空气源热泵热水分级供热系统工质的选优

郭俊杰开利空调冷冻研发管理（上海）有限公司



空气源热泵热水分级供热系统工质的选优

郭俊杰
开利空调冷冻研发管理（上海）有限公司

针对室内游泳馆的不同热水温度需求，提出了一种分级供热的空气源热泵热水系统，以降低成本、提高设备利用率，并对几种工质R22、R134a、R410A和R407C的基本物性、安全性、热力学循环特性进行了对比分析。分析结果表明，针对室内游泳馆特殊的供热需求， R410A最适合用于在该系统，从而实现能量的分级利用。

热泵热水器；分级供热；选优

近年来，随着人民生活水平和健康意识的提高，面向市民的集健身和娱乐于一体的室内游泳馆越来越多，对不同温度品位热水的需求量也越来越大，尤其是在冬季，池水加热的能耗相当大，约占整个加热量的1/3［1］。为了满足不同的热水加热需求，目前大部分的室内游泳馆均采用锅炉蒸汽加热或多套热泵热水装置分别给池水和洗浴用水加热的方法，管理复杂而且设备利用效率低。对于热水装置空气源热泵热水器，在供热时由于冷凝温度比空调热泵高得多，冷凝器中有大量显热存在，因此，如果对压缩机排出的显热和潜热分别加以利用，不但可以得到较高温度的洗浴热水和中温热水，提供给室内游泳馆，而且一方面提高了加热设备的利用率，实现一机多用，降低成本，另一方面可以实现不同品位能量的分级利用，具有一定的现实意义。基于此，本文提出一种新型分级供热的空气源热泵热水系统，并在不同的冷凝工况下分析此系统的热力性能，试图寻找一种使系统达到最优性能的工质。

1 分级供热空气源热泵热水系统工作原理

从热泵压缩机排出来的过热工质进入冷凝器后进行的换热过程，与冷凝壁面温度密切相关，当工质侧壁面温度高于蒸气冷凝温度时，热泵工质与壁面进行的是显热换热，否则是潜热换热。因此，在冷凝器壁面的温度从入口到出口逐渐降低的过程中，会发生两种截然不同的换热过程，即工质分别进行显热和潜热换热。其工作原理见图1，图中2-5和5-3分别表示冷凝器中高温工质的显热放热和潜热放热的过程。在空调中前者所占的比例通常可以忽略不计，对于热泵热水器而言，随着冷凝温度的进一步升高，后者释放的热量会明显减少，而前者释放的热量则相对有所增加。当2-5段释放热量所占的比例达到一定程度时，由于过热蒸气与水的换热温差要明显大于工质冷凝时与水的换热温差，因此，如果仍然采用单一的冷凝器势必使得等效换热温差增大， 实际的热力过程更加偏离逆卡诺循环。为此，提出了使用2个冷凝器的分级供热热泵热水系统，见图2，系统采用了2个冷凝器，通过改变水泵1的流量来调节冷凝器1中的换热量，进一步提升热水的温度，而冷凝器2中以潜热交换为主，提供中温热水，从而满足不同用户的需要。图1中的6-7和8-9分别表示两个冷凝器水侧温升的过程，这种换热流程使得系统热力过程更加接近劳仑兹循环。

为了实现空气源热泵热水系统的分级供热，工质选取是一个非常重要的环节。如果工质选择不当，压缩机提供的显热量太少，排气温度过高或者热力学循环效率低，都不能满足实际应用的需求，直接影响该系统的可靠性和实用性。另外，由于该分级供热的热泵系统主要用于供热需求量大的场合，如果选用的工质使得压缩机单位容积制冷量太小，造成设备体积过于庞大，就会降低系统的经济性。因此，就需要对该系统的工质进行分析，以便于筛选出一种在各种工况下性能比较优良的候选工质。

图1 热泵热水器运行原理图

图2 分级供热热泵热水系统运行示意图

2 工质的筛选

2. 1 工质选优的原则

在选择空气源热泵热水器的工质时，要特别注意以下几个方面［2-4］：

（1）在工作温度范围内有合适的冷凝蒸发压力，以使目前大多数系统部件可以承受；

（2）蒸发压力在0.1 MPa以上，以免在系统中形成负压；

（3）热力学的指标良好，临界温度较高；

（4）油溶性好、化学性质稳定；

（5）对环境危害小、无毒、不可燃。

除了要满足空气源热泵热水器工质的上述要求外，分级供热空气源热泵热水系统还要同时兼顾高温和中温热水的需求，在不同的冷凝温度下具有较高的COP。所以，压缩机排气显热占整个排热的比例不能太低，否则无法保证足够量和温度的高温用水。另外，工质的绝热指数不能太大，在相同压缩比的情况下过大的绝热指数容易造成排气温度过高，导致润滑油碳化结焦。为了满足这些特殊要求，对目前在空气源热泵中应用较多的工质R22、R134a、R410A和R407C进行分析，上述工质基本物理特性见表1，从表1可以看出，除了R134a的相对分子量最大，容易造成较大的循环损失外，这几种工质的其他物性都能满足安全、压力适中的基本要求。

表1 工质物理特性

2.2 理论循环计算与分析

除了工质本身的物理特性外，工质在参与系统热力循环时表现出来的热力学性能是一个更值得关注的指标，因此，需要对分级供热的理论循环过程进行必要的分析，从理论上预测各工质用在分级供热空气源热泵热水系统上的潜在优势。在理论计算时，对以下几个参数进行设定：压缩机指示效率0.8，蒸发温度为5℃，冷凝器出口过冷度和蒸发器出口过热度均为5℃，计算结果见图3～图8。

该系统的热力循环过程，见图1，评价指标如下：COP

冷凝器中进行换热时的显热比：

工质单位容积制冷量：

此外，压缩机排气温度、压缩比和冷凝压力在不同冷凝温度下的变化规律也是考察该分级供热热泵热水系统是否安全和高效的重要指标。

图3 不同冷凝温度下的COP

图4 不同冷凝温度下的显热比

从图3可以看出，当冷凝温度在45～55℃时，R134a的COP比R22的略大；当冷凝温度大于55℃时，R22的COP比R134a略大。R407C和R410A比R22的COP平均低0.2和0.4，从COP理论循环的角度来看，R22和R134a用于分级供热可以获得最大的热力学性能，但是，由于R410A的传热特性明显优于其他三种工质［5］，因此，对于这四种工质而言，实际运行时COP差别并不明显。

图4反映的是不同冷凝温度下的显热比，从图中可以发现，随着冷凝温度的升高，潜热的比例逐渐下降，显热的比例逐渐上升，其中采用R410A的系统显热比上升的斜率最大，在冷凝温度63℃时的显热比甚至达到了41.9%，而采用R134a的系统显热增加的幅度最小，平均15%左右。对于室内游泳馆而言，高温热水的需求占有相当比例，为了保证系统的正常和高效运行，压缩机排气的显热比就不能太低，否则无法获得足量的高温热水，反之，可以把多余的高温热水蓄存起来，以满足其他的用途，由此可见，从显热比的角度来看，R410A具有最突出的优势，最适合用于分级供热的空气源热泵热水系统。

从压缩机排气温度的角度看，确保排气温度在安全范围内是十分重要的。如图5所示，随着冷凝温度从45℃逐渐上升到63℃，压缩机排气温度都是逐渐上升的，其中R22和R410A的排气温度接近，R134a的排气温度最低，R407C的排气温度居中，但都处于系统安全运行的范围。在显热换热的这一段，由于高温气态工质的换热系数远低于工质相变换热的换热系数，在较高的排气温度下更加容易实现足够温度和量的高温热水，因此，R22和R410A更加适合用于分级供热的空气源热泵热水系统。

分级供热的空气源热泵热水系统主要考虑用在供热需求较大的场合，在满足同等热负荷的情况下，如果选用较大单位容积制冷量的工质，则压缩机的排量可以做得更小，同时减少管路的布置，使系统更加紧凑［6］，也便于日常的管理和维护。从图6可以看出，R410A的单位容积制冷量要远大于其他工质，R22和R407C居中， R134a的单位容积制冷量最小。考虑到室内游泳馆属于用热大户，选用较大单位容积制冷量的工质有利于减少供热设备的占地空间，因此，在这四种工质中，R410A的优势最大。

图5 不同冷凝温度下的排气温度

图6 不同冷凝温度下的单位容积制冷量

图7 不同冷凝温度下的压缩比

压缩比是反映压缩机负荷的一个重要指标，在相同的冷凝和蒸发温度下，较低的压缩比有利于系统的高效和安全运行。从图7可以发现，随着冷凝温度的上升，不同工质的压缩比都是接近线性上升的，其中R134a的压缩比最大，R407C 和R22次之，R410A的最小，因此，从该点看，R410A具有最明显的优势。

图8 不同冷凝温度下的冷凝压力

冷凝压力是反映压缩机工作状态的指标。图8表明，R410A的冷凝压力最高，R407C和R22次之，R134a的最小。相对于采用其他工质的系统， 尽管R410A系统压力高一些，但是，也正是由于压力高，致使热力学循环对压力损失不敏感，因此，可以采用更细的管道布置实现强化换热，从该点看，R410A用于分级供热空气源热泵热水系统具有一定的优势。

3 结语

（1）分级供热空气源热泵热水系统的提出，一方面提高加热设备的利用率，实现一机多用，降低成本，另一方面可以实现不同品位热量的分级利用，具有一定的现实意义；

（2）在对分级供热的空气源热泵热水器进行工质选优时，既要符合常规空气源热泵工质的筛选原则，又要满足分级供热空气源热泵热水器应用场合的实际要求；

（3）综合这几种工质的物性和热力学循环特性比较， R410A为最优选择。

［1］ 白雪莲，吴静怡，王如竹。 基于热回收的游泳池热泵除湿供暖系统［J］。 太阳能学报， 2004， 25（6）：838-844

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［3］ Lee D. Y. Experimental investigation on the dropin performance of R407C as a substitute for R22 in a screw chiller with shell-and-tube heat exchanger［J］. International Journal of Refrigeration. 2002 （25）: 575-585

［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

［5］ Dongsoo Jung. Youngmok. Cho， Kiho Park. Flow condensation heat transfer coefficients of R22， R134a，R407C，and R410A inside plain and microfin tubes［J］. International Journal of Refrigeration. 2004 （27）， 25-32

［6］ 朱明善，王鑫。 制冷剂的过去、现状和未来［J］.制冷学报，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，研究方向热泵与制冷系统热力学优化。