高回水溫度下二氧化碳熱泵能效維持的變頻策略及實驗驗證

顧子超 漆鵬程 孟祥兆 金立文 楊潤 馬杰 李朱德

1.西安交通大學(xué) 陜西西安 710049；2.江蘇金通靈光核能源科技有限公司 江蘇無錫 214100

0 引言

熱泵在供暖和生活熱水方面的需求越來越旺盛。然而低效率和含氟利昂制冷劑制熱制冷設(shè)備的使用造成的能源消耗以及生態(tài)環(huán)境破壞也越來越嚴(yán)重。能源的緊缺和環(huán)境的破壞給人類的生存和發(fā)展造成了很大的影響，制約人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。新的制冷劑替代只是時間的問題，天然工質(zhì)CO2因其自身的優(yōu)良熱力學(xué)特性必將成為重要的替代方案之一。

二十世紀(jì)90年代初，挪威Lorentzen教授根據(jù)CO2的物質(zhì)特性提出了跨臨界CO2循環(huán)[2,4]，推動了CO2系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。在過去的十幾年里，許多研究機(jī)構(gòu)對跨臨界CO2循環(huán)投入了大量研究，成為制冷界的一大研究熱點。跨臨界CO2系統(tǒng)在高壓側(cè)超臨界放熱過程中巨大的溫度滑移非常適合熱水加熱[3]，文獻(xiàn)[5,6,13]顯示CO2熱泵熱水器可以高效制取90℃以上的出水，在一些工況條件下能效可以超過傳統(tǒng)制冷劑。同時CO2制冷劑又是一種綠色的純天然工質(zhì)[3,7]，不會造成對大氣的污染，因此跨臨界CO2系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用在熱泵熱水設(shè)備領(lǐng)域。

CO2熱泵在進(jìn)出水溫度大溫差的情況下，可以體現(xiàn)較高的性能。但在部分工況下，尤其是在高回水溫度下，由于氣體冷卻器中CO2側(cè)焓差隨溫差減少而減小，標(biāo)準(zhǔn)跨臨界CO2熱泵性能嚴(yán)重衰減[3]。針對這個問題各國都在研究應(yīng)對措施，日本的家用CO2熱泵熱水器產(chǎn)品對水箱進(jìn)行了改進(jìn)，如采用絕熱真空水箱，或者分體式小水箱[12]，通過水箱分層復(fù)用方式解決回水溫度過高問題。本文從CO2熱力學(xué)原理出發(fā)，利用變頻控制原理，通過對壓縮機(jī)變頻、電子膨脹閥開度進(jìn)行復(fù)合調(diào)節(jié)[8,10]，改變機(jī)組的輸入功率和過熱度，使系統(tǒng)適應(yīng)更廣的溫度范圍，在高回水溫度下保持穩(wěn)定運行[9,11]；同時變頻調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，適當(dāng)提高水流量，從而提高制熱量。整個研究過程從理論出發(fā)，確定控制方案，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鬈浖?，對機(jī)組進(jìn)行針對性的測試，驗證方案的可行性。

1 變頻控制策略分析

對客戶使用CO2熱泵情況調(diào)研分析表明，在冬季工況下，人們對熱量需求較大，機(jī)組產(chǎn)生的熱量可以全部被利用，機(jī)組回水溫度可以保持較低水平，且冬季環(huán)溫保持在0℃左右，故機(jī)組的壓力不會超過限度。在夏季工況下，人們對熱量的需求降低，機(jī)組不再提供循環(huán)采暖熱水，只提供生活熱水，且環(huán)境溫度較高，出現(xiàn)熱量的冗余，客戶機(jī)組經(jīng)常性出現(xiàn)回水溫度較高的情況，影響機(jī)組的正常穩(wěn)定運行。

在這種情況下，需要對壓縮機(jī)進(jìn)行變頻控制，同時機(jī)組的電子膨脹閥和變頻水泵配合一起進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證機(jī)組壓力和出水溫度的穩(wěn)定的情況下，盡量提高機(jī)組能效。

1.1 高溫回水對機(jī)組能效的影響

機(jī)組的制熱量計算為下述公式：

其中：W為機(jī)組的制熱量，單位kW；

To為機(jī)組的出水溫度，單位K；

Ti為機(jī)組的回水溫度，單位K；

Qf為機(jī)組的實際水流量，單位m3/h；

C為水的比熱容，數(shù)值為4.2 kJ/(kg·℃)；

ρ為水的密度，數(shù)值為1000 kg/m3。

按照公式（1），當(dāng)回水溫度提高，且保持水流量和出水溫度不變的情況下，機(jī)組的制熱量會降低。

圖1是使用都凌CD4501H壓縮機(jī)通過二氧化碳壓焓圖模擬演示在相同蒸發(fā)溫度（2℃）和氣冷器壓力（10.5 Mpa）下，不同回水溫度所對應(yīng)的機(jī)組性能狀態(tài)，回水溫度按照15/45/50℃分為三個溫度等級。曲線圖（1）表示在回水溫度12℃時的壓焓圖，計算可以得出機(jī)組的理論制熱量123.32 kW，COP為3.21；曲線圖（2）表示在回水溫度45℃時的壓焓圖，計算得出理論制熱量為67.06 kW，COP為1.75；曲線圖（3）表示在回水溫度50℃時的壓焓圖，理論制熱量衰減到50.65 kW，COP只有1.32。故在二氧化碳熱泵系統(tǒng)中，回水溫度數(shù)值對于CO2熱泵系統(tǒng)性能的影響很大。數(shù)據(jù)整理對比如表1所示。

圖1 不同回水溫度下壓焓圖

表1 數(shù)據(jù)整理對比

1.2 變頻控制策略

上述內(nèi)容可推論得出：當(dāng)二氧化碳熱泵回水溫度較高時，系統(tǒng)的制熱量快速下降，同時機(jī)組能效也會大幅度下降，在某些工況下，會導(dǎo)致蒸發(fā)側(cè)不再處于吸熱狀態(tài)，COP會小于1，所以需要通過變頻控制系統(tǒng)保證在高溫回水溫度下穩(wěn)定運行，設(shè)法提高機(jī)組的能效。

變頻控制主要涉及部件有壓縮機(jī)、水泵，節(jié)流裝置電子膨脹閥?？刂圃瓌t為，壓縮機(jī)和電子膨脹閥配合調(diào)整在回水溫度上升后，保證壓力和出水溫度的穩(wěn)定，水泵作為壓縮機(jī)和電子膨脹閥主調(diào)節(jié)之后的輔助調(diào)節(jié)裝置，在壓力和出水溫度穩(wěn)定的前提下，按照制熱量公式（1），微調(diào)水流量從而提高制熱量。

在此變頻控制策略中，電子膨脹閥開度和壓縮機(jī)頻率作為主要變量參與變頻控制，水泵所控制的流量作為輔助控制，三個輸入變量以解耦的原則分別使用獨立的算法進(jìn)行控制。

控制過程分為兩個模式，當(dāng)回水溫度大于等于35℃時使用高回水溫度模式進(jìn)行控制；在開機(jī)時回水溫度小于35℃或者在高回水溫度模式下滿足小于30℃，則使用正常模式進(jìn)行控制。

正常模式下，使用電子膨脹閥開度通過下限排氣壓力和過熱度聯(lián)合控制。下限排氣壓力通過實際環(huán)境溫度和回水溫度進(jìn)行確定，得出一個排氣壓力值，當(dāng)排氣壓力小于此數(shù)值時，閥的開度需要增大，并通過PID的方式確定閥變化的數(shù)值。當(dāng)排氣壓力值大于下限排氣壓力，則使用過熱度（氣冷器出口溫度和進(jìn)水溫度的差值）的方式控制閥的開度。

在高回水溫度模式，壓縮機(jī)頻率為優(yōu)先控制對象。根據(jù)制熱量公式（1），理想情況下出水溫度和水流量保持，回水溫度上升后，機(jī)組制熱量會降低，故理想情況下認(rèn)為回水溫度和機(jī)組制熱量成反比，同時在理想情況下，壓縮機(jī)頻率和輸出功率亦成正比。機(jī)組COP等于制熱量與輸入電功率的比值，故可以推論，為滿足COP穩(wěn)定不變或者盡量減小由于回水溫度上升帶來的制熱量COP降低，需要按比例降低壓縮機(jī)輸出頻率。推出公式：

其中：f為當(dāng)前機(jī)組壓縮機(jī)輸出頻率，單位r/min；

ΔT為機(jī)組當(dāng)前回水溫度和出水溫度目標(biāo)值差值，單位℃；

ΔTp為機(jī)組穩(wěn)定工況點回水溫度差值和出水溫度目標(biāo)值差值，單位℃；

fp為機(jī)組穩(wěn)定點工況電的壓縮機(jī)輸出頻率，單位r/min；

K1為用于調(diào)節(jié)的比例系數(shù)。

當(dāng)機(jī)組實際回水溫度上升后，根據(jù)公式（2）可以計算出壓縮機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下的輸出頻率并使壓縮機(jī)逐步輸出此頻率。在頻率轉(zhuǎn)變過程中，電子膨脹閥開度控制滯后于壓縮機(jī)的變頻控制，原則為保證機(jī)組壓力的穩(wěn)定，在壓力大于下限排氣壓力時，可以不做調(diào)整，當(dāng)壓力小于等于下限排氣壓力時，按和壓力差的線性比例減小閥開度，公式如下：

其中：S為當(dāng)前機(jī)組電子膨脹閥開度；

ΔP為機(jī)組當(dāng)前排氣壓力值，單位為MPa；

ΔPp為機(jī)組前次檢測排氣壓力值，單位為MPa；

Sp為機(jī)組前檢測排氣壓力值時的電子膨脹閥開度；

K2為用于調(diào)節(jié)的比例系數(shù)。

公式（2）（3）中，K1和K2參數(shù)為關(guān)鍵調(diào)整參數(shù)，此參數(shù)的調(diào)節(jié)和壓縮機(jī)、電子膨脹閥以及系統(tǒng)匹配相關(guān)。實際調(diào)節(jié)過程中如數(shù)值越接近1，則越接近在理想化工況下運行，而忽略實際其他因素的影響，如壓縮機(jī)和膨脹閥動作對系統(tǒng)產(chǎn)生互耦性作用，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。如果當(dāng)前回水溫度或者排氣壓力數(shù)值變化較大或較快，會放大誤差因素的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。故K1和K2的調(diào)整用于減小前后兩次數(shù)值比例變化的趨勢，起負(fù)反饋的作用，但是如果出現(xiàn)過調(diào)，則會導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，性能曲線出現(xiàn)震蕩。

當(dāng)電子膨脹閥開度和壓縮機(jī)頻率保證機(jī)組在高進(jìn)水溫度下穩(wěn)定運行后，水泵的流量進(jìn)行調(diào)整，微量的調(diào)高水流量，并在此過程中不斷記錄機(jī)組的排氣壓力值和出水溫度，進(jìn)行前后數(shù)值的比較，當(dāng)出現(xiàn)下述兩種情況時，停止流量的調(diào)整。

情況一：排氣壓力出現(xiàn)波動，其數(shù)值和調(diào)整前的數(shù)值比較，大于±0.3 Mpa，且有增大趨勢；

情況二：出水溫度出現(xiàn)波動，其數(shù)值和調(diào)整前的數(shù)值比較，大于±1.2℃，且有增大趨勢。

2 實驗方案設(shè)計

2.1 測試機(jī)組設(shè)備

（1）測試機(jī)組：機(jī)組為4.5 kW二氧化碳空氣源熱泵，其額定制熱量為4.5 kW，額定制熱輸入功率為1.5 kW，COP為3，在名義環(huán)境溫度（7℃）下，出口水流量為0.07 m3/h。

（2）壓縮機(jī)型號：松下二氧化碳直流壓縮機(jī)C-CV153H0P。參數(shù)如表2所示。

表2 C-CV153H0P壓縮機(jī)參數(shù)

（3）壓縮機(jī)驅(qū)動板：專用于松下二氧化碳轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)驅(qū)動，采用空間矢量控制技術(shù)，正弦波驅(qū)動直流變頻壓縮機(jī)，電功率因數(shù)大于98%。參數(shù)如表3所示。

表3 壓縮機(jī)驅(qū)動板參數(shù)

（4）電子膨脹閥：使用日本鷺宮UKV-J14D04型電子膨脹閥，閥動作脈沖范圍0～480脈沖。

（5）變頻水泵：使用新滬GPA25-12ICV循環(huán)變頻泵，最高揚程12 m，使用PWM方式調(diào)速，PWM輸入信號10%～90%可調(diào)，保證系統(tǒng)中水流量在0.05 m3/h～0.1 m3/h范圍中變動，滿足系統(tǒng)實驗要求。

（6）水箱使用蓄熱承壓水箱，水箱分為上下兩層，上層中充滿PCM相變材料制作的球體，用于吸收熱能。下層所占體積較小，為正常水箱腔體，充滿和PCM球換熱后的水，并聯(lián)通回水出口。整體水箱設(shè)計為80℃進(jìn)水，30℃回水，蓄熱能力為10 kW。

2.2 實驗臺設(shè)計

實驗臺額定工況為環(huán)境溫度7℃。先使機(jī)組穩(wěn)定運行，出水溫度為80℃，回水溫度控制在30℃以下，變頻水泵控制流量在0.07 m3/h。此工況下穩(wěn)定運行2.5小時左右，達(dá)到蓄熱水箱蓄熱上限，熱量開始溢出，回水溫度上升，當(dāng)回水溫度達(dá)到35℃以上，控制程序進(jìn)入高回水溫度模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。實驗臺原理圖如圖2所示，主要測量儀器精度如表4所示。

圖2 實驗臺原理圖

表4 實驗臺主要測量儀器精度

2.3 實驗結(jié)果

在上述實驗臺中測試，不同環(huán)境溫度下、不同高溫回水下所測試的機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括出水溫度、排氣壓力、電子膨脹閥開度和壓縮機(jī)頻率。數(shù)據(jù)如表5、表6所示。

表5、表6為在環(huán)境溫度10℃和25℃時各參數(shù)的變化趨勢。機(jī)組的回水溫度不斷升高，出水溫度和回水溫度差值逐步減小，壓縮機(jī)的頻率不斷降低，為了保持壓力的穩(wěn)定，電子膨脹閥開度逐步減小，在此過程中系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，水泵在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下進(jìn)行微調(diào)，整體機(jī)組的COP有上升的趨勢，機(jī)組的性能有一定的提高。

表5 環(huán)境溫度10℃測試數(shù)據(jù)

表6 環(huán)境溫度25℃測試數(shù)據(jù)

在測試過程中，回水溫度不斷的上升，在目標(biāo)出水溫度控制不變的情況下（表5測試中為80℃），機(jī)組的制熱量降低，則壓縮機(jī)的輸出功率也需要降低，根據(jù)公式（2）其K1值控制在1.02～1.03區(qū)間（工況：環(huán)境溫度7～25℃，進(jìn)出水40/80℃）。當(dāng)壓縮機(jī)的頻率降低后，其機(jī)組狀態(tài)也發(fā)生一定的變化，排氣壓力出現(xiàn)一定下降，電子膨脹閥進(jìn)行對應(yīng)控制，但是未小于控制下限壓力之前，公式（3）的控制暫不接入，當(dāng)小于下限壓力（表5測試中為11.45 Mpa），則接入公式（3）進(jìn)行對膨脹閥額外補償控制，其K2值控制在1.01～1.02區(qū)間（工況：環(huán)境溫度7～25℃，進(jìn)出水40/80℃）。當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后，水泵接入控制，微調(diào)水流量，性能有部分提高。

實驗得出的結(jié)果證明，在CO2熱泵系統(tǒng)中，通過對壓縮機(jī)頻率、電子膨脹閥開度、水泵的頻率來穩(wěn)定高回水溫度工況下機(jī)組的狀態(tài)，以及提高機(jī)組的性能。同時需要提高PID控制的精度，減小系統(tǒng)的波動性。對于壓縮機(jī)頻率、電子膨脹閥開度、水泵頻率的控制優(yōu)先度判斷：正常運行狀態(tài)下，電子膨脹閥開度控制優(yōu)先于壓縮機(jī)頻率控制，優(yōu)先于水泵頻率控制；在高溫回水溫度工況下，壓縮機(jī)頻率控制優(yōu)先于電子膨脹閥開度控制，優(yōu)先于水泵頻率控制。

3 結(jié)論

隨著CO2熱泵的推廣和應(yīng)用，需要適應(yīng)更寬的環(huán)境條件，高回水溫度下出現(xiàn)的問題會越來越突出，所以在高回水溫度工況下，保證機(jī)組正常穩(wěn)定運行、提高機(jī)組的能效成為迫在眉睫需要解決的問題。根據(jù)本文的內(nèi)容，可以得出下述的結(jié)論：

（1）高回水溫度對系統(tǒng)的制熱量和能效影響很大，回水溫度越高，衰減越嚴(yán)重。

（2）普通定頻壓縮機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足較寬的負(fù)荷和溫度帶下長期的運行，需要加入變頻控制來提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

（3）變頻控制涉及的壓縮機(jī)頻率控制、電子膨脹閥開度控制以及水泵的變頻控制在系統(tǒng)中運行會產(chǎn)生耦合反應(yīng)，故控制以解耦的思路開展，每個變量獨立分析得出相關(guān)算法。

（4）在高溫回水工況下，通過壓縮機(jī)頻率和電子膨脹閥開度的調(diào)整，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)微量提高水流量，可提高機(jī)組的性能。

在結(jié)論的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為對于在高回水溫度工況下變頻CO2熱泵控制系統(tǒng)，首先需要對壓縮機(jī)、電子膨脹閥、水泵相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行解耦控制，優(yōu)先調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的開度，在不同工況的實驗中確定其調(diào)節(jié)比例系數(shù)K1和K2，在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)，微量提高水流量參數(shù)，從而提高機(jī)組的性能。

筆者在此基礎(chǔ)上開發(fā)的CO2熱泵變頻控制程序應(yīng)用于所在公司的CO2熱泵產(chǎn)品上，其控制特點滿足了機(jī)組在高回水溫度工況下的應(yīng)用，且在此基礎(chǔ)上開發(fā)了全直流變頻系列（壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、電子膨脹都為直流變頻控制）的CO2熱泵控制器和機(jī)組，得到了市場的接受和客戶的認(rèn)可。