R290变频热泵空调器性能的实验研究_吴国强.pdf

第 49 卷 第 3 期2023 年 3 月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.49No.3Mar.2023R290 变频热泵空调器性能的实验研究吴国强,马国远,许树学(北京工业大学环境与生命学部,北京摇 100124)摘摇 要:R290 是一种高效环保的制冷剂,其在空调器上的应用具有十分广阔的前景.从理论上比较了以 R290 作为工质的系统与其他制冷剂系统的性能,并对某型号变频家用分体式空调器进行了实验研究,测试了不同环境温度下空调器制冷和制热的性能.研究结果表明:R290 空调系统理论上 COP 高于 R410A 和 R32,与 R134a 接近;在制热工况下,R290 变频热泵空调器在环境温度从 12 益 变化到-12 益 时,实测能效比从 3郾 78 较为均匀地变化到2郾 79;制冷工况下,环境温度从 29 益到 43 益时,能效比从 2郾 26 下降到 1郾 91,制冷功耗在 1郾 5 kW 附近上下波动;R290 家用空调系统的排气温度远低于 R32,但送风温度的控制仍有改善空间.本研究为 R290 变频空调的优化提供了参考.关键词:R290;热泵;变频空调;制冷剂对比;排气温度;送风温度中图分类号:TM 925郾 12文献标志码:A文章编号:0254-0037(2023)03-0379-07doi:10.11936/bjutxb2021080005收稿日期:2021鄄08鄄09;修回日期:2021鄄09鄄25基金项目:北京市教育委员会科技计划资助项目(SQKM201810005011)作者简介:吴国强(1991),男,博士研究生,主要从事制冷、热泵技术方面的研究,E鄄mail:Experimental Study on the Performance of Inverter AirConditioner Using R290WU Guoqiang,MA Guoyuan,XU Shuxue(Faculty of Environment and Life,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:R290,as an effective and environmentally friendly refrigerant,has great potentials in theapplication of air鄄conditioning.In this paper,the performance of inverter air conditioner(AC)usingR290 was compared theoretically with that of other refrigerants.Moreover,the performance of a split ACwas experimentally studied in both summer and winter conditions with different ambient temperatures.Results show that the performance of R290 AC system is theoretically higher than that of R410A andR32,which is comparable to R134a.In winter condition,the system energy efficiency ratio(EER)varies from 3郾 78 to 2郾 79 as the ambient temperature changes from 12 益 to-12 益;in summercondition,the system EER decreases from 2郾 26 to 1郾 91 as the indoor temperature increases from 29 益 to43 益,with a relatively constant cooling power at about 1郾 5 kW.The discharge temperature of inverterAC using R290 is far lower than that of R32.However,there is still great potential for improvement ofsupply air temperature control.This study provides reference for optimization of inverter AC using R290.Key words:R290;heat pump;inverter air conditioner;refrigerant comparison;discharge temperature;supply air temperature摇 摇 随着全球变暖的加剧,各国加强了对氢氟烃化物(hydrofluorocarbons,HFCs)的管控.2021 年 3 月网络首发时间：2023-03-10 11:09:01网络首发地址：https:/ 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报2023 年中国政府在两会上提出了碳中和、碳达峰的概念,即承诺在 2030 年前实现二氧化碳的零增长,在 2060年实现二氧化碳的零排放.2021 年4 月中国政府决定接受掖蒙特利尔议定书业基加利修正案,加强对非二氧化碳温室气体的管控.R290 的臭氧消耗潜值(ozone depletion potential,ODP)为 0,全球变暖潜值(global warming potential,GWP)为 20,作为环保高效的制冷剂,在空调热泵领域受到瞩目1.在整机性能研究方面,Tang 等2对某名义制热量为 13kW 的 R290 空气源热泵进行了测试,额定制热 COP 和额定制冷 COP 分别达到了 3郾 27 和 2郾 80,达到国家相关法规的要求.张耘等3使用 R290 直接替换低温热泵系统中的工质 R22,在对压缩机进行优化后,R290 热泵系统的效率较 R22 提高了6郾 65%,排 气 温 度 降 低 了 36%.但 另 一 方 面,Padalkar 等4将 R22 空调更换 R290 压缩机后发现能效比(energy efficiency ratio,EER)下降了 1郾 1%.席新宇等5将 R22 热泵型空调器制冷剂直接替换为 R290 后,由 于 流 量 的 减 少,制 热 量 降 低 了14郾 6%,COP 降低了 7郾 5%.杨春等6对 R290 变频空气源热泵的供热运行特性进行了测试,在平均气温为-0郾 75 益的低温供热季节里,系统能效比达到2郾 21.在关键部件研究上,Liu 等7对不同节流机构进行了研究,比较了不同室内外温度下 R290 空调的性能表现,研究结果显示在毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀 3 种方式中,使用毛细管的系统性能更容易受到充注量的影响.而且,R290 系统适合采用大过热度.Qiu 等8鄄9利用 VOF 多相流模型和 SSTk鄄棕 湍流模型对 R290 在微通道内的传热和流动特性进行了研究,结果显示:当微通道流动角为 90毅(往下流动)时,传热系数最佳;在相同的传热系数和传热温差下,减小微通道直径最高可以降低94郾 8%的制冷剂充注量.此外,李小燕等10使用了全生命周期评价方法,发现 R290 空调的生命周期碳排放约为 R32 空调的 85%,显示了 R290 空调减排的潜力.Chen等11研究了使用矿物油 MOs 和聚烷基乙二醇合成油(PAGs)的 R290 空调的性能,发现使用 PAG 润滑油可以减少压缩机内 10 13 g 的 R290 质量,并提高了 1郾 8%2郾 3%的制热量,但 COP 略有下降.Paula 等12建立了制冷系统的稳态模型,从环保特性、能量效率和效率角度比较了使用 R290、R1234yf 和 R744 的系统,结果显示 R290 具有最高的环保特性,并且具有最高的能量效率和效率,充注量也更少.变频是利用变频器改变压缩机频率的一种方式,具有自动调节负荷、节能省电、噪声低的优点13鄄14,但目前关于 R290 变频空调的性能的研究基本集中于标准工况,对于较宽运行温度范围内的研究较少.本文分析了几种常见制冷剂在制冷和制热工况下的性能表现,并对某 R290 变频分体式热泵空调器进行了实验研究,测试了制热和制冷工况下空调器的性能表现情况、排气温度和室内机出风温度,为 R290 变频空调的优化提供了参考.1摇 R290与几种常见制冷剂制冷与制热性能的对比摇 摇 为了比较额定制冷量同为 2郾 5 kW 的不同制冷剂作为工质的热泵空调在不同温度下的性能,参考房间空气调节器用全封闭型电动机-压缩机GB/T1572014 的工况设定蒸发温度为 7郾 2 益,冷凝温度为 54郾 4 益,吸气过热度为 11郾 1 益,液体过冷度为8郾 3 益.根据设定的工况计算出同一额定制冷量下压缩机的输气量,结果如图 1 所示.然后利用Matlab 调用 REFPROP 对同一冷凝温度、不同蒸发温度下的系统的制热性能和同一蒸发温度、不同冷凝温度下的制冷性能进行模拟分析,得到了制热工况下空调的制热量、功耗和制热 COP,分别如图 2 4 所示.图 1摇 额定制冷量为 2郾 5 kW 的几种工质的压缩机输气量Fig.1摇 Capacity of compressors using different refrigerantswith rated cooling capacity of 2郾 5 kW摇图 2 所示是几种制冷剂在空调制热工况下制热量随蒸发温度的变化.当蒸发温度从 10 益 下降至-25 益时,不同制冷剂作为工质的热泵系统的制热量差距逐渐扩大.R290 系统和 R410A 系统的制热量很接近,同时在这 4 种制冷剂作为工质的热泵系083摇 第 3 期吴国强,等:R290 变频热泵空调器性能的实验研究统中,R290 和 R410A 系统制热量最高.R32 系统略低于 R290 和 R410A 系统,表现最差的是 R134a 系统,与其他 3 种制冷剂相差较大.在蒸发温度为10 益时,R134a 系统制热量与 R290 系统几乎一致,但在蒸发温度为-25 益 时,R290 系统的制热量为1郾 25 kW,R134a 系统为 1郾 02 kW.R290 系统的制热量比后者高 22郾 5%.图 2摇 制热量随蒸发温度的变化Fig.2摇 Heating capacity with differentevaporation temperatures摇图 3 是制热工况下功耗随蒸发温度的变化.整体上,功耗随蒸发温度的变化呈抛物线型,所研究的制冷剂系统功耗极大值在 4 9 益 取得.当系统仅蒸发温度升高时,吸气量不变,质量流量增加,比功减少,两者的相互作用导致功耗呈现抛物线型.在制热工况下,4 种制冷剂的区别较为明显,功耗从高到低依次是 R410A、R32、R290、R134a.图 3摇 功耗随蒸发温度的变化Fig.3摇 Power consumption with differentevaporation temperatures摇图4 所示为制热 COP 随蒸发温度的变化.从图中可以看出,R290 与 R134a 的制热 COP 十分接近,而 R32 与 R410A 的制热 COP 十分接近,这与文献15的实验结果一致.在制热工况下,R290 与R134a 系统制热 COP 始终高于 R32 和 R410A 系统.与 R32 相比,R290 系统的制热 COP 在蒸发温度为-25 益时比 R32 高8郾 1%,在蒸发温度为10 益时则