直熱式空氣源CO2熱泵熱水器系統(tǒng)運行特性試驗研究

張 超，趙曉丹，趙澤華

（1.中原工學(xué)院，鄭州 450007；2鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

CO2作為一種環(huán)保型天然制冷劑，因其良好的熱力性能以及跨臨界循環(huán)冷卻過程中較大的溫度滑移，能獲得較高溫度的即入即得式熱水，在熱泵熱水器領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對CO2蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)進行了系列深入的研究。劉雄等［1］針對一種CO2雙級壓縮制冷熱泵系統(tǒng)，研究了排氣壓力對熱泵系統(tǒng)COPh的影響；馬一太［2］研究了一種CO2跨臨界帶膨脹機系統(tǒng)和一種CO2跨臨界循環(huán)帶噴射器系統(tǒng)的系統(tǒng)特性；陸軍亮［3］利用試驗研究的方法研究了電子膨脹閥開度對CO2熱泵系統(tǒng)性能的影響；張振迎［4］對帶中間冷卻器的雙級壓縮制冷循環(huán)和帶閃發(fā)分離器的雙級壓縮制冷循環(huán)進行了熱力學(xué)分析；NAWAZ等［5］針對一種CO2熱泵熱水器進行了性能分析；TASLIMI TALEGHANI等［6］對帶噴射器的跨臨界CO2熱泵循環(huán)進行了數(shù)值分析；SAIKAWA 等［7］針對一種單級 CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的COPh進行了理論計算；HU等［8］提出了控制CO2熱泵壓縮機功耗最小值的優(yōu)化方案。

文獻檢索結(jié)果表明，雖然針對CO2熱泵系統(tǒng)的研究較多，但國內(nèi)專門針對CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的研究還較少，針對低環(huán)境溫度下CO2熱泵熱水器系統(tǒng)運行特性的研究更少。本文針對我國北方地區(qū)，提出一種直熱式空氣源CO2雙級壓縮熱泵熱水器系統(tǒng)，用試驗研究的方法研究其在不同環(huán)境溫度下的系統(tǒng)運行特性，為低環(huán)境溫度下CO2熱泵熱水器樣機的研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗系統(tǒng)

本文根據(jù)我國北方地區(qū)的氣象條件，結(jié)合GB/T 23137—2008的相關(guān)規(guī)定，確定試驗系統(tǒng)設(shè)計工況如下：蒸發(fā)溫度為-40 ℃，低壓壓縮機吸氣口制冷劑過熱度為10 ℃；氣冷器冷卻水進水溫度為5 ℃，出水溫度為65 ℃；冷卻水流量為70 L/h，氣冷器冷凝壓力為9 MPa，氣冷器制冷劑出口溫度為35 ℃；采用一級節(jié)流中間不完全冷卻系統(tǒng)。設(shè)計的試驗系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 雙級壓縮CO2熱泵熱水器系統(tǒng)流程Fig.1 The flow diagram of a double-stage-compression CO2 heat pump water heater system

從圖1中可以看出，設(shè)計的試驗系統(tǒng)包括制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和氣冷器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。在制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中，高壓壓縮機排氣口的CO2過熱蒸汽經(jīng)過氣冷器，被冷卻水冷卻冷凝后變成飽和狀態(tài)（或過冷狀態(tài)）的制冷劑液體；制冷劑液體經(jīng)儲液器、過濾器后分為2個支路：（1）經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流，變成低溫低壓的濕蒸氣，進入中冷器，蒸發(fā)冷卻中冷器內(nèi)的液態(tài)制冷劑。之后與低壓壓縮機排出的制冷劑過熱蒸氣混合，進入高壓壓縮機的吸氣腔。（2）經(jīng)中冷器繼續(xù)被冷卻，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后變成低溫低壓制冷劑濕蒸氣，進入蒸發(fā)器，吸收外界的熱量變成過熱蒸氣，然后經(jīng)氣液分離器后進入低壓壓縮機，被壓縮成高溫高壓的制冷劑蒸氣，經(jīng)冷凝器初步冷卻后，與來自中冷器的制冷劑蒸氣混合，進入高壓壓縮機，進行下一個循環(huán)。

氣冷器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括一個獨立的制冷系統(tǒng)，為冷卻來自氣冷器中的熱水提供冷量，保持恒溫水箱中水溫的恒定。恒溫水箱的原理如圖2所示。冷卻水在氣冷器中冷卻制冷劑過熱蒸汽被加熱之后，經(jīng)空冷器初步冷卻，再經(jīng)過獨立制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器繼續(xù)被冷卻至恒溫水箱設(shè)定溫度，再回流到恒溫水箱中。被冷卻至設(shè)定溫度的冷卻水，進入冷凝器，先冷卻低壓壓縮機排出的過熱蒸汽，然后再進入氣冷器，冷卻高壓壓縮機排出的過熱蒸汽，升溫后再進入下一個循環(huán)。

圖2 恒溫水箱系統(tǒng)原理Fig.2 The schematic diagram of the constant temperature water tank system

試驗系統(tǒng)的高低壓壓縮機分別選用某壓縮機公司生產(chǎn)的CD-180H型和CD-S151B型CO2壓縮機。氣冷器采用B9Hx46/1P-SC-U635型板式換熱器，低壓壓縮機出口冷凝器選用TD-QL型套管式換熱器，蒸發(fā)器選用翅片管式換熱器器，中間冷卻器選用套管式中間冷卻器，節(jié)流閥選用工作壓力為0～15 MPa的手動節(jié)流閥。設(shè)備具體參數(shù)可詳見參考文獻［9-11］。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)性能分析

GB/T 23137—2008中規(guī)定，在名義工況（利用側(cè)進水溫度為17 ℃，出水溫度為65 ℃，熱源側(cè)進口空氣的干球溫度為16 ℃，濕球溫度為12 ℃）下，CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的能效系數(shù)COPh為3.7。參考國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了試驗工況：設(shè)定環(huán)境溫度為12 ℃，氣冷進水溫度為16 ℃，系統(tǒng)流量1.5 L/min。在此工況下，測得氣冷器出水溫度為75.2 ℃，系統(tǒng)COPh為3.73，系統(tǒng)制熱量為6.4 kW，基本達到了GB/T 23137—2008中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響

為研究環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響，設(shè)定了試驗工況：冷卻水流量為2 L/min，氣冷器入水溫度為 13 ℃，環(huán)境溫度分別為 -12，-9，-6，-3，0，3，6，9，12 ℃。

2.2.1 環(huán)境溫度對COPh和系統(tǒng)制熱量的影響

環(huán)境溫度與COPh、系統(tǒng)制熱量的關(guān)系分別如圖3，4所示。從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)的COPh和系統(tǒng)制熱量不斷升高。環(huán)境溫度為-12 ℃時，系統(tǒng)COPh和制熱量分別為2.61和7.43 kW；環(huán)境溫度為12 ℃時，系統(tǒng)COPh和制熱量分別為3.11和8.61 kW。從試驗結(jié)果分析可知，可通過提高系統(tǒng)低溫?zé)嵩磦?cè)溫度提高系統(tǒng)COPh，增加系統(tǒng)制熱量。

圖3 室外環(huán)境溫度與COPh關(guān)系Fig.3 The curve between the ambient temperature and COPh

圖4 室外環(huán)境溫度與系統(tǒng)制熱量關(guān)系Fig.4 The curve between the ambient temperature and the system heating capacity

2.2.2 環(huán)境溫度對氣冷器出水溫度的影響

環(huán)境溫度與氣冷器出水溫度的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，隨著室外環(huán)境溫度的升高，氣冷器的出水溫度也在不斷升高。室外環(huán)境溫度為-12 ℃時，氣冷器出水溫度為62.1 ℃；環(huán)境溫度為12 ℃時，氣冷器出水溫度為68.6 ℃。

圖5 環(huán)境溫度與氣冷器出水溫度關(guān)系Fig.5 The curve between the ambient temperature and the outlet water temperature of air cooler

圖6示出了環(huán)境溫度對氣冷器出水溫度到達65 ℃所需時間的影響。從圖中可以看出，環(huán)境溫度越高，氣冷器出水溫度達到65 ℃所需時間越短；且氣冷器出水溫度達到最大值后基本保持不變。從試驗結(jié)果分析可知，可通過提高系統(tǒng)低溫?zé)嵩磦?cè)溫度的方法提高氣冷器出水溫度，縮短出水溫度達到設(shè)定值的時間。

圖6 不同環(huán)境溫度下氣冷器出水溫度變化Fig.6 The curves of the outlet water temperature of the air cooler under different ambient temperatures

2.3 氣冷器冷卻水入水溫度對系統(tǒng)性能的影響

為研究氣冷器冷卻水入水溫度對系統(tǒng)性能的影響，設(shè)定了試驗工況：冷卻水流量為1.5 L/min、室外環(huán)境溫度為-12 ℃，氣冷器入水溫度分別為10，13，16，19，22 ℃。

2.3.1 氣冷器冷卻水入水溫度對COPh和系統(tǒng)制熱量的影響

氣冷器冷卻水入水溫度與COPh、系統(tǒng)制熱量的關(guān)系分別如圖7，8所示。

圖7 冷卻水入水溫度與COPh關(guān)系Fig.7 The curve between the cooling water inlet temperature and COPh

圖8 冷卻水入水溫度與系統(tǒng)制熱量關(guān)系Fig.8 The curve between the cooling water inlet temperature and the system heating capacity

從圖可看出，隨著冷卻水入水溫度升高，系統(tǒng)的COPh不斷降低，系統(tǒng)制熱量不斷升高。氣冷器入水溫度為10 ℃時，COPh為3.37，系統(tǒng)制熱量為7.34 kW；氣冷器入水溫度為22 ℃時，COPh為2.42，制熱量為8.43 kW。從試驗結(jié)果分析可知，在系統(tǒng)制熱量滿足用戶需求的前提下，可通過降低氣冷器冷卻水入水溫度的方法提高系統(tǒng)COPh。

2.3.2 氣冷器冷卻水入水溫度對氣冷器出水溫度的影響

氣冷器冷卻水入水溫度與氣冷器出水溫度的關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出，隨著氣冷器冷卻水入水溫度的升高，氣冷器的出水溫度也在不斷升高。氣冷器進水溫度為10 ℃時，氣冷器出水溫度為58.2 ℃；氣冷器進水溫度為22 ℃時，氣冷器出水溫度為70.8 ℃。

圖9 氣冷器冷卻水入水溫度與出水溫度關(guān)系Fig.9 The curve between the inlet water temperature and the outlet water temperature of the air cooler

圖10示出了氣冷器冷卻水入水溫度對氣冷器出水溫度到達65 ℃所需時間的影響。從圖中可以看出，氣冷器冷卻水入水溫度越高，氣冷器出水溫度達到65 ℃所需時間越短；且氣冷器出水溫度達到最大值后基本保持不變。從試驗結(jié)果分析可知，可通過提高氣冷器冷卻水入水溫度的方法提高氣冷器出水溫度，縮短出水溫度達到設(shè)定值的時間。

圖10 不同冷卻水入水溫度下出水溫度變化Fig.10 The curves of the outlet water temperature under different cooling water inlet temperatures

2.4 氣冷器中冷卻水流量對熱泵熱水器系統(tǒng)性能的影響

為研究氣冷器中冷卻水流量對系統(tǒng)性能的影響，設(shè)定了試驗工況：冷卻水流量分別為1.5，1.75，2.0，2.25，2.5 L/min，室外環(huán)境溫度 -10 ℃，氣冷器入水溫度10 ℃。

2.4.1 氣冷器冷卻水流量對COPh和系統(tǒng)制熱量的影響

氣冷器冷卻水流量與COPh、系統(tǒng)制熱量的關(guān)系分別如圖11，12所示。從圖中可以看出，隨著冷卻水流量的升高，系統(tǒng)COPh和系統(tǒng)制熱量不斷升高。氣冷器冷卻水流量為1.5 L/min時，COPh和系統(tǒng)制熱量分別為3.07，7.34 kW；氣冷器冷卻水流量為2.5 L/min時，COPh和系統(tǒng)制熱量分別為3.37，8.67 kW。

圖11 冷卻水流量與COPh關(guān)系Fig.11 The curve between the cooling water flow and COPh

圖12 冷卻水流量與制熱量關(guān)系Fig.12 The curve between the cooling water flow and the heating capacity

從試驗結(jié)果分析可知，可通過提高氣冷器冷卻水流量的方法提高系統(tǒng)COPh，增加系統(tǒng)制熱量。

2.4.2 氣冷器冷卻水流量對氣冷器出水溫度的影響

氣冷器冷卻水流量與氣冷器出水溫度的關(guān)系如圖13所示。從圖可以看出，隨著氣冷器冷卻水流量的升高，氣冷器的出水溫度在不斷降低。氣冷器冷卻水流量為1.5 L/min時，氣冷器出水溫度為65.6 ℃；氣冷器冷卻水流量為2.5 L/min時，氣冷器出水溫度為54.5 ℃。

圖13 冷卻水流量與出水溫度關(guān)系Fig.13 The curve between the cooling water flow and the outlet water temperature

圖14中示出了冷卻水流量對氣冷器出水溫度到達65 ℃所需時間的影響。從圖可看出，氣冷器冷卻水流量越高，氣冷器出水溫度達到65 ℃所需時間越長；且氣冷器出水溫度達到最大值后基本保持不變。從試驗結(jié)果分析可知，可通過降低氣冷器冷卻水流量的方法提高氣冷器出水溫度，縮短出水溫度達到出水溫度設(shè)定值的時間。

圖14 冷卻水不同流量下出水溫度變化Fig.14 The curves of the outlet water temperature under different cooling water flow rates

3 結(jié)語

設(shè)計的CO2熱泵熱水器系統(tǒng)，其系統(tǒng)能效系數(shù)COPh基本達到了國家標(biāo)準(zhǔn)；環(huán)境溫度、氣冷器冷卻水進水溫度以及流量對系統(tǒng)能效系數(shù)COPh、系統(tǒng)制熱量以及氣冷器出水溫度影響顯著。在滿足用戶制熱量和出水溫度的前提下，可提高系統(tǒng)低溫?zé)嵩磦?cè)溫度、降低氣冷器冷卻水入水溫度以及提高氣冷器冷卻水流量，進一步改善系統(tǒng)能效系數(shù)COPh；在滿足用戶制熱量、出水溫度以及系統(tǒng)能效系數(shù)COPh的前提下，可提高系統(tǒng)低溫?zé)嵩磦?cè)溫度、降低氣冷器冷卻水入水溫度和氣冷器冷卻水流量，縮短出水溫度達到出水溫度設(shè)定值的時間。