复叠式水水热泵的制冷剂筛选

　　为了合理利用各种低品位热能并促进热泵技术在北方地区采暖、生活及工艺蒸汽、热水供应等传统用热领域中的应用，众多学者开展了高温热泵的研究，但大部分研究[1-4]中低品位热能温度在25℃以上，缺少对更低温度热源的研究。而低温热源是普遍存在的，如热泵在冬季运行时采用浅层土壤、地下水、地表水或城市污水作为热源时，热源温度一般都在20℃以下[5]，如果用热温度很高就会导致热泵的工作温升很大，此时再采用常规单级热泵会因压缩比过高而使其运行经济性显著降低。而复叠式热泵循环可以解决这一问题。如天津大学[6]研究的高低温侧制冷剂分别为R22和R142b的复叠式热泵，以16℃左右热源制取70℃热水时，性能系数达到1.5左右，在低温循环添加第二冷凝器后性能系数可达2.35;朱钰娟等[7]提出了高低温侧分别采用R134a和R22的复叠热泵热水器，当热源温度为4.0℃、出水温度35.5℃时理论性能系数可达6.5;吴青昊等[8]研究了复叠式空气源热泵的工质选择，提出低温级采用R410A、高温级采用R134a的复叠式热泵较为可行，在蒸发温度-4℃、冷凝温度66℃时理论性能系数达3.47;刘永忠等[9]研究了低温蒸发温度-40℃、高温冷凝温度80℃工况下复叠热泵冷冻干燥系统的制冷剂选择，提出R142b/R290、R600a/R290组合系统性能较好。上述研究中，热泵冷凝温度都在80℃以下，无法满足更高温度热用户的需求，并且仍然采用了一些ODP或GWP较高的制冷剂如R22、R142b、R410A，不利于臭氧层保护和降低温室效应。为此，将以更高冷凝温度(110℃)复叠式热泵为研究对象，按照环境可接受性、安全性、循环性能等指标从现有81种纯质与混合制冷剂中筛选低温级和高温级制冷剂，为复叠式热泵系统的深入研究奠定基础。

　　1 复叠式热泵

　　图1为复叠式热泵系统的组成及其T-S原理图。由图可知，该系统由高温级和低温级两个独立的循环系统组成，其中的冷凝蒸发器既是高温级的蒸发器，又是低温级的冷凝器，把两个系统联系在一起。

　　2 工质选择原则

　　工质选择范围为Refprop7软件[10]和新制冷剂国标GB/T778—2008[11]中列出的81种制冷剂，其中纯质制冷剂39种，混合制冷剂42种。筛选原则包括环境相容性、安全性和热工循环性能原则。

　　1)制冷剂排放到大气层后对环境的综合影响尽可能小，即全球变暖潜能值GWP和臭氧破坏能值ODP较低的环境友好型制冷剂。GB/T 778—2008[11]中定义的环境友好型制冷剂是指环境相容指标不超过100的制冷剂。环境相容指标的计算式参见文献[11-12]。

　　2)安全性原则即制冷剂不能危害财产安全和人类健康。GB/T778—2008[11]规定制冷剂安全性分类由一个字母和一个数字两个符号组成，共9种，如表1所示。考虑到机组良好的密封性，下文制冷剂安全性选择范围为A1~A3、B1~B2。