R417a替代R22工质的静态加热式热泵热水器性能试验研究

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R417a替代 R22工质的静态加热式热泵热水器性能试验研究王 柯，刘 颖。张 雷- 昆，刘 艳(上海理工大学 ，上海 200093)摘 要： 从理论分析及试验研究方面对静态加热式热泵热水器的性能进行了研究，并根据国标GB/T 23137-2008中对工况条件的规定 ，将试验平台搭建在空气焓差室中，利用现有的环境模拟设备实现对机组进行性能测试。试验采用水箱混合法测定水箱温度，首先分析了在不同充注量情况下机组的性能；接着将机组运行工况分为高温、名义、低温、结霜4种工况进行测试，根据实验结果，对机组的性能进行了详细的分析；并采用工质 R417a与 R22进行直接替代对比试验。

关键词 ： 热泵热水器；性能测试；充注量；变工况；工质替代；R417a中图分类号： TH3；TH137.8 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.05.014Performance Test of Static Heating Type Heat Pump W ater Heater forRefrigerant R417a Replace R22WANG Ke，LIU Ying，ZHANG Lei，JIANG Kun，LIU Yan(University of Shanghai for Science&Technology，Shanghai 200093，China)Abstract： This article researched on both theoretical analysis and experimental study of static heating heat pump water heaterS performance.We set up experiment platform in air enthalpy room according to the national standard GB/T23137-200 in pro·visions of working conditions，then tested on the unit performance by using the environmental simulation equipment.This experi-ment measured the temperature of the water box by using the tank hybrid method .First，the research focus on the unit perform -ance in diferent conditions of refrigerant injection volume；second，the unit operating conditions were divided into 4 diferent(：on·dition：high tempe rature，standard，low tempe rature，frosting，then we caried out a detailed analysis on the unit perform ance ac-cording to the experimental results，finally，we alternative comparative experiments using refrigerant R417a and R22。

Key word： heat pump water heater；performance testing；injection volume；variable conditions；refrigerant substitution；R417a1 前言空气源热泵热水器在节能、安全、环保等方面展露出独具的优越性，作为-种高效的热水获取装置已经逐渐占据了市常它运用逆卡潜循环原理，压缩机从蒸发器中吸人低温低压制冷剂气体，通过压缩机做功将制冷剂压缩成高温高压气体，在冷凝器中被冷凝成液体而释放出大量热，被水吸收而温度不断上升。被冷凝的液体经膨胀阀节流降压后，在蒸发器中通过风扇的作用，吸收周围收藕日期： 2012-11-O1 修稿日期： 2012-12-o7基金项目： 上海市重点学科建设资助项目($30503)空气热量从而挥发成低压气体，又被吸入压缩机中压缩，这样反复循环，制取热水。

根据国家标准 GB/T231137-2008及用户要求，设计并建造-套空气源热泵热水器热力性能测试实验室。由于空气源热泵热水器性能测试试验对热水侧和热源侧的工况都有要求。环境工况用制冷机组除湿、降温，加湿来维持温湿度恒定。

水侧工况靠冷水机组给水箱内水降温，调节电加热器来维持进水温度恒定。按照国标中对静态加热式热泵热水器具体测试标准和试验要求，在系2013年第4l卷第5期 流 体 机 械 61统各部位装置对应的温度、压力、流量和电器等测试仪表，并将仪表中所得数据代人标准中对应公式来获取热泵热水器的制热水能力、热泵制热量、系统性能系数热泵、制热消耗功率等试验数据。

2 静态加热式热泵热水器热泵制热量测试方法空气源热泵热水器性能试验中主要测试、计算参数包括初始水温度、终止水温度、制热量、消耗功率、性能系数、产水量。

初始水温度：热水器开始加热前，在使用侧的进口处测得的水温度。

终止水温度：当加热稳定时热水器在使用侧最终出口处测得水的温度。

制热量：在规定试验工况下，热水器运行时间内提供热水的热量与运行时间之比。

消耗功率：热水机运行时所消耗的总电功与运行时间时问之比。

性能系数：制热量与消耗功率之比产水量 ：在规定试验工况下，热水器单位时间内提供的热水流量。

2.1 水箱混合法测水温由于在加热过程中水箱内的水会产生温度分层，实际测试中很难确定水箱的平均温度，温度高在上面，低的在下面。静态加热式和循环加热式的制热量的检测方法-样，采用水箱混合法进行测试，标准中要求的水箱混合以至少每分钟 1/2水箱容量的流量混合3min，水泵应采用非金属壳体结构，目的是为快速混合，减少漏热，但没考虑到混合的水流量太大，难 以实现。以水箱容量150L为例，循环泵的流量需要大于 4.5T/h，水流速度最大处将达到 35m/s以上，很难选择出合适的水泵，即便有适用的水泵，功率也必然很大，运行过程中水泵的热量必然影响到水的温度；在类似水箱结构的太阳能热水器标准 GB/T18708-2002的同样有水箱混合，流量要求为400～600L/h，实际测试中是-般选用 800-1200L/h，既能较快速的混 合，流 量也 不会 太大，时 间大概 在20min，不会引起水温较大波动。

由于标准对水箱自身的吸热没有进行考虑，实际上水箱是存在吸热现象，并且吸热数值随着水箱大型内部材料差异而不同；在实际中由于盘管的存在，水箱内的水是放不净的，并且水箱上部存在空气垫，每次测试中水箱内加水量多少都是存在较大偏差；水箱混合法运行过程中其热量损失难以预测以及水泵的热量必然影响到水的温度。所以，水箱混合法测试水箱的平均水温会存在些许误差。

2.2 性 能系数测定考虑到实验室主要测试对象是家用空气源热泵热水器，根据制热方式及实际运行情况，采用静态加热式热泵热水器测试方式。静态加热式热泵热水器是指通过换热器与水直接或间接接触，被加热水侧以自然对流方式使水温逐渐达到设定温度的热泵热水器。相较于-次加热式和循环加热式热泵热水器，静态加热式的结构特点是在水箱中采用冷凝盘管形式。按说明书要求连接好热泵热水器，在规定的环境温度条件下，将水箱内注满15oC±0.5℃的水，将水加热至 55oC±0.5C，记录进水温度 ，出水温度 ，被加热水体积 ，加热时间 日，耗电量 E。

热泵制热量按下式计算：Q Cq t(Tj- )式中 Q --热泵制热量，wc--平均温度下水的比热容，J/(kg·℃)g --热水质量流量，kg/s- - 时间，s- - 进水温度，℃- - 出水温度，℃机组制热消耗功率：P E/t式中 层--热泵热水器加热-个周期的总耗功(即耗电量)，kW ·h所以，性能系数(COP)计算式：COP Qh 式中 m--水的质量，kg，m pV3 试验系统将空气源热泵热水器热力性能测试实验平台搭建在制冷所空气焓差室中，利用现有的环境模拟设备实现对机组的性能测试。根据现有条件，对-台现有的热泵热水器进行了-定的改装，对其性能进行了测试。

选用机组为 950W 热泵热水器，机组使用R22工质，内置式盘管换热器。水箱最大容量为150L，由于 R22与 R417a可以共用同-种润滑油62 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013且其理论吸排压力比较相近，文献中也指两者可以直接替代。故在实验过程中采用直接替代式实验。没有单独配置换热器，跟据实验方案，先对机组进行改装。机组系统如图 l所示。

节流机构 压 机- 风冷 ，l -换热器 L兰系统冷厂- !：! -水/ 7K爵 t l- l 捌 l截止阀×4L器图 1 待测热泵热水器机组系统在压缩机的吸排气口各安装-个压力变送器，从吸气排气压力方面评价机组的运行情况。

在压缩机吸排气口、风冷换热器、沉浸式盘管的进出口、换热器的进出口等关键点安装-定量的温度测点，考查在不同的运行工况下各点的温度水平。水箱的温度测量作为评价水箱性能的唯-标准，其重要性是不言而喻的。在实验过程中，采用循环水泵使水箱中的水混合 20min，使水箱温度均衡，再进行水箱温度测试。

名义工况规定，水箱的初始温度为 15C，而出水温度为55cI，环境干球温度为 20℃，湿球温度为15℃。水箱为保温水箱，为了节省水资源，也为加快水的降温速度，手动切换四通换向阀，将水箱内温度下降到规定温度。盘管在加热过程中存在分层现象，在降温时，水箱内温度也不会非常的均匀，所以在降温过程中采用水泵进行循环，以保证水箱内温度的均匀性。而环境温度和湿度则由环境焓差室进行控制。

4 试验过程及结果分析系统处于不断变化过程中，属于瞬态过程。

根据文献中的结论，随着水箱温度的不断升高，其瞬时 COP逐渐降低。为了表示 COP随时间的变化曲线，根据国标 GB/T 23137-2008中的规定，计算其平均 COP值。制热量按水升温所需热量值，而压缩机的功率则按平均功率进行分析。

4.1 R417a充注量对热泵热水器性能的影响制冷剂在系统运行过程中起着运送能量的重要作用。在-定的范围内，制冷剂的充注量越多，系统的性能越好，但过多的制冷剂会引起压缩机的功耗增大，而且过多的制冷剂在蒸发器中不能充分的吸热成为蒸汽，容易对压缩机发生液击现象，有必要对制冷剂的充注量进行合理匹配。为了解充注量与 COP的关系，在试验过程中采用电子称向系统中充注，以保证充注质量。其性能曲线如图2-4所示。

o.8 I.0 1.2充注量(kg)图 2 系统 COP随 R417a充注量的变化曲线褂 8800.8 1.0 1.2充注量(kg)图3 功率随 R417a充注量的变化曲线60面 30赠00 60 l2O时间(min)图4 水箱内的平均水温随 R417a充注量的变化在国标规定 的名义工况 (环境 干球温度2O℃，湿球温度 l5℃)条件下，随着制冷剂充注量的增多，COP呈现先增大，而后减少的现象，说明了充注量与系统的有效换热面积有着-定的匹配关系，只有当二者在最佳匹配时，系统的性能才能2013年第41卷第5期 流 体 机 械 63得到最大限度的发挥。

从图2中看出，对于待测试机组，在充注量为0.9kg时，COP最大，此时 COP为3.4左右，而当充注量为 0.8kg时，其 COP只有 3.37左右。但从0.9kg到1.0kg过程中，COP下降的趋势增大，过量的充注量对机组的衰减影响更大，在无法保证精确充注的情况下，不应过量充注。过多的充注量尽管对制冷量有-定的提高，但系统的输入功率增大的更快，造成了COP下降迅速。所以最佳充注量应在0.9kg附近。图3中随着充注量的变化，输入功率的变化趋势。制冷剂充注量越多，同-时间内压缩机输送的制冷剂量增加，负荷增大，输入功率也就越大。功率基本上随着充注量而增大，这对分析最佳充注量提供了方便。

图4中4条曲线基本上呈线性增加，而相互之间的温差基本稳定，加热过程比较均匀，制冷剂充注量的不同，水温的变化规律基本相同，仅仅加热时间不同。加热时间越长，机组运行所需的电量越大，增加了用户的使用费用。由于0.9kg是本台机组的最佳充注量，COP最大，接近 55℃时加热时间最短，在 110min左右。而其他的则要120min左右。同-时刻时，0.8kg，1.0kg，1.1kg的平均水温差不多，表明了机组对制冷剂的充注量仍有-定的适应能力，系统的节流元件采用毛细管，流量调节能力较差，但配合着蒸发器与冷凝器较大换热量，可以起到-定的储液器的作用，仍可以起到-定的流量调节作用。

4.2 不同工况下 R417a与 R22的性能比较由于本台热泵热水器是-台测试用新机组，故主要按照国标中规定的各种工况进行测试 J。

表 1 机组测试工况表工况 干球温度 湿球温度 进水平均水温 出水平均水温高温 35 24 15 55名义 20 15 l5 55低温 7 6 9 55结霜 2 1 9 55由于篇幅有限，机组在空气干球温度为 35℃工况下运行时，2种工质的制热量和 COP都很高，制热水能力相当，故参数的变化曲线在文中不再单独给出。机组在空气干球温度为2C工况下运行时，2种工质在运行时都出现了停机除霜现象，制热水过程出现了中断，只给出了水温变化及功率变化图。

图5～8示出 R22与 R417a系统在干球温度20C，湿球温度 15C(名义工况)条件下，机组参数的变化情况。

60魁 30赠010 6O llO时间(rain)图5 R22和 R417a名义工况下的水温变化蓄5.0皇2.5lO 7O时间(min)图6 R22和 R417a名义工况下的排气压力及压比变化2OO20 7O 12O时间(min1图7 R22和R417a名义工况下的瞬时功率变化越 30赠0lO 90 l70时间(min)图8 R22和 R417a低温工况下的水温变化以上试验工况的制冷剂均在最佳充注量下进O ∞-每-瓣FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013行。从图5～11可以看出，t/22与 R417a在不同工况下的运行情况。总体来说，在相同的运行工况下，R417a的加热时间长于 R22系统。从水温度变化曲线图上可以看出，采用 R417a的高低温之差高于 R22，它的平均水温更高，导致了 R417a的平均热水加热时间长 ；而随着加热过程的推移，水箱内的温度上升，但上升的速度并不-致，相对来说环境温度越高，水温上升越快，因而高温工况最先达到设定温度，其 COP也最高、制热量最大，同时高温工况的排气温度、排气压力也是最大的。机组的运行是受水箱内温度控制的，当测点温度达到设定温度时，机组便停机，再用循环水泵使水温均匀。

7.00.010 8O l50时间(min)图9 1/22和 R417a低温工况下的排气压力及压比变化12006000l0 90 l70时问(min)图 10 R22和 R417a低温工况下的瞬时功率变化l000料 500督010 90 l70时间(min)图11 R22和R417a结霜工况下的瞬时功率变化图6～9显示了机组的排气压力和压比的变化趋势。排气压力、压比逐渐上升。水温上升后，冷凝效果逐渐变差，冷凝压力逐渐上升，进而导致了排气压力上升，压比增大到-定程度时，会出现下降，这可能是冷凝效果变差后，节流后干度变大，导致了吸气温度上升，吸气压力增大。而环境温度越高，冷凝压力较大，排气压力越大，但压比相对于低温工况较小，这是由于低温工况的蒸发温度以及压力低 ，则吸气温度较低，相对于排气压力的减小，吸气压力减小的更快，造成压比相对较大；压比的变化正好体现着压缩机的负荷情况，环境温度越低，压比越大，压缩机耗功越大。各参数的相对变化正好体现了机组是-个整体，任何部件的变化都将影响整个系统，在对系统改进时必须综合考虑。

图7，10，11表示了系统不 同工况条件下，R22与 R417a的输人功率变化。R22系统的压比变化大于 R417a，从这可以分析出 R417a在运行时，机组的输入功率大于R22系统。但随着水温的上升，R22功率最终超过 R417a。而在较低温度时，R417a输人功率明显小于 R22系统，说明了R417a相比R22系统更适合低温工况。环境温度越高，电机的瞬时功率越大，但由于高温工况的加热速度较快，加热时间少，所以环境温度越低其平均功率是相对较大的。

图 11则说明了机组在空气干球温度为 2C工况下运行时，两种工质在运行时都出现了停机除霜现象，制热水过程出现了中断，除霜结束后会继续工作加热，并以此循环，直至水温达到55E。

本次试验过程中，R22与 R417a采用了直接替代式研究，没有对机组进行重新设计 J。从图l2看 R417a的 COP小于 R22系统，主要由于加热时间长于 R22，尽管水的温度比较均匀，从这-点上看，如若本台机组直接灌注 R417a，机组的性能不能得到充分的发挥。这与目前已经发表的部分文献有非常大的冲突。文献中指出，R417a作为R22的替代品，在相同的工况下，制冷量小于R22，但功率更小，得出COP大于R22系统的结论。通过本次实验，R417a尽管可以直接替代R22，不用更换机组的任何部件，比较方便，但其性能并不能得到充分的发挥，必须开发出专用于R417a换热器才能体现中 R417a的优势。R417a可以直接使用 R22压缩机，不用更换润滑油，因此 R417a替代 R22时，相比其他几种工质还是比2013年第41卷第5期 流 体 机 械 65较方便，替代成本较低，其应用前景仪常广阔。

68 3OO 2O 40环境温度(℃)图 12 R22和 R417a系统 COP变化曲线5 结论(I)根据国标要求，介绍了静态加热式热泵热水器性能测试的理论计算方法，水箱温度的测定采用水箱混合法；(2)不同充注量情况下机组的性能试验，充注量与系统的有效换热面积有着-定的匹配关系，只有当二者在最佳匹配时，系统的性能才能得到最大限度的发挥；(3)R417a与 R22不同工况下的对比试验，环境温度越高，水温上升越快，其 COP越高、制热量越大。R417a的平均水温比 R22高，加热时间长；二者的排气压力、压比逐渐上升至-定程度；在较低温度时，R417a输入功率小于R22系统，说明了R417a相比R22系统更适合低温工况；(4)R417a的 COP小于 R22系统，主要 由于加热时间长于 R22，指出尽管两者可以直接替代，但并不能充分发挥 R417a的性能，而需对 R417a的换热器进行重新设计。