采暖和熱水相結合的CO2熱泵系統性能比較研究

采暖和熱水相結合的熱泵系統通常用于現代節能建筑中。CO2（制冷劑代號R744）熱泵系統性能取決于系統設計（交換器尺寸，壓縮機效率等）和運行條件（進水溫度，采暖與熱水加熱的能耗比率等）。現有的系統設計常常同時使用CO2和HFC（例如R410A），但是這種熱泵系統的相對性能還沒有過多的深入研究。本文介紹了基于MATLAB平臺開發的系統數學模型，以及該模型對熱泵系統的性能評估結果。系統建模的過程基于如下幾點：熱交換器的建模是通過固定壓降和最小溫差點；噴射器和壓縮機建模是基于特定的效率值；使用遺傳算法對系統運行參數進行優化；并對特定參數的敏感度進行核算。圖1為本文研究的組合系統流程圖。

系統數學模型計算表明，當供暖與熱水的加熱比率低于0.6～1.0，進水溫度低于20℃（例如在北歐）并且換熱器設計的夾點溫度（最小溫差點）低于10K，則CO2的系統性能優于R410A制冷系統。由于未考慮實際設備性能的差異，因此以上結論可以認為是對于CO2熱泵的保守估計。高效的壓縮機和噴射器的使用也會使基于CO2的制冷系統更加高效。但是，參數敏感性研究計算表明，對于供暖與熱水加熱比大于1的情況下，R410A系統性能將優于CO2的系統。

圖1 組合式熱泵（采暖+熱水）流程圖

本文介紹的參數敏感性研究可以比較基于R410A和CO2的不同系統，例如，過程參數顯示使用不同的制冷劑會直接影響壓縮機的工作效率。如圖2所示，當CO2和R410A的壓縮機效率均為70%時，供暖和熱水加熱比小于0.7，并且壓縮機效率都在70%的情況下，基于CO2的系統性能系數COP比基于R410A的系統高。如果R410A的壓縮機效率在65%，以及供暖和熱水加熱比小于或等于0.9的情況下，基于CO2的系統的COP依然高于基于R410A的系統。

圖2 不同的壓縮機效率條件下COP變化圖中綠色圓圈表示CO2（R744）和R410A曲線交叉的位置

本文的優化模型還可以用于研究通過引入發射器而獲得的系統性能系數COP的增益。已有的文獻對帶有多個氣體冷卻器和單個噴射器的集成熱泵沒有太多的討論。本文計算的結果表明，基于R410A的系統性能系數COP增益很小（小于3%）。對于基于CO2的系統而言，噴射器的增益可以高達11%，并且在供暖加熱模式下的增益是熱水加熱模式下增益的兩倍以上。因此，帶有噴射器的基于CO2的集成熱泵系統是值得推薦用于現代隔熱良好的低能耗建筑的。

資料來源：Brodal & Jackson - International Journal of Refrigeration 108 (2019) 234–245.