多种制冷剂热泵循环性能的对比分析

随着我国社会的高速发展和人民生活水平的提高，经济发展与环境保护的矛盾也日益突出。为减少采暖燃煤使用量、改善空气环境、提高能源使用效率，我国北方开始推广“煤改电”、“煤改气”等一系列政策。北京怀柔区实施“煤改电”政策后，在电价方面将取消阶梯电价，并且在采暖期最低可享受0.1元/度的优惠电价；在采暖设备方面，对空气源热泵按照实际供热面积每平米200元补贴。基于节能环保的环境要求和供热采暖的生活需求，采暖用空气源热泵代替传统锅炉已成为一种发展较快的趋势。

1 研究现状

1.1热泵发展近况

近年来国内外众多高校、研究机构和企业都一直致力于解决热泵在全年长期运行中的问题，尤其是在低温工况下运行的问题。早在2003年，清华同方就宣称将某热泵产品进行技术革新，使得该产品的工作环境从（-8～7）℃扩大到（-15～45）℃。2006年，南京工业大学的学者王伟设计并搭建了一台可单双级切换的压缩空气源热泵热水器，制冷剂选用R134a，得到双级压缩热泵热水器在-20℃的环境下运行COP能保持在1.5左右，相对于电热水器有较明显的优势。广东长菱空调气冷机公司陈俊骥设计搭建一套采用中间喷射的涡旋热泵热水器并进行了实验，实验表明：该系统能在-20℃～43℃的环境温度下正常运行，制取热水的水温达到65℃；在-15℃的环境温度以下，该设备COP依然能保持在2.0以上。国外对低温空气源热泵热水器的研究主要集中在日本、美国和一些西欧国家。美国学者Wang X等在2009年以R410A 为工质建立一个11kW的实验台，比较了经济器和闪发器对制冷制热的影响，得出结论：外界环境为46.1℃时，闪发蒸汽喷射相对于单级系统制冷量和制冷系数分别提高14%和4%；外界环境为-17.8℃时，制热量和制热系数分别提高30%和20%。

1.2热泵循环研究进展

基于热泵技术的发展要求，许多国内外学者对不同的热泵循环进行了理论对比分析，也根据不同的循环理论进行实验研究。热泵循环的主要形式分为：单级压缩制热循环、双级压缩制热循环、复叠式制热循环三种。其中双级压缩制热循环中包括液体喷射技术、闪发蒸汽喷射技术等一些新型技术的应用。2015年，日本学者Chieko Kondou等

本文以热力学性能为评价指标，对R22、R134a、R410a、R717和R744等十六种常用制冷剂进行对比，分析其在单级、双级和复叠式热泵循环下的性能。综合分析各工质的环保、安全性、制热效率、自然度等因素，得出CO2单级热泵循环系统为最优的热泵循环系统,并从热力学角度，分析了CO2热泵系统循环性能的影响因素。

多种制冷剂热泵循环性能的对比分析

上海理工大学/吕静 张旭 赵琦昊

北京凯昆广胜新能源电器有限公司/张继凯 赵德鹏

研究了工质分别为R717、R365mfc、R1234ze(E)和R1234ze(Z)在冷凝温度从80℃到160℃下对双级和三级复叠式热泵机组理论计算，得出R1234ze(Z)具有较高的能耗比。清华大学的学者石文星在2008年，详细介绍两种新型的热泵循环技术：液体喷射技术和闪发蒸汽喷射技术，并对闪发蒸汽喷射制热循环，用R410A为工质进行热力学理论计算，得出：温度效率对制热量和COP单调影响的关系；喷射比对制热量和COP的影响不大。2011年，上海理工大学的学者白建民依据复叠式制冷循环的原理，从理论上分析复叠式高温热泵的可行性，并建立实验台进行实验研究。2015年，东南大学的陶玉鹏对液体喷射制热循环与单级压缩制热循环进行对比分析，得出液体喷射式制热循环能够提高热泵在低温下的COP值，降低了压缩机排气温度。国外内学者对热力循环的研究主要集中在给定制冷剂的条件下，由于实验设备或者成本的原因，并没有充分考虑不同制冷剂在不同热泵循环下的热力性能区别。

2 多种制冷剂热泵循环性能分析

由于不同制冷剂在不同热力循环下的能耗比并不相同，笔者以天津大学马一太教授提出的自然度为评价指标，选择满足环保要求的制冷剂，计算其在不同的热力循环下能耗比（COP）的具体值，根据COP的大小来选择效率最高的制冷剂作为热泵循环的工质。考虑到GB/T 23123-2008中的要求和实际出水温度的需求，取冷凝温度为55℃，过冷过热均为0℃，不考虑回热。液体喷射式和闪发蒸汽式制热循环可以近似归类为双级压缩循环。本论文针对16种常用制冷工质，蒸发温度在-25℃至15℃范围内，研究其单级压缩、双级压缩和复叠式制热循环的COP值。

2.1 在单级压缩循环中的对比

图1 单级压缩制热循环

图1所示为R22、R134a、R410a、R717、R744（CO2）等十六种常规的制冷剂或制冷剂组合在单级压缩循环下的COP值。由图1可以看出，所有制冷剂的COP值均随着蒸发温度的升高而增大，增加趋势相同；其中R717的COP值最高的，之后依次为R744、R22、R134a、R290等。R717（NH3）由于其本身的绝热指数较大，经过绝热压缩后具有较高的排气温度，使得其再冷凝器内的放热量较大，具有较高的COP。

C

O

P

蒸发温度（℃）

图2 双级压缩制热循环

图2为16种工质在双级压缩循环下的能耗比，与单级压缩相类似，所有制冷剂的COP均随着蒸发温度的升高而增大；R717、R744、R22和R134a 的COP处于前四；在相同的蒸发温度下，双级压缩的COP值高于单级压缩的COP值，蒸发温度越低，两者的差距越大，说明双级压缩制热循环比单级压缩制热循环具有更大优势。

2.3 在复叠式制热循环中的对比

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图3 复叠式制热循环

图3表示复叠式制热循环下，各工质对在不同蒸发温度下的COP值。图例中前面为低温循环下的工质，后面为高温循环下的工质。蒸发冷凝器内的换热温差取3℃。由图中可以看出，复叠式制热循环的COP高于单级压缩制热循环，但略小于双级压缩制热循环。这是因为在蒸发冷凝器内存在换热温差，导致整体的效率下降。

2.4 单级、双级循环下的压比

在实际运行与理论循环还是存在巨大的区别：在实际循环中压缩机内压缩为非等熵过程，进、排气阀均会有节流损失，特别是活塞式制冷压缩机，当压力比接近20时，容积效率将接近0，所以压

比可以作为考量的一个重要指标。

图4单、双级压比

图4表示R22、R134a、R717、R744这四种COP值较大的制冷剂在单、双级循环下的高低压之比。图中可以看出R717（NH3）的压比在单、双级内对比均为最大值，特别是在单级、-25℃蒸发温度的情况下压比达到15.26，这说明在实际运行中其压缩机容积效率较低，导致系统效率下降，远达不到理论计算中3.2的COP值。从图中还可以看出R744（CO2）在单级压缩循环的压比小于7，接近其它三种工质在双级压缩下的压比。这是由于R744（CO2）在低蒸发温度下具有较高压力，压缩到高压的压比小，提高了压缩机的运行效率。

2.5 自然度的比较

依据制冷剂国标GB7778-2008中给出的将ODP、GWP等因素结合的环境影响评估方法，天津大学马一太教授将该方法进行改进优化，提出结合安全指标毒性、可燃性和环保指标ODP、GWP的评价指标-自然度。考虑到自然度指标综合了安全性能指标和环境影响指标，能够较为全面的判断制冷剂的综合性能，所以在制冷剂筛选中作为工质的评判标准之一。

表1 制冷剂环保特性

制冷剂

安全

等级

ODP GWP自然度R22A10.00417900.62

R134a A1013700.81

R290A30200.90

R32A207160.85

R717B2000.92

R744A1010.99

R600a A3030.89

R152a A201400.90

R406a A10.05715600.61

R407c A1015300.77

R417a A1019500.70 R1234yf B10 4.40.89表1内包含各制冷剂环保特性参数，其中自然度越接近1，表面其自然度评价值就越高，对环境、运行安全的影响就越小，因此自然度可以作为对环境影响大小的重要参考指标。从自然度角度来看，R744（CO2）相比于其它制冷剂具有较大的环保优势，之后自然度较高的依次为R717（NH3）、R290、R152a、R1324yf。

综上所述，由自然度可以看出CO2作为未来制冷剂在环保、安全方面的潜力还是十分巨大的，CO2在单级压缩循环和双级压缩循环中均有较高的COP值，相对于其它制冷剂有更大的优势，CO2在冷凝器内温度下降恰好与水的温升相匹配，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，属于一种特殊的洛伦兹循环，使得换热系数，系统的能耗比增加，考虑到系统的COP，同时兼顾到可行性和设备制造成本等因素，热泵热水器采用CO2单级压缩循环较为合理。

3 CO2单级压缩循环影响因素

热泵循环过程中，CO2在冷凝器内处于超临界状态，故称为跨临界循环，冷凝器称为气冷器。对蒸发温度、压缩机效率、排气压力、气冷器进、出口水温等对其性能的影响进行定性分析。