直热式空气源CO2热泵热水器系统运行特性试验研究

张 超，赵晓丹，赵泽华

（1.中原工学院，郑州 450007；2郑州经贸学院，郑州 450007）

0 引言

CO2作为一种环保型天然制冷剂，因其良好的热力性能以及跨临界循环冷却过程中较大的温度滑移，能获得较高温度的即入即得式热水，在热泵热水器领域中的应用越来越受到人们的关注。

国内外学者对CO2蒸汽压缩式热泵系统进行了系列深入的研究。刘雄等［1］针对一种CO2双级压缩制冷热泵系统，研究了排气压力对热泵系统COPh的影响；马一太［2］研究了一种CO2跨临界带膨胀机系统和一种CO2跨临界循环带喷射器系统的系统特性；陆军亮［3］利用试验研究的方法研究了电子膨胀阀开度对CO2热泵系统性能的影响；张振迎［4］对带中间冷却器的双级压缩制冷循环和带闪发分离器的双级压缩制冷循环进行了热力学分析；NAWAZ等［5］针对一种CO2热泵热水器进行了性能分析；TASLIMI TALEGHANI等［6］对带喷射器的跨临界CO2热泵循环进行了数值分析；SAIKAWA 等［7］针对一种单级 CO2热泵热水器系统的COPh进行了理论计算；HU等［8］提出了控制CO2热泵压缩机功耗最小值的优化方案。

文献检索结果表明，虽然针对CO2热泵系统的研究较多，但国内专门针对CO2热泵热水器系统的研究还较少，针对低环境温度下CO2热泵热水器系统运行特性的研究更少。本文针对我国北方地区，提出一种直热式空气源CO2双级压缩热泵热水器系统，用试验研究的方法研究其在不同环境温度下的系统运行特性，为低环境温度下CO2热泵热水器样机的研发提供数据支持。

1 试验系统

本文根据我国北方地区的气象条件，结合GB/T 23137—2008的相关规定，确定试验系统设计工况如下：蒸发温度为-40 ℃，低压压缩机吸气口制冷剂过热度为10 ℃；气冷器冷却水进水温度为5 ℃，出水温度为65 ℃；冷却水流量为70 L/h，气冷器冷凝压力为9 MPa，气冷器制冷剂出口温度为35 ℃；采用一级节流中间不完全冷却系统。设计的试验系统流程如图1所示。

图1 双级压缩CO2热泵热水器系统流程Fig.1 The flow diagram of a double-stage-compression CO2 heat pump water heater system

从图1中可以看出，设计的试验系统包括制冷剂循环系统和气冷器冷却水循环系统。在制冷剂循环系统中，高压压缩机排气口的CO2过热蒸汽经过气冷器，被冷却水冷却冷凝后变成饱和状态（或过冷状态）的制冷剂液体；制冷剂液体经储液器、过滤器后分为2个支路：（1）经节流阀节流，变成低温低压的湿蒸气，进入中冷器，蒸发冷却中冷器内的液态制冷剂。之后与低压压缩机排出的制冷剂过热蒸气混合，进入高压压缩机的吸气腔。（2）经中冷器继续被冷却，经节流阀节流后变成低温低压制冷剂湿蒸气，进入蒸发器，吸收外界的热量变成过热蒸气，然后经气液分离器后进入低压压缩机，被压缩成高温高压的制冷剂蒸气，经冷凝器初步冷却后，与来自中冷器的制冷剂蒸气混合，进入高压压缩机，进行下一个循环。

气冷器冷却水循环系统包括一个独立的制冷系统，为冷却来自气冷器中的热水提供冷量，保持恒温水箱中水温的恒定。恒温水箱的原理如图2所示。冷却水在气冷器中冷却制冷剂过热蒸汽被加热之后，经空冷器初步冷却，再经过独立制冷系统的蒸发器继续被冷却至恒温水箱设定温度，再回流到恒温水箱中。被冷却至设定温度的冷却水，进入冷凝器，先冷却低压压缩机排出的过热蒸汽，然后再进入气冷器，冷却高压压缩机排出的过热蒸汽，升温后再进入下一个循环。

图2 恒温水箱系统原理Fig.2 The schematic diagram of the constant temperature water tank system

试验系统的高低压压缩机分别选用某压缩机公司生产的CD-180H型和CD-S151B型CO2压缩机。气冷器采用B9Hx46/1P-SC-U635型板式换热器，低压压缩机出口冷凝器选用TD-QL型套管式换热器，蒸发器选用翅片管式换热器器，中间冷却器选用套管式中间冷却器，节流阀选用工作压力为0～15 MPa的手动节流阀。设备具体参数可详见参考文献［9-11］。

2 试验结果分析

2.1 系统性能分析

GB/T 23137—2008中规定，在名义工况（利用侧进水温度为17 ℃，出水温度为65 ℃，热源侧进口空气的干球温度为16 ℃，湿球温度为12 ℃）下，CO2热泵热水器系统的能效系数COPh为3.7。参考国家标准，设计了试验工况：设定环境温度为12 ℃，气冷进水温度为16 ℃，系统流量1.5 L/min。在此工况下，测得气冷器出水温度为75.2 ℃，系统COPh为3.73，系统制热量为6.4 kW，基本达到了GB/T 23137—2008中规定的标准。

2.2 环境温度对系统性能的影响

为研究环境温度对系统性能的影响，设定了试验工况：冷却水流量为2 L/min，气冷器入水温度为 13 ℃，环境温度分别为 -12，-9，-6，-3，0，3，6，9，12 ℃。

2.2.1 环境温度对COPh和系统制热量的影响

环境温度与COPh、系统制热量的关系分别如图3，4所示。从图中可以看出，随着环境温度的升高，系统的COPh和系统制热量不断升高。环境温度为-12 ℃时，系统COPh和制热量分别为2.61和7.43 kW；环境温度为12 ℃时，系统COPh和制热量分别为3.11和8.61 kW。从试验结果分析可知，可通过提高系统低温热源侧温度提高系统COPh，增加系统制热量。

图3 室外环境温度与COPh关系Fig.3 The curve between the ambient temperature and COPh

图4 室外环境温度与系统制热量关系Fig.4 The curve between the ambient temperature and the system heating capacity

2.2.2 环境温度对气冷器出水温度的影响

环境温度与气冷器出水温度的关系如图5所示。从图中可以看出，随着室外环境温度的升高，气冷器的出水温度也在不断升高。室外环境温度为-12 ℃时，气冷器出水温度为62.1 ℃；环境温度为12 ℃时，气冷器出水温度为68.6 ℃。

图5 环境温度与气冷器出水温度关系Fig.5 The curve between the ambient temperature and the outlet water temperature of air cooler

图6示出了环境温度对气冷器出水温度到达65 ℃所需时间的影响。从图中可以看出，环境温度越高，气冷器出水温度达到65 ℃所需时间越短；且气冷器出水温度达到最大值后基本保持不变。从试验结果分析可知，可通过提高系统低温热源侧温度的方法提高气冷器出水温度，缩短出水温度达到设定值的时间。

图6 不同环境温度下气冷器出水温度变化Fig.6 The curves of the outlet water temperature of the air cooler under different ambient temperatures

2.3 气冷器冷却水入水温度对系统性能的影响

为研究气冷器冷却水入水温度对系统性能的影响，设定了试验工况：冷却水流量为1.5 L/min、室外环境温度为-12 ℃，气冷器入水温度分别为10，13，16，19，22 ℃。

2.3.1 气冷器冷却水入水温度对COPh和系统制热量的影响

气冷器冷却水入水温度与COPh、系统制热量的关系分别如图7，8所示。

图7 冷却水入水温度与COPh关系Fig.7 The curve between the cooling water inlet temperature and COPh

图8 冷却水入水温度与系统制热量关系Fig.8 The curve between the cooling water inlet temperature and the system heating capacity

从图可看出，随着冷却水入水温度升高，系统的COPh不断降低，系统制热量不断升高。气冷器入水温度为10 ℃时，COPh为3.37，系统制热量为7.34 kW；气冷器入水温度为22 ℃时，COPh为2.42，制热量为8.43 kW。从试验结果分析可知，在系统制热量满足用户需求的前提下，可通过降低气冷器冷却水入水温度的方法提高系统COPh。

2.3.2 气冷器冷却水入水温度对气冷器出水温度的影响

气冷器冷却水入水温度与气冷器出水温度的关系如图9所示。从图中可以看出，随着气冷器冷却水入水温度的升高，气冷器的出水温度也在不断升高。气冷器进水温度为10 ℃时，气冷器出水温度为58.2 ℃；气冷器进水温度为22 ℃时，气冷器出水温度为70.8 ℃。

图9 气冷器冷却水入水温度与出水温度关系Fig.9 The curve between the inlet water temperature and the outlet water temperature of the air cooler

图10示出了气冷器冷却水入水温度对气冷器出水温度到达65 ℃所需时间的影响。从图中可以看出，气冷器冷却水入水温度越高，气冷器出水温度达到65 ℃所需时间越短；且气冷器出水温度达到最大值后基本保持不变。从试验结果分析可知，可通过提高气冷器冷却水入水温度的方法提高气冷器出水温度，缩短出水温度达到设定值的时间。

图10 不同冷却水入水温度下出水温度变化Fig.10 The curves of the outlet water temperature under different cooling water inlet temperatures

2.4 气冷器中冷却水流量对热泵热水器系统性能的影响

为研究气冷器中冷却水流量对系统性能的影响，设定了试验工况：冷却水流量分别为1.5，1.75，2.0，2.25，2.5 L/min，室外环境温度 -10 ℃，气冷器入水温度10 ℃。

2.4.1 气冷器冷却水流量对COPh和系统制热量的影响

气冷器冷却水流量与COPh、系统制热量的关系分别如图11，12所示。从图中可以看出，随着冷却水流量的升高，系统COPh和系统制热量不断升高。气冷器冷却水流量为1.5 L/min时，COPh和系统制热量分别为3.07，7.34 kW；气冷器冷却水流量为2.5 L/min时，COPh和系统制热量分别为3.37，8.67 kW。

图11 冷却水流量与COPh关系Fig.11 The curve between the cooling water flow and COPh

图12 冷却水流量与制热量关系Fig.12 The curve between the cooling water flow and the heating capacity

从试验结果分析可知，可通过提高气冷器冷却水流量的方法提高系统COPh，增加系统制热量。

2.4.2 气冷器冷却水流量对气冷器出水温度的影响

气冷器冷却水流量与气冷器出水温度的关系如图13所示。从图可以看出，随着气冷器冷却水流量的升高，气冷器的出水温度在不断降低。气冷器冷却水流量为1.5 L/min时，气冷器出水温度为65.6 ℃；气冷器冷却水流量为2.5 L/min时，气冷器出水温度为54.5 ℃。

图13 冷却水流量与出水温度关系Fig.13 The curve between the cooling water flow and the outlet water temperature

图14中示出了冷却水流量对气冷器出水温度到达65 ℃所需时间的影响。从图可看出，气冷器冷却水流量越高，气冷器出水温度达到65 ℃所需时间越长；且气冷器出水温度达到最大值后基本保持不变。从试验结果分析可知，可通过降低气冷器冷却水流量的方法提高气冷器出水温度，缩短出水温度达到出水温度设定值的时间。

图14 冷却水不同流量下出水温度变化Fig.14 The curves of the outlet water temperature under different cooling water flow rates

3 结语

设计的CO2热泵热水器系统，其系统能效系数COPh基本达到了国家标准；环境温度、气冷器冷却水进水温度以及流量对系统能效系数COPh、系统制热量以及气冷器出水温度影响显著。在满足用户制热量和出水温度的前提下，可提高系统低温热源侧温度、降低气冷器冷却水入水温度以及提高气冷器冷却水流量，进一步改善系统能效系数COPh；在满足用户制热量、出水温度以及系统能效系数COPh的前提下，可提高系统低温热源侧温度、降低气冷器冷却水入水温度和气冷器冷却水流量，缩短出水温度达到出水温度设定值的时间。