不同工质有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的能效特性比较

马国远 房 磊 许树学 黄成达

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

不同工质有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的能效特性比较

马国远 房 磊 许树学 黄成达

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

对有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的循环原理进行了描述，建立了系统性能的计算模型.其系统优势在于结构紧凑，能小型化，这使得采用太阳能驱动的家用小型空调成为可能；且性能系数相对较高，吸收式的制冷系数（coefficient of performance，COP）小于0.7，而有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的制冷COP理论上高于1.4，且在室外温度越高时系数越高；能实现机械能、冷量的切换输出.在制冷工况和制热工况下，对有机朗肯循环和热泵循环采用相同工质和不同工质的循环性能进行了比较计算，筛选出了复合系统最适宜的工质，为进一步设计有机朗肯-蒸汽压缩式热泵系统提供理论指导，使此复合式热泵系统的应用成为可能.

有机朗肯循环；热泵；工质；制冷系数（COP）

（COP）

当今能源形势越来越紧张，能源消耗逐年上升，节能问题成为一个十分重要的议题，也使得余热的利用成为当前节能工作的一个热点问题.我国对于高温热源的余热回收在发电领域的技术已经趋于成熟，而中低温余热的回收利用由于其温位较低，回收具有一定的难度，但由于数量众多，热能综合利用潜力巨大，即使技术并不成熟，却拥有着非常好的研究前景.目前已经出现的余热回收包括有机朗肯循环余热回收、太阳能的利用、运输工具如汽车和轮船发动机余热的回收、热管技术的应用、利用余热发电技术、变热器技术以及一些应用于热泵和制冷系统中的余热回收技术.

有机朗肯循环是一种以有机物作为工质的朗肯循环，适用于回收低品位热源，如太阳能、地热能、生物质能等等.理想有机朗肯循环包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀和等压放热4个过程.自20世纪60年代，以低沸点物质为工质的有机朗肯循环引起各国学者的广泛关注，我国开始对其研究始于20世纪80年代.文献［1-2］对有机朗肯循环的热力系统和效率进行了分析，讨论了有机朗肯循环工质的选取和循环过程参数的确定方法.台湾义守大学Hung等［3-4］对采用苯、甲苯、对二甲苯、R123和R113等5种工质的有机朗肯循环进行了分析.在北美R245fa作为有机朗肯循环的工质已经获得了广泛认可.美国学者GARY等人通过研究发现，发生温度在150～200℃时 R245fa的性能要优于R123［5］.

与有机朗肯循环发展的原因相似，热泵技术也越来越引起人们的关注.研究工作集中在低温制热［6-8］和除霜［9-10］，而如何提高其效率，或探索利用废热、太阳能等廉价的能源，成为热泵技术研究的另一热点，比如汽车尾气余热作为动力的有机朗肯循环［11-12］.本文提出了有机朗肯循环-蒸汽压缩复合式热泵系统，建立其性能计算模型，针对不同的工质、不同的循环方式进行系统性能比较研究，以期为系统的整体设计提供参考.

1　系统的工作原理

图1所示为有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的原理.由图可知，系统由2部分组成——有机朗肯循环部分和热泵部分，2个系统通过压缩膨胀一体机连接.有机朗肯循环部分由汽化器、膨胀机、冷凝器和泵组成；热泵系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀.其工作过程如下:工质首先在汽化器中吸收热量，形成高温高压的过热蒸汽.过热蒸汽被送至膨胀机中，在膨胀机中膨胀做功.出膨胀机后的工质降为低压，进入冷凝器内定压冷却，凝结成液态，液态工质再由泵加压后送回汽化器.另一方面，膨胀机的输出功传递给热泵系统的压缩机，压缩机带动热泵工质形成完整的热泵循环，其原理与普通的蒸汽压缩式热泵循环完全相同，这里不再重复论述.

当朗肯循环与热泵循环采用的工质相同时，朗肯循环的冷凝器和热泵循环的冷凝器合为一个，系统将更加简化，表现在p-h图上为:3点和6点的压力相同、温度不同，2束流体汇成1束后进入到冷凝器内，冷凝后为状态点4.另外，采用同种工质最大的优势是，能有效避免2部分系统因工质交叉泄漏而产生的效率降低和运行安全问题.其循环结构示意图和压焓图如图2所示.

与采用水蒸汽的蒸汽轮机动力循环相比，有机朗肯循环的汽化器内不需要很高的发生温度，使得利用地热能或太阳能等低品位能源成为可能.此外，有机物作为朗肯循环的工质优势还包括:沸点低，更容易产生高压蒸汽；有机工质的冷凝压力接近或稍大于大气压，工质泄漏的可能性大大减小；有机工质凝固点很低，允许它在较低的温度下释放出能量；最后，有机工质系统还可以实现普通的制冷循环.文献［13］对有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的设计方法做了较详细的总结，认为其优势及应用前景主要在于:1）结构紧凑，能小型化.使得采用太阳能驱动的家用小型空调成为可能.2）性能系数相对较高.这主要是与同样采用热源驱动的吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷等相比.吸收式的制冷COP＜0.7，而有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的制冷COP理论上高于1.4，且在室外温度越高时系数越高.3）能实现机械能、冷量的切换输出.当输出冷量充裕的情况下，朗肯动力循环还可以将高品质的机械能输出给其他设备.

2　工质的选取

理想的有机朗肯循环工质应该具有如下特征:临界温度应该高于循环中的最高温度，这样可以避免可能出现的跨临界问题；工质的三相点应该低于运行环境的最低温度，保证在循环中的任意部分都不会发生因工质固化而造成管路堵塞甚至破坏；所选取的工质应该具有较小的比热容、高的汽化潜热和良好的热稳定性；此外还必须无毒，不易燃，不易爆炸，且与设备材料和润滑油等都具有良好的兼容性.表1列出了几种常用有机朗肯循环工质的基本物性参数.热泵循环工质的选取原则大体上与制冷循环相似，只是在能效和环保指标上要求更高.表1中的R22、R134a、R227ea、R245fa和R1234ze也是热泵通常采用的工质.

表1　常用有机朗肯循环工质的基本物性参数Table 1 Basic properties for different pure refrigerants

3　计算模型的建立

忽略膨胀压缩机轴上的功量损失，即轴的传输效率是100%，则有

制冷、制热系统的性能系数:

制冷

制热

当有机朗肯循环与热泵循环选取同种工质时，

制冷

制热

4　计算结果与分析

4.1不同的工质

依据上述计算模型编制了计算软件，对有机朗肯循环和热泵循环的复合系统进行性能模拟，重点计算性能系数COP.计算时将2个系统采用相同工质和不同工质分开，分别考察制冷和制热的性能系数.所采用的工况如表2所示.汽化器内温度tb的选取方法如下:制冷时取90℃，制热时取60℃.

图2和图3所示为当热泵工质为R22时，朗肯循环采用不同的工质时制冷COP和制热COP的比较结果.由图可知，不同工质所达到的制冷COP相差不多，最大不超过0.1%.比如，以水为工质仅比最低的R227ea高出0.47%.在制热工况下，不同工质的差别较大，其中具有明显优势的是:戊烷、R1234ze和水.戊烷具有最高的制热COP，是最低工质氨的 2倍多.丁烷、R123、R134a、R152a、R227ea和R2554fa具有基本相同的性能系数，比R1234ze低近30.6%，综合考虑，除了水以外，再排除具有可燃性的戊烷，R1234ze将是最合适的工质.

表2　计算工况Table 2 Calculation working condition　℃

图4和图5所示为热泵工质为R32时，朗肯循环采用不同工质时的制冷COP和制热COP的比较结果.由图可知，R22系统具有最高的制冷COP值，其次是水和氨.丁烷、戊烷、R123、R1234ze、R134a 和R152a的COP值相差不大.在制热工况下，戊烷、R1234ze和水获得了最高的制热性能，比其他类工质高出近25.4%.

图6和图7所示为当热泵工质为R134a时，朗肯循环采用不同工质时的制冷COP和制热COP的比较结果.由图可知，与R22和R32具有基本相同的规律，所以从图2～图5中可以发现，不论热泵工质采用何种工质，当朗肯循环选取水、戊烷或R1234ze时，系统的性能系数都要比其他工质高一些，但是戊烷相比另2种工质，在可燃性上存在缺陷，有机工质中R1234ze将是最好的选择.

另一方面，当采用R134a为热泵工质时，具体的性能系数要高于R22和R32两种工质.比如，当采用R134a为热泵工质时，系统的制热 COP为1.5，高于R32的1.4，与R22相比也具有微弱优势.因此选取R1234ze作为朗肯循环的工质，同时选取R134a作为热泵循环的工质，系统会取得最高的效率.

4.2相同的工质

图8和图9所示为朗肯循环与热泵循环采用相同工质时，制冷COP和制热COP的比较结果.由图所知，不同工质的制冷COP均随汽化器温度的升高而升高，乙醇和氨具有最高的制冷COP.其次是R123、R152a、R22三种工质.R22的COP比R227ea要高出近37%.综合安全、环保因素，选取R123、R152a和R22最合适.不同工质的制热性能系数变化不明显，除了易燃、不稳定以及对环境有危害的工质，R22、R1234ze和R152a比其他种类的工质具有更高的COP.综合考虑制冷和制热工况，选取R22 和R152a.

5　结论

1）戊烷和R1234ze作为有机朗肯循环的工质，系统可获得较高的制冷和制热性能.

2）R134a作为热泵系统的工质，同时选取R1234ze作为朗肯循环的工质，有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统会获得较高的性能.

3）除去可燃性、毒性的工质外，若采用同一种工质，R22或R152a，则有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统会获得较高的性能.

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（责任编辑 张 蕾）

Comparison Study of Energy Ratio of ORC Compound With Vapor Compression Heat Pump System Using Different Working Fluid

MA Guoyuan，FANG Lei，XU Shuxue，HUANG Chengda
（College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The working characteristic of organic Rankin cycle（ORC）compound with vapor compression heat pump system was described in this paper，and the calculation method was established.The working performance under both cooling and heating condition was researched using different working fluid，and the suitable working fluid was obtained.This work can offer the theoretical direction for designing the ORC compound with vapor compression heat pump system.

organic Rankin cycle（ORC）；heat pump；working fluid；coefficient of performance

TB 66

A

0254-0037（2016）02-0296-06

10.11936/bjutxb2015040070

2015-04-23

北京市自然科学基金资助项目（3154032）

马国远，（1963—），男，教授，博士生导师，主要从事制冷与空调系统的环保节能技术方面的研究，E-mail:magy @bjut.edu.cn