低温空气源CO2热泵热水器系统特性研究

张 超，吕新刚，胡冬阳，朱昱衡，唐晓龙

低温空气源CO2热泵热水器系统特性研究

张 超，吕新刚，胡冬阳，朱昱衡，唐晓龙

（中原工学院，河南郑州 450007）

压缩机排气温度过高及制热量不足等现象是单级蒸汽压缩式制冷系统在低蒸发温度下经常面临的问题，以CO2为制冷工质的中间不完全冷却两级蒸汽压缩热泵系统能很好地改善这些问题。本文构建了低环温（-20℃）下CO2热泵热水器系统、确定了系统各部件结构参数、建立了部件和热泵系统的数学模型。模拟结果表明：随着环境温度升高，CO2热泵热水器系统制热量以及COP呈现出增长的趋势，改变水侧输入参数对系统性能有较大影响。

单级压缩制冷循环；CO2双级压缩中间不完全冷却热泵循环；CO2热泵热水器；数值模拟

符号

λ

d——低压压缩机的输气系数

Vpd——低压压缩机的理论排气量ηVd——低压压缩机容积效率

v1——制冷剂在低压压缩机吸气口的比容

λd——低压压缩机的输气系数

λvd——低压压缩机的容积系数

λpd——低压压缩机的压力系数

λTd——低压压缩机的温度系数

λDd——低压压缩机的泄漏系数

h2s——等熵压缩时低压压缩机排气比焓值

h1——低压压缩机吸气比焓值

ηsd——低压压缩机等熵效率

λg——高压压缩机输气系数

Vpg——高压压缩机的理论排气量

ηVg——高压压缩机容积效率

v3——制冷剂在高压压缩机吸气口的比容

h4s——等熵压缩时高压压缩机排气比焓值

h3——高压压缩机吸气比焓值

ηsg——高压压缩机等熵效率

mr——气冷器制冷剂的质量流量

h5，h4——气冷器进、出口制冷剂的比焓值

mw——气冷器外侧水的质量流量

hw1，hw2——气冷器外侧水的进、出口比焓值

Qri——气冷器微元段制冷剂侧换热量

mri——气冷器微元段制冷剂的质量流量

hr2，hr1——气冷器微元段进、出口制冷剂的比焓值

ari，awi——制冷剂侧、水侧换热系数

a——总换热系数

Ai——微元段制冷剂侧换热面积

Tr2，Tr1——微元段制冷剂进、出口比焓值

Tw1，Tw2——微元段水进、出口比焓值

Dii——气冷器内管内径

Trm，Twm——微元段制冷剂侧、水侧的平均温度

Nu，Re，Pr——努谢尔数、雷诺数、普朗特数

N——蒸发器的管排数

λ——湿空气的导热系数

s2——沿空气流动方向的管间距

D——翅片空气通道的当量直径。

Xout——膨胀阀出口处制冷剂的干度

hv，hl——膨胀阀出口处制冷剂饱和蒸汽和饱和液体的比焓值

A——阀内的流通面积

ρin——阀入口处制冷剂密度

Pin，Pout——阀进、出口处制冷剂压力

CD——制冷剂流量系数

ρl——制冷剂饱和液体的密度

V2——阀出口处制冷剂比容

1 前言

热泵技术是一种通过电力做功，能将自然界的空气、水或土壤中的低品位能转化为可利用的高品位能的技术，空气源热泵因结构简单、性能稳定以及安装费用低等优点而得以广泛应用。然而传统的空气源热泵却普遍存在氟利昂类制冷工质限制使用、低环温下压缩机排气温度高、制热能力显著下降以及压缩机启动困难等问题［1］。中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷系统能有效缓解上述存在的问题，中冷器补气的闪发可降低蒸发器入口制冷剂的比焓值以及高压机吸气口制冷剂蒸汽的过热度，从而能有效降低高压级压缩机的排气温度，提高系统的整体性能。

作为近些年来新兴的技术，CO2热泵具有许多优点，因其工质为CO2，所以具有良好的稳定性、环境性能和热力性能，并且安全无毒；CO2热泵在温度较低的环境里依旧可以保持很好的制热量以及COP［2］。本文针对课题组设计的中间不完全冷却两级蒸汽压缩CO2热泵热水器系统，建立了其数学模型，采用数学模拟的方法对系统性能进行了研究。

2 低温空气源CO2热泵热水器系统数学模型的建立

2.1 物理模型

本文假设热泵热水器系统设计环境温度为-20℃，制热量为5kW，气冷器进、出水温度分别为 5，65℃，水流量为 70L/h，蒸发器送风速度为3m/s。经热泵热水器系统热力循环计算结果，低压压缩机选用都凌CDS151B型活塞式压缩机，高压压缩机选用都凌CD300M型活塞式压缩机，气冷器选用北京冰川公司定制的套管式换热器，蒸发器选用同一公司定制的翅片管式换热器。具体参数详见文献［3］。

2.2 数学模型

低温空气源CO2热泵热水器的系统模型以各个部件模型为基础，部件模型包括压缩机、蒸发器、气冷器、中冷器以及节流阀等模型。

2.2.1 压缩机模型的建立

低压级压缩机制冷剂质量流量md：

其中

低压机功率wd：

同理可得高压机制冷剂质量流量mg：

高压机功率：

2.2.2 气冷器的模型选取

制冷剂换热量：

水侧换热方程：

考虑到实际换热时的损失：

同理，微元段换热方程：

其中

微元段长度：

水侧换热关联式选取使用广泛的Dittus-Boeler关联式：

制冷剂侧换热关联式采用Yoon.关联式：

2.2.3 蒸发器模型的建立

蒸发器和空气冷却器的换热过程基本相同，只是管外换热介质为空气，只列出空气侧能量守恒方程式，其他方程式如气体冷却器。

空气侧换热系数关联式采用A.A果戈林换热关联式：

其中：

2.2.4 膨胀阀数学模型的建立

制冷剂在膨胀阀节流前后其焓值可近似看成不变，则数学模型的表达式可表示为：

通过膨胀阀的制冷剂质量流量mr为：

其中

2.2.5 CO2热泵热水器系统数学模型的建立

本文在前人研究的基础上，构建了低温空气源CO2热泵热水器系统［4～7］。该系统由高低压级压缩机、蒸发器、气冷器、闪发式中冷器、气液分离器、油分离器以及压缩机用高压保护器等部件组成，其流程如图1所示。

图1 空气源CO2双级压缩热泵热水器系统

来自蒸发器的低温低压制冷剂在低压级压缩机的作用下变为中间压力下的制冷剂，该制冷剂与来自中冷器的饱和制冷剂蒸汽混合后进入高压级压缩机被压缩为高温高压的制冷剂蒸汽，该制冷剂蒸汽进入气冷器释放热量，被冷却冷凝成饱和或过冷制冷剂液体。制冷剂液体节流后在中冷器中分为饱和液态和饱和气态2种。饱和气态制冷剂与低压压缩机排气混合，饱和液态制冷剂经节流后进入蒸发器吸收热量，重新进入低压压缩机吸气口，一个完整循环至此结束。CO2热泵热水器系统数学模型是由各个系统部件模型以及换热工质热物性参数模型组合而成的。

3 系统模拟结果验证

本文参照王冬的试验结果对数学模型的准确性进行验证［8］，将双级压缩中间冷却器模型简化成单级压缩模型，再对同工况下的系统性能进行模拟计算，对比结果见表1。由结果对比表可以看出，存在少数个别温度点的模拟值与实际的试验值相差偏大的情况，而其余绝大多数温度点的模拟值与试验值的相对误差不超过10%，所以从整体上看之前所建立的数学模型准确性较高，可用此数学模型来预测本课题所建立低温空气源CO2热泵热水器系统的性能。

表1 试验值与模拟值的对比及误差

4 系统模拟结果分析

本文主要模拟研究了环境温度、气冷器进水温度以及流量对压缩机功耗、系统制热量、系统性能系数以及出水温度的影响。

4.1 环境温度对系统性能的影响

在模拟研究环境温度对系统性能影响时，假设气冷器进口水温为5℃，水流量为70L/h。

（1）环境温度对系统制热量的影响

图2描述了环境温度对系统制热量的影响。由图中可以看出，环境温度越高，系统制热量也随之增大。在环境温度为-20℃时，系统的制热量为4.74kW。在-5℃点左侧制热量随着环境温度变化较快，在-5℃右侧，系统制热量随着环境温度变化较缓慢。

图2 环境温度对系统制热量的影响

（2）环境温度对系统功耗的影响

图3描述了环境温度对系统功耗影响。由图中可以看出，环境温度越高，系统功耗呈线性减小的趋势。

图3 环境温度对系统功耗的影响

（3）环境温度对系统COP的影响

图4描述了环境温度对系统COP的影响。

图4 环境温度对系统COP的影响

系统COP根据系统制热量和系统功耗计算得出。由图可以得知，随着环境温度升高，系统COP也随之升高。环境温度低于-5℃时，系统COP呈线性增长；环境温度高于-5℃时，系统COP趋于稳定。

（4）环境温度对气冷器出水温度的影响

图5描述了环境温度对出水温度的影响。由图可知，环境温度越高，出水温度越高。在环境温度高于-5℃时，出水温度变化较缓慢。

图5 环境温度对出水温度的影响

4.2 气冷器进水温度对系统性能的影响

模拟研究气冷器进水温度对系统性能的影响，假设环境温度为-20℃，进水流量为70L/h。

（1）气冷器进水温度对系统制热量的影响

图6显示了气冷器进水温度对系统制热量的影响规律。当进水温度分别为5,10和30℃时，系统的制热量分别为 4.74,4.72 和 4.35kW，可以看出温度变化在30℃之前较小，当进水温度继续增长时系统的制热量会呈现较快减小的趋势。

图6 气冷器进水温度对系统制热量的影响

（2）气冷器进水温度对系统COP的影响

图7显示了气冷器进水温度对系统COP的影响规律。系统的COP值在进水温度高于10℃时减小速度较快；在进水温度低于10℃时，COP基本保持稳定。

图7 气冷器进水温度对系统COP的影响

（3）气冷器进水温度对出水温度的影响

气冷器进水温度随出水温度的变化情况如图8所示。从图中可以看出，当进水温度为5，10和30℃时，出水温度分别为61.8，66.3和79.7℃。由此可得，进水温度的升高会导致气冷器出水温度随之增加。

图8 气冷器进水温度对出水温度的影响

4.3 气冷器进水流量对系统性能的影响

对气冷器进水流量对系统性能的影响进行研究，假定环境温度为-20℃，气冷器进水温度为5℃。

（1）气冷器进水流量对系统制热量的影响

图9显示了气冷器进水流量对系统制热量的影响规律。

图9 气冷器进水流量对系统制热量的影响

由图中可以看出，随着进水流量的增加，系统制热量呈现出线性增长的趋势，当进水流量大于76L/h时，增加趋势降低。当进水流量分别为62，82L/h时，系统制热量分别为4.49kW和5.01kW。

（2）气冷器进水流量对系统COP的影响

图10显示了气冷器进水流量对系统COP的影响规律。由图可以看出，随着进水流量的增加，系统COP呈现出线性增长的趋势。当进水流量分别为62L/h和82L/h时，系统COP分别为2.12和2.34。

图10 气冷器进水流量对系统COP的影响

（3）气冷器进水流量对出水温度的影响

图11显示了气冷器进水流量对出水温度的影响规律。由图可以看出，气冷器出口水温随着进水流量的增加逐步降低，并且随着进水流量的增加，这种趋势也随之增大。当进水流量分别为62L/h和82L/h时，出水温度分别为71.2℃和60.7℃。

图11 气冷器进水流量对出水温度的影响

5 结论

（1）设计工况为气冷器进水温度5℃，环境温度-20℃，送风速度3m/s，进水流量70L/h时，系统的出水温度61.8℃，系统的COP为2.23，制热量为4.74kW。从模拟研究的结果可以看出，系统的制热量和COP随着环境温度的升高，呈现出增长的趋势。

（2）气冷器进水温度对系统性能有较大影响。在模拟工况下，当气冷器进水温度不超过10℃时，系统制热量和COP比较稳定，制热量约为4.74kW，COP约为2.23。当气冷器进水温度高于10℃后，系统制热量和COP呈现出减小的趋势，并且趋势的速率较快。当气冷器进水温度达到30℃时，系统的出水温度为79.7℃，制热量为4.35kW，COP为1.95，此时系统的出水温度虽然可以满足要求，但系统制热量和COP明显较低。

（3）在模拟工况下，系统制冷量、系统COP以及出水温度均随进水流量的增加而增大。但水流量的增加会导致水泵功耗的增加，因此，为了使系统运行在最佳性能系数下，需要选取最佳流量。

［1］丁国良.CO2制冷技术新发展［J］.制冷空调与电力机械，2003，23（2）：1-6.

［2］马一太，魏东，王景刚.国内外自然工质研究现状与发展趋势［J］.暖通空调，2003，33（1）：41-46.

［3］吕新刚.低温空气源CO2热泵热水器系统特性研究［D］.郑州：中原工学院，2016.

［4］王侃宏，崔坚，乔华，等.CO2制冷剂及其跨临界循环系统的开发与研究［J］.制冷空调与电力机械，2005，25（1）：12-15.

［5］徐洪涛，李蒙沂，李国强，等.跨临界二氧化碳热泵型热水器的应用研究［J］.制冷与空调，2001，1（1）：54-57.

［6］徐洪涛，袁秀玲，李国强，等.跨临界循环二氧化碳在热泵型热水器中的应用研究［J］.制冷学报，2001，22（3）：12-16

［7］徐洪涛，李国强，李蒙沂，等.CO2跨临界循环在热泵型热水器中的应用［J］.家电科技，2001，9（11）：63-65.

［8］王冬.家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟［D］.广州：中山大学，2010.

Simulation Study on the Performance of Cryogenic Air-source CO2Heat Pump Water Heater System

ZHANG Chao，LU Xin-gang，HU Dong-yang，ZHU Yu-heng，TANG Xiao-long
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

For the phenomenon that heating capacity of ordinary single-stage compression refrigeration cycle in the low evaporating temperature is insufficient and the discharge temperature of compressor is too high，establish CO2two-stage compression intermediate incomplete cooling heat pump cycle. Establish the CO2heat pump water heater system in the low temperature（-20 ℃），determine the structure parameters of the system components，and establish the mathematical model of the system components and the heat pump system. The simulation results show that：with the increase of the ambient temperature，the heating capacity and the COP of the CO2heat pump water heater system increase，and the change of the water side input parameters has great influence on the performance of the system.

single-stage compression refrigeration cycle；CO2two-stage compression intermediate incomplete cooling heat pump cycle；CO2heat pump water heater；numerical simulation

TH12

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.013

1005-0329（2017）11-0066-06

2017-02-13

2017-10-16

张超（1974-），男，教授，通讯地址：450007河南郑州市中原中路41号中原工学院信息商务学院，E-m ail：26785596@qq.com。