R290与常见热泵热水器工质的循环特性分析

摘" 要：该文列举R290与R32、R410A、R134a家用热泵热水器常用工质的基础物性参数，基于单级蒸汽压缩热力学循环模型，在35～70 ℃不同冷凝温度条件下对4种工质的循环特性进行热力学分析。结果表明，在相同条件下R290的排气温度、排气压力以及压缩比较低，且对冷凝温度变化的敏感度较小，具备较优的排气特性；R290在制热量方面没有较多的优势，为达到与R32和R410A系统相同的制热能力水平，R290系统需要更大的压缩机排量，但其具备更优循环COP，在降低系统能耗方面更有潜力。

关键词：R290工质；家用热泵热水器；热泵循环特性；热力学分析；制热能力

中图分类号：TB612" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）08-0095-05

Abstract： This paper lists the basic physical parameters of commonly used working fluids of R290， R32， R410A， and R134a household heat pump water heater. Based on a single-stage vapor compression thermodynamic cycle model， the cycle characteristics of the four working fluids are analyzed under different condensation temperatures of 35 to 70℃. The results show that under the same conditions， R290 has low exhaust temperature， exhaust pressure and compression ratio， and is less sensitive to changes in condensation temperature， and has better exhaust characteristics; The R290 does not have many advantages in terms of heating capacity. In order to achieve the same heating capacity level as the R32 and R410A systems， the R290 system requires a larger compressor displacement， but it has better cycle COP and reduces system energy consumption. More potential.

Keywords： R290 working fluid; household heat pump water heater; heat pump cycle characteristics; thermodynamic analysis; heating capacity

近年来，全球气候环境问题已经演变为国际社会寻求低碳可持续发展道路上共同面临的重大问题，立足日益严峻的全球气候变暖形势，在“双碳”目标的大背景下，各个行业吹响低碳发展的冲锋号。在热泵、空调领域，面对HCFCs制冷剂对环境影响的压力，寻找低碳、高效的环保制冷剂已成为全行业践行低碳可持续发展理念的必由之路[1-5]。其中在家用热泵空调领域，对于现在主流的R410A、R32以及R134a等第三代HFCs制冷剂而言，由于其具有较高的GWP值，注定会逐渐被其他更环保的新型冷媒替代。相关研究发现，碳氢化合物是最有潜力的替代工质，特别是天然制冷剂R290，在GWP、ODP和热物性方面具备显著优势，逐渐被业内所研究和应用[6-12]，张太康等[13]在热泵热水器典型工况下对R134a、R417a和R22进行了实验测试，验证了性能参数随环境工况变化的关系，为热泵热水器的设计及工质选用提供了参考，秦闯和张振亚等[14-15]在制冷及空调工况下对R290和R32的循环特性进行了理论和实验研究，为R290在制冷及空调系统中的工质替代提供了理论参考；彭斌等[16]基于空气源热泵热水器能量■分析模型，对R22和R134a系统和部件的有效能进行了研究，为R134a替代R22的系统优化提供一定的理论依据。

1" 物性参数差异对比

由表1可知，在臭氧消耗潜能方面，4种制冷剂的ODP均为0，但是在温室效应潜能方面，R410A具有最高的GWP值，对温室效应的危害最大，R290的GWP最小，对温室效应最为友好，具备良好的环保特性，具备成为长期制冷剂的可能性。临界温度和标准沸点分表代表了不同制冷剂的饱和温度的上限和下限，对比可知，R290相对于R32和R410A具有更高的临界温度，因此适合于更高温度需求的家用热泵系统，而在低温特性方面相比两者稍逊一筹。此外，R290的临界压力低于R32和R410A，因此对于R290系统的耐压设计更为友好。从饱和密度来看，在相同条件下，R290密度最小，这意味着R290系统可以实现更小的充注量。从导热系数来看，在相同条件下，R290的蒸汽导热系数最大，这意味着在换热端，系统具备更优的换热效果，在相同的热负荷条件下，可以减小设备的体积。同时，在4种制冷剂中，R290具备较小的黏度系数，这说明R290具备更优的流动特性，降低系统的压降损失，同时较低的黏度可以减小换热壁面的流体底层的厚度，从而进一步提升系统的换热特性。

2" 单级蒸汽压缩循环分析模型

为了比较4种不同冷媒工质的热泵热水系统在相同负荷条件下压缩机性能的差异性，设定了基本工况条件和输入参数，见表2。在热泵热水系统的使用场景中，在单次加热运行过程中，环境温度相对稳定，而随着水温的不断升高，在换热温差不变的条件下，冷凝温度处于不断升高的非稳态变化过程，因此，设定蒸发温度不变，冷凝温度35～70 ℃进行分析。根据单级蒸汽压缩热力循环的数学模型调用REFPROP进行计算分析（图1），其中，在热力学分析过程中的假设条件如下：①发生在蒸发器中的过热度为有效过热；②忽略工质在系统中流动过程的压降损失； ③假定所有部件都是稳定状态或稳定流动过程；④压缩过程和节流过程为绝热过程。热力分析数学模型如下。

3" 压缩机性能差异分析

3.1" 压缩机排量需求的差异性

由图2可知，热泵热水系统在相同的工况条件下，系统的工质不同，单位容积制热量有所不同，其中，R290的单位容积制热量与R32和R410A相比相差较大，与R134a较为接近，由于单位容积制热量不同，在相同的制热负荷需求条件下，所需要的理论压缩机排气量就会有所不同。其中，在上述4种工质中，在相同制热量条件下，R32和R410A的压缩机理论排气量几乎相同，而与R32和R410A相比， R290压缩机的理论排气量需求较大，为R32的1.8倍，R410A的1.7倍，这说明对于目前热泵热水市场流行的转子压缩机而言，为了达到与R32和R410A系统相同的制热能力水平，R290系统需要更大的压缩机单体的气缸容积或者增大压缩机的运行频率及转速，同时还需要兼顾到压缩机单体的结构可靠性。

3.2" 压缩比和压缩功耗对冷凝温度的敏感性分析

图3为4种工质在相同工况条件下，进行单级蒸汽压缩循环时的压缩比π随着冷凝温度的变化规律。从整体变化趋势上可以看出，当蒸发温度一定时，压缩比随着冷凝温度升高不断升高，这是因为在蒸发温度和换热温差不变时，冷凝温度不断升高，对应的饱和压力不断升高，而压缩机排气压力也对应升高，当压缩机的吸气压力不变时，压缩比就会呈现增大趋势。另一方面，在全冷凝温度段，R290对应的压缩比均小于另外3种工质，且随着冷凝温度的升高，压缩比差值逐渐增大，在70 ℃冷凝温度时，R290的压缩比相对R134a小了22%，比R410A和R32小了近8%，可见4种工质中，R290压缩比的增大率对冷凝温度的敏感度最低，且在高温时R290的压比最小，因此采用R290的系统，压缩机具备更优的输气系数。

图4为4种工质压缩功耗随着冷凝温度的变化规律。从整体变化趋势上可以看出，当蒸发温度一定时，压缩功耗随着冷凝温度升高不断增加，这是因为在蒸发温度和换热温差不变时，冷凝温度不断升高，压缩比增大，压缩机的输气系数降低，且压缩过程的不可逆损失增大，排气的熵值增大导致压缩比功增加，且比功增大的效应大于循环流量变化的效应，导致压缩功耗增加。另一方面，随着冷凝温度从35 ℃升高到70 ℃时，R290、R32、R410A和R134a压缩功耗相对冷凝温度的增长率近似为9.8、21.4、19.0和7.4 W/℃，其中R290压缩功耗增长率相对R32和R410A分别低了55%和49%，说明在相同的工况下R290系统压缩功耗对冷凝温度的敏感度要远低于R32和R410A系统，且在高温时压缩功耗也远低于两者，可见R290系统相对R32和R410A具备更优的压缩经济性。

3.3" 压缩机排气温度和排气压力对冷凝温度的敏感性分析

从图5和图6可以看出，当蒸发温度一定时，从整体上看，排气温度及压力随着冷凝温度的升高显著升高，这是因为随着冷凝温度的不断升高，压比不断增大导致的。其中R32和R410A的排气压力及排气温度随冷凝温度的升高，上升的速度不断加快，说明两者的排气特性对冷凝温度的变化更加敏感。

在全冷凝温度段，R290与R134a的排气温度基本相同，均处于低位，远低于R32，且两者的排气压力也远低于R32和R410A，其中，在低冷凝温度段，R290排气温度比R32低了38%，在高冷凝温度段，R290排气温度比R32低了44%，随着冷凝温度的升高R290的排气温度及排气压力与R32的差距越来越大，可见，R290系统相对R32系统对冷凝温度的变化敏感度更低，尤其在高冷凝温度段，R290系统具备更优的排气特性，更低的排气温度不仅有利于润滑油的润滑效果，减缓润滑油碳化，且减小了冷凝器中过热段显热换热的占比，有益于提升整个冷凝器的换热效率。

4" 系统理论循环特性分析

4.1" 系统制热量的差异性

图7描述了4种循环工质系统瞬时制热量随冷凝温度变化的规律，从整体上开看，4种工质的瞬时制热量均随着冷凝温度的升高而呈现下降趋势，这是因为随着冷凝温度的升高，冷凝器中的两相沸腾换热段占比减小，冷凝侧换热效率下降，单位质量制热量逐渐减小，另一方面随着压比的增大压缩机输气系数逐渐减小，工质的循环流量减小，两者共同作用导致瞬时制热量下降。此外，从图7中可以看出，R32和R410A工质的瞬时制热量明显比R290和R134a要高，这是因为在相同的工况条件下，R32和R410A的单位容积制热量比R290和R134a要大，所以在相同的压缩排量条件下，制热量相应要大。其中，全冷凝温度段R290系统的瞬时制热量比R32小45%～50%，可以看出R290工质系统在制热量方面没有较多的优势。

4.2" 系统COP的差异性

5" 结论

为了探讨R290工质在家用热泵热水器中的适用性，基于单级蒸汽压缩热力学循环模型，针对R290与R32、R410A、R134a几种家用热泵热水器常用工质的物性参数以及不同冷凝温度条件下的循环学特性进行对比分析，主要得出以下结论：

1）R290的ODP为0，GWP最小，具备良好的环保特性，但是具备易燃特性，在产品使用中的安全要求更高，在相同的热负荷条件下，R290具备更优的换热效果且系统压降更小，在降低系统能耗方面更有潜力。

2）对于压缩机性能差异性而言，为了达到与R32和R410A系统相同的制热能力水平，R290系统需要更大的压缩机排量，此外，R290的压缩比、排气温度以及排气压力均低于R32和R410A，且对冷凝温度的敏感度均较小，系统压缩功耗小也远低于R32和R410A，可见R290系统相对R32和R410A具备更优的排气特性和压缩经济性。

3）在系统性能方面，在相同工况条件下，R290系统具有较好的能量利用优势，循环COP较高，具备较优的循环经济性，但在制热量方面没有较多的优势。

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