一種跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的設(shè)計

胡健

（華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州450046）

0 引言

能源是人類社會得以進步和發(fā)展不可或缺的物質(zhì)，也是人類生存的基石。隨著當今世界經(jīng)濟的飛躍式發(fā)展，能源的需求量大幅提高，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了能源大量短缺和環(huán)境急速惡化的問題，需要對當前能源消耗模式進行大幅度優(yōu)化，提高資源利用率，節(jié)約資源，保護環(huán)境。

另一方面，人們對于居住生活的條件與環(huán)境提出了更高要求，日常生活中的能量消耗大幅增加，尤其是家庭中對于熱量與冷量的需求逐年上升。目前建筑能耗的比例已經(jīng)超過了30%，降低其能耗是節(jié)能關(guān)鍵的一個步驟。

在各種節(jié)能技術(shù)中，空氣源熱泵熱水技術(shù)發(fā)展較為完善且具有較好的節(jié)能效果?？諝庠礋岜脽崴b置能夠通過將極少量的高品位能量傳遞給被加熱對象，并大量吸收環(huán)境中的低品位熱量來實現(xiàn)對環(huán)境中余熱的利用。同時，空氣源熱泵裝置結(jié)構(gòu)較為緊湊，設(shè)備簡單，壽命較長，占用空間較?。ú恍枰仩t），能耗與污染也極小，適用于建筑節(jié)能。

然而，人工合成的制冷劑對生態(tài)環(huán)境具有極為嚴重的破壞力。自20世紀以來，部分行業(yè)進行了使用氫氯氟烴（HFC）類工質(zhì)來代替氯氟烴類（CFC）工質(zhì)的方法改善對環(huán)境造成的破壞，然而HFC 類物質(zhì)雖然減少對于臭氧層的破壞，卻依然會造成較為嚴重的溫室效應(yīng)［1］。人們逐漸意識到，任何人工合成的工質(zhì)都會最終排放到生物圈中循環(huán)并影響生態(tài)平衡，應(yīng)當盡量避免使用合成工質(zhì)，因此自然工質(zhì)例如CO2，NH3，H2O 和空氣等逐漸受到人們重視。Neks［2］認 為CO2工 質(zhì) 是 一 種 極 為 理 想 的 天 然 制 冷劑，其物理性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、不易燃、安全、制備價格較為低廉，因長久以來存在于大氣之中而對環(huán)境沒有破壞力。前國際制冷學會主席Lorentzen 認為CO2是無法取代的制冷工質(zhì)，并依據(jù)CO2的特性進行了跨臨界循環(huán)研究，認為CO2跨臨界循環(huán)有望在汽車、空調(diào)以及熱泵等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，但當前的研究剛剛起步，還有很長的路要走［3］。

國內(nèi)外對于CO2熱泵的研究正在如火如荼的進行中。Dresden 大學的Heyl 等人［4］進行跨臨界循環(huán)方式的計算模擬，在系統(tǒng)部件上展開研究和探索，并建立了CO2試驗臺，進行高精度試驗，得出相關(guān)結(jié)論；Essen 大學的Schmidt 和Steimle 等人［5］將CO2熱泵擴展到干燥方面，研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)工質(zhì)相比，CO2熱泵沒有帶來更大的能耗，推動了其商業(yè)化進程；日本電力中央研究所（CRIEPI）的Saikawa 等人［6］早于1994 年就已經(jīng)提出將熱泵中的工質(zhì)替換為CO2，在對其性能與循環(huán)進行理論分析之后，他們得出了CO2熱泵熱水器在應(yīng)用中的系統(tǒng)效率高于傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵的結(jié)論。我國對于CO2熱泵熱水器的研究仍處于試驗研究階段。天津大學王景剛等人［7］搭建了熱泵實驗臺，對CO2熱泵的循環(huán)方式和主要循環(huán)部件進行了理論和試驗研究，并對單級跨臨界CO2循環(huán)與雙級循環(huán)進行對比分析。中南大學的廖勝明等人［8］分析了循環(huán)方式，同時優(yōu)化循環(huán)參數(shù)，找到了最佳換熱壓力。清華大學的張宇等人［9］研究分析了CO2熱泵的水平管換熱器，通過和企業(yè)之間的配合對微通道進行了試驗模擬分析。

對于CO2熱泵循環(huán)系統(tǒng)來說，CO2的高壓側(cè)壓力取值一般為8.0～15.0 MPa，低壓側(cè)壓力的取值一般為2.5～5.0 MPa，因此節(jié)流裝置必須保證能夠在進出口壓差達到10.0 MPa以上的壓力下工作，這對于目前市場的商家來說難度較大［10］，節(jié)流裝置兩側(cè)的壓力差達到4.0～11.0 MPa，會造成較大損失，雖然增加回熱器可以減少這個損失，但依然是不可避免的。解決方法有兩大類。一是將節(jié)流裝置用膨脹機替代，回收部分膨脹功，CO2跨臨界循環(huán)的特點是循環(huán)壓比小但膨脹功大。天津大學的管海清［11］進行試驗后得出換用膨脹機可以明顯提高CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的工作效率。

二是在跨臨界CO2系統(tǒng)的優(yōu)化改進中，加入回熱器可以顯著地改變系統(tǒng)性能。Chen 等人［12］首先研究了回熱器對于跨臨界CO2制冷系統(tǒng)最佳排氣壓力的影響。LLOPIS 等人［13］通過試驗數(shù)據(jù)分析了跨臨界CO2制冷系統(tǒng)加入回熱器與原系統(tǒng)的差別，發(fā)現(xiàn)在最低壓力相同時回熱器對壓縮機功耗的影響很小。ELIZALDE等人利用數(shù)值分析方法分析了不同條件下跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)回熱器內(nèi)部參數(shù)變化以及工質(zhì)的熱物性變化［14］。 LEE G 等人［15］研究了改變回熱器內(nèi)部的換熱面積對水源熱泵熱水器的影響，結(jié)果表明，當換熱面積增加時，最優(yōu)的低壓壓力會下降。李東哲等人［16］通過試驗模擬的方法分析得出了回熱器會使系統(tǒng)的熱泵效率提高5%～10%的結(jié)論。

1 跨臨界CO2熱泵循環(huán)原理

CO2的單位質(zhì)量工質(zhì)制冷量非常大，使得主要熱力設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，系統(tǒng)非常緊湊，這是CO2熱泵的天然優(yōu)勢。CO2臨界壓力較高，為7.38 MPa，但臨界溫度很低，僅為31.1 ℃。根據(jù)循環(huán)中CO2工質(zhì)的運行狀態(tài)，可以將單機壓縮機熱泵循環(huán)分為跨臨界循環(huán)和亞臨界循環(huán)。亞臨界循環(huán)可以參照壓縮蒸汽制冷循環(huán)，整個循環(huán)中運行工況點都在CO2的臨界點以下，因此循環(huán)效率極低，在目前的單機壓縮式制冷循環(huán)中很少采用。

跨臨界循環(huán)是近年來大力發(fā)展和推廣的循環(huán)方式，也最為常見。循環(huán)過程中，高壓側(cè)的放熱過程在臨界點之上，工質(zhì)性質(zhì)介于氣體和液體之間，溫度和壓力相互獨立，低壓側(cè)的吸熱過程在臨界點以下，循環(huán)效率較高。

CO2亞臨界和跨臨界的制冷循環(huán)溫度如圖1—2所示。由圖可知，循環(huán)離臨界點越近，系統(tǒng)效率越低；反之遠離臨界點時，系統(tǒng)效率較大。當工質(zhì)在液體達到飽和時的比熱越大，其溫熵圖上的飽和液體線的斜率就越小，節(jié)流過程就會產(chǎn)生更大的損失，制冷量減小，系統(tǒng)效率也就越小。所以CO2制冷循環(huán)的放熱過程在臨界點以上進行更加合適。

雖然由傳統(tǒng)的熱力學分析，CO2作為制冷工質(zhì)具有很多局限性，但由熱力學第二定律可知，循環(huán)的制冷效率（COP）僅僅由2 個恒溫熱源的溫度所決定，所以系統(tǒng)效率并不受工質(zhì)種類的局限。傳統(tǒng)熱力學將COP 作為評價循環(huán)性能的關(guān)鍵性因素，這顯然是不全面的，與優(yōu)化系統(tǒng)還需要考慮系統(tǒng)和其他部件的性能［1］。

跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的主要工作過程包括壓縮過程、氣體冷卻過程、節(jié)流過程、蒸發(fā)過程和回熱過程，回熱過程將在優(yōu)化系統(tǒng)部分詳細介紹。熱泵在蒸發(fā)器中吸收環(huán)境中的熱量，在氣體冷卻器中放熱，向水放熱產(chǎn)生熱水?？缗R界CO2系統(tǒng)存在一個最優(yōu)高壓壓力，在此壓力下系統(tǒng)的效率達到最大［17］。跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的循環(huán)流程示意如3 所示，CO2跨臨界循環(huán)壓焓圖如圖4所示。

圖1 跨臨界循環(huán)制冷量與潛熱的關(guān)系Fig.1 Relationship between transcritical cycle refrigeration capacity and latent heat

圖2 亞臨界循環(huán)制冷量與潛熱的關(guān)系Fig.2 Relationship between subcritical cycle refrigeration capacity and latent heat

圖3 跨臨界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的循環(huán)流程Fig.3 Circulation process of the transcritical CO2 heat pump system

2 循環(huán)模型建立

CO2臨界溫度低，在循環(huán)種類上選用跨臨界循環(huán)。CO2熱泵熱水器的工作流程為：由1點經(jīng)壓縮機壓縮至2點，變?yōu)楦邷馗邏簹怏w；進入氣體冷卻器定壓放熱到3 點，接著在膨脹閥（節(jié)流裝置）中等焓節(jié)流到4點后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收水的能量，氣化后再次進入壓縮機，完成循環(huán)，如圖5所示。

圖4 跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的循環(huán)壓焓圖Fig.4 Circulation pressure enthalpy diagram of the transcritical CO2 heat pump system

圖5 原始模型的循環(huán)t-s圖Fig.5 Cyclic t-s diagram of the original model

GB∕T 21362—2008《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》［18］對于測試名義工況、氣體冷卻器的熱水出口溫度以及系統(tǒng)必須達到的最小性能做出了規(guī)定，具體的測試工況及要求見表1。

表1 GB/T 21362—2008規(guī)定的具體測試工況及要求Tab.1 Test conditions and requirements specified in GB/T 21362—2008

由表1 可以看出，空氣源熱泵按照最低運行溫度可以分成兩類：普溫型與低溫型。本文旨在對高溫CO2熱泵系統(tǒng)進行優(yōu)化，沒有特殊的條件要求，盡量簡化外部條件，因此選用普溫型熱水器，模擬運行工況為干球溫度20 ℃，濕球溫度15 ℃，初始水溫為15 ℃，通過熱泵熱水器加熱后達到55 ℃以上，COP＞3.7。

現(xiàn)在對模型數(shù)據(jù)進行擬定，由于選用普溫型空氣源熱泵，其蒸發(fā)溫度必須高于0 ℃，由CO2熱力性質(zhì)圖表可以得到，壓力為3.5 MPa CO2的飽和溫度為0.186 8 ℃，非常符合系統(tǒng)要求，將干飽和曲線上的該點作為壓縮機的入口1 點，不對其進行過熱處理。由于CO2專用壓縮機的效率較高，取絕熱效率ηc= 0.8為定值。

在不考慮端差的情況下，氣體冷卻器的水側(cè)必須由15 ℃升至55 ℃以上，以保證出口水溫能夠符合國家標準，根據(jù)此要求，取氣體冷卻器的出口溫度為30 ℃。壓縮機出口的壓力對系統(tǒng)效率的影響很大，一般而言系統(tǒng)的高壓側(cè)壓力取9～15 MPa。對模型進行討論和分析，先取高壓側(cè)壓力p2= 11MPa。衡量系統(tǒng)效率的標準是2 個最主要參數(shù)：循環(huán)的制冷系數(shù)和制熱系數(shù)。

式中：Q 為獲得的冷量或熱量，kW；W 為壓縮機耗功，kW。

參照循環(huán)t-s圖的狀態(tài)參數(shù)點，熱泵系數(shù)為

制冷系數(shù)為

式中：h1，h2，h3，h4為比焓，kJ∕Kg；COPc為系統(tǒng)的制冷系數(shù)；COPh為系統(tǒng)的熱泵系數(shù)。

3 結(jié)果

將原始系統(tǒng)熱力過程中的熱力學公式輸入工程方程求解（Engineering Equation Solver，EES）程序，并按照系統(tǒng)流程參照原始系統(tǒng)的t-s 圖，對系統(tǒng)的各個參數(shù)點進行標號。1 點為壓縮機進口點，20點為理想等熵過程時壓縮機出口狀態(tài)點，2 點為壓縮機實際出口狀態(tài)點，3 點為氣體冷卻器出口狀態(tài)點，4 點為節(jié)流裝置的出口狀態(tài)點。EES 軟件的輸出參數(shù)見表2。

從表2 中可以看出，氣體冷卻器的進口溫度可以達到95 ℃以上，完全可以將出口水溫加入到55 ℃以上，符合設(shè)計標準，壓縮機所帶來的不可逆熵增使得溫度上升了6 ℃以上，這對于氣體冷卻器的換熱效果而言是非常有利的。熱泵系數(shù)在3.7以上，這個循環(huán)系統(tǒng)可以用于實際的裝置中進行應(yīng)用。

表2 原始模型狀態(tài)點的輸出結(jié)果Tab.2 Output results of the original model state points

4 結(jié)論

（1）跨臨界循環(huán)過程中，高壓側(cè)的放熱過程在臨界點之上，工質(zhì)性質(zhì)介于氣體和液體之間，溫度和壓力相互獨立，低壓側(cè)的吸熱過程在臨界點以下，循環(huán)效率較高。

（2）循環(huán)離臨界點越近，系統(tǒng)效率越?。环粗h離臨界點時，系統(tǒng)效率較大。當工質(zhì)在液體達到飽和時的比熱越大，其溫熵圖上的飽和液體線的斜率就越小，節(jié)流過程就會產(chǎn)生更大的損失，制冷量減小，系統(tǒng)效率也就越小。所以CO2制冷循環(huán)的放熱過程在臨界點以上進行更加合適。

（3）CO2的單位質(zhì)量工質(zhì)制冷量非常大，使得主要熱力設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，系統(tǒng)非常緊湊，這是CO2熱泵的天然優(yōu)勢。

通過本文可以看出，高溫CO2熱泵具有獨特的性質(zhì)，合理的對循環(huán)進行改變會帶來明顯的收益，具有巨大的改進潛力。CO2作為天然制冷劑還有許多值得挖掘的優(yōu)勢，目前國內(nèi)外的研究依然非常有限，有待進一步優(yōu)化與分析。