王彥杰 劉雄* 錢(qián)亞中 葉志成 祝銘 李林蔚

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

自1989 年G Lorentzen 設(shè)計(jì)出跨臨界二氧化碳循環(huán)制冷系統(tǒng)以來(lái)，二氧化碳制冷/熱泵裝置的研究與應(yīng)用已成為了全球范圍內(nèi)受重視的熱點(diǎn)，當(dāng)前已經(jīng)在汽車(chē)空調(diào)，熱泵熱水器和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中獲得了大量應(yīng)用[1]。本論文提出了一種二氧化碳跨臨界地源熱泵系統(tǒng)[2]，可同時(shí)提供冷量和熱量，作為直接膨脹式空調(diào)設(shè)備，能用于驅(qū)動(dòng)恒溫恒濕空氣處理機(jī)組。本文介紹了其工作原理，并分析了其冬季運(yùn)行工況性能。

1 地源熱泵系統(tǒng)

本文所研究的二氧化碳跨臨界地源熱泵系統(tǒng)由風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、熱泵子系統(tǒng)等三部分組成，具體如圖1 所示。

風(fēng)系統(tǒng)由用戶側(cè)換熱器，再熱器和預(yù)熱器組成。夏季工況時(shí)，預(yù)熱器不工作。被處理空氣先經(jīng)用戶側(cè)換熱器，以直膨的方式被冷卻除濕，再進(jìn)入再熱器被再熱。再熱器的熱水來(lái)源于熱水加熱器所回收的制冷冷凝熱。冬季工況時(shí)，再熱器不工作。新風(fēng)先進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，再與回風(fēng)混合，然后再進(jìn)入用戶側(cè)換熱器，以直膨的方式被加熱。預(yù)熱器中熱水來(lái)源于熱水加熱器。

圖1 用于驅(qū)動(dòng)恒溫恒濕空氣處理機(jī)組的二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)圖

水系統(tǒng)包括熱源側(cè)換熱器，熱水加熱器，再熱器，預(yù)熱器，埋地?fù)Q熱器，電動(dòng)三通閥和水泵等組成。熱水加熱器全年用于生產(chǎn)熱水，夏季工況時(shí)，所生產(chǎn)的熱水用于再熱器的再熱，當(dāng)不需要再熱時(shí)，通過(guò)電動(dòng)三通閥切換，送入埋地?fù)Q熱器向土壤散熱。冬季工況時(shí)，熱水加熱器所生產(chǎn)的熱水用于預(yù)熱器給新風(fēng)預(yù)熱，對(duì)于寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，新風(fēng)溫度較低時(shí)，為避免預(yù)熱器被凍壞，水中應(yīng)加防凍液。

熱泵子系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、用戶側(cè)換熱器、熱源側(cè)換熱器、熱水加熱器、回?zé)崞鳌①A液器、四通閥、節(jié)流閥1、節(jié)流閥2、電磁閥1、電磁閥2 等。工作時(shí)，節(jié)流閥1可用于控制壓縮機(jī)排氣壓力。節(jié)流閥2 可用于控制通過(guò)蒸發(fā)器的工質(zhì)流量。

用戶側(cè)換熱器夏季工況作為蒸發(fā)器，用于空氣冷卻除濕，冬季工況作為氣體冷卻器，用于空氣的加熱。熱源側(cè)換熱器夏季工況用作氣體冷卻器，與水進(jìn)行熱交換，水再通過(guò)埋地?fù)Q熱器，向土壤散發(fā)制冷所產(chǎn)生的熱量。冬季工況用作蒸發(fā)器，從水中吸熱，水再通過(guò)埋地?fù)Q熱器，從土壤中吸熱。

夏季工況時(shí)，電磁閥1 全開(kāi)、電磁閥2 關(guān)閉。熱泵子系統(tǒng)的工作流程如下：壓縮機(jī)排氣口→四通閥→單向閥a→熱水加熱器→電磁閥1→熱源側(cè)換熱器→單向閥e→回?zé)崞鞲邏簜?cè)→節(jié)流閥1→貯液器→節(jié)流閥2→單向閥d→用戶側(cè)換熱器→四通閥→回?zé)崞鞯蛪簜?cè)→壓縮機(jī)吸氣口。

冬季工況時(shí)，電磁閥1 關(guān)閉、電磁閥2 全開(kāi)；其工作流程如圖1 中箭頭所示，具體如下：壓縮機(jī)排氣出→四通閥→用戶側(cè)換熱器→單向閥b→熱水加熱器→電磁閥2→回?zé)崞鞲邏簜?cè)→節(jié)流閥1→貯液器→節(jié)流閥2→單向閥f→熱源側(cè)換熱器→單向閥c→四通閥→回?zé)崞鞯蛪簜?cè)→壓縮機(jī)吸氣口。以上工作流程對(duì)應(yīng)的壓焓圖如圖2 所示。

圖2 地源熱泵循環(huán)的壓-焓圖

2 理論計(jì)算模型

壓縮機(jī)：

換熱器：

節(jié)流閥：

貯液器：

式（1）～（7）中：w 為壓縮機(jī)耗功量，W/kg；h 為狀態(tài)點(diǎn)的焓值，J/kg；η 為壓縮機(jī)等熵效率；m 為質(zhì)量流量，kg/s；下標(biāo)i 代表系統(tǒng)部件進(jìn)口流體的狀態(tài)，下標(biāo)o 代表系統(tǒng)部件出口流體的狀態(tài)，下標(biāo)s 為實(shí)際流體，下標(biāo)l 為理論流體。

系統(tǒng)性能的計(jì)算公式如下：

式中：Q 為單位時(shí)間內(nèi)用戶側(cè)換熱器和預(yù)熱器中的換熱量之和，kW；W 為單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中壓縮機(jī)的軸功，kW。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬條件

1）系統(tǒng)內(nèi)各管道無(wú)壓降損失。

2）蒸發(fā)器出口制冷劑為飽和氣體。

3）制冷劑與室外空氣進(jìn)口溫度之間的最小傳熱溫差為10 ℃。

4）制冷劑與熱水加熱器之間的最小傳熱溫差為5 ℃。

5）冬季送風(fēng)溫度為40 ℃，回風(fēng)溫度為22 ℃，新風(fēng)量為10000 m3/h，新風(fēng)預(yù)熱到5 ℃。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 新風(fēng)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在壓縮機(jī)排氣壓力為9 MPa、新風(fēng)比為0.1 時(shí)，在不同的地埋管進(jìn)口水溫下，系統(tǒng)性能隨室外新風(fēng)溫度的變化情況如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在固定地埋管進(jìn)口水溫時(shí)，系統(tǒng)制熱性能都是隨著室外新風(fēng)溫度的升高呈下降趨勢(shì)。但若固定室外新風(fēng)溫度、改變地埋管進(jìn)口水溫，系統(tǒng)COP 隨著地埋管進(jìn)口水溫的升高呈上升趨勢(shì)。

圖3 不同地埋管進(jìn)口水溫下，新風(fēng)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4 不同新風(fēng)比下，新風(fēng)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在壓縮機(jī)排氣壓力為9 MPa、地埋管進(jìn)口水溫為0 ℃時(shí)，在不同的新風(fēng)比下，系統(tǒng)性能隨室外新風(fēng)溫度的變化情況如圖4 所示。從圖4 中可以看出：在相同的新風(fēng)比和地埋管進(jìn)口水溫下，系統(tǒng)制熱性能都是隨著室外新風(fēng)溫度的升高呈現(xiàn)出一直下降的趨勢(shì)。且在新風(fēng)溫度為6 ℃（此時(shí)室外新風(fēng)不預(yù)熱）時(shí)，COP 下降的變化趨勢(shì)發(fā)生改變。若固定室外新風(fēng)溫度、改變新風(fēng)比，系統(tǒng)COP 隨著新風(fēng)比的增大反而呈上升趨勢(shì)。

在室外新風(fēng)溫度為-15 ℃、地埋管進(jìn)口水溫為0 ℃時(shí)，在不同的壓縮機(jī)排氣壓力下，系統(tǒng)性能隨室外新風(fēng)溫度的變化情況如圖5 所示。從圖5 中可以看出：隨著室外新風(fēng)溫度的升高，系統(tǒng)性能呈下降趨勢(shì)，且根據(jù)室外新風(fēng)是否需預(yù)熱，其變化趨勢(shì)會(huì)出現(xiàn)較大變化。在壓縮機(jī)排氣壓力逐漸升高時(shí)，系統(tǒng)性能一直呈下降趨勢(shì)。

圖5 不同壓縮機(jī)排氣壓力下，新風(fēng)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

3.2.2 新風(fēng)比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在壓縮機(jī)排氣壓力為9 MPa，室外新風(fēng)溫度為-15 ℃時(shí)，系統(tǒng)在不同的地埋管進(jìn)口水溫下，其性能隨新風(fēng)比的變化情況如圖6 所示。從圖6 中可以看出：在此設(shè)定工況下，若地埋管進(jìn)口水溫一定，系統(tǒng)制熱性能COP 隨著新風(fēng)比的增加呈上升的趨勢(shì)。若固定新風(fēng)比、改變地埋管進(jìn)口水溫，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)COP 隨著地埋管溫度的升高也是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。同時(shí)也可看出，地埋管進(jìn)口水溫越高，系統(tǒng)COP 的變化趨勢(shì)隨新風(fēng)比的增加變得越大。

在壓縮機(jī)排氣壓力為9 MPa，地埋管進(jìn)口水溫為0 ℃時(shí)，在不同的新風(fēng)溫度下，系統(tǒng)性能隨新風(fēng)比的變化情況如圖7 所示。從圖7 中可以看出：在此設(shè)定工況下，若固定室外新風(fēng)溫度，系統(tǒng)制熱性能COP 隨著新風(fēng)比的增加呈上升趨勢(shì)。而若固定新風(fēng)比、改變室外新風(fēng)溫度，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)COP 隨著室外新風(fēng)溫度的降低呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，且室外新風(fēng)溫度越低，系統(tǒng)性能增長(zhǎng)趨勢(shì)越大。

圖6 不同地埋管進(jìn)口水溫下，新風(fēng)比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖7 不同新風(fēng)溫度下，新風(fēng)比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在地埋管進(jìn)口的水溫為0 ℃、室外新風(fēng)溫度為-15 ℃時(shí)，系統(tǒng)在不同的壓縮機(jī)排氣壓力下，其性能隨新風(fēng)比的變化情況如圖8 所示。從圖8 可以看出：在相同的壓縮機(jī)排氣壓力下，系統(tǒng)性能隨新風(fēng)比的增大呈近似直線上升。且在相同的新風(fēng)比的情況下，壓縮機(jī)排氣壓力越低，系統(tǒng)性能越大。

圖8 不同壓縮機(jī)排氣壓力下，新風(fēng)比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié)論

本文對(duì)用于驅(qū)動(dòng)恒溫恒濕空氣處理機(jī)組的二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)的制熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）系統(tǒng)性能隨著室外新風(fēng)溫度的升高呈近似直線的下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)會(huì)在新風(fēng)是否需預(yù)熱的情況下發(fā)生變化。隨著室外新風(fēng)溫度的變化，新風(fēng)比這一因素對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，壓縮機(jī)排氣壓力次之，地埋管進(jìn)口水溫影響最小。

2）系統(tǒng)性能隨新風(fēng)比的增大呈近似直線的上升趨勢(shì)。且隨著新風(fēng)比的增大，室外新風(fēng)溫度越低，對(duì)系統(tǒng)性能影響越大。