高溫出水CO2 空氣源熱泵運行研究

張穎

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

1 引言

隨著溫室效應和臭氧層的破壞等環(huán)境問題越來越受到人們的重視，冷凍空調與熱泵系統(tǒng)中的氫氟烴（HFCs）制冷劑被認為是引起全球變暖的主要隱患之一而不斷被人們詬病[1]。我國含氟量為中級的制冷劑產量占到全球的65%，使用量占到全球的40%。因此，尋找一種替代HFCs 的制冷劑愈來愈受到關注。制冷劑在冷凍空調與熱泵的系統(tǒng)中扮演工作流體的角色，而理想的制冷劑應具備穩(wěn)定的化學性質與惰性，且擁有良好的傳熱特性與流體流動的性質。此外，它必須具有與其他物質相容、與潤滑油互溶、無毒、成本低及符合環(huán)保的特性。因此，許多不同種類的制冷劑開始發(fā)展，并應用于暖通空調與制冷（HAVC&R）系統(tǒng)中。目前，使用的制冷劑從CFCs、HCFCs到HFCs，雖已不再嚴重威脅我們的生存環(huán)境，但包括R134a在內的HFCs 類及其混合型制冷劑已經(jīng)不能夠滿足長期環(huán)保的要求。因此，研究應用天然制冷劑技術越來越受到重視，甚至被譽為是解決環(huán)境問題的最終方案。

目前，CO2制冷劑是最有希望替代HFCs 類的制冷劑[2]。CO2是天然物質，臭氧消耗潛能值為零（ODP=0），全球變暖潛能值極低（GWP=1）[3]。使用CO2作為制冷工質，一方面對大氣臭氧層沒有破壞作用，可以減少全球溫室效應，從根本上解決化合物對環(huán)境的污染問題。另一方面，CO2來源廣泛，無須回收，可以大大降低制冷劑替代成本，節(jié)約能源，具有良好的經(jīng)濟性。此外，CO2傳熱和壓縮性能良好，安全無毒，不可燃，并具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會分解出有害氣體，故對人體、食品、生態(tài)都無損害。CO2還具有高比熱、低比容、低黏度等誘人的熱力學和熱物理性能。因此，CO2被認為是一種理想工質。

為了滿足“雙碳”要求，CO2空氣源熱泵被認為是替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的理想設備[4]。因此，對CO2空氣源熱泵展開深入研究具有重要意義。然而，目前對高溫出水CO2空氣源熱泵與常規(guī)熱泵的對比分析鮮有研究，本文從超臨界CO2循環(huán)研究現(xiàn)狀、超臨界CO2循環(huán)機理、能效和經(jīng)濟性以及工程應用這些方面進行綜合對比分析。對比分析結果有望于對高溫出水CO2空氣源熱泵進一步深入研究提供新的思路和理論研究基礎。

2 超臨界CO2 循環(huán)研究現(xiàn)狀

出水溫度超過65 ℃的CO2空氣源熱泵定義為高溫出水CO2空氣源熱泵。以傳統(tǒng)工質為制冷劑的熱泵為常規(guī)熱泵，出水溫度為55 ℃。CO2空氣源熱泵進行跨臨界循環(huán)運行。超臨界CO2動力循環(huán)具有一個獨特的特點，即在整個壓縮過程中，由于臨界附近的物理性質發(fā)生了巨大的變化，氣體的致密特性貫穿整個壓縮過程。因此，相對于常規(guī)熱泵，CO2空氣源熱泵具有高溫高效的獨特優(yōu)勢。

超臨界CO2循環(huán)的研究歷程最早可追溯到1930 年，有研究提出超臨界CO2作為傳熱工質可以顯著提高火電廠和熱力系統(tǒng)的熱效率。在超臨界動力循環(huán)的發(fā)展中，Sulzer[5]在1948年提出的具有部分冷凝Brayton 循環(huán)是第一個超臨界CO2循環(huán)。超臨界CO2循環(huán)里程碑式發(fā)生在1960 年，Angelino[6]提出超臨界CO2Rankine 循環(huán)。在此之后，雖然人們已經(jīng)認識到了超臨界CO2循環(huán)的優(yōu)勢，但由于電力系統(tǒng)中制造渦輪機和緊湊型熱交換器的技術在實際應用中有嚴重的局限性，導致超臨界CO2循環(huán)對發(fā)電成本沒有顯著貢獻，在1970 年以后超臨界CO2循環(huán)的進一步研究和設計受到限制。直到1990 年，隨著能源被人們重視且伴隨著技術的發(fā)展，超臨界CO2Brayton循環(huán)再一次被人們關注。尤其是近十年來，由于CO2工質對環(huán)境的影響最小，具有良好的熱物理和運輸性能，為了提高能源轉換效率，降低發(fā)電成本，利用超臨界CO2作為工質回收低品位廢熱的想法正在興起。

目前，諸多學者對超臨界CO2循環(huán)進行了深入研究。吳孟霞等[7]通過建立數(shù)值模型，并采用EES（Engineering Equation Solver）軟件對高溫超臨界CO2空氣源熱泵循環(huán)開展仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)氣體冷卻器出口溫度可高達60 ℃，且此時COP約為3.0。葉祖樑等[8]通過理論和實驗結合的方式研究了回熱器對跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的影響和適用性。研究表明，雖然應用回熱器具有降低功耗、提高COP 等積極作用，但是對制熱量的影響作用不穩(wěn)定，且低溫度工況下不適用。LI[9]等對跨臨界CO2空氣源熱泵系統(tǒng)的最佳壓縮機排氣壓力的影響因素進行了實驗研究，確定出最佳壓縮機排氣壓力相關公式。YANG等[10]提出了一種雙源高溫熱泵冷熱聯(lián)產系統(tǒng)，該系統(tǒng)由將供水加熱至中溫并冷卻冷凍水回路的CO2跨臨界循環(huán)和將供水由中溫加熱至高溫的R152a 亞臨界循環(huán)組成。在相同運行條件下，該組合系統(tǒng)的COP 和效率分別比單熱泵和單制冷系統(tǒng)提高了54.7%和175%左右，且溫度匹配行為改善，傳熱可逆性降低。

3 超臨界CO2 循環(huán)機理分析

圖1[11]為常規(guī)制冷循環(huán)亞臨界循環(huán)。對于亞臨界熱泵循環(huán)，已被證明是節(jié)能高效的廢熱回收方式。但在用于高溫供熱時，由于冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的壓力比過高，壓縮機壓縮效率下降，在節(jié)流過程中會損失部分工質的高溫顯熱，從而降低系統(tǒng)的整體性能系數(shù)（COP）。此外，當它用于將供水從室溫加熱到相對較高的溫度時，冷凝器內供水與工質溫差較大，導致傳熱過程中不可逆損失較大。

圖1 CO2 亞臨界循環(huán)示意圖

圖2 為CO2跨臨界循環(huán)。與亞臨界循環(huán)中高壓排熱和低壓吸熱過程都發(fā)生在亞臨界區(qū)不同，CO2跨臨界循環(huán)同時占據(jù)了超臨界排熱和亞臨界吸熱過程，因此，CO2跨臨界循環(huán)可以生產高溫熱水。CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖3[12]所示。在這個循環(huán)中，低溫低壓的CO2流體被壓縮機壓縮，CO2不發(fā)生沸騰相變，直接從液態(tài)加熱到高壓高溫的超臨界狀態(tài)。由于獨特的物理過程和熱物性的劇烈變化，CO2跨臨界循環(huán)具有不同于傳統(tǒng)對流換熱和兩相流沸騰換熱的特殊換熱特性。然后，這種流體流過氣冷器，在氣冷器中與外部介質發(fā)生類似顯熱傳遞。CO2跨臨界循環(huán)在氣冷器內工質放熱過程中工質與低品位熱源之間具有獨特的溫度滑降特性，從而沒有夾點限制。冷卻后，高壓CO2進入內部熱交換器（IHX），與蒸發(fā)器出口的熱量進行傳遞，從而進一步實現(xiàn)冷卻，提高吸力側過熱度。CO2流體通過IHX 后，被膨脹裝置節(jié)流，形成低壓低溫兩相狀態(tài)。CO2流體在蒸發(fā)器吸收熱量和蒸發(fā)后，流經(jīng)分離器IHX，回流到壓縮機，完成整個循環(huán)。另外，即使在較低的熱源空氣溫度下，CO2跨臨界循環(huán)也能保持較好的制熱性能。

圖2 CO2 超臨界循環(huán)示意圖

圖3 CO2 跨臨界循環(huán)系統(tǒng)示意圖

4 能效和經(jīng)濟性分析

以使用CO2熱泵生產高溫生活熱水（65 ℃）的上海市某藥廠作為算例，將CO2熱泵與常規(guī)熱泵、燃氣熱水鍋爐、電熱熱水鍋爐進行能耗與經(jīng)濟性對比分析，如表1 所示。上海市當?shù)仉妰r為0.85 元/（kW·h），燃氣費用4.47 元/m3。藥廠每天總需熱量為1 673 364 kJ。

表1 能耗與經(jīng)濟性對比分析

由表1 可知，CO2熱泵熱水機組每年可比常規(guī)熱泵、燃氣熱水鍋爐以及電熱水鍋爐分別節(jié)約33%、65%和78%的運行費用。由此說明，CO2熱泵熱水機組經(jīng)濟性顯著優(yōu)于其他機組。另外，CO2熱泵熱水機組每年可比常規(guī)熱泵和電熱水鍋爐分別削減33%和78%的年耗電量。因此，CO2熱泵熱水機組能耗顯著低于其他機組。

5 工程應用分析

5.1 上海富豪東亞酒店項目

上海富豪東亞酒店于2013 年4 月開始進行熱水供應系統(tǒng)改造，一期工程專供酒店員工洗浴及廚房，日用水量約45 m3，原來購買體育場蒸汽通過換熱制取生活熱水，改造后配置2 臺高溫出水CO2熱泵機組。如表2 所示，通過長達9 個月的運行和測試記錄，并經(jīng)過了夏季和冬季，最后經(jīng)統(tǒng)計分析表明，投入運行后，每年減少能源使用約42 t 標準煤，減少CO2排放102 t，節(jié)約率78%。同時，制備55～65 ℃的熱水耗電量最低僅為6.07 kW·h/t，最高僅為14.91 kW·h/t，平均僅為9.63 kW·h/t。另外，使用時僅需設定好熱泵相應設置便可達到完全無人值守的工作狀態(tài)，并且安全可靠，省去了鍋爐方式的人工勞動力成本。綜上，此酒店工程項目在應用高溫出水CO2空氣源熱泵制備55～65 ℃的熱水充分達到了節(jié)能、減排、降耗、降低成本的目的。

表2 海富豪東亞酒店2013—2014 年度每月能耗分析

5.2 上海浦江飯店項目

上海浦江飯店于2012 年3 月采用高溫出水CO2，空氣源熱泵代替原有燃油鍋爐制備熱水，供應酒店洗浴。通過2012年5 月份的節(jié)能數(shù)據(jù)測試，CO2空氣源熱泵機組每天平均運行12.3 h，耗電441.9 kW·h。通過數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化調整運行時間，避開峰電[1.167 元/（kW·h）]時段，盡量保證在谷電[0.35 元/（kW·h）]、平電[0.714 元/（kW·h）]時段制備熱水儲存在熱水罐中。峰電時段CO2空氣源熱泵機組關閉，使用儲存在熱水罐中的熱水。經(jīng)過調整平均電價由0.85 元/（kW·h）降至0.532 元/（kW·h）。經(jīng)統(tǒng)計，用CO2熱泵機組制熱水平均每天能耗費為235 元。經(jīng)查詢報表數(shù)據(jù)得到，浦江飯店2011 年5月鍋爐燒熱水耗油8.34 t，按當年5 月份油價6 928 元/t 計算月燃油費57 787 元，每天能耗費為1 864 元。因此，采用CO2熱泵機組后同比去年節(jié)約能耗費87.4%。另外CO2空氣源熱泵的智能控制系統(tǒng)取代了原儲油間、司爐工，有效節(jié)約了勞動力，降低了運行成本。據(jù)調研，此CO2空氣源熱泵機組COP 運行至今沒有衰減。因此，此工程項目通過高溫出水CO2空氣源熱泵有效利用了上海地區(qū)的峰谷電，節(jié)約能耗非常顯著。

6 結論

本文從研究現(xiàn)狀、運行機理、能效和經(jīng)濟性、工程應用4個方面綜合分析高溫出水CO2空氣源熱泵。結果表明，相比于常規(guī)熱泵的亞臨界循環(huán)，CO2空氣源熱泵可以進行跨臨界循環(huán)，因此制熱能力較常規(guī)熱泵突出，可以生產高溫熱水。案例分析表明，CO2熱泵熱水機組每年可比常規(guī)熱泵、燃氣熱水鍋爐以及電熱水鍋爐分別節(jié)約33%、65%和78%的運行費用。工程實例分析結果顯示高溫出水CO2空氣源熱泵能源節(jié)約率高達78%，結合有效利用上海地區(qū)的峰谷電節(jié)約能耗費87.4%。因此，高溫出水CO2空氣源熱泵節(jié)是一種高效、節(jié)能以及環(huán)保的熱源，采用此熱泵提供生活熱水和供暖將是未來發(fā)展的必然趨勢。