二氧化碳雙級冷熱聯供系統的探討

沈鵬飛，張小梅，劉 倩，李 璐，李麗娜，李德欣

（1.合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2.黑龍江愛科德科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150000）

0 引言

隨著環保要求的提高以及廣大民眾對采暖及熱水的需求提升，采暖及熱水所消耗的能耗也顯著增大，目前采暖及熱水所消耗的能耗已經超過了建筑總能耗的50%[1]。節能、環保、低碳是當今相關技術發展的方向，作為自然冷媒的二氧化碳由于其環保、無毒，及特別的跨臨界循環，開始被人們關注及大范圍的使用。近年我國熱泵行業呈現出高速增長的態勢，熱泵熱水器的市場潛力巨大，并且二氧化碳壓縮機的研究發展已經多年[2]，同時眾多學者也對二氧化碳熱泵的制熱性能和應用效果做了研究[3-6]。常規的二氧化碳跨臨界循環的氣冷過程在與水換熱時，水的出口溫度可以更接近排氣溫度，因此可以制取較高溫度的高溫熱水，但冷量大部分沒有得到有效的應用，提出了一種二氧化碳雙級冷熱聯供系統，該系統不僅可以提供高溫熱水而且還可以提供蒸發溫度最低為-50 ℃的制冷效果。對于一些冷熱都有需求的應用場合具有巨大的節能潛力。

1 二氧化碳雙級冷熱聯供系統的工作原理

1.1 系統描述

二氧化碳雙級冷熱聯供系統由二氧化碳跨臨界壓縮機、二氧化碳亞臨界壓縮機、氣冷器、恒壓閥、高壓儲液器、維持機組、回熱器、電子膨脹閥、板式蒸發器組成。

1.2 工作流程

二氧化碳雙級冷熱聯供系統工作流程[7]如圖1 所示，二氧化碳雙級冷熱聯供系統采用天然的二氧化碳制冷劑作為循環工質，二氧化碳亞臨界壓縮機將來自回熱器的低溫低壓的氣態二氧化碳壓縮后排出與高壓儲液器中的閃發氣體混合后一起進入二氧化碳跨臨界壓縮機的吸氣端繼續被壓縮為高壓高溫的二氧化碳氣體排出，進入到氣體冷卻器中與低溫水換熱，將熱量傳遞給低溫水，低溫水被加熱后變為高溫熱水，且溫度可以接近二氧化碳排氣溫度，二氧化碳換熱后被冷卻為高壓液態，通過恒壓閥進入高壓儲液器中，從高壓儲液器流出通過回熱器后被降溫，然后通過電子膨脹閥節流后進入到板式蒸發器與冷凍水換熱，蒸發吸收冷凍水熱量后變為低溫低壓的氣態二氧化碳，通過回熱器繼續吸收熱量，盡量保證進入二氧亞臨界壓縮機吸氣端的二氧化碳氣體有一定的過熱度，完成整個循環。維持機組可以保證系統在長時間停機過程，穩定高壓儲液器內的罐內壓力。

圖1 二氧化碳雙級冷熱聯供系統工作流程

2 二氧化碳雙級冷熱聯供系統的試驗研究

2.1 試驗裝置介紹

試驗在低溫試驗室進行，試驗裝置由室內外環境間、工況機（空氣處理機組、壓冷機組、恒溫水箱、加熱加濕系統、冷水機組等）、測試用儀器儀表構成，所用儀器儀表準確度均滿足標準的規定并校驗合格且在有效期內，確保測試結果的準確性，試驗室原理如圖2 所示。圖2 中，1 是室內側環境間，2 是室外側環境間，是冷卻塔，4～9 是恒溫水箱，5 是室內側空氣處理機組，6 是室外側空氣處理機組，10 是除濕機，11～16 是壓冷機組。

圖2 試驗室原理

2.2 蒸發溫度對系統制冷COP 的影響

當二氧化碳雙級冷熱聯供系統的氣冷器出口溫度在20 ℃工況下時，系統的制冷COP 會隨著蒸發溫度的降低而衰減（圖3），當蒸發溫度達到-50 ℃時，整個系統的制冷COP 仍能達到1.26（表1），高于常規的制冷劑的單級制冷效率，可以為用戶減小制冷需求的運行費用。

表1 二氧化碳雙級冷熱聯供系統制冷COP

圖3 系統制冷COP 隨蒸發溫度的變化趨勢

2.3 氣冷器出口溫度對系統制熱COP 的影響

當二氧化碳雙級冷熱聯供系統的蒸發溫度在-25 ℃工況下時，系統的制熱COP隨著氣冷器出口溫度的升高而降低，當氣冷器出口溫度高于臨界溫度，制熱COP的衰減趨勢明顯，出現急劇下降（圖4）；當氣冷器出口溫度達到15 ℃時，系統制熱COP 最高、可達到3.01（表2），且系統排氣溫度較高，可達到100 ℃以上，因此可以得到較高溫度的高溫熱水，系統整體制熱效果優于傳統制冷劑的制熱效果。

表2 二氧化碳雙級冷熱聯供系統制熱COP

圖4 系統制熱COP 隨氣冷器出口溫度的變化趨勢

3 系統優點

該系統相較于目前的其他系統，具有如下優勢：①采用的制冷劑為環保制冷劑，二氧化碳作為純天然制冷劑，無毒、不可燃、相關材料化學反應少，臭氧層破壞潛能值為0，全球變暖潛能值為1，并已經被證明是對人類無害的物質，目前受到了制冷學術及行業界的一致關注；②單位容積制冷量較大，二氧化碳處于超臨界流體狀態，比熱大、導熱系數高、動力黏度低的性質，使其具有比液體和氣體更佳的傳輸性能和傳熱特性，傳熱效率高，具有優越的熱力學性能；③該系統能夠全部回收冷凝熱，產出高溫熱水。

4 應用領域

該系統產出的高溫熱水可廣泛應用在屠宰行業、紡織印染和石油化工行業，尤其在肉類加工屠宰場中，它會顯現出明顯的優勢，可節約能源和大量的運行成本。系統產出的中溫熱水還可用于民用建筑及商用建筑的采暖系統，尤其是在中國北方低寒地區集中供暖項目效果顯著。系統的設計最低蒸發溫度可達到-50 ℃，可廣泛應用于各類冷庫行業。

5 結束語

二氧化碳制冷循環系統在可以提供高溫熱水的情況下還可以提供超低溫的制冷效果，工程應用前景巨大。同時由于該系統使用了環保制冷劑，即節能而且環保。二氧化碳制冷循環相對與其他制冷劑循環，具有顯著優點。二氧化碳冷媒作為環境友好冷媒，其應用領域已經在逐步擴大。目前二氧化碳產品存在成本過高的問題，但是隨著行業的飛速發展以及政府政策的扶植，成本會迅速下降。在不久后，二氧化碳制冷循環系統或其他自然制冷劑循環系統，一定會迎來爆發性增長。