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不同冷凝温度下水源热泵工质性能分析


第 28 卷   5 期 第 2008 年 5 月

煤气与热力
GAS & HEAT

Vol 28 No. 5 . M ay 2008

不同冷凝温度下水源热泵工质性能分析
许彩艳 ,     陈 启
1 2

( 1. 天津市泛亚工程机电设备咨询有限公司 ,

天津 300200; 2. 天津三电汽车空调

有限公司 , 天津 300385 )      :   摘 要 结合天津地区地热水温度 ,比较了几种可用于水源热泵的纯工质 、 二元混合工质在 不同冷凝温度下的性能 。    关键词 :   水源热泵 ;   工质 ;   冷凝温度 ;   性能 中图分类号 : TU995    文献标识码 : B    文章编号 : 1000 - 4416 ( 2008 ) 05 - 0A03 - 03

Performance Ana lysis of W a ter Source Hea t Pum p W ork in g Flu ids under D ifferen t Conden sin g Tem pera tures
  Abstract:  Combined w ith geothermal water temperature in Tianjin region, the performances of
densing temperatures are compared. some pure working fluids and binary m ixed fluids usable for water source heat pump under different con2
[1]

  Key words:  water source heat pump;  working fluid;  condensing temperature;  performance    我国地热资源丰富 , 各地陆续发现了具有开发 价值的水层 。一般地下 500 ~1 500 m 的地热水温 度为 30 ~60 ℃,地下 1 200 ~4 000 m 的地热水温度 达 55 ~90 ℃,有的甚至在 100 ℃ 以上 。天津地区 具有丰富的地热水资源 , 20 世纪 70 年代以来在供 暖等领域得到广泛的应用 。尤其是天津地区拥有丰 富的低温地热水资源 ,水温分布在 30 ~92 ℃。地热 水利用中存在的主要问题为地热尾水排放温度过高 (一般在 40 ~50 ℃) ,这不仅造成地热能的浪费 ,还 易造成地表热污染
[ 2、 ] 3

。而且地热水过量开采 , 易

引起地下水位下降 。因此 , 将地热利用与水源热泵 结合 ,可为水源热泵提供低温热源和提高地热利用 率 ,合理地选择水源热泵工质就显得尤为重要 。本
1  纯工质

文对不同冷凝温度下水源热泵工质性能进行分析 。

传统 的 纯 工 质 包 括 R11、 、 R12 R12B1、 R114、
R22、 RC318。前 4 种由于对臭氧层有破坏作用被禁

XU Cai2yan,  CHEN Q i
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用 ; RC318 为全氟化合物 ,由于较高的温室效应不宜 采用 。 R22 在 冷 凝 温 度 为 60 ℃时 , 压 力 超 过 2
M Pa,超过普通冷凝器的承压能力 。因此 , 研究低环

害且适用于冷凝温度高于 60 ℃ 的水源热泵工质 ,成 为较迫 切 的 研 究 课 题 。由 于 R22 为 含 氢 氯 氟 烃
( HCFCs)类工质 ,在水源热泵中已不能单独使用了 ,

加之对水源热泵工质的一个基本要求为不可燃 , 因 此选 择 R134a、 R124、 R227ea 作 为 研 究 对 象 , 以
R114 作为参照对象 。设定冷凝温度为 50 ~80 ℃, 4

种纯工质的制热性能系数 、 容积制冷量 、 压比随冷凝 温度的变化见图 1 ~3。 由图 1 ~3 可知 : ① 虽然 R134a的制热性能系数

不是最高的 ,但其容积制冷量最高 ,压比 (排气压力 与吸气压力的比 , 压比越小功耗越少 ) 最低 。当冷 凝温度超 65 ℃ , R134a 的排气压力超过 2 M Pa, 时 超过了普通冷凝器的承压能力 。另外 , R134a 不含 氯 ,自身不具备润滑性 , 需加入添加剂提高润滑性 ,

第 28 卷   5 期 第

  气与热力 煤
[4]

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但添加剂在温度过高时易分解

。 R134a 在价格方

R22 作为不可燃工质时 , 可与其形成近共沸混合工

面不占优势 , 但综合考虑 , 在较低的冷凝温度范围 内 , R134a 为首选 。 ②R124 的制热性能系数 、 压比 随冷凝温度的变化与 R114 相近 , 且具有适宜的容 积制冷量 。但是该工质属于 HCFC s类工质 ,面临着 被替代问题 , 且价格和易获取性均不占优势 。 ③
R227ea是作为一种低环害灭火剂开发的 , 具有适宜

质的可燃工质只有 R152a, 但是当冷凝温度超过 60 ℃ ,冷凝压力已达到 2 M Pa,因此在高温水源热泵 时 中的应用受到限制 。 R227ea 作为不可燃工质时 ,与
R142b、 R152a、 R600a 可以组成近共沸混合工质 , 将

这 3 种混合工质与 R410a ( R125 + R32 ) 的制热性能 系数 、 容积制冷量 、 压比随冷凝温度的变化进行比 较 ,见图 4 ~6。冷凝温度的变化范围为 50 ~80 ℃,
4 种混合工质中两种纯工质的质量比为 1 ∶。 1

的容积制冷量和较低的压比 , 但该工质的最大缺点 是其制热性能系数较低 ,从理论循环看 ,比 R114 低
10%左右 , 且供热温度越高 , 制热性能系数差别越

由图 4 ~ 6 可知 : ①冷凝温度在 75 ℃以下时
R410a 的容积制冷量最大 , 压比最小 。但是其制热

大 。压比 小 的 特 性 , 使 其 在 实 际 运 行 中 比 R114、
R124 有更好的容积效率和等熵效率 。

性能系数较低 ,并且在冷凝温度超过 75 ℃ 时已经超 过组元的临界温度 ( 70 ℃) 。在冷凝温度低于 50 ℃ 时可以考虑采用 , 但在中高温条件下不适宜 。 ② 以 R227ea 作为不可燃工质的混合工质 (除 R600a +
R227ea外 ) ,比 R227ea纯工质的制热性能系数和容

积制冷量都明显提高 。其中 R152a + R227ea 的容 积制冷量和制热性能系数提高幅度最大 , 其次是
R142b + R227ea。但 是 当 冷 凝 温 度 在 90 ℃时 , R227ea 作为不可燃工质的混合工质的冷凝压力都
图 1  4 种纯工质的制热性能系数随冷凝温度的变化

在 2 M Pa左右 ,达到了普通冷凝器承压上限 ,因此不 适用于更高的冷凝温度 。

图 2  4 种纯工质的容积制冷量随冷凝温度的变化 图 4  4 种混合工质的制热性能系数随冷凝温度的变化

图 3  4 种纯工质的压比随冷凝温度的变化

2  二元混合工质

图 5  4 种混合工质的容积制冷量随冷凝温度的变化

由于水源热泵工质要求尽量不可燃 , 因此在选 取二元混合工质时 ,其中必须有一种为不可燃工质 。

R124 作 为 不 可 燃 工 质 可 与 R142b、 R152a、 R600a 等可燃工质组成混合工质 。当冷凝压力为 2

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许彩艳 ,等 : 不同冷凝温度下水源热泵工质性能分析  

第 28 卷   5 期 第

图 6  4 种混合工质的压比随冷凝温度的变化

图 9  3 种混合工质及 R124 纯工质压比随冷凝 温度的变化

M Pa 时 ,冷凝温度基本在 90 ℃ 左右 。当冷凝温度在 50 ~80 ℃ 变化时 , 3 种混合工质及 R124 纯工质的

结论 3 
①  适用于水源热泵的纯工质及二元混合工质 只能适用于冷凝温度低于 90 ℃,对于冷凝温度更高 的水源热泵 ,还没有合适的工质 。 ②  对于冷凝温度为 50 ~90 ℃ 的水源热泵 ,当 冷凝温度超过 60 ℃ ,选用 R134a。当对破坏臭氧 时 层潜能值 (ODP )不作严格要求时 , R124 可满足冷凝 温度 低 于 90 ℃的 水 源 热 泵 要 求 。否 则 , 选 择
R227ea, 其理论制热性能系数虽不如前两者 , 但在

制热性能系数 、 容积制冷量 、 压比随冷凝温度的变化 见图 7 ~9。 3 种混合工质中两种纯工质的质量比为
1 ∶。 1

由图 7 ~9 可知 : ①R152a + R124 的容积制冷量 最高 ,其他 2 种混合工质的各种性能适中 ,制热性能 系数一般优于 R227ea 作为不可燃工质的混合工质 。 ② 冷凝温度不宜超过 90 ℃,主要考虑冷凝器的承压 能力 。

实际循环中 , 有望缩小差距 。在不要求 ODP 为 0 时 ,可选择 R142b + R124、 R152a + R124; 否则 , 可选 择 R152a + R227ea。 参考文献 :
[1]  张启 ,梁炎 . 我国地热利用的现状与展望 [ J ]. 江苏科

技信息 , 2002, ( 4 ) : 23 - 26.
[2]  何满潮 ,徐能雄 . 地热能开发利用技术新进展与发展

图 7  3 种混合工质及 R124 纯工质制热性能系数 随冷凝温度的变化

趋势 [ J ]. 地热能 , 2004, ( 1 ) : 7 - 15.
[3]  陈启 ,马一太 ,马利蓉 . 辐射供暖 、 供冷系统冷热源的

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[4]  彦启森 , 石 文星 , 田长青 . 空 气调 节技术 (第 3 版 ) [M ]. 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2004.

作者简介 :许彩艳 (1980 -  ) ,   ,   女 湖南长沙人 ,   助 理工程师、 经济师 ,   大学 ,   从事建设工程招 标及设备采购咨询工作 。 电话 : ( 022 ) 28223891 图 8  3 种混合工质及 R124 纯工质容积制冷量随冷凝 温度的变化
E - ma il: echo_xcy@126. com

收稿日期 : 2007 - 05 - 29;   修回日期 : 2007 - 08 - 30

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