台灣能源技術服務產業發展協會)

摘要

本研究探討一國產250USRT之R134a冷媒雙段壓縮磁浮離心式壓縮機直接置換為替代冷媒R1234ze的性能差異性，測試評估方法為以飽和排氣溫度(SDT)與飽和吸氣溫度(SST)模擬壓縮機在冰水機系統於CNS12575與AHRI551/591測試條件下的性能。SDT與SST模擬條件於負載率100%、75%、50%、25%時，分別為35.50℃/6.30℃、28.80℃/6.40℃、21.90℃/6.58℃、20.49℃/6.73℃。研究結果顯示R134a冷媒直接置換成R1234ze冷媒後，在相同轉速條件下之製冷能力會降低約20%，性能係數COP降低約1.3%。如藉由優化熱交換器改善壓縮機之操作條件，將SDT/SST改善至35.16℃/6.72℃，COP可提升至6.21，可滿足國家1級製冷能源效率的允差基準內。

關鍵字：磁浮離心式壓縮機、性能係數、低GWP冷媒

Abstract

This study investigates the performance differences of a R1234ze refrigerant drop-in test in a domestic R134a refrigerant two-stage magnetic centrifugal compressor with rating capacity 250USRT. The testing method for this research refers to the CNS12575 and AHRI 551/591 standard’s test conditions by using saturated discharge temperature (SDT) and saturated suction temperature (SST) to simulate the performance of the compressor in a chiller system. The SDT and SST test conditions for 100%, 75%, 50% and 25% load are 35.50℃/6.30℃, 28.80℃/6.40℃, 21.90℃/6.58℃, and 20.49℃/6.73℃ respectively. The test results show that replacing the refrigerant R134a with R1234ze, the cooling capacity of R1234ze reduced by approximately 20% at the same speed compared to R134a refrigerant, and COP shows a decrease approximately 1.3%. Through enhancing the heat exchanger for R1234ze refrigerant to improve the operation condition to SDT 35.16℃ and SST 6.72℃ of the compressor, COP can be promoted to 6.21, qualified the 1st-class energy efficiency of Chinese National Standards.

Keywords: Active magnetic bearing centrifugal compressor (AMB compressor), Coefficient of performance, Low global-warming-potential refrigerants.

一、前言

冰水主機為大型空調系統中的主要製冷設備，壓縮機使冷媒在冷凍系統內循環流動，在蒸發器的低溫低壓冷媒與冰水做熱交換，製造出低溫的冰水再透過空氣調節單元(Air Handling Unit)將冰水轉換成冷氣進行空調空間之降溫除濕。目前台灣冰水機產業使用最普遍的冷媒是屬於氟氫碳化物(HFCs)的R134a冷媒，R134a是一種無色、無臭的氣體，具有良好的製冷性能，適用於製冷和空調應用。R-134a在大氣中的ODP（Ozone Depletion Potential,臭氧消耗潛能）為0，不會對臭氧層造成破壞。然而，它的全球暖化潛勢GWP (Global Warming Potential)高達1300，對全球暖化造成一定影響。

為了減緩全球暖化現象，蒙特婁議定書在2016年10月通過吉佳利修正案（Kigali Agreement），新增列管十八種高溫暖化潛勢溫室氣體「氫氟碳化物（Hydrofluorocarbon）」及其混合物，並要求簽署國到2047年將其生產和消費量減少85%。該修正案已自2019年正式生效，截至2021年11月10日止，共計有129個締約國簽署吉佳利修正案，包括歐盟、日本、澳洲及紐西蘭，而美國、南韓及新加坡政府雖在國內展開評估規劃相關工作，但尚未正式提交成為締約方的文件。我國為避免違反國際環保公約管制規範與削減時程而遭受國際貿易制裁影響產業與經濟發展，故環境部於民國 112年11月20日公告「氫氟碳化物管理辦法」草案，第4條為自中華民國113年1月1日起禁止生產氫氟碳化物。

根據前述吉佳利修正案之規定，目前世界各國的主流趨勢為將空調系統內的冷媒替換成低GWP冷媒，國外標竿產品已陸續推出中長期替代R134a冷媒的低溫室效應冷媒R513A(GWP 573)與R1234ze(E)(GWP 1)的下世代磁浮離心式壓縮機/冰水機產品以達到保護環境的目的。R513A為一種混合冷媒(R134a冷媒占比44%+R1234yf冷媒占比56%)，其GWP值相較於R134a冷媒降低55.9%，由於R513A冷媒其性質與R134a相近、但是其GWP值仍高達573，此外根據本單位於執行雙段壓縮磁浮離心壓縮機直接置換R513A冷媒之性能測試研究結果顯示，在相同製冷能力的情況下，應用R513A冷媒與R134a冷媒的冰水機相較，其運轉效率約會降低5.48%，因此一般認為R513A為R134a冷媒短中期的替代品。。

R1234ze(E) 是一種氫氟烯烴(HFO)冷媒，其GWP<1(AR5)甚至低於CO2，冷媒安全性評比為A2L(微可燃)，應用R1234ze冷媒的冰水機其理論效率(COP)相較應用R134a冷媒約會提升約1.5%。滿液式蒸發器的冰水機冷媒填充量約1.2~1.3 kg/USRT，故製冷能力越大冷媒填充量越多，所造成的直接碳排放量亦越大，若能將既設冰水機的R134a冷媒替換成R1234ze冷媒，在未來將可有效降低對環境衝擊的效益，因此直接置換替代冷媒對原冰水機系統性能的影響是值得探討的課題。

我國於民國109年7月1日公告實施冰水機組製冷能源效率分級制度，表1所示為其分級基準表，本文所投入的研究即是模擬冰水機系統的操作條件，探討既有的R134a冷媒磁浮離心式壓縮機直接置換為R1234ze低溫室效應冷媒時的性能差異，以及應用於新販售之冰水機產品其製冷能源效率級等之標示與登錄的影響。

表1 冰水機組製冷能源效率分級基準表

二、實驗設備與測試方法介紹

本實驗使用一台製冷能力879 kW(250USRT)等級之國產R134a冷媒雙段壓縮磁浮離心式壓縮機，以飽和排氣溫度(SDT)/飽和吸氣溫度(SST)模擬壓縮機於冰水機系統之運轉條件進行性能測試研究，實驗設備系統以壓縮機最大測試能力500USRT之雙段壓縮冷媒全循環測試平台以及結合水側熱量計法的冰水機測試系統，使用R134a冷媒進行CNS全載以及AHRI部分負載的性能實測研究。測試完成後將系統內的R134a冷媒回收，並將系統內填充R1234ze冷媒進行比較測試，由於實驗對象乃R134a冷媒專用設計的壓縮機，透過理論計算評估該壓縮機的工作流體直接置換為R1234ze冷媒運轉，在相同轉速條件下其製冷能力將降低約25~28%，因此將該壓縮機以額定能力703kW(200USRT)等級來進行R1234ze冷媒之CNS全載以及AHRI部分負載測試。

本單位自行開發之R134a冷媒879 kW(250USRT)雙段壓縮磁浮離心式壓縮機，如圖1所示。全機可以概分為壓縮段與磁浮主軸總成之兩大主要構成組件，壓縮段包含：1級葉輪、1級擴壓器、回流彎道與導葉、中壓節能器氣體注入機構、2級葉輪、2級擴壓器、渦道等壓縮段流力元件；磁浮主軸包含:磁浮轉軸、前後徑向與軸向磁浮軸承、高速馬達及其磁控與驅動之總成組件。CNS全載條件之額定製冷能力範圍為200~300USRT；馬達電機型式為4極 IM交流馬達，馬達額定功率為150 kW；容調機構採用進氣導葉組件、雙段封閉式葉輪之材質為鍛造鋁合金6061。

圖1、本次實驗使用的879 kW(250USRT)雙段壓縮磁浮離心式壓縮機

實驗量測儀器與資料擷取方面，使用以下儀器:

1. (1)溫度感測器:使用PT100 DIN 1/10B,精度±0.1℃@ 3~60℃。(2)資料記錄器:使用40頻道的YOKOGAWA GP20。(3)流量計：使用YOKOGAWA 電磁式流量計量測水流量, 精度±2 % @ Full Scale。(4)電力分析儀:使用YOKOGAWA WT333E Power Meter, 精度±0.5%。(5)壓縮機進排氣口壓力轉換器:使用YOKOGAWA Gauge Pressure Transmitter,精度±0.04 % @ Full Scale。
2. 將壓力轉換器設置於測試系統進氣、排氣、中壓管路上鄰近壓縮機位置，實驗記錄壓縮機穩態操作於設定目標工況條件之壓力數值。

測試方法採用水側熱量計法量測測試平台蒸發器之冰水流率與入、出口水溫差求得其製冷能力；以電力分析儀測得消耗電功率，測試實驗室符合TAF認證標準，實驗規範參照CNS 12575(2007)蒸氣壓縮式冰水機組[1]與 AHRI 551/591-2023[2]測試標準定義之熱平衡標準來檢視數據符合能量守恆。測試站每5秒取樣平均新增一筆數據，共取樣300秒以上(5分鐘)時間做為平均結果，以及冰水出水溫、冷卻水入水溫之標準差STD小於0.05時，則判定測試系統SDT/SST於穩態條件。

評估冰水機性能主要有兩個指標，第一個指標為依據CNS 12575測試標準所測得之全載製冷能力與COP，此項指標為我國冰水機組製冷能源效率分級標示的兩項重要參數；第二個指標為廣為國際通用之部分負載效率指標，也就是習知的整合性部分負載效率值、簡稱IPLV。此項指標為Ashrae 90.1所規範、測試條件的參考標準則為AHRI 551/591。CNS 12575於水冷式冰水機於全載性能的測試條件如表2所示。

表2、CNS 12575測試標準

國際上現行水冷式冰水機的部分負載依AHRI 551/591性能測試規範，設定AHRI全載(100%)冰水入/出水溫度12/7±0.28 ℃，冷卻水入/出水溫30/35±0.28 ℃，調整冰水與冷卻水流量符合其入出水於允許溫差條件(±0.28℃)，在AHRI部分負載依照全載流量及冰水出水溫7±0.28 ℃，其中在IPLV 75 %工況冷卻水入口水溫設定24.5±0.28 ℃、IPLV 50 %與25 %工況冷卻水入口水溫設定19±0.28 ℃，部分負載製冷能力須符合目標能力±2%。

IPLV(integrated part load value)的計算方式如下：IPLV = 0.01A+0.42B+0.45C+0.12D       

 (1)其中 

 A = COP @ 100% Load

 B = COP @ 75% Load

 C = COP @ 50% Load

 D = COP @ 25% Load

IPLV在25%、50%、75%、100%各負載之權重係數分別為0.12、0.45、0.42、0.01，將各點冰水機性能係數與加權係數計算得出IPLV值。

AHRI 551/591-2023水冷式冰水機整合性部分負載在4個負載工況的測試條件如表3所示。

表3、AHRI 551/591(SI)-2023測試標準

冰水機的性能取決於蒸發器與冷凝器兩器之設計，於設定的水流量與水溫條件下的蒸發溫度與冷凝溫度所能提供給壓縮機的吸氣與排氣的冷媒溫度與壓力狀態，亦即是壓縮機的吸氣與排氣條件決定其單體的性能。本研究乃採用冷媒全循環的測試平台模擬壓縮機於冰水機系統的性能，因此參考CNS12575與AHRI551/591兩個測試標準的水溫條件，以冰水機之蒸發器的出水溫度減去一理想的溫度差(Approach)，不考慮吸氣過熱度並忽略吸氣管路的壓降，定義為壓縮機的飽和吸氣溫度(SST)；壓縮機的飽和排氣溫度(SDT)則以冷凝器的出水溫度加上一理想的溫度差(Approach Temperature, AT)加以定義，藉由控制壓縮機的SST與SDT來測得壓縮機於冰水機模擬所操作之負載條件的性能。

表4 壓縮機於各負載條件的模擬SST與SDT

表 6、R134a冷媒部分負載性能測試條件

表 7、R1234ze冷媒全載性能測試條件

表 8、R1234ze冷媒部分負載性能測試條件

三、實驗結果

1. 1. R134冷媒壓縮機全載性能測試結果，本項R134a冷媒全載性能實驗對應之條件與測試結果如表5與表9所示。測試結果說明如下：
2. (1)此條件為模擬優化冰水機熱交換器設計之極限以縮小壓縮機的操作壓比以提高全載性能，模擬測試條件為SDT/SST 35.16℃/6.72℃，實際測試所測得之結果為SST 6.82℃、SDT 35.22℃、壓比2.40、製冷能力為862.88kW (245.42USRT)、耗電量135.12kW、COP 6.39、熱平衡1.85%。

表 9、R134a冷媒壓縮機全載性能測試結果

2. R134a冷媒壓縮機IPLV性能測試結果，本項性能測試實驗對應之測項條件與測試結果如表6與表10所示。測試結果條列說明如下：

(1)對應負載率100%的實測結果為SST 6.31℃、SDT 35.58℃、壓比2.46、製冷能力為884.67kW (251.61USRT)、耗電量145.12kW、COP 6.10、熱平衡-1.99%；

(2)對應負載率75%的實測結果為SST 6.40℃、SDT 28.88℃、壓比2.03、製冷能力為667.65kW (189.89USRT)、耗電量82.63kW、COP 8.08、熱平衡2.17%；

(3)對應負載率50%的實測結果為SST 6.67℃、SDT 21.99℃、壓比1.64、製冷能力為439.49kW (125.00USRT)、耗電量41.90kW、COP 10.49、熱平衡2.72%；

(4)對應負載率25%的實測結果為SST 6.78℃、SDT 20.57℃、壓比1.56、製冷能力為236.11kW (67.15USRT)、耗電量25.86kW、COP 9.13、熱平衡4.73%；

依照計算式(1)的IPLV計算結果：IPLV=0.01*6.10+0.42*8.08+0.45*10.49+0.12*9.13=9.271。

表 10、R134a冷媒部分負載性能測試結果

3. R1234ze冷媒壓縮機全載性能測試結果，本項R1234ze冷媒全載性能實驗對應之條件與測試結果如表7與表11所示，說明如下：

(1)R1234ze冷媒冰水機熱交換器設計之測試條件與採用R134a者相同為SDT/SST 35.16℃/6.72℃，實際所測得結果為SST 6.71℃、SDT 35.21℃、壓比2.44、製冷能力為707.74kW (201.29USRT)、耗電量113.91kW、COP 6.21、熱平衡-1.52%。

表 11、R1234ze冷媒壓縮機全載性能測試結果

4. R1234ze冷媒壓縮機IPLV性能測試結果，本項性能測試實驗對應之測項條件與測試結果如表8與表12所示。測試結果條列說明如下：

(1)對應負載率100%的實測結果為SST 6.35℃、SDT 35.58℃、壓比2.49、製冷能力為711.54kW (203.37USRT)、耗電量118.20kW、COP 6.02、熱平衡0.30%；

(2)對應負載率75%的實測結果為SST 6.45℃、SDT 28.85℃、壓比2.05、製冷能力為538.78kW (153.24USRT)、耗電量68.37kW、COP 7.88、熱平衡-0.18%；

(3)對應負載率50%的實測結果為SST 6.61℃、SDT 21.94℃、壓比1.65、製冷能力為363.61kW (103.42USRT)、耗電量34.90kW、COP 10.42、熱平衡-3.37%；

(4)對應負載率25%的實測結果為SST 6.70℃、SDT 20.58℃、壓比1.58、製冷能力為186.51kW (53.05USRT)、耗電量21.32kW、COP 8.75、熱平衡-6.78%；

1. 依照計算式(1)的IPLV計算結果：IPLV=0.01*6.02+0.42*7.88+0.45*10.42+0.12*8.75=9.109。

表12、R1234ze冷媒部分負載性能測試結果

四、實驗結果分析

1.直接置換R1234ze冷媒性能差異分析:將一台R134a冷媒專用設計的879kW級磁浮離心式壓縮機以R1234ze冷媒進行部分負載IPLV性能測試，在相同飽和排氣溫度SDT、飽和吸氣溫度SST下的運轉性能差異，如表13所示。100%負載工況於SDT/SST=35.50/6.30℃時，將冷媒直接置換成R1234ze相較於使用R134a冷媒，轉速差異為1.70%時，製冷能力降低19.6%、COP降低1.3%。75%負載工況於SDT/SST=28.80/6.40℃時，轉速差異為1.95%時，製冷能力降低19.3%、COP降低2.5%。50%負載工況於SDT/SST=21.90/6.58℃時，轉速差異為2.25%時，製冷能力降低17.3%、COP降低0.7%。25%負載工況於SDT/SST=20.49/6.73℃時，轉速差異為3.47%時，製冷能力降低21.0%、COP降低4.2%。將R134a冷媒以及R1234ze冷媒部分負載測試結果透過公式計算得到IPLV分別為9.271、9.109，差異為1.7%。

表13、直接置換R1234ze冷媒相對R134a冷媒之性能差異

2.全載性能優化測試條件性能差異:將磁浮離心式壓縮機分別以R134a冷媒以及R1234ze冷媒進行全載性能優化測試的結果比較如表14所示，在SDT 35.16℃/ SST 6.72℃的測試條件，於轉速差異為0.49%時，R134a及R1234ze所測得的製冷能力分別為245.41USRT、COP 6.39與201.3USRT、COP 6.21，差異為18%與2.8%。

表14、全載性能優化測試條件性能差異

五、結論與展望

本研究結果顯示，將設計應用R134a冷媒的壓縮機直接置換為R1234ze冷媒，在相同轉速的情況下，其製冷能力以及性係數都會降低，所測得的全載COP從6.10降低為6.02，於額定製冷能力≧528kW <1055kW”這個級距中COP需大於6.4的95%(>6.08)，方可標示為1級能效，顯示該壓縮機將從1級能效降為2級能效，但假若模擬系統優化條件將壓縮機的排氣飽和溫度及吸氣飽和溫度優化為SDT 35.16、SST 6.72℃，再次進行額定能力703.0kW(此時壓比為2.43)的測試，測得的COP為6.21，可達到1級能源效率大於95%的標示允差內。

由上述結果可計算出若直接將R134a冷媒專用的壓縮機置換成R1234ze冷媒，全載COP約會降低1.3~2.8%，部分負載IPLV約會降低1.7%，因此採用R1234ze冷媒來替代R134a冷媒的新舊冰水機系統可以採行的策略以及注意事項如下：

1. 對於既設使用R134a冷媒的磁浮離心式冰水機系統，可以直接置換R1234ze冷媒，但根據實測研究結果，系統全載製冷能力會降低約18~20%，性能係數會降低1~3%；然而從R1234ze冷媒與R134a冷媒的熱傳特性比較分析，在相同的冷凝器熱交換面積條件下，R1234ze冷媒的冷凝溫度將較R134a冷媒升高0.3~0.5℃；在相同的蒸發器熱交換面積條件下，R1234ze冷媒的蒸發溫度將較R134a冷媒約降低0.05~0.1℃，因此既設R134a冷媒之磁浮離心式冰水機系統直接置換為R1234ze冷媒，其實際製冷能力與性能係數的降低幅度將高於本研究。

2.若是採用R134a冷媒之壓縮機於新販售之R1234ze冷媒磁浮離心式冰水機系統之應用，則建議優化冷凝器的設計，預估需增加12~15%熱交換面積，方能達到與R134a冷媒相同的冷凝溫度；蒸發熱傳方面，兩種冷媒的差異不大，可是視需要進行熱交換面積的優化即可，但其效能的降低幅度可以參考本研究的測試結果。

3. 如能採用R1234ze冷媒專用設計的壓縮機頭，搭配冷凝器與蒸發器熱交換面積的優化，則其冰水機系統的性能將可以提升至與R134a冷媒之磁浮冰水機系統相同水準甚至更佳。

4. R1234ze冷媒具有微可燃性，建議使用時需在冰水機房加裝冷媒洩漏偵測裝置與通風設備，以提升與確保其使用的安全性。

總體而言，R1234ze冷媒因其GWP值約為1，相比使用R134a冷媒可以大幅減少對環境的不良影響，故被視為下世代的主流冷媒，且實驗結果顯示直接置換可在不降低太多運轉效率的情況下實現能源節約。目前R1234ze冷媒冰水機系統的採用仍受限於冷媒的價格過於高昂(每公斤單價約為R134a冷媒的10倍)，以及投資較高的熱交換器製造成本來達到跟R134a冷媒相同的運轉性能。R1234ze冷媒的理論效率優於R134a冷媒1.5%，但若要發揮出R1234ze冷媒的效率優勢，壓縮機製造廠商須擁有專用流力元件設計技術，若政策上如能鼓勵與協助廠商逐漸將冷媒汰換成低GWP的R1234ze冷媒以達到降低碳排放量的目的，則對於達成2050淨零碳排的目標將有所助益。

工研院在能源署的支持下，已成功開發超越國家1級能源效率之R1234ze冷媒專用150USRT與250USRT雙段壓縮磁浮離心式壓縮機，後續將結合國內產業進行系列化壓縮機的開發量產與導入商轉應用示範的推動，期能加速建立我國低碳冰水機的產業鏈與應用市場的推廣，對我國產業節能與減少碳排作出貢獻。

六、致謝

本文承經濟部能源署計畫經費補助，特此誌謝。

七、參考文獻

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