陳子丹

摘要：為解決傳統(tǒng)空氣源熱泵在寒冷地區(qū)季節(jié)性能系數(shù)（COP）低，產(chǎn)出熱水溫度不太高（45℃）的普遍問題。本實驗在青島項目采用二氧化碳空氣源熱泵對鐵路段進行供暖，為提高性能系數(shù)和減少能源消耗，使用壓縮機和水泵變頻技術(shù)對二氧化碳空氣源熱泵進行控制，分析二氧化碳空氣源熱泵變頻條件和適用溫度范圍。結(jié)果表明，在-10℃的環(huán)境下，壓縮機升頻到60Hz，制熱量能提高18.75%;使用二氧化碳空氣源熱泵變頻技術(shù)，可生產(chǎn)65℃熱水，在-12℃環(huán)境下，其性能系數(shù)達2.2;房間溫度波動在22℃附近，波動幅度為2℃;在整個供暖期電耗為46.7kW·h/m2。

Abstract： In order to solve the traditional air source heat pump seasonal coefficient of performance （COP） is low in cold area， the output water temperature only reach to 45℃. The experiment of heat supply utilized carbon dioxide air source heat pump variable frequency technology aimed at improving the coefficient of performance and reducing energy consumption， through the technology of variable frequency compressors and water pump to control heat system， analyzed suitable temperature range and frequency conversion condition. The results show that the compressor frequency reach 60Hz at ambient temperature under -10℃， heat capacity could increase 18.75%; by using of carbon dioxide air source heat pump variable frequency technology， it could produce 65℃ hot water， under -12℃ environment temperature， its coefficient of performance reached 2.2; the fluctuations of room temperature near 22℃， the range of volatility is 2℃; the power consumption is 46.7kW ·h/m2 in the whole heating period.

關(guān)鍵詞：二氧化碳;變頻;壓縮機;供暖

Key words： carbon dioxide;variable frequency;compressor;heat supply

中圖分類號：TU831 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0138-03

0 引言

國家政策提出環(huán)保節(jié)能，使用空氣作為熱源的熱泵逐漸引起人們重視，在商業(yè)工業(yè)場所均對它做研究以取代傳統(tǒng)燃?xì)?、燃油鍋爐以提供生活用水和工業(yè)用水[1]-[4]。目前市場多采用輻射供暖，溫度低，舒適度較好，但是管網(wǎng)初投資成本高，對于我國北方大部分地區(qū)均為鍋爐熱力站集中供暖，管網(wǎng)改造成本高[5]，且市面上大部分熱泵機出水溫度達不到要求[6]，同時嚴(yán)寒寒冷地區(qū)由于低溫環(huán)境空氣源熱泵結(jié)霜嚴(yán)重，所以基本為輻射供暖，施工復(fù)雜，成本高[7]。因此，新興的二氧化碳空氣源熱泵機組更能滿足居民、工商業(yè)節(jié)能改造所需的環(huán)境條件，溫度條件，施工條件，最終節(jié)能效果顯著[8]。

二氧化碳空氣源熱泵能在-25℃環(huán)境中快速生產(chǎn)65℃的高溫?zé)崴?，且此時COP達1.8以上[9]-[11]，是北方供暖熱水供應(yīng)的優(yōu)選產(chǎn)品，再結(jié)合熱泵壓縮機變頻和系統(tǒng)大溫差小流量變頻技術(shù)進一步對供暖系統(tǒng)的節(jié)能運行實現(xiàn)優(yōu)化，能源利用率提高，對環(huán)境友好[12][13]。二氧化碳空氣源熱泵變頻技術(shù)相較于定頻壓縮機熱泵而言，可在低溫環(huán)境下大大降低制熱量的衰減，適用溫度范圍擴大[14]-[16]，對不同環(huán)境的系統(tǒng)變頻參數(shù)進行實驗研究，得出用于供暖系統(tǒng)的二氧化碳空氣源的最優(yōu)性能和節(jié)能結(jié)果。

1 試驗測試及分析

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)采用大溫差變水量系統(tǒng)，運用二氧化碳空氣源熱泵產(chǎn)高溫?zé)崴?5℃）。其系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由儲熱系統(tǒng)，供暖系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。儲熱系統(tǒng)包括3個儲熱水箱，1#水箱、2#水箱、3#水箱;其中2#水箱作為緩沖水箱，3#水箱直接與熱泵出水管和分水器相連，為高溫?zé)崴?yīng)裝置，1#水箱與系統(tǒng)回水管和熱泵進水管相連。在使用二氧化碳空氣源熱泵的供暖系統(tǒng)中，采用二氧化碳高壓壓縮機，理論排氣量23.25m3·h-1。系統(tǒng)中循環(huán)水泵揚程8m，水量10m3·h-1。

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)有兩套，分別在二氧化碳熱泵機組上和供暖系統(tǒng)中。包括溫度傳感器、水流量計、壓縮機/循環(huán)水泵功率表、電控箱、可編程序控制器和數(shù)據(jù)采集器。熱泵機組上自動檢測壓縮機吸排氣壓力和壓縮機頻率以及熱泵產(chǎn)熱量。在供暖系統(tǒng)中，檢測1#水箱溫度T1、3#水箱溫度T2、供水管溫度T3、回水管溫度T4、環(huán)境溫度T5;同時記錄循環(huán)水量和水泵頻率變化。

1.2 控制方式

該系統(tǒng)對應(yīng)三種情況：①供小于求，檢測T1和T2溫度會下降，所有熱泵均啟動，仍無法滿足需求，會有如下動作：1）輔助電加熱會投運部分，保證供暖效果;2）不投運電加熱，此時供水溫度已經(jīng)開始下降，相應(yīng)回水溫度也會下降，此時循環(huán)泵增加頻率，加大流量，提高回水溫度。若設(shè)備產(chǎn)熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需求，最終會出現(xiàn)：循環(huán)泵最大頻率運行，供回水溫差減小，使供暖效果變差。②供等于求，一般在變工況時會出現(xiàn)，時間較短。③供大于求，T1和T2溫度會上升，多余的熱量在存儲滿3號水箱后，逐漸反向存儲到2號-1號，當(dāng)1號水箱水溫上升到設(shè)定目標(biāo)溫度（如42～44℃、44～46℃），會梯階對熱泵設(shè)備進行卸載，直至穩(wěn)定。

1.3 系統(tǒng)分析

圖 2是熱泵機組在不同環(huán)境溫度下，制熱量隨頻率的變化趨勢。由圖2（a）可知，制熱量隨頻率的增加是呈增長趨勢的，在環(huán)境溫度高于-15℃時，二氧化碳空氣源熱泵制熱量隨著頻率增加幾乎為線性增長;但在-20℃環(huán)境下，當(dāng)壓縮機頻率低于60Hz時，制熱量下降加快，不再呈線性變化，這是由于低溫下二氧化碳制冷劑蒸發(fā)溫度低，對應(yīng)的飽和壓力降低，壓縮機頻率過低時，壓縮做工減少，使在低溫條件下，二氧化碳制冷劑處于亞臨界循環(huán)，制熱量急劇減小。因此，在低溫低于-10℃時，應(yīng)使壓縮機在60Hz以上的頻率運行。針對該系統(tǒng)所用二氧化碳空氣源熱泵低溫條件下升頻能使熱泵制熱量提高18.75%。圖2（b）是熱泵在低溫供熱工況運行曲線。在低溫環(huán)境下運行時，為保證系統(tǒng)COP下降不太快，低溫下壓縮機升頻工作;在環(huán)境溫度大于0℃時，制熱量呈上升趨勢，但是上升變慢，溫度在不同進水溫度下制熱量和COP的變化、不同設(shè)計供回水溫差隨水泵頻率在不同環(huán)境溫度下的變化-10℃～0℃之間，產(chǎn)熱量下降加快，蒸發(fā)溫度降低對制熱量影響在這個區(qū)間較大，而到-25℃～-10℃之間時，制熱量下降趨勢變緩，幾乎為線性變化，其主要措施即提高壓縮機頻率，對系統(tǒng)的制熱量的衰減能有很好的抑制作用。制取熱水65℃，進水從35℃、40℃、45℃變化，熱泵制熱量隨著環(huán)境的變化趨勢如圖2（b）所示。在進水溫度為35℃，環(huán)境溫度為-7℃時，制熱量為71.5kW，熱泵COP達2.2。

圖 2（c）是供熱量在不同的循環(huán)水泵頻率下的變化趨勢及不同水溫降常出現(xiàn)的溫度區(qū)間。當(dāng)水溫降為20K時，能滿足環(huán)境溫度在10℃～-10℃的范圍內(nèi)，水泵頻率從18Hz到38Hz變化，此時天氣氣溫雖然有20K的跨度，但空氣焓值變化相差不大，即使在-10℃，空氣含濕量不大的情況下也可滿足供暖需求;若空氣溫度低且含濕量增加，冷負(fù)荷增加，會使供回水溫差加大，水泵頻率運行期間稍有縮小，在20Hz至30Hz之間，供熱量增大;在環(huán)境溫度進而降低，冷負(fù)荷需求更為擴大時，此時供/回水溫差增加到30K，循環(huán)水泵的頻率還會減小，范圍在15Hz到25Hz之間，在30K的溫差下，供熱是隨著房間冷負(fù)荷增大而增大水泵頻率，提高循環(huán)水量以增加供熱量。

2 供熱/節(jié)能效果

圖 3（a）為采用二氧化碳空氣源熱泵變頻技術(shù)的節(jié)能效果和供暖效果。由圖3（a）可知，該建筑全年最大逐時冷負(fù)荷不超過50W·m-2，在供暖期間（120d）平均逐時電耗僅為15.8W·m-2，整個供暖季為45.6kW·h·m-2，節(jié)能效果良好。圖3（b）為供暖期間建筑物室溫情況，室內(nèi)溫度基本在22℃，波動在±1℃。表明了變頻技術(shù)對便于控制室內(nèi)溫度穩(wěn)定，二氧化碳空氣源熱泵變頻能在低溫下較好的滿足供熱需求。

3 結(jié)論

①供暖系統(tǒng)用戶端散熱器采用變水量系統(tǒng)比定水量系統(tǒng)在低水量運行時較難控制，但有節(jié)能可能。

②用二氧化碳空氣源熱泵低溫條件下升頻能使熱泵制熱量提高18.75%。

③環(huán)境溫度從-25℃升高到15℃，二氧化碳空氣源熱泵壓縮機頻率從65Hz降低到50Hz。

④在低于-10℃的環(huán)境下，若二氧化碳空氣源熱泵頻率小于60Hz，會出現(xiàn)亞臨界循環(huán)，制熱量降低。

⑤在進水溫度為35℃，環(huán)境溫度為-7℃時，熱泵COP達2.2。

⑥二氧化碳空氣源熱泵供熱系統(tǒng)配合水泵變頻技術(shù)可使供暖期電耗為45.6kW·h·m-2，房間溫度穩(wěn)定在22℃附近。

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