工質(zhì)對物性對低環(huán)溫高溫復(fù)疊式空氣源熱泵性能的影響

李永存，陳光明，江挺候，杜立衛(wèi)，章麗萍

（1.浙江大學(xué)制冷與低溫工程研究所，浙江杭州310027；2.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨311835）

工質(zhì)對物性對低環(huán)溫高溫復(fù)疊式空氣源熱泵性能的影響

李永存1.2，陳光明1，江挺候2，杜立衛(wèi)2，章麗萍2

（1.浙江大學(xué)制冷與低溫工程研究所，浙江杭州310027；2.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨311835）

基于制冷工質(zhì)篩選原則，對適用于低環(huán)溫的高溫復(fù)疊式空氣源熱泵工質(zhì)物性參數(shù)進行比較，并為該高溫空氣源熱泵選定了幾種可用的工質(zhì)對。較適合高溫級的工質(zhì)為：R134a、R413A、R1234ze；較適合低溫級的工質(zhì)為：R404A、R407C、R417A、R507、R1234yf。通過對采用上述工質(zhì)組成不同工質(zhì)對時高溫復(fù)疊式空氣源熱泵性能進行熱力分析，可以看出：當(dāng)采用R1234ze/R404A與R1234ze/R1234yf為工質(zhì)對的復(fù)疊式熱泵在低溫環(huán)境下較采用其他工質(zhì)對時熱力性能有明顯優(yōu)勢。

低環(huán)溫；復(fù)疊式空氣源熱泵；工質(zhì)對；蒸發(fā)冷凝溫度

0　引言

近年來，隨著對低品位熱能有效利用和潔凈供熱需求不斷迫切，對熱泵供熱特別是中高溫?zé)岜霉峒夹g(shù)的研究引起了人們的高度重視[1-4]。熱泵按熱源種類不同可分為：地源熱泵、水源熱泵和空氣源熱泵?？諝庠礋岜镁哂羞\行安全、節(jié)能環(huán)保、安裝靈活、使用方便、系統(tǒng)高效、初投資低等優(yōu)點，是我國目前使用最廣泛的熱泵裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，空氣源熱泵的功能趨于多樣化，人們對空氣源熱泵的性能也提出了更高的要求。而空氣源熱泵在低溫環(huán)境下以制熱模式運行時結(jié)霜、制熱能力大幅下降等問題，已成為制約空氣源熱泵大范圍推廣的主要瓶頸。

復(fù)疊式壓縮技術(shù)能有效解決空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運行時因壓縮機壓比過大引起排氣溫度過高、制熱量偏低、制熱能效比低等問題，在室外環(huán)境溫度為-15℃以下工況運行時其相對其他型式的熱泵具有明顯的優(yōu)越性。復(fù)疊式熱泵由兩個閉式壓縮循環(huán)組成，因循環(huán)工質(zhì)是根據(jù)壓縮機的壓比及工況條件選擇的，故而對于復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)而言，合理的選擇其循環(huán)工質(zhì)，對于提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)能耗、擴大復(fù)疊式空氣源熱泵的低溫使用范圍是至關(guān)重要的，所述問題的解決也將推動空氣源熱泵系統(tǒng)的更廣泛推廣使用。

1　工質(zhì)對的選擇

新制冷劑國標(biāo)GB/T 7788-2008[5]中列出的81種制冷劑中，純質(zhì)制冷劑39種，混合制冷劑42種。從熱泵應(yīng)用的角度，往往要求熱泵工質(zhì)具有較高的臨界溫度和較低的標(biāo)準(zhǔn)沸點，臨界溫度是工質(zhì)能否用于熱泵的前提，只有臨界溫度高于供熱溫度的工質(zhì)才能作為熱泵工質(zhì)。對于給定的供熱溫度，臨界溫度越高的工質(zhì)，使得循環(huán)工作區(qū)原理臨界點越接近逆卡諾循環(huán)，節(jié)流損失越小，供熱系數(shù)越大。作為熱泵工質(zhì)，希望其標(biāo)準(zhǔn)沸點要低于低溫?zé)嵩吹臏囟?，這樣工質(zhì)在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫度高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，避免在系統(tǒng)中產(chǎn)生真空度。通常情況下，對于給定的蒸發(fā)溫度，標(biāo)準(zhǔn)沸點越低的工質(zhì)，壓縮機入口比容也越小。根據(jù)制冷劑篩選原則[6]及熱泵應(yīng)用的要求，初選出20種環(huán)保制冷劑，其物性參數(shù)見表1。

根據(jù)制冷劑篩選原則，R32、R143、R143a、R152、R152a、R600、R600a都具有可燃性，考慮到安全性原則，排除這幾種工質(zhì)。R14的臨界溫度為-45.5℃，不適合作為低環(huán)溫空氣源熱泵工質(zhì)。R23、R116的臨界溫度太低，均不適合作為空氣源熱泵的工質(zhì)。R410A的排氣壓力高，容易造成銅管爆裂，且不能直接使用R22壓縮機，成本較高，故不予考慮。

根據(jù)文獻[8-11]，目前在新型制冷劑的研究中，R1234yf性質(zhì)接近市場投放標(biāo)準(zhǔn)，而與其相關(guān)的工質(zhì)R1234ze在未來將有可能成為替代工質(zhì)，其物性參數(shù)見表2。

表1　環(huán)保制冷劑物性參數(shù)

表2　R1234yf和R1234ze的物性參數(shù)表。

根據(jù)制冷劑的物性參數(shù)，可確定適合低環(huán)溫復(fù)疊式空氣源熱泵的工質(zhì)。低溫級的工質(zhì)：R404A，R407C，R417A，R507，R1234yf；高溫級工質(zhì)：R134a，R413A，R1234ze。

2　熱力系統(tǒng)分析

2.1熱力計算模型

對于復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)，其高溫級和低溫級獨立工作，兩級間通過蒸發(fā)冷凝器換熱，蒸發(fā)冷凝器既是低溫級的冷凝器又是高溫級的蒸發(fā)器。假設(shè)該系統(tǒng)在理想狀況下工作，不考慮壓縮機進口蒸汽過熱和冷凝器出口液態(tài)工質(zhì)過冷，其流程圖如圖1所示，其中：1-2-3-4-1為低溫級循環(huán)，5-6-7-8-5為高溫級循環(huán)。

根據(jù)文獻[12]推導(dǎo)的公式，復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)計算公式如下：

低溫級壓縮比：

高溫級壓縮比：

式中COP—熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)；

QH—高溫級蒸發(fā)器制熱量；

WL—低溫級壓縮機功率；

WH—高溫級壓縮機功率；

h1，h2，h3，h4，h5，h6，h7，h8—1、2、3、4、5、6、7、8點的焓；

N1—低溫級壓縮比；

N2—高溫級壓縮比；

P1，P2—低溫級壓縮機吸、排氣壓力；

P5，P6—高溫級壓縮機吸、排氣壓力。

2.2計算結(jié)果與分析

設(shè)定低溫級蒸發(fā)溫度為-30℃，高溫級冷凝溫度為80℃，取蒸發(fā)冷凝器的傳熱溫差為5℃。假設(shè)壓縮機壓縮過程為等熵過程，且忽略換熱器的不可逆損失。調(diào)用refprop軟件提供的物性參數(shù)對復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)進行熱力計算。

2.2.1蒸發(fā)冷凝溫度對系統(tǒng)壓縮比的影響

圖2給出了系統(tǒng)高、低溫級壓縮比隨蒸發(fā)冷凝溫度T3的變化情況。由圖2可以看出，低溫級壓縮比隨蒸發(fā)冷凝溫度T3的升高而增加，高溫級壓縮比隨蒸發(fā)冷凝溫度T3的升高而減小。其中，R407C和R417A的壓縮比遠(yuǎn)高于其他制冷劑，且當(dāng)T3高于30℃時，R407C和R417A的壓縮比已經(jīng)超過10，這已經(jīng)超出了壓縮機的安全運行范圍，而R413A、R134a與R1234ze的壓縮比非常接近，三者的壓縮比線幾乎重合。

2.2.2蒸發(fā)冷凝溫度對排氣溫度的影響

圖3給出了壓縮機的理論排氣溫度隨蒸發(fā)冷凝溫度T3的變化情況。由圖3可以看出，當(dāng)冷凝溫度為80℃時，R134a和R413A的理論排氣溫度非常接近，維持在90℃左右，而R1234ze的排氣溫度則維持在80℃左右，低溫級制冷劑中，R407C的排氣溫度明顯高于其他制冷劑，R1234yf的排氣溫度最低?？梢姡诘蜏丶壷评鋭┲袘?yīng)優(yōu)先選擇R404A、R507和R1234yf；而高溫級制冷劑R134a和R413A的熱力學(xué)性能相似，都可以作為高溫級工質(zhì)，從壓縮比和排氣溫度看，R1234ze的熱力學(xué)性能優(yōu)于R134a和R413A。故高溫級制冷劑優(yōu)先選擇R1234ze?；谏鲜鲇嬎憬Y(jié)果分析可得復(fù)疊式空氣源熱泵高低、溫級制冷工質(zhì)對可采用：R404A/R1234ze，R507/R1234ze，R1234yf/R1234ze。

2.2.3蒸發(fā)冷凝溫度對系統(tǒng)COP的影響

圖4給出以R404A/R1234ze，R507/R1234ze，R1234yf/R1234ze為工質(zhì)對時系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)冷凝溫度T3的變化規(guī)律。由圖4可以看出，在一定的冷凝溫度下，隨蒸發(fā)冷凝溫度T3的增加，系統(tǒng)COP存在一個最大值。這是因為，隨T3的增加，高溫級制熱系數(shù)增大，而低溫級制熱系數(shù)減小，故系統(tǒng)COP必然存在最大值。隨T3的增加，R1234yf/R1234ze工質(zhì)對的系統(tǒng)COP高于其他兩組工質(zhì)對，而R507/R1234ze的COP最低；當(dāng)蒸發(fā)冷凝溫度T3達到27℃時，R1234yf/R1234ze工質(zhì)對的系統(tǒng)COP最高可達到2.3。

2.2.4不同蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)冷凝溫度對系統(tǒng)COP的影響規(guī)律

圖5顯示了在不同蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)冷凝溫度T3的變化情況。從圖5可以看出，在一定的冷凝溫度下，隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)COP增加。當(dāng)蒸發(fā)溫度高于-20℃時，工質(zhì)對R404A/R1234ze的系統(tǒng)COP高于其他工質(zhì)對，R1234yf/R1234ze的系統(tǒng)COP略低于R404A/R1234ze。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15℃，冷凝溫度為80℃時，當(dāng)蒸發(fā)冷凝溫度在25℃以上時，R404A/R1234ze的系統(tǒng)COP在2.5以上。而當(dāng)蒸發(fā)溫度在-20℃以下時，R1234yf/R1234ze的系統(tǒng)COP與R404A/R1234ze的系統(tǒng)COP相接近，當(dāng)溫度越低時，R1234yf/R1234ze的系統(tǒng)COP反而高于R404A/R1234ze的系統(tǒng)COP。從圖4可以看出，R1234yf較R404A在低溫工況下具有更好的熱力學(xué)性能。

2.2.5不同冷凝溫度下蒸發(fā)冷凝溫度對系統(tǒng)COP的影響規(guī)律

圖6給出了不同冷凝溫度下最佳COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。由圖6可以看出，在一定的冷凝溫度下，系統(tǒng)最佳COP隨蒸發(fā)溫度的升高呈增長趨勢，且冷凝溫度越高，系統(tǒng)COP越低。圖6的計算結(jié)果顯示，R404A/R1234ze的最佳COP與R1234yf/R1234ze的最佳COP存在交叉點，且交叉點在蒸發(fā)溫度為-30~-25℃之間。在蒸發(fā)溫度低于交叉點時，R1234yf/R1234ze的最佳COP高于R404A/R1234ze的最佳COP。

3　結(jié)語

基于制冷工質(zhì)篩選原則，對環(huán)保制冷劑的物性參數(shù)進行比較之后，篩選出適合復(fù)疊式空氣源熱泵的高溫級與低溫級工質(zhì)。篩選出適于低溫級的工質(zhì)有：R404A，R407C，R417A，R507，R1234yf；適于高溫級的工質(zhì)有：R134a，R413A，R1234ze。綜合考慮這些工質(zhì)對的壓縮比、排氣溫度等因素，高/低溫級工質(zhì)對可選擇R404A/R1234ze，R507/R1234ze，R1234yf/R1234ze。再分析比較系統(tǒng)COP、不同蒸發(fā)溫度及冷凝溫度下的最佳COP值，最終得出當(dāng)蒸發(fā)溫度低于-20℃時，R1234yf/R1234ze較其他工質(zhì)對更具優(yōu)越性，而當(dāng)蒸發(fā)溫度高于-20℃時，R404A/R1234ze反而更具優(yōu)勢。

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Effect of W orking Fluid Pair on Perform ance of Cascade High Tem perature Air Source Heat Pum p for Low Tem perature Environmental

LI Yong-cun1，2，CHEN Guang-ming1，JIANG Ting-hou2，DU Li-wei2，ZHANG Li-ping2
（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China；2.Zhejiang Dun Artificial Environmental Equipment Co.，Ltd，Zhuji 311835,China）

Based on screening principle for refrigerantworking fluid,property of cascade high temperature air source heatpump which suit for low temperature environmentalwas compared,and severalworking fluid pairs was selected to the high temperature air source heatpump.The suitable high-temperate working fluid including R134a、R413A、R1234ze;the suitable low-temperate working fluid including R404A、R407C、R417A、R507、R1234yf.According to thermodynamic analysis on performance of the cascade high temperature air source heat pump as severalworking fluid pairs consisted by above working fluid was adopted,it can be seen thatwhen R1234ze/R404A and R1234ze/R1234yfare adopted as working fluid pairs the thermodynamic performance ofcascadehigh temperatureairsourceheatpump willbe morepreponderant.

low temperature environmental；cascade air source heat pump；working fluid pair；evaporating-condensing temperature

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.016

TB61

B

2095-3429（2016）05-0063-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51274098，51134005）

李永存（1976-），男，陜西鳳翔人，博士，在站博士后，主要從事熱泵新技術(shù)方面的研究；陳光明（1958-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事低品位能源利用方面的研究。

2016-07-08

2016-08-22