工质对物性对低环温高温复叠式空气源热泵性能的影响

李永存，陈光明，江挺候，杜立卫，章丽萍

（1.浙江大学制冷与低温工程研究所，浙江杭州310027；2.浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江诸暨311835）

工质对物性对低环温高温复叠式空气源热泵性能的影响

李永存1.2，陈光明1，江挺候2，杜立卫2，章丽萍2

（1.浙江大学制冷与低温工程研究所，浙江杭州310027；2.浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江诸暨311835）

基于制冷工质筛选原则，对适用于低环温的高温复叠式空气源热泵工质物性参数进行比较，并为该高温空气源热泵选定了几种可用的工质对。较适合高温级的工质为：R134a、R413A、R1234ze；较适合低温级的工质为：R404A、R407C、R417A、R507、R1234yf。通过对采用上述工质组成不同工质对时高温复叠式空气源热泵性能进行热力分析，可以看出：当采用R1234ze/R404A与R1234ze/R1234yf为工质对的复叠式热泵在低温环境下较采用其他工质对时热力性能有明显优势。

低环温；复叠式空气源热泵；工质对；蒸发冷凝温度

0　引言

近年来，随着对低品位热能有效利用和洁净供热需求不断迫切，对热泵供热特别是中高温热泵供热技术的研究引起了人们的高度重视[1-4]。热泵按热源种类不同可分为：地源热泵、水源热泵和空气源热泵。空气源热泵具有运行安全、节能环保、安装灵活、使用方便、系统高效、初投资低等优点，是我国目前使用最广泛的热泵装置。随着科学技术的进步，空气源热泵的功能趋于多样化，人们对空气源热泵的性能也提出了更高的要求。而空气源热泵在低温环境下以制热模式运行时结霜、制热能力大幅下降等问题，已成为制约空气源热泵大范围推广的主要瓶颈。

复叠式压缩技术能有效解决空气源热泵在低温环境下运行时因压缩机压比过大引起排气温度过高、制热量偏低、制热能效比低等问题，在室外环境温度为-15℃以下工况运行时其相对其他型式的热泵具有明显的优越性。复叠式热泵由两个闭式压缩循环组成，因循环工质是根据压缩机的压比及工况条件选择的，故而对于复叠式热泵系统而言，合理的选择其循环工质，对于提高系统运行的稳定性、降低系统能耗、扩大复叠式空气源热泵的低温使用范围是至关重要的，所述问题的解决也将推动空气源热泵系统的更广泛推广使用。

1　工质对的选择

新制冷剂国标GB/T 7788-2008[5]中列出的81种制冷剂中，纯质制冷剂39种，混合制冷剂42种。从热泵应用的角度，往往要求热泵工质具有较高的临界温度和较低的标准沸点，临界温度是工质能否用于热泵的前提，只有临界温度高于供热温度的工质才能作为热泵工质。对于给定的供热温度，临界温度越高的工质，使得循环工作区原理临界点越接近逆卡诺循环，节流损失越小，供热系数越大。作为热泵工质，希望其标准沸点要低于低温热源的温度，这样工质在蒸发器中的蒸发温度高于标准大气压，避免在系统中产生真空度。通常情况下，对于给定的蒸发温度，标准沸点越低的工质，压缩机入口比容也越小。根据制冷剂筛选原则[6]及热泵应用的要求，初选出20种环保制冷剂，其物性参数见表1。

根据制冷剂筛选原则，R32、R143、R143a、R152、R152a、R600、R600a都具有可燃性，考虑到安全性原则，排除这几种工质。R14的临界温度为-45.5℃，不适合作为低环温空气源热泵工质。R23、R116的临界温度太低，均不适合作为空气源热泵的工质。R410A的排气压力高，容易造成铜管爆裂，且不能直接使用R22压缩机，成本较高，故不予考虑。

根据文献[8-11]，目前在新型制冷剂的研究中，R1234yf性质接近市场投放标准，而与其相关的工质R1234ze在未来将有可能成为替代工质，其物性参数见表2。

表1　环保制冷剂物性参数

表2　R1234yf和R1234ze的物性参数表。

根据制冷剂的物性参数，可确定适合低环温复叠式空气源热泵的工质。低温级的工质：R404A，R407C，R417A，R507，R1234yf；高温级工质：R134a，R413A，R1234ze。

2　热力系统分析

2.1热力计算模型

对于复叠式空气源热泵系统，其高温级和低温级独立工作，两级间通过蒸发冷凝器换热，蒸发冷凝器既是低温级的冷凝器又是高温级的蒸发器。假设该系统在理想状况下工作，不考虑压缩机进口蒸汽过热和冷凝器出口液态工质过冷，其流程图如图1所示，其中：1-2-3-4-1为低温级循环，5-6-7-8-5为高温级循环。

根据文献[12]推导的公式，复叠式热泵系统的性能系数计算公式如下：

低温级压缩比：

高温级压缩比：

式中COP—热泵系统的性能系数；

QH—高温级蒸发器制热量；

WL—低温级压缩机功率；

WH—高温级压缩机功率；

h1，h2，h3，h4，h5，h6，h7，h8—1、2、3、4、5、6、7、8点的焓；

N1—低温级压缩比；

N2—高温级压缩比；

P1，P2—低温级压缩机吸、排气压力；

P5，P6—高温级压缩机吸、排气压力。

2.2计算结果与分析

设定低温级蒸发温度为-30℃，高温级冷凝温度为80℃，取蒸发冷凝器的传热温差为5℃。假设压缩机压缩过程为等熵过程，且忽略换热器的不可逆损失。调用refprop软件提供的物性参数对复叠式空气源热泵系统进行热力计算。

2.2.1蒸发冷凝温度对系统压缩比的影响

图2给出了系统高、低温级压缩比随蒸发冷凝温度T3的变化情况。由图2可以看出，低温级压缩比随蒸发冷凝温度T3的升高而增加，高温级压缩比随蒸发冷凝温度T3的升高而减小。其中，R407C和R417A的压缩比远高于其他制冷剂，且当T3高于30℃时，R407C和R417A的压缩比已经超过10，这已经超出了压缩机的安全运行范围，而R413A、R134a与R1234ze的压缩比非常接近，三者的压缩比线几乎重合。

2.2.2蒸发冷凝温度对排气温度的影响

图3给出了压缩机的理论排气温度随蒸发冷凝温度T3的变化情况。由图3可以看出，当冷凝温度为80℃时，R134a和R413A的理论排气温度非常接近，维持在90℃左右，而R1234ze的排气温度则维持在80℃左右，低温级制冷剂中，R407C的排气温度明显高于其他制冷剂，R1234yf的排气温度最低。可见，在低温级制冷剂中应优先选择R404A、R507和R1234yf；而高温级制冷剂R134a和R413A的热力学性能相似，都可以作为高温级工质，从压缩比和排气温度看，R1234ze的热力学性能优于R134a和R413A。故高温级制冷剂优先选择R1234ze。基于上述计算结果分析可得复叠式空气源热泵高低、温级制冷工质对可采用：R404A/R1234ze，R507/R1234ze，R1234yf/R1234ze。

2.2.3蒸发冷凝温度对系统COP的影响

图4给出以R404A/R1234ze，R507/R1234ze，R1234yf/R1234ze为工质对时系统COP随蒸发冷凝温度T3的变化规律。由图4可以看出，在一定的冷凝温度下，随蒸发冷凝温度T3的增加，系统COP存在一个最大值。这是因为，随T3的增加，高温级制热系数增大，而低温级制热系数减小，故系统COP必然存在最大值。随T3的增加，R1234yf/R1234ze工质对的系统COP高于其他两组工质对，而R507/R1234ze的COP最低；当蒸发冷凝温度T3达到27℃时，R1234yf/R1234ze工质对的系统COP最高可达到2.3。

2.2.4不同蒸发温度下蒸发冷凝温度对系统COP的影响规律

图5显示了在不同蒸发温度下系统COP随蒸发冷凝温度T3的变化情况。从图5可以看出，在一定的冷凝温度下，随着蒸发温度的升高，系统COP增加。当蒸发温度高于-20℃时，工质对R404A/R1234ze的系统COP高于其他工质对，R1234yf/R1234ze的系统COP略低于R404A/R1234ze。当蒸发温度为-15℃，冷凝温度为80℃时，当蒸发冷凝温度在25℃以上时，R404A/R1234ze的系统COP在2.5以上。而当蒸发温度在-20℃以下时，R1234yf/R1234ze的系统COP与R404A/R1234ze的系统COP相接近，当温度越低时，R1234yf/R1234ze的系统COP反而高于R404A/R1234ze的系统COP。从图4可以看出，R1234yf较R404A在低温工况下具有更好的热力学性能。

2.2.5不同冷凝温度下蒸发冷凝温度对系统COP的影响规律

图6给出了不同冷凝温度下最佳COP随蒸发温度的变化关系。由图6可以看出，在一定的冷凝温度下，系统最佳COP随蒸发温度的升高呈增长趋势，且冷凝温度越高，系统COP越低。图6的计算结果显示，R404A/R1234ze的最佳COP与R1234yf/R1234ze的最佳COP存在交叉点，且交叉点在蒸发温度为-30~-25℃之间。在蒸发温度低于交叉点时，R1234yf/R1234ze的最佳COP高于R404A/R1234ze的最佳COP。

3　结语

基于制冷工质筛选原则，对环保制冷剂的物性参数进行比较之后，筛选出适合复叠式空气源热泵的高温级与低温级工质。筛选出适于低温级的工质有：R404A，R407C，R417A，R507，R1234yf；适于高温级的工质有：R134a，R413A，R1234ze。综合考虑这些工质对的压缩比、排气温度等因素，高/低温级工质对可选择R404A/R1234ze，R507/R1234ze，R1234yf/R1234ze。再分析比较系统COP、不同蒸发温度及冷凝温度下的最佳COP值，最终得出当蒸发温度低于-20℃时，R1234yf/R1234ze较其他工质对更具优越性，而当蒸发温度高于-20℃时，R404A/R1234ze反而更具优势。

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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

国家自然科学基金资助项目（51274098，51134005）

李永存（1976-），男，陕西凤翔人，博士，在站博士后，主要从事热泵新技术方面的研究；陈光明（1958-），男，教授，博士生导师，主要从事低品位能源利用方面的研究。

2016-07-08

2016-08-22