R290房間空調器運行特性實驗研究

高　崢　李紅旗　劉忠民（.北京工業大學　北京　004；.廣東科龍空調器有限公司　佛山　58303）

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R290房間空調器運行特性實驗研究

高崢1李紅旗1劉忠民2
（1.北京工業大學北京100124；2.廣東科龍空調器有限公司佛山528303）

【摘要】為探究R290家用房間空調器的性能特點，分別制作了采用定頻壓縮機與變頻壓縮機的空調器樣機數臺，在分別灌注R290及R22制冷劑后進行運行特性對比分析。在焓差室內進行多組不同毛細管規格及制冷劑灌注量試驗，選擇最佳性能結果進行分析，結果表明：R290空調器樣機在制冷性能表現方面與R22相近。但定頻樣機在制熱運行時制熱量明顯不足，僅為R22的90.8%，更換大管徑換熱器后制熱量稍有提升，為R22的93.2%。采用變頻壓縮機及提升灌注量后制熱量有明顯提升，為R22的98.9%。指出R290樣機制熱量不足的主要原因之一為較低的制冷劑質量流量，變頻技術、補氣增焓技術可有效改善R290空調器制熱量不足的問題。

【關鍵詞】R290；房間空調器；制冷性能；制熱性能；制熱量

0　引言

R22作為目前應用量最大、應用范圍最廣的制冷劑，其替代進程已經進入了實質階段。天然工質R290具有GWP為0、ODP極低、熱物理性質與R22接近等特點，被確定為R22最佳替代物之一[1]。

家用房間空調器在制冷空調行業占有著一定的比重，替換現行R22制冷劑勢在必行，R290應用在房間空調器中是可行的[2-4]，但應針對空調器運行特性做出相應改進措施。

王倩[5]通過實驗證明，對使用R22的家用空調器僅需更換毛細管而不改動其他結構，使用R290就能達到良好的效果。肖友元[6]等通過R290家用空調器樣機的設計，證明了將R290作為R22的替代品應用于家用空調的可行性。肖洪海[7]等對R290用于家用空調中的特性進行實驗，結果表明在合理匹配的情況下，R290最佳充灌量為原機R22充灌量的50%左右，其冷量能夠達到R22機型的97.2%，能效比最高提高12.6%，如果合理配置回熱器和系統工況，R290系統采用回熱循環后可以提高系統的性能。

李廷勛[8]進行了R290灌注式替代R22空調器整機性能研究，指出系統充灌R290后制冷能力持平（99%），而性能系數提高了10%～15%。涂中強[9]在進行R290與R22的制冷性能比較分析實驗后指出了同樣的結論。劉振[10]進行了R290空調器制熱特性研究，指出由于充注量受到限制，提升R290家用空調的制熱量需要從系統配置著手，根據R290的特性，對系統，尤其是換熱器進行調整。

本文主要根據R290空調器樣機性能參數，并結合理論計算結果進行特性分析，研究提升制熱量的方法。

1　定頻空調器性能對比分析

為更加準確的分析R290制冷劑空調器的性能表現，有針對性的提出R290空調器制熱性能提升技術途徑，了解R290制冷劑的自身特性，首先制作兩臺一匹定速R290實驗樣機，在名義工況下（制冷：室內27/19，室外5/24；制熱：室內20/15，室外7/6）測試R290空調器性能，所得數據均是在通過多組變化毛細管和冷媒量后得到的最優結果，并根據所測運行工況進行了理論計算。對同型號R290與R22空調器的性能參數，如蒸發壓力、冷凝壓力、壓力比、壓縮機排氣溫度、制冷量、性能系數、單位質量制冷量、單位質量制熱量、制冷劑質量流量等進行了對比分析。

1.1定頻樣機規格參數

空調器樣機采用定頻旋轉式壓縮機，排氣量為18.1cm3/rev，額定轉速48rev/s，輸入功率695W，制冷能力2990W。室外熱交換器尺寸為574mm ×266mm，采用Φ5銅管。室內熱交換器尺寸為718mm×456mm，同樣采用Φ5銅管。同時制作了另一臺大管徑換熱器樣機，銅管管徑為7mm。

1.2 R290樣機運行壓力分析

在標準工況下對樣機進行了運行測試，在焓差室內進行多組不同毛細管規格及制冷劑灌注量試驗，選擇最佳性能結果進行分析[11-13]。

表1　空調樣機制冷工況運行壓力Table 1 Operation pressures of the Air-conditioner under cooling conditions

表2　空調樣機制熱工況運行壓力Table 2 Operation pressures of the Air-conditioner under heating conditions

通過對比結果可知，在制冷工況運行時，R290樣機的排氣壓力要低于R22，其他運行壓力略高于R22，但并不足以給系統耐壓部件帶來任何影響。在制熱工況運行時，R290樣機的所有運行壓力均低于R22。較低的運行壓力可以減少對系統耐壓部件的考驗，有利于系統平穩運行。因此可以看出，樣機的耐壓設計已達到使用要求，無需改進設計。

從表1中可以看出，在制冷工況運行時，R290的壓力比低于R22。壓力比的降低可以減少壓縮機的摩擦功耗，提高壓縮機工作效率，同時提高輸氣系數。從R290的熱物性來看，壓比的降低主要是由于其飽和蒸汽壓力曲線在房間空調器的蒸發段與R22接近，在冷凝段略低于R22。從表2中數據可知，在制熱運行時，R290壓力比要高于R22，此時較高的壓力有利于制熱量的提升。

1.3樣機制冷運行對比分析

為了更加準確的分析樣機運行特性，根據所測得的運行工況數據進行理論計算，結合實測數據與理論計算結果進行對比分析。在進行樣機試驗時，測定了壓縮機吸排氣口的壓力值，根據經驗，蒸發壓力比吸氣壓力高約0.01MPa，冷凝壓力比排氣壓力低約0.01MPa。根據測試數據結合制冷劑熱物性軟件確定不同制冷劑狀態點參數，完成理論計算。得到單位質量制冷/制熱量、質量流量、單位容積制冷/制熱量、EER等相關參數。理論計算工況如表3所示。

表3　制冷運行理論計算工況Table 3 Working conditions of refrigeration of the theoretical calculation

表4　 R290與R22空調器制冷性能參數Table 4 Refrigerating parameters of the Air-conditioner

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1.3.1排氣溫度

R290的排氣溫度比R22有大幅降低，在小管徑換熱器樣機中較R22低28.2，在大管徑換熱器樣機中較R22低27.4。較低的排氣溫度可以降低氣體與壓縮機氣缸之間的熱交換，使得壓縮過程更加接近等熵過程，從而提高壓縮機的工作效率；同時有利于減少不凝性氣體的產生；并且排氣溫度的降低能夠為壓縮機提供更加有利的工作環境，延長壓縮機使用壽命。R290的排氣溫度比R22低的原因之一為兩者比熱容不同。在相同溫度下，R290的飽和液體比熱容與飽和氣體比熱容都比R22大，使得在相同的蒸發器負荷下，R290系統的排氣溫度較低。

1.3.2制冷能力

由表4可以看出，不論是在采用大管徑室外換熱器或小管徑室外換熱器時，R290系統與R22系統相比，實際制冷量均十分接近，并且EER要明顯優于R22系統，提升0.6左右。對于R290系統，大管徑換熱器的采用僅使得制冷量有很少量的提升，但灌注量卻增加85g，使得系統總灌注量超過安全標準，并無實際意義。從理論計算結果可知，R290的單位質量制冷量要遠大于R22，約為R22 的1.7倍。但R290制冷劑質量流量較小，僅為R22 的56%。在這兩者的綜合作用下，R290系統的制冷量并未出現大幅下降。R290良好的熱物性表現同樣有助于提升制冷量，其汽化潛熱較大，約為R22的一倍左右，且R290的導熱系數大、粘滯系數小，可以獲得更高的換熱器換熱效率。

R290系統制冷劑質量流量小的原因主要是由于其吸氣比體積遠大于R22。在定頻壓縮機系統中，吸氣容積不變，R290質量流量必然較低。樣機制冷運行時，R290吸氣比體積為R22的2倍，由于R22系統的壓比較R290大，因此R22系統的實際吸氣容積較R290小。在這兩者的綜合作用下，使得R22系統質量流量約為R290的1.7倍。

單獨考慮制冷工況下R290樣機的性能，已經達到和R22原型機相同的效果，且相比之下，EER有所提高。無需再做任何方面的系統改進。

1.4樣機制熱運行對比分析

進行制熱運行分析時，同樣采用實測數據與理論數據結合的分析方式，理論計算工況如表5所示。

表5　制熱運行理論計算工況Table 5 Working conditions of heating of the theoretical calculation

表6　 R290與R22空調器制熱性能參數Table 6 Heating parameters of the Air-conditioner

圖1　制冷劑質量流量對比Fig.1 Comparison of refrigerant mass flow

由表6可知，相比R22系統，R290樣機的制熱量出現了明顯下降。在小管徑換熱器時，R290樣機的實際制熱量為2786W，為R22原型機的90.8%，在增大換熱器后實際制熱量為2875，為R22樣機的93.8%，出現了小幅度的提升，但相比R22系統，仍然存在較大差距。

理論計算結果顯示，在制熱運行時，R290樣機的單位質量制熱量是R22原型機的1.8倍，但R290的質量流量為R22的48%，制冷劑質量流量的大幅度降低無法由較高的單位質量制熱量所補償，因此造成了一定程度的制熱量下降。

2　變頻空調器運行分析

采用變頻技術的空調器，可以憑借壓縮機變頻運行，為系統提供適當的制冷劑質量流量。通過對定頻樣機的運行分析可知，R290制冷劑質量流量較低是其制熱量不足的主要原因之一，因此采用變頻壓縮機可以有效改善制熱量不足的問題。變頻樣機制冷運行性能仍保持較高水平，不再進行進一步分析。由于系統設計原因，變頻樣機同時加大了制冷劑灌注量。

2.1變頻樣機規格參數

空調器樣機采用直流變頻壓縮機，排氣量為13.8cm3/rev，輸入功率1280W，制冷能力4080W，轉速變化范圍為1600-7800rev/min。室外熱交換器尺寸為641×294，翅片寬度13.6mm，采用Φ7銅管。室內熱交換器尺寸為718×462，翅片寬度18.19mm，采用Φ7銅管。相比定頻樣機，換熱器尺寸有所加大。

2.2變頻樣機制熱運行分析

同樣在標準工況下對變頻樣機進行了運行測試，選擇最佳性能結果進行分析。

表7　 R290與R22變頻空調器制熱性能參數Table7 Heatingparameters of the inverterAir-conditioner

從表7中可以看出，在名義制熱工況下，R290的制熱量為R22的98.9%，在中間制熱工況下，R290的制熱量為R22的99.2%，與R22系統相差無幾。對比壓縮機運轉頻率，可以看到，為達到與R22系統相近的制熱量，R290系統壓縮機運轉頻率要高于R22。較高的運轉頻率可以有效提升制冷劑質量流量，驗證了變頻技術在提升空調器制熱能力方面的作用。在能效表現方面，名義制熱工況時，R290系統與R22系統一致，中間制熱工況時，R290系統略低，總的來說R290系統能效表現與R22無異。

相比于定頻空調，變頻空調器制熱量有了顯著的提升。但是變頻樣機采用了較大的換熱器管徑，導致制冷劑灌注量有較明顯的增加，R290的充注量達到了470g。根據國家標準中的限定灌注量還有一定的差距，在后續的樣機設計中應考慮采用微通道換熱器等技術，在保證制熱量的基礎上進一步降低制冷劑灌注量[14-16]。

3　結論

R290空調器在制冷性能方面表現優異，與R22樣機在制冷能力上表現一致，EER實現大幅度提升。

R290定頻空調器的制熱能力有所降低，主要原因之一為較小的制冷劑質量流量。在采用變頻壓縮機及加大制冷劑灌注量等措施后，制熱量有明顯提升，與R22系統相差無幾。

采用補氣增焓技術可以進一步提升空調器制熱能力。在保證制熱量的前提下，為進一步降R290灌注量，可以考慮采用微通道換熱器等技術途徑。

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Experimental Study on Operation Characteristics of R290 Room Air-conditioner

Gao Zheng1Li Hongqi1Liu Zhongmin2
( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hisense Kelon(Guangdong) Air Conditioner Co., Ltd, Foshan, 528303 )

【Abstract】Several samples have been made for inquiring the operation characteristics of domestic R290 room air-conditioner. It used different kinds of compressors. One is invariable frequency compressor; the other is variable frequency compressor. The air-conditioner samples were tested in enthalpy different laboratory with different capillary tube lengths and perfusion amounts. The best working character results was analyzed. The results show that the cooling performance of R290 is closed to R22. But the heating performance of the sample which is used invariable frequency compressor is obviously insufficient. It is only 90.8% of R22. After changing bigger heat exchanger, the heating performance increased 2.4%. The heating performance of the sample with variable frequency compressor and bigger refrigerant perfusion is good. It is 98.9% of R22. It is found that one of the reasons of deficiency heating capacity of R290 is low refrigerant mass flow. The technology of frequency conversion and refrigerant injection could obviously improve this problem.

【Keywords】R290;Air-conditioner; cooling performance; heating performance; heating capacity

中圖分類號TB61

文獻標識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-090-05

基金項目：環保部開展丙烷房間空調器制熱性能提升研究技術支持活動項目專項經費資助（編號：C/III/S/13/459）

作者簡介：高崢（1990.01-），男，在讀碩士研究生，E-mail：fsgaozheng@126.com

通訊作者：李紅旗（1963.06-），男，教授，E-mail：hongqili@sina.com

收稿日期：2015-03-12