一、引言
随着热泵技术的日趋成熟，各种利用地下水、地表水或工业废热水等为低温热源的热泵技术已经广泛的应用于各种采暖和热水供应系统中。热泵机组的性能系数高低是决定能源利用效率的重要因素。大温差、小流量运行方式可大大减少系统的输配能耗以及管网系统投资。对于常用热泵装置，通常采取的“大温差、小流量”的运行方式在进水温度一定的情况下，会造成热水供水温度的升高和冷水出水温度的降低，从而造成冷凝压力的升高和蒸发压力的降低，导致系统性能系数(COP)减小，能源利用效率降低。基于上述问题，我们希望设计出一种在冷、热源侧均采取大温差、小流量运行，能够将较低的热水回水梯级加热到较高温度的热泵系统，并且系统能源利用效率与常规热泵装置相比得到显著提高的水—水压缩式热泵机组，为此，提出多级串联热泵机组等系统形式，并编程模拟计算其主要性能参数，以指导大温差热泵机组的进一步设计和产品开发。
二、热泵系统优化方案制定与优选
2.1 计算条件及方法
压缩机型号选取某公司半封闭整体式螺杆压缩机，理论排气量910m3/h，根据压缩机样本数据拟合得到其容积效率和指示效率计算公式如下：
其中，为压缩机压缩比，为容积效率， 为指示效率。
各蒸发器和冷凝器的最小传热温差取3℃，假定流出冷凝器的制冷剂液体为饱和液，流出蒸发器的制冷剂过热度为5℃。热水供回水温度分别为55℃和45℃，冷水供回水温度分别为25℃和15℃.工质选为R134a。利用水侧和工质侧的热平衡公式，以及整个系统的热平衡进行模拟计算[3]。
2.2 初步方案制定及内容
如图1(a)，所示为热泵的基本组成单元，称为一级热泵循环系统;如图1(b)，所示为二级热泵循环系统;如图1(c)，所示为三级热泵循环系统。图中符号表示为：K—冷凝器;E—蒸发器;C—压缩机;VC—进入蒸发器入口的冷剂节流装置;1，2，3……n—下标，代表级数。
模拟结果如表1所示，由模拟计算结果可见，由一级热泵循环系统到二级热泵循环系统，COP约提高了15%，而由二级热泵循环系统到三级热泵循环系统，COP仅提高了3%。随着热泵循环系统级数的增加，制热COP增加，但增加幅度减缓，因此，综合考虑经济性，初步认为二级热泵循环系统为优选形式。
2.3 初步方案改进
如图2（a），（b）所示，分别为两级串联加过冷的热泵循环系统和两级串联加过冷及经济器的热泵循环系统。图中符号含义同上，G—经济器；Vg—经济器节流装置。
即在两级串联热泵机组基础上加入过冷器、经济器改进而成。即每台热泵机组由单独的压缩机、冷凝器、蒸发器、过冷器、节流装置等组成，分别形成单独的工质循环回路。第一级冷凝器与两级冷凝器出口的过冷器热水管路并联后，再与第二级冷凝器热水管路相互串联，即热水回水被逐级加热升温后送出；各级蒸发器冷水管路相互串联，即将各级蒸发器中用以换热的进水管和出水管前后段相互串联构成一个连通的进出回路，共享一个水系统，冷水逆次通过两级蒸发器后被逐级冷却后送出。
模拟两种工况的COP为5.28和5.41，相对于单纯的两级串联热泵循环系统，COP提高了9%和12%，可见，过冷器，经济器的使用可进一步提高热泵的性能系数。
三、结论
1.综合系统形式以及经济性的考虑，二级串联热泵循环系统为优选形式。能够将较低的热水回水梯级加热到较高的温度，冷水则按照与冷却水升温相反的方向梯级降温，加大了热水和冷水在热泵进、出口的温差，使其按大温差、小流量运行；两级串联压缩式热泵机组性能的改善主要体现在：
a)冷却水升温方向与冷冻水的降温方向相反，降低了蒸发器和冷凝器的温差，减少了不可逆传热损失，机组整体的性能系数得到提高；
b)采用两级串联的方式，可以根据不同温升段的工况选取不同的热泵单元，保证每台压缩机在其高效工况下运行；
c)两级之间制冷剂不进行掺混，形式相对简单，从根本上解决了制冷剂掺混中的回油问题；
d)冷水温度梯级降低，热水温度梯级升高，减小了蒸发端和冷凝端的传热温差，减小了不可逆传热损失；
e)冷冻水和冷却水的供、回水温差增大，降低了系统的输配能耗以及管网系统投资。
2.过冷器，经济器的使用可进一步提高热泵的性能系数。与单纯的两级串联压缩式热泵相比，热泵机组的性能系数有了进一步提高，因此系统综合能源利用效率与经济性比普通热泵机组大大提高。
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