冷熱互聯系統研究及其能效計算準則討論

(1 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049； 2 冰輪環境技術股份有限公司 煙臺 264002)

制冷系統和制熱系統已經廣泛應用于我國工業、商業、民用、建筑等多個領域，并擔負著重要的作用。隨著社會發展以及產品的更新換代，單一制冷或者制熱已經漸漸不能滿足某些領域發展以及能源高效利用的需求[1]，將制冷系統和制熱系統相結合的冷熱互聯系統應運而生。

國內外學者分別從制冷系統和制熱系統的角度進行了建模分析、工質選擇、實驗研究，對于同時涉及冷熱互聯的系統僅有簡單的探索。田磊等[1]利用再生水源熱泵回收污水廠外排水的低溫余熱，將其提升后滿足污泥高溫消化等需熱工藝；被吸取熱量后的低溫水用于建筑制冷，形成再生水源熱泵冷熱聯供系統，從不同角度提升能源利用效率。Zhao Zhaorui等[2]介紹了一種新型高溫氨雙螺桿壓縮機系統，用于回收熱量和供應熱水。針對高壓雙螺桿壓縮機的特點，提出了一種半經驗模型并進行了理論和實驗研究。A. Polzot等[3]對CO2商用制冷機組集成的水循環熱泵系統進行了建模和能效評估，深入了解熱回收解決方案的節能潛力。S. Singh等[4]基于某一制冷設備的現場數據，通過CO2熱泵系統將廢熱利用，建立了熱力學模型并對全年現場數據進行了模擬，最終能源成本降低33.8%。李樹平等[5]從能源利用率的角度，用當量熱力系數及能源利用系數分析比較了吸附式空調熱泵構成的冷熱電聯供系統，發現采用吸附制冷熱泵的三聯供系統可以提高能源利用率。劉雄等[6]提出了一種雙級壓縮制冷熱泵循環，能夠實現冷熱量的同時獨立調節，在工作過程中存在一個特征溫度。李軍等[7]通過分析發現氨螺桿式高溫熱泵適用于制取70 ℃及以下溫度熱水的場合，而復疊制冷系統更適合制取80 ℃以上溫度熱水。現階段，對于在整個冷熱互聯系統的實際實驗操作以及相關能效計算分析的研究相對較少。

對系統進行能效分析，其結果可在一定程度上反映當前產品設計制造的綜合水平，是制定相關產品能效標準的依據[8]。傳統能效計算中，能效比是取得的收益能量和付出的補償能量之間的比值[9]，但在冷熱互聯系統中，冷熱量都可被回收利用，若依舊僅考慮制冷量或制熱量作為收益能量不合理。在涉及到冷、熱量共用的系統中，傳統的能效計算方式不能滿足新型系統的實際狀況。因此，需要重新思考能效標準的定義。本文研究了對兩種冷熱互聯系統的性能，提出了3種能效計算方法，通過相關實驗加以論述，總結了相應的能效計算法則及特點。

1 冷熱互聯系統

在高效的冷熱互聯系統中，制冷系統的冷凝熱作為熱泵系統的熱源。圖1所示為冷熱互聯系統流程圖。制冷系統排氣經過中間冷卻器降低過熱度后，以飽和氣體的狀態吸入熱泵壓縮機，吸氣壓力為制冷系統冷凝壓力，吸氣溫度為此時冷凝壓力下的飽和溫度。吸入的飽和制冷劑氣體經過熱泵壓縮機增壓成為高溫高壓氣體，此時具有更高品位的能量，增壓后的制冷劑進入熱泵冷凝器，完成冷凝放熱過程，將熱量釋放給工藝用水，從而生產高溫熱水，通過水路將熱泵油冷卻器與熱泵冷凝器串聯，完成冷凝熱全回收。冷凝后的制冷劑液體一部分節流進入中間冷卻器，用來降低制冷系統排氣過熱度，另一部分經過降壓，循環至制冷系統。

圖1 冷熱互聯系統流程圖Fig.1 The flow chart of integrated system coupling refrigeration with heating

2 冷熱互聯系統模型建立

本文建立了兩種冷熱互聯系統模型，分別為由NH3/CO2復疊機組與氨高溫熱泵機組并聯而成的A系統，常規氨制冷機組與氨高溫熱泵機組并聯而成的B系統。

2.1 機組說明

A系統中的制冷部分選擇NH3/CO2復疊系統[10]采用LG16M12RFD機組，由高溫級壓縮系統、低溫級壓縮系統、冷凝蒸發器、蒸發式冷凝器、桶泵系統、供液系統等組成。低溫級制冷劑為CO2，使用 RCH12S單級高壓壓縮，其油冷負荷、冷凝負荷全部由高溫氨機吸收；高溫級制冷劑為NH3，使用LG16M單級壓縮機。

B系統中制冷部分為常規氨制冷機組，壓縮機組型號采用LG16MYA，使用油冷冷卻器，油冷負荷、冷凝負荷全部由冷凝器承擔。

兩個系統的制熱部分均選擇氨高溫熱泵[11]系統，采用LS12SHRB機組，由壓縮機、中間冷卻器、冷凝器、供液系統等組成，油冷卻器與冷凝器采用水冷形式，通過串聯水路將冷凝熱全部吸收，是寬溫區系統的一種特殊形式[12]。

2.2 系統原理

A系統：NH3/CO2復疊系統匹配氨高溫熱泵后，對于氨側變為“氨雙級壓縮一次節流中間完全冷卻系統”，氨復疊高溫級成為雙級壓縮的低壓級，同時帶經濟器運行，可看作氨準三級壓縮。復疊部分壓焓圖如圖2所示。

圖2 NH3/ CO2復疊系統壓焓圖Fig.2 The p-h digram of NH3/CO2 cascade system

復疊氨高溫級排氣進入氨高溫熱泵系統中間冷卻器，將過熱度降低后成為飽和蒸氣被熱泵壓縮機吸入，增壓后進入冷凝器放熱給循環水，用于產生熱水；冷卻后的氨一部分節流后進入復疊系統，另一部分節流后進入中間冷卻器降低復疊高溫機排氣過熱度。從而制冷系統冷凝熱得到全回收[13]。熱泵部分壓焓圖如圖3所示。

圖3 氨高溫熱泵等效循環壓焓圖Fig.3 The p-h digram of NH3 high temperature heat pump

B系統常規氨制冷機組與氨高溫熱泵匹配[6]，使得氨由常規制冷循環成為“氨雙級壓縮一次節流中間完全冷卻系統”。其制冷部分壓焓圖類似A系統復疊系統高溫級，制熱部分壓焓圖類似A系統高溫熱泵。

3 能效計算方法

針對冷熱互聯系統的特殊情況，本文提出3種能效計算方法。

第1種：

此種計算方法從熱泵角度考慮[14]，將制熱量作為收益能效，熱泵軸功率作為補償能量，不考慮與之結合的制冷系統的相關功耗和收益。

第2種：

該算法仍將熱泵制熱量作為收益，不同于第2種方法的是將整個系統的軸功作為補償能量，但忽略制冷收益。

第3種：

該計算方法綜合了制冷系統的制冷量和熱泵系統的制熱量，將其整體看作收益能量，而補償能量依舊采用第2種方式中整個系統的軸功率。

4 計算結果及分析

基于系統實測數據，根據能量守恒定理，結合Refprop軟件進行如下計算。

4.1 A系統計算

整體系統計算條件為機組滿載運行，耦合系統工況為-40 ℃/65 ℃，復疊系統運行工況-40 ℃/40 ℃，根據機組排量特性最優中間溫度為-17 ℃，氨高溫熱泵系統運行工況40 ℃/65 ℃。

為方便計算，高溫熱泵系統數值上等效為常規制冷系統，等效計算模型為復疊高溫級與熱泵中間采用0 ℃換熱溫差的熱交換器進行換熱，熱泵看作復疊高溫級冷凝器。

4.1.1復疊系統低溫級性能計算

低溫級循環工質為CO2，壓縮機選用RCH12S，理論排量V1=152 m3/h，實驗測得容積效率ηv=0.87、絕熱效率ηs=0.71，相關參數詳見表1。

4.1.2復疊系統高溫級性能計算

高溫級循環工質為NH3，壓縮機選用LG16M，理論排量V1=598 m3/h，冷凝溫度與低溫級蒸發溫度有3 ℃的傳熱溫差，實驗測得容積效率ηv=0.86、絕熱效率ηs=0.71，相關參數見表2。

表1 復疊系統低溫級參數Tab.1 The parameters of cascade system in low temperature stage

表2 復疊系統高溫級參數Tab.2 The parameters of cascade system in high temperature stage

4.1.3氨高溫熱泵系統性能計算

氨高溫熱泵系統壓縮機選用RCH12S，其理論排量V1=152 m3/h，氨蒸發溫度與復疊系統高溫級NH3冷凝溫度相匹配，實驗測得容積效率ηv=0.87、絕熱效率ηs=0.65，相關參數見表3。

表3 A系統氨高溫熱泵參數Tab.3 The parameters of NH3 high temperature heat pump of system A

4.2 B系統相關計算

機組運行在-15 ℃/65 ℃工況下(即常規氨制冷蒸發溫度/氨高溫熱泵冷凝溫度)。

4.2.1常規制冷系統性能計算

常規氨制冷機組，壓縮機選用同A系統高溫級，為LG16M，實驗測得容積效率ηv=0.86、絕熱效率ηs=0.71，相關參數見表4。

4.2.2氨高溫熱泵系統性能計算

氨高溫泵蒸發溫度與制冷系統冷凝溫度相匹配。壓縮機選用RCH12S，理論排量V1=152 m3/h，實驗測得容積效率ηv=0.87、絕熱效率ηs=0.65，相關參數見表5。

表4 氨制冷機組參數

表5 B系統氨高溫熱泵系統參數

5 能效分析討論

A系統：在制冷蒸發溫度為-40 ℃，制冷冷凝溫度為40 ℃，熱泵冷凝溫度為65 ℃的工況下，系統能量參數見表6。

表6 A系統能量參數

第1種計算方法：氨高溫熱泵制熱效率應為系統總制熱量除以熱泵軸功率：

第2種計算方法：若考慮從-40 ℃蒸發溫度提取熱量，至65 ℃冷凝溫度制熱，則制熱效率為：

第3種計算方法：若考慮用-40 ℃蒸發溫度制冷，65 ℃冷凝溫度制熱，則綜合效率為：

B系統：蒸發溫度為常規空氣源熱泵運行點，制冷蒸發溫度為-15 ℃，制冷冷凝溫度為38.5 ℃，熱泵冷凝溫度為65 ℃，系統能量參數見表7。

表7 B系統能量參數Tab.7 The energy parameters of system B

第1種計算方法：氨高溫熱泵制熱效率應為系統總制冷量除以熱泵軸功率：

第2種計算方法：若考慮從-15 ℃蒸發溫度提取熱量，至65 ℃冷凝溫度制熱，則制熱效率為：

第3種計算方法：若考慮用-15 ℃蒸發溫度制冷，65 ℃冷凝溫度制熱，則綜合效率為：

6 結論

本文構建冷熱互聯系統的兩種模型，進行實驗操作，分析對比A、B兩種系統，得出以下結論：

1)在熱泵系統和熱泵放熱溫度相同的情況下，NH3/CO2復疊機組(-40 ℃/65 ℃)可以比普通氨制冷機組(-15 ℃/65 ℃)使用溫度范圍廣。

2)第1種能效計算方法，雖然計算得到的系統COP較高，但由于僅考慮熱泵收益熱量忽略制冷系統制冷量，且僅考慮熱泵軸功率忽略制冷系統軸功率顯然不合理。

3)第2種能效計算方法雖然在軸功率方面按照整個系統來算，但沒有將制冷系統的制冷量看作收益，同樣值得商榷。

4)第3種能效計算方法，綜合考慮了制冷系統的制冷量和熱泵系統的制熱量，同時將整個系統的軸功率看作補償能量，充分體現了冷熱系統的特性，因此在3種計算方法中最為合理，更具有參考意義。