R744混合自然工质热泵系统特性研究

张仙平1,2，杨磊3，魏新利2，王方3，陈爱东1

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2.郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001；3.中原工学院 环境与能源学院,河南 郑州 450007)

摘要：采用EES(Engineering Equation Solver)软件建立了跨临界循环混合工质热力学模型，以中原地区典型城市—郑州的气象和水文条件模拟R744/R290自然混合工质热泵系统的性能，基于计算数据，对总当量变暖影响(TEWI)进行了估算．结果表明:在设计工况下，不带回热器跨临界R744/R290热泵热水装置的最优制热COP可达4.104.经计算，用于郑州地区的年平均制热COP为4.202.与其他常规能源热水器相比，R744/R290热泵热水装置CO2排放量平均可减少36.39%．论文还计算并探讨了回热器和压缩机等熵效率对热泵系统性能的影响.综合分析，R744/R290热泵热水装置具有能效高且环保的优点.

关键词：R744；混合自然工质；热泵；TEWI；雾霾

收稿日期:2015-03-15；

修订日期：2015-06-03

基金项目:国家自然基金资助项目(51176207)；河南省高等学校青年骨干教师资助项目(2012GGJS-185)

作者简介:张仙平(1973—)，女，河南陕县人，河南工程学院副教授，博士，主要从事环保工质热泵技术的研究，E-mail：zh2000ao@sohu.com.

通讯作者：魏新利(1953—)，男，河南辉县人，郑州大学教授，博导，主要从事高效热泵技术、多能源建筑空调系统等研究与开发工作，E-mail：xlwei@zzu.edu.cn.

文章编号:1671-6833(2015)05-0044-05

中图分类号：TB61`+5；TU833`+.1

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.010

Abstract:The thermal model using EES (Engineering Equation Solver) is developed, and then the system performance of transcritical R744/R290 heat pump water heater is simulated with the meteorological and hydrological conditions in Zhengzhou, the typical city in central China. The total Equivalent Warming Impacts (TEWIs) are calculated with the simulation datum. The results show that the maximum heating system COP is 4.104 under the design condition without consideration of internal heat exchanger. When R744/R290 heat pump water heater is on operation in cnetral China, the mean annual heating COP of 4.202 can be achieved. Compared with the hot water heater using other energy, the R744/R290 heat pump water heater is averagely decreased by 36.39% in the CO2 emissions. It is also cacalated and discussed how the internal heat exchanger and compressor isentropic efficiency influence the system performances respectively. Therefore, the R744/R290 based heat pump water heater is characterized by a higher energy efficiency and a very effective way for remarkably reducing CO2 emissions.

0引言

近几年，华北华中地区冬季雾霾日趋严重，直接影响人民的生活质量甚至健康[1]．形成雾霾的因素多种多样，其中工业、生活供热及采暖燃用化石燃料排出的污染物是主要原因之一[2]．若用R744/R290热泵热水器代替传统热水器，对减缓雾霾污染，改善空气质量将大有裨益．

热泵作为一种高效节能设备在暖通空调制冷领域的应用越来越广泛．然而，中国现役热泵系统使用的工质主要是氟利昂类工质HCFC22，还有部分过渡氟利昂类HFC工质如HFC134a、R410A和R407C等．这些工质的温室效应指数GWP仍较高，终将被替代．从可持续发展角度考虑，自然工质将是最佳选择[3]．自然工质中的R744具有环保(臭氧消耗潜能指数ODP=0，100年GWP=1)，不可燃无毒无嗅，物化稳定性好，易获取，价格低廉，无需回收，流动传热特性优良等诸多优点，但跨临界循环R744系统放热侧压力较高，约是氟利昂类工质的3～6倍．高压带来设备需重新设计，运行需考虑安全性等问题[4]．理论和实验研究均证明，采用合适的第二组分工质与R744混合可达到降低压力的目的[5-6]．韩国学者Kim等人实验研究了跨临界循环R744/R290(质量配比，85/15，75/25，60/40)制冷用空调系统性能，表明系统压力下降，效率提高，制冷量下降[7]．该课题组还实验研究了R744/R290流经光管和微肋铜管时的沸腾换热和压降特性[8-9]．意大利学者Grauso等人对R744/R290(质量配比，83.2/16.8，70.0/30.0)流经内径为6.0 mm水平光管的流动沸腾换热特性进行了实验研究[10]．总结已有研究成果，在R744中加入R290后，沸腾传热系数总体呈下降趋势．韩国学者Kim课题组还对R744/R290(质量配比，75/25，60/40)亚临界循环空调系统进行了实验研究[11]．笔者课题组前期研究表明，在给定条件下，R744/R290(质量配比，95/5)将是最佳选择[12]．自然工质丙烷R290具有环保(ODP=0，100年GWP≈20)，充灌量少，效率高等优点，但最大缺点是易燃易爆．R290与R744混合后恰好能抑制其可燃可爆性，且当R744质量配比大于89%时，R744/R290混合物不可燃，安全等级为A1级．从环保和可持续发展角度考虑，R744/R290混合自然工质对环境非常友善，这也是笔者选择其作为热泵用工质的根本出发点．

根据文献调研，R744/R290热泵系统用于中原地区的性能分析尚无公开报道．笔者以中原地区典型城市—郑州为对象，通过所建混合工质跨临界循环热力学模型，模拟计算R744/R290热泵系统性能，得到制热性能系数COP，最优放热侧压力等主要技术参数的运行规律；基于计算数据，估算R744/R290热泵热水装置的总当量变暖影响TEWIs(Total Equivalent Warming Impact)，并与HCFC22热泵热水装置、电热水器、燃气热水器进行对比[13-15]．

1热力学模型

1.1模型构建

R744/R290混合工质热泵由压缩机、气冷器、回热器、一级节流阀、储液器、二级节流阀和蒸发器组成，如图1所示．利用回热器的进出口阀门，回热器设计为可选运行模式，如图中虚线框所示．

图1　R744/R290混合工质热泵系统

图2为温-熵图，可以看出，热泵循环由1—2压缩过程、2—3等压冷凝过程、3—4等焓节流过程、4—5—1等压蒸发过程组成，6为蒸发压力下的泡点，蒸发过程4—5—1和冷凝过程2—3均为变温过程，虚线si1—si2和so1—so2分别为热汇水和热源水变化线．

为简化热力计算，作出以下主要假设：压缩过程绝热但不等熵，考虑到热力计算中作出了若干假设，是具有一定理想化程度的计算，计算结果往往比试验值大，等熵效率取0.70；忽略系统和周围环境间的散热损失；各组分工质为纯工质，忽略润滑油对工质或混合工质热物性的影响；忽略制冷工质在各换热设备、连接管路中的压降；考虑到实际循环中由于部件匹配问题可能导致换热器传热效果变差，蒸发器和冷凝器中的最小传热温差取7 ℃；压缩机吸气过热度取10 ℃，以免产生液击．

图2　温-熵( T- s)图

所建预测R744/R290混合工质热泵系统性能的模型已经得到实验验证，实验研究及跨临界循环算法流程框图参见本课题组前期研究文献[10]．

1.2参数设定

根据相关国家标准[16]，设计工况下热汇水进、出口温度分别取17和65 ℃，热源进出口温度分别取20和15 ℃．

选取郑州为代表，分别在不同季节条件下研究热泵系统的性能，温、湿度如表1所示．郑州地区饮用水源主要有两种，地表水和深井水，地表水取自南水北调丹江水库水或黄河水，其使用区域更广，因此选地表水作为第二换热流体，水温随着室外空气温度的变化而变化，自来水的压力大约为 0.30 MPa．根据我国相关国家标准及热用户对用水温度的需求特点，设定热汇水出水温度分别为55，65，75和85 ℃．气象参数取自文献[13]．

表1　郑州地区不同季节第二换热流体的温度、湿度

2结果与讨论

2.1设计工况系统特性

图3表示了回热器对系统制热性能系数COP的影响．两种循环的制热COP均随着放热侧压力的升高而先增加后降低，存在最优值，对应的压力为最优放热侧压力．设置回热器可使系统最优性能系数由4.104升高为4.245，提高了3.4%．最优放 热侧压力由 9.6 MPa降为 9.1 MPa，利于安全运 行．当高压压力比最优压力高0.5 MPa，不带回热器系统的COP比最优COP降低3.75%，带回热器的COP降低4.50%；高压压力比最优压力低0.5 MPa时，两个循环的COP均有约7%的降低量．

图3　回热器对系统性能的影响

图4为3种不同压缩机等熵效率对应的系统性能．可以看出，等熵效率对制热COP影响较大，对最优压力影响较小．等熵效率为0.70时，COP为4.104，最优压力为9.60 MPa．以等熵效率0.70作为比较基准，等熵效率为0.80时，COP提高了10.79%，最优压力基本维持不变；等熵效率为0.60时，COP降低了9.02%，最优压力降低了2.63%．等熵效率与压缩机类型有关，因此，开发高效压缩机对提高系统性能十分重要．

图4　压缩机等熵效率对系统性能的影响

2.2变工况系统特性

图5为热汇水出水温度改变时系统性能的变化曲线．3种工况下，最优制热COP均随着热汇水出水温度的增加而降低，最优压力随着出水温度的增加而增加．过渡季节T和夏季S的最优COP比冬季大，但T和S的最优压力也较高．从图中还可看出，该热泵装置可生产出85 ℃的热水，即使在冬季，制热COP也可达到3.084．

图5　改变出水温度时制热COP， P opt的变化

笔者取蒸发压力下泡点温度和露点温度的算术平均值作为蒸发温度．图6为3种工况下，最优COP及最优放热侧压力和蒸发温度的关系．在其他条件不变的情况下，最优COP与蒸发温度成正比，冬季W工况最优制热COP最低，夏季S工况COP最高．从图中可以看出，在其他条件不变的情况下，最优压力随着热汇出水温度增加而增加，特别在夏季，出水温度为85 ℃时最优放热侧压力较高，达到11.85 MPa．

图6　改变蒸发温度时制热COP， P opt的变化

2.3应用于郑州地区的TEWIs评价

根据气象资料，可得到郑州市典型年室外空气干球温度的频率．蒸发温度取决于空气的干球温度，一般比空气干球温度低10 ℃左右．根据室外空气干球温度频率，拟合出不同出水温度下制热COP和蒸发温度的关联式，再根据室外空气干球温度频率估算全年不同蒸发温度出现的频率，得到R744/R290热泵系统应用于郑州地区不同热汇出水温度下的全年平均制热性能系数COP．计算结果如图7所示，可以看出，随着热汇水出水温度的增加，系统COP呈下降趋势，全年平均制热性能系数COP为4.202．

图7　应用于郑州地区的年平均制热COP

假设R744/R290混合工质热泵热水器安装在郑州市的三口之家，制热负荷为3.0 kW，初始制冷剂充注量为0.90 kg，每年运行小时数为3 000 h，使用寿命为10 a，制冷剂的年泄漏量约为充灌量的2%．天然气和燃煤产电的CO2排放量分别为 0.051 36 kg/MJ和0.264 2 kg/MJ，燃煤产电仍然是中国目前获取电力的主要方式，因此燃煤每产1 kW/h电能的CO2排放量为0.95 kg[17]．天然气折算成标准煤，确定其碳排放系数，再计算出每立方米天然气排放的CO2量．电热水器的效率取0.90．天然气的电能消耗忽略不计，假设燃烧效率为0.95．当前国内空气源热泵系统常用制冷工质是HCFC22，因此HCFC22也被选择以计算比较TEWI，其初始制冷剂充注量为1.07 kg．

计算结果如图8所示，可以看出，煤电的TEWI最大，R744/R290的TEWI最小；与HFCF22相比，R744/R290减少了18.76%的CO2排放量。平均可减少36.39%的CO2排放量．计算结果还表明，在总TEWI中，直接温室效应所占的比例相当小，可以忽略不计．

3结论

利用EES软件建立了R744/R290混合工质热泵系统分布参数模型，研究家用热泵热水器的系统性能，分别计算并讨论了设计工况下及应用于中国中原地区典型城市—郑州市的系统综合性能变化规律．基于模拟数据，估算了TEWI值．结果表明，在设计工况下，最优制热COP为4.104，最优放热侧压力为9.70 MPa；由于最优压力高，对部件及连接管件的安全性要求较高．基于郑州典型年的气象参数和当地用水条件，年平均制热COP为4.202．分析TEWI可以看出，与其他常用能源相比，R744/R290热泵装置CO2排放量平均减少36.39%．家用热泵热水器采用R744/R290作为替代工质可以达到高效环保的目的．

图8　不同能源或工质的总TEWI比较

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Study on the Performance of a Heat Pump System Using

R744-based Natural Binary Mixture

ZHANG Xian-ping1,2, YANG Lei3, WEI Xin-li2, WANG Fang3, CHEN Ai-dong1

(1.Department of Civil Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China; 2.School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 3.School of Energy and Environment, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Key words: R744; mixture natural refrigerant; heat pump; TEWI; smog