低温热源参数对复叠式高温热泵系统性能的影响

吴治将，徐言生，李东洺

（顺德职业技术学院机电工程学院，广东佛山528333）



低温热源参数对复叠式高温热泵系统性能的影响

吴治将，徐言生，李东洺

（顺德职业技术学院机电工程学院，广东佛山528333）

摘要：建立了复叠式高温热泵的实验测试平台，通过改变低温热源进水的温度和流量，测试对高温侧出水温度、系统制热量和系统COP的影响。实验结果表明：低温侧热源进水的温升对系统制热量和低温级COP的影响较为明显，而低温侧热源进水流量的变化对高温侧的出水温度和高温级COP的影响较为明显。

关键词：高温热泵；低温热源；性能；工况

由于高温热泵有良好应用前景，使其高温化和高效化成为近年国际热泵研究的一个基本方向［1-3］。陈光明［4-5］等设计一种新型的复叠式空气源热泵装置，提出单级向复叠运行转换是由两者运行时的吸、放热量、耗功量和运行性能系数决定，同时还与压缩机的形式有关，输气系数、绝热效率随压缩比变化越小，复叠运行优势越小。吴青昊［6］等以常规工质对复叠式热泵热水器在不同运行工况下的循环特性进行了理论计算，提出冬季运行复叠式循环，夏季单独运行高温级循环，有利于系统的节能。Souvik-Bhattacharyya［7-8］等探寻了以C3H8/CO2为工质的冷热两用型复叠式系统COP与换热器的传热温差、中间温度等参数间的的关系。HaeWonJung［9］对以工质为R410A/R134a的复叠式多功能热泵系统进行了实验研究，表明：与单级多功能热泵相比，具有更稳定的空气温度和更高的出水温度。Dong Ho Kim［10-11］等对工质为R410A/R134a的复叠式水源热泵系统进行了数值分析和实验研究，在环境温度、冷凝器进口温度变化的条件下分析了最优中间温度和制热量之间的关系。本文提出一种新型复叠式热泵系统，将热泵系统设计和用户生产工艺过程相结合，可以实现对物料梯级加热的空气源高温热泵热水系统，并探讨了不同低温热源侧的工况变化对复叠式热泵运行参数变化的影响，所得结论为该复叠式技术在热泵上的广泛应用提供依据。

1　实验装置

图1为复叠式空气源热泵热水器系统实验原理图。该热泵系统由低压级制冷系统与高压级制冷系统复叠而成，分别为以R134a作为工质的低温级循环回路和以R410A作为工质的高温级循环回路，外置高温热水箱和低温热水箱，其中高温热水箱作为物料高温段加热的热源，低温热水箱既作为物料低温段加热的热源，也作为热泵系统的耦合器。当热泵系统低压级需要化霜时，低温热水箱也作为化霜运行时的热源。

图1实验原理图

该复叠式热泵系统低温级和高温级都采用变频涡旋压缩机，低温压缩机输入功率为1.9 kW，吸热量6.5 kW，向高温级循环的放热量为8.2 kW；高温级压缩机输入功率为2.5 kW，吸热量为8.1 kW，制热量10.3 kW。低温级蒸发器和高温级冷凝器都选用套管式换热器。复合式换热器2为卧式壳套管三介质复合换热器。高、低温级热泵均采用电子膨胀阀进行能量调节，以保证机组在正常的工况下运行。

设计工况及条件：高温级冷凝温度tHc= 85℃，高温级蒸发温度tHe= 40℃，低温级冷凝温度tLc= 45℃，低温级蒸发温度tLe= 5℃，复叠换热温差△t = 5℃，高、低温级过冷度为5℃，过热度均为8℃。

系统COP的计算式为：

COP总=COP1·COP2/（COP1+COP2-1）（1）

其中：COP1、COP2分别为高低温级单级循环时的理论COP；COP总总为系统总的COP值。

2　实验结果分析

2.1低温热源进水温度的影响

实验中，保持复叠式高温热泵系统低温热源的其它参数不变，改变低温热源的进水温度，实验测试对高温侧出水温度、制热量和系统COP的影响。实验结果见图2和图3所示。

图2热泵系统高温侧出水温度和系统制热量随低温热源进水温度的变化

由图2分析可知，当低温侧热源进水的温度升高时，高温侧热源出水的温度和系统制热量也随之增加。当低温热源进水温度为8.1℃时，高温侧热水的温度为74.2℃，系统的制热量为8.82 kW；当低温热源进水温度升到24.3℃时，高温侧热水的温度升到82.6℃，系统的制热量升到12.1 kW。高温侧的出水温度增加了8.4℃，提高了11.3%，系统的制热量增加了3.28 kW，提高了37.2%，说明系统制热量的增幅随低温侧热源进水温度的变化明显要大。

图3热泵系统低温级COP、高温级COP和系统COP随低温热源进水温度的变化

从图3分析可知，当低温侧热源进水温度升高时，低温级COP、高温级COP和系统COP也随之增加。当低温热源进水温度为8.1℃时，低温级的COP为3.5，高温级的COP为4.1，而系统的COP为2.17；当低温热源进水温度升至24.3℃时，低温级COP变为4.1，高温级COP变为4.6，系统COP变为2.45，而低温级的COP提高了17.2%，高温级的COP提高了12.21%，系统的COP提高了12.9%，这充分说明了随着低温热源进水的温升对低温级COP的影响要比高温级的大。

2.2低温热源进水流量的影响

实验中，保持低温热源进口温度为18℃及其它参数不变，改变低温热源的流量，测试流量的变化对高温侧出水温度、制热量和系统COP的影响。实验结果见图4和图5所示。

图4热泵系统高温侧出水温度、制热量随低温热源流量的变化

从图4分析可知，当低温侧热源进水的流量增加时，高温侧热源出水温度、系统制热量也随之增加，但是高温侧热源的出水温度变化相对要平缓。当低温热源流量为0.5 m3/h时，高温侧出水温度为77.2℃，系统的制热量为8.95 kW；当低温热源流量升到1.2 m3/h时，高温侧热媒出水温度变为81.4℃，系统的制热量变为10.74 kW，出水温度增加了4.2℃，提高了5.4%，系统的制热量增加了1.79 kW，提高了20.1%，证明系统制热量的增加幅度受低温侧水流量的影响比高温侧出水温度要大。

图5热泵系统低温级COP、高温级COP和系统COP随低温热源流量的变化

从图5分析可知，随着低温热源流量的增加，低温级COP、高温级COP和系统COP随之升高。当低温热源流量为0.5 m3/h时，低温级COP为3.48，高温级COP为3.65，系统COP为2.13；当低温热源流量升至1.2 m3/h时，低温级COP变为3.91，高温级COP变为4.62，系统COP变为2.64；高温级COP提高了26.6%，低温级COP提高了12.35%，系统COP提高了23.9%，证明了随着低温热源进水的流量变化对高温级COP的大。

3　结论

1）高温侧热源出水的温度和系统制热量随着低温侧热源进水的温度升高而增加。一方面，与高温侧热源出水温度相比，系统制热量的增幅随低温侧热源进水温度的变化要大；另一方面，与高温级COP相比，随着低温热源进水的温升对低温级COP的影响要比高温侧要大。

2）低温级COP、高温级COP和系统COP随着低温侧热源进水的流量增加而升高。一方面，与系统的制热量相比，高温侧热源出水温度的增幅随低温侧热源进水流量的变化要大，另一方面与低温级COP相比，随着低温热源进水流量对高温级COP的影响要比高温侧要大。

参考文献：

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［2］刘昭云，王怀信，郭东奇.中高温热泵两级循环方式性能分析［J］.热能动力工程，2013（5）：471-476.

［3］吴青昊，巫江虹.复叠式空气源热泵热水器运行工况及其工质的选择［J］.低温与特气，2008，26（3）：5-8.

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［10］KIM D H，PARK H S，KIM M S. Optimal temperature between high and low stage cycles for R134a/R410A cascade heat pump based water heater system［J］. Experimental Thermal and Fluid Science，2013，47: 172-179.

［责任编辑：吴卓］

经济与管理

科技与应用

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The Influence of Low Temperature Heat Sources towards the Performance of Cascade High Temperature Heat Pump

WU Zhijiang , XU Yansheng, LI Dongming
（College of Mechanical and Electrical Engineering, Shunde Polytechnic, Foshan Guangdong 528333, China）

Abstract:The experimental platform of cascade high temperature heat pump was set up, in order to test the performance of high temperature heat pump by changing the temperature and amount of input water in the low temperature side. The experimental results show that the temperature variation of low temperature heat source is more effective than other factors in raising heating capacity and low temperature side COP, in addition, the variation of water flow in low temperature side is more effective than other factors in raising the outlet temperature and high temperature side COP.

Key words:high temperature heat pump; low temperature heat source; performance; working conditions

作者简介：吴治将（1979—），男，广东佛山人，副教授，研究方向：制冷与空调技术的研究。

收稿日期：2015-12-24

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.01.002

中图分类号：TB69

文献标志码：A

文章编号：1672-6138（2016）01-0005-04