復合復疊型熱泵熱水系統性能分析

劉帥

（廣東工程職業技術學院，廣東 廣州510520）

1 前言

空氣源熱泵因節能、環保等優點受到了人們的廣泛關注，但其在低環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[2]、雙級壓縮熱泵系統[3]、復疊式空氣源熱泵系統[4]、自復疊空氣源熱泵系統[5]，但均存在一定問題。

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

2 工作原理

系統由一個單級高溫熱泵系統和一個自復疊熱泵系統組成。環境溫度較低時，按兩系統相耦合的模式運行；環境溫度較高時，按單級高溫熱泵運行模式運行。自復疊系統選用的二元非共沸工質為R32、R123，

高溫級單級熱泵的循環工質為R134a。系統流程如圖1所示。

圖1 系統流程圖

3 理論分析

采用Matlab軟件調用Refprop軟件中制冷劑的物性參數對系統進行理論分析。

3.1 R32組分變化對自復疊系統性能的影響規律

R32組分變化對自復疊系統冷凝器換熱量、蒸發器換熱量和系統COP的影響規律如圖2所示。由分析可知，隨R32質量分數的增加會發生如下變化：①壓縮機的排氣壓力和干度增大，蒸發壓力基本保持不變；蒸發器吸氣過熱度和壓縮機排氣溫度升高，蒸發器吸氣溫度呈先降后升的趨勢。當R32質量分數在0～0.65時，吸氣過熱度在0℃以下，為防止壓縮機吸氣帶液，R32質量分數要在0.65以上。蒸發器吸氣溫度的拐點對應在吸氣過熱度為零的位置，當R32質量分數在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組分數增加，冷凝器和蒸發器的換熱量都升高，系統COP則降低。

3.2 環境溫度變化對熱泵系統性能的影響

由分析可知，高溫級單級熱泵冷凝溫度一定時，隨著環境溫度的升高，會發生如下變化：①自復疊系統干度和支流R32的組分數升高，主流R32的組分數降低。②自復疊系統冷凝壓力和蒸發壓力升高，壓縮機的壓縮比降低。③自復疊系統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自復疊系統蒸發器和冷凝器單位質量換熱量降低，冷凝器單位質量換熱量相對蒸發器隨環境溫度的升高下降速率更快。這是因為，蒸發器的吸熱量主要靠低沸點工質R32蒸發吸熱，隨環境溫度的升高，主流R32的組分數降低，因此，蒸發器單位質量換熱量隨環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器吸熱量之和，隨著環境溫度的升高，壓縮機壓縮比降低，壓縮機耗功減少，蒸發器單位質量換熱量也隨環境溫度的升高而降低，因此，冷凝器單位質量的換熱量隨環境溫度的升高而降低。⑤高溫級系統壓縮機排氣溫度和蒸發壓力隨環境溫度變化規律如圖3所示。從圖3可看出，此情況下，高溫級蒸發壓力升高，排氣溫度降低。這是因為，此時中間冷凝溫度升高，高溫級蒸發溫度也隨之升高，因此蒸發壓力升高；同時因冷凝壓力不變，蒸發壓力升高，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COP及高溫級和自復疊循環工質質量比隨環境溫度變化規律如圖4所示。從圖4可看出，此情況下，高溫級和自復疊循環工質質量比降低，系統COP則升高。

圖2 R32組分變化對自復疊系統冷凝器換熱量、蒸發器換熱量和系統COP的影響規律

圖3 高溫級系統壓縮機排氣溫度和蒸發壓力隨環境溫度變化規律

圖4 熱泵系統COP及高溫級和自復疊循環工質質量比隨環境溫度變化規律

4 結論

采用以自復疊系統和單級高溫熱泵相耦合的熱泵系統，在低環境溫度時采用自復疊系統和單級高溫熱泵相耦合的供熱水模式，環境溫度較高時采用單級高溫熱泵供熱水模式。自復疊系統在環境溫度較低的溫度區域工作，非共沸工質可選擇相對較低的R32質量分數以提高自復疊系統運行時的COP。自復疊系統工作溫差的降低可以有效解決自復疊系統冷凝工作溫差較小的問題。