环保型直接蒸发预冷式房间空调器的理论与实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.35MB 75 页 15积分

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摘要

本文通过对纯天然碳氢制冷剂R1270进行研究，分析其替代常规家用空调器中

采用的制冷剂R22的可行性。同时，针对蒸发冷却空调和常规家用空调在应用和能

源利用率等方面的不足，将两者结合使用，设计出直接蒸发预冷式房间空调器。

通过对空气进行预冷，降低与冷凝器进行热交换空气的温度，使得冷凝温度降低，

达到提高能源利用率的效果。

本文首先从热力学性质、安全性、环境、经济性以及热力循环性等方面分析

R1270在家用空调器中替换R22的理论可能性。然后对试验样机充注不同的制冷剂，

选取不同的环境工况在实验台上对其进行性能试验。在对试验数据分析处理后表

明：在相同条件下，R1270的充灌量是R22系统的47.1%，低于欧盟的家用空调安全

标准规定的充注量。在室外环境温度较低时，R1270的COP高于R22，但随着室外

环境温度升高，R1270的COP略小于R22。同时与R22相比，R1270的排气温度可以

降低12℃左右，这可以很好增加系统运行的寿命和可靠性。

其次，根据直接蒸发预冷式房间空调器的原理，对系统的各部件进行详细的

选择计算。在完成实验样机的设计后，对实验样机进行了运行特性试验。在采用

不同制冷剂的情况下，对试验样机与常规的压缩制冷空调器的性能进行对比，发

现采用直接蒸发预冷式房间空调器不仅能提高机组的COP，同时还能降低机组的

排气温度，更好的抵御高温，延长机组的寿命，保障机组的运行。

最后，通过在上海，北京和乌鲁木齐三个典型城市进行经济效益和节能效益

分析发现：单台能效等级为1级的1.5匹环保型直接蒸发预冷式房间空调器使用一年，

在经济效益上节省不多，但节能效果较好。若从社会角度来看，大批量使用该空

调器，节省的费用则会相当可观，节能又环保。

综上所述，环保型直接蒸发预冷房间空调器具有可推广性，本文的实验数据

可以为今后相关产品的开发和实际推广提供借鉴和参考。

关键词：R1270 制冷剂替代蒸发冷却房间空调器环保节能

ABSTRACT

Through the study of natural hydrocarbon refrigerants R1270, we analyzed their

alternative feasibility of household air-conditioner with refrigerant R22. At the same

time, because of the lack of energy usage and other aspects of the application of

evaporative cooling and general household air conditioning, a combination of the

environmentally friendly air-conditioning unit with evaporative cooling system was

designed. By pre-cooling air to reduce the air temperature so that it can exchange heat

with the condenser. Then the condensing temperature will be reduced to achieve the

effect of improving energy efficiency.

Firstly, we analyzed the theoretical possibility of R1270 to replace R22 in domestic

air-conditioners from the thermodynamic properties, safety, environment, economy and

other aspects of thermodynamic cycle. Then test the experimental prototype with

different refrigerants charging. Select a different environment conditions and test its

performance in the experimental stage. The analysis of dates showed that under the

same conditions, the filling quantity of R1270 is 47.1% of R22 systems, lower than the

EU household air conditioning charge in required safety standards. When the outdoor

temperature is low, the COP of R1270 is higher than the R22, but with the increase of

temperature outdoor, the COP of R1270 is slightly smaller than the R22. At the same

time, be compared to R22, the exhaust temperature of R1270 can be reduced about 12℃,

which can be well increasing the operating life and reliability of systems.

Secondly, according to the principles of environmentally friendly air-conditioning

unit with evaporative cooling system, the various parts of the system were calculated

detaily. After the completion of the experimental prototype’s design, the running

characteristics of the prototype were experimented. In case of different refrigerants,

performance of the prototype and conventional compression refrigeration air

conditioning was compared, and then we could found that using the environmentally

friendly air-conditioning unit with evaporative cooling system will not only improve the

unit's COP, but also reduce the exhaust gas temperature of the unit. So it has better

withstand high temperature and it can extend the unit’s life, protect the unit’s operation.

Finally, through the analysis of economic benefit and energy-saving benefit for

three typical cities of Shanghai, Beijing and Urumqi, we could know that one

environmentally friendly air-conditioning unit with evaporative cooling system whose

refrigerating capacity is 1.5 mate and effect grade is the first could save much in the

economic benefit while its energy-saving effect is good. From social perspective, using

large quantities of the air conditioner, the savings will be considerable, and it will be

energy-saving and environmentally friendly.

To sum up, the environmentally friendly air-conditioning unit with evaporative

cooling system can be popularized. The experimental dates of paper could provide

references for designing and manufacturing of related products.

Key words: R1270， Refrigerant substitution，Evaporative cooling，

Room Air-conditioner，Environmental protection，

Energy-saving

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 课题研究的背景和意义 ........................................ 1

§1.1.1 臭氧层破坏及温室效应等环境问题 ........................... 1

§1.1.2 新型环保制冷剂 R1270 ..................................... 1

§1.1.3 空调能耗问题 ............................................. 1

§1.1.4 直接蒸发预冷式房间空调器的提出 ........................... 2

§1.2 国内外研究现状 .............................................. 3

§1.2.1 关于新型制冷剂 R1270 的国内外研究现状 ..................... 3

§1.2.2 关于直接蒸发冷却系统的国内外研究现状 ..................... 5

§1.3 本课题研究内容 .............................................. 8

第二章环保制冷剂 R1270 替代 R22 的可行性分析 ......................... 9

§2.1 R1270 替代 R22 的热力学性质分析 ............................... 9

§2.2 R1270 替代 R22 的安全性分析 .................................. 10

§2.3 R1270 替代 R22 的环境和经济性分析 ............................ 11

§2.4 R1270 替代 R22 的热力循环性能分析 ............................ 12

§2.5 本章小结 .................................................... 14

第三章直接蒸发预冷式房间空调器的理论研究 .......................... 15

§3.1 蒸发冷却技术的理论分析 ...................................... 15

§3.1.1 蒸发冷却技术的热力学原理 ............................... 15

§3.1.2 蒸发冷却技术的形式 ..................................... 16

§3.2 压缩式制冷技术的理论分析 .................................... 17

§3.3 蒸发冷却与压缩式制冷的结合 .................................. 19

§3.3.1 蒸发冷却空调的不足 ..................................... 19

§3.3.2 传统的压缩式制冷空调器存在的问题 ....................... 20

§3.3.3 蒸发冷却与压缩式制冷结合的原因 ......................... 21

§3.3.4 直接蒸发预冷式房间空调器系统 ........................... 21

§3.4 本章小结 ................................................... 22

第四章直接蒸发预冷式房间空调器的系统分析及部件的选择计算 .......... 23

§4.1 直接蒸发预冷式房间空调器的组成及运行模式 .................... 23

§4.2 直接蒸发预冷式房间空调器之压缩式制冷部分 .................... 23

§4.3 直接蒸发预冷式房间空调器之蒸发冷却部分 ...................... 25

§4.3.1 水循环系统的设计 ........................................ 25

§4.3.2 填料的选取 .............................................. 27

§4.3.3 水泵的选取 .............................................. 30

§4.3.4 风机的匹配 .............................................. 32

§4.4 直接蒸发预冷式房间空调器与家庭污水处理装置的结合 ............ 33

§4.5 本章小结 ................................................... 35

第五章 R1270 替代 R22 的实验及分析 ................................... 37

§5.1 实验室简介 ................................................. 37

§5.2 实验目的及实验内容 ......................................... 38

§5.2.1 实验目的 ............................................... 38

§5.2.2 实验内容 ............................................... 38

§5.3 实验测试方案 ............................................... 39

§5.4 不同制冷剂的常规房间空调器性能对比 ......................... 41

§5.5 本章小结 ................................................... 47

第六章直接蒸发预冷式房间空调器的实验及分析 ........................ 48

§6.1 实验方案 ................................................... 48

§6.2 采用 R22 时常规和直接蒸发预冷式房间空调器的性能对比 ......... 48

§6.3 采用 R1270 时常规和直接蒸发预冷式房间空调器的性能对比 ....... 54

§6.4 直接蒸发预冷式房间空调器的节能效益和经济效益分析 ........... 57

§6.4.1 三个典型城市的基本资料 ................................. 58

§6.4.2 直接蒸发预冷式房间空调器的节能效益和经济效益分析 ....... 58

§6.5 本章小节 ................................................... 62

第七章结论与展望 .................................................. 64

§7.1 主要研究成果 ............................................... 64

§7.2 存在的不足和需要发展的方向 ................................. 65

§7.3 课题展望 ................................................... 66

参考文献 ........................................................... 67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 71

致谢 .............................................................. 72

第一章绪论

§1.1 课题研究的背景和意义

随着我国经济社会不断的发展，人民的生活水平不断提高，空调设备的使用

已经是人们生活和生产中必不可少的部分。但随着全球温度的不断升高，臭氧层

的破坏日益严重，世界能源被大量消耗。作为能耗的一部分，如何降低空调设备

的能耗和提高空调设备的性能，替换破坏臭氧层的制冷剂，已经成为空调制冷行

业最重要的课题。暖通空调业的不断发展，势必也应该走可持续发展的道路，要

以消耗最少的能耗，创造健康和舒适的室内环境，同时保护地球资源，达到资源、

环境、社会的协调发展为终极目标。

§1.1.1 臭氧层破坏及温室效应等环境问题

目前我国市场上绝大多数空调采用的制冷剂仍为 R22。虽然 R22 的综合性能

在空调商业领域有其突出的一面，但是，由于它对臭氧层的破坏作用及温室效应，

蒙特利尔议定书规定，到 2020 年发达国家将完全废止使用过渡 HCFC 类物质，发

展中国家在 2040 年完全停止使用。同时，根据 1997 年12 月在日本京都签订的《京

都议定书》中指出到 2010 年，所有发达国家二氧化碳等包括氢氟碳化物和全氟化

碳等 6种温室气体的排放量，要比 1990 年减少 5.2％，从这个规定也可以看出，

发展研究环保节能型的制冷剂，并使其商品化应用，已成为刻不容缓的重要课题。

§1.1.2 新型环保制冷剂 R1270

作为即将禁止使用的制冷剂R22，它的替代研究工作势在必行，世界各国都努

力寻找一种性能优良的替代型制冷剂。目前，针对R22的替代方案主要有两种：一

种是HFCs类，为人工合成制冷剂，以R410A和R407C为代表；另一种是HCs类，是

碳氢化合物，属于自然制冷剂。从环境保护角度来看，HFCs类和HCs类的臭氧消

耗潜能值(ODP)都为零，但是HFC类的全球变暖潜能值(GWP)仍然较大，而HC类的

全球变暖潜能值(GWP)基本为零[1]。为此，分析研究HCs类制冷剂R1270(丙烯)在小

型空调和冰箱上的应用可行性，具有实际性的意义。

§1.1.3 空调能耗问题

建筑能耗是指建筑使用过程中用于供暖、通风、空调、照明、家用电器、输

送、动力、烹饪、给排水和热水供应等的能耗。作为发展中国家的我国，建筑能

环保型直接蒸发预冷式房间空调器的理论与实验研究

耗约占全国总能耗的 11.7%，而随着我国经济的腾飞和气候的变化，这一比例还在

不断的攀升[2]。

空调能耗由于其耗水量和耗电量，占据了建筑能耗的最高比例。并且每年以

4%-5%的速度增长着。在我国，随着国家家电下乡，以旧换新等政策的实施，家

用空调已经由城市向农村不断的延伸发展。

空调是高能耗产品，约有 70%的中央空调用电，其余使用燃料或蒸汽，对于

市场上的家用空调则绝大多数是以电为能源。据国家电力中心的调研分析可以知

道，我国的电力系统的特点是：负荷率下降，峰谷差增大。其主要原因是我国的

居民生活用电和第三产业用电的比重不断的增加。特别是近年来夏季出现连续炎

热高温天气，大量空调用电，使得许多大中型城市出现不同程度的电力紧缺，也

给我们敲响了警钟。

§1.1.4 直接蒸发预冷式房间空调器的提出

蒸发冷却技术是已知的最古老的冷却方式，在当今又开始引起了人们的关注。

它利用自然环境空气中的露点温度与干球温度之间的差值，以水为制冷剂，通过

水与空气之间的热湿交换来获取冷量。这种技术同时能够减少温室气体和 CFCs

的排放，是一种经济而且环保高效的冷却方式。

在干热地区，如新疆、青海、甘肃、宁夏等地，空气中的含湿量较小，湿球

温度较低，温差较大。在焓湿图上，那些干热地区的室外空气状态点通常在室内

设计状态点的左上方，所以可采用直接蒸发冷却、间接蒸发冷却或直接与间接联

合的蒸发冷却系统。因此，在我国干燥炎热的西部地区蒸发冷却以集中式、半集

中式及各种组合形式得到了广泛应用，并取得巨大的节能效果。

而传统的家用空调是一种高能耗的设备。如何提高空调设备的效率，节约能

源是空调制冷行业永恒的目标。目前家用空调普遍采用风冷式。这种方式在实际

运行的过程中，机组的效率受到室外大气温度的影响很大。夏季，室外空气的温

度越高，意味着系统的冷凝温度越高，机组的制冷量会受到影响，耗功大大的增

加。特别是近几年，极端气温时常出现，导致夏季很多城市会出现电力供应紧张。

因此，如果先采用某种方式将与冷凝器直接接触的空气进行冷却，然后其再与冷

凝器进行热交换，这样就能大大的降低冷凝温度，从而提高空调的效率。同时，

考虑到家用空调需要体积小，轻便简洁的情况，采用空气直接蒸发冷却比间接蒸

发冷却却更符合实际。

综合考虑以上情况，本文提出了直接蒸发预冷式房间空调器。将直接蒸发冷

却与传统的压缩式制冷的家用空调相结合，把与冷凝器进行热交换的空气进行预

第一章绪论

冷却。使得空气与冷凝器之间更好的换热，得到更低的冷凝温度，提高设备的运

行效率。

§1.2 国内外研究现状

本课题主要是对制冷剂 R1270 替代 R22 的可行性和蒸发冷却技术应用于压缩

式制冷空调机组这两方面进行研究。目前国内将两者结合研究的很少，故下面将

国内外对这两方面的各自研究现状分别进行介绍。

§1.2.1 新型制冷剂 R1270 的国内外研究现状

目前，替代 R22 的制冷剂主要有两类。一类是 HFCs 类及其混合制冷剂，另

一类是以碳氢制冷剂（HCs）型的纯天然制冷剂。两类制冷剂的臭氧消耗潜能值

（ODP）均为 0。但是前者的全球变暖潜能值（GWP）很大，从长远来看，对于

防止全球气候变暖有一定的弊端。而纯天然制冷剂的 GWP 基本接近于零。因此纯

天然制冷剂更有发展前景。

文献[3]中，德国的 Siegfride Haaf, Kdn-surth 概述了 1996 年R1270 制冷设备在

超级市场的正式使用，开启了丙烯的应用时代[3]。

① 在理论研究方面。

天津商学院的杜建通等人论述了天然制冷剂的应用特点及其在国际上的应用

研究现状，并指出在制冷系统中应用天然制冷剂应当解决的技术问题[4]。周彦宏等

人将常用的碳氢化合物制冷剂与R22的循环性能进行了对比分析，发现R290、

R1270是R22极有潜力的纯质替代物 [5]。孙勇等人比较了几种碳氢化合物的饱和蒸

气压曲线，结果表明R1270 具有制冷量大COP 高的优点 [6]。

西安交通大学晏刚，宋飞等人提出R1270作为R22的替代工质，并通过对R1270，

R22，R290的热物理性质和热力循环的性能分析比较，发现R1270在替代R22上有

一定的优势，可以成为R22的替代工质[7]。

韩国仁荷大学的Yun-Bo SHIM等人在三种不同的空调热泵的工况下，对R290

和R1270替代R22分别进行测试。结果显示，这些纯天然的制冷剂的能效要比R22

的高11.5%左右。在正常的情况下，R290的制冷量比R22低8.2%，而在极端低温的

情况下，R290的制冷量要比R22高5%。另一方面，R1270的制冷量和R22的差不多，

而R1270的充注量只是R22的58% [8]。

②在混合工质的研究方面。

任挪颖等人提出了三组新型替代工质R134a/R290、R134a/R1270和

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摘要：

摘要本文通过对纯天然碳氢制冷剂R1270进行研究，分析其替代常规家用空调器中采用的制冷剂R22的可行性。同时，针对蒸发冷却空调和常规家用空调在应用和能源利用率等方面的不足，将两者结合使用，设计出直接蒸发预冷式房间空调器。通过对空气进行预冷，降低与冷凝器进行热交换空气的温度，使得冷凝温度降低，达到提高能源利用率的效果。本文首先从热力学性质、安全性、环境、经济性以及热力循环性等方面分析R1270在家用空调器中替换R22的理论可能性。然后对试验样机充注不同的制冷剂，选取不同的环境工况在实验台上对其进行性能试验。在对试验数据分析处理后表明：在相同条件下，R1270的充灌量是R22系统的47.1%，低于...

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