多功能二氧化碳热泵热水机实验研究

孙 伟， 刘业凤， 沈庭伟， 王雨晴， 王君如

多功能二氧化碳热泵热水机实验研究

孙 伟， 刘业凤， 沈庭伟， 王雨晴， 王君如

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

针对传统制冷剂在低温环境下制热性能衰减严重的问题，采用CO2作制冷剂，设计一套跨临界CO2空气源热泵系统，可全年满足采暖和生活热水需求。通过实验进行分析，结果表明在环境温度－12℃时，CO2空气源热泵更适用于低进水温度的生活热水模式，COPh（制热性能系数）可达到2.4，而同时提供采暖和生活热水模式可以改善采暖水模式的制热性能，制热性能最大可以提升55%左右。在生活热水模式中，随着出水温度从55℃上升到66.5℃时，COPh衰减了37.66%。

二氧化碳；多功能；热泵；实验分析

空气源热泵以低温空气为热源，使用少量电能，将低品位热源提升成高品位热源的装置，具有良好的应用前景。而传统的空气源热泵，并不适用于北方低温环境，随着环境温度的下降，会碰到以下问题[1]：机组吸气量迅速下降，制热量跟着下降；压缩机的压缩比不断上升，压缩机排气温度迅速升高，触发压缩机排气温度报警导致停机；压缩机的压缩比不断增加，导致系统在低温环境下的制热性能急剧下降。由于传统制冷剂R22具有对臭氧层的破坏作用[2]，需要寻找一种新型的环保制冷剂，目前空气源热泵新型制冷剂主要有CO2、R32、R410A、R407C等。

R134a与R22相比制热量和COPh都会有所降低，在环境温度低于0℃时，制热能效便小于2，并且随着环境温度的进一步降低，制热性能快速衰减[3-4]；R32替代R22存在低温环境下排气温度过高的问题[5]。R32样机较R410A机组的性能系数提高31.1%，但排气温度达到101.9℃，不利于R32制冷剂在低温条件下的应用[6]；R407C与R22的工作范围和制热量基本相当，是R22比较理想的替代工质，但R407C作为非共沸制冷剂，在传热表面上的传质阻力会增加，从而可能造成蒸发、冷凝过程的换热效率降低[7]；中南大学通过对CO2热泵系统的模拟计算得出：蒸发温度为－10℃时，系统仍能以大于2的COPh提供约90℃的热水[8]。秦海杰等通过理论计算对比分析R22、CO2和R410A在环境温度20℃下的制热性能，结果如表1所示，得出CO2理论循环COPh是R22的145%，具有良好制热性能[9]。另外，CO2作为环境友好制冷剂，和其它几种空气源热泵所用制冷剂相比，还具有单位容积制冷量大、导热性良好和价廉易得等诸多优点[10]。CO2热泵热水机目前已在欧洲和日本等国家广泛使用[11]，具有良好的应用前景。

表1 三种不同介质热泵热水机理论循环COPh[9]

本文针对传统制冷剂在低温环境下制热性能衰减严重，甚至会有排气温度超限而停机，设计一种多功能CO2热泵热水机，选用两个气体冷却器串联，实现能量的梯级利用；选用两级压缩机来降低压缩机排气温度。并针对低温热泵的名义工况，对三种工作模式进行实验对比。选用制热性能最佳的生活热水模式，改变出水温度进行实验，分析出水温度对机组性能的影响。

1 系统方案设计

在跨临界CO2循环中，压缩机的压比通常比较小，而压差较大，这样导致系统高低压之间的泄漏量增大。因此，为提高系统能效和减小压缩机各部件的应力变形，CO2热泵系统可采用两级压缩循环[12]。

如图1所示，多功能CO2热泵热水机系统图，采用两级压缩循环，从图2系统的P-h图所示，系统的循环过程为1-2-3-4-5-6-7-1。压缩机的压缩过程可以分为三个阶段：低压级压缩过程（过程线1-2）、低压级腔排出后直接流回高压级压缩腔过程（2和3点重合）、高压级压缩过程（过程线3-4）。过程线4-5为采暖换热器冷却过程；过程线5-6为生活热水换热器冷却过程；过程线6-7为电子膨胀阀节流过程；过程线7-1表示风冷换热器蒸发过程。

a-CO2滚动双转子压缩机，b-采暖水换热器，c-生活热水换热器，d-干燥过滤器，e-电子膨胀阀，f-风冷换热器，h-气液分离器

图2 多功能CO2热泵机组系统P-h图

通过控制采暖水水泵和生活热水水泵的开闭，系统可以分为三个工作模式。根据GB/T 25127低环境温度空气源热泵（冷水）机组第1部分: 工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组[13]，选定名义工况为设计工况：热源侧，环境干球温度－12℃、湿球温度－14℃；使用侧，采暖进口水温36℃，采暖出口水温41℃，一次热水进口水温9℃，出口水温50℃，如下表2所示。

表2 冷热联供CO2热泵机组工作模式及功能

本系统选用跨临界CO2双转子压缩机，额定冷量15 kW，排气量5.0 m3/h，排气温度保护值120℃；风冷换热器采用波纹翅片管，风冷换热器换热面积110 m2；气体冷却器采用套管式换热器，生活热水换热器换热面积1.2 m2，采暖水换热器换热面积1.0 m2；节流装置选用电子膨胀阀，满足流量系数0.019～0.113的调节需求。

1.2 实验方案设计

1.2.1实验原理及装置

实验测试系统示意图如图3所示，整个实验包括多功能CO2热泵热水机、焓差室、冷源系统和测控系统。焓差室的室外侧温度可调节范围为－40～50℃，控制精度为±0.2℃，冷源系统可以为设备提供流量和温度准确的冷却水。测控系统可以控制多功能CO2热泵热水机和冷源系统，并实时监测数据，实验数据可以离线保存。

图3 实验测试系统示意图

1.2.2系统数据分析

1）制热量计算

水侧的采暖水换热器制热量：

式中：m1为采暖水换热器冷却水的质量流量，kg/s；C为水的定压比热容，kJ/(kg‧K)；t1,in为采暖换热器冷却水的进口温度，℃；t1,out为采暖水换热器冷却水的出口温度，℃。

水侧的生活热水换热器制热量：

式中：m2为生活热水换热器冷却水的质量流量，kg/s；t2,in为生活热水换热器冷却水的进口温度，℃；t2,out为生活热水换热器冷却水的出口温度，℃。

水侧的总制热量

2）实际COPh计算如下：

式中：为压缩机输入功率，kW。

本次实验的水流量通过质量流量计测量，测量范围为0～4 m3/h；温度通过T型热电偶测量，型号为ETA2012T，测量范围－100～150℃之间，国标一级精度（0.5℃）；压力通过压力传感器测量，测量范围为0～16 MPa，测量精度为±0.3%FS。

2 结果与讨论

2.1 三种运行模式的性能测试及分析

本文设计的多功能CO2热泵热水机主要是为了弥补市场上CO2热泵热水机功能单一的问题，探究在低温名义工况下三种模式的制热性能。实验过程中通过改变膨胀阀开度来控制排气压力，对比分析了三种模式下排气压力对系统制热量、气体冷却器CO2出口温度、COPh、压缩机耗功的参数的影响，为类似实验台搭建提供实验依据。

如图4所示，三个模式的制热量都随着排气压力的变化而发生变化，模式二和模式三随着排气压力的升高而增大，模式一的制热量随着排气压力的升高先增大后减小。原因是：对制冷剂而言，高压侧焓差随着排气压力的升高表现先增后减的趋势，主要是因为气体冷却器CO2出口温度受冷却水进水温度的影响，其最小的出水温度不能低于进水温度，因此高压侧的比焓差增加逐渐缓慢。另外，随着排气压力的上升，膨胀阀开度的逐渐减小，压缩机的压缩比逐渐增大，系统中CO2的质量流量逐渐减小，系统制热量会如图4中的模式一所示出现拐点。而模式二和模式三受限于压缩机，排气压力不能进一步上升，还未出现模式一中的制热量拐点。

图4 不同模式下排气压力对制热量的影响

图5 不同模式下排气压力对气体冷却器CO2出口温度的影响

如图5所示，三个模式的气体冷却器CO2出口温度相差很大，其中模式一和模式三的变化趋势较为相近。主要是因为，随着排气压力的上升，系统中CO2的质量流量减少，生活热水换热器CO2出口温度便随之下降，最后趋近于生活热水换热器的冷却水进口温度9℃。而模式二采暖换热器设计余量较多，换热效果较好，采暖换热器CO2出口温度已经趋近于冷却水进水温度36℃。

另外，压缩机的耗功对系统的COPh也有较大的影响。从图6可以看出，三种模式下压缩机的输入功率几乎呈线性增加。发生这一现象的主要原因是，随着排气压力的升高，系统的压比增加，压缩机耗功就会上升。故系统的COPh变化趋势和制热量变化趋势基本一致，如图7所示。模式一和模式三制热性能差距最大，模式一制热性能优于模式二80%左右，模式三在加入生活热水换热器后，系统性能提高约55%。

图6 不同模式下排气压力对压缩机输入功率的影响

图7 环境温度－12℃不同模式时排气压力对COPh的影响

模式三虽然在采暖水换热器加入生活热水换热器，但并未充分降低生活热水换热器CO2出口温度。主要原因是采暖水换热器出口CO2的温度趋近于36℃的进水温度，串联的生活热水换热器为了制取36℃的生活热水，导致水流量很低，从而导致生活热水换热器的换热效果较差，并未充分利用这一部分热量。因此在做类似多功能CO2热泵热水机时，应主要考虑进水温度较低的生活热水模式，适当减小采暖水换热器的设计负荷，增加生活热水换热器的设计负荷，以此来提高系统的制热量和COPh。后续实验选用模式一，该模式下系统的制热量和COPh都最大。

图10 系统制热量与COPh随出水温度的变化

2.2 模式一出水温度对系统性能影响

本节为了研究出水温度对系统性能的影响，模式选用制热性能最优的模式一，控制排气压力在8.75 MPa，环境温度为－12℃，进水温度为9℃，通过改变生活热水换热器的冷却水流量来控制出水温度，来探究出水温度对系统性能的影响。

图8 冷却水流量与压缩机耗功随出水温度的变化

图9 系统各点温度随出水温度的变化

从图8中可看出：控制生活热水换热器的出水温度从35℃上升至66.5℃度的过程中，冷却水流量随着出水温度的上升而下降，下降速率几乎呈线性下降。而压缩机耗功基本不变，在最后有所下降。主要是因为压缩机的吸气温度随着出水温度的上升先不变，后略微有所上升，如图9所示。随着吸气温度的上升，吸气压力升高，压比减小，压缩机耗功就会减小。从图9中可以发现，随着出水温度的上升，压缩机吸气温度和阀前温度先不变后有所上升，而压缩机排气温度先不变后下降。

从图10可以看出，系统制热量与COPh随出水温度的变化而变化，变化的趋势大致相同，主要原因是压缩机耗功变化不大，COPh的变化趋势主要受系统制热量的影响。生活热水换热器的出水温度在35℃至50℃之间时，制热量和COPh缓慢衰减。在出水温度50℃至66.5℃之间时，制热量和COPh衰减速率快速增加。随着生活热水换热器水侧流量的减少，制冷剂在生活热水换热器的出口温度上升，此时排气压力升高，为了保持排气压力不变需增大电子膨胀阀开度，吸气压力就会升高，制冷剂质量流量上升，阀前温度进一步上升，高压侧焓差即制热量大幅减少，衰减37.78%，COPh也随之减少，衰减37.66%。

3 结论

本文进行多功能CO2热水机的实验研究，针对低温热泵名义工况，探究多功能CO2热泵热水机不同工作模式的制热性能，就制热性能最佳的生活热水模式，研究出水温度对系统性能的影响，主要结论如下：

1）本文设计的多功能CO2热泵热水机，在环境温度－12℃时COPh可达到2.4，CO2空气源热泵更适用于低进水温度的生活热水模式，生活热水模式制热性能优于采暖模式80%左右，采暖模式在加入生活热水换热器后，系统制热性能提高约55%。

2）针对多功能CO2热泵热水机，在做气体冷却器设计时，应适当增加生活热水换热器换热面积，适当减少采暖水换热器换热面积。

3）针对生活热水模式，随着出水温度从35℃上升至66.5℃，水流量的减少，系统制热量和COPh跟着减少，分别衰减37.78%和37.66%。

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Experimental Research on Multifunctional Carbon Dioxide Heat Pump Water Heater

SUN Wei, LIU Ye-feng, SHEN Ting-wei, WANG Yu-qing, WANG Jun-ru

（School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）

Aiming at the problem that the heating performance of traditional refrigerants declines seriously in low temperature environment, a transcritical CO2air source heat pump system is designed with CO2as refrigerant, which can meet the demand for heating and domestic hot water all year round. The experimental results show that the CO2air source heat pump is more suitable for the domestic hot water mode with low inlet water temperature when the ambient temperature is －12℃, and the COPh(heating coefficient of performance) can still reach 2.4. The heating performance of the heating water mode can be improved by providing heating and domestic hot water at the same time, and the heating performance can be improved by about 55%. In the domestic hot water mode, COPhdecreased by 37.66% when the outlet water temperature increased from 55℃ to 66.5℃.

carbon dioxide; multi-function; heat pump; experimental analysis

1009-220X(2022)01-0064-07

10.16560/j.cnki.gzhx.20220104

2021-05-30

上海市浦江人才计划资助（17PJ1407200）。

孙伟（1996～），男，上海嘉定人，硕士；主要从事制冷与低温技术的研究。1581897968@qq.com

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