收稿日期：2022-03-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFE0104900）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（52090062）：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

（2020MS009）

通信作者：孫 ?。?985—），男，博士、副教授，主要從事工業(yè)余熱利用熱泵技術(shù)方面的研究。s@ncepu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0235 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0186-07

摘 要：為滿足空氣源熱泵冬季集中供熱的需求，該文采用新型工質(zhì)將空氣源熱泵的制熱溫度提高至90 ℃以上。首先建立高溫空氣源熱泵的數(shù)學(xué)模型并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算，進(jìn)而搭建高溫空氣源熱泵試驗(yàn)臺(tái)，分別在環(huán)境溫度為0、5、10 ℃時(shí)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)熱水進(jìn)口溫度為80 ℃時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際COP分別較理論結(jié)果低5.9%、5.3%和1.7%。該空氣源熱泵相比現(xiàn)有技術(shù)提升制熱溫度40 ℃以上，因此具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景和推廣意義。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；高溫?zé)岜?；?fù)疊式熱泵；性能系數(shù)

中圖分類號(hào)：TK123"""""""" """"" """"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著北方地區(qū)供熱需求不斷增長(zhǎng)，中國(guó)煤炭消耗量持續(xù)上升，2020年較去年增加了1583.4 萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，碳排放總量達(dá)到98.9 億t，其中建筑行業(yè)運(yùn)行碳排放占比為21%［1］。在雙碳目標(biāo)的背景下，節(jié)能減碳成為建筑行業(yè)追求的目標(biāo)。熱泵技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和制熱效率上具有顯著優(yōu)勢(shì)，從而得到越來(lái)越多的應(yīng)用［2］?？諝庠礋岜脫碛袧崈?、穩(wěn)定、效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛［3］。

由于常規(guī)熱泵在低溫環(huán)境中的運(yùn)行效率較低，且難以制取60 ℃以上的熱水［4］，為提高空氣源熱泵的制熱溫度以滿足集中供熱的需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)熱泵的循環(huán)系統(tǒng)和循環(huán)工質(zhì)等方面展開(kāi)了廣泛研究。孫守軍等［5］提出一種使用回?zé)崾窖h(huán)的高溫空氣源熱泵，在空氣溫度為24 ℃時(shí)可制取90 ℃以上的熱水，并探究了組分配比和工質(zhì)流量等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。樊超超等［6］利用噴射器和自復(fù)疊技術(shù)提高了空氣源熱泵的性能系數(shù)（coefficient of performance，COP），當(dāng)制取80 ℃熱水時(shí)較常規(guī)熱泵的COP提升了10%。Megdouli等［7］采用兩種天然制冷劑作為高低溫級(jí)的循環(huán)工質(zhì)，并在系統(tǒng)中加裝了噴射器，提高了系統(tǒng)的效率和COP。徐英杰等［8］提出一個(gè)模型用來(lái)評(píng)估復(fù)疊式空氣源熱泵的性能，在環(huán)境溫度低至-21～7 ℃時(shí)供應(yīng)溫度達(dá)到75 ℃，并且COP在1.7～2.1范圍內(nèi)變化。郭瑞［9］通過(guò)在復(fù)疊式熱泵中加裝太陽(yáng)能噴射器提高了系統(tǒng)的循環(huán)性能。Bertsch等［10］采用R410a對(duì)復(fù)疊式空氣源熱泵進(jìn)行模擬和測(cè)試，在環(huán)境溫度為-30 ℃時(shí)加熱輸出溫度為50 ℃。Dechesne等［11］對(duì)使用工質(zhì)R410a的壓縮機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)降低蒸發(fā)器過(guò)熱度可提高系統(tǒng)COP。綜上，常規(guī)空氣源熱泵的出水溫度普遍偏低，學(xué)者們通過(guò)對(duì)系統(tǒng)和工質(zhì)優(yōu)化后，制熱溫度雖有所提高，但當(dāng)空氣側(cè)和熱水側(cè)的溫差超過(guò)70 ℃時(shí)，大多數(shù)系統(tǒng)的COP小于2.0，熱泵的制熱效率較低，因此為解決空氣源制取高溫?zé)崴щy以及低效的問(wèn)題，本文提出一種應(yīng)用新型工質(zhì)M作為高溫級(jí)工質(zhì)的復(fù)疊式空氣源熱泵，同時(shí)采用R410a作為低溫級(jí)工質(zhì)，相比于常規(guī)雙級(jí)壓縮空氣源熱泵，能夠在“大溫差”下制取高溫?zé)崴耐瑫r(shí)具有較高的性能系數(shù)。建立高溫空氣源熱泵理論模型，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在不同環(huán)境溫度下對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 理論循環(huán)模型

1.1 理論循環(huán)介紹

圖1和圖2分別為高溫空氣源熱泵循環(huán)原理和T-S圖，其中1～7為低溫級(jí)循環(huán)，1’～7’為高溫級(jí)循環(huán)。高低溫級(jí)循環(huán)相當(dāng)于兩個(gè)常規(guī)的熱泵循環(huán)，二者通過(guò)蒸發(fā)冷凝器相連，即低溫循環(huán)的冷凝器是高溫循環(huán)的蒸發(fā)器［12］。

1.2 熱力學(xué)建模

為評(píng)價(jià)高溫空氣源熱泵的性能，本文采用EES軟件進(jìn)行仿真建模。為了簡(jiǎn)化計(jì)算做出如下假設(shè)［13-15］：

1）節(jié)流過(guò)程為等焓過(guò)程；

2）換熱器中過(guò)熱度和過(guò)冷度取3 ℃；

3）工質(zhì)和水之間為穩(wěn)態(tài)傳熱；

4）忽略設(shè)備和管道的散熱損失；

5）壓力變化只發(fā)生在節(jié)流閥和壓縮機(jī)內(nèi)，壓縮機(jī)的機(jī)械效率、電機(jī)效率和等熵效率分別取0.85、0.85和0.91。

該系統(tǒng)模型由低溫級(jí)蒸發(fā)器模型、低溫級(jí)壓縮機(jī)模型、蒸發(fā)冷凝器等模型構(gòu)成，其相關(guān)公式［12］如下。

1）低溫級(jí)蒸發(fā)器模型

[Qe=cpamsta-tb=mLh3-h1] （1）

式中：[Qe]——蒸發(fā)器的制冷量，kW；[cpa]——空氣的定壓比熱，kJ/（kg·K）；[ms]——空氣流量，kg/s；[mL]——低溫級(jí)工質(zhì)流量，kg/s；[ta]——空氣的進(jìn)口溫度，℃；[tb]——空氣的出口溫度，℃；[h1]、[h3]——狀態(tài)點(diǎn)1和3的比焓，kJ/kg。

2）低溫級(jí)壓縮機(jī)模型

[ηL=h4s-h3h4-h3]"" （2）

式中：[ηL]——低溫級(jí)壓縮機(jī)效率；[h4s]——不考慮不可逆損失時(shí)低溫級(jí)壓縮機(jī)出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg；[h4]——狀態(tài)點(diǎn)4的比焓，kJ/kg。

[WL=mLh4-h3]""" （3）

式中：[WL]——低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功，kW。

3）蒸發(fā)冷凝器模型

[mLh4-h7=mhh3′-h1′]"" （4）

式中：[mh]——高溫級(jí)工質(zhì)流量，kg/s；[h1′]、[h3′]、[h7]——狀態(tài)點(diǎn)1′、3′、7的比焓，kJ/kg。

4）高溫級(jí)冷凝器模型

[Qc=cpwmwtd-tc=mhh4′-h7′] （5）

式中：[Qc]——冷凝器的制熱量，kW；[cpw]——水的定壓比熱，kJ/（kg·K）；[mw]——熱水進(jìn)入冷凝器的流量，kg/s；[tc]——熱水的進(jìn)口溫度，℃；[td]——熱水的出口溫度，℃；[h4′]——狀態(tài)點(diǎn)[4′]的比焓，kJ/kg。

5）高溫級(jí)壓縮機(jī)模型

[ηh=h4s′-h3′h4′-h3′]"" （6）

式中：[ηh]——高溫級(jí)壓縮機(jī)效率；[h4s′]——不考慮不可逆損失時(shí)高溫級(jí)壓縮機(jī)出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg。

[Wh=mhh4′-h3'] （7）

式中：[Wh]——高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功，kW。

6）高溫級(jí)節(jié)流閥模型

[h1′=h7′] （8）

式中：[h7′]——狀態(tài)點(diǎn)7′的比焓，kJ/kg。

7）低溫級(jí)節(jié)流閥模型

[h1=h7] （9）

8）系統(tǒng)循環(huán)性能參數(shù)

[COP=QcWL+Wh]"" （10）

式中：COP——熱泵的性能系數(shù)。

1.3 循環(huán)工質(zhì)性能分析

本文提出高溫級(jí)循環(huán)的新型工質(zhì)M，工質(zhì)M的基本物性如表1所示。

由于工質(zhì)R134a常作為中高溫工質(zhì)應(yīng)用于復(fù)疊式熱泵中，為了驗(yàn)證工質(zhì)M的性能優(yōu)異，設(shè)定低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)為R410a，在環(huán)境溫度為0 ℃，進(jìn)水溫度從40 ℃升至80 ℃的工況下進(jìn)行工質(zhì)M和R134a的性能對(duì)比。圖3為進(jìn)水溫度變化時(shí)，工質(zhì)M和R134a的系統(tǒng)COP和耗電功率的變化曲線。當(dāng)進(jìn)水溫度從40 ℃升至80 ℃時(shí)，工質(zhì)M和R134a的COP均減小，工質(zhì)M的COP較R134a高3.0%～8.6%。系統(tǒng)耗電功率隨進(jìn)水溫度的升高而升高，當(dāng)進(jìn)水溫度為80 ℃時(shí)，工質(zhì)M的耗電功率比R134a的耗電功率低0.7 kW。

耗電功率隨進(jìn)水溫度的變化規(guī)律

工質(zhì)M和R134a的高溫級(jí)排氣溫度和排氣壓力隨進(jìn)水溫度的變化規(guī)律如圖4所示。由于高溫級(jí)排氣溫度隨進(jìn)口溫度的升高逐漸上升，從而導(dǎo)致其排氣壓力也隨進(jìn)水溫度的升高而上升。工質(zhì)R134a的高溫級(jí)排氣溫度始終高于工質(zhì)M，進(jìn)水溫度為80 ℃時(shí)，工質(zhì)R134a的高溫級(jí)排氣溫度和排氣壓力分別為108 ℃和3.4 MPa，較工質(zhì)M分別高6.8 ℃和1.81 MPa。并且由圖4可知工質(zhì)M的高溫級(jí)排氣壓力始終低于2.5 MPa，有利于壓縮機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

綜上，當(dāng)進(jìn)水溫度在40～80 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，工質(zhì)M的COP較R134a高3.0%～8.6%，且壓縮機(jī)功率、高溫級(jí)排氣溫度和排氣壓力均低于R134a。故該復(fù)疊式空氣源熱泵采用工質(zhì)M和R410a分別作為高低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)。

2 高溫空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)流程介紹

根據(jù)系統(tǒng)的原理制作了高溫空氣源熱泵樣機(jī)，如圖5所示，在加熱不同溫度的熱水時(shí)測(cè)試該系統(tǒng)的實(shí)際循環(huán)性能，并與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為了模擬滿足用戶用熱需求的運(yùn)行工況，設(shè)置了冷凝側(cè)供回水系統(tǒng)，其實(shí)物圖如圖6所示，并將空氣源熱泵與其相連加熱循環(huán)水，同時(shí)設(shè)置冷卻塔系統(tǒng)冷卻循環(huán)水。

試驗(yàn)臺(tái)的流程如圖7所示，空氣源熱泵系統(tǒng)采用復(fù)疊式熱泵技術(shù)，在冷凝器的進(jìn)出口位置設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，同時(shí)記錄空氣源熱泵的電流和電壓。冷凝側(cè)供回水系統(tǒng)中，高溫水箱的出水經(jīng)過(guò)變頻水泵加壓進(jìn)入電加熱器，在其中對(duì)水溫進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)后送入冷凝器升溫，被加熱的回水經(jīng)板式換熱器與冷卻塔側(cè)進(jìn)行換熱降溫，然后送回至高溫水箱，如此往復(fù)循環(huán)。冷凝側(cè)水路進(jìn)出口位置設(shè)置溫度和壓力測(cè)點(diǎn)，在回水管路安裝流量計(jì)。冷卻塔側(cè)循環(huán)由冷卻塔、冷卻水箱、板式換熱器以及冷卻水泵構(gòu)成，通過(guò)板式換熱器換熱對(duì)高溫水箱進(jìn)行降溫。其中，P1～P6為壓力傳感器，T1～T5為T(mén)型熱電偶。

由于需要對(duì)系統(tǒng)COP、高低溫級(jí)排氣溫度和系統(tǒng)耗電功率等參數(shù)進(jìn)行分析，故應(yīng)對(duì)冷凝側(cè)進(jìn)口水流量和溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制和記錄。采取的儀表類型和精度如表2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該高溫空氣源熱泵冬季制取高溫?zé)崴目尚行院透咝?，設(shè)置實(shí)驗(yàn)在3個(gè)代表性的環(huán)境溫度下進(jìn)行，分別為0、5、10 ℃。系統(tǒng)變工況運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)耗電功率、系統(tǒng)COP、高低溫排氣溫度是較重要的評(píng)價(jià)參數(shù)，因此分別在不同環(huán)境溫度下對(duì)這幾種參數(shù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得出不同進(jìn)水溫度下每種參數(shù)的變化規(guī)律。

表3為進(jìn)水溫度在60～80 ℃變化時(shí)的出水溫度。由表3可知，在不同環(huán)境工況下，進(jìn)水溫度不變時(shí)，出水溫度的變化和環(huán)境溫度的變化呈正比。80 ℃的熱水進(jìn)入熱泵，在0、5、10 ℃

的環(huán)境溫度下可制得的熱水溫度分別為85.5、86.1、90.3 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度保持不變，進(jìn)水溫度升高時(shí)，該系統(tǒng)的出水溫度逐漸升高。環(huán)境溫度取0、5、10 ℃時(shí)，出水溫度分別升高了20.4、20.8、20.1 ℃。在10 ℃的環(huán)境溫度下，該高溫空氣源熱泵的出水溫度可達(dá)到90.3 ℃。

圖8為環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)系統(tǒng)COP和耗電功率隨進(jìn)水溫度的變化規(guī)律，可得系統(tǒng)COP隨進(jìn)水溫度的升高而降低。由于在模擬計(jì)算中，未考慮流動(dòng)阻力和與外界熱交換，因此實(shí)際COP略低于理論COP。當(dāng)進(jìn)水溫度從60 ℃變化到80 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP的實(shí)驗(yàn)值從2.8降至2.2，與理論值的差值從2.9%增至5.9%。進(jìn)水溫度的升高會(huì)導(dǎo)致熱泵的冷凝溫度上升，從而對(duì)壓縮機(jī)性能產(chǎn)生影響，使其做功量增加，耗電功率增大。由于在壓縮機(jī)內(nèi)存在氣缸壁和制冷劑蒸汽的傳熱過(guò)程，并且氣體在進(jìn)出壓縮機(jī)時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)阻力會(huì)使壓縮機(jī)的輸氣量降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功增加，故實(shí)驗(yàn)值高于理論值，當(dāng)進(jìn)水溫度為80 ℃時(shí)，壓縮機(jī)實(shí)際耗電功率為4.2 kW，較理論值高0.6 kW。

圖9為環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)高低溫級(jí)排氣溫度隨進(jìn)水溫度的變換規(guī)律，可知隨著進(jìn)水溫度的升高，高低溫級(jí)排氣溫度

均呈上升趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)水溫度為80 ℃時(shí)，高低溫級(jí)理論排氣溫度分別為92.4和96.4 ℃。由于在理論模擬時(shí)忽略了壓縮機(jī)內(nèi)工質(zhì)的摩擦換熱和設(shè)備散熱，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)的高低溫級(jí)排氣溫度均高于理論計(jì)算的排氣溫度，但實(shí)際排氣溫度在整個(gè)工況中始終低于120 ℃，為壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性提供了有利保障。

圖10為環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)系統(tǒng)COP和耗電功率隨進(jìn)水溫度的變化規(guī)律。由圖10可得，系統(tǒng)實(shí)際耗電功率上升速率為5.4%～7.2%，高于系統(tǒng)制熱量的上升速率，因此系統(tǒng)COP隨進(jìn)水溫度的升高而下降。當(dāng)進(jìn)水溫度從60 ℃升至80 ℃時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際COP從2.9降至2.3，較理論值低4.4%～5.3%。由于壓縮機(jī)存在阻力損失，系統(tǒng)實(shí)際耗電功率較理論值高0.3～0.6 kW。

圖11為環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)高低溫級(jí)排氣溫度隨進(jìn)水溫度的變化規(guī)律。由圖11可得，當(dāng)進(jìn)水從60 ℃升至80 ℃時(shí)，高低溫級(jí)實(shí)際排氣溫度分別為64～93.3 ℃和80～101 ℃，排氣溫度均低于120 ℃，有利于壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于換熱過(guò)程存在熱量損失，實(shí)驗(yàn)值分別高于理論值1.5～2.6 ℃和1.9～5.1 ℃。

圖12為環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)系統(tǒng)COP和耗電功率隨進(jìn)水溫度的變化規(guī)律。系統(tǒng)實(shí)際COP從2.8降至2.4，下降速率在4.2%～5.1%范圍內(nèi)變化，較理論值低1.7%～4.4%。系統(tǒng)耗電功率隨進(jìn)水溫度的升高而升高，由于傳熱過(guò)程存在不可逆損失導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值始終高于理論值，二者差值從0.4 kW升至0.7 kW。

圖13為環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)高低溫級(jí)排氣溫度隨進(jìn)水溫度的變化規(guī)律。由圖13可得，當(dāng)進(jìn)水溫度升高時(shí)，高低溫級(jí)排氣溫度也隨之升高。受環(huán)境溫度和出水溫度的影響，當(dāng)進(jìn)水溫度為80 ℃時(shí)，高低溫級(jí)實(shí)際排氣溫度分別為109.9和83.4 ℃，分別較理論值高8.3和3.8 ℃，高低溫級(jí)排氣溫度均在壓縮機(jī)安全運(yùn)行的排氣溫度范圍內(nèi)。

綜上，在室外溫度分別為0、5、10 ℃，進(jìn)水溫度為80 ℃的工況下，制熱溫度分別為85.5、86.1、90.3 ℃；系統(tǒng)實(shí)際COP分別較理論值低5.9%、5.3%、1.7%；實(shí)際耗電功率分別為4.2、2.8、2.4 kW；排氣溫度均高于理論值，高溫級(jí)相差6.1、5.1、8.3 ℃，低溫級(jí)相差1.6、2.6、3.8 ℃。

3 結(jié) 論

本文為了滿足“雙碳”目標(biāo)下北方地區(qū)冬季清潔供熱需求，針對(duì)高溫空氣源熱泵開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，采用M工質(zhì)和R410a工質(zhì)構(gòu)建了高溫復(fù)疊式空氣熱泵理論模型，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，得到如下主要結(jié)論：

1） 室外溫度為10 ℃時(shí)，該高溫空氣源熱泵的制熱溫度可達(dá)90.3 ℃，實(shí)際COP為2.4，可作為高溫?zé)嵩礉M足集中供熱的需求。

2） 在3種環(huán)境溫度下，系統(tǒng)實(shí)際COP分別為2.2～2.8、2.3～2.9、2.4～2.8，實(shí)際COP始終高于2.0，并且分別較理論值低2.9%～5.9%、4.4%～5.3%、1.7%～4.4%。

3） 80 ℃進(jìn)水的實(shí)際耗電功率分別為4.2、2.8、2.4 kW，較理論值高0.6、0.6、0.7 kW。

4） 3種工況下高低溫級(jí)排氣溫度始終低于120 ℃，能夠保障壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)研究，采用M型工質(zhì)和R410a工質(zhì)的復(fù)疊式高溫空氣源熱泵具有較好的循環(huán)性能，可在“大溫差”下制取高溫?zé)崃俊Ｔ凇半p碳”目標(biāo)的背景下，可為中國(guó)北方地區(qū)的冬季清潔供暖提供高溫供熱熱源，并且在可再生能源電力消耗等領(lǐng)域具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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EXPERIMENTAL STUDY ON A NEW HIGH TEMPERATURE AIR SOURCE HEAT PUMP IN HOT SUMMER AND COLD WINTER AREAS

Sun Jian，Wu Kexin，Wang Yinwu，Huo Cheng，Ge Zhihua

（Energy Power and Mechanical Engineering College， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract：In order to meet the demand of air source heat pump central heating in winter， this study uses a new working medium to raise the heating temperature of air source heat pump to more than 90 ℃. Firstly， the mathematical model of high-temperature air source heat pump is established to simulate the system， and then a high-temperature air source heat pump test bench is built to verify the simulation results at ambient temperatures of 0， 5 and 10 ℃， respectively. When the inlet temperature of hot water is 80 ℃， the actual COP of the system is 5.9%， 5.3% and 1.7% lower than the theoretical results， respectively. Compared with the existing technology， the heating temperature of the air source heat pump is increased by more than 40 ℃， so it has a good market application prospect and promotion significance.

Keywords：air source heat pump； high temperature heat pump； cascade heat pump； COP