变化对燃气消耗量的影响.当转速从1200 r/min 增加到1600 r/min 时，R152a和R134a 的燃气消耗量分别增加32.7%和32.8%.其中，使用R134a 的燃气机热泵的燃气消耗量由36.6 kW增加到48.6 kW，使用R152a 的燃气机热泵的燃气消耗量由34.6 kW 增加到45.9 kW. 这是由于发动机转速的增加，制冷剂流量的增加导致发动机轴功的增加，从而导致天然气消耗量的变化.尽管两种制冷剂变化率差别不大，但是R152a 的燃气消耗量仍然小于R134a 的燃气消耗量.

图9 发动机转速对燃气消耗量的影响

图10 为发动机转速变化对一次能源利用率的影响，随着发动机转速的增加，一次能源利用率降低，R152a 和R134a 的一次能源利用率分别降低了9.9%和8.8%.这是由于发动机负载随着燃气发动机转速的增加而逐渐降低，导致发动机输出效率的下降.因此，在系统实际运行时，在保证用户负荷的前提下，将发动机保持在低速区运行，更有利于用户节能. 虽然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显大于R134a.这是由燃气机热泵系统的燃气消耗量和系统总产能共同决定的，R152的系统总产能比R134a 的系统总产能大，而R152a 的燃气消耗量反而比R134a 的小.

图10 发动机转速对一次能源利用率的影响

4 结论

本文分析了制冷剂R134a 和R152a 对燃气机热泵制取热水的水温、能源消耗以及一次能源利用的影响，重点分析了在冷凝进水温度和压缩机排气压力相同时，蒸发器进水温度和发动机转速对以燃气机热泵系统性能的影响.主要结论如下.

（1）在相同的冷却水进口温度下，两种制冷剂产生的热水温度均随着蒸发器进水温度的增加而升高.与R134a 相比，使用R152a 的燃气机热泵具有较高的水温和较低的排气压力. 在相同的压缩机排气压力下，使用R152a 的燃气机热泵的热水温度比使用R134a的热水温度约高7 ℃.

（2）在相同的冷却水进口温度下，使用R152a 的燃气机热泵的一次能源利用率始终高于R134a，然而燃气消耗量却低于R134a.因此，采用R152a 的燃气机热泵在节能方面具有一定的优势.

（3）在相同的排气压力情况下，随着蒸发器进水温度增加，R152a 系统的一次能源利用率比R134a 高2.1%～4.1%.可见，相同排气压力下，使用R152a 的燃气机热泵优势更为明显.

（4）在相同压缩机排气压力下，随着发动机转速的增加，R152a 产生的热水温度比R134a 高6 ℃左右，并且一次能源利用率也更高.