《Energies》：Design Solutions and Safety Considerations in Heat Pumps Using Propane (R290): A Review
Paulina Gr?dzka and
Pawe? Obstawski
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本综述聚焦于环保制冷剂丙烷（R290）在蒸气压缩式热泵中的现代设计解决方案，重点探讨了制冷剂充注量最小化及其对系统能效、压缩机类型、换热器配置以及热电过冷（TESC）技术应用的影响。研究表明，优化充注量（170-200 g）并结合TESC可显著提升系统性能系数（COP）和季节性能系数（SCOP），尤其是在寒冷气候下，为平衡安全、效率与低温运行需求提供了有效路径。
在能源转型与低碳经济的全球背景下，热泵技术作为替代传统化石燃料供暖的关键方案，其重要性日益凸显。而制冷剂的选择，直接关系到系统的效率与环境影响。其中，具有极低全球变暖潜能值（GWP）的丙烷（R290）因其优良的热力学性质而备受关注。然而，其A3类（高度可燃）的安全属性，对系统设计，尤其是制冷剂充注量的控制提出了严峻挑战。本文将围绕丙烷热泵，探讨如何在确保安全的前提下，通过技术创新实现高效稳定的运行。
理论背景
热泵的基本工作原理基于蒸气压缩循环，核心部件包括压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀。系统性能主要由两个系数衡量：性能系数（COP）和季节性能系数（SCOP）。COP衡量瞬时能效，而SCOP则更全面地反映了整个供暖季在不同气候条件下的平均效率。丙烷（R290）的GWP仅为3，且具有高热导率和低粘度，但其高可燃性要求系统必须严格密封并限制充注量，这是其应用的核心矛盾。
研究方法与结果
为应对这一挑战，研究重点探索了两大方向：制冷剂充注量最小化与热电过冷（TESC）技术的集成应用。
在充注量最小化方面，研究通过采用非对称板式换热器、缩短管路、减小管径、减少系统油量等方法，将系统充注量目标设定为低至150克。实验构建了两种系统配置：采用涡旋压缩机的系统1和采用转子压缩机的系统2。研究结果显示，制冷剂充注量与系统性能（COP和制热能力）之间存在明显的非线性关系。这些图表表明，存在一个最佳的充注量范围（170-200克）。当充注量低于150克时，系统处于“充注不足”状态，导致换热器利用率低，性能下降；当充注量超过200克时，冷凝压力上升，压缩机功耗增加，COP反而降低。压缩机频率（转速）同样影响显著：提高频率（如从60 Hz增至120 Hz）可大幅提升制热能力，但会牺牲COP。不同压缩机类型对运行条件敏感度不同：涡旋压缩机在较高频率下效率更高，而转子压缩机在较低频率下表现更优。
在提升效率方面，热电过冷（TESC）技术展现出巨大潜力。该技术通过在冷凝器后增加热电模块对液态制冷剂进行进一步冷却（过冷），从而增加单位质量制冷剂的吸热量，提升系统能效。仿真研究表明，TESC模块的数量和供电电压是关键参数。增加TESC模块数量可以有效提升过冷度，进而提高COP。例如，在出水温度55°C条件下，使用8个TESC模块可使COP提升高达12.29%。此外，TESC技术对提升季节性能系数（SCOP）的效果在全球不同气候区（如赫尔辛基、明尼阿波利斯、哈尔滨等）也得到了验证。在寒冷地区，SCOP的提升更为显著，这表明TESC技术尤其适用于寒冷气候下的供暖应用。
结论
研究表明，开发低充注量丙烷（R290）热泵系统是可行的，但需精细优化运行参数以维持高效率、稳定性和安全性。制冷剂充注量对系统性能有决定性影响，170-200克是最佳范围。低充注量（如150克）虽能满足安全与环保的极限要求，但会导致性能下降。将热电过冷（TESC）等增强技术与充注量最小化策略相结合，可以有效弥补低充注量带来的性能损失，特别是在需要高升温幅度（高出水温度、低环境温度）的寒冷气候条件下，能显著提升COP和SCOP。然而，TESC的引入也增加了系统复杂性和额外的电能消耗，其净效益取决于具体的运行条件。未来的研究需在长期实验验证、系统复杂性、能耗与性能提升之间寻求最佳平衡。总体而言，结合充注量控制与系统级能效提升技术，为下一代适用于寒冷气候的丙烷热泵开发指明了有前景的方向。
