供暖用二氧化碳空氣源低溫供熱研究

陳子丹

摘要：為解決傳統(tǒng)空氣源熱泵在寒冷地區(qū)季節(jié)性能系數(shù)（COP）低，產(chǎn)出熱水溫度不太高（45℃）的普遍問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)在青島項(xiàng)目采用二氧化碳空氣源熱泵對(duì)鐵路段進(jìn)行供暖，為提高性能系數(shù)和減少能源消耗，使用壓縮機(jī)和水泵變頻技術(shù)對(duì)二氧化碳空氣源熱泵進(jìn)行控制，分析二氧化碳空氣源熱泵變頻條件和適用溫度范圍。結(jié)果表明，在-10℃的環(huán)境下，壓縮機(jī)升頻到60Hz，制熱量能提高18.75%;使用二氧化碳空氣源熱泵變頻技術(shù)，可生產(chǎn)65℃熱水，在-12℃環(huán)境下，其性能系數(shù)達(dá)2.2;房間溫度波動(dòng)在22℃附近，波動(dòng)幅度為2℃;在整個(gè)供暖期電耗為46.7kW·h/m2。

Abstract： In order to solve the traditional air source heat pump seasonal coefficient of performance （COP） is low in cold area， the output water temperature only reach to 45℃. The experiment of heat supply utilized carbon dioxide air source heat pump variable frequency technology aimed at improving the coefficient of performance and reducing energy consumption， through the technology of variable frequency compressors and water pump to control heat system， analyzed suitable temperature range and frequency conversion condition. The results show that the compressor frequency reach 60Hz at ambient temperature under -10℃， heat capacity could increase 18.75%; by using of carbon dioxide air source heat pump variable frequency technology， it could produce 65℃ hot water， under -12℃ environment temperature， its coefficient of performance reached 2.2; the fluctuations of room temperature near 22℃， the range of volatility is 2℃; the power consumption is 46.7kW ·h/m2 in the whole heating period.

關(guān)鍵詞：二氧化碳;變頻;壓縮機(jī);供暖

Key words： carbon dioxide;variable frequency;compressor;heat supply

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）13-0138-03

0 引言

國(guó)家政策提出環(huán)保節(jié)能，使用空氣作為熱源的熱泵逐漸引起人們重視，在商業(yè)工業(yè)場(chǎng)所均對(duì)它做研究以取代傳統(tǒng)燃?xì)狻⑷加湾仩t以提供生活用水和工業(yè)用水[1]-[4]。目前市場(chǎng)多采用輻射供暖，溫度低，舒適度較好，但是管網(wǎng)初投資成本高，對(duì)于我國(guó)北方大部分地區(qū)均為鍋爐熱力站集中供暖，管網(wǎng)改造成本高[5]，且市面上大部分熱泵機(jī)出水溫度達(dá)不到要求[6]，同時(shí)嚴(yán)寒寒冷地區(qū)由于低溫環(huán)境空氣源熱泵結(jié)霜嚴(yán)重，所以基本為輻射供暖，施工復(fù)雜，成本高[7]。因此，新興的二氧化碳空氣源熱泵機(jī)組更能滿足居民、工商業(yè)節(jié)能改造所需的環(huán)境條件，溫度條件，施工條件，最終節(jié)能效果顯著[8]。

二氧化碳空氣源熱泵能在-25℃環(huán)境中快速生產(chǎn)65℃的高溫?zé)崴掖藭r(shí)COP達(dá)1.8以上[9]-[11]，是北方供暖熱水供應(yīng)的優(yōu)選產(chǎn)品，再結(jié)合熱泵壓縮機(jī)變頻和系統(tǒng)大溫差小流量變頻技術(shù)進(jìn)一步對(duì)供暖系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，能源利用率提高，對(duì)環(huán)境友好[12][13]。二氧化碳空氣源熱泵變頻技術(shù)相較于定頻壓縮機(jī)熱泵而言，可在低溫環(huán)境下大大降低制熱量的衰減，適用溫度范圍擴(kuò)大[14]-[16]，對(duì)不同環(huán)境的系統(tǒng)變頻參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出用于供暖系統(tǒng)的二氧化碳空氣源的最優(yōu)性能和節(jié)能結(jié)果。

1 試驗(yàn)測(cè)試及分析

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)采用大溫差變水量系統(tǒng)，運(yùn)用二氧化碳空氣源熱泵產(chǎn)高溫?zé)崴?5℃）。其系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由儲(chǔ)熱系統(tǒng)，供暖系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。儲(chǔ)熱系統(tǒng)包括3個(gè)儲(chǔ)熱水箱，1#水箱、2#水箱、3#水箱;其中2#水箱作為緩沖水箱，3#水箱直接與熱泵出水管和分水器相連，為高溫?zé)崴?yīng)裝置，1#水箱與系統(tǒng)回水管和熱泵進(jìn)水管相連。在使用二氧化碳空氣源熱泵的供暖系統(tǒng)中，采用二氧化碳高壓壓縮機(jī)，理論排氣量23.25m3·h-1。系統(tǒng)中循環(huán)水泵揚(yáng)程8m，水量10m3·h-1。

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)有兩套，分別在二氧化碳熱泵機(jī)組上和供暖系統(tǒng)中。包括溫度傳感器、水流量計(jì)、壓縮機(jī)/循環(huán)水泵功率表、電控箱、可編程序控制器和數(shù)據(jù)采集器。熱泵機(jī)組上自動(dòng)檢測(cè)壓縮機(jī)吸排氣壓力和壓縮機(jī)頻率以及熱泵產(chǎn)熱量。在供暖系統(tǒng)中，檢測(cè)1#水箱溫度T1、3#水箱溫度T2、供水管溫度T3、回水管溫度T4、環(huán)境溫度T5;同時(shí)記錄循環(huán)水量和水泵頻率變化。

1.2 控制方式

該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)三種情況：①供小于求，檢測(cè)T1和T2溫度會(huì)下降，所有熱泵均啟動(dòng)，仍無(wú)法滿足需求，會(huì)有如下動(dòng)作：1）輔助電加熱會(huì)投運(yùn)部分，保證供暖效果;2）不投運(yùn)電加熱，此時(shí)供水溫度已經(jīng)開(kāi)始下降，相應(yīng)回水溫度也會(huì)下降，此時(shí)循環(huán)泵增加頻率，加大流量，提高回水溫度。若設(shè)備產(chǎn)熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需求，最終會(huì)出現(xiàn)：循環(huán)泵最大頻率運(yùn)行，供回水溫差減小，使供暖效果變差。②供等于求，一般在變工況時(shí)會(huì)出現(xiàn)，時(shí)間較短。③供大于求，T1和T2溫度會(huì)上升，多余的熱量在存儲(chǔ)滿3號(hào)水箱后，逐漸反向存儲(chǔ)到2號(hào)-1號(hào)，當(dāng)1號(hào)水箱水溫上升到設(shè)定目標(biāo)溫度（如42～44℃、44～46℃），會(huì)梯階對(duì)熱泵設(shè)備進(jìn)行卸載，直至穩(wěn)定。

1.3 系統(tǒng)分析

圖 2是熱泵機(jī)組在不同環(huán)境溫度下，制熱量隨頻率的變化趨勢(shì)。由圖2（a）可知，制熱量隨頻率的增加是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的，在環(huán)境溫度高于-15℃時(shí)，二氧化碳空氣源熱泵制熱量隨著頻率增加幾乎為線性增長(zhǎng);但在-20℃環(huán)境下，當(dāng)壓縮機(jī)頻率低于60Hz時(shí)，制熱量下降加快，不再呈線性變化，這是由于低溫下二氧化碳制冷劑蒸發(fā)溫度低，對(duì)應(yīng)的飽和壓力降低，壓縮機(jī)頻率過(guò)低時(shí)，壓縮做工減少，使在低溫條件下，二氧化碳制冷劑處于亞臨界循環(huán)，制熱量急劇減小。因此，在低溫低于-10℃時(shí)，應(yīng)使壓縮機(jī)在60Hz以上的頻率運(yùn)行。針對(duì)該系統(tǒng)所用二氧化碳空氣源熱泵低溫條件下升頻能使熱泵制熱量提高18.75%。圖2（b）是熱泵在低溫供熱工況運(yùn)行曲線。在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，為保證系統(tǒng)COP下降不太快，低溫下壓縮機(jī)升頻工作;在環(huán)境溫度大于0℃時(shí)，制熱量呈上升趨勢(shì)，但是上升變慢，溫度在不同進(jìn)水溫度下制熱量和COP的變化、不同設(shè)計(jì)供回水溫差隨水泵頻率在不同環(huán)境溫度下的變化-10℃～0℃之間，產(chǎn)熱量下降加快，蒸發(fā)溫度降低對(duì)制熱量影響在這個(gè)區(qū)間較大，而到-25℃～-10℃之間時(shí)，制熱量下降趨勢(shì)變緩，幾乎為線性變化，其主要措施即提高壓縮機(jī)頻率，對(duì)系統(tǒng)的制熱量的衰減能有很好的抑制作用。制取熱水65℃，進(jìn)水從35℃、40℃、45℃變化，熱泵制熱量隨著環(huán)境的變化趨勢(shì)如圖2（b）所示。在進(jìn)水溫度為35℃，環(huán)境溫度為-7℃時(shí)，制熱量為71.5kW，熱泵COP達(dá)2.2。

圖 2（c）是供熱量在不同的循環(huán)水泵頻率下的變化趨勢(shì)及不同水溫降常出現(xiàn)的溫度區(qū)間。當(dāng)水溫降為20K時(shí)，能滿足環(huán)境溫度在10℃～-10℃的范圍內(nèi)，水泵頻率從18Hz到38Hz變化，此時(shí)天氣氣溫雖然有20K的跨度，但空氣焓值變化相差不大，即使在-10℃，空氣含濕量不大的情況下也可滿足供暖需求;若空氣溫度低且含濕量增加，冷負(fù)荷增加，會(huì)使供回水溫差加大，水泵頻率運(yùn)行期間稍有縮小，在20Hz至30Hz之間，供熱量增大;在環(huán)境溫度進(jìn)而降低，冷負(fù)荷需求更為擴(kuò)大時(shí)，此時(shí)供/回水溫差增加到30K，循環(huán)水泵的頻率還會(huì)減小，范圍在15Hz到25Hz之間，在30K的溫差下，供熱是隨著房間冷負(fù)荷增大而增大水泵頻率，提高循環(huán)水量以增加供熱量。

2 供熱/節(jié)能效果

圖 3（a）為采用二氧化碳空氣源熱泵變頻技術(shù)的節(jié)能效果和供暖效果。由圖3（a）可知，該建筑全年最大逐時(shí)冷負(fù)荷不超過(guò)50W·m-2，在供暖期間（120d）平均逐時(shí)電耗僅為15.8W·m-2，整個(gè)供暖季為45.6kW·h·m-2，節(jié)能效果良好。圖3（b）為供暖期間建筑物室溫情況，室內(nèi)溫度基本在22℃，波動(dòng)在±1℃。表明了變頻技術(shù)對(duì)便于控制室內(nèi)溫度穩(wěn)定，二氧化碳空氣源熱泵變頻能在低溫下較好的滿足供熱需求。

3 結(jié)論

①供暖系統(tǒng)用戶端散熱器采用變水量系統(tǒng)比定水量系統(tǒng)在低水量運(yùn)行時(shí)較難控制，但有節(jié)能可能。

②用二氧化碳空氣源熱泵低溫條件下升頻能使熱泵制熱量提高18.75%。

③環(huán)境溫度從-25℃升高到15℃，二氧化碳空氣源熱泵壓縮機(jī)頻率從65Hz降低到50Hz。

④在低于-10℃的環(huán)境下，若二氧化碳空氣源熱泵頻率小于60Hz，會(huì)出現(xiàn)亞臨界循環(huán)，制熱量降低。

⑤在進(jìn)水溫度為35℃，環(huán)境溫度為-7℃時(shí)，熱泵COP達(dá)2.2。

⑥二氧化碳空氣源熱泵供熱系統(tǒng)配合水泵變頻技術(shù)可使供暖期電耗為45.6kW·h·m-2，房間溫度穩(wěn)定在22℃附近。

參考文獻(xiàn)：

[1]NeksP， Hoggen R L， Aflekt K， et al. Fan-less heat exchanger concept for CO2 heat pump systems[J]. International journal of refrigeration， 2005， 28（8）： 1205-1211.

[2]Cavallini A， Cecchinato L， Corradi M， et al. Two-stage transcritical carbon dioxide cycle optimisation： A theoretical and experimental analysis[J]. International Journal of Refrigeration， 2005， 28（8）： 1274-1283.

[3]Neks？覽 P， Rekstad H， Zakeri G R， et al. CO2-heat pump water heater： characteristics， system design and experimental results[J]. International Journal of refrigeration， 1998， 21（3）： 172-179.

[4]Jin Z， Eikevik T M， Neks？覽 P， et al. Investigation on CO2 hybrid ground-coupled heat pumping system under warm climate[J]. International Journal of Refrigeration， 2016， 62： 145-152.

[5]王林軍，劉偉，張東，等.寒冷地區(qū)低溫空氣源熱泵輻射供暖實(shí)驗(yàn)研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2016（1）：77-82.

[6]冷志勇，周英濤，楊曉倩.CO2熱泵技術(shù)在供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào)（北京），2014，14（10）：89-93.

[7]Cecchinato L， Corradi M， Fornasieri E， et al. Carbon dioxide as refrigerant for tap water heat pumps： a comparison with the traditional solution[J]. International Journal of Refrigeration， 2005， 28（8）： 1250-1258.

[8]Cho H， Ryu C， Kim Y， et al. Effects of refrigerant charge amount on the performance of a transcritical CO2 heat pump[J]. International Journal of Refrigeration， 2005， 28（8）： 1266-1273.

[9]羅會(huì)龍，林辯啟，杜培儉，等.大功率二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能[J].化工學(xué)報(bào)，2015，66（6）：2274-2279.

[10]寇宏僑，羅會(huì)龍，杜鴻儒，等.低溫下提高CO2空氣源熱泵進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響[J].化工學(xué)報(bào)，67（S2）：378-385.

[11]Minetto S， Cecchinato L， Brignoli R， et al. Water-side reversible CO2 heat pump for residential application[J]. International Journal of Refrigeration， 2016， 63： 237-250.

[12]楊俊蘭，馬一太，李敏霞.超臨界CO2流體及其換熱特性分析[J].流體機(jī)械，2013，41（5）：66-71.

[13]Kim S G， Kim Y J， Lee G， et al. The performance of a transcritical CO2 cycle with an internal heat exchanger for hot water heating[J]. International Journal of Refrigeration， 2005， 28（7）： 1064-1072.

[14]Yokoyama R， Wakui T， Kamakari J， et al. Performance analysis of a CO2 heat pump water heating system under a daily change in a standardized demand[J]. Energy， 2010， 35（2）： 718-728.

[15]Stene J. Residential CO2 heat pump system for combined space heating and hot water heating[J]. International Journal of Refrigeration， 2005， 28（8）： 1259-1265.

[16]劉圣春，馬一太，劉秋菊.CO2跨臨界循環(huán)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)最優(yōu)中間壓力分析[J].流體機(jī)械，2008，36（4）：16-18.