大功率二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能

羅會(huì)龍，林辯啟，杜培儉，楊曉川，馬瑞芳，向開根

（1 昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2 昆明東啟科技股份有限公司，云南 昆明 650106）

引 言

作為氟利昂類制冷劑的一種替代工質(zhì)，CO2因其安全(不可燃、無(wú)毒)、易獲取、環(huán)保(ODP=0，GWP=1)和優(yōu)良的熱物理性質(zhì)日益受到重視[1]。在跨臨界CO2循環(huán)中，其溫度滑移較大。對(duì)于CO2熱泵熱水器制熱循環(huán)，該溫度滑移可以與熱水的溫升相匹配，可減少傳熱過(guò)程中的有效能損失，從而獲得較高的性能系數(shù)[2-3]。此外，CO2跨臨界循環(huán)熱泵系統(tǒng)具有較高的排氣溫度，使其在熱泵熱水器應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4-6]。

自20 世紀(jì)90年代Lorentzen 提倡使用自然工質(zhì)以應(yīng)對(duì)環(huán)境危機(jī)以來(lái)，CO2熱泵熱水器逐漸成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[7-13]。早在2001年日本已開始小功率CO2熱泵熱水器的商業(yè)化銷售[14]。國(guó)內(nèi)天津大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也相繼開展了CO2熱泵的研究，研制了小功率的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并獲得了較高的熱水溫度及性能系數(shù)[15-18]。但對(duì)于大中型CO2熱泵，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟機(jī)型[19-20]。

我國(guó)大部分地區(qū)的氣候條件均適宜CO2熱泵熱水器的應(yīng)用。開發(fā)大功率CO2跨臨界循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)CO2跨臨界循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)工程化應(yīng)用具有重要意義。在此種背景下，本研究構(gòu)建了一種帶回?zé)崞?、跨臨界循環(huán)的大功率CO2熱泵熱水系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響，并在昆明地區(qū)各種典型氣候條件下測(cè)試分析了系統(tǒng)的日平均性能。

1 大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及構(gòu)建

1.1 大功率跨臨界循環(huán)CO2 熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CO2熱泵熱水系統(tǒng)由壓縮機(jī)、CO2氣體冷卻器、蒸發(fā)器、儲(chǔ)液罐、毛細(xì)管和油冷器、循環(huán)水泵、熱水箱等部件組成，其系統(tǒng)組成如圖1 所示。在該CO2熱泵熱水系統(tǒng)中，CO2氣體冷卻器采用二級(jí)冷卻套管式氣體冷卻器，并設(shè)置回?zé)崞?，以?qiáng)化CO2的冷卻效果，從而提高系統(tǒng)的熱力性能。毛細(xì)管作為節(jié)流裝置已在各類小型熱泵系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的毛細(xì)管節(jié)流裝置難以適應(yīng)工況變化范圍較大的應(yīng)用場(chǎng)合。該CO2熱泵熱水系統(tǒng)采用雙毛細(xì)管并聯(lián)組合節(jié)流裝置，可適應(yīng)全年不同工況下對(duì)制冷劑流量與壓降的要求，以克服傳統(tǒng)毛細(xì)管節(jié)流裝置的局限。

1.2 大功率跨臨界循環(huán)CO2 熱泵熱水系統(tǒng)構(gòu)建

采用兩臺(tái)CO2高壓壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，構(gòu)建了名義制熱量（環(huán)境溫度20℃，CO2氣體冷卻器冷水入口溫度15℃，制熱溫度60℃）為175 kW 的CO2跨臨界循環(huán)熱水系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖2所示。CO2高壓壓縮機(jī)選用半封閉往復(fù)式壓縮機(jī)，其額定功率為25.0 kW。

圖1 CO2 熱泵熱水系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Schematic diagram of CO2 heat pump hot water system

圖2 CO2 熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

2 氣候參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

2.1 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖3 所示。由圖可知，在環(huán)境溫度低至-15℃時(shí)系統(tǒng)仍能穩(wěn)定地運(yùn)行，其性能系數(shù)（COP）約為2.57，制熱功率為126 kW，表明該系統(tǒng)具有良好的低溫性能。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，隨環(huán)境溫度升高系統(tǒng)的COP 及制熱功率均迅速增大。其原因在于，一方面壓縮機(jī)吸氣壓力與溫度均隨環(huán)境溫度升高而上升，導(dǎo)致CO2質(zhì)量流量增加，制熱功率隨之增大，另一方面壓縮機(jī)吸氣口CO2比焓隨環(huán)境溫度升高而增大，但排氣壓力增加較少，導(dǎo)致單位質(zhì)量CO2的壓縮功減少，因而COP 快速上升。當(dāng)環(huán)境溫度高于15℃時(shí)，COP隨溫度升高增加較緩慢。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)CO2質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度上升而增加的幅度相對(duì)較小。此外，當(dāng)環(huán)境溫度高于5℃時(shí)，系統(tǒng)的COP 大于3.84，制熱功率均超過(guò)160 kW。與采用其他工質(zhì)的熱泵熱水器相比，CO2熱泵熱水系統(tǒng)具有優(yōu)良的熱力性能。

壓縮機(jī)排氣壓力隨CO2環(huán)境溫度的變化如圖4所示。由圖可知，隨環(huán)境溫度升高壓縮機(jī)的排氣壓力相應(yīng)升高。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，壓縮機(jī)的排氣壓力的變化較小。當(dāng)環(huán)境溫度高于35℃時(shí)，受壓縮機(jī)功率的限制，隨環(huán)境溫度升高壓縮機(jī)的排氣壓力變化很小。此外，在CO2氣體冷卻器入口水溫15℃、出口水溫60℃的條件下，隨著環(huán)境溫度的變化，系 統(tǒng)的熱水流量在0.667～0.974 kg·s-1之間。

圖3 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.3 Effects of ambient temperature on performance of CO2 heat pump hot water system

圖4 壓縮機(jī)排氣壓力隨環(huán)境溫度的變化Fig.4 Varation of compressor discharge pressure with ambient temperature

2.2 CO2 氣體冷卻器入口水溫對(duì)系統(tǒng)性能的影響

CO2氣體冷卻器入口水溫對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖5 所示。由圖可知，隨CO2氣體冷卻器入口水溫上升系統(tǒng)的COP 及制熱功率均相應(yīng)降低。這是由于CO2氣體冷卻器中CO2出口溫度隨CO2氣體冷卻器入口水溫上升而上升，CO2的比焓相應(yīng)增加，而CO2氣體冷卻器中CO2入口處的溫度及比焓不變，因而系統(tǒng)的制熱功率下降，同時(shí)壓縮機(jī)消耗的壓縮功近似不變，故系統(tǒng)的COP 也相應(yīng)降低。與采用其他工質(zhì)的熱泵熱水器相比，冷水入口溫度對(duì)CO2熱泵熱水系統(tǒng)性能的影響較大。其原因在于，對(duì)于CO2跨臨界制熱循環(huán)，CO2氣體冷卻器中CO2出口處的比焓隨CO2氣體冷卻器入口水溫上升而增加的幅度較大。而采用其他工質(zhì)的亞臨界循環(huán)熱泵熱水器，冷凝器出口的工質(zhì)為飽和液體或過(guò)冷液體，冷凝器中工質(zhì)出口的比焓隨冷凝器入口水溫上升而增加的幅度相對(duì)較小。此外，當(dāng)CO2氣體冷卻器入口水溫超過(guò)25℃時(shí)，系統(tǒng)的COP 及制熱功率衰減較迅速。因此，從提高系統(tǒng)熱力性能的角度出發(fā)，為降低CO2氣體冷卻器入口水溫，CO2熱泵熱水系統(tǒng)宜采用直熱式系統(tǒng)。

圖5 CO2 氣體冷卻器入口水溫對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.5 Effects of gas cooler entrance water temperature on performance of CO2 heat pump hot water system

壓縮機(jī)排氣壓力隨CO2氣體冷卻器入口水溫的變化如圖6 所示。由圖可知，隨CO2氣體冷卻器入口水溫升高壓縮機(jī)的排氣壓力相應(yīng)升高。與環(huán)境溫度的影響相比，CO2氣體冷卻器入口水溫對(duì)壓縮機(jī)排氣壓力的影響相對(duì)較小。此外，在環(huán)境溫度20℃、CO2氣體冷卻器出口水溫60℃的條件下，隨著CO2氣體冷卻器入口水溫的變化，系統(tǒng)的熱水流量在0.788～1.127 kg·s-1之間。

圖6 壓縮機(jī)排氣壓力隨CO2 氣體冷卻器入口水溫的變化Fig.6 Varation of compressor discharge pressure with gas cooler entrance water temperature

2.3 制熱溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

制熱溫度（CO2氣體冷卻器出口水溫）對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖7 所示。由圖可知，當(dāng)制熱溫度低于85℃時(shí)，隨制熱溫度升高CO2熱泵熱水系統(tǒng)的COP 及制冷功率均下降，但降幅較小。其原因在于，對(duì)于CO2跨臨界制熱循環(huán)，當(dāng)蒸發(fā)溫度及CO2氣體冷卻器入口水溫不變時(shí)，隨著CO2氣體冷卻器出口水溫（制熱溫度）的上升，一方面壓縮機(jī)的排氣壓力與溫度均升高，導(dǎo)致CO2質(zhì)量流量減小，另一方面，在臨界點(diǎn)以上，隨壓縮機(jī)排氣壓力升高壓縮機(jī)排氣口CO2比焓小幅增加，單位質(zhì)量CO2的壓縮功相應(yīng)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的COP 小幅下降。單位質(zhì)量CO2的制熱量隨壓縮機(jī)排氣口CO2比焓增加而增加。與壓縮機(jī)排氣口CO2比焓增加的影響相比，CO2質(zhì)量流量減小對(duì)系統(tǒng)制熱功率的影響更大，因而系統(tǒng)的制熱功率小幅下降。在制熱溫度為85℃時(shí)，系統(tǒng)的COP 及制熱功率仍分別可達(dá)3.66 及173 kW。與采用其他工質(zhì)的熱泵熱水器相比，CO2熱泵熱水 系統(tǒng)具有優(yōu)良的高溫性能。當(dāng)制熱溫度高于85℃時(shí)，隨制熱溫度升高CO2熱泵熱水系統(tǒng)的COP 及制熱功率均明顯下降。其原因在于，當(dāng)CO2氣體冷卻器出口水溫高于85℃時(shí)，壓縮比過(guò)高，導(dǎo)致CO2質(zhì)量流量下降幅度較大，同時(shí)單位質(zhì)量CO2的壓縮功亦相應(yīng)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)制熱功率及COP 下降幅度較大。

圖7 制熱溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.7 Effects of hot water temperature on performance of CO2 heat pump hot water system

壓縮機(jī)排氣壓力隨制熱溫度的變化如圖8 所示。由圖可知，隨制熱溫度升高壓縮機(jī)的排氣壓力升高較快。當(dāng)制熱溫度為90℃時(shí)，壓縮機(jī)的排氣壓力高達(dá)12.2 MPa。此外，在環(huán)境溫度20℃、CO2氣體冷卻器入口水溫15℃的條件下，隨著CO2氣體冷卻器出口水溫的變化，系統(tǒng)的熱水流量在0.517～0.963 kg·s-1之間。

圖8 壓縮機(jī)排氣壓力隨制熱溫度的變化Fig.8 Varation of compressor discharge pressure with hot water temperature

2.4 CO2 充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

CO2充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖9 所示。由圖可知，當(dāng)CO2充注量較少時(shí)，隨制冷劑充注量增大系統(tǒng)的制熱功率和COP 也隨之上升。其原因在于，當(dāng)制冷劑充注過(guò)少時(shí)，由于沒(méi)有足夠的制冷劑參與系統(tǒng)的循環(huán)，制冷劑過(guò)熱度增加。過(guò)高的過(guò)熱度導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣溫度升高，壓縮機(jī)的熱損失增大，從而降低壓縮機(jī)的效率。并且因吸氣比熱容增加，導(dǎo)致CO2質(zhì)量流量減小，進(jìn)而降低系統(tǒng)的制熱功率，COP 也隨之降低。但當(dāng)CO2充注量超過(guò)一定值后，制熱功率增幅趨緩，而COP 不再增加。如再進(jìn)一步增加CO2充注量，多余的制冷劑都積存在冷卻盤管中，不參與系統(tǒng)運(yùn)行，減少了有效換熱面積，導(dǎo)致系統(tǒng)的COP 減小。

圖9 CO2 充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.9 Effects of CO2 charge amount on performance of CO2 heat pump hot water system

3 大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)的日平均性能

毛細(xì)管節(jié)流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不存在磨損和卡滯等問(wèn)題，并且制造成本低，因而在小型熱泵系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。但單毛細(xì)管節(jié)流的流量及壓降調(diào)節(jié)范圍較窄，難以實(shí)現(xiàn)熱泵全年高效穩(wěn)定運(yùn)行。為適應(yīng)系統(tǒng)全年運(yùn)行對(duì)流量及壓降調(diào)節(jié)范圍的要求，大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)采用雙毛細(xì)管并聯(lián)組合節(jié)流，并根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)制熱溫度。在低溫環(huán)境溫度下，采用較長(zhǎng)的毛細(xì)管1 節(jié)流。在中溫環(huán)境溫度下，采用較短的毛細(xì)管2 節(jié)流。在高溫環(huán)境溫度下，采用雙毛細(xì)管并聯(lián)組合節(jié)流。

在昆明地區(qū)氣候條件下，對(duì)大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了日平均性能測(cè)試。大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)在各季節(jié)的日平均性能見表1。由表可知，采用雙毛細(xì)管并聯(lián)組合節(jié)流，根據(jù)氣候條件合理地選取運(yùn)行參數(shù)，大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)具有優(yōu)良的熱力性能。在全年的不同季節(jié)，該系統(tǒng)的制熱溫度可在60～85℃選取，其日平均COP 在3.45～4.04 之間。與采用其他工質(zhì)的熱泵熱水系統(tǒng)相比，跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)的制熱溫度及性能系數(shù)均較高[2]，節(jié)能效益較顯著。

表1 大功率跨臨界循環(huán)CO2 熱泵熱水系統(tǒng)日平均性能Table 1 Daily average COP of CO2 heat pump hot water system

4 結(jié) 論

采用二級(jí)冷卻套管式CO2氣體冷卻器、雙毛細(xì)管并聯(lián)組合節(jié)流及設(shè)置回?zé)崞鞯燃夹g(shù)途徑設(shè)計(jì)與構(gòu)建了一種大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)，測(cè)試分析了大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)的熱力性能。根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）在各種恒溫測(cè)試工況下，大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)具有優(yōu)良的熱力性能，其性能系數(shù)高于采用其他工質(zhì)的熱泵熱水系統(tǒng)。

（2）與采用其他工質(zhì)的熱泵熱水系統(tǒng)相比，大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)的制熱溫度高，并且制熱溫度對(duì)系統(tǒng)COP 的影響較小。

（3）從提高系統(tǒng)熱力性能的角度出發(fā)，為降低氣體冷卻器入口水溫，CO2熱泵熱水系統(tǒng)宜采用直熱式系統(tǒng)。

（4）在昆明地區(qū)各種氣候條件下，大功率跨臨界循環(huán)CO2熱泵熱水系統(tǒng)的日平均COP 在3.45～4.04 之間，節(jié)能效益較顯著。

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