高回水温度下二氧化碳热泵能效维持的变频策略及实验验证

顾子超 漆鹏程 孟祥兆 金立文 杨润 马杰 李朱德

1.西安交通大学 陕西西安 710049；2.江苏金通灵光核能源科技有限公司 江苏无锡 214100

0 引言

热泵在供暖和生活热水方面的需求越来越旺盛。然而低效率和含氟利昂制冷剂制热制冷设备的使用造成的能源消耗以及生态环境破坏也越来越严重。能源的紧缺和环境的破坏给人类的生存和发展造成了很大的影响，制约人类社会的可持续发展[1]。新的制冷剂替代只是时间的问题，天然工质CO2因其自身的优良热力学特性必将成为重要的替代方案之一。

二十世纪90年代初，挪威Lorentzen教授根据CO2的物质特性提出了跨临界CO2循环[2,4]，推动了CO2系统的发展和应用。在过去的十几年里，许多研究机构对跨临界CO2循环投入了大量研究，成为制冷界的一大研究热点。跨临界CO2系统在高压侧超临界放热过程中巨大的温度滑移非常适合热水加热[3]，文献[5,6,13]显示CO2热泵热水器可以高效制取90℃以上的出水，在一些工况条件下能效可以超过传统制冷剂。同时CO2制冷剂又是一种绿色的纯天然工质[3,7]，不会造成对大气的污染，因此跨临界CO2系统可以广泛地应用在热泵热水设备领域。

CO2热泵在进出水温度大温差的情况下，可以体现较高的性能。但在部分工况下，尤其是在高回水温度下，由于气体冷却器中CO2侧焓差随温差减少而减小，标准跨临界CO2热泵性能严重衰减[3]。针对这个问题各国都在研究应对措施，日本的家用CO2热泵热水器产品对水箱进行了改进，如采用绝热真空水箱，或者分体式小水箱[12]，通过水箱分层复用方式解决回水温度过高问题。本文从CO2热力学原理出发，利用变频控制原理，通过对压缩机变频、电子膨胀阀开度进行复合调节[8,10]，改变机组的输入功率和过热度，使系统适应更广的温度范围，在高回水温度下保持稳定运行[9,11]；同时变频调节水泵的转速，适当提高水流量，从而提高制热量。整个研究过程从理论出发，确定控制方案，进而转变为控制器软件，对机组进行针对性的测试，验证方案的可行性。

1 变频控制策略分析

对客户使用CO2热泵情况调研分析表明，在冬季工况下，人们对热量需求较大，机组产生的热量可以全部被利用，机组回水温度可以保持较低水平，且冬季环温保持在0℃左右，故机组的压力不会超过限度。在夏季工况下，人们对热量的需求降低，机组不再提供循环采暖热水，只提供生活热水，且环境温度较高，出现热量的冗余，客户机组经常性出现回水温度较高的情况，影响机组的正常稳定运行。

在这种情况下，需要对压缩机进行变频控制，同时机组的电子膨胀阀和变频水泵配合一起进行调节，在保证机组压力和出水温度的稳定的情况下，尽量提高机组能效。

1.1 高温回水对机组能效的影响

机组的制热量计算为下述公式：

其中：W为机组的制热量，单位kW；

To为机组的出水温度，单位K；

Ti为机组的回水温度，单位K；

Qf为机组的实际水流量，单位m3/h；

C为水的比热容，数值为4.2 kJ/(kg·℃)；

ρ为水的密度，数值为1000 kg/m3。

按照公式（1），当回水温度提高，且保持水流量和出水温度不变的情况下，机组的制热量会降低。

图1是使用都凌CD4501H压缩机通过二氧化碳压焓图模拟演示在相同蒸发温度（2℃）和气冷器压力（10.5 Mpa）下，不同回水温度所对应的机组性能状态，回水温度按照15/45/50℃分为三个温度等级。曲线图（1）表示在回水温度12℃时的压焓图，计算可以得出机组的理论制热量123.32 kW，COP为3.21；曲线图（2）表示在回水温度45℃时的压焓图，计算得出理论制热量为67.06 kW，COP为1.75；曲线图（3）表示在回水温度50℃时的压焓图，理论制热量衰减到50.65 kW，COP只有1.32。故在二氧化碳热泵系统中，回水温度数值对于CO2热泵系统性能的影响很大。数据整理对比如表1所示。

图1 不同回水温度下压焓图

表1 数据整理对比

1.2 变频控制策略

上述内容可推论得出：当二氧化碳热泵回水温度较高时，系统的制热量快速下降，同时机组能效也会大幅度下降，在某些工况下，会导致蒸发侧不再处于吸热状态，COP会小于1，所以需要通过变频控制系统保证在高温回水温度下稳定运行，设法提高机组的能效。

变频控制主要涉及部件有压缩机、水泵，节流装置电子膨胀阀。控制原则为，压缩机和电子膨胀阀配合调整在回水温度上升后，保证压力和出水温度的稳定，水泵作为压缩机和电子膨胀阀主调节之后的辅助调节装置，在压力和出水温度稳定的前提下，按照制热量公式（1），微调水流量从而提高制热量。

在此变频控制策略中，电子膨胀阀开度和压缩机频率作为主要变量参与变频控制，水泵所控制的流量作为辅助控制，三个输入变量以解耦的原则分别使用独立的算法进行控制。

控制过程分为两个模式，当回水温度大于等于35℃时使用高回水温度模式进行控制；在开机时回水温度小于35℃或者在高回水温度模式下满足小于30℃，则使用正常模式进行控制。

正常模式下，使用电子膨胀阀开度通过下限排气压力和过热度联合控制。下限排气压力通过实际环境温度和回水温度进行确定，得出一个排气压力值，当排气压力小于此数值时，阀的开度需要增大，并通过PID的方式确定阀变化的数值。当排气压力值大于下限排气压力，则使用过热度（气冷器出口温度和进水温度的差值）的方式控制阀的开度。

在高回水温度模式，压缩机频率为优先控制对象。根据制热量公式（1），理想情况下出水温度和水流量保持，回水温度上升后，机组制热量会降低，故理想情况下认为回水温度和机组制热量成反比，同时在理想情况下，压缩机频率和输出功率亦成正比。机组COP等于制热量与输入电功率的比值，故可以推论，为满足COP稳定不变或者尽量减小由于回水温度上升带来的制热量COP降低，需要按比例降低压缩机输出频率。推出公式：

其中：f为当前机组压缩机输出频率，单位r/min；

ΔT为机组当前回水温度和出水温度目标值差值，单位℃；

ΔTp为机组稳定工况点回水温度差值和出水温度目标值差值，单位℃；

fp为机组稳定点工况电的压缩机输出频率，单位r/min；

K1为用于调节的比例系数。

当机组实际回水温度上升后，根据公式（2）可以计算出压缩机当前状态下的输出频率并使压缩机逐步输出此频率。在频率转变过程中，电子膨胀阀开度控制滞后于压缩机的变频控制，原则为保证机组压力的稳定，在压力大于下限排气压力时，可以不做调整，当压力小于等于下限排气压力时，按和压力差的线性比例减小阀开度，公式如下：

其中：S为当前机组电子膨胀阀开度；

ΔP为机组当前排气压力值，单位为MPa；

ΔPp为机组前次检测排气压力值，单位为MPa；

Sp为机组前检测排气压力值时的电子膨胀阀开度；

K2为用于调节的比例系数。

公式（2）（3）中，K1和K2参数为关键调整参数，此参数的调节和压缩机、电子膨胀阀以及系统匹配相关。实际调节过程中如数值越接近1，则越接近在理想化工况下运行，而忽略实际其他因素的影响，如压缩机和膨胀阀动作对系统产生互耦性作用，导致系统性能下降。如果当前回水温度或者排气压力数值变化较大或较快，会放大误差因素的影响，导致系统不稳定。故K1和K2的调整用于减小前后两次数值比例变化的趋势，起负反馈的作用，但是如果出现过调，则会导致系统进入不稳定状态，性能曲线出现震荡。

当电子膨胀阀开度和压缩机频率保证机组在高进水温度下稳定运行后，水泵的流量进行调整，微量的调高水流量，并在此过程中不断记录机组的排气压力值和出水温度，进行前后数值的比较，当出现下述两种情况时，停止流量的调整。

情况一：排气压力出现波动，其数值和调整前的数值比较，大于±0.3 Mpa，且有增大趋势；

情况二：出水温度出现波动，其数值和调整前的数值比较，大于±1.2℃，且有增大趋势。

2 实验方案设计

2.1 测试机组设备

（1）测试机组：机组为4.5 kW二氧化碳空气源热泵，其额定制热量为4.5 kW，额定制热输入功率为1.5 kW，COP为3，在名义环境温度（7℃）下，出口水流量为0.07 m3/h。

（2）压缩机型号：松下二氧化碳直流压缩机C-CV153H0P。参数如表2所示。

表2 C-CV153H0P压缩机参数

（3）压缩机驱动板：专用于松下二氧化碳转子压缩机驱动，采用空间矢量控制技术，正弦波驱动直流变频压缩机，电功率因数大于98%。参数如表3所示。

表3 压缩机驱动板参数

（4）电子膨胀阀：使用日本鹭宫UKV-J14D04型电子膨胀阀，阀动作脉冲范围0～480脉冲。

（5）变频水泵：使用新沪GPA25-12ICV循环变频泵，最高扬程12 m，使用PWM方式调速，PWM输入信号10%～90%可调，保证系统中水流量在0.05 m3/h～0.1 m3/h范围中变动，满足系统实验要求。

（6）水箱使用蓄热承压水箱，水箱分为上下两层，上层中充满PCM相变材料制作的球体，用于吸收热能。下层所占体积较小，为正常水箱腔体，充满和PCM球换热后的水，并联通回水出口。整体水箱设计为80℃进水，30℃回水，蓄热能力为10 kW。

2.2 实验台设计

实验台额定工况为环境温度7℃。先使机组稳定运行，出水温度为80℃，回水温度控制在30℃以下，变频水泵控制流量在0.07 m3/h。此工况下稳定运行2.5小时左右，达到蓄热水箱蓄热上限，热量开始溢出，回水温度上升，当回水温度达到35℃以上，控制程序进入高回水温度模式，进行数据的记录。实验台原理图如图2所示，主要测量仪器精度如表4所示。

图2 实验台原理图

表4 实验台主要测量仪器精度

2.3 实验结果

在上述实验台中测试，不同环境温度下、不同高温回水下所测试的机组状态数据，包括出水温度、排气压力、电子膨胀阀开度和压缩机频率。数据如表5、表6所示。

表5、表6为在环境温度10℃和25℃时各参数的变化趋势。机组的回水温度不断升高，出水温度和回水温度差值逐步减小，压缩机的频率不断降低，为了保持压力的稳定，电子膨胀阀开度逐步减小，在此过程中系统趋于稳定，水泵在系统稳定的前提下进行微调，整体机组的COP有上升的趋势，机组的性能有一定的提高。

表5 环境温度10℃测试数据

表6 环境温度25℃测试数据

在测试过程中，回水温度不断的上升，在目标出水温度控制不变的情况下（表5测试中为80℃），机组的制热量降低，则压缩机的输出功率也需要降低，根据公式（2）其K1值控制在1.02～1.03区间（工况：环境温度7～25℃，进出水40/80℃）。当压缩机的频率降低后，其机组状态也发生一定的变化，排气压力出现一定下降，电子膨胀阀进行对应控制，但是未小于控制下限压力之前，公式（3）的控制暂不接入，当小于下限压力（表5测试中为11.45 Mpa），则接入公式（3）进行对膨胀阀额外补偿控制，其K2值控制在1.01～1.02区间（工况：环境温度7～25℃，进出水40/80℃）。当系统趋于稳定后，水泵接入控制，微调水流量，性能有部分提高。

实验得出的结果证明，在CO2热泵系统中，通过对压缩机频率、电子膨胀阀开度、水泵的频率来稳定高回水温度工况下机组的状态，以及提高机组的性能。同时需要提高PID控制的精度，减小系统的波动性。对于压缩机频率、电子膨胀阀开度、水泵频率的控制优先度判断：正常运行状态下，电子膨胀阀开度控制优先于压缩机频率控制，优先于水泵频率控制；在高温回水温度工况下，压缩机频率控制优先于电子膨胀阀开度控制，优先于水泵频率控制。

3 结论

随着CO2热泵的推广和应用，需要适应更宽的环境条件，高回水温度下出现的问题会越来越突出，所以在高回水温度工况下，保证机组正常稳定运行、提高机组的能效成为迫在眉睫需要解决的问题。根据本文的内容，可以得出下述的结论：

（1）高回水温度对系统的制热量和能效影响很大，回水温度越高，衰减越严重。

（2）普通定频压缩机系统已经不能满足较宽的负荷和温度带下长期的运行，需要加入变频控制来提高系统的适应性。

（3）变频控制涉及的压缩机频率控制、电子膨胀阀开度控制以及水泵的变频控制在系统中运行会产生耦合反应，故控制以解耦的思路开展，每个变量独立分析得出相关算法。

（4）在高温回水工况下，通过压缩机频率和电子膨胀阀开度的调整，使得系统能够稳定运行。在此基础上，适当微量提高水流量，可提高机组的性能。

在结论的基础上，笔者认为对于在高回水温度工况下变频CO2热泵控制系统，首先需要对压缩机、电子膨胀阀、水泵相关的参数进行解耦控制，优先调整压缩机的转速和电子膨胀阀的开度，在不同工况的实验中确定其调节比例系数K1和K2，在系统稳定的基础上再对水泵转速进行微调，微量提高水流量参数，从而提高机组的性能。

笔者在此基础上开发的CO2热泵变频控制程序应用于所在公司的CO2热泵产品上，其控制特点满足了机组在高回水温度工况下的应用，且在此基础上开发了全直流变频系列（压缩机、风机、水泵、电子膨胀都为直流变频控制）的CO2热泵控制器和机组，得到了市场的接受和客户的认可。