R1234ze(E)/R32混合工质热泵系统性能的实验研究

李潼，张华，邱金友

（1-上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093；2-福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建福州 350118）

0 引言

随着“蒙特利尔议定书”和“京都议定书”等国际条约的颁布，氟氯化碳（Chloro-fluoro-carbon，CFCs）和氟氯烃（Hydro-chlorofluoro-carbon，HCFCs）因其较高的臭氧消耗潜能（Ozone Depletion Potential，ODP）而逐步被淘汰[1]。同时，由于一些氢氟碳化合物（Hydro-fluoro-carbon，HFC）全球升温潜能值相对较高，也将分阶段停止使用。制冷空调行业中急需寻求适当的低ODP替代制冷剂[2]。现阶段有许多新型制冷剂被提议来替代现有的制冷剂，包括低GWP的氢氟碳化合物、天然制冷剂和氢氟烯烃（Hydrofluoroolefins，HFO）[3-7]。但是，很少有纯制冷剂可以完全符合新一代制冷剂关于环境、热力学和安全的要求[8]，已有的研究仍然没有取得令人满意的成果。

制冷剂混合物R1234ze(E)/R32由于其在空调和热泵领域优良的性能，在最近的研究中获得了很高的关注[9]。R32潜热高、零ODP和中等GWP，在空气源热泵领域被认为是R410A在中长期的潜在替代品。而R1234yf和R1234ze(E)具有较低的GWP和ODP，在最近也获得了较多的认可[10]。

MCLINDEN等[11]指出，R1234ze(E)是目前阶段最为合适的商业制冷剂候选替代候选品。HOSSEIN等[12]对换热器内R410A、R32、R1234ze(E)和R1234ze(E)/R32混合制冷剂的蒸发传热系数进行了测量，发现R1234ze(E)的传热系数较R1234ze(E)/R32、R410A和R32分别低11%、56%和83%。KONDOU等[13]测量了R1234ze(E)/R32混合制冷剂的流动沸腾传热系数，并建立了一种新的关联式来预测其热传导系数。AKASAKA等[14]给出了R1234ze(E)/R32混合物的热力学性质模型，并且采用调优参数，使模型更适合实验数据。IN等[15]的研究集中在R1234ze(E)在单压缩机热泵的运行优化上。KOYAMA等[16]通过R32/R1234ze(E)混合物的替代实验表明，经过测试的二元混合工质在一些工况下有着更高的效率，而这种混合制冷剂是替代R410A最有希望的候选。MOTA-BABILONI等[17]在R134a压缩机装置中对两种替代制冷剂(R1234yf和R1234ze(E))进行了试验。与R134a相比，它们的制冷量和工作效率均有所下降。因此，有必要对R1234ze(E)/R32掺混后的混合工质的实际运行性能进行进一步测试与分析。

本文考察了R1234ze(E)、L-41b在实际热泵系统中的运行性能，并与常规制冷工质R410A进行了相同工况对比，为低GWP值制冷剂R1234ze(E)及混合工质L-41b在热泵系统中的应用提供参考和必要的数据基础。

1 实验装置与实验过程

1.1 实验测试环境室

实验测试环境室是用来提供测试机组性能时室内空气的温度、湿度和空气流动速度等所需的工况条件，使测试在稳定环境下进行的装置。环境室的设备包括试验室外围保温结构、空气处理机组、温湿度采样装置、空气流量测试装置、控制系统及测量数据采集系统等。其中，空气调节处理系统主要由室内空气处理机组、水冷压缩冷凝机组、循环风机、电加热器、电加湿器及相关的控制设备组成。

环境室内的温度和湿度参数采用两个PID控制器调节制冷系统、电加热器和加湿器来实现，室内的温度和湿度在24 h内的波动为±0.5 ℃和±2%。环境室所能达到的测试工况如表1所示。

表1 环境室参数控制及精度

1.2 空气源热泵系统实验台

图1为设计搭建的空气源热泵试验系统结构图。此系统包括2个循环回路：热泵系统制冷剂循环回路和冷凝器侧水循环回路。

图1 空气源热泵系统及测点布置图

热泵系统制冷剂循环回路主要包括压缩机、水冷冷凝器、回热器、电子膨胀阀和翅片管式蒸发器等；冷凝器侧水循环回路主要包括恒温水箱、循环水泵和流量计等。压缩机采用变频三菱滚动转子式压缩机，功率为 2,100 W；冷凝器采用水冷套管冷凝器，膨胀阀为卡乐电子膨胀阀 E2V24BSMOO；蒸发器采用定制翅片管的形式，回热器两端连接旁通管路。

实验台系统采集的物理量包括温度、压力、电流和电压等。其中热泵系统各温度测点通过 T型热电偶测得，所有热电偶均经过标定，标定后精度达±0.1 ℃。热泵实验台系统管路中各个压力测点通过压力传感器测得，由Agilent34970A采集。热泵系统运行时的电压、电流、实时功率采用电功率仪YOKOGAWA WT230采集。电参数和各个测点温度每30秒记录一次，压缩机吸排气压力每5秒采集一次，热泵系统运行性能参数采用稳定工况状态下每隔10分钟记录3次实验数据取平均值的形式以减小不确定度。实验测试元件的性能参数列于表2。

表2 测试部件性能参数

1.3 实验工况与误差分析

参照制冷、空调和热泵机组的测试标准，结合工质的目标应用系统（制冷、空调或热泵）和工况，在同一实验装置上和相同的外部环境工况下，对多种制冷工质逐一进行循环性能对比测试。根据测试结果，本文对比评价了不同工质的循环性能。保持冷凝温度与蒸发温度差为 30 ℃恒定不变，针对典型工况，如表3所示。

测量采用低 GWP值制冷剂 R1234ze(E)和L-41b的热泵在多种工况下的运行性能，并将实验结果与常规制冷剂R410A进行对比。本次实验对于每一个工况，需要测量的参数及其测量手段如下。

1）压力参数：压缩机系统排气压力、蒸发器进出口压力。其压力值可通过压力表直接读出，并通过压力传感器将压力信号传送至计算机运算记录储存。压力参数主要用于监测系统的运行状态。

2）温度参数：压缩机系统排气温度、冷凝器进出口温度、电子膨胀阀的进口温度、蒸发器出口温度、冷凝器载热流体进出口温度。温度采用T型热电偶测量，并由Agilent34970A采集；制冷剂循环回路温度测点用于反映系统工况和运行状态，载热流体的进出口温度用于计算系统制热量和运行性能。

3）流量参数：载热流体回路循环流量由智能涡轮流量计测量，用于计算系统制热量和运行性能。

4）压缩机输入功率：由功率仪表测量，用于计算系统运行性能。

表3 典型工况

本文中循环性能系数（Coefficient of Performance，COP）的计算公式为：

式中：

Qh——单位时间内的系统名义制热量，kW；

W——单位时间内系统所消耗的功，kW。

误差分析：温度测量采用CHINO type T热电偶，通过多次测量验证其测量误差为 0.1 ℃；流量测量采用了涡轮流量计LWGY-G，经过多次测量及检验，其测量误差为0.8%；电功率的测量通过功率表读取，并且经过电表的验证，其测量误差为0.2%；虽然本次实验台的所有部件及管道均做了保温处理，但是热量计算时必须考虑系统的漏热，根据相关资料估算漏热量为5.0%。

2 循环性能实验结果及讨论

2.1 循环性能系数COP的对比

由图2可见，3种工质在工况D1时具有较高的COP值，R410A、R1234ze(E)和 L-41b的COP值分别达到了3.89、3.00和3.66；随循环温度的升高，当在工况 D2的工况下运行时，R410A与R1234ze(E)和L-41b的COP值偏差分别为25.9%和4.8%；随循环温度区间的继续升高，当系统运行在工况D3的工况下时，R410A的COP值较R1234ze(E)大23.9%，但此工况L-41b的COP与R410A非常接近，偏差为0.89%。以上COP值随温升区间的变化表明：在低温区R410A具有较优的COP值，而在相对较高温度区间时L-41b具有较优的COP值，在较高温度区间，L-41b替代R410A具有较好的替代性能。

图2 COP随工况变化

2.2 压缩机功耗和制热量的对比

图3 分别给出了新工质R1234ze(E)、混合工质L-41b和R410A这3种工质在3种工况下运行时的制热量和压缩机功率。由图可知，随循环温度区间的升高，从工况D1到工况D3，R410A、R1234ze(E)和L-41b这3者工质的循环压缩机功率逐渐提高，制热量也呈上升的趋势。从工况 D1到工况 D3，R410A压缩机功率的增加幅度要明显大于R1234ze(E)和 L-41b。R410A、R1234ze(E)和 L-41b的压缩机功率从工况 D1到工况 D3分别增大了45.7%、36.6%和26.0%。工况D3的条件下，R410A的压缩机功率为1690 W，而L-41b的压缩机功率为1352 W，前者约为后者的1.25倍，该因素也直接影响了工质的COP。

2.3 压缩机排气温度的对比

图4给出了R410A、R1234ze(E)和L-41b在3种工况下运行时的压缩机排气温度。由图可见，排气温度随循环温度区间的升高， 3种工质的压缩机排气温度均有较大幅度的提高。但是排气温度的升高幅度不同，R410A、R1234ze(E)和 L-41b的排气温度分别从 34.6 ℃、29.6 ℃和 34.9 ℃提升到70.2 ℃、51.7 ℃和 55.9 ℃，提升的幅度分别为102.9%，74.7%和 71.6%，表明随循环温区的提高R410A的排气温度提升幅度明显大于L-41b。从排气温度的角度也可以说明在较高温区工况运行时，L-41b的运行性能优于R410A。

图3 制热量随工况变化

图4 压缩机排气温度随工况变化

2.4 循环压比的对比

在循环温升相同的情况下，控制蒸发温度和冷凝温度，考察制冷剂在不同温区运行时的循环性能。实验测试数据见表4所示。表中Pr为压缩机排气压力与吸气压力的比值，其对压缩机的运行效率有较大的影响。表中可以看出在D1实验工况下，R410A的循环压比较 R1234ze(E)和 L-41b分别小7.6%和9.7%，但随工况的变化，循环整体温升的提高，D3实验工况下，R410A的循环压比与 L-41b较为接近，两者的偏差仅为0.59%左右。从3种工况的压比比较发现，在较低温区工况D1条件下，L-41b的压比要明显大于R410A，而在较高温度区工况D3条件下，两者的压比非常接近，表明在工况D3温度区间L-41b替代R410A要优于工况D1温度区间。

表4 典型工况测试结果

3 结论

本文通过实验研究分析对比了低GWP值工质R1234ze(E)和混合工质 L-41b（R1234ze(E)/R32，质量配比为 27%/73%）在实际热泵系统中的运行性能，得到了以下结论：

1）在相同温升（即冷凝和蒸发温度差相同）的工况下，纯工质R1234ze(E)的运行性能COP值均低于R410A，平均偏差为26.4%；

2）在较低温度区运行，混合工质L-41b的COP值略低于R410A，其偏差为6.8%；

3）在相对较高温度区运行时，混合工质L-41b的COP值与R410A相当，偏差为0.89%，表明在相对高温区，L-41b对R410A具有较好的替代性能。

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