丁雨晴，鄒聲華，李永存，陳光明，江挺候

（1.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭，411201；2.浙江大學(xué)制冷與低溫工程研究所，浙江杭州310027；3.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨311835）

R134a/R134a復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)性能分析

丁雨晴1，鄒聲華1，李永存2，3，陳光明2，江挺候3

（1.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭，411201；2.浙江大學(xué)制冷與低溫工程研究所，浙江杭州310027；3.浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江諸暨311835）

介紹了能夠替代我國北方燃煤鍋爐的R134a/R134a復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)，分析其熱力循環(huán)過程，并進(jìn)行了復(fù)疊式熱泵循環(huán)的熱力學(xué)理論分析。通過計算，得出不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差下，系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)冷凝溫度的變化情況，從而得出系統(tǒng)最優(yōu)低溫級冷凝溫度和最佳質(zhì)量流量比。根據(jù)理論計算分析得出的結(jié)論對復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

復(fù)疊式空氣源熱泵；R134a；蒸發(fā)溫度；COP；冷凝溫度

0　引言

冬季采暖是我國北方居民的生活需求，當(dāng)前階段，大部分冬冷夏熱的南方地區(qū)也需要供暖，城鎮(zhèn)化建設(shè)致使大量建筑供暖需求持續(xù)增大。供暖需求的持續(xù)增加導(dǎo)致能源消耗呈直線上升。2014年，霧霾成為年度關(guān)鍵詞，其主要來源之一就是我國冬季燃煤供暖所產(chǎn)生的廢氣。因此，目前迫切需求一種清潔、節(jié)能的采暖方式。熱泵是一種新能源技術(shù)，其清潔、節(jié)能、可再生性的特點是取代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的理想替代品。而空氣源熱泵除了受氣溫條件的影響，幾乎不受其他條件的限制，適應(yīng)性更好。然而，隨著環(huán)境溫度的降低，其制熱效率大幅度衰減，壓縮比增大，排氣溫度過高，且蒸發(fā)器表面易結(jié)霜，換熱器傳熱效果惡化，系統(tǒng)無法正常工作，這限制了空氣源熱泵的廣泛使用。在我國寒冷地區(qū)，冬季平均氣溫接近零下30℃，而冷凝溫度要求達(dá)到70℃以上，熱泵的冷凝蒸發(fā)溫度之差達(dá)100℃以上，傳統(tǒng)的單級壓縮循環(huán)難以達(dá)到這一要求，采用復(fù)疊式熱泵循環(huán)則可以解決這一問題。對于復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)，其高溫級和低溫級獨立工作，分別按照逆卡諾循環(huán)進(jìn)行，兩級間通過冷凝蒸發(fā)器換熱。

基于復(fù)疊式制冷原理，國內(nèi)外專家學(xué)者研究提出多種解決空氣源熱泵低溫適應(yīng)性問題的措施。Chul Woo Rol［1］等人在高壓級和低壓級循環(huán)中分別加入一個蒸汽噴射器。實驗結(jié)果表明，使用VI（vapor-injection）技術(shù)后，制冷能力和制熱能力分別提高了12%和6%，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所增加，但該系統(tǒng)不能充分利用VI的優(yōu)勢提高系統(tǒng)的COP。浙江大學(xué)王林，陳光明［2］等人提出了一種在低溫環(huán)境下能擴(kuò)大制熱能力的空氣源熱泵裝置。該系統(tǒng)既可按傳統(tǒng)單級空氣源熱泵方式運行，又可按復(fù)疊循環(huán)方式運行。但在室外溫度很低時，蒸發(fā)器表面容易結(jié)霜，逆向除霜法只適用于單級循環(huán)，卻不適用于復(fù)疊式循環(huán)。南京理工大學(xué)余延順［3］等人將雙級壓縮耦合熱泵技術(shù)與復(fù)疊式熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計研制了單-雙級混合復(fù)疊空氣源熱泵機(jī)組試驗樣機(jī)。該系統(tǒng)降低了傳熱溫差損失，低溫的制熱性能及適應(yīng)性好。

為了使復(fù)疊式空氣源熱泵具有最高的制熱性能和最經(jīng)濟(jì)的運行條件，吳青昊［4］等人以常規(guī)工質(zhì)對一種新型的復(fù)疊式空氣源熱泵熱水器在不同運行工況下的循環(huán)性能進(jìn)行了理論計算，確定了最佳工質(zhì)及最優(yōu)工況。可見，選擇合適的工質(zhì)并確定合理的適用性工況對空氣源熱泵系統(tǒng)的正常、經(jīng)濟(jì)運行至關(guān)重要。

1　工質(zhì)的選擇

對于復(fù)疊式熱泵的高溫級循環(huán)，可選的工質(zhì)主要有R600、R600a、R123、R142b、R134a等，對于低溫級循環(huán)，可選的工質(zhì)主要有R22、R134a、R152a、R290以及混合制冷劑如R407C、R410A等［5］。由于R22、R142b于2010年禁止生產(chǎn)（我國禁止生產(chǎn)該制冷劑新設(shè)備的時限為2015年），R123已于2015年禁止生產(chǎn)［6］，考慮到時間關(guān)系，以上幾種制冷劑均不予考慮。根據(jù)工質(zhì)篩選原則，工質(zhì)需具有較好的熱力學(xué)性能，特別要滿足中高溫?zé)岜脩?yīng)用中冷凝溫度達(dá)到100℃及以上的要求，還需要有良好的環(huán)境友好性能（ODP為零，GWP較?。?，且無毒，不燃燒，不爆炸。表1為各種工質(zhì)的性能參數(shù)，根據(jù)表1及工質(zhì)篩選原則，只有R134a，R407C和R410A是不燃的，且R407C和R410A的冷凝溫度都低于100℃，故本文復(fù)疊式空氣源熱泵高低溫級工質(zhì)均選擇R134a。

表1　工質(zhì)性能參數(shù)

2　R134a/R134a復(fù)疊式空氣源熱泵制熱循環(huán)的性能分析

2.1熱力計算模型

R134a/R134a復(fù)疊式空氣源熱泵制熱循環(huán)由兩個單級循環(huán)疊加而成，高溫級與低溫級的循環(huán)工質(zhì)均為R134a，假設(shè)該系統(tǒng)在理想狀況下工作，不考慮壓縮機(jī)進(jìn)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)。

對于低溫級而言：

對于高溫級而言：

對于冷凝蒸發(fā)器而言：

通過計算可以得出：

式中QL—低溫級蒸發(fā)器制熱量，kW；

WL—低溫級壓縮機(jī)功率，kW；

QLM，QHM—冷凝蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，kW；

mL—低溫級工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；

ηL—低溫級壓縮機(jī)總效率，%；

QH—高溫級蒸發(fā)器制熱量，kW；

WH—高溫級壓縮機(jī)功率，kW；

mH—高溫級工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；

ηH—高溫級壓縮機(jī)總效率，%。

圖1　復(fù)疊式空氣源熱泵循環(huán)流程圖

2.2結(jié)果及分析

對于我國北方采暖地區(qū)取代鍋爐的復(fù)疊式空氣源熱泵，為了保證良好的供暖效果，其出水溫度至少達(dá)到70℃以上。在本文中，高溫級冷凝溫度取80℃，傳熱溫差ΔT=5℃。圖2給出了高、低溫級制熱性能系數(shù)隨冷凝蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。由圖2可以看出，隨著冷凝蒸發(fā)溫度的升高，高溫級制熱系數(shù)增大，而低溫級制熱系數(shù)減小，故在一定的冷凝溫度下，系統(tǒng)COP隨冷凝蒸發(fā)溫度的不同而不同，且存在一個最大值。如圖3所示，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-35℃時，可得到系統(tǒng)COP最大時的冷凝蒸發(fā)溫度t3為35℃，蒸發(fā)溫度為-30℃時，系統(tǒng)COP最大時的冷凝蒸發(fā)溫度t3為37℃，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-25℃時，系統(tǒng)COP最大時的冷凝蒸發(fā)溫度t3為40℃。由圖3還可以看出，隨蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)最大COP也隨之增加。圖4顯示了在冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差一定的情況下，高、低溫級壓縮比隨冷凝蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。由圖4可以看出，高溫級壓縮比隨冷凝蒸發(fā)溫度的升高而增大，低溫級壓縮比隨冷凝蒸發(fā)溫度的升高而減小，且當(dāng)冷凝蒸發(fā)溫度超過30℃時，高溫級壓縮比已經(jīng)超過10。

圖2　εH和εL隨蒸發(fā)冷凝溫度t3的變化關(guān)系

圖3　不同蒸發(fā)溫度下復(fù)疊式熱泵的COP隨冷凝蒸發(fā)溫度t3的變化關(guān)系

圖4　高、低溫級壓縮比隨冷凝蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖5　不同冷凝溫度下最佳質(zhì)量流量比隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖6　不同冷凝溫度下最高COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖7　不同冷凝溫度下最優(yōu)蒸發(fā)冷凝溫度t3隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖5表示了不同冷凝溫度下最佳質(zhì)量流量比（使系統(tǒng)COP達(dá)到最大值時低溫級與高溫級工質(zhì)的質(zhì)量流量比）隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。由圖5可以看出，在一定的冷凝溫度下，系統(tǒng)的最佳質(zhì)量流量比隨蒸發(fā)溫度的升高而增加，且隨著冷凝溫度的增加，系統(tǒng)最佳質(zhì)量流量比降低。

圖8　不同冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差下最高COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖6表示不同冷凝溫度下系統(tǒng)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)溫度的升高而增大。當(dāng)冷凝溫度升高時，系統(tǒng)COP下降。

圖7表示不同冷凝溫度下最優(yōu)蒸發(fā)冷凝溫度t3隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。由圖7可以看出，在一定的冷凝溫度下，系統(tǒng)的最佳蒸發(fā)冷凝溫度t3隨蒸發(fā)溫度的升高而升高。隨著冷凝溫度的升高，t3也隨之升高。

圖8表示不同冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差下最高COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。由圖8可以看出，在一定的冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差下，系統(tǒng)的最佳COP隨蒸發(fā)溫度大致呈線性變化，且隨蒸發(fā)溫度的升高系統(tǒng)COP增大。隨著冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差的增加，系統(tǒng)COP增加。

3　結(jié)語

根據(jù)上述計算結(jié)果及分析，可以看出：

（1）R134a/R134a復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)在冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差確定的情況下，COP存在最大值，且系統(tǒng)存在最佳蒸發(fā)冷凝溫度和最佳質(zhì)量流量比。但在冷凝蒸發(fā)溫度達(dá)到30℃時，高溫級壓縮比已經(jīng)超過10。因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，提高系統(tǒng)制熱性能的同時因注意系統(tǒng)的安全性，保證壓縮機(jī)的壓縮比不能過大。

（2）為提高R134a/R134a復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱性能，應(yīng)盡量提高系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度t1，降低系統(tǒng)的冷凝溫度t7，以及降低冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差。

（3）當(dāng)系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差一定的情況下，隨著冷凝溫度的升高，系統(tǒng)的制熱溫差基本上由高溫級制熱循環(huán)承擔(dān)。因此，高溫級壓縮機(jī)效率及參考文獻(xiàn)：

性能是制約冷凝溫度提高的主要因素。要想提高復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)的出水溫度，提供更好的制熱效果，研發(fā)高效率、高性能的R134a壓縮機(jī)也是非常必要的。

［1］Chul Woo Roh，Min Soo Kim.Effect of vapor-injection technique on the performance of a cascade heat pump water heater［J］.International Journal of Refrigeration，2013.

［2］王林，陳光明，陳斌，等.一種用于低溫環(huán)境下新型空氣源熱泵循環(huán)研究［J］.制冷學(xué)報，2005，（2）：34～37.

［3］余延順，何雪強，江輝民，等.單-雙級混合復(fù)疊空氣源熱泵機(jī)組制熱性能實驗研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報，2012，36（6）：1036～1041.

［4］吳青昊，巫江虹.復(fù)疊式空氣源熱泵熱水器運行工況及其工質(zhì)的選擇［J］.低溫與特氣，2008，（03）：5～8.

［5］劉永忠，馮霄.復(fù)疊熱泵冷凍干燥系統(tǒng)制冷劑的選擇［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，2003，（9）：105～108.

［6］徐雪情.我國R22逐步禁用和替代物的現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.制冷技術(shù)，2004，（4）：12～15.

Performance Analysis of R134a/R134a Cascade Air-source Heat Pump System

DING Yu-qing1，ZOU Sheng-hua1，LI Yong-cun2，3，CHEN Guang-ming2，JIANG Ting-hou3

（1.Hunan University of Science&Technology，Energy and Safety Engineering Institute，Xiangtan，411201，China；2.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；3.Zhejiang Dun Artificial Environmental Equipment Co.，Ltd，Zhuji 311835，China）

A cascade air-source heat pump system is introduc ed which used R134a and R134a to instead of coal-fired boiler in north China.The thermodynamic cycle process is analyzed.According to the thermodynamic theoretical analysis，the COP change with evaporation condensation temperature is calculated in different evaporation temperature，condensation temperature and heat-transfer temperature difference of condenser-evaporator.An optimum condensation temperature of low temperature cycle and an optimum mass flow ratio is calculated.According to the conclusion of theoretical analysis，we optimize the cascade air-source heat pump system。

cascade air-source heat pump；R134a；evaporation temperature；COP；condensation temperature

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.014

TB6

B

2095-3429（2015）04-0048-04

2015-06-08

修回日期：2015-07-17

國家自然科學(xué)基金資助項目（51274098，51134005）；湖南省自然科學(xué)基金資助項目（13JJ6057）。

丁雨晴（1992-），女，湖南人，在讀碩士；

李永存（1975-），男，博士，在站博士后，主要從事建筑環(huán)境方面的教學(xué)和研究。