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 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備的使用造成的能源消耗以及生態環境破壞也越來越嚴重。能源的緊缺和環境的破壞給人類的生存和發展造成了很大的影響，制約人類社會的可持續發展[1]。新的制冷劑替代只是時間的問題，天然工質CO2因其自身的優良熱力學特性必將成為重要的替代方案之一。

二十世紀90年代初，挪威Lorentzen教授根據CO2的物質特性提出了跨臨界CO2循環[2,4]，推動了CO2系統的發展和應用。在過去的十幾年里，許多研究機構對跨臨界CO2循環投入了大量研究，成為制冷界的一大研究熱點?？缗R界CO2系統在高壓側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[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制冷劑。同時CO2制冷劑又是一種綠色的純天然工質[3,7]，不會造成對大氣的污染，因此跨臨界CO2系統可以廣泛地應用在熱泵熱水設備領域。

CO2熱泵在進出水溫度大溫差的情況下，可以體現較高的性能。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側焓差隨溫差減少而減小，標準跨臨界CO2熱泵性能嚴重衰減[3]。針對這個問題各國都在研究應對措施，日本的家用CO2熱泵熱水器產品對水箱進行了改進，如采用絕熱真空水箱，或者分體式小水箱[12]，通過水箱分層復用方式解決回水溫度過高問題。本文從CO2熱力學原理出發，利用變頻控制原理，通過對壓縮機變頻、電子膨脹閥開度進行復合調節[8,10]，改變機組的輸入功率和過熱度，使系統適應更廣的溫度范圍，在高回水溫度下保持穩定運行[9,11]；同時變頻調節水泵的轉速，適當提高水流量，從而提高制熱量。整個研究過程從理論出發，確定控制方案，進而轉變為控制器軟件，對機組進行針對性的測試，驗證方案的可行性。

1 變頻控制策略分析

對客戶使用CO2熱泵情況調研分析表明，在冬季工況下，人們對熱量需求較大，機組產生的熱量可以全部被利用，機組回水溫度可以保持較低水平，且冬季環溫保持在0℃左右，故機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，機組不再提供循環采暖熱水，只提供生活熱水，且環境溫度較高，出現熱量的冗余，客戶機組經常性出現回水溫度較高的情況，影響機組的正常穩定運行。

在這種情況下，需要對壓縮機進行變頻控制，同時機組的電子膨脹閥和變頻水泵配合一起進行調節，在保證機組壓力和出水溫度的穩定的情況下，盡量提高機組能效。

1.1 高溫回水對機組能效的影響

機組的制熱量計算為下述公式：

其中：W為機組的制熱量，單位kW；

To為機組的出水溫度，單位K；

Ti為機組的回水溫度，單位K；

Qf為機組的實際水流量，單位m3/h；

C為水的比熱容，數值為4.2 kJ/(kg·℃)；

ρ為水的密度，數值為1000 kg/m3。

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

圖1是使用都凌CD4501H壓縮機通過二氧化碳壓焓圖模擬演示在相同蒸發溫度（2℃）和氣冷器壓力（10.5 Mpa）下，不同回水溫度所對應的機組性能狀態，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中，回水溫度數值對于CO2熱泵系統性能的影響很大。數據整理對比如表1所示。

圖1 不同回水溫度下壓焓圖

表1 數據整理對比

1.2 變頻控制策略

上述內容可推論得出：當二氧化碳熱泵回水溫度較高時，系統的制熱量快速下降，同時機組能效也會大幅度下降，在某些工況下，會導致蒸發側不再處于吸熱狀態，COP會小于1，所以需要通過變頻控制系統保證在高溫回水溫度下穩定運行，設法提高機組的能效。

變頻控制主要涉及部件有壓縮機、水泵，節流裝置電子膨脹閥。控制原則為，壓縮機和電子膨脹閥配合調整在回水溫度上升后，保證壓力和出水溫度的穩定，水泵作為壓縮機和電子膨脹閥主調節之后的輔助調節裝置，在壓力和出水溫度穩定的前提下，按照制熱量公式（1），微調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行控制。

控制過程分為兩個模式，當回水溫度大于等于35℃時使用高回水溫度模式進行控制；在開機時回水溫度小于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合控制。下限排氣壓力通過實際環境溫度和回水溫度進行確定，得出一個排氣壓力值，當排氣壓力小于此數值時，閥的開度需要增大，并通過PID的方式確定閥變化的數值。當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，壓縮機頻率為優先控制對象。根據制熱量公式（1），理想情況下出水溫度和水流量保持，回水溫度上升后，機組制熱量會降低，故理想情況下認為回水溫度和機組制熱量成反比，同時在理想情況下，壓縮機頻率和輸出功率亦成正比。機組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輸出頻率。推出公式：

其中：f為當前機組壓縮機輸出頻率，單位r/min；

ΔT為機組當前回水溫度和出水溫度目標值差值，單位℃；

ΔTp為機組穩定工況點回水溫度差值和出水溫度目標值差值，單位℃；

fp為機組穩定點工況電的壓縮機輸出頻率，單位r/min；

K1為用于調節的比例系數。

當機組實際回水溫度上升后，根據公式（2）可以計算出壓縮機當前狀態下的輸出頻率并使壓縮機逐步輸出此頻率。在頻率轉變過程中，電子膨脹閥開度控制滯后于壓縮機的變頻控制，原則為保證機組壓力的穩定，在壓力大于下限排氣壓力時，可以不做調整，當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為當前機組電子膨脹閥開度；

ΔP為機組當前排氣壓力值，單位為MPa；

ΔPp為機組前次檢測排氣壓力值，單位為MPa；

Sp為機組前檢測排氣壓力值時的電子膨脹閥開度；

K2為用于調節的比例系數。

公式（2）（3）中，K1和K2參數為關鍵調整參數，此參數的調節和壓縮機、電子膨脹閥以及系統匹配相關。實際調節過程中如數值越接近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，如壓縮機和膨脹閥動作對系統產生互耦性作用，導致系統性能下降。如果當前回水溫度或者排氣壓力數值變化較大或較快，會放大誤差因素的影響，導致系統不穩定。故K1和K2的調整用于減小前后兩次數值比例變化的趨勢，起負反饋的作用，但是如果出現過調，則會導致系統進入不穩定狀態，性能曲線出現震蕩。

當電子膨脹閥開度和壓縮機頻率保證機組在高進水溫度下穩定運行后，水泵的流量進行調整，微量的調高水流量，并在此過程中不斷記錄機組的排氣壓力值和出水溫度，進行前后數值的比較，當出現下述兩種情況時，停止流量的調整。

情況一：排氣壓力出現波動，其數值和調整前的數值比較，大于±0.3 Mpa，且有增大趨勢；

情況二：出水溫度出現波動，其數值和調整前的數值比較，大于±1.2℃，且有增大趨勢。

2 實驗方案設計

2.1 測試機組設備

（1）測試機組：機組為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，在名義環境溫度（7℃）下，出口水流量為0.07 m3/h。

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

表2 C-CV153H0P壓縮機參數

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

表3 壓縮機驅動板參數

（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循環變頻泵，最高揚程12 m，使用PWM方式調速，PWM輸入信號10%～90%可調，保證系統中水流量在0.05 m3/h～0.1 m3/h范圍中變動，滿足系統實驗要求。

（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，并聯通回水出口。整體水箱設計為80℃進水，30℃回水，蓄熱能力為10 kW。

2.2 實驗臺設計

實驗臺額定工況為環境溫度7℃。先使機組穩定運行，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。此工況下穩定運行2.5小時左右，達到蓄熱水箱蓄熱上限，熱量開始溢出，回水溫度上升，當回水溫度達到35℃以上，控制程序進入高回水溫度模式，進行數據的記錄。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 實驗結果

在上述實驗臺中測試，不同環境溫度下、不同高溫回水下所測試的機組狀態數據，包括出水溫度、排氣壓力、電子膨脹閥開度和壓縮機頻率。數據如表5、表6所示。

表5、表6為在環境溫度10℃和25℃時各參數的變化趨勢。機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，壓縮機的頻率不斷降低，為了保持壓力的穩定，電子膨脹閥開度逐步減小，在此過程中系統趨于穩定，水泵在系統穩定的前提下進行微調，整體機組的COP有上升的趨勢，機組的性能有一定的提高。

表5 環境溫度10℃測試數據

表6 環境溫度25℃測試數據

在測試過程中，回水溫度不斷的上升，在目標出水溫度控制不變的情況下（表5測試中為80℃），機組的制熱量降低，則壓縮機的輸出功率也需要降低，根據公式（2）其K1值控制在1.02～1.03區間（工況：環境溫度7～25℃，進出水40/80℃）。當壓縮機的頻率降低后，其機組狀態也發生一定的變化，排氣壓力出現一定下降，電子膨脹閥進行對應控制，但是未小于控制下限壓力之前，公式（3）的控制暫不接入，當小于下限壓力（表5測試中為11.45 Mpa），則接入公式（3）進行對膨脹閥額外補償控制，其K2值控制在1.01～1.02區間（工況：環境溫度7～25℃，進出水40/80℃）。當系統趨于穩定后，水泵接入控制，微調水流量，性能有部分提高。

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

3 結論

隨著CO2熱泵的推廣和應用，需要適應更寬的環境條件，高回水溫度下出現的問題會越來越突出，所以在高回水溫度工況下，保證機組正常穩定運行、提高機組的能效成為迫在眉睫需要解決的問題。根據本文的內容，可以得出下述的結論：

（1）高回水溫度對系統的制熱量和能效影響很大，回水溫度越高，衰減越嚴重。

（2）普通定頻壓縮機系統已經不能滿足較寬的負荷和溫度帶下長期的運行，需要加入變頻控制來提高系統的適應性。

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

（4）在高溫回水工況下，通過壓縮機頻率和電子膨脹閥開度的調整，使得系統能夠穩定運行。在此基礎上，適當微量提高水流量，可提高機組的性能。

在結論的基礎上，筆者認為對于在高回水溫度工況下變頻CO2熱泵控制系統，首先需要對壓縮機、電子膨脹閥、水泵相關的參數進行解耦控制，優先調整壓縮機的轉速和電子膨脹閥的開度，在不同工況的實驗中確定其調節比例系數K1和K2，在系統穩定的基礎上再對水泵轉速進行微調，微量提高水流量參數，從而提高機組的性能。

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