空氣源熱泵熱水分級供熱系統工質的選優

郭俊杰開利空調冷凍研發管理（上海）有限公司

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空氣源熱泵熱水分級供熱系統工質的選優

郭俊杰
開利空調冷凍研發管理（上海）有限公司

針對室內游泳館的不同熱水溫度需求，提出了一種分級供熱的空氣源熱泵熱水系統，以降低成本、提高設備利用率，并對幾種工質R22、R134a、R410A和R407C的基本物性、安全性、熱力學循環特性進行了對比分析。分析結果表明，針對室內游泳館特殊的供熱需求， R410A最適合用于在該系統，從而實現能量的分級利用。

熱泵熱水器；分級供熱；選優

近年來，隨著人民生活水平和健康意識的提高，面向市民的集健身和娛樂于一體的室內游泳館越來越多，對不同溫度品位熱水的需求量也越來越大，尤其是在冬季，池水加熱的能耗相當大，約占整個加熱量的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，管理復雜而且設備利用效率低。對于熱水裝置空氣源熱泵熱水器，在供熱時由于冷凝溫度比空調熱泵高得多，冷凝器中有大量顯熱存在，因此，如果對壓縮機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熱水，提供給室內游泳館，而且一方面提高了加熱設備的利用率，實現一機多用，降低成本，另一方面可以實現不同品位能量的分級利用，具有一定的現實意義。基于此，本文提出一種新型分級供熱的空氣源熱泵熱水系統，并在不同的冷凝工況下分析此系統的熱力性能，試圖尋找一種使系統達到最優性能的工質。

1 分級供熱空氣源熱泵熱水系統工作原理

從熱泵壓縮機排出來的過熱工質進入冷凝器后進行的換熱過程，與冷凝壁面溫度密切相關，當工質側壁面溫度高于蒸氣冷凝溫度時，熱泵工質與壁面進行的是顯熱換熱，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程中，會發生兩種截然不同的換熱過程，即工質分別進行顯熱和潛熱換熱。其工作原理見圖1，圖中2-5和5-3分別表示冷凝器中高溫工質的顯熱放熱和潛熱放熱的過程。在空調中前者所占的比例通常可以忽略不計，對于熱泵熱水器而言，隨著冷凝溫度的進一步升高，后者釋放的熱量會明顯減少，而前者釋放的熱量則相對有所增加。當2-5段釋放熱量所占的比例達到一定程度時，由于過熱蒸氣與水的換熱溫差要明顯大于工質冷凝時與水的換熱溫差，因此，如果仍然采用單一的冷凝器勢必使得等效換熱溫差增大， 實際的熱力過程更加偏離逆卡諾循環。為此，提出了使用2個冷凝器的分級供熱熱泵熱水系統，見圖2，系統采用了2個冷凝器，通過改變水泵1的流量來調節冷凝器1中的換熱量，進一步提升熱水的溫度，而冷凝器2中以潛熱交換為主，提供中溫熱水，從而滿足不同用戶的需要。圖1中的6-7和8-9分別表示兩個冷凝器水側溫升的過程，這種換熱流程使得系統熱力過程更加接近勞侖茲循環。

為了實現空氣源熱泵熱水系統的分級供熱，工質選取是一個非常重要的環節。如果工質選擇不當，壓縮機提供的顯熱量太少，排氣溫度過高或者熱力學循環效率低，都不能滿足實際應用的需求，直接影響該系統的可靠性和實用性。另外，由于該分級供熱的熱泵系統主要用于供熱需求量大的場合，如果選用的工質使得壓縮機單位容積制冷量太小，造成設備體積過于龐大，就會降低系統的經濟性。因此，就需要對該系統的工質進行分析，以便于篩選出一種在各種工況下性能比較優良的候選工質。

圖1 熱泵熱水器運行原理圖

圖2 分級供熱熱泵熱水系統運行示意圖

2 工質的篩選

2. 1 工質選優的原則

在選擇空氣源熱泵熱水器的工質時，要特別注意以下幾個方面［2-4］：

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

（2）蒸發壓力在0.1 MPa以上，以免在系統中形成負壓；

（3）熱力學的指標良好，臨界溫度較高；

（4）油溶性好、化學性質穩定；

（5）對環境危害小、無毒、不可燃。

除了要滿足空氣源熱泵熱水器工質的上述要求外，分級供熱空氣源熱泵熱水系統還要同時兼顧高溫和中溫熱水的需求，在不同的冷凝溫度下具有較高的COP。所以，壓縮機排氣顯熱占整個排熱的比例不能太低，否則無法保證足夠量和溫度的高溫用水。另外，工質的絕熱指數不能太大，在相同壓縮比的情況下過大的絕熱指數容易造成排氣溫度過高，導致潤滑油碳化結焦。為了滿足這些特殊要求，對目前在空氣源熱泵中應用較多的工質R22、R134a、R410A和R407C進行分析，上述工質基本物理特性見表1，從表1可以看出，除了R134a的相對分子量最大，容易造成較大的循環損失外，這幾種工質的其他物性都能滿足安全、壓力適中的基本要求。

表1 工質物理特性

2.2 理論循環計算與分析

除了工質本身的物理特性外，工質在參與系統熱力循環時表現出來的熱力學性能是一個更值得關注的指標，因此，需要對分級供熱的理論循環過程進行必要的分析，從理論上預測各工質用在分級供熱空氣源熱泵熱水系統上的潛在優勢。在理論計算時，對以下幾個參數進行設定：壓縮機指示效率0.8，蒸發溫度為5℃，冷凝器出口過冷度和蒸發器出口過熱度均為5℃，計算結果見圖3～圖8。

該系統的熱力循環過程，見圖1，評價指標如下：COP

冷凝器中進行換熱時的顯熱比：

工質單位容積制冷量：

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

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，當冷凝溫度在45～55℃時，R134a的COP比R22的略大；當冷凝溫度大于55℃時，R22的COP比R134a略大。R407C和R410A比R22的COP平均低0.2和0.4，從COP理論循環的角度來看，R22和R134a用于分級供熱可以獲得最大的熱力學性能，但是，由于R410A的傳熱特性明顯優于其他三種工質［5］，因此，對于這四種工質而言，實際運行時COP差別并不明顯。

圖4反映的是不同冷凝溫度下的顯熱比，從圖中可以發現，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的系統顯熱比上升的斜率最大，在冷凝溫度63℃時的顯熱比甚至達到了41.9%，而采用R134a的系統顯熱增加的幅度最小，平均15%左右。對于室內游泳館而言，高溫熱水的需求占有相當比例，為了保證系統的正常和高效運行，壓縮機排氣的顯熱比就不能太低，否則無法獲得足量的高溫熱水，反之，可以把多余的高溫熱水蓄存起來，以滿足其他的用途，由此可見，從顯熱比的角度來看，R410A具有最突出的優勢，最適合用于分級供熱的空氣源熱泵熱水系統。

從壓縮機排氣溫度的角度看，確保排氣溫度在安全范圍內是十分重要的。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，但都處于系統安全運行的范圍。在顯熱換熱的這一段，由于高溫氣態工質的換熱系數遠低于工質相變換熱的換熱系數，在較高的排氣溫度下更加容易實現足夠溫度和量的高溫熱水，因此，R22和R410A更加適合用于分級供熱的空氣源熱泵熱水系統。

分級供熱的空氣源熱泵熱水系統主要考慮用在供熱需求較大的場合，在滿足同等熱負荷的情況下，如果選用較大單位容積制冷量的工質，則壓縮機的排量可以做得更小，同時減少管路的布置，使系統更加緊湊［6］，也便于日常的管理和維護。從圖6可以看出，R410A的單位容積制冷量要遠大于其他工質，R22和R407C居中， R134a的單位容積制冷量最小。考慮到室內游泳館屬于用熱大戶，選用較大單位容積制冷量的工質有利于減少供熱設備的占地空間，因此，在這四種工質中，R410A的優勢最大。

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負荷的一個重要指標，在相同的冷凝和蒸發溫度下，較低的壓縮比有利于系統的高效和安全運行。從圖7可以發現，隨著冷凝溫度的上升，不同工質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，從該點看，R410A具有最明顯的優勢。

圖8 不同冷凝溫度下的冷凝壓力

冷凝壓力是反映壓縮機工作狀態的指標。圖8表明，R410A的冷凝壓力最高，R407C和R22次之，R134a的最小。相對于采用其他工質的系統， 盡管R410A系統壓力高一些，但是，也正是由于壓力高，致使熱力學循環對壓力損失不敏感，因此，可以采用更細的管道布置實現強化換熱，從該點看，R410A用于分級供熱空氣源熱泵熱水系統具有一定的優勢。

3 結語

（1）分級供熱空氣源熱泵熱水系統的提出，一方面提高加熱設備的利用率，實現一機多用，降低成本，另一方面可以實現不同品位熱量的分級利用，具有一定的現實意義；

（2）在對分級供熱的空氣源熱泵熱水器進行工質選優時，既要符合常規空氣源熱泵工質的篩選原則，又要滿足分級供熱空氣源熱泵熱水器應用場合的實際要求；

（3）綜合這幾種工質的物性和熱力學循環特性比較， R410A為最優選擇。

［1］ 白雪蓮，吳靜怡，王如竹。 基于熱回收的游泳池熱泵除濕供暖系統［J］。 太陽能學報， 2004， 25（6）：838-844

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［4］ Calm. J. M， Didion. D.A. Trade-offs in Refrigerant selections: Past， Present and Future［C］. ASHRAE/NIST Refrigerants Conference. 1997 （20）: 623-625

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［6］ 朱明善，王鑫。 制冷劑的過去、現狀和未來［J］.制冷學報，2002， （1）：14-20

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熱力學優化。