劉思哲 張 超

（中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 鄭州 451191）

0 引言

目前我國的家用空調(diào)器市場中，變頻空調(diào)器因為其節(jié)能的優(yōu)異特性，已經(jīng)成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。制冷劑作為空調(diào)器的重要部分，合適的制冷劑可以讓其達(dá)到事半功倍的效果。在生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天，環(huán)保制冷劑的地位也逐步提高。目前我國市場上廣泛用于替代R22 的制冷劑主要是R410A。但R410A 作為氫氟烴類的制冷劑是溫室效應(yīng)的主要來源。那么作為R410A 組成單元的R32 在環(huán)保方面表現(xiàn)得更為出色[1]。R32 作為一個弱可燃性、低毒性的制冷劑，相較于R410A，R32 的飽和蒸汽壓力與R410A 幾乎持平，意味著兩者可以在同一機(jī)組下使用，R32 還有比其更高的液相比容、氣相比容以及汽化潛熱，在同一個空氣源熱泵機(jī)組下，R32 所需要的充注量更少。所以R32 比起R410A是更為合適的過渡制冷劑[3]。同時，以往的家用空調(diào)器大多采用Φ7mm 換熱器，但是近些年銅的價格水漲船高，液體動力粘度更小的R32 可以采用理論換熱效果更佳的小管徑換熱器。本文著重對R410A和R32 兩種制冷劑在搭配Φ5mm 蒸發(fā)器家用空調(diào)器的循環(huán)性能進(jìn)行對比試驗研究，為進(jìn)一步用R32替代R410A 的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 R32 與R410A 制冷劑熱物性對比分析

R32 和R410A 的熱力學(xué)性質(zhì)較為接近。R32的GWP 為675，相較于R410A 來說更環(huán)保，ODP為0[2]，也就意味著R32 并不會對臭氧層造成實質(zhì)性的危害。R32 比R410A 飽和蒸汽壓力略高，液相比容在44℃以下比R410A 大，液體導(dǎo)熱系數(shù)也比R410A 大。表1為R32 與R410A 理論熱工性能，其數(shù)據(jù)是44℃熱力和輸運物性。

表1 R32 與R410A 理論熱工性能Table 1 Theoretical thermal performance of R32 and R410A

2 實驗裝置

實驗樣機(jī)由江蘇新科電器有限公司提供，在KFRd-35GW-BpNXCA+1（一級能效機(jī)）的機(jī)型上改裝而成。機(jī)組由1 臺全封閉旋轉(zhuǎn)式直流變頻壓縮機(jī)、室內(nèi)外翅片管式換熱器、節(jié)流閥、油分離器、氣液分離器、儲液器及四通閥等部件所組成。壓縮機(jī)采用美芝壓縮機(jī)，型號為KSK103D33UEZ3，室內(nèi)機(jī)換熱器為管徑為5mm 的翅片管式換熱器，節(jié)流閥采用規(guī)格為1.3×750 毛細(xì)管作為節(jié)流閥，內(nèi)徑為1.3mm、總長為750mm。依據(jù)GB/T 21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》[3]，通過對比R410A和R32在同一系統(tǒng)下的APF值（即全年能源消耗效率），以及不同工況下的實驗數(shù)據(jù)，分析R410A 和R32 在空氣源熱泵系統(tǒng)下的優(yōu)劣之處。本實驗在新科5HP 防爆焓差試驗室進(jìn)行，由合肥通用機(jī)械研究院有限公司監(jiān)制，試驗條件符合GB/T 7725-2004 的要求，焓差室系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 焓差實驗室原理圖Fig.1 Schematic diagram of enthalpy difference laboratory

3 實驗結(jié)果分析

依據(jù)GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》[4]和GB 21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》，確定了額定制冷、額定中間制冷、低溫額定制冷、低溫額定中間制冷、額定制熱、額定中間制熱以及額定低溫制熱7 個實驗工況，通過改變焓差實驗室室內(nèi)側(cè)以及室外側(cè)的干濕球溫度來改變不同的工況。分別在不同工況下測定了兩種不同制冷劑在同一個系統(tǒng)下的制冷（熱）量，制冷（熱）消耗功率，COP，壓縮機(jī)排氣溫度等性能參數(shù)。

對于同一空調(diào)系統(tǒng)而言，當(dāng)使用R32 制冷劑充注時可以充注相對較少的制冷劑量。由于R32 與R410A 的熱物性差異，R32 的汽化潛熱遠(yuǎn)大于R410A，使用R32 代替R410A 時，所需要的充注量僅為R410A 的71%左右就能達(dá)到較好的性能狀態(tài)[6]。表2，3 為R32 與R410A 在同一個系統(tǒng)下不同充注量的性能測試結(jié)果。

表2 R32 制冷劑在樣機(jī)的測試結(jié)果Table 2 Test results of R32 refrigerant in the prototype

3.1 不同工況下制冷（熱）量和制冷（熱）消耗功率實驗

由表2、表3的實驗結(jié)果可知，除制冷劑充注量以外，其余系統(tǒng)配置完全相同的情況下，如圖2所示R32 系統(tǒng)的額定制冷量和低溫額定制冷量分別高出R410A 系統(tǒng)6%和10%；中間制冷量和低溫中間制冷量較R410A 系統(tǒng)高出2.4%和3.25%；額定制熱量、中間制熱量以及低溫制熱量也高出R410A 系統(tǒng)0.5%、2.9%以及1.4%。因為R32 制冷劑的比熱容高于R410A，所以其理論容積制冷（熱）量也高于R410A[7]，呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)上的就是不同工況下的制冷（熱）量較R410A 均有不同程度的上升。

表3 R410A 制冷劑在樣機(jī)的測試結(jié)果Table 3 Test results of R410A refrigerant in the prototype

圖2 不同工況下制冷（熱）量對比Fig.2 Comparison of cooling(heat)capacity under different working conditions

R32 系統(tǒng)的額定制冷功率和低溫額定制冷功率分別低于R410A 系統(tǒng)6%和7%；中間制冷功率較R410A 系統(tǒng)幾乎持平；低溫中間制冷功率較R410A 系統(tǒng)高出2%；額定制熱功率、低溫制熱功率分別低于R410A 系統(tǒng)6.5%、7%；中間制熱功率較R410A 系統(tǒng)高出3%。

圖3 不同工況下制冷（熱）消耗功率對比Fig.3 Comparison of cooling(heat)power consumption under different working conditions

由于制冷（熱）量和能效的差異，所以二者反映在COP 上的數(shù)據(jù)如圖4所示，R32 系統(tǒng)在額定制冷、低溫制冷額定制熱以及低溫制熱工況下的能效比較R410A 系統(tǒng)具有顯著升高；在中間制冷、低溫中冷、中間制熱工況下的能效比較R410A 系統(tǒng)僅有微小的提升。試驗結(jié)果表明R32 系統(tǒng)在性能方面上整體優(yōu)于R410A。

圖4 不同工況下COP 對比Fig.4 Comparison of COP under different working conditions

3.2 不同工況下壓縮機(jī)排氣溫度對比分析

R32 系統(tǒng)在額定制冷和低溫額定制冷的工況下壓縮機(jī)的排氣溫度較R410A 系統(tǒng)分別高出6.4℃和9℃；中間制冷和低溫中間制冷工況下較R410A系統(tǒng)高出2.4℃和2℃；額定制熱、中間制熱以及低溫制熱工況下高于R410A 系統(tǒng)2.4℃、5.9℃和4.7℃。由此可見，R32 系統(tǒng)在七種不同的工況下的壓縮機(jī)排氣溫度均高于R410A 系統(tǒng)。根據(jù)R32 與R410A 的熱物性差異，由于R32 的比熱容較大，具有更高的制冷（熱）量，同時也有更高的排氣溫度[8]。但是過高的排氣溫度會對壓縮機(jī)造成不可逆的損害，所以R32 的壓縮機(jī)運行范圍較R410A 的會減少。

圖5 不同工況下壓縮機(jī)排氣溫度對比Fig.5 Comparison of compressor discharge temperature under different operating conditions

3.3 R32 與R410A 系統(tǒng)全年能效對比分析

依據(jù)GB 21455-2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》中對能源消耗效率的計算方法。全年能源消耗效率按式（1）計算。

式中：CSTL為制冷季節(jié)制冷量；CSTE為制冷季節(jié)耗電量；HSTL為制熱季節(jié)制熱量；HSTE為制熱季節(jié)耗電量。

制熱、制冷能源消耗效率按式（2）～（7）計算。

式中：Lc(tj)、Lh(tj)分別為環(huán)境溫度為tj時房間冷負(fù)荷、熱負(fù)荷，W；nj為制冷/熱各溫度分區(qū)所需時長，h；Φful(tj)為制冷季節(jié)室外溫度為tj時空調(diào)器運行制冷能力；X(tj)、PLF(tj)分別為房間熱負(fù)荷與空調(diào)器運行時制冷量的修正系數(shù)；Phal(tj)為空調(diào)器以中間制冷能力運行時消耗的功率，W；Phf(tj)為介于中間與額定制冷能力對應(yīng)房間熱負(fù)荷運行時消耗的功率，W；Pful(tj)為額定制冷能力運行時所消耗的功率，W；P(tj)為空調(diào)器制熱運行時消耗的功率，W；PRH(tj)為空調(diào)器對應(yīng)房間負(fù)荷制熱能力不足時加人電熱裝置的消耗電量，kW/h。

根據(jù)上述計算公式綜合七種工況下的實驗數(shù)據(jù)，可得出同一個系統(tǒng)下R32 系統(tǒng)和R410A 系統(tǒng)的制冷季節(jié)能源消耗效率、制熱季節(jié)能源消耗效率和全年能源消耗效率（即空調(diào)器在制冷和制熱季節(jié)期間，從室內(nèi)空氣中除去的冷量與送入室內(nèi)的熱量總和與同期間內(nèi)消耗電量的綜合之比）[9]，能源消耗效率越高意味著能耗越低，更加節(jié)能。計算結(jié)果表明，無論是制冷或者制熱的季節(jié)能源消耗效率還是全年能源消耗效率，R32 的表現(xiàn)較R410A 更好，全年能源消耗效率比R410A 高出4%。

表4 R32 和R410A 季節(jié)能源消耗率Table 4 Seasonal energy consumption rates for R32 and R410A

4 結(jié)論

本文針對家用空調(diào)器R32 與R410A 性能對比問題，采用實驗研究的方法，對室內(nèi)機(jī)搭配Φ5mm換熱器的同一個空調(diào)系統(tǒng)，分別采用R32 和R410A作為制冷劑，在7 種不同工況下對空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。依據(jù)熱物性差異以及對所得實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究得出了以下結(jié)論：

（1）R32 比R410A 有更高的單位容積制冷量，所以R32 系統(tǒng)可以采用排量較小的壓縮機(jī)。

（2）R32 的基本物理性質(zhì)與R410A 均比較接近，具備替代的基本條件，而且液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)、動力粘度均比R410A 優(yōu)秀，可采用更小管徑的換熱器，有助于提升系統(tǒng)能效。

（3）在所測工況下，R32 系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度均高于R410A，所以在使用R32 制冷劑時，需要注意排氣溫度的上升是否超過壓縮機(jī)可以承受的閾值。

（4）性能方面R32 系統(tǒng)的所測得制冷（熱）量以及能效比均高于同一系統(tǒng)下R410A，大部分工況下的制冷（熱）消耗功率低于R410A，其全年能源消耗率也較R410A 有明顯上升，所以R32 的節(jié)能效果更為顯著。

總的來說，R32 可以在家用空調(diào)器中使用小管徑換熱器的前提條件下替換R410A，不僅節(jié)約成本，在提升制冷（熱）量的同時還能消耗更少的功率，擁有更高的能效比，滿足“碳達(dá)峰”與“碳中和”的大趨勢。