二氧化碳热泵综合能效性能试验研究

李林凤　王明　马瑞军　李宁　刘玉峰

【摘 要】二氧化碳热泵技术是以CO2工质作为制冷剂的热泵系统，在余热回收利用中有非常好的应用。文章以碳酸钙生产企业为研究对象，采用跨临界CO2热泵，在一定工况条件下，CO2热泵可同时制取11.6 t/h、50 ℃的热水和19.6 t/h、4.5 ℃的冷水，可分别作为碳酸钙生产工艺中的中温水源和低温水源，进而实现能源的综合利用。

【关键词】二氧化碳热泵技术;综合能效;热泵系统

【中图分类号】TK11+4 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）06-0050-02

MW级跨临界CO2热泵工业废热回收机组采用无氟工质进行冷暖联供，具有集热效率高、供热性能系数高、形式多样、布置灵活、一机多用、应用范围广、节能、环保等优点，不仅可以大大提高企业的经济效益、节省石化能源、减少传统制冷剂和其他有害气体排放，还可提高居民生活质量，属于节能、环保、绿色型技术[1]。这对实现国家节能减排方针和可持续发展具有重要的作用。目前，国际上对跨临界CO2热泵及其各部件性能的研究已经趋于成熟，MW级的跨临界CO2热泵机组已经大量地应用于民用、工业和能源资源领域，并且在日本、挪威、美国、意大利、巴西等国家已经有广泛的商业应用，如超市、商场、酒店、影剧院、学校、办公楼、医院、游泳池等商用及公共服务领域别墅空调系统[2，3]。

1 二氧化碳热泵技术概述

二氧化碳热泵技术是以CO2工质作为制冷剂的热泵系统。根据系统循环的外部条件不同，CO2热泵系统可实现3种循环：亚临界循環、跨临界循环和超临界循环。CO2临界温度较低（临界温度为31.1 ℃，临界压力为7.38 MPa），如果采用亚临界循环，则要求冷却介质温度小于31 ℃，从而导致其应用范围大大缩小。目前，CO2热泵多采用跨临界循环。图1为典型跨临界CO2热泵循环的T-S（温-熵）图。从图1中可以看出，CO2的吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行，亚临界区的吸热过程和常规制冷循环一样，而在超临界压力区的放热过程则和常规制冷循环截然不同。在超临界压力区的等压放热过程中，CO2的温度不断变化，而非常规循环中的等温冷凝过程。正因为此，CO2热泵高压端换热器不再称为冷凝器（Condenser），而叫气体冷却器（Gas Cooler）[4]。

跨临界CO2循环热泵循环最大的特点就是放热过程中CO2具有很大的温度滑移（温度范围可从120 ℃变化到20 ℃），能够实现和热媒之间的良好的温度匹配，从而满足制取各种温度热水的需求，使CO2热泵的使用范围大大扩展[5]。

2 综合能效试验过程

某碳酸钙生产企业，采用跨临界CO2热泵，其主要工艺流程如下：碳酸钙生产工艺中冷却设备出口常温水分两路进入CO2热泵的蒸发器和气体冷却器。之后，由蒸发器产生的5 ℃低温水作为碳酸钙生产工艺中冷却设备的低温水源，由气体冷却器产生的50 ℃中温水作为碳酸钙生产工艺中所需的中温水源。

试验使用的重要仪表更换为高精度等级的仪表，且在试验前经过法定计量部门的校验，并根据校验结果修正测量数据。在保证试验精度及不影响机组运行的前提下，部分测点借用现场的运行监视测点。

流量测量：采用超声波流量计进行测量。

温度测量：采用AA级铂电阻进行测量。

电功率测量：采用现场电压表和电流表测量。

数据采集：采用IMP分散式数据采集系统，自动记录压力、差压、温度等信号，进行数据自动存储和处理，采集系统精度为0.02级。

试验测量：各试验一般在整个系统稳定运行后开始试验，每个工况下持续时间为30 min左右。各试验工况IMP数据采集系统采集频率为20 s。

3 试验计算方法

3.1 CO2热泵制冷量

Qzl=

式中：Qzl为CO2热泵制冷量，kW;Gzf为蒸发器进水流量，t/h;hi-zf为蒸发器进水比焓，kJ/kg;ho-zf为蒸发器出水比焓，kJ/kg;

3.2 CO2热泵制热量

Qzr=

式中：Qzr为CO2热泵制热量，kW;Gql为气体冷却器进水流量，t/h;hi-ql为气体冷却器进水比焓，kJ/kg;ho-ql为气体冷却器出水比焓，kJ/kg。

3.3 CO2热泵制冷COPzl

COP=

式中：Qzl为CO2热泵制冷量，kW;W为CO2热泵压缩机耗电功率，kW。

3.4 CO2热泵制热COPzr

COPzr=

式中：Qzr为CO2热泵制热量，kW;W为CO2热泵压缩机耗电功率，kW。

3.5 CO2热泵综合能效系数

综合能效系数=COPzl+COPzr

4 结果分析

CO2热泵主要性能试验结果见表1，从表1中结果可以看出：气体冷却器和蒸发器进水温度为17.9 ℃，此时，CO2热泵可同时制取11.6 t/h、50 ℃的热水和19.6 t/h、4.5 ℃的冷水，折合CO2热泵制热量为431.61 kW，制冷量为301.51 kW;制热COPzr为3.71，制冷COPzl为2.59，综合能效系数为6.31。由此可知，由蒸发器产生的低温水作为碳酸钙生产工艺中冷却设备的低温水源，由气体冷却器产生的中温水作为碳酸钙生产工艺中所需的中温水源，且CO2热泵循环系统具有较高的综合能效系数，有较高的能源利用效率。

参 考 文 献

[1]秋辉.添加剂和强化管气体冷却器对CO2跨临界循环性能影响的研究[D].天津：天津大学，2012.

[2]郭蓓，彭学院，邢子文.二氧化碳热泵热水器系统及压缩机的研发现状[J].家电科技，2005（9）：42-44.

[3]周子成.二氧化碳热泵热水器近期的发展[J].制冷，2009，28（3）：39-45.

[4]王磊，俞建荣，董晓慧，等.CO2热泵热水器和热泵压缩机的发展[J].北京石油化工学院学报，2014，22（1）：16-19.

[5]刘剑，代彦军.太阳能辅助CO2热泵供热系统的试验与优化研究[J].太阳能学报，2014，35（7）：1118-1124.

【基金项目】2016年内蒙古自治区科技重大专项基金。

【作者简介】李林凤，女，内蒙古呼和浩特人，学士，北京大学包头创新研究院热能工程研究所助理工程师，研究方向：热能与动力工程。