空氣源熱泵熱水分級(jí)供熱系統(tǒng)工質(zhì)的選優(yōu)

郭俊杰開利空調(diào)冷凍研發(fā)管理（上海）有限公司

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空氣源熱泵熱水分級(jí)供熱系統(tǒng)工質(zhì)的選優(yōu)

郭俊杰
開利空調(diào)冷凍研發(fā)管理（上海）有限公司

針對(duì)室內(nèi)游泳館的不同熱水溫度需求，提出了一種分級(jí)供熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，以降低成本、提高設(shè)備利用率，并對(duì)幾種工質(zhì)R22、R134a、R410A和R407C的基本物性、安全性、熱力學(xué)循環(huán)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，針對(duì)室內(nèi)游泳館特殊的供熱需求， R410A最適合用于在該系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的分級(jí)利用。

熱泵熱水器；分級(jí)供熱；選優(yōu)

近年來(lái)，隨著人民生活水平和健康意識(shí)的提高，面向市民的集健身和娛樂(lè)于一體的室內(nèi)游泳館越來(lái)越多，對(duì)不同溫度品位熱水的需求量也越來(lái)越大，尤其是在冬季，池水加熱的能耗相當(dāng)大，約占整個(gè)加熱量的1/3［1］。為了滿足不同的熱水加熱需求，目前大部分的室內(nèi)游泳館均采用鍋爐蒸汽加熱或多套熱泵熱水裝置分別給池水和洗浴用水加熱的方法，管理復(fù)雜而且設(shè)備利用效率低。對(duì)于熱水裝置空氣源熱泵熱水器，在供熱時(shí)由于冷凝溫度比空調(diào)熱泵高得多，冷凝器中有大量顯熱存在，因此，如果對(duì)壓縮機(jī)排出的顯熱和潛熱分別加以利用，不但可以得到較高溫度的洗浴熱水和中溫?zé)崴?，提供給室內(nèi)游泳館，而且一方面提高了加熱設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，降低成本，另一方面可以實(shí)現(xiàn)不同品位能量的分級(jí)利用，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。基于此，本文提出一種新型分級(jí)供熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并在不同的冷凝工況下分析此系統(tǒng)的熱力性能，試圖尋找一種使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)性能的工質(zhì)。

1 分級(jí)供熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工作原理

從熱泵壓縮機(jī)排出來(lái)的過(guò)熱工質(zhì)進(jìn)入冷凝器后進(jìn)行的換熱過(guò)程，與冷凝壁面溫度密切相關(guān)，當(dāng)工質(zhì)側(cè)壁面溫度高于蒸氣冷凝溫度時(shí)，熱泵工質(zhì)與壁面進(jìn)行的是顯熱換熱，否則是潛熱換熱。因此，在冷凝器壁面的溫度從入口到出口逐漸降低的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生兩種截然不同的換熱過(guò)程，即工質(zhì)分別進(jìn)行顯熱和潛熱換熱。其工作原理見(jiàn)圖1，圖中2-5和5-3分別表示冷凝器中高溫工質(zhì)的顯熱放熱和潛熱放熱的過(guò)程。在空調(diào)中前者所占的比例通?？梢院雎圆挥?jì)，對(duì)于熱泵熱水器而言，隨著冷凝溫度的進(jìn)一步升高，后者釋放的熱量會(huì)明顯減少，而前者釋放的熱量則相對(duì)有所增加。當(dāng)2-5段釋放熱量所占的比例達(dá)到一定程度時(shí)，由于過(guò)熱蒸氣與水的換熱溫差要明顯大于工質(zhì)冷凝時(shí)與水的換熱溫差，因此，如果仍然采用單一的冷凝器勢(shì)必使得等效換熱溫差增大， 實(shí)際的熱力過(guò)程更加偏離逆卡諾循環(huán)。為此，提出了使用2個(gè)冷凝器的分級(jí)供熱熱泵熱水系統(tǒng)，見(jiàn)圖2，系統(tǒng)采用了2個(gè)冷凝器，通過(guò)改變水泵1的流量來(lái)調(diào)節(jié)冷凝器1中的換熱量，進(jìn)一步提升熱水的溫度，而冷凝器2中以潛熱交換為主，提供中溫?zé)崴?，從而滿足不同用戶的需要。圖1中的6-7和8-9分別表示兩個(gè)冷凝器水側(cè)溫升的過(guò)程，這種換熱流程使得系統(tǒng)熱力過(guò)程更加接近勞侖茲循環(huán)。

為了實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的分級(jí)供熱，工質(zhì)選取是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。如果工質(zhì)選擇不當(dāng)，壓縮機(jī)提供的顯熱量太少，排氣溫度過(guò)高或者熱力學(xué)循環(huán)效率低，都不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，直接影響該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。另外，由于該分級(jí)供熱的熱泵系統(tǒng)主要用于供熱需求量大的場(chǎng)合，如果選用的工質(zhì)使得壓縮機(jī)單位容積制冷量太小，造成設(shè)備體積過(guò)于龐大，就會(huì)降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，就需要對(duì)該系統(tǒng)的工質(zhì)進(jìn)行分析，以便于篩選出一種在各種工況下性能比較優(yōu)良的候選工質(zhì)。

圖1 熱泵熱水器運(yùn)行原理圖

圖2 分級(jí)供熱熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

2 工質(zhì)的篩選

2. 1 工質(zhì)選優(yōu)的原則

在選擇空氣源熱泵熱水器的工質(zhì)時(shí)，要特別注意以下幾個(gè)方面［2-4］：

（1）在工作溫度范圍內(nèi)有合適的冷凝蒸發(fā)壓力，以使目前大多數(shù)系統(tǒng)部件可以承受；

（2）蒸發(fā)壓力在0.1 MPa以上，以免在系統(tǒng)中形成負(fù)壓；

（3）熱力學(xué)的指標(biāo)良好，臨界溫度較高；

（4）油溶性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；

（5）對(duì)環(huán)境危害小、無(wú)毒、不可燃。

除了要滿足空氣源熱泵熱水器工質(zhì)的上述要求外，分級(jí)供熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)還要同時(shí)兼顧高溫和中溫?zé)崴男枨?，在不同的冷凝溫度下具有較高的COP。所以，壓縮機(jī)排氣顯熱占整個(gè)排熱的比例不能太低，否則無(wú)法保證足夠量和溫度的高溫用水。另外，工質(zhì)的絕熱指數(shù)不能太大，在相同壓縮比的情況下過(guò)大的絕熱指數(shù)容易造成排氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦。為了滿足這些特殊要求，對(duì)目前在空氣源熱泵中應(yīng)用較多的工質(zhì)R22、R134a、R410A和R407C進(jìn)行分析，上述工質(zhì)基本物理特性見(jiàn)表1，從表1可以看出，除了R134a的相對(duì)分子量最大，容易造成較大的循環(huán)損失外，這幾種工質(zhì)的其他物性都能滿足安全、壓力適中的基本要求。

表1 工質(zhì)物理特性

2.2 理論循環(huán)計(jì)算與分析

除了工質(zhì)本身的物理特性外，工質(zhì)在參與系統(tǒng)熱力循環(huán)時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的熱力學(xué)性能是一個(gè)更值得關(guān)注的指標(biāo)，因此，需要對(duì)分級(jí)供熱的理論循環(huán)過(guò)程進(jìn)行必要的分析，從理論上預(yù)測(cè)各工質(zhì)用在分級(jí)供熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)上的潛在優(yōu)勢(shì)。在理論計(jì)算時(shí)，對(duì)以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：壓縮機(jī)指示效率0.8，蒸發(fā)溫度為5℃，冷凝器出口過(guò)冷度和蒸發(fā)器出口過(guò)熱度均為5℃，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖8。

該系統(tǒng)的熱力循環(huán)過(guò)程，見(jiàn)圖1，評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：COP

冷凝器中進(jìn)行換熱時(shí)的顯熱比：

工質(zhì)單位容積制冷量：

此外，壓縮機(jī)排氣溫度、壓縮比和冷凝壓力在不同冷凝溫度下的變化規(guī)律也是考察該分級(jí)供熱熱泵熱水系統(tǒng)是否安全和高效的重要指標(biāo)。

圖3 不同冷凝溫度下的COP

圖4 不同冷凝溫度下的顯熱比

從圖3可以看出，當(dāng)冷凝溫度在45～55℃時(shí)，R134a的COP比R22的略大；當(dāng)冷凝溫度大于55℃時(shí)，R22的COP比R134a略大。R407C和R410A比R22的COP平均低0.2和0.4，從COP理論循環(huán)的角度來(lái)看，R22和R134a用于分級(jí)供熱可以獲得最大的熱力學(xué)性能，但是，由于R410A的傳熱特性明顯優(yōu)于其他三種工質(zhì)［5］，因此，對(duì)于這四種工質(zhì)而言，實(shí)際運(yùn)行時(shí)COP差別并不明顯。

圖4反映的是不同冷凝溫度下的顯熱比，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷凝溫度的升高，潛熱的比例逐漸下降，顯熱的比例逐漸上升，其中采用R410A的系統(tǒng)顯熱比上升的斜率最大，在冷凝溫度63℃時(shí)的顯熱比甚至達(dá)到了41.9%，而采用R134a的系統(tǒng)顯熱增加的幅度最小，平均15%左右。對(duì)于室內(nèi)游泳館而言，高溫?zé)崴男枨笳加邢喈?dāng)比例，為了保證系統(tǒng)的正常和高效運(yùn)行，壓縮機(jī)排氣的顯熱比就不能太低，否則無(wú)法獲得足量的高溫?zé)崴粗?，可以把多余的高溫?zé)崴畲嫫饋?lái)，以滿足其他的用途，由此可見(jiàn)，從顯熱比的角度來(lái)看，R410A具有最突出的優(yōu)勢(shì)，最適合用于分級(jí)供熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

從壓縮機(jī)排氣溫度的角度看，確保排氣溫度在安全范圍內(nèi)是十分重要的。如圖5所示，隨著冷凝溫度從45℃逐漸上升到63℃，壓縮機(jī)排氣溫度都是逐漸上升的，其中R22和R410A的排氣溫度接近，R134a的排氣溫度最低，R407C的排氣溫度居中，但都處于系統(tǒng)安全運(yùn)行的范圍。在顯熱換熱的這一段，由于高溫氣態(tài)工質(zhì)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)低于工質(zhì)相變換熱的換熱系數(shù)，在較高的排氣溫度下更加容易實(shí)現(xiàn)足夠溫度和量的高溫?zé)崴?，因此，R22和R410A更加適合用于分級(jí)供熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

分級(jí)供熱的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要考慮用在供熱需求較大的場(chǎng)合，在滿足同等熱負(fù)荷的情況下，如果選用較大單位容積制冷量的工質(zhì)，則壓縮機(jī)的排量可以做得更小，同時(shí)減少管路的布置，使系統(tǒng)更加緊湊［6］，也便于日常的管理和維護(hù)。從圖6可以看出，R410A的單位容積制冷量要遠(yuǎn)大于其他工質(zhì)，R22和R407C居中， R134a的單位容積制冷量最小?？紤]到室內(nèi)游泳館屬于用熱大戶，選用較大單位容積制冷量的工質(zhì)有利于減少供熱設(shè)備的占地空間，因此，在這四種工質(zhì)中，R410A的優(yōu)勢(shì)最大。

圖5 不同冷凝溫度下的排氣溫度

圖6 不同冷凝溫度下的單位容積制冷量

圖7 不同冷凝溫度下的壓縮比

壓縮比是反映壓縮機(jī)負(fù)荷的一個(gè)重要指標(biāo)，在相同的冷凝和蒸發(fā)溫度下，較低的壓縮比有利于系統(tǒng)的高效和安全運(yùn)行。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷凝溫度的上升，不同工質(zhì)的壓縮比都是接近線性上升的，其中R134a的壓縮比最大，R407C 和R22次之，R410A的最小，因此，從該點(diǎn)看，R410A具有最明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖8 不同冷凝溫度下的冷凝壓力

冷凝壓力是反映壓縮機(jī)工作狀態(tài)的指標(biāo)。圖8表明，R410A的冷凝壓力最高，R407C和R22次之，R134a的最小。相對(duì)于采用其他工質(zhì)的系統(tǒng)， 盡管R410A系統(tǒng)壓力高一些，但是，也正是由于壓力高，致使熱力學(xué)循環(huán)對(duì)壓力損失不敏感，因此，可以采用更細(xì)的管道布置實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱，從該點(diǎn)看，R410A用于分級(jí)供熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）分級(jí)供熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的提出，一方面提高加熱設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，降低成本，另一方面可以實(shí)現(xiàn)不同品位熱量的分級(jí)利用，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義；

（2）在對(duì)分級(jí)供熱的空氣源熱泵熱水器進(jìn)行工質(zhì)選優(yōu)時(shí)，既要符合常規(guī)空氣源熱泵工質(zhì)的篩選原則，又要滿足分級(jí)供熱空氣源熱泵熱水器應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)際要求；

（3）綜合這幾種工質(zhì)的物性和熱力學(xué)循環(huán)特性比較， R410A為最優(yōu)選擇。

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Refrigerant Selection of Air-Source Heat Pump Hot Water Graded Heating Supply System

Guo Junjie
Carrier Air Conditioning Refrigeration R&D Management （Shanghai） Co.，Ltd

The article puts forward air-source heat pump graded heating supply system for different hot water temperature requirements at indoor swimming stadium. In order to reduce cost and improve equipment utilization ratio， It compares and analyzes some refrigerants' basic physical properties， safety and thermodynamic characteristics， such as R22，R134a，R410A and R407C. The results show that R410A is the fittest to realize graded energy utilization for indoor swimming stadium's special heating requirements.

Heat Pump Hot Water System， Graded Heating Supply， Selection

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.07.007

郭俊杰：（1978-），男，博士，研究方向熱泵與制冷系統(tǒng)熱力學(xué)優(yōu)化。