張穎

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

1 引言

隨著溫室效應(yīng)和臭氧層的破壞等環(huán)境問題越來越受到人們的重視，冷凍空調(diào)與熱泵系統(tǒng)中的氫氟烴（HFCs）制冷劑被認(rèn)為是引起全球變暖的主要隱患之一而不斷被人們詬病[1]。我國含氟量為中級的制冷劑產(chǎn)量占到全球的65%，使用量占到全球的40%。因此，尋找一種替代HFCs 的制冷劑愈來愈受到關(guān)注。制冷劑在冷凍空調(diào)與熱泵的系統(tǒng)中扮演工作流體的角色，而理想的制冷劑應(yīng)具備穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)與惰性，且擁有良好的傳熱特性與流體流動的性質(zhì)。此外，它必須具有與其他物質(zhì)相容、與潤滑油互溶、無毒、成本低及符合環(huán)保的特性。因此，許多不同種類的制冷劑開始發(fā)展，并應(yīng)用于暖通空調(diào)與制冷（HAVC&R）系統(tǒng)中。目前，使用的制冷劑從CFCs、HCFCs到HFCs，雖已不再嚴(yán)重威脅我們的生存環(huán)境，但包括R134a在內(nèi)的HFCs 類及其混合型制冷劑已經(jīng)不能夠滿足長期環(huán)保的要求。因此，研究應(yīng)用天然制冷劑技術(shù)越來越受到重視，甚至被譽(yù)為是解決環(huán)境問題的最終方案。

目前，CO2制冷劑是最有希望替代HFCs 類的制冷劑[2]。CO2是天然物質(zhì)，臭氧消耗潛能值為零（ODP=0），全球變暖潛能值極低（GWP=1）[3]。使用CO2作為制冷工質(zhì)，一方面對大氣臭氧層沒有破壞作用，可以減少全球溫室效應(yīng)，從根本上解決化合物對環(huán)境的污染問題。另一方面，CO2來源廣泛，無須回收，可以大大降低制冷劑替代成本，節(jié)約能源，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。此外，CO2傳熱和壓縮性能良好，安全無毒，不可燃，并具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會分解出有害氣體，故對人體、食品、生態(tài)都無損害。CO2還具有高比熱、低比容、低黏度等誘人的熱力學(xué)和熱物理性能。因此，CO2被認(rèn)為是一種理想工質(zhì)。

為了滿足“雙碳”要求，CO2空氣源熱泵被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的理想設(shè)備[4]。因此，對CO2空氣源熱泵展開深入研究具有重要意義。然而，目前對高溫出水CO2空氣源熱泵與常規(guī)熱泵的對比分析鮮有研究，本文從超臨界CO2循環(huán)研究現(xiàn)狀、超臨界CO2循環(huán)機(jī)理、能效和經(jīng)濟(jì)性以及工程應(yīng)用這些方面進(jìn)行綜合對比分析。對比分析結(jié)果有望于對高溫出水CO2空氣源熱泵進(jìn)一步深入研究提供新的思路和理論研究基礎(chǔ)。

2 超臨界CO2 循環(huán)研究現(xiàn)狀

出水溫度超過65 ℃的CO2空氣源熱泵定義為高溫出水CO2空氣源熱泵。以傳統(tǒng)工質(zhì)為制冷劑的熱泵為常規(guī)熱泵，出水溫度為55 ℃。CO2空氣源熱泵進(jìn)行跨臨界循環(huán)運(yùn)行。超臨界CO2動力循環(huán)具有一個獨特的特點，即在整個壓縮過程中，由于臨界附近的物理性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化，氣體的致密特性貫穿整個壓縮過程。因此，相對于常規(guī)熱泵，CO2空氣源熱泵具有高溫高效的獨特優(yōu)勢。

超臨界CO2循環(huán)的研究歷程最早可追溯到1930 年，有研究提出超臨界CO2作為傳熱工質(zhì)可以顯著提高火電廠和熱力系統(tǒng)的熱效率。在超臨界動力循環(huán)的發(fā)展中，Sulzer[5]在1948年提出的具有部分冷凝Brayton 循環(huán)是第一個超臨界CO2循環(huán)。超臨界CO2循環(huán)里程碑式發(fā)生在1960 年，Angelino[6]提出超臨界CO2Rankine 循環(huán)。在此之后，雖然人們已經(jīng)認(rèn)識到了超臨界CO2循環(huán)的優(yōu)勢，但由于電力系統(tǒng)中制造渦輪機(jī)和緊湊型熱交換器的技術(shù)在實際應(yīng)用中有嚴(yán)重的局限性，導(dǎo)致超臨界CO2循環(huán)對發(fā)電成本沒有顯著貢獻(xiàn)，在1970 年以后超臨界CO2循環(huán)的進(jìn)一步研究和設(shè)計受到限制。直到1990 年，隨著能源被人們重視且伴隨著技術(shù)的發(fā)展，超臨界CO2Brayton循環(huán)再一次被人們關(guān)注。尤其是近十年來，由于CO2工質(zhì)對環(huán)境的影響最小，具有良好的熱物理和運(yùn)輸性能，為了提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本，利用超臨界CO2作為工質(zhì)回收低品位廢熱的想法正在興起。

目前，諸多學(xué)者對超臨界CO2循環(huán)進(jìn)行了深入研究。吳孟霞等[7]通過建立數(shù)值模型，并采用EES（Engineering Equation Solver）軟件對高溫超臨界CO2空氣源熱泵循環(huán)開展仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)氣體冷卻器出口溫度可高達(dá)60 ℃，且此時COP約為3.0。葉祖樑等[8]通過理論和實驗結(jié)合的方式研究了回?zé)崞鲗缗R界CO2熱泵系統(tǒng)的影響和適用性。研究表明，雖然應(yīng)用回?zé)崞骶哂薪档凸摹⑻岣逤OP 等積極作用，但是對制熱量的影響作用不穩(wěn)定，且低溫度工況下不適用。LI[9]等對跨臨界CO2空氣源熱泵系統(tǒng)的最佳壓縮機(jī)排氣壓力的影響因素進(jìn)行了實驗研究，確定出最佳壓縮機(jī)排氣壓力相關(guān)公式。YANG等[10]提出了一種雙源高溫?zé)岜美錈崧?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由將供水加熱至中溫并冷卻冷凍水回路的CO2跨臨界循環(huán)和將供水由中溫加熱至高溫的R152a 亞臨界循環(huán)組成。在相同運(yùn)行條件下，該組合系統(tǒng)的COP 和效率分別比單熱泵和單制冷系統(tǒng)提高了54.7%和175%左右，且溫度匹配行為改善，傳熱可逆性降低。

3 超臨界CO2 循環(huán)機(jī)理分析

圖1[11]為常規(guī)制冷循環(huán)亞臨界循環(huán)。對于亞臨界熱泵循環(huán)，已被證明是節(jié)能高效的廢熱回收方式。但在用于高溫供熱時，由于冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的壓力比過高，壓縮機(jī)壓縮效率下降，在節(jié)流過程中會損失部分工質(zhì)的高溫顯熱，從而降低系統(tǒng)的整體性能系數(shù)（COP）。此外，當(dāng)它用于將供水從室溫加熱到相對較高的溫度時，冷凝器內(nèi)供水與工質(zhì)溫差較大，導(dǎo)致傳熱過程中不可逆損失較大。

圖1 CO2 亞臨界循環(huán)示意圖

圖2 為CO2跨臨界循環(huán)。與亞臨界循環(huán)中高壓排熱和低壓吸熱過程都發(fā)生在亞臨界區(qū)不同，CO2跨臨界循環(huán)同時占據(jù)了超臨界排熱和亞臨界吸熱過程，因此，CO2跨臨界循環(huán)可以生產(chǎn)高溫?zé)崴O2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖3[12]所示。在這個循環(huán)中，低溫低壓的CO2流體被壓縮機(jī)壓縮，CO2不發(fā)生沸騰相變，直接從液態(tài)加熱到高壓高溫的超臨界狀態(tài)。由于獨特的物理過程和熱物性的劇烈變化，CO2跨臨界循環(huán)具有不同于傳統(tǒng)對流換熱和兩相流沸騰換熱的特殊換熱特性。然后，這種流體流過氣冷器，在氣冷器中與外部介質(zhì)發(fā)生類似顯熱傳遞。CO2跨臨界循環(huán)在氣冷器內(nèi)工質(zhì)放熱過程中工質(zhì)與低品位熱源之間具有獨特的溫度滑降特性，從而沒有夾點限制。冷卻后，高壓CO2進(jìn)入內(nèi)部熱交換器（IHX），與蒸發(fā)器出口的熱量進(jìn)行傳遞，從而進(jìn)一步實現(xiàn)冷卻，提高吸力側(cè)過熱度。CO2流體通過IHX 后，被膨脹裝置節(jié)流，形成低壓低溫兩相狀態(tài)。CO2流體在蒸發(fā)器吸收熱量和蒸發(fā)后，流經(jīng)分離器IHX，回流到壓縮機(jī)，完成整個循環(huán)。另外，即使在較低的熱源空氣溫度下，CO2跨臨界循環(huán)也能保持較好的制熱性能。

圖2 CO2 超臨界循環(huán)示意圖

圖3 CO2 跨臨界循環(huán)系統(tǒng)示意圖

4 能效和經(jīng)濟(jì)性分析

以使用CO2熱泵生產(chǎn)高溫生活熱水（65 ℃）的上海市某藥廠作為算例，將CO2熱泵與常規(guī)熱泵、燃?xì)鉄崴仩t、電熱熱水鍋爐進(jìn)行能耗與經(jīng)濟(jì)性對比分析，如表1 所示。上海市當(dāng)?shù)仉妰r為0.85 元/（kW·h），燃?xì)赓M用4.47 元/m3。藥廠每天總需熱量為1 673 364 kJ。

表1 能耗與經(jīng)濟(jì)性對比分析

由表1 可知，CO2熱泵熱水機(jī)組每年可比常規(guī)熱泵、燃?xì)鉄崴仩t以及電熱水鍋爐分別節(jié)約33%、65%和78%的運(yùn)行費用。由此說明，CO2熱泵熱水機(jī)組經(jīng)濟(jì)性顯著優(yōu)于其他機(jī)組。另外，CO2熱泵熱水機(jī)組每年可比常規(guī)熱泵和電熱水鍋爐分別削減33%和78%的年耗電量。因此，CO2熱泵熱水機(jī)組能耗顯著低于其他機(jī)組。

5 工程應(yīng)用分析

5.1 上海富豪東亞酒店項目

上海富豪東亞酒店于2013 年4 月開始進(jìn)行熱水供應(yīng)系統(tǒng)改造，一期工程專供酒店員工洗浴及廚房，日用水量約45 m3，原來購買體育場蒸汽通過換熱制取生活熱水，改造后配置2 臺高溫出水CO2熱泵機(jī)組。如表2 所示，通過長達(dá)9 個月的運(yùn)行和測試記錄，并經(jīng)過了夏季和冬季，最后經(jīng)統(tǒng)計分析表明，投入運(yùn)行后，每年減少能源使用約42 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放102 t，節(jié)約率78%。同時，制備55～65 ℃的熱水耗電量最低僅為6.07 kW·h/t，最高僅為14.91 kW·h/t，平均僅為9.63 kW·h/t。另外，使用時僅需設(shè)定好熱泵相應(yīng)設(shè)置便可達(dá)到完全無人值守的工作狀態(tài)，并且安全可靠，省去了鍋爐方式的人工勞動力成本。綜上，此酒店工程項目在應(yīng)用高溫出水CO2空氣源熱泵制備55～65 ℃的熱水充分達(dá)到了節(jié)能、減排、降耗、降低成本的目的。

表2 海富豪東亞酒店2013—2014 年度每月能耗分析

5.2 上海浦江飯店項目

上海浦江飯店于2012 年3 月采用高溫出水CO2，空氣源熱泵代替原有燃油鍋爐制備熱水，供應(yīng)酒店洗浴。通過2012年5 月份的節(jié)能數(shù)據(jù)測試，CO2空氣源熱泵機(jī)組每天平均運(yùn)行12.3 h，耗電441.9 kW·h。通過數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行時間，避開峰電[1.167 元/（kW·h）]時段，盡量保證在谷電[0.35 元/（kW·h）]、平電[0.714 元/（kW·h）]時段制備熱水儲存在熱水罐中。峰電時段CO2空氣源熱泵機(jī)組關(guān)閉，使用儲存在熱水罐中的熱水。經(jīng)過調(diào)整平均電價由0.85 元/（kW·h）降至0.532 元/（kW·h）。經(jīng)統(tǒng)計，用CO2熱泵機(jī)組制熱水平均每天能耗費為235 元。經(jīng)查詢報表數(shù)據(jù)得到，浦江飯店2011 年5月鍋爐燒熱水耗油8.34 t，按當(dāng)年5 月份油價6 928 元/t 計算月燃油費57 787 元，每天能耗費為1 864 元。因此，采用CO2熱泵機(jī)組后同比去年節(jié)約能耗費87.4%。另外CO2空氣源熱泵的智能控制系統(tǒng)取代了原儲油間、司爐工，有效節(jié)約了勞動力，降低了運(yùn)行成本。據(jù)調(diào)研，此CO2空氣源熱泵機(jī)組COP 運(yùn)行至今沒有衰減。因此，此工程項目通過高溫出水CO2空氣源熱泵有效利用了上海地區(qū)的峰谷電，節(jié)約能耗非常顯著。

6 結(jié)論

本文從研究現(xiàn)狀、運(yùn)行機(jī)理、能效和經(jīng)濟(jì)性、工程應(yīng)用4個方面綜合分析高溫出水CO2空氣源熱泵。結(jié)果表明，相比于常規(guī)熱泵的亞臨界循環(huán)，CO2空氣源熱泵可以進(jìn)行跨臨界循環(huán)，因此制熱能力較常規(guī)熱泵突出，可以生產(chǎn)高溫?zé)崴?。案例分析表明，CO2熱泵熱水機(jī)組每年可比常規(guī)熱泵、燃?xì)鉄崴仩t以及電熱水鍋爐分別節(jié)約33%、65%和78%的運(yùn)行費用。工程實例分析結(jié)果顯示高溫出水CO2空氣源熱泵能源節(jié)約率高達(dá)78%，結(jié)合有效利用上海地區(qū)的峰谷電節(jié)約能耗費87.4%。因此，高溫出水CO2空氣源熱泵節(jié)是一種高效、節(jié)能以及環(huán)保的熱源，采用此熱泵提供生活熱水和供暖將是未來發(fā)展的必然趨勢。