引言工业用热需求日益增加，若能利用高温热泵技术回收大量工业余热，产生120 ℃的以上热源，可节约大量高品质能源[1-3]。然而单级高温热泵在提升温度超过65 ℃时，经济性及可推广性较差[4-6]。复叠式热泵可分担压缩比，工作性能更好，发展潜力巨大[7-9]。选择合适的循环工质对高温热泵技术的应用和推广起着至关重要的作用，因此对循环工质的研究是一项重要的课题[10]。高温热泵工质的研究主要集中在纯工质与混合工质两方面，由于存在温度滑移特性，混合工质相比纯工质具有显著性能优势[11-13]。Zhang[14]等对混合工质M1A、M1B、M1C在冷凝温度范围70~90 ℃，提升温度为45 ℃的情况下进行试验，并与R245fa进行对比，得出工质M1B的各种参数最佳。郭涛[15]等采用理论分析，对几种常见的HCFCs工质及其混合工质在冷凝温度为60~90 ℃工况下，进行理论循环性能对比研究。结果表明，系统COP优于常见的中高温工质R245fa。Li[16]等搭建复叠式高温热泵实验台，选用BY-6与BY-3B分别作为高、低温级工质，从50 ℃热源吸热，冷凝器出水温度达到170 ℃。庄绪成[17]等利用螺杆式高温热泵实验台，以混合工质R134a/R245fa（3∶7）和纯工质R245fa为研究对象，研究高温工况下两种工质循环性能。杨卫卫[18]等研究R245fa与其他高温工质混合在高温热泵系统中的性能表现，得出出水温度为80 ℃时，采用R245fa/R161(7∶3)系统综合性能最优。Li[19]等将R245fa、R600、R600a、R600/R245fa(0.028 3∶0.971 7)几种工质进行理论分析和试验研究。结果表明，在中高温区，混合工质R600/R245fa的性能优于其余几种纯工质；在蒸发器进水温度为50 ℃、冷凝器出水温度为95 ℃时，COP达到3.3。综合现有研究发现，目前选择热力参数和循环性能优良的工质作为复叠式高温热泵各级循环工质的试验研究相对较少。本研究选择ODP为0和较低GWP的R245fa作为复叠式高温热泵系统的高温级循环工质，将R134a、R245fa两种工质按不同质量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4)混合后的非共沸工质作为复叠式高温热泵系统的低温级循环工质。利用复叠式高温热泵实验台，研究不同滑移温度混合工质应用于复叠式热泵系统低温回路的热泵机组性能，筛选循环性能最优的工质组合，为非共沸混合工质热泵机组工质的选择提供参考。1非共沸工质的物性选取低温级循环混合工质时，首选可在高冷凝温度工况下运行且部分性能参数优良的纯工质作为基础，其次选取用于混合改善基础工质性能的工质作为添加组元。依据设计工况，对当前常用工质和替代工质进行筛选，通过对工质热力学、物理化学、安全环保性能和经济性的综合分析，以此为基准选取两种工质R134a和R245fa，主要物性参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.T001表1R134a和R245fa主要物性参数工质标准沸点/℃临界温度/℃临界压力/MPaODPGWPR134a-26.5101.14.0601 300R245fa15.1154.03.650790R134a单位容积制热量较高、制热能力好，但在中高温工况下的冷凝压力较高。当冷凝温度为80 ℃时，R134a的冷凝压力超过2.5 MPa，若继续提高温度，冷凝压力可能达到机组的最大承压，因此R134a无法满足更高温度的要求。相对R134a，R245fa冷凝压力及排气温度低、COP高，缺点在于单位容积制热量偏低，容易造成相同制热量下所需的压缩机体积较大。将两种工质按合适的比例混合，可实现优势互补（在制热量略有减小的情况下，提高系统的制热系数）。由于两种工质沸点相差较大，混合物是非共沸混合工质，按合适比例混合，利用其性能优势互补和相变过程中的温度滑移特性，可有效降低换热器中温差传热不可逆损失、提高可用能效率、弥补纯质性能上的不足。2复叠式高温热泵系统制热性能试验2.1试验系统简介复叠式高温热泵热水系统由4个独立循环系统构成：低温热源水循环系统、低温工质循环系统、高温工质循环系统以及高温冷源水循环系统。采用一个可调节水温的电加热水箱模拟热源，经过两级热泵循环，将热量输送到需热端，系统流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F001图1复叠式高温热泵热水系统流程低温热源水在低温蒸发器侧将热量传给低温级工质后回到水箱，由电加热器持续加热；高温冷却水在高温冷凝器侧吸收热量后经过风机盘管放热，继续回到循环中吸热。2.2试验内容利用搭建的复叠式高温热泵试验系统，通过控制低温热源在低温蒸发器侧入口温度分别为20 ℃、30 ℃、40 ℃，温差值保持在2 ℃以内，模拟热泵实际的运行情况。待机组运至高温级冷凝器出水温度超过100 ℃时，对数据进行详细记录分析。本试验选择不同质量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4)的R134a/R245fa混合物作为低温级的循环工质，选择R245fa作为高温级循环工质进行试验。基于试验装置实测的温度、压力、水流量和压缩机输入功率等数据可以计算系统的制热量（Qcond）、制热性能系数（COP）、吸热量（Qevap），计算如下：Qcond=Cp,w×mc,wtc,w,out- tc,w,in (1)Qevap=Cp,w×me,wte,w,in- te,w,out (2)W=PH+PL (3)COP=QcondW (4)式中：mc,w——高温水的循环流量，kg/s；Cp,w——水的比定压热容，kJ/(kg·℃)；tc,w,out——高温水循环系统离开高温冷凝器的温度，℃；tc,w,in——高温水循环系统进入高温冷凝器的温度，℃；me,w——低温水的循环流量，kg/s；te,w,in——低温水循环系统进入低温蒸发器的温度，℃；te,w,out——低温水循环系统离开低温蒸发器的温度，℃；PH——高温压缩机的功耗，kW；PL——低温压缩机的功耗，kW；W——压缩机总功耗，kW。3复叠式热泵系统性能分析3.1改变低温水源温度时系统循环性能分析以制取的高温热水温度为定量、以低温水源温度为变量，通过改变低温水源温度制取相同温度高温热水的方法得出系统COP、制热量、吸热量、低温级冷凝压力，分析系统性能。低温水源温度分别选择20 ℃、30 ℃、40 ℃，制取的高温热水温度选择120 ℃。COP随低温水源温度的变化趋势如图2所示。系统COP随低温水源温度的升高整体呈上升趋势。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F002图2COP随低温水源温度的变化趋势由于压缩机输入功率减小，而制热量增加，导致COP提高2%~14%。根据R134a/R245fa的性质，蒸发时存在温度滑移，理想状态下接近洛伦兹循环，同时蒸发冷凝过程混合物中组分比例的改变引起混合工质的密度、比容等发生改变，使系统可进行能量的无级调节，当制热量略有减小的情况下，提高系统的制热系数。在各低温水源温度下，均为当低温级工质为R134a/R245fa(8∶2)时，系统COP最大；当低温水源为40 ℃时，系统COP最大为2.54。制热量随低温水源温度的变化趋势如图3所示，系统制热量随低温水源温度的升高整体呈上升趋势。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F003图3制热量随低温水源温度的变化趋势水温每升高10 ℃，制热量增大8%~56%。当低温级工质为R134a/R245fa(8∶2)、低温水源为40 ℃时，系统制热量最大，为9.62 kW。当低温水源为20 ℃时，低温级工质采用这几种混合工质对系统制热量的影响较小，制热量均在5.1~5.6 kW之间；当低温水源为30 ℃、40 ℃时，制热量最大时采用的低温级工质为R134a/R245fa（8∶2)，制热量最小时采用的低温级工质为R134a/R245fa(6∶4)。吸热量随低温水源温度的变化趋势如图4所示。系统吸热量随低温水源温度的升高而升高，当低温级工质为R134a/R245fa(9∶1)、低温水源为40 ℃时，系统吸热量最大，为5.91 kW。在低温级工质中，随着R245fa配比的增加，吸热量呈减小趋势，原因是混合工质的单位容积制热量降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F004图4吸热量随低温水源温度的变化趋势低温压缩机排气压力随低温水源温度的变化趋势如图5所示，低温级压缩机排气压力随低温水源温度的升高而升高。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F005图5低温压缩机排气压力随低温水源温度的变化趋势当水源温度为40 ℃时，排气压力最大可达到2.43 MPa，即将超过机组的承压上限，这也限制了出水温度和蒸发温度的继续升高，此时采用的低温级工质为R134a/R245fa(9∶1)。由于R134a/R245fa工质的性质，低温压缩机的排气压力随低温级工质中R245fa组分的增加而降低8%~42%，R134a/R245fa工质拥有应用于更高温度工况的潜质。R134a/R245fa混合工质作为低温级循环工质，可得到较低的冷凝压力，但随R245fa占比的增加，系统制热量、吸热量存在不同程度的降低。综合各项评价指标，在上述工况下，低温级工质选用混合工质R134a/R245fa(8∶2)、高温级工质为R245fa时，系统具有较高的制热系数和较大的制热量，低温级压缩机排气压力在可接受的范围内，综合性最优。3.2相同温升、不同工况下系统循环性能分析在低温水源温度分别为20 ℃、30 ℃、40 ℃，制取热水温度分别为110 ℃、120 ℃、130 ℃，低温级工质分别为不同配比的R134a/R245fa混合工质，高温级工质为R245fa的条件下，逐一进行循环性能对比试验，考察混合工质在不同温区运行时系统的循环性能，工况编号如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.T002表2不同试验工况下系统循环性能工况编号低温水源温度制取热水温度120110230120340130℃需要说明的是，由于工况3的蒸发温度较高，受低温级冷凝压力的限制，低温级工质采用R134a/R245fa(9∶1)时的冷凝侧最高出水温度未达到130 ℃，故缺少一组数据。COP随工况的变化情况如图6所示。工况1时不同配比的低温级工质对系统COP影响不大，COP均在2.13~2.38之间。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F006图6COP随工况的变化工况2时，低温级工质配比为R134a/R245fa(8∶2)时系统COP最大，最大值为2.52，低温级工质为R134a/R245fa(9∶1)时系统COP最小，最小值仅为2.13。工况3时，系统COP最高仅为2.17。制热量随工况的变化如图7所示。工况1时，低温级工质配比为R134a/R245fa(9∶1)时，系统制热量最大为7.34 kW，其余几种配比的工质作为低温级工质时，制热量不同程度地减小，最小为5.16 kW。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F007图7制热量随工况的变化工况2时，低温级工质配比为R134a/R245fa(9∶1)时，具有显著优势，系统制热量最大为8.11 kW，低温级工质为R134a/R245fa(6∶4)时，系统制热量最小，仅为5.38 kW。工况3时，系统制热量集中在6.89~7.25 kW之间，采用这几种工质作为低温级工质对系统的制热量影响不大。吸热量随工况的变化如图8所示。系统吸热量随循环温度区间的升高，先增大后减小。采用不同配比的工质作为低温级工质时，系统吸热量最大均在工况2的情况下，最大可达4.85 kW。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F008图8吸热量随工况的变化压缩机排气压力对压缩机的运行效率影响较大，低温压缩机排气压力随工况变化如图9所示。随工况的变化，低温级压缩机排气压力逐步升高，在工况3情况下，排气压力最大可达到2.46 MPa，即将超过机组承压上限。在各试验工况下，低温压缩机的排气压力随低温级工质中R245fa组分的增加而降低23%~42%，表明R245fa占比较多的混合工质拥有应用于更高温度工况的潜质。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.010.F009图9低温压缩机排气压力随工况的变化综合以上分析，R134a/R245fa混合工质作为低温级循环工质，在工况2下表现较好，且低温级工质为R134a/R245fa(8∶2)、高温级工质为R245fa时，系统制热系数、制热量较高，且低温级压缩机排气压力仍在可接受的范围内，综合性能最优。4结语对非共沸混合工质R134a/R245fa物性进行分析，并利用搭建的复叠式高温热泵试验系统。选择R245fa、不同质量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4)的R134a/R245fa，分别作为高、低温级循环工质，在不同工况下进行试验研究，得到以下结论：（1）R134a/R245fa为非共沸混合工质，按合适的比例混合，可弥补纯质性能上的不足。（2）改变低温水源温度（20 ℃、30 ℃、40 ℃），固定制取高温热水温度为120 ℃时，低温级工质选用混合工质R134a/R245fa(8∶2)，高温级工质为R245fa，系统具有较高的制热系数和较大的制热量，在低温水源为40 ℃时，COP可达2.54、制热量为9.62 kW，且低温级压缩机排气压力在可接受的范围内，综合性最优。（3）采用R134a/R245fa混合工质作为低温级循环工质，在循环温升为90 ℃时，系统在低温水源温度为30 ℃、制取热水温度为120 ℃工况下，综合性能较好。当低温级工质为R134a/R245fa(8∶2)、高温级工质为R245fa时，系统制热系数、制热量较高，低温级压缩机排气压力在安全范围内，推荐R134a/R245fa(8∶2)为该工况下的低温级混合工质。