空气源热水机各制冷剂比较Word格式.docx

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摘要

本文通过总结了《蒙特利尔议定书》所制定的制冷剂淘汰时间表，对新型的空气源热泵热水器目前所使用的制冷剂进行探讨，包括物化性质、理论制冷循环、经济性和环保性等多方面介绍及比较，通过对吸排气压力、温度、消耗功率、制热功率、效率等方面进行分析对比从而得出热泵热水器制冷剂的最优选择，并列举介绍一些新型的热泵机组替代制冷剂，结合国内外针对制冷剂研究的热点方向与要求，为空气源热泵热水器的设计及工质选择提供了参考。

关键词：

节能，空气源热泵，制冷剂，环保，COP

前言

近年来，随着经济的高速发展人民的生活水平有了很大的提高，热水能耗在居民生活用水及建筑能耗中的比例越来越大，节能形势严峻而国家也大力提倡节能减排，空气源热泵热水器应时而生，高效节能环保、安全系数大等优点使其迅速得到发展和推广。

制冷剂是热泵热水器中不可缺少的工质，如果说压缩机是空气能热水器的“心脏”，那么，冷媒就是空气能热水器的“血液”，其对于空气能热水器的重要性可见一斑。

制冷剂不仅要使用效率更高还要担负安全和环境保护等责任。

但是，热泵热水器中广泛使用的还是R22工质，由于该工质属于HCFC类物质，对全球变暖及臭氧层有很大的破坏，根据《蒙特利尔协定书》，发达国家2020年后禁止使用HCFC制冷剂，发展中国家于其后10年内禁用。

所以寻找适合热泵热水器的制冷剂是当务之急。

现在市场上，用于热泵热水器的工质种类繁多，而且很多企业为了技术保密，多数也不愿意公开自己采用的工质，这就导致其他厂家在设计产品时难于选择。

为解决此问题，本文选取常用于热泵热水器的几种工质分别进行综合比较，希望可以对空气源热泵热水器的设计提供参考。

第一章空气源热泵的概述

（一）热泵的简介

热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。

而“热泵”顾名思义，它是输送“热量”从而提高转移热量的的泵，即是一种把热量从低温端转移向高温端的专用节能设备。

热泵的工作原理与压缩式制冷时一致采用逆卡诺原理以少量的电能驱动压缩机做功，制冷剂为载体，利用制冷剂在换热器里的物理相变不断地吸热和放热，将低温热源的热能转移到高温热源的装置。

（二）空气源热泵热水器的简介

空气源热泵就是利用热泵技术，通过制冷剂在蒸发器中汽化吸收空气中的热能，经过压缩机的压缩变成高温高压的气体介质，然后在冷凝器中液化把热量释放给冷水，同时自身变为高压液体介质，再在膨胀阀中节流减压变为低温低压的气液混合介质，进入蒸发器完成一个循环，这样通过少量电能驱动压缩机使制冷介质周而复始的循环从而源源不断的吸收空气中低品位热能（-7~43），转化为高品位热能最后释放到水中可制取60℃的高温热水，通过热水供应管路送给用户满足生活热水及供暖的需求。

其内部结构主要有四个核心部件：

压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器。

在空气源热泵热水器中，系能性能系数定义如下

COP=系统输出的高温热量Qh/所消耗的能量W

COP=Qh/W=Qf+W/W=1+Qf/W（Qf—从空气中吸收的热量）

从式中可以看出，空气源热泵的性能系数恒大1，说明依靠热泵系统得到的能量多于所消耗的能量。

所以热泵供热比用电以及燃料燃烧经济的多。

空气源热泵热水机的年平均COP基本上是在2~4之间。

下图即为空气源热泵热水机组的原理图：

第二章空气源热泵热水器制冷剂

（一）制冷剂的定义

制冷剂又称制冷工质，在南方一些地区俗称雪种。

它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。

制冷剂在蒸发器内吸收被冷却物质（水或空气等）的热量而汽化，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。

当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。

（二）空气源热泵热水器制冷剂的特殊要求

理论上说，制冷系统所用的制冷剂，热泵系统全都可以采用，譬如R22、R407c、R134a、氨水都可以，还可以和制冷系统一样使用混合制冷剂。

但是具体到实际情况，则要考虑热泵特殊性。

如空调的冷凝温度即室外的温度最多四十多度，然而热泵热水器最高出水温度达到六十度，所以排气温度会更高而过高的排气温度会使润滑油分解变质，耗功增加等缺点，对机组影响很大。

因此空气源热泵热水器所使用的制冷剂要满足冷凝压力与冷凝温度尽量低的原则。

首先对于所有制冷剂的要求都应该符合《蒙特利尔议定书》规定，对于热泵热水器用的制冷剂的要求既要ODP值较小，GWP值也要小，这是前提条件。

另外对于热泵热水器特殊性它的制冷剂也应该满足一些特殊的物理和化学特性。

热力学的要求 

1. 

在大气压力下，制冷剂的蒸发温度（沸点）ts要低。

这是一个很重要的性能指标。

ts愈低，则不仅可以制取较低的温度，而且还可以在一定的蒸发温度下，使其蒸发压力高于大气压力。

以避免空气进入制冷系统。

2. 

要求制冷剂在常温下的冷凝压力应尽量低些，以免处于高压下工作的压缩机、冷凝器及排气管道等设备的强度要求过高。

并且，冷凝压力过高也有导致制冷剂向外渗漏的可能和引起消耗功的增大。

同时也会造成压缩比过高，不仅耗能还增加机组的不稳定性。

3. 

制冷剂的单位容积制冷量qv要求尽可能大，这样可以缩小压缩机尺寸和减少制冷工质的循环量；

而对于小型或微型压缩机，单位容积制冷量可小一些；

对于小型离心式压缩机亦要求制冷剂qv要小，以扩大离心式压缩机的使用范围，并避免小尺寸叶轮制造之困难。

4. 

制冷剂的临界温度要高些、冷凝温度要低些。

临界温度的高低确定了制冷剂在常温或普通低温范围内能否液化。

5. 

凝固温度要低些，凝固温度是制冷剂使用范围的下限，凝固温度越低制冷剂的适用范围愈大。

6.制冷剂等熵指数应该小些，可使压缩过程功耗减少，所终了时的排气温度不过高，从而改善运行性能和简化机器结构。

7.制冷剂的汽化潜热要大，在一定的饱和压力下，制冷剂的汽化潜热越大，可得到较大的单位制冷量。

8.排气温度要低，过高的排气温度对空气源热水机组性能影响很大。

过高的排气温度会导致润滑油分解变质，影响系统润滑。

严重时机组停机保护。

物理化学的要求 

1 

制冷剂的粘度应尽可能小，以减少管道流动阻力、提换热设备的传热强度。

2 

制冷剂的导热系数应当高，以提高换热设备的效率，减少传热面积。

3 

制冷剂与油的互溶性质：

制冷剂溶解于润滑油的性质应从两个方面来分析。

如果制冷剂与润滑油能任意互溶，其优点是润滑油能与制冷剂一起渗到压缩机的各个部件，为机体润滑创造良好条件；

且在蒸发器和冷凝器的热换热面上不易形成油膜阻碍传热。

其缺点是从压缩机带出的油量过多，并且能使蒸发器中的蒸发温度升高。

部分或微溶于油的制冷剂，其优点是从压缩机带出的油量少，故蒸发器中蒸发温度较稳定。

其缺点是在蒸发器和冷凝器换热面上形成很难清除的油膜，影响了传热。

4 

应具有一定的吸水性，这样就不致在制冷系统中形成“冰塞”，影响正常运行。

5 

应具有化学稳定性：

不燃烧、不爆炸，使用中不分解，不变质。

同时制冷剂本身或与油、水等相混时，对金属不应有显著的腐蚀作用，对密封材料的溶胀作用应小。

6 

由于制冷剂在运行中可能泄漏，故要求工质对人身健康无损害、无毒性、无刺激作用

（三）空气源热泵热水器常用制冷剂比较

综合以上制冷剂各优点所述，R22是最合适的工质。

所以目前家用空气能热水器使用最多的还是R22，但R22属于HCFC类物质，ODP为0.055左右，GWP1700左右，属于臭氧消耗物，温室气体，而且它的压缩终温在氟利昂类中属于比较高的，所以一些国家的热泵热水机也有采用R134AR407CR410AR417A，他们都有各自的优缺点，但到底哪种制冷剂是最适合替代R22应于热泵热水机呢，还没有明确的实验结论，下面就对这几种制冷剂特点和用途进行介绍，综合各方面与R22比较。

表一（各制冷剂重要性能比较）

制冷剂

R22

R407C

R134A

R410A

R417A

沸点（1atm）℃

分子量

凝固点/K

-

临界温度℃

96

温度滑移/K

临界压力Mpa

气化热KJ/Kg

蒸气黏度（25℃）cP

液体黏度（25℃）cP

臭氧消耗潜能ODP

温室效应系、GWP

1700

1530

1300

1730

1950

润滑油

MO/AB

POE

POE

MO/POE/AB

提到R22替换物我们一开始就会想到R407C，因为R407C的热力性质与R22极为相近。

R407C是欧洲在R22替代进程中选定的主要替代物，是由R32、让R125和R134a按照质量百分比23%、25%和52%组成的非共沸混合物，属于HFC类环保型制冷剂。

由于相近的性质，这使得R407C可用于原R22的系统，不用重新设计系统，只需更换原系统的少量部件，以及将原系统内的矿物冷冻油更换成能与R407C互溶的润滑油（POE油），实现原设备的环保更换。

近年来，有不少学者进行了专门针对热泵热水器的研究，结果发现，在相同设计运行能力的热泵系统中，R407C热泵热水器的热水加热能力明显高于R22系统，但是，R407C系统的耗能也有所增加，使得它在高水温时的COP低于R22系统。

我们知道从热力学角度来说，非共沸混合工质具有节能效果，但事实上，从传热理论看，由于R407C中各组成部分性质不同，不同组分发生相变的温度不同，这样导致在换热器中相变界面上存在组分浓度的差异，从而形成了浓度扩散层，在相变过程中必须克服扩散阻力，使相变换热性能下降，所以R407C的传热性能很差，这对设计热泵热水机换热器增加了麻烦，不能选取一个固定的蒸发温度与冷凝温度作为设计基础参数。

如果使用专门为R407C设计的换热器，在对系统设计成逆向流换热，则COP就会明显提高。

另外，由于R407C是混合非共沸工质，为了保证其混合成分不发生改变，所以R407C必须液态充注。

如果R407C的系统发生制冷剂泄漏，且系统的性能发生明显的改变，其系统内剩余的R407C不能回收循环使用，必须放空系统内的剩余R407C制冷剂，重新充注新的R407C制冷剂。

总体来说，虽然R407C与R22各方面性能接近可用于原R22的系统，制热量甚至还高出R22，但其在两器的热交换效率要低，使得COP略低于R22，若要提高机组能效，除采用高效压缩机外，还应采用空气和制冷剂对向逆流的方式以及增大换热面积等方面优化。

另外R407C发生泄漏后成分性质发生改变也是其替代道路上的一大阻碍，不过试验表明系统发生泄漏后进行适当地充注，不会引起系统性能较大的变化，从而不影响机组运行。

R134a（CH2FCF3）属于环保制冷剂，近年来一些公司也生产用此制冷剂的空气源热水器。

R134a制冷剂是一种新型制冷剂，它安全性好、无色、无味、不燃烧、不爆炸、基本无毒性、化学性质稳定，它属于HFC类制冷剂，对臭氧层没有破坏作用，但也具有一定的温室效应。

从表一可以看出R134a的系统压力比较低，较低的吸气压力有利于热泵热水器产出更高温度的热水，而冷凝压力低有利于机组的稳定性，但试验表明R134a用于热泵热水器时除了排气温度比R22系统低23℃左右，冷凝压力比R22低30%左右，COP与R22较为接近，。

但是其沸点（标准大气压下）为-26.5度，这会导致热泵在冬季因为制冷剂蒸发缓慢而使制热效率低下，而且吸气压力过低增加空气漏入系统的可能性，另外造成压缩机吸气比容增大和输气系数降低，单位容积制热量仅为R22的60%左右，运行效率下降，；

另外由于R134a溶水性很强，少量水即可产生较强的金属蚀性，产生“镀铜”现象。

另外要达到R22系统性能要对系统部件重新设计选型，如在增大压缩机及换热器的尺寸来解决吸气比容大的缺点。

R410A是由R32和R125按照质量分数50%/50%混合而成，是一种新型环保近共沸制冷剂，HFC类不破坏臭氧层。

目前日本、美国主要采用R410A作为R22的过渡性替代制冷剂。

工作压力为普通R22空调的1.6倍左右制冷（暖）效率更高，但压力高同样会带来很多困扰，压力过高对系统管道，压缩机等部件的承压能力都要提高，因此对于R22系统不能直接充灌R410A，必须对零部件以及润滑油进行更换，这样R410A热水机的成本会大幅度提高，首先R410A的市场价格约为R22的4-5倍，大约40000-50000元/吨。

虽然从表一看出R410A的分子质量比R22高22%左右，即对于1P热水机组R410A的充注量可以减少200-300g，但仍要花费比R22多2-3倍的钱。

另外对于其他部件设计的承压性都要有很大的提高，以免制冷剂泄漏以及铜管爆裂的危险，对于R410A的高工作压力很可能还要重新设计一套系统来控制。

目前对于家用空调机组R410A的空调要比R22的空调贵接近1000元左右，虽然每年可以节约约100元电费，那么大约10年可以回收成本，而我们知道这些冷暖机组寿命用不到十年就要更换。

所以R410A产品定位为高端产品，特别对于价格相对较高的空气能热水机目前应该先以降低价格节约成本为主打开市场让百姓接受，因此R410A作为空气源热水机的经济性能不高。

R417a为混合制冷剂（R134A/R25和R600A）在欧洲是空气源热泵热水器首选的新型节能制冷剂。

R417a具有环保，高效和排气温度低等特点。

比较适合热泵热水器用，如今国内热泵热水器厂家开始增大该制冷剂的使用范围。

R417A属于HFC类，不含氯原子，而氯原子具有亲油性，所以一般的HFC类制冷剂不能与矿物润滑油亲和，需采用价格更高的合成润滑油，但是由于R417A中含有的R600A能增加油的迁移能力，因此对于采用传统润滑油的R22系统工质替代，R417A的应用不需要更换润滑油。

而且其饱和压力与R22也比较接近因此不需要更换管路系统。

而且实验表明对于R417A的空气能热水器排气温度更低，耗功少，对于机组运行十分有利。

但R417a有一个缺点：

替换后的系统，系统制热功率衰减10%左右；

也就是说，10匹压机能力变成了约9匹的能力。

同样的空调，用R417A比R22的效率相比提高了13%，这是其优点。

但是用R22的制热量为3548瓦（热泵热水器只需要制热），用R417A的制热量为3149瓦，用R417A比用R22制热量衰减了10%。

这主要是因为℃左右，使得其换热性能受到影响，特别是在核状沸腾条件下的气泡脱离阻力使得换热系数降低，从而导致总的制热功率比R22要低。

但R417的功耗要低，综合COP比R22系统略低。

这就是R417A用于制热时的不利一面，如果想获得更高的COP还需要设计时加大压机及换热器的配比来弥补衰减。

R417A制冷剂替换程序：

第三章展望新一代空气源热泵工质的开发

（一）R32制冷剂

从表一可以看出HFC类GWP值都比较高都具有一定的温室效应，所以未被确定为正式替代物。

这种情况下未来依然需要寻找热力性能相当的但GWP值较低的替代制冷剂。

首先我们谈及的是R32制冷剂。

R32的GWP值适中（675）,远低于R22。

R32制冷剂在空气源热泵热水器行业的推广应用,也将促进我国低碳经济政策的落实。

同时,R32由于具有较低的GWP值,符合欧洲国家提倡的低GWP制冷剂的替代方向。

表2　R32与R22性能比较

制冷剂

摩尔质量

kg/mol

标准沸点

（1atm）/℃

临界温度

℃

临界压力

ODP

GWP

R22

86.47

-40.8

96.1

4.98

0.055

1810

R32

52.02

-51.7

78.1

5.78

0

675

1.由表二可知R32的分子质量仅为R22的0.6倍,而液体密度也小于R22，由于充注量大体与分子质量成正比因此R32充注量仅为R22的0.6倍。

对比R32,R22两种制冷剂的基本特性,从传热和流动角度看,R32具有较低的黏度、较高的导热系数,以及较高的汽化潜热、冷凝压力和蒸发压力。

较大数值的冷凝压力,一方面可以采用较小直径的换热管,克服较大的阻力损失;

另一方面对系统的承压性和可靠性能提出了更高的要求,在系统设计时须要采取适当的方法控制最高压力,以保证系统的安全性。

考虑到系统的可靠性,R32系统的最高出水温度建议为55℃。

另外R32的蒸发压力比R22的高。

较高的蒸发压力,意味着采用R32制冷剂的空气源热泵热水器有可能在更低的环境温度下使用。

2.有理论循环计算得出,R32系统具有较低的压缩比,较高的COP以及很好的容积制热量,适合用于空气源热泵热水器;

但是,R32系统的排气温度较高,须要通过制冷剂喷液等方法降低排气温度,以保证压缩机的可靠性。

3.R32制冷剂经过合理的系统匹配后可以用于空气源热泵热水器,并得到较高的COP。

在当前节能减排的大环境下,可以考虑推广使用R32。

同时,考虑到空气源热泵热水器能效限定值国家标准在制定中,随着该标准的实施,可能会推动这种有利于提高系统COP的R32制冷剂在空气源热泵热水器上的应用。

（二）自然工质CO2和R290

随着人们环保意识的增强，对于自然工质的呼声一浪高过一浪，二氧化碳作为环保制冷剂再一次浮现在人们的眼前。

今年的6月1日，我国制订了CO2热泵热水器压缩机标准，尽管目前我国还没有生产出第一台采用CO2制冷剂的热泵热水器，但是这一标准的制订并不妨碍CO2热泵热水器压缩机的研发，相反对研发工作还具有一定的指导意义。

日本是目前家用空气能热泵热水器最为普及的国家。

日本空气能发展的最大特点是其领先的技术，该产品外形小巧、结构精致、性能卓越，最大特点是在水侧以较大温升换热过程中，仍然保持较高的热力效率。

而在欧盟地区，一些欧洲企业早就进行二氧化碳跨临界技术在热泵应用领域的研究开发工作，天津大学马一太教授是国内二氧化碳热泵热水器研究的权威专家，他表示，二氧化碳作为一种天然的制冷工质，对臭氧层破坏潜能为0，温室效应潜能较小，因此非常环保。

而二氧化碳的热力学性能表明，相比其他制冷剂，二氧化碳有较高的单位容积制冷量；

较低的压缩比；

较好的传热性和流动性能；

又是惰性气体，不会燃烧或爆炸；

价格也相对便宜，并维护起来方便。

但是，二氧化碳在高压下的安全问题让行业人士产生许多质疑，如何解决这一难题成了二氧化碳热泵压缩机企业的严格考验。

据了解，二氧化碳热泵系统能否安全可靠的运行，与其基本材料的选择，以及零件、仪表等承压能力是否足够强等也都有着莫大的关联。

一般的配件和材料承受不了二氧化碳热泵的压力要求，而因为在国内没有市场需求，二氧化碳热泵需要的一些材料和配件，国内厂家几乎没有生产，致使相关零部件的研发比较滞后。

由此可见，二氧化碳热泵压缩机和零部件的问题还需全方面的研发跟进。

马一太教授指出，很久以来，日本和欧盟实行二氧化碳热泵技术封锁，造成我国难以取得突破性的进展，只有解决了专用压缩机等零部件批量生产后，二氧化碳热泵在我国会很有前途。

但比及二氧化碳更为艰巨的工程，企业更愿意尝试R290，毕竟R290可以在现有设备的基础上直接充注。

制冷剂R290，即丙烷，是一种可以从液化气中直接获得的天然碳氢制冷剂,天然工质R290的分子中不含有氯原子，因而ODP值为零，对臭氧层不具有破坏作用。

此外，与同样对臭氧层无破坏作用的HFC物质相比，R290的GWP值接近0，对温室效应没有影响，目前在德国R290已经用于家用热水器中。

R290与R22的标准沸点、凝固点、临界点等基本物理性质非常接近，具备替代R22的基本条件。

在饱和液态时，R290的密度比R22小，因此相同容积下R290的灌注量更小，试验证明相同系统体积下R290的灌注量是R22的43%左右。

另外，由于R290的汽化潜热大约是R22的2倍左右，因此采用R290的制冷系统制冷剂循环量更小。

R290具有良好的材料相容性，与铜、钢、铸铁、润滑油等均能良好相容。

相对于R22制冷剂，R290制冷剂有更小的动力粘度、更大的导热系数、更低的密度和压力，这些都有利于R290系统使用小管径、薄壁厚，降低材料成本同时减小设备尺寸。

虽然R290具有上述优势，但其“易燃易爆”的缺点是目前限制其大规模推广的最大阻碍。

R290与空气混合能形成爆炸性混合，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。

目前采取的措施是添加阻燃剂、降低灌注量等。

另外实验表明，在名义制热工况下，R290空气能热泵热水机组的性能系数低于R22系统，为了保证两种制冷剂系统性能相当，R290压缩机排气量要比R22压缩机排气量提高19%。

结论

通过对目前空气源热水机用的几种制冷剂比较，我们发现在现有技术水平的基础上，还没有哪一种制冷剂能完全代替R22的作用效果。

R407C在换热能力方面欠缺过多以及泄漏后影响成分导致机组性能变差；

R134A容积制热量太低，需配置排气量大的压缩机；

R410A不仅存在压力过高问题另外其过高的成本也是要考虑的一个问题。

最后R417与其他制冷剂相比缺点不明显，所以笔者认为现有过渡HFC制冷剂里推介使用R410A。

另外各种不同制冷剂在实际应用中取得的效果除了与制冷剂本身的特性有关外,还与热泵热水器的类别以及使用条件有很大关系。

所以,一种性能优良的制冷剂只有与一个系统设计优良的热泵热水器产品相结合,才能够最大地发挥其节能环保性能,为用户和厂家提供最大的经济效益

除此之外，GWP小的以及自然工质是未来开发的重点，目前也都存在一些缺点，但只要技术成熟，我们是可以做到环境与性能等各方面都满意的空气能热水机的制冷剂的。

参考文献

【1】李晓东，制冷原理与设备机械工业出版社

【2】饶荣水，R32制冷剂特性及其用于空气源热水器的理论循环分析中国空气能网

【3】张太康，R134a、R417a、R22用于空气源热泵热水器的性能研究上海理工大学

【4】王伟陈江平，R410A替代R22成本分析上海交通大学制冷与低温工程研究所

致谢

时间似流水，转眼间三年的大学时光就要步入尾声，心中有无限的不舍与眷恋，美好单纯的大学时光结束了，告别了教育帮助我们的尊师告别了热情友好的同学，接下来要踏入充满竞争压力的现实社会，我会把这三年来学到各种知识运用到实际工作中去。

感谢三年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了三年的学习生活。

能够完成这篇论文首先要感谢王金祥教授对我的指导，在此道一声老师您辛苦了！

谢谢您在大学里对我的谆谆教导。

你不仅在课堂上用诙谐幽默别具匠心的方式教会了很多的专业知识，更教会了我如何去做人！

教会我如何去面对自己将来的工作，慢慢师生情不是言语