復(fù)合復(fù)疊型熱泵熱水系統(tǒng)性能分析

劉帥

（廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510520）

1 前言

空氣源熱泵因節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點受到了人們的廣泛關(guān)注，但其在低環(huán)境溫度下存在制熱效率不高、壓縮機頻繁啟停等問題，這制約了其更大范圍推廣[1]。目前提出的解決措施主要有補氣增焓熱泵系統(tǒng)[2]、雙級壓縮熱泵系統(tǒng)[3]、復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)[4]、自復(fù)疊空氣源熱泵系統(tǒng)[5]，但均存在一定問題。

在此，筆者提出一種自復(fù)疊熱泵系統(tǒng)與單級熱泵系統(tǒng)相耦合的復(fù)合復(fù)疊型熱泵熱水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可降低自復(fù)疊熱泵系統(tǒng)的冷凝工作溫差，有效解決自復(fù)疊熱泵系統(tǒng)簡單分凝工作溫差較小的問題。

2 工作原理

系統(tǒng)由一個單級高溫?zé)岜孟到y(tǒng)和一個自復(fù)疊熱泵系統(tǒng)組成。環(huán)境溫度較低時，按兩系統(tǒng)相耦合的模式運行；環(huán)境溫度較高時，按單級高溫?zé)岜眠\行模式運行。自復(fù)疊系統(tǒng)選用的二元非共沸工質(zhì)為R32、R123，

高溫級單級熱泵的循環(huán)工質(zhì)為R134a。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

3 理論分析

采用Matlab軟件調(diào)用Refprop軟件中制冷劑的物性參數(shù)對系統(tǒng)進行理論分析。

3.1 R32組分變化對自復(fù)疊系統(tǒng)性能的影響規(guī)律

R32組分變化對自復(fù)疊系統(tǒng)冷凝器換熱量、蒸發(fā)器換熱量和系統(tǒng)COP的影響規(guī)律如圖2所示。由分析可知，隨R32質(zhì)量分數(shù)的增加會發(fā)生如下變化：①壓縮機的排氣壓力和干度增大，蒸發(fā)壓力基本保持不變；蒸發(fā)器吸氣過熱度和壓縮機排氣溫度升高，蒸發(fā)器吸氣溫度呈先降后升的趨勢。當R32質(zhì)量分數(shù)在0～0.65時，吸氣過熱度在0℃以下，為防止壓縮機吸氣帶液，R32質(zhì)量分數(shù)要在0.65以上。蒸發(fā)器吸氣溫度的拐點對應(yīng)在吸氣過熱度為零的位置，當R32質(zhì)量分數(shù)在0.65～1時，壓縮機吸氣溫度隨其增大而增大。②從圖2可看出，隨R32組分數(shù)增加，冷凝器和蒸發(fā)器的換熱量都升高，系統(tǒng)COP則降低。

3.2 環(huán)境溫度變化對熱泵系統(tǒng)性能的影響

由分析可知，高溫級單級熱泵冷凝溫度一定時，隨著環(huán)境溫度的升高，會發(fā)生如下變化：①自復(fù)疊系統(tǒng)干度和支流R32的組分數(shù)升高，主流R32的組分數(shù)降低。②自復(fù)疊系統(tǒng)冷凝壓力和蒸發(fā)壓力升高，壓縮機的壓縮比降低。③自復(fù)疊系統(tǒng)壓縮機的吸氣溫度和開始冷凝溫度升高，壓縮機的排氣溫度和吸氣過熱度降低。④自復(fù)疊系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器單位質(zhì)量換熱量降低，冷凝器單位質(zhì)量換熱量相對蒸發(fā)器隨環(huán)境溫度的升高下降速率更快。這是因為，蒸發(fā)器的吸熱量主要靠低沸點工質(zhì)R32蒸發(fā)吸熱，隨環(huán)境溫度的升高，主流R32的組分數(shù)降低，因此，蒸發(fā)器單位質(zhì)量換熱量隨環(huán)境溫度的升高而降低。冷凝器的換熱量是壓縮機做功和蒸發(fā)器吸熱量之和，隨著環(huán)境溫度的升高，壓縮機壓縮比降低，壓縮機耗功減少，蒸發(fā)器單位質(zhì)量換熱量也隨環(huán)境溫度的升高而降低，因此，冷凝器單位質(zhì)量的換熱量隨環(huán)境溫度的升高而降低。⑤高溫級系統(tǒng)壓縮機排氣溫度和蒸發(fā)壓力隨環(huán)境溫度變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可看出，此情況下，高溫級蒸發(fā)壓力升高，排氣溫度降低。這是因為，此時中間冷凝溫度升高，高溫級蒸發(fā)溫度也隨之升高，因此蒸發(fā)壓力升高；同時因冷凝壓力不變，蒸發(fā)壓力升高，壓縮機壓比降低，因此高溫級壓縮機排氣溫度降低。熱泵系統(tǒng)COP及高溫級和自復(fù)疊循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量比隨環(huán)境溫度變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可看出，此情況下，高溫級和自復(fù)疊循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量比降低，系統(tǒng)COP則升高。

圖2 R32組分變化對自復(fù)疊系統(tǒng)冷凝器換熱量、蒸發(fā)器換熱量和系統(tǒng)COP的影響規(guī)律

圖3 高溫級系統(tǒng)壓縮機排氣溫度和蒸發(fā)壓力隨環(huán)境溫度變化規(guī)律

圖4 熱泵系統(tǒng)COP及高溫級和自復(fù)疊循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量比隨環(huán)境溫度變化規(guī)律

4 結(jié)論

采用以自復(fù)疊系統(tǒng)和單級高溫?zé)岜孟囫詈系臒岜孟到y(tǒng)，在低環(huán)境溫度時采用自復(fù)疊系統(tǒng)和單級高溫?zé)岜孟囫詈系墓崴Ｊ剑h(huán)境溫度較高時采用單級高溫?zé)岜霉崴Ｊ健Ｗ詮?fù)疊系統(tǒng)在環(huán)境溫度較低的溫度區(qū)域工作，非共沸工質(zhì)可選擇相對較低的R32質(zhì)量分數(shù)以提高自復(fù)疊系統(tǒng)運行時的COP。自復(fù)疊系統(tǒng)工作溫差的降低可以有效解決自復(fù)疊系統(tǒng)冷凝工作溫差較小的問題。