第３１卷第２期 ２０１５年２月 建 筑 科 学
ＢＵＩＬＤＩＮＧ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１５
［文章编号］１００２—８５２８（２０１５）０２－０１３１—０４
Ｒ４０６ａ应用于中高温热 ＤＯＩ：１０．１３６１４／ｊ．ｅｎｋｉ．１１—１９６２／ｔｕ．２０１５．０２．０２３
泵热水器的性能研究 仝高强 ，朱兴旺 ，王舒婷 ，覃志诚 （１．郑州轻工业学院机电工程学院，郑州４５０００２；２．沈阳化工大学能源与动 力学院，沈阳１１０１４２；３．广州中宇冷气科技发展有限公司，广州５１０９３５）
［摘 要］为了研究非共沸混合制冷剂Ｒ４０６ａ应用于中高温热泵热水器的性能，对Ｒ４０６ａ和Ｒ２２两种工质的基本物性进 行对比分析，并将Ｒ４０６ａ热泵热水机组放在房间热平衡室内进行试验。在环境温度２０℃，机组最终出水温度７５℃条件下，对 机组进行测试，研究机组的循环性能、排气压力和排气温度。实验结果表明，Ｒ４０６ａ相比于Ｒ２２热泵热水器在制取高温热水 时，具有相对较低的排气温度和排气压力。在系统出水温度为７５℃时，系统的排气温度和排气压力均在安全运行范围以内， 且系统ＣＯＰ为２．２６。 ［关键词］Ｒ４０６ａ；中高温；空气源热泵热水器；试验研究；循环性能 ［中图分类号］ＴＵ８３２．１ ９ ［文献标识码］Ａ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｒ４０６ ａ ｉｎ Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ Ｗａｔｅｒ Ｈｅａｔｅｒ ＴＯＮＧ Ｇａｏｑｉａｎｇ ，ＺＨＵ Ｘｉｎｇｗａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｓｈｕｔｉｎｇ ，ＱＩＮ Ｚｈｉｃｈｅｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１４２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ．Ｍ．ｕｎｉｖｅｒｓｅ ａｉｒ ｃｏｎｄ．ｔｅｃｈ．ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０９３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｎｏｎ ａｚｅｏｔｒｏｐｉｃ ｍｉｘｔｕｒｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｒ４０６ ａ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｅｒ，ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｒ４０６ ａ ａｎｄ Ｒ２２ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｅｒ ｗａｓ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｈｅａｔ ｂａｌａｎｃｅ ｒｏｏｍ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｕｎｉｔ ａｔ ｔｈｅ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（２０ ｃＩ＝），ｏｕｔｌｅｔ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（７５℃）．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｒ２２，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｒ４０６ ａ ｈａｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｏｗ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｈｅｎ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ７５ ｏＣ，ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｒ４０６ａ ａｒｅ ａｌｌ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ＣＯＰ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ２．２６．Ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒ４０６ ａ，ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｉｒ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｅｒ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ， ｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
０ 引 言 近年来，随着常规热泵热水器技术的日趋成熟， 工业用高温热水需求的日益增加，中高温热泵热水 器的研究成为国内外学者们的研究热点。中高温热 泵工质的研究是解决目前制取高温热水时排气温度 过高等影响系统稳定高效运行问题的方法之一。早 期的研究中，以ＣＦＣ１１、ＣＦＣ１１４为研究工质，因其对 环境污染严重，现在已经被禁止使用，近期的研究则
［收稿日期］２０１４－０６－２６ ［修回日期］２０１４－０９－０３ ［作者简介］仝高强（１９９０．），男，在读硕士研究生 ［联系方式】９８３１６６８２５＠ｑｑ．ｃｏｎｌ
以ＨＣＦＣｓ非共沸混合制冷工质为主…。Ｋａｚｏ Ｎａｋａｔａｎｉ等对以Ｒ２２／Ｒ１３４ａ，Ｒ２２／Ｒ１５２ｂ，Ｒ２２／ Ｒ１４２ｂ和Ｒ２２／Ｒ１２３为工质，对冷凝温度为７０℃的 热泵性能进行了试验研究 。朱秋兰等研究开发 了１种新型工质ＨＴＲ０２，并对其应用于中高温热泵 热水机组进行了试验研究，试验结果表明其在中高 温热泵系统中的运行性能高于Ｒ１３４ａ，且能够制取 ７５℃热水 。王怀信等对几种中高温热泵工质进 行理论研究，筛选出在不同温度区间内性能优良的 热泵工质为高温热泵工质的选取提供了理论参考数 据 。孙方田等对其研究开发的新工质ＴＪＲ０１应 用于中高温热泵热水器的循环性能进行了试验研 １３２ 建筑科学 第３１卷 究，试验结果表明ＴＪＲ０１热泵热水机组可以获取最 高６０ ｃ【＝热水，且循环性能大于３．２，具有较好的应 用前景 。目前，国内外研究学者们已经研究开发 出多种新型混合中高温热泵工质，但是现有研究的 成果多属于专利技术，采购成本较高，而理论研究选 取的工质的应用的可行性需要进一步的试验验证。 Ｒ４０６ａ混合制冷剂是１种目前应用在冰箱、冷库、制 冰机等设备替代Ｒ１２和Ｒ５００的过渡性制冷剂，相 对于新型开发的混合型中高温制冷剂较易获取。 笔者通过将非共沸混合制冷剂Ｒ４０６ａ应用到 空气源热泵热水装置中，使得空气源热泵热水器不 但能产生７５℃左右的高温热水，相对于Ｒ２２热泵 热水系统的ＣＯＰ有了较大地提升，且机组的排气温 度和压力都在安全运行范围内。 １ 工质Ｒ４０６ａ的基本性质 Ｒ４０６ａ是１种３元非共沸混合物，由ＨＣＦＣ一２２、 ＨＣＦＣ一１４２ｂ和Ｒ－６００ａ按一定比例混合，其在常温下 为无色气体。其基本物理性质见表１。 表１ Ｒ４０６ａ及１１２２的基本物理性质 从表１可以看出，Ｒ４０６ａ具有比Ｒ２２更低的 ＯＤＰ，且其ＧＷＰ只有０．１９，从环保角度来说其相对 于Ｒ２２更具环保性。 Ｒ４０６ａ制冷剂的临界温度为１ １６．５℃，比Ｒ２２ 高２０．３５℃，因而，其应用在热泵热水装置中可以获 取更高的冷凝温度，为制取高温热水提供了可能性。 ２试验系统及测试装置 ２．１试验系统 本试验在名义工况（干球温度２０℃，湿球温度 １５ ｏＣ）下进行。实验测试样机采用循环加热式机 组。实验测试在控制精度为－４－０．３℃的焓差实验室 中进行。制热循环系统主要部件：压缩机采用丹佛 斯的涡旋式压缩机，冷凝器采用高效管，蒸发器采用 翅片管式蒸发器，节流装置为ＢＡＥ６艾默生膨胀阀； 水循环系统主要有容积为２５０ Ｌ的承压保温储水 箱、电磁流量计、水泵、阀门等；数据采集系统主要有 温度传感器（采用ＰＴ１００热电阻）、压力传感器、数 据采集仪等。试验原理图如图１。
图１ 中高温热泵实验原系统示意图 热泵循环在压焓图上的变化如图２所示，图２ 给出了出水温度为７５℃时系统相应状态的变化。
图２压焓图 ２．２测点分布 冷凝侧所测参数主要包括换热器进出口水温以 及流过换热器的循环水流量。压缩机测点所测参数 主要包括压缩机输入功率，吸、排气压力和吸、排气 温度。蒸发器测点主要测蒸发器进出口温度。水箱 测点所测参数主要测水箱的平均温度。其他所测参 数主要包括电压、电流以及加热时间等。 ２．３测试装置及测试精度 数据采集系统由１台计算机和数据采集仪组 成。采集数据时间间隔为１０ ｓ，共采集７组数据，最 后选用平均值作为最终实验数据。主要仪器及精度 见表２。 制热量、ＣＯＰ的数据误差由数据采集后得到， 其误差分析计算可以用二次幂法进行。即：若 为 ｎ个独立变量的函数，则： 塑： 『ｆ ）：］÷ Ｒ 台一 第２期 仝高强，等：Ｒ４０６ａ应用于中高温热泵热水器的性能研究 １３３ 表２主要测试仪器及精度
制热量Ｑ： （ｇ，ｔｌ，ｔ２），制热量的误差为 ： Ｖ
［（ ） ＋（ ） ＋（ ） ］了：０．４１％； ｑ ｌ
性能系数ｃｏＰ＝ （Ｑ，Ｐ），性能系数笔 ＝
［（ ＋（ ］丁－０．４２％。
式中：ｑ为水流量，ｍ ／ｓ；ｔ 为冷凝侧进水温度，ｏＣ；ｔ： 为冷凝侧出水温度，ｏＣ；Ｑ为制热量，ｋＷ；Ｐ为电功 率，ｋＷ。
３试验结果及分析 试验结果以所测参数随水箱的的平均温度达到 所选取的５５℃、６５℃、７０℃、７５℃时的测试值的变 化作曲线图，实验结果如图３～图８所示。因已有 研究测试Ｒ２２制取６０℃热水的研究，笔者不再做 重复实验，分析对比参考文献［６］。 ３．１从图３～图４可以看出，随着终止水温的逐渐 升高，系统的制热量逐渐下降，耗功率逐渐增加，系 统ＣＯＰ逐渐下降，与常规热泵热水器基本制热时的 变化趋势相同。其主要原因都是压缩机的压缩比逐 渐增加（见图７），压缩机输气系数降低，系统的制冷 剂质量流量减少，制热量降低，耗功增加。在出水温 度为７５℃时，系统的ＣＯＰ为２．２６，相对与电加热热 水器，其具有更好的节能效果。
１０．２ ｌＯＯ 喜９ ８ 删 ９，６
９ ４ ９ ２ ５５ ６０ ６５ ７０ ７５ 终止水温／＇ｃ
图３制热量随终止水温的变化曲线
≥ 褂 雷 霰 器