低溫環境下CO2空氣源熱泵系統模型及實驗研究

袁 磊，余南陽

（西南交通大學機械工程學院，成都 610031）

低溫環境下CO2空氣源熱泵系統模型及實驗研究

袁 磊，余南陽

（西南交通大學機械工程學院，成都 610031）

主要研究了在低溫環境下利用CO2空氣源熱泵進行采暖的可行性。建立了一個靜態的CO2空氣源熱泵的數學模型，并且充分考慮了各組成部件（空氣冷卻器、蒸發器、壓縮機和膨脹閥）的熱交換特性。為了驗證模型，對一套CO2熱泵采暖系統進行了現場測試。通過模擬和實驗的對比，分析了進水溫度和室外溫度對系統特性的影響，然后還分析了引入回熱器對系統效率提升的影響。通過上述的分析，在室外溫度為－20℃時，系統的COPh可以達到2.25，在低溫環境下使用CO2熱泵進行采暖是可行的；引入回熱器使系統效率提升5%左右。

CO2；熱泵；低溫；采暖；回熱器

氣候變化已經成為全球關注的熱點問題，解決環境變化的關鍵是減少溫室氣體的排放，所以驅使運輸、能源企業、農業、制造業等開發新的技術來減少溫室氣體的排放。空調制冷領域也不例外［1］。現有的制冷系統采用的制冷劑都為溫室氣體，如：R134a，它的GWP高達1 300［2］。即使現有的制冷系統已經加入了一些安全措施，但是在維修或者報廢后，由于泄露和操作不當造成溫室氣體進入大氣，對氣候造成一定的影響。近年來CO2作為自然工質備受關注，由于其無毒、無腐蝕性、不易燃燒，對臭氧層沒有影響，而且價格便宜容易得到。特別是在熱泵系統中相對于其他制冷劑，CO2具有相當大的優勢。CO2有2個主要的參數值的關注，一是它的臨界溫度低；另外它需要的工作壓力高。它的這些性質，決定了它適合在一些特殊的環境中進行應用。

本文對一個在低溫環境下的CO2熱泵采暖系統進行分析，建立帶回熱器的數學模型，對系統中的氣體冷卻器采用微元法的改進數學模型進行建模，同時進行試驗測試，驗證數學模型。分析系統在低溫下的運行特性，并且分析了回熱器對系統效率提升的效果。

1 CO2熱泵的數學模型

CO2熱泵采暖系統主要由壓縮機、氣體冷卻劑、中間回熱器、節流閥、蒸發器和儲液罐等主要部件構成（如圖1所示）。低溫低壓得CO2氣體在壓縮機中壓縮至超臨界，然后進入氣體冷卻器中被冷卻介質冷卻，離開氣體冷卻器后，高壓氣體在中間回熱器中進一步冷卻，然后CO2氣體通過節流閥后，溫度下降，部分被液化，濕蒸汽進入蒸發器中汽化，儲液罐中出來的低壓飽和蒸汽進入回熱器，在低壓側通道吸收高壓側中的超臨界流體，吸收后成為過熱蒸汽進入壓縮機升壓提溫，反復循環進行［3－5］。

圖1 CO2熱泵采暖系統

根據前面對系統的組成和原理的介紹，接下來對各主要部分的數學模型進行論述。空氣冷卻器、回熱器和蒸發器是系統中的3個換熱器，結構和換熱特點各不相同。空氣冷卻器和蒸發器一般為翅片管式，回熱器為套管式。由于翅片管式換熱器采用多排管多管程布置，且制冷劑沿程溫度、物性和換熱系數變化較大，因此不宜對整個空氣冷卻器采用簡單的集總參數法進行計算。對于回熱器而言，雖然流程簡單，但考慮到制冷劑沿程物性和換熱系數可能有較大變化，也不宜采用集總參數法［6－7］。為了精確建模獲得換熱器的分布特征，采用微元法，即將整個換熱器按工作特點劃分為若干個微元換熱器，只需建立微元換熱器的集總參數和微元換熱器的相互連接關系，即可獲得該換熱器的整體和分布特征。（回熱器、蒸發器和氣體冷卻器等原理相同，只是兩側換熱介質不同，它們的數學模型沒有詳細列出）。

1.1 氣體冷卻器模型

微元大小不變，制冷劑沿程為一維流動，管壁軸向導熱可忽略不計。對第i個微元建立傳熱模型，列出了制冷劑側和水側相關的質量、動量和能量方程。

水側能量守恒方程

1.2 蒸發器模型

蒸發器和空氣冷卻器的換熱過程基本相同，只是管外換熱介質為空氣，只列出空氣側能量守恒方程，其他方程如氣體冷卻器［8］。

空氣側能量守恒方程

式中：Aw水側換熱面積；Ac截面積；Ar制冷劑側換熱面積；cD定壓比熱；M質量；m質量流量；P壓力；T溫度；t時間；u內能；V流速；z位置高度；ΔP壓降；ρ密度；ηo翅片總效率；θ傾角；下標：i入口；o出口；r制冷劑側；w水側；b管壁。

1.3 回熱器模型

回熱器為逆流套管式換熱器，兩側流體均為單相強迫對流，高壓流體走管內，低壓流體走環狀空間［7］。

1.4. 壓縮機模型

壓縮機轉速高，響應迅速，采用準穩態集總參數法進行建模［9］。

制冷劑實際流量

式中：mr質量流量；Vth理論容積；vin壓縮機進口比容；λ輸氣系數；f多變系數；Pout壓縮機出口壓力；Pin壓縮機進口壓力；Nth壓縮機輸入功率；ηel機械效率。

1.5 節流閥模型

節流閥因其時間常數遠小于主要的熱容部件，如：換熱器等，故可采用穩態模型。

質量守恒方程

動量守恒方程

式中：mi入口處的質量流量；mo出口處的質量流量；P壓降；Pi入口處的壓力；Po出口處的壓力；ξ阻力系數；m質量流量；ρi入口處密度；Ai入口處截面積。

1.6 CO2換熱關聯式

在超臨界區域，CO2的換熱特性有巨大的變化（如粘度和熱傳導等特性），而且與其他流體特性相比也有很大的不同。因此，在不同條件下建立的關于熱傳遞和壓力降的關聯式用在CO2系統上是不準確的，所以建立精確的換熱關聯式，對CO2熱泵系統的數學模型的精度至關重要［10－11］。

關于CO2換熱關聯式的研究，最近許多學者提出了很多關聯式。目前較準確的空氣側換熱關聯式，主要是Seshimo等［12］的研究。Dong等［13］提出的關于制冷劑側和水側的換熱關聯式最準確。本文就采用了以上關聯式，詳細見相關文獻。

1.7 計算方法

系統是一個往復的循環系統，對系統進行模擬需要選擇合適的部分進行斷開，本文從壓縮機進口進行斷開。系統各部件間的相互關系可總結為：1）熱泵機組的充液量為其各部件內所含工質總質量之和；2）流動各節點處的制冷劑質量流量相等。對模型進行模擬，要進行必要的假設：

1）忽略動能和勢能的變化。

2）壓縮機處于絕熱狀態。

3）忽略各部件的熱損失、壓降。

4）節流過程是等熵過程。

計算流程如圖2所示，首先，用假設值來計算每個部件，如果誤差大于可接受的值，然后重新設定假設值，直到達到可接受的范圍。

圖2 系統計算流程圖

2 實驗

為了驗證模型的準確性，進行了實驗測試。對一套CO2空氣源熱泵采暖系統進行現場測試。該系統為某鐵路變電站供暖系統，機組制熱量為73 k W，系統各部件如圖1所示。其中氣體冷卻器有4個螺旋盤管換熱單元，內管采用了毛細管。蒸發器分為2個部分，每個部分有4個換熱單元。壓縮機采用往復式的，并且由2缸組成。具體的各部件的結構如表1所示。

測試點主要在各個部件的進出口位置對制冷劑溫度進行測試；同時，在蒸發器的空氣側測試空氣的進出口溫度，在氣體冷卻器的水側測試水的進出口溫度；并且在壓縮機進出口位置測試壓力。溫度測試主要采用T型熱電偶進行測試，利用數據采集儀收集數據；利用高精度降噪的壓力表對壓力進行測試等［6－7］。實驗設備詳細如表2所示。

表1 機組的結構參數

表2 實驗測試設備參數

通過實驗測試了進出水溫度，并通過模擬和實驗進行對比分析其對COPh的影響，來驗證模型的正確性。同時，主要研究了在寒冷地區，室外溫度對制熱系數的影響、回熱器對系統效率的提升等。分2種工況來進行，當分析進水溫度對COPh的影響時，恒定室外溫度，改變進水溫度；當分析室外溫度對COPh的影響時，恒定進水溫度，改變室外溫度。表3列出了模擬和實驗的條件。

表3 模擬和實驗條件

3 模擬與實驗的對比

3.1 進水溫度對COPh系統各參數的影響

圖3～4展示了進水溫度對COPh的影響、壓縮機的進出口壓力。從結果可以看出，當室外溫度為20℃時，隨著進水溫度的升高，COPh逐漸減少。10℃時，系統COPh接近于4，但是溫度上升到40℃時，COPh降到2.5。這是因為，壓縮機功耗恒定的情況下，熱交換量下降造成的。同時，壓縮機進出口的壓力明顯增加。說明系統運行時，為了保證在高效下運行，進水溫度保持在正常溫度下即可，不需要預熱。

圖3 進水溫度和COPh的關系

圖4 進水溫度和壓縮機進出口壓力的關系

對比了以上模擬和測試值，兩者的吻合度較高，特別是壓縮機的壓力值，但是測試值和模擬值有一定的偏差，主要因為模型中換熱系數采用的是經驗值，不是設備實際值，另外設備本身存在一定精度問題。總體來看，最大的誤差在11.3%，平均誤差在4.8%，在允許的范圍內，模型是可靠的。

3.2 室外溫度對系統的影響

之前有文獻模擬了室外溫度對系統的影響，但是只是針對較高溫度。本文研究的目的就是該系統是否能在寒冷地區使用？使用效果如何？所以實驗和模擬在室外溫度在－20～40℃的條件下進行。分析在較低室外溫度下，機組的制熱效率等參數，如圖5所示。

由圖可知，進水溫度恒定在16℃時，隨著室外溫度的升高，COPh的趨勢是先逐漸升高然后又開始下降。在－20℃時，COPh為2.25，室外溫度達到27℃時，COPh達到最高4.35，然后開始下降，到40℃時，為3.5。可見，在低溫下，CO2熱泵系統來進行采暖是可以運行的，效率不是很高，但是比一般的采暖設備（如鍋爐等）要高很多。特別是和其他采暖設備聯合使用，效果會更好。

圖5 室外溫度和COPh的關系

3.3 回熱器對系統效率的影響

研究系統地考慮了回熱器部件、回熱器在循環中具有重要作用：1）減小節流損失；2）降低空氣冷卻器出口工質溫度；3）提高壓縮機吸氣溫度等［14］。因此，回熱器用以提高系統性能。對于回熱器對系統效率提升的影響，根據前面建立的模型，對沒有回熱器和有回熱器2個系統，通過改變蒸發器溫度，分析比較了2個系統的壓縮機質量流量、功耗、制熱量和制熱系數隨蒸發溫度變化的情況。如圖6～9所示。

圖6 壓縮機質量流量隨蒸發溫度的變化

由圖6可以看出，2個系統壓縮機的質量流量都呈上升趨勢，但是有回熱器的系統質量流量小于無回熱器的系統，這是因為回熱器的引入使壓縮機的吸氣溫度升高的結果。

圖7 壓縮機功耗隨蒸發溫度的變化

由圖7可知，帶回熱器的系統功耗要低一些，主要是因為質量流量減少并且壓比也減少使的壓縮機功耗減少。

圖8 制熱量隨蒸發溫度的變化

由圖8可以看出，2個系統的制熱量都呈上升趨勢，但是有回熱器的系統制熱量小于無回熱器的系統，這是因為回熱器的引入質量流量減少，導致氣體冷卻器的換熱效率比無回熱器的系統小，所以制熱量較小。

圖9 COPh隨蒸發溫度變化

由圖9可知，隨著蒸發溫度的升高，2個系統的制熱系數都呈上升趨勢，帶回熱器的系統功耗和制熱量都要低一些，而且兩者對制熱系數的影響是相反的，所以制熱系數整體要大一些，平均效率提高了5%。

3.4 關于低溫條件下除霜的討論

低溫環境下的CO2空氣源熱泵系統最重要的問題就是除霜問題。室外氣象參數是引起熱泵結霜的必要條件，機組的制熱量下降是機組帶霜運行的基本特征（但機組制熱量下降并非只是由于結霜所引起的），并會影響室內溫度。因此，可以通過檢測室外機組進風參數、室內溫度變化情況以及未除霜的持續運行時間，綜合判定最佳除霜時機，達到及時除霜的目的［15］。

實驗在西北某地進行測試，冬季室外相對濕度在15%～22%之間，結霜量很少，結霜時及時用蒸汽等方法去除，對實驗數據影響較小。數學模型中未考慮結霜工況，為了使模擬更準確，今后研究中應該考慮加入結霜工況的模型。機組本身應該建立與環境參數自適應的控制策略。

4 結 論

建立了一個CO2空氣源熱泵采暖系統的數學模型，同時，對一套CO2熱泵采暖系統進行了現場實驗，主要分析了進水溫度對系統制熱系數的影響并且驗證了模型的準確性，同時分析了室外溫度對制熱系數的影響和回熱器對系統效率提升的效果。得出以下結論：

1）建立了CO2熱泵的數學模型，通過實驗驗證了模型的準確性，模型是可靠的。

2）分析了進水溫度對系統制熱系數的影響，隨著進水溫度的升高，COPh逐漸降低，所以，系統運行時，進水溫度不需要進行預熱。

3）分析了室外溫度對系統制熱系數的影響，隨著室外溫度的升高，COPh逐漸升高然后降低。在室外溫度－20℃時，系統的COPh可以達到2.25，可見在寒冷地區使用CO2熱泵是可行的。

4）分析了回熱器對系統效率提升的影響。帶回熱器的系統比無回熱器的系統COPh平均提升了5%。

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（編輯 王秀玲）

Modeling and Experimental Analysis on CO2Heat Pump in Low Temperature Ambient

YUANLei，YUNanyang
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，P.R.China）

The use of CO2air－source heat pump for heating feasibility in low temperature was analyzed.A static simulation model for the CO2heat pump was developed，and component models of the gas cooler，evaporator，compressor and expansion valve were constructed with careful consideration of the heat transfer performances.To validate the simulation model，experiments were carried out with an actual CO2heat pump system for heating.By comparing the simulated and experimental data，the effects of the inlet water temperature and outside air temperature on the characteristics of the system were discussed.Furthermore，an analysis on the effect of a recuperator on the performance of the system was analyzed.It is shown that when the outside temperature is－20℃，the COPhis 2.25，which indicates that this system works well in low temperature，and the efficiency of system COPhis improved by 5%when recuperator is used.

carbon dioxide；heat pump systems；low temperature；heating；recuperators

TU83

A

1674－4764（2012）06－0133－06

10.3969／j.issn.1674－4764.2012.06.022

2012－02－11

鐵道部基金資助（2010Z002－F）

袁磊（1985－），男，博士生，主要從事建筑節能研究，（E－mail）yuanlei＿85＠hotmail.com。