采暖和熱水相結(jié)合的CO2熱泵系統(tǒng)性能比較研究

采暖和熱水相結(jié)合的熱泵系統(tǒng)通常用于現(xiàn)代節(jié)能建筑中。CO2（制冷劑代號(hào)R744）熱泵系統(tǒng)性能取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)（交換器尺寸，壓縮機(jī)效率等）和運(yùn)行條件（進(jìn)水溫度，采暖與熱水加熱的能耗比率等）。現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常同時(shí)使用CO2和HFC（例如R410A），但是這種熱泵系統(tǒng)的相對(duì)性能還沒(méi)有過(guò)多的深入研究。本文介紹了基于MATLAB平臺(tái)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以及該模型對(duì)熱泵系統(tǒng)的性能評(píng)估結(jié)果。系統(tǒng)建模的過(guò)程基于如下幾點(diǎn)：熱交換器的建模是通過(guò)固定壓降和最小溫差點(diǎn)；噴射器和壓縮機(jī)建模是基于特定的效率值；使用遺傳算法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；并對(duì)特定參數(shù)的敏感度進(jìn)行核算。圖1為本文研究的組合系統(tǒng)流程圖。

系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算表明，當(dāng)供暖與熱水的加熱比率低于0.6～1.0，進(jìn)水溫度低于20℃（例如在北歐）并且換熱器設(shè)計(jì)的夾點(diǎn)溫度（最小溫差點(diǎn)）低于10K，則CO2的系統(tǒng)性能優(yōu)于R410A制冷系統(tǒng)。由于未考慮實(shí)際設(shè)備性能的差異，因此以上結(jié)論可以認(rèn)為是對(duì)于CO2熱泵的保守估計(jì)。高效的壓縮機(jī)和噴射器的使用也會(huì)使基于CO2的制冷系統(tǒng)更加高效。但是，參數(shù)敏感性研究計(jì)算表明，對(duì)于供暖與熱水加熱比大于1的情況下，R410A系統(tǒng)性能將優(yōu)于CO2的系統(tǒng)。

圖1 組合式熱泵（采暖+熱水）流程圖

本文介紹的參數(shù)敏感性研究可以比較基于R410A和CO2的不同系統(tǒng)，例如，過(guò)程參數(shù)顯示使用不同的制冷劑會(huì)直接影響壓縮機(jī)的工作效率。如圖2所示，當(dāng)CO2和R410A的壓縮機(jī)效率均為70%時(shí)，供暖和熱水加熱比小于0.7，并且壓縮機(jī)效率都在70%的情況下，基于CO2的系統(tǒng)性能系數(shù)COP比基于R410A的系統(tǒng)高。如果R410A的壓縮機(jī)效率在65%，以及供暖和熱水加熱比小于或等于0.9的情況下，基于CO2的系統(tǒng)的COP依然高于基于R410A的系統(tǒng)。

圖2 不同的壓縮機(jī)效率條件下COP變化圖中綠色圓圈表示CO2（R744）和R410A曲線交叉的位置

本文的優(yōu)化模型還可以用于研究通過(guò)引入發(fā)射器而獲得的系統(tǒng)性能系數(shù)COP的增益。已有的文獻(xiàn)對(duì)帶有多個(gè)氣體冷卻器和單個(gè)噴射器的集成熱泵沒(méi)有太多的討論。本文計(jì)算的結(jié)果表明，基于R410A的系統(tǒng)性能系數(shù)COP增益很?。ㄐ∮?%）。對(duì)于基于CO2的系統(tǒng)而言，噴射器的增益可以高達(dá)11%，并且在供暖加熱模式下的增益是熱水加熱模式下增益的兩倍以上。因此，帶有噴射器的基于CO2的集成熱泵系統(tǒng)是值得推薦用于現(xiàn)代隔熱良好的低能耗建筑的。

資料來(lái)源：Brodal & Jackson - International Journal of Refrigeration 108 (2019) 234–245.