工质对准二级压缩空气源热泵热水器性能影响分析

周茂军, 罗秀芳, 曾 智, 刘向龙, 李小华

(1.湖南尊丰机电科技有限公司，湖南 怀化 418000; 2.湖南工程学院 建筑工程学院，湖南 湘潭 411100)

0 引言

空气源热泵热水器是一种生产热水的节能装置，可吸收空气中的低品位能源。传统的空气源热泵热水器在低温高湿地区运行时会发生结霜现象，系统制热能力下降以及系统COP(Coefficient of Performance，性能效率)会显著降低[1-2]，而准二级压缩空气源热泵在低温情况下仍能高效率运行，因此一直以来受到国内外学者的关注。

制冷剂作为空气源热泵的血液，对热泵系统的性能和运行具有很大的影响。彭斌等[3]发现制冷剂为R134a的普通空气源热泵系统比制冷剂R22的空气源热泵系统压缩机效能要低。张太康等[4]在焓差法空调器性能测试平台上, 对普通空气源热泵热水器分别用R134a、R417a和 R22进行了各种典型工况下的试验，发现R134a系统比R22系统的平均输入功率下降了30%左右,而R417a系统下降了约8%，且R134a系统的平均制热量仅相当于R22系统的约70%,R417a系统的平均制热量相当于R22系统的88%。高翔等[5]研究了蓄能互联热泵在不同制冷剂时的性能系数，发现当环境温度在-20～-5 ℃时，空气源热泵侧和水源热泵侧采用R410A/R134a组合或R404A/R134a进行组合，整个系统的COP较高。李小刚等[6]以相变蓄热蒸发型空气源热泵为研究对象，在不同的室外环境温度下，分别使用R417a和R22进行了实验，发现R417a的排气温度和排气压力均低于R22，有利于系统的安全运行，但R417a的制热量和COP均小于R22。何俊等[7]就单级压缩空气源热泵系统对其替代工质做了理论分析，R32在定工况下制热量和制热性能系数较高，但是其排气温度较高，对压缩机的使用寿命影响较大。

从上述文献分析可知，制冷剂对空气源热泵的制热量和COP影响较大，但是其主要研究的是普通空气源热泵在不同制冷剂的情况下性能的变化，而对于准二压缩空气源热泵的制冷剂替代研究却很少人涉及。本文研究准二级压缩空气源热泵在制冷剂为R22、R134a、R410A的情况下，补气压比对其性能的影响。

1 试验

1.1 准二级压缩空气源热泵热水器系统

在本研究中，准二级压缩空气源热泵系统由压缩机，气液分离器，水侧热交换器，储液器，干燥过滤器，电子膨胀阀，闪蒸器和蒸发器等组成。准二级压缩空气源热泵热水器压焓图如图1所示。

图1 准二级压缩系统工作循环压焓图

系统运行的流程为[8]：质量流量为qm+qmi的制冷剂液体经过节流装置膨胀阀第一次节流后进入闪蒸器，在闪蒸器中制冷剂分成两部分:(1)主回路部分，质量流量为qm的饱和液体，经过闪蒸器后再进行第二次膨胀阀降压到5′点，最后通过蒸发器到达5点最后进入压缩机吸入端1点；(2)补气回路部分，质量流量为qmi的某一压力下的饱和蒸汽，其直接进入压缩机的辅助吸入口6点进行补气。

1.2 准二级压缩补气增焓空气源热泵循环特性分析

对于准二级压缩空气源热泵而言，补气压比对系统COP和制热量有着很重要的影响。本文提出了补气压比β1，β1与冷凝压力和蒸发压力的关系为：

(1)

式中：p2为中间压力；p1为蒸发压力；p3为冷凝压力，kPa。

对于准二级压缩热泵热水器的热力学分析计算，需要做出如下假定：

(1)忽略制冷剂流动压力损失；(2)通过补气口进入压缩机的均为饱和制冷剂蒸气[9]；(3)因为补气时间极短，其过程简化为等容混合、绝热增压过程[10]。

1.2.1 压缩功的确定

1.2.1.1 预压缩过程

根据文中假设，可知压缩过程为等容混合、绝热增压，则比压缩功为：

(2)

式中：k为制冷剂等熵指数；R为制冷剂气体常数；W1-2表示状态点1到2的压缩功，kJ/kg；p1、p2分别表示蒸发压力和冷凝压力，kPa；T1表示压缩机吸气温度，K；h1、h2为图1中点1、2的焓值，kJ/kg。

1.2.1.2 补气-压缩过程压缩功：

在闪蒸器中的热平衡方程为：

(3)

式中：qmi为补气回路质量流量，kg/s；qm为主回路质量流量，kg/s；a为相对补气量,kg/s；h4、h5、h6分别为图1中4、5、6点焓值,kJ/kg。

在压焓图中通过找点的焓值，通过公式拟合发现：R22、R134a、R410A制冷剂饱和气体、液体以及中间两相区焓值与压力均满足公式：

h=k(p)f

(4)

式中：p表示压力，kPa；k、f为试验拟合参数，对于准二级压缩空气源热泵而言，一般干度取0.1。则根据质量守恒、能量守恒以及非稳态热力系统的气体微分方程，积分得到2-2′压缩功，并将式(3)至(6)代入得到公式：

(5)

补气后压缩过程比压缩功：

(6)

式中：T2、T6为图1中状态点2、点6温度，K；v2，v2′为图1中点2、点2′制冷剂比容，m3/kg；p2′为中间补气压力，kPa。

1.2.1.3 系统总压缩功：

W=qm(h2-h1)+(qmi+qm)(h3-h2′)+iW2-2′

(7)

式中：h1,h2,h2′,h3分别表示各点焓值，kJ/kg。在工质混合过程中压力值变化不明显，故其视为等压过程，即可忽略W2-2′。将式(2)～(6)代入式(7)得：

(8)

1.2.2 制热量的确定

在压焓图可知其制热量为：

Q=(qmi+qm)(h3-h4)

(9)

由于4到4′为绝热膨胀，所以：

h4=h4′

(10)

根据假设和补气过程的能量平衡方程可知点2′焓值为：

h2′=(ah6+h2+W2-2′)/(1+a)

(11)

且

h3=h2′+W2′-3

(12)

由于在补气-压缩过程中压力值变化不明显，故可将W2-2′忽略。即：

(13)

式中：h1表示压缩机吸入端焓值，kJ/kg。

1.2.3COP的确定

通过将公式(8)与公式(13)进行计算可得。

(14)

式中：ηR为热泵效率，本文中ηR=0.8。

2 结果分析

2.1 计算工况

本文对以下3种工况下的空气源热泵，分别在制冷剂为R22、R134a、R410 A时，进行了计算分析。具体工况参数如表2所示。

表2 测试工况表

2.2 计算结果及分析

2.2.1 不同工况下制冷剂种类与制热量关系

在-10 ℃、2 ℃、20 ℃室外干球温度下通过改变补气压比及制冷剂种类，其系统制热量的变化如图2～4所示。

图2 工况1情况下不同制冷剂、补气压比与制热量的关系

图3 工况2情况下不同制冷剂、补气压比与制热量的关系

图4 工况3情况下不同制冷剂、补气压比与制热量的关系

可以发现，制冷剂为R410A的制热性能表现均为最好，其次是R22，最后是R134a。这是由于R410A的制冷剂性质导致的，其在相同的温度下压缩机进出口焓差大，R22和R134a其次，因此制热量最大。

从制热量变化情况来看，无论在何种工况下，随着补气压比增加，制冷剂为R410A和R134a空气源热泵制热量逐渐减少。这是因为这三种制冷剂不同的物性参数导致的，R410A和R134a在空调系统中不会显著分离，而随着β1的升高，使得一定量的冷媒液体进入压缩机中间混合腔体，导致冷凝器进出口冷媒焓差降低，导致制热量逐渐下降；而制冷剂为R22的空气源热泵在工况1和2下，制热量呈现逐渐减小，此现象与R410A和R134a表现一致，而在工况3的情况下却出现先增加后减少的现象，且其在补气压比为0.2的情况下制热量最大，这是因为随着β1的升高，中间补气量减少，主回路制冷剂增加，压缩机工作腔体内的冷热流体混合冷却作用减小，压缩机排气温度增加、冷凝器进出口焓差增加，故系统制热量随补气压力的增加而逐步增长的趋势，而β1继续升高时，R22在闪蒸器内气液分离状况变差，使得一定量的冷媒液体进入压缩机中间混合腔体，导致冷凝器进出口冷媒焓差降低，从而影响产热能力的进一步提升，导致制热量下降。

在上述3种不同工况下，可以看出空气源热泵在低温工况制热量急剧下降，而R410A制热效果在低温和超低温工况下，制热效果下降并不是很大，尽管R410A在制热性能上表现优异，但其在高温和阳光暴晒下容易引起爆炸，因此R410A空气源热泵系统要谨慎使用，避免高温和阳光暴晒。而对于R134a空气源热泵系统，尽管其制热性能在这三种制冷剂中表现最差，但其低毒且不燃，化学稳定性好，因此在热泵系统中使用较为广泛。

2.2.2 不同工况下制冷剂种类与COP关系

通过在不同的-10 ℃，2 ℃，20 ℃室外干球温度下通过改变补气压比及制冷剂种类，其系统COP的变化如图5～7所示。

可以发现，制冷剂为R410A的COP最大，这是因为在相同工况下的压缩机功率变化不大，由COP计算公式可知，在相同功率的情况下，制热量越大其COP也越大，因此R410A空气源热泵系统COP最大。

从图5～7发现：无论系统在何工况以及系统为何种制冷剂，其COP变化均呈现出先减少后增加，但其出现的最低点并不相同，其补气压比均在0.3～0.5范围内。其主要原因是随着β1的增加，系统的压缩功先增大后减小。从图2～5可以看出制热量逐渐减小，但其减小速率小且小于压缩功减小速率，因此最终呈现出一种先减小后增大的趋势。

图5 工况1情况下不同制冷剂、补气压比与COP的关系

图6 工况2情况下不同制冷剂、补气压比与COP的关系

图7 工况3情况下不同制冷剂、补气压比与COP的关系

可从上述图表可以看出，在工况1和工况2的情况下，此三种工质下的系统COP最大值对应着制热量最小值，因此在实际运行过程中，应按照具体所需热量来调节膨胀阀的开度，通过调整第二次节流装置膨胀阀的开度来改变其补气压比，使得系统运行达到理想运行状态。而在工况3(-10 ℃)的条件下，R410A和R22系统的COP最大值仍对应着制热量的最小值，但R134a系统却在工况3的情况下，当补气压比为0.1时，制热能力和系统COP均为最高值。

经过上述分析可知，不同的制冷剂在相同的系统中其运行参数和实际性能往往会有很大的不同，这需要试验进行调整才能使系统运行更加完善。

3 结论

本文以准二级压缩空气源热泵热水器为研究对象，通过建立系统热力学模型，以市面上常用的3种制冷剂种类和补气压比作为变量进行研究分析，得出以下结论：

(1)在环境干球温度为20和2 ℃时，R134a、R410A、R22准二级压缩空气源热泵系统随着β1的升高，制热量逐渐减小，系统COP先减小后增加。

(2)R410A相较于R22、R134a作为准二级压缩空气源热泵系统而言，其制热效果和COP更好。

(3)当补气压比在0.3～0.5范围内系统COP最低，在干球温度为-10 ℃时，R134a空气源热泵系统在补气压比为0.1时，其制热量和系统COP均为最高。

(4)在低温工况下无论系统工质为R410A、R134a还是R22，其制热性能和系统COP均急剧下降。