《Energies》：Assessment of the Usability of Low-GWP Blended Refrigerants for Water-Source Heat Pumps
Mehmet ?z?elik,
Atilla G. Devecio?lu and
Vedat Oru?
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在全球变位和氟气体法规日益严格的背景下，本研究致力于为水源热泵系统筛选高效、环保的新型工作流体。研究团队利用REFPROP 10生成了379种二元和三元混合制冷剂，并通过理想与实际循环模型分析，确定了在特定全球变暖潜能值（GWP）范围内性能优异的候选混合物。最终，研究针对不同应用场景（如大规模区域供热、小容量系统）推荐了特定混合物（如MX1、MX7、MX16），为实现高运行效率与低环境影响提供了新策略。
随着经济快速增长，全球能源消耗急剧上升，导致温室气体排放显著增加。能源需求、空气污染、全球变暖和温室气体效应的加剧，促使人们加紧寻找替代性和可持续的能源。热泵作为一种高效的能量转换技术，在现代工程的各个领域得到广泛应用。这些系统利用电能从环境中提取热量，并将其转化为可用形式。河流、湖泊和海洋等水源由于其温度通常高于环境气温且全年相对稳定，是热泵特别理想的热源。然而，热泵的性能很大程度上受工作温度和所用制冷剂热物理性质的影响。更为关键的是，制冷剂的使用正受到越来越严格的法规限制：氟化气体的排放已被禁止，高GWP制冷剂的使用受到限制，并引入了注册、标签和强制性泄漏检查等要求。为了应对这些挑战，寻找具有低全球变暖潜能值（GWP）且性能优异的替代制冷剂，成为热泵技术发展的紧迫课题。
在此背景下，本研究旨在评估低GWP混合制冷剂在水源热泵系统中的适用性，以在实现高运行效率的同时，减少对环境的影响。该研究利用REFPROP 10软件，针对设计用于生产生活热水的（为住宅提供生活热水的）水源热泵系统，生成了候选的低GWP混合制冷剂，并按照预定的选择标准进行筛选。研究共生成并评估了379种候选制冷剂混合物（包括201种二元混合物和178种三元混合物），这些混合物由一系列纯制冷剂以5%的质量分数增量配制而成。通过在水源热泵系统上应用理想循环和实际循环模型，对这些新配制的混合物进行了全面的热力学性能分析，包括性能系数（COP）、第二定律效率（ηII）、压缩机排气温度、容积制热能力等关键参数，最终筛选出最具应用潜力的混合制冷剂，并为不同应用场景提供了具体建议。该研究结果发表于国际期刊《Energies》。
为开展此项研究，作者主要运用了以下关键技术方法：首先，利用REFPROP 10软件数据库进行纯流体热物性分析并生成候选的二元及三元混合制冷剂。其次，在工程方程求解器（EES）软件中建立了水源热泵的理想循环和实际循环数值模型，用于模拟和评估候选制冷剂在设定工况下的性能。研究设定蒸发器温度为5°C，热源温度为15°C，冷凝器温度范围设定为40-80°C（对应生活热水出口温度35-75°C），并应用了一系列模型假设（如等熵压缩、等焓膨胀等）和固定参数来进行系统性能计算。
研究结果
候选制冷剂的筛选与特性
研究从REFPROP 10数据库中可用的纯流体开始，首先排除了无法在理想循环条件下运行、具有毒性、高可燃性、非零臭氧消耗潜能（ODP）或临界温度过低的流体。随后，生成了379种候选混合物，并根据滑移温度低于10°C、GWP值低于750、高临界温度等标准，初步筛选出40种COP和ηII最高的混合物。通过淘汰性能值非常相似的混合物，最终选定了18种混合制冷剂进行深入分析。这些最终选定的混合物根据其环境影响（GWP < 150 和 150 < GWP < 750）和临界温度范围（TCR< 108°C 和 108°C < TCR< 151°C）进行了分类，以便于评估其在高效运行和高出口温度应用中的适用性。
热力学性能分析
对选定的18种混合制冷剂在实际循环模型下进行了能量和?分析。分析在蒸发器温度5°C、热源温度15°C、冷凝器温度40-80°C的条件下进行，评估了COP、ηII、压缩机排气温度和容积制热能力等关键性能参数。结果表明，不同的混合物在不同的温度范围和GWP限制下表现出各自的优势。
性能优异的制冷剂推荐
根据全面的性能比较，研究为不同的应用场景推荐了特定的混合制冷剂：
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在GWP值低于150的制冷剂中，MX7在所有考虑的制冷剂中表现出最高的COP和ηII，因此适用于小容量系统。
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在GWP值150-750的范围内，MX16在整个温度范围内展示了最高的COP和ηII值。
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对于冷凝器温度在40–80°C的大型热泵和区域供热应用，MX1被推荐。
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综合考虑低GWP（低于150）和热物理性能，MX4成为最有利的混合物。
研究结论与意义
本研究成功评估了多种新型低GWP混合制冷剂在水源热泵系统中的适用性。通过系统的筛选和热力学分析，确定了在不同GWP范围和操作温度下性能优异的候选混合物。其中，MX7、MX16和MX1等混合物在各自的目标应用领域中展现出卓越的能效和环保特性。
这项研究的意义在于，它针对日益严格的环保法规和提升能源效率的需求，提出了一套切实可行的低GWP混合制冷剂解决方案。研究所识别和评估的新配方混合制冷剂，为水源热泵在不同应用领域（如家用热水、区域供暖）和运行温度区间的优化提供了新的选择。这不仅有助于减少热泵系统的直接温室气体排放，降低其对全球变暖的潜在影响，还能通过提高系统COP来节约能源，从而间接减少发电相关的碳排放。该研究突出并响应了制冷剂替代领域的一个当前趋势和关键点，为工程实践和后续研究提供了有价值的数据和方向。
