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中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号:093350
寒冷地区热泵能效分析
钱善良 吴晓敏 张良 姜培学 王维城
(清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室,北京,100084)
(Tel:010-6277-3413,Email:wuxiaomin@mail.tsinghua.edu.cn)
摘要:热泵系统在低温下存在着能效低、压缩机排气温度高等问题,严重影响其在寒冷地区的应用。
本文对低温工况下热泵系统的能效进行对比计算和分析,循环形式包括基本热泵循环和两级压缩热泵
循环;制冷剂包括R134a、R410A 和CO2 ;蒸发温度为-5 和-30℃;冷凝温度为40、50 和80℃。结果表
明:随着冷凝温度(t)升高或蒸发温度(t)降低,热泵COP 降低;系统COP 一次增加的顺序为CO 、R410A
c e 2
和R134a,但三者COP 值的差异随t 的降低或t 的升高而减小,在t =-30℃,t =80℃时,CO 系统的
e c e c 2
COP 与R134a 系统相当;二级压缩热泵系统的COP 略小于基本循环系统,但随着t 的减小或t 的增加,
e c
差距缩小,且二级压缩可明显降低压缩机排气温度;CO2 热泵循环提供热水具有明显优势。
关键词:热泵 寒冷地区 COP CO2
引言
热泵采暖及热水是一种环保节能的取热方式,但是空气源热泵应用于寒冷地区存在
以下缺陷:1)制热能力衰减;2)制热能效降低;3)压缩机排气温度升高,导致热泵不能运
行或运行可靠性降低;4)出风温度低 [1] 。这些缺陷的存在影响了空气源热泵系统在寒冷
地区的应用。
有学者针对寒冷地区提出不同的热泵循环形式[2] [3],这些循环形式多采用R22、R134a
以及R410A 作为循环工作,而也有学者采用环境友好的CO [4]
2 作为热泵系统工质 。本文
采用R134a、R410A 以及CO2 三种具有代表性的工质,分析两种常用热泵循环形式在各种
工况下的理论能效、压缩比以及压缩机排气温度,以资参考。
1 热泵循环形式
1.1 基本热泵循环
基本热泵循环如图1 所示,其中图1(a)为工质是R134a 或R410A 的情况,图1(b)
为工质是CO2 的情况。当工质为R134a 或R410A 时,循环为普通的蒸汽压缩循环,主要
由冷凝器、蒸发器、压缩机和膨胀阀(或毛细管等)组成;而当工质为CO2 时,循环为
跨临界循环,不存在定压的凝结过程,而以气体冷却器中的冷却过程代替。
热泵能效取决于系统的制热量Q 和压缩机耗功w,如式(1)所示。对于图1(a),可
1
以由冷凝温度(由热水温度和冷凝器传热温差决定)和蒸发温度(由室外空气温度和蒸
发器传热温差决定)得到冷凝压力和蒸发压力,进而查询各点物性,计算COP。
基金项目:教育部科学技术重大项目(No.306001)、国家863 计划(No.2006AA05Z416)
Q1
COP (1)
w
对于图1(b)的跨临界循环无法用冷凝温度确定冷凝压力,本文采用试算法:以3
点的温度为冷凝温度,假设一系列的压比,并计算对应的COP 值,得到类
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