工質對物性對低環溫高溫復疊式空氣源熱泵性能的影響

李永存，陳光明，江挺候，杜立衛，章麗萍

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

工質對物性對低環溫高溫復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2，章麗萍2

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

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

低環溫；復疊式空氣源熱泵；工質對；蒸發冷凝溫度

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熱泵供熱技術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、節能環保、安裝靈活、使用方便、系統高效、初投資低等優點，是我國目前使用最廣泛的熱泵裝置。隨著科學技術的進步，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境下以制熱模式運行時結霜、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。

復疊式壓縮技術能有效解決空氣源熱泵在低溫環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越性。復疊式熱泵由兩個閉式壓縮循環組成，因循環工質是根據壓縮機的壓比及工況條件選擇的，故而對于復疊式熱泵系統而言，合理的選擇其循環工質，對于提高系統運行的穩定性、降低系統能耗、擴大復疊式空氣源熱泵的低溫使用范圍是至關重要的，所述問題的解決也將推動空氣源熱泵系統的更廣泛推廣使用。

1　工質對的選擇

新制冷劑國標GB/T 7788-2008[5]中列出的81種制冷劑中，純質制冷劑39種，混合制冷劑42種。從熱泵應用的角度，往往要求熱泵工質具有較高的臨界溫度和較低的標準沸點，臨界溫度是工質能否用于熱泵的前提，只有臨界溫度高于供熱溫度的工質才能作為熱泵工質。對于給定的供熱溫度，臨界溫度越高的工質，使得循環工作區原理臨界點越接近逆卡諾循環，節流損失越小，供熱系數越大。作為熱泵工質，希望其標準沸點要低于低溫熱源的溫度，這樣工質在蒸發器中的蒸發溫度高于標準大氣壓，避免在系統中產生真空度。通常情況下，對于給定的蒸發溫度，標準沸點越低的工質，壓縮機入口比容也越小。根據制冷劑篩選原則[6]及熱泵應用的要求，初選出20種環保制冷劑，其物性參數見表1。

根據制冷劑篩選原則，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。R14的臨界溫度為-45.5℃，不適合作為低環溫空氣源熱泵工質。R23、R116的臨界溫度太低，均不適合作為空氣源熱泵的工質。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。

根據文獻[8-11]，目前在新型制冷劑的研究中，R1234yf性質接近市場投放標準，而與其相關的工質R1234ze在未來將有可能成為替代工質，其物性參數見表2。

表1　環保制冷劑物性參數

表2　R1234yf和R1234ze的物性參數表。

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

2　熱力系統分析

2.1熱力計算模型

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

根據文獻[12]推導的公式，復疊式熱泵系統的性能系數計算公式如下：

低溫級壓縮比：

高溫級壓縮比：

式中COP—熱泵系統的性能系數；

QH—高溫級蒸發器制熱量；

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計算結果與分析

設定低溫級蒸發溫度為-30℃，高溫級冷凝溫度為80℃，取蒸發冷凝器的傳熱溫差為5℃。假設壓縮機壓縮過程為等熵過程，且忽略換熱器的不可逆損失。調用refprop軟件提供的物性參數對復疊式空氣源熱泵系統進行熱力計算。

2.2.1蒸發冷凝溫度對系統壓縮比的影響

圖2給出了系統高、低溫級壓縮比隨蒸發冷凝溫度T3的變化情況。由圖2可以看出，低溫級壓縮比隨蒸發冷凝溫度T3的升高而增加，高溫級壓縮比隨蒸發冷凝溫度T3的升高而減小。其中，R407C和R417A的壓縮比遠高于其他制冷劑，且當T3高于30℃時，R407C和R417A的壓縮比已經超過10，這已經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冷凝溫度T3的變化情況。由圖3可以看出，當冷凝溫度為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。可見，在低溫級制冷劑中應優先選擇R404A、R507和R1234yf；而高溫級制冷劑R134a和R413A的熱力學性能相似，都可以作為高溫級工質，從壓縮比和排氣溫度看，R1234ze的熱力學性能優于R134a和R413A。故高溫級制冷劑優先選擇R1234ze。基于上述計算結果分析可得復疊式空氣源熱泵高低、溫級制冷工質對可采用：R404A/R1234ze，R507/R1234ze，R1234yf/R1234ze。

2.2.3蒸發冷凝溫度對系統COP的影響

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

2.2.4不同蒸發溫度下蒸發冷凝溫度對系統COP的影響規律

圖5顯示了在不同蒸發溫度下系統COP隨蒸發冷凝溫度T3的變化情況。從圖5可以看出，在一定的冷凝溫度下，隨著蒸發溫度的升高，系統COP增加。當蒸發溫度高于-20℃時，工質對R404A/R1234ze的系統COP高于其他工質對，R1234yf/R1234ze的系統COP略低于R404A/R1234ze。當蒸發溫度為-15℃，冷凝溫度為80℃時，當蒸發冷凝溫度在25℃以上時，R404A/R1234ze的系統COP在2.5以上。而當蒸發溫度在-20℃以下時，R1234yf/R1234ze的系統COP與R404A/R1234ze的系統COP相接近，當溫度越低時，R1234yf/R1234ze的系統COP反而高于R404A/R1234ze的系統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性能。

2.2.5不同冷凝溫度下蒸發冷凝溫度對系統COP的影響規律

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

3　結語

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

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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方面的研究；陳光明（1958-），男，教授，博士生導師，主要從事低品位能源利用方面的研究。

2016-07-08

2016-08-22