231几种制冷工质在太阳能热泵系统中应用的比较

几种制冷工质在太阳能热泵系统中应用的比较山东大学制冷与低温研究所方金升赵红霞韩吉田摘要：太阳能热泵技术是一种很好的利用能量的手段，它把热泵技术与太阳能热利用技术结合可以提高太阳能集热器效率和热泵系统性能，在一定程度上克服了太阳能利用的一些困难。本文以济南某工程实例为模板，对太阳能热泵地板采暖系统中的几种常用的制冷工质R22，R290，氨，CO2的实用性进行了探讨，运用coolpack软件对这几种制冷工质应用在系统中的性能参数进行了理论计算，并做了简单的对比讨论，以期为实际工程应用提供一定的参考。关键词太阳能热泵制冷工质coolpack1.引言太阳能是一种可再生的清洁能源,具有储量的“无限性”、存在的普遍性、利用的清洁性和经济性等诸多优点，已得到广泛的应用。在目前的技术发展水平下,太阳能利用主要领域是太阳能热发电（能源产出）和建筑用能（终端直接用能），包括采暖、空调和热水，主要应用是太阳能热水系统、太阳灶、太阳房、太阳能空调系统、太阳能热发电、太阳能海水淡化[1]。太阳能热泵一般是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，把热泵技术与太阳能热利用技术结合不仅能够有效地克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，而且可以达到节约高位能和减少环境污染的目的。根据太阳集热器与热泵蒸发器的组合形式，可分为直膨式和非直膨式。同传统的太阳能直接供热系统相比，太阳能热泵的最大优点是可以采用结构简易的集热器，集热成本非常低，供热性能系数更高，同时对生态环境几乎没有影响。但也存在着系统初投资较高，受外部环境影响较大，系统的可靠性等问题。低温地板辐射采暖是一种较为舒适的采暖方式，室内温度均匀，且室温由下往上随着高度的增加温度逐步下降，符合人体生理需求。地板辐射采暖的供暖原理为辐射导热，与空调、暖气等通过强制对流循环热风供暖相比，空气中灰尘流动要小的多，减少了空气中有害病菌的蔓延，室内环境更加卫生清洁。地板辐射供暖方式较对流供暖方式热效率高，热量集中在人体受益的高度内，室内设定温度即使比对流式采暖方式低2～5℃,也能使人们有同样的温暖感觉,所以温差传热损失会大大减小，所需热源温度较低，因此可以利用余热水、太阳能、地热等各种低温热源。将太阳能热泵用于地板采暖，可以充分利用太阳能低温热源，系统运行稳定，效率高，是目前人们应用研究的热点。2.国内外研究现状太阳能与热泵联合运行的思想，最早是由Jordan和Threlkeld在20世纪50年代的研究中提出的[2]。随后，在日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能热泵进行了深入的研究和开发，在各地实施了多项太阳能热泵示范工程，并取得了一定的经济效益和良好的社会效益[3-5]。在产业化发展方面，美国的SolarKing系列太阳能热泵供热设备以及澳大利亚的Quantum系列太阳能热泵热水器等就是比较典型的产品范例。我国对太阳能热泵的研究起步较晚，自上世纪90年代后期，太阳能热泵供暖才开始被一些高校关注。天津大学对串联式太阳能热泵供热水系统进行了试验研究和理论分析,结果表明,该系统可以一年四季可靠运行,向用户提供50℃的热水。COP达到2.64～2.85(冬季),2.61～3.5(夏季)[6]。天津大学还研究了以R134a作为工质的直接膨胀式太阳能热泵的性能,热泵系统性能系数可达到4.0～6.5,其太阳能集热器的集热效率在70%～78%范围内[7]。青岛理工大学热泵实验室建立了太阳能热泵实验台,并对太阳能热泵系统冬季启动热泵供暖进行实际测试。实验台主要由热泵机组、集热器、蓄热器、测量控制系统和实验房间组成。其实验结果表明热泵机组的供热系数平均值达到2.71,具有明显的节能效果[8]。哈尔滨工业大学对太阳能热泵系统的各种不同运行工况进行了分析研究，得出动态运行工况下总集热量和集热效率较静态运行工况分别提高23.1%和22.7%的结论[9]。上海交通大学建立了直膨式太阳能热泵供热水系统实验台,结果表明该系统在各种天气情况下均能够可靠地生产50℃的生活热水,说明其热性能较为稳定,且具有明显的节能效果。做出的直膨式太阳能热泵热水器实验样机,在室内模拟光源0～1000W/m2下,可得出热水平均加热功率为1.04kW,热泵平均COP为4.18[10]。上海水产大学采用层次分析法对不同类型的太阳能热泵进行了综合评价,确定了评价指标,并建立了太阳能热泵综合评价的层次结构模型,对太阳能热泵系统设计时系统形式的选择和系统运行效果综合评价均具有一定借鉴意义[11]。此外，张喜明设计了太阳能热泵地板辐射供暖系统[12]，周恩泽进行了太阳能热泵地板辐射供暖系统的实验研究[13]，崔俊奎、赵军等人对中高温热泵辅助太阳能三联供系统进行了实验研究[14]。这些研究成果充实了太阳能热泵理论，为太阳能热泵系统的设计和研究提供了有益的指导经验。目前，由于系统初投资较大等原因，相应的技术手段还不成熟，太阳能热泵技术的利用还没有普及，研究和开发新型的太阳能热泵低温地板辐射供暖系统，不断提高其可靠性和经济性，逐步实现太阳能装置的实用化和商品化具有深远的意义。本文通过工程实例结合理论计算，简单对比分析了几种常用制冷剂在太阳能辅助热泵地板采暖中应用的性能优劣，以期为实际工程应用提供一定得参考价值。3.工程实例本文对济南某办公楼进行太阳能-热泵地板采暖设计，采用了非直膨式太阳能热泵，办公楼供暖面积为298.62m2，所需热量28.4kW,选取一定的放大系数，则可按照30kW的供热量设计。系统原理如图1，图1太阳能-热泵地板采暖设计示意图太阳能工况的确定：地板采暖所需供水45℃，回水35℃，按照5-8℃的温差设计，则冷凝温度在50-53℃之间。因为水水换热，温差可相对小一些，按照冷凝温度Tk=50℃设计。蒸发温度：自来水温度一般在15℃，太阳能储水箱温度可设定维持在15℃，蒸发温度可取5℃，则蒸发器水侧进口温度15℃，回水温度To=10℃。如果机组安装在楼顶上，则过冷度可取为Tsub=2℃。过热度Tsup可取8℃。4.几种制冷工质的比较当前为应对全球变暖，CFCS和HCFCS已经淘汰或者即将被淘汰，替代工质的研究已经取得长足发展，在热泵领域常用的替代工质有R290，氨，CO2和混合工质。混合工质由于其特殊性，和其他工质相关性质进行比较相当复杂，工程技术上还不成熟，因此本文只对R22，R290，氨，CO2进行比较。Coolpack是TechnicalUniversityofDenmark公司出品的制冷剂性能及循环研究的软件，具有各种制冷剂的物性程序，各种载冷剂的物性程序，湿空气物性程序和还有很多循环分析工具，可以用来设计、计算、分析、优化制冷系统。本文运用coolpack软件，对这几种常用制冷剂作为此系统工质进行理论计算，结果见表2表1制冷工质性质[15]制冷工质氨R22R290CO2分子式NH3CHClF2CH3CH2CH3CO2ODP00.05500GWP0170031临界温度（℃）132.496.096.731.1临界压力（MPa）11.524.9744.257.372凝固点温度（℃）-77.7-160-187.7-56.55标准沸点（℃）-33.35-40.8-42.2-78.4安全等级评价A3A1A3A1表2制冷工质计算结果对比制冷工质氨R22R290CO2制热量（KW）30303030制冷量（KW）23.723.4223.321.997压缩机效率0.70.70.70.7压缩机功率（KW）6.9057.1117.187.694压缩机排气温度（℃）156.095.472.3104.3压比4.0633.4193.1512.532COP3.4323.2933.2452.859当前技术最成熟的还是R22，但是根据《蒙特利尔议定书》，中国要于2030年完全淘汰HCFCS类制冷剂，并于2013年冻结HCFCS类制冷剂的消费和生产。因此，从长远角度来看，R22只能作为一种对比而存在，它的替代势在必行。4.1氨氨作为一种天然制冷剂，具有良好的热力性质和热物理性质，单位容积制冷量大，粘性小，流动阻力小，比重大，传热性能好，价格低廉，容易获得，而且ODP和GWP均为零，是一种环境友好型制冷剂。从上表中，我们可以看到，氨的临界压力和临界温度都要比R22高出许多，使其工作范围可以比R22大20%，可在较高的热源温度和冷源温度下实现亚临界循环，在冷凝温度达到50℃时，其COP仍高达3.432，这样它的压缩机和换热器可以更小，节省材料和空间。氨有很好的吸水性，即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结，故系统内不会发生“冰塞”现象[16]。氨的主要缺点是毒性大，易燃、易爆，少量与空气混合即为有害气体，对系统的安全可靠性要求很高。绝热指数较大（K=1.4）使其排气温度较高，上表中156.0℃的排气温度远远高于R22（95.4℃），R290（72.3℃）和CO2（104.3℃），为保证润滑油的润滑特性，必须采用相应的冷却措施。氨难溶于润滑油，易使电磁阀失灵；纯氨不腐蚀钢铁，但含水分时对铜及其合金有腐蚀作用。主要应解决的问题有以下四方面：①研制不泄漏的封闭式氨压缩机。②发展紧凑型氨冷水机组和压缩-冷凝机组。③小型分散化。④充实安全措施。4.2R290丙烷(R290)是碳氢化合物的一种，具有碳氢化合物制冷剂的共同特点：凝固性好，与水不起化学反应，不腐蚀金属，溶油性好，易于获得，价格便宜。从上表中可以看到，在相同的条件下，与R22相比，COP（3.245）没有明显减少，而压缩机排气温度和压缩比却大大降低，综合性能比R22有更多的优越性。R290的最大缺点是在空气中的可燃性，在一定条件下可以燃烧，甚至爆炸，因此安全性一直被认为是影响其应用的主要障碍。世界各国对于可燃制冷剂立场和态度也有很大不同，在能否使用、使用场合以及最大允许充注量等问题上存在较大分歧。我国国家标准GB9237-2001则明确规定不允许在家用空调采用可燃制冷剂。对于密闭式制冷系统，在目前的几个标准中都认为如充灌量小于150g就不限制其使用，R290完全可以控制其安全性，使之达到合理、可靠的安全标准。如果保护措施得当R290将是R22十分理想的替代物。4.3CO2CO2作为制冷剂可以追溯到20世纪初，是一种对环境无毒、无害的自然工质，其消耗臭氧潜能值ODP＝0，其温室效应潜能值GWP＝1，具有良好的安全性和稳定性，高温下不分解产生有害气体，单位容积制冷量高，运动粘度底，导热系数高等特点。前国际制冷学会主席Lorentzen在1994年提出了CO2跨临界循环理论,，指出若采用跨临界循环，CO2可以用于汽车空调和热泵领域，系统性能系数与常规空调的相比仍然具有竞争力，运用在热泵领域CO2在气体冷却器中较大的温度变化，正好适用于水的加热，从而达到小的热传递损失和高效率。但其系统与目前的常规系统有很大不同，还需要一定的时间进行研究和开发。由于系统处于跨临界条件下运行，其放热压力高达9-10MP，必须考虑系统承受高压的性能、高压保护、压缩机的选择、润滑油的选择等一系列问题。由于冷凝器出口端与蒸发端压差大，因此如何设计出高效率的膨胀过程，是另一个应用的关键问题。其他如高压系统的动态特性掌握、高压负荷运转的振动噪声控制，也是研究CO2压缩机所面临的重要技术课题[17-18]。5.结束语通过对各种制冷工质的热物性的分析和理论计算，我们可以发现，目前还很难找到一种“完美”的制冷工质。算例中，氨的COP最高，可以达到3.432，比CO2高出20%，可以使系统的结构更为紧凑，但是，伴随的是其压缩机高达156.0℃的排气温度和4.063的压比；R22作为一种应用成熟的制冷剂，各种性能参数较为适中，但是受制于《蒙特利尔议定书》，只能作为一种对比而存在；从理论计算得出的性能参数上看，与R22相比，R290的COP没有明显减少，而压缩机排气温度和压缩比却大大降低，综合性能更优越，但是其安全性一直被认为是影响其应用的主要障碍。作为R22的替代工质，氨、R290和CO2各有其优点，同时也有着不可忽视的缺点，我们建议实际工程中制冷工质的选