高温空气源热泵研究现状及发展趋势

格力--华中科技大学第六届制冷空调研究生学术年会暨湖北省第二届制冷空调研究生学术年会论文集-448-高温空气源热泵研究现状及发展趋势陈云舒水明（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074）摘要：综述了国内外高温空气源热泵的研究与应用现状，针对目前的两大研究热点高温工质和系统结构，进行了全面的总结和对比分析，指出高温空气源热泵研究中存在的不足和发展方向，希望对高温热泵的发展提供一些参考，有助于高温热泵在更多领域推广使用。关键词：高温热泵空气源热泵高温工质热泵系统TheResearchStatusandDevelopmentTrendofHighTemperatureAirSourceHeatPumpChenYunShuShuiming(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Theresearchandapplicationstatusofhightemperatureair-sourceheatpumpintheworldwidearereviewed.Aimingatthehotresearchareas,hightemperaturerefrigerantandsystemstructure,thisarticlecarriesoutcomprehensivesummaryandcomparativeanalysis.Somedefectsofpresentresearcharepointedout,andthefuturedevelopmentdirectionsaresuggested,hopingtoprovidesomereferenceforthedevelopmentofhightemperatureheatpump,andbebeneficialtothewideuseofhightemperatureheatpumpinmorefields.Keywords:hightemperatureheatpumpair-sourceheatpumphightemperaturerefrigerantheatpumpsystem0引言随着全球能源形势日益严峻，节能减排早已成为全世界关注的焦点。高温热泵因其制热效率高，节能效果显著，环保等优点而成为能源领域的一大研究热点。与目前制取55℃的普通热泵相比，高温热泵泛指使用侧出口温度达到80℃以上的热泵。高温热泵应用范围更广，适用于建筑采暖、木材食品烘干、电镀、油田原油加热、化工工艺高温蒸汽、余热回收、海水淡化等领域。应用于普通领域时效率更高，运行更稳定，使用寿命更长。本文针对高温空气源热泵的研究现状和发展趋势进行了总结，希望对高温热泵的技术发展提供一些参考和借鉴。1高温工质工质的选择首先要符合环保要求，常规的氟利昂制冷剂中对环境有破坏的氯氟烃（CFCs）、氢氯氟烃（HCFCs）等将逐渐被淘汰，目前主要研究对象为氢氟烃（HFCs）、碳氢化合物（HCs）、氢氟烯烃（HFOs），自然工质（CO2，NH3）也重新引起人们的重视，但自然工质一般压力较高，循环进入临界区域，有些还易燃易爆，存在一定的安全隐患。国外方面，日本的研究最为突出。日本神户制钢所[1]开发的冷热兼用型热泵使用R22/R142b作工质，供水温度大于85℃，COP可达到6。日本荏原制作所[2]开发的高效升温型热泵，使用工质R123，配备三级离心压缩机，供水温度超过85℃。南非的JosuaP.Meyer等[3]对R22/R142b组合的研究表明：随着R142b作者简介：陈云（1988-），女，硕士研究生在读，地址：湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号华中科技大学西四楼209室（430074）邮箱:[e-mail]指导老师：舒水明（1954-），男，教授（博导），地址：湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号华中科技大学西四楼213室（430074）邮箱:[e-mail]格力--华中科技大学第六届制冷空调研究生学术年会暨湖北省第二届制冷空调研究生学术年会论文集-449-比例增加，供水温度升高，COP有所增加。杜邦[4]（DuPont）新开发的HFOs制冷剂DR-14、DR-12、DR-2，可保证高温热泵有较宽的冷凝温度范围和容积制热量，并保持较高的能源效率。其中DR-2的性能最好，冷凝温度可高达155℃，可利用普通部件实现较大温升。国内对高温工质的研究主要集中于高校，专利申请较多的有清华大学、天津大学、霍尼韦尔有限公司。清华大学史琳课题组[5]使用代号为“HTR01”和“HTR02”的高温工质，供水可达95℃。天津大学对高温工质进行了一系列的研究，主要组合有R22/R142b/R21，R290/R600a/R123，能使热泵出水达90℃。潘利生等人[6]的研究表明，R600/R245fa在COP和压缩机容积效率上均优于R245fa。天津科技大学曲敬儒等[7]研制的高温热泵工质KD07A，用于产60~90℃的热水时，系统压力低于1.4MPa，制热系数大于3.4。赵海波等[8]对用于高温复叠式热泵循环的不同制冷剂组合筛选后计算分析表明，高低温侧制冷剂可采用R245fa/R134a、R245fa/R420A、R245fa/R413A、R245ca/R420A等组合。考虑经济性等因素，可选择R245fa/R134a组合。综合国内外对高温工质的研究，其中使用较多的高温工质主要有：R134a、R152a、R227ea、R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R717、R744，也仍然有一些性能较好，但ODP不为0的成分，如：R123、R142b，这些可以作为过渡工质。目前有关高温工质的研究比较广泛，然而性能较好的并不多。大多数研究仅处于对非共沸混合工质的简单热力学循环分析和初步实验验证阶段，尚未达到推广应用于生产的层次。2系统结构空气源热泵的形式主要为压缩式。基本的单级热泵循环已无法满足高温热泵大温差的要求。国外的高温空气源热泵大多用于采暖、供热水，偏向大型机组、工业化应用，其中以日本的热泵技术和产品最为突出。我国对高温空气源热泵的研究主要集中在高校和研究所。针对热泵系统的改进大多是为了解决空气源热泵的低温适应性，不断探索出的结构有准二级压缩热泵系统、两级压缩热泵系统、单双级耦合热泵系统，复叠式热泵系统等。表1几种蒸气压缩式热泵系统对比系统特点优点缺点单级基本热泵循环结构简单，成本低压缩比高，运行效率低准二级在压缩机中部喷气增焓结构简单，可切换模式，性能优，适用于低温环境随温度升高，优势减弱自复叠非共沸混合工质气液两相分离循环结构简化，成本降低，运行简单，温升大工质配比及充灌量最优值难确定，泄露后不能直接补充两级经中间冷却后再次压缩单级压缩比低，中间冷却后压缩机耗功减少低温级吸气压力低、输气系数低复叠冷凝蒸发器连接高低温级使用不同工质，温升大，单级压缩比低结构复杂，成本高2.1准二级压缩热泵系统在涡旋压缩机气缸的适当位置开设补气口，与经济器（或闪蒸器、喷射器等）相连。在经济器中主回路工质被进一步冷却，从而蒸发吸热更多，可有效降低压缩机负荷。单级中间补气系统主要用在低温热泵系统，多使用单质或共沸混合工质。相对于其他结构的改进，准二级压缩系统简单经济有效，相关学者机构和制造商对其都有较多的研究。XuXing等[9]对中间补气热泵/空调系统进行了很好的总结。比较了液态补气和蒸气补气的特点。概括了中间补气系统应用于低温环境加热、热泵制热水、高温环境制冷的研究状况。比较了内部换热器循环和闪蒸器循环的优缺点及控制策略。概括了使用不同压缩机的中间补气系统的特点及补气口、补气压力、补气系数对系统性能的影响。还指出中间补气系统未来的研究方向。补气系统主要有过冷器和闪发器两种。过冷器系统的工作范围宽，闪发器系统过热度低，系统性能好。格力--华中科技大学第六届制冷空调研究生学术年会暨湖北省第二届制冷空调研究生学术年会论文集-450-补气的方式，分为液体补气和蒸气补气。液态补气可以有效降低排气温度以保证系统可靠运行，蒸气补气在相同容积下可液态制热/冷量。补气口位置对系统性能影响最大。目前大多数研究集中于闪蒸器、蒸气补气、涡旋式压缩机系统。NobukatsuArai[10]提出带闪发器的涡旋压缩机补气系统，马国远等[11]提出的一次节流准高温级涡旋压缩机热泵循环系统，都提高了空气源热泵在低温工况下的制热性能。胡洪等[12]通过对准二级压缩空气源热泵系统的变工况试验研究，指出补气压力应高于一级压缩结束时的压力，同时保证补气为饱和气体。在补气压力范围内，随着补气压力增大，制热量增加，但压缩机电功率也增加，需兼顾制热COP和压缩机的运行可靠。图1准二级压缩热泵系统2.2自复叠式热泵系统从压缩机排出的二元非共沸混合工质进入冷凝器被冷凝为气液两相，液体经节流后在冷凝蒸发器中将气体冷凝为液体后节流进入蒸发器。可实现大温差循环，但热力性能受冷热源温度和混合工质浓度配比影响。熊若虚等[13]通过在自复叠系统中增加分凝装置来增大热泵工作温差。图2自复叠式热泵系统2.3两（多）级压缩热泵系统工质经一级压缩后被中间（完全或不完全）冷却后，进入更高一级的压缩机继续压缩，从而有效降低单级压缩比和排气温度。但结构复杂，能效比低。田长青等[14]提出双级压缩变频空气源热泵系统，以提高系统在低温工况下的性能，并在双级压缩工况下采用效率优先和制热量优先两种控制模式。格力--华中科技大学第六届制冷空调研究生学术年会暨湖北省第二届制冷空调研究生学术年会论文集-451-图3两级压缩热泵系统2.4复叠式热泵系统复叠式热泵系统利用不同工质适用于不同的温度范围，用冷凝蒸发器连接高温级和低温级，可工作于温差较大场合，降低单级压缩比。其冷凝压力远低于双级压缩系统。但其性能好坏很大程度上依赖于冷凝蒸发器的换热性能。复叠式热泵系统的复叠形式有多种。常见的是通过冷凝蒸发器连接两级。而单双级耦合热泵系统，是通过一个水环路把两个热泵系统连在一起，这样会增加传热温差。杨玉忠[15]对复叠式热泵系统进行了理论分析和实验研究，在低温级增加第二冷凝器，使冷凝水分步升温，以提高系统的整体COP。韩星等[16]研制的复叠式热泵机组能在-25℃的环境温度下制取80℃的热水。低温级蒸发温度-40℃，冷凝温度15℃，工质为R410A；高温级蒸发温度10℃，冷凝温度85℃，工质为R134a。日立[17]（Hitachi）采用智能复叠系统的家用型热泵，低温级使用R410A，高温级使用R134a，可以提供80℃热水，最高COP达5.0。复叠式热泵系统在大温差、高压比工况下才比单级热泵更有优势，因此考虑运行的经济性，通常采用单双级切换模式，切换点的确定是关键。吴青昊等[18]研究表明冬季运行复叠式，夏季单独运行高温级可节能。陈光明等[19][20]分析了单级向复叠运行转换的最佳条件，指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，复叠式运行优势越小。陈青[21]使用三通道换热器作为单双级混合复叠式热泵系统的冷凝蒸发器，来实现单级制冷、单级制热、低温环境下复叠制热三种模式运行。大金（Daikin）Altherma[22]热泵系统使用复叠式循环可提供80℃热水，用于UK气候下季节能效可达3.2。目前对于单双级切换复叠热泵系统的研究在确定切换条件时一般均固定冷凝温度和蒸发温度，以室外环境温度为变量，而在循环式系统中，随着水温升高温度的变化也是影响性能的重要因素，因此也应纳入考虑范围，杨洪涛[23的方案设计中是以水温作为单双级切换条件的，但未有进一步的研究。华南理工大学巫江虹课题组对复叠式相变蓄热型空气源热泵热水器进行了研究[24]。该热水器能效比高，工作温差大，适用区域广。在储水箱中加入蓄热材料，直接加热热水，大大缩短了二次出水的时间，还可以减小储水箱体积，在实行峰谷电价时经济性好。