复合复叠型热泵热水系统性能分析

刘帅

（广东工程职业技术学院，广东 广州510520）

1 前言

空气源热泵因节能、环保等优点受到了人们的广泛关注，但其在低环境温度下存在制热效率不高、压缩机频繁启停等问题，这制约了其更大范围推广[1]。目前提出的解决措施主要有补气增焓热泵系统[2]、双级压缩热泵系统[3]、复叠式空气源热泵系统[4]、自复叠空气源热泵系统[5]，但均存在一定问题。

在此，笔者提出一种自复叠热泵系统与单级热泵系统相耦合的复合复叠型热泵热水系统，该系统可降低自复叠热泵系统的冷凝工作温差，有效解决自复叠热泵系统简单分凝工作温差较小的问题。

2 工作原理

系统由一个单级高温热泵系统和一个自复叠热泵系统组成。环境温度较低时，按两系统相耦合的模式运行；环境温度较高时，按单级高温热泵运行模式运行。自复叠系统选用的二元非共沸工质为R32、R123，

高温级单级热泵的循环工质为R134a。系统流程如图1所示。

图1 系统流程图

3 理论分析

采用Matlab软件调用Refprop软件中制冷剂的物性参数对系统进行理论分析。

3.1 R32组分变化对自复叠系统性能的影响规律

R32组分变化对自复叠系统冷凝器换热量、蒸发器换热量和系统COP的影响规律如图2所示。由分析可知，随R32质量分数的增加会发生如下变化：①压缩机的排气压力和干度增大，蒸发压力基本保持不变；蒸发器吸气过热度和压缩机排气温度升高，蒸发器吸气温度呈先降后升的趋势。当R32质量分数在0～0.65时，吸气过热度在0℃以下，为防止压缩机吸气带液，R32质量分数要在0.65以上。蒸发器吸气温度的拐点对应在吸气过热度为零的位置，当R32质量分数在0.65～1时，压缩机吸气温度随其增大而增大。②从图2可看出，随R32组分数增加，冷凝器和蒸发器的换热量都升高，系统COP则降低。

3.2 环境温度变化对热泵系统性能的影响

由分析可知，高温级单级热泵冷凝温度一定时，随着环境温度的升高，会发生如下变化：①自复叠系统干度和支流R32的组分数升高，主流R32的组分数降低。②自复叠系统冷凝压力和蒸发压力升高，压缩机的压缩比降低。③自复叠系统压缩机的吸气温度和开始冷凝温度升高，压缩机的排气温度和吸气过热度降低。④自复叠系统蒸发器和冷凝器单位质量换热量降低，冷凝器单位质量换热量相对蒸发器随环境温度的升高下降速率更快。这是因为，蒸发器的吸热量主要靠低沸点工质R32蒸发吸热，随环境温度的升高，主流R32的组分数降低，因此，蒸发器单位质量换热量随环境温度的升高而降低。冷凝器的换热量是压缩机做功和蒸发器吸热量之和，随着环境温度的升高，压缩机压缩比降低，压缩机耗功减少，蒸发器单位质量换热量也随环境温度的升高而降低，因此，冷凝器单位质量的换热量随环境温度的升高而降低。⑤高温级系统压缩机排气温度和蒸发压力随环境温度变化规律如图3所示。从图3可看出，此情况下，高温级蒸发压力升高，排气温度降低。这是因为，此时中间冷凝温度升高，高温级蒸发温度也随之升高，因此蒸发压力升高；同时因冷凝压力不变，蒸发压力升高，压缩机压比降低，因此高温级压缩机排气温度降低。热泵系统COP及高温级和自复叠循环工质质量比随环境温度变化规律如图4所示。从图4可看出，此情况下，高温级和自复叠循环工质质量比降低，系统COP则升高。

图2 R32组分变化对自复叠系统冷凝器换热量、蒸发器换热量和系统COP的影响规律

图3 高温级系统压缩机排气温度和蒸发压力随环境温度变化规律

图4 热泵系统COP及高温级和自复叠循环工质质量比随环境温度变化规律

4 结论

采用以自复叠系统和单级高温热泵相耦合的热泵系统，在低环境温度时采用自复叠系统和单级高温热泵相耦合的供热水模式，环境温度较高时采用单级高温热泵供热水模式。自复叠系统在环境温度较低的温度区域工作，非共沸工质可选择相对较低的R32质量分数以提高自复叠系统运行时的COP。自复叠系统工作温差的降低可以有效解决自复叠系统冷凝工作温差较小的问题。