多源单双压缩机热泵系统性能的对比研究

臧运艳，刘俊红 ，刘凤珍

(山东建筑大学 可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东 济南 250101)

0 引言

复合源热泵系统是指将太阳能、地能和水能等能源，两个或两个以上复合到一起应用的热泵系统。其综合两种能源的优势、弥补单一能源在应用方面的局限，在能源的综合利用方面具有很大优势。现阶段的复合热泵系统有太阳能—土壤源热泵系统［1－6］、太阳能—空气源热泵系统［7－12］、太阳能—水源热泵系统［13－15］、太阳能—空气—土壤多源热泵系统［16］等。

在已有的太阳能复合热泵系统中，大多是采用一个压缩机。但在这种系统中，太阳能或地能提供的热水具有的温度和空气的温度与制冷剂的温度之差在有些时候正负相反，如提供的热水温度大于制冷剂温度，而空气温度小于制冷剂温度时，会降低系统能效。而且对于热泵机组，对于空气源侧和水源侧的换热器，制冷剂参数是不同的，如果将空气源和水源强制放在一起，可能会影响到压缩机的性能或者是选择，进而影响整个系统的效率。由此，刘俊红等提出了一种利用太阳能、地能和空气作为冷热源的多源双压缩机的热泵系统，这个系统可以冬天供暖、夏天制冷，全年提供生活用热水［16］。而且夏季太阳能的热量可以在土壤中蓄存起来，以备冬季使用，尤其在冬季热负荷大于夏季冷负荷的地区更具有应用性。

但是，带双压缩机的复合源热泵系统仅是理论提出、简单分析，并没有与带单压缩机的复合源热泵系统比较。因此，文章通过研究复合源热泵系统采用单压缩机和双压缩机的压焓图，进行数值计算，并改变制冷剂的质量流量分配，以对比这两种复合源热泵系统的性能。制冷剂选用了R134a，其作为R12的环保替代品，广泛用于汽车空调、冰箱、中央空调、商业制冷等制冷空调系统;而且其毒性非常低，在空气中不可燃，安全类别为A1，是很安全的制冷剂。

1 单压缩机复合源热泵系统

综合目前的复合源热泵系统图，并结合所提出带双压缩机的复合源热泵系统的，绘制出多源单压缩机复合热泵系统原理图(如图1 所示)。

图1 单压缩机复合源热泵系统原理图

图1 中蓄/换热水箱7 的能量可以由太阳能或土壤源热泵提供。制冷循环模式工作时，制冷剂从用户侧蒸发器10－1 处吸热，经过压缩机压缩增压后三通阀12－1 分流，进而分别进入起冷凝器作用的蓄/换热水箱7 和换热器10－2 放热，再经过三通阀12－2 合流回到用户侧蒸发器10－1。由于压缩机的增压是按照两个冷凝器的高压来设定的，即空气侧的冷凝器10－2，对于水侧冷凝器7 压力过大，因此在进入水侧冷凝器前加合适的节流阀来节流降压。

假定循环为理想循环，无再冷和过热度，而且压缩机入口为饱和蒸气。由图1 绘制出相应的压焓图(如图2 所示)。

图2 单压缩机复合源热泵系统用户侧制冷剂循环压焓图

图2 中，1－2 为压缩机内的绝热压缩过程，即等熵压缩过程;2－2″为水侧环路处节流阀的节流降压过程，为垂直线;2－3 和2'－3'为制冷剂在冷凝器中的等压放热过程，由于空气侧和水侧的参数不同，因此制冷剂的冷凝温度的选择不同;3－4 和3'－4'为节流过程，绝热节流前后制冷剂比焓不变，故为垂直线;4－1 和4'－1 为制冷剂在蒸发器内等压蒸发吸热过程。

2 双压缩机复合源热泵系统

带双压缩机复合源热泵系统是一种利用太阳能、地能和空气作为冷热源的多源双压缩机的热泵系统，其在系统中放置两个不同的压缩机，充分利用多种可再生能源，将夏季多余的太阳能热量在土壤中蓄存起来，以备冬季使用，解决了夏季太阳能集热器的过热问题，尤其在冬季热负荷大于夏季冷负荷的地区更具有应用性［16］。其原理图如图3 所示。

图3 双压缩机复合源热泵系统原理图

图3 中蓄/换热水箱兼有蓄热器和换热器的作用。当蓄/换热水箱作为蓄热器时，冬天蓄存太阳能集热器和地埋管的热量加热其中的水以供冬季采暖空调和热水供应;夏天蓄存来自末端用户排出的热量提供热水以供洗浴。当蓄/换热水箱作为换热器时，则为复合热泵水源热泵的一个组成部分，夏季为水源热泵的冷凝器，冬季为水源热泵的蒸发器。制冷循环时制冷剂从用户侧的蒸发器吸热，进而在三通阀12－1 处分流，分别进入两个不同的压缩机，对应的冷凝器7 换热水箱和10－2 与空气换热的换热器，再分别节流后于三通阀12－2 处混合进入用户侧蒸发器10－1。

假定循环为理想循环，无再冷和过热度，而且压缩机入口为饱和蒸气。由图3 绘制出相应的压焓图(如图4 所示)。

图4 双压缩机复合源热泵系统用户侧制冷剂循环压焓图

图4 中，1－2 和1－2'为压缩机内的绝热压缩过程，即等熵压缩过程;2－3 和2'－3'为制冷剂在冷凝器中的等压放热过程，由于空气侧和水侧的参数不同，因此制冷剂的冷凝温度的选择不同;3－4和3'－4'为节流过程，绝热节流前后制冷剂比焓不变，故为垂直线;4－1 和4'－1 为制冷剂在蒸发器内等压蒸发吸热过程。

3 单、双压缩机系统的性能参数对比

3.1 单、双压缩机的几种性能参数对比

由以上两系统原理图和压焓图可知，在假定循环为理想循环，无再冷和过热的情况下，两者的区别主要在于制冷剂从压缩机出来进入蒸发器的过程，即压焓图中2、2'、2″的部分，单压缩机复合源热泵系统由于制冷剂从一个压缩机出来后需流经两个不同的蒸发器，需要在水侧换热器管路冷凝器前安装节流阀进行节流降压。因此，相应的损失了一部分能量，系统能效相应降低。

假定所需冷量为20 kW，采用蒸汽压缩式制冷，蒸发温度4 ℃，冷凝温度空气侧换热器选择48 ℃、水侧换热器选择35 ℃。下面通过假定流经空气侧和水侧的制冷剂的质量流量之比为3:2，对比这两种系统系统能效的差别。

3.1.1 单压缩机复合源热泵系统的计算

由压焓图图2 可知上述几个状态点的参数，如表1 所示。

表1 单压缩机复合源热泵系统用户侧制冷剂循环状态点参数

由压焓图可知v1=0.06039 m3/kg 时，可知各个参量的大小为

(1)单位质量制冷能力可由公式(1)表示为

式中:q0为单位质量制冷能力，kJ/kg;h1为状态1 点的比焓值，kJ/kg;h4为状态4 的比焓值，kJ/kg;h4'为状态4' 的比焓值，kJ/kg。

(2)单位容积制冷能力可由公式(2)表示为

式中:qv为单位容积制冷能力，kJ/m3。

(3)制冷剂质量流量可由公式(3)表示为

式中:Mr为制冷剂质量流量，kg/s;φ0为所需要的冷量，kW。

(4)制冷剂体积流量可由公式(4)表示为

式中:Vr为制冷剂体积流量，m3/s。

(5)冷凝器热负荷可由公式(5)表示为

式中:φk为冷凝器热负荷，kW;qk为冷凝器中单位质量制冷剂的放热能力，kJ/m3;h2、h3、h2'、h3'分别为状态点2、3、2'、3' 的比焓值，kJ/kg。

(6)压缩机理论耗功率可由公式(6)表示为

式中:pth为压缩机的理论耗功率，kW。

(7)理论制冷系数可由公式(7)表示为

人力资源工作涉及企业每个员工的切身利益，人力资源管理信息化使全员参与人力资源管理工作成为现实。因此，增强员工信息化意识，全员支持信息化建设，无论对企业还是对员工个人都是非常重要的。对企业而言，通过信息技术，可以提升人力资源管理效率，降低企业管理成本，也为企业整体的信息化推进打下良好的基础；对员工个人而言，可以提升工作技能，增强企业归属感和荣誉感，提升工作工作满意度。

式中:εth为系统的理论制冷系数。

(8)热力学完善度可由公式(8)表示为

单位质量制冷能力为139.04 kJ/kg;

单位容积制冷能力为2302.37 kJ/m3;

制冷剂质量流量为0.1438 kg/s;

制冷剂体积流量为0.008684 m3/s;

冷凝器热负荷为24.50 kW;

压缩机理论耗功率为4.515 kW;

热力学完善度为0.598。

3.1.2 双压缩机复合源热泵系统的计算

由压焓图图4 可知上述几个状态点的参数(如表2 所示)。

表2 双压缩机复合源热泵系统用户侧制冷剂循环状态点参数

由压焓图可知v1=0.06039 m3/kg，同单压缩机复合源热泵系统的计算相同，可知各参量的大小为

单位质量制冷能力为139.04 kJ/kg;

单位容积制冷能力为2302.37 kJ/m3;

制冷剂质量流量为0.1438 kg/s;

制冷剂体积流量为0.008684 m3/s;

冷凝器热负荷为24.18 kW;

压缩机理论耗功率为4.187 kW;

理论制冷系数为4.78;

热力学完善度为0.647。

3.1.3 单双压缩机复合源热泵系统的对比

由以上计算可知，当流经空气侧和水侧的制冷剂的质量流量之比为3:2 时，带单压缩机和双压缩机的复合源热泵系统的性能参数如表3 所示。

由此可知，双压缩机复合源热泵系统的冷凝器热负荷和压缩机理论耗功都有所降低，而理论制冷系数和热力学完善度均高于单压缩机复合源热泵系统。

3.2 制冷剂质量流量之比对单、双压缩机系统性能的影响

经过计算可知，在制冷剂总质量流量不变的情况下，当流经空气侧和水侧的制冷剂质量流量之比发生变化时，单压缩机系统和双压缩机系统的冷凝器热负荷、压缩机理论耗功率和理论制冷系数的变化趋势图(如图5、6、7 所示)。

表3 单双压缩机的性能参数对比

图5 冷凝器热负荷与复合源热泵系统制冷剂流量分配的关系图

冷凝器的热负荷等于单位时间内制冷剂在蒸发器中吸收的蒸发热加上压缩机对制冷系统所做的功，在用户侧蒸发器所吸收的蒸发热相同的情况下，冷凝器热负荷的高低即压缩机对制冷系统所做功的高低。由图5 可知，随着空气侧制冷剂质量流量所占比重的增加，单压缩和双压缩机复合源热泵系统冷凝器的热负荷均逐渐降低，直至制冷剂全部流经空气侧时，两者的冷凝器热负荷相等。随着空气侧制冷剂质量流量的减少，双压缩机系统的冷凝器热负荷比单压缩机系统的冷凝器热负荷上升趋势更缓慢。因此，同种情况下，双压缩机复合源热泵系统一般比单压缩机复合源热泵系统的冷凝器热负荷低，即制冷系统所需的压缩机做功少且节能。

图6 压缩机理论耗功率与复合源热泵系统制冷剂流量分配的关系图

理想状态下，压缩机的理论耗功率全部用来改变制冷剂的热力学状态，因此在制冷剂所要求的热力学状态前后变化一致时，压缩机理论耗功率低的系统耗功相对低。由图6 可知，单压缩机复合源热泵系统的压缩机理论耗功率不随空气侧制冷剂质量流量所占比重的增加而变化，双压缩机复合源热泵系统的压缩机理论耗功率随着空气侧制冷剂质量流量所占比重的增加则相应增大，直至制冷剂全部流经空气侧时，两者的压缩机理论耗功率相等。因此，在相同的条件下，双压缩机复合源热泵系统一般比单压缩机复合源热泵系统的压缩机耗功率相对低一些，降低了系统能耗且节能。

图7 压缩机理论制冷系数与复合源热泵系统制冷剂流量分配的关系

制冷系数是制冷循环中的一个重要经济指标，制冷系数愈大，表示循环的经济性愈好。由图7 可知，随着空气侧制冷剂质量流量所占比重的增加，单压缩和双压缩机复合源热泵系统的理论制冷系数均逐渐降低，但单压缩机系统的理论制冷系数比双压缩机系统的理论制冷系数下降趋势更明显。因此，在同种情况下，双压缩机复合源热泵系统一般比单压缩机复合源热泵系统的理论制冷系数相对高，即表示其循环的经济性相对更好。

4 结论

研究太阳能—空气—地能多源双机热泵供热空调复合系统，对比其与单压缩机复合源热泵系统的制冷参数，画出两者的原理图和压焓图，可以看出两者的不同主要在于压缩机的数量和设置，因此压焓图上压缩机内的绝热压缩过程不相同;通过改变空气侧和水侧制冷剂流量之比，计算得出相应数值，在图表上对比分析，进而得出以下结论:

(1)采用双压缩机的复合源热泵系统与采用单压缩机的复合源热泵系统相比，冷凝器热负荷较低，最高可降低3.1%，压缩机理论耗功率也较低，最高可降低18.2%，因此其系统耗功也相应较低，系统能效也相应较低，系统更加节能。

(2)在理论制冷系数方面，双压缩机复合源热泵系统与单压缩机复合源热泵系统相比，理论制冷系数明显升高，最高可升高22.18%，因此其循环的经济性更好。因此，双压缩机复合源热泵系统明显优于单压缩机复合源热泵系统。

［1］潘玉亮，徐伟.北京地区居住建筑太阳能－土壤源热泵系统联合运行的应用分析［J］.建筑科学，2010，10(26):237－241.

［2］张乔，文继卿.太阳能－土壤源热泵系统在寒冷地区的适用性探讨［J］.建筑热能通风空调，2010，29(2):97－99.

［3］Bakirci K.，Yuksel B..Experimental thermal performance of a solar source heat-pump system for residential heating in cold climate region［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31(8－9):1508－1518.

［4］余延顺，廉乐明.寒冷区太阳能土壤源热泵系统太阳能保证率的确定［J］.热能动力工程，2002，17(4):393－395.

［5］韩宗伟，郑茂余，刘威，等.严寒地区太阳能－土壤源热泵相变蓄热供暖系统［J］.太阳能学报，2006，27(12):1214－1217

［6］张来栋，郭风全.太阳能—土壤源复合热泵的研究进展［J］.新乡学院学报(自然科学版)，2013(5):358－360.

［7］赵晓丹.太阳能—空气双热源复合热泵运行模式研究［D］.郑州:中原工学院，2011.

［8］张超，赵晓丹，周光辉.太阳能－空气双热源复合热泵系统性能研究［J］.流体机械，2011，08:74－77.

［9］Han Z.W.，Zheng M.Y.，Kong F.H.，et al.Numerical simulation of solar assisted ground-source heat pump heating system with latent heat energy storage in severely cold area［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28(11－12):1427－1436.

［10］刘伟峰.太阳能－空气复合热泵系统应用技术研究［D］.济南:山东建筑大学，2011.

［11］张岑.太阳能—空气双热源复合热泵供热特性模拟研究［D］.郑州:中原工学院，2010.

［12］陈燕.太阳能辅助空气源热泵供暖实验和模拟研究［D］.天津:天津大学，2006.

［13］Li H.，Yang H.X..Study on performance of solar assisted air source heat pump systems for hot water Production in Hong Kong［J］.Applied Energy，2010，87(9):2818－2825.

［14］Li H.，Yang H.X..Potential application of solar thermal systems for hot water production in Hong Kong［J］.Applied Energy，2009，86(2):175－180.

［15］易永兵.太阳能水源热泵复合系统运行特性研究［D］.长沙:湖南大学，2009.

［16］刘俊红，刁乃仁.太阳能—空气—地能多源双机热泵供热空调复合系统:中国，ZL201010545227［P］.2011－03－23 .

［17］彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［18］康乐明，谭羽非，等.工程热力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.