跨临界热泵系统采暖工况下能效和经济对比分析

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摘要：根据欧盟F-gas法规[1]，要求对氢氟烃（HFCs）的削减进度为：2016 年削减7%，2018 年削减37%，2021 年削减55%，2025 年削减69%，2030年削减79%。这使得寻找替代制冷剂这一进程更为紧迫，为了找

根据欧盟F-gas法规[1]，要求对氢氟烃（HFCs）的削减进度为：2016 年削减7%，2018 年削减37%，2021 年削减55%，2025 年削减69%，2030年削减79%。这使得寻找替代制冷剂这一进程更为紧迫，为了找到尽可能符合要求的制冷剂，许多研究人员重新将研究目标放在自然制冷剂上。在众多自然制冷剂中，CO2因零臭氧消耗潜能值（ODP）和低全球变暖潜能值（GWP）的特点受到广泛关注。除此之外，它还具有成本低、无毒、不易燃、潜热大等优点。

近年来，国内外研究人员对CO2跨临界循环系统进行了许多理论与试验研究，这些研究内容包括CO2热泵干燥系统[2]、CO2热泵热水器系统[3]、CO2汽车空调[4]、CO2膨胀机的研究[5]等。同时CO2跨临界循环系统在冬季供暖表现出的可提供高出水温度、在低温情况时蒸发压力为正压等特点，使CO2热泵采暖系统[6]受到关注。与常规HFCs 制冷剂相比，常规CO2跨临界单级压缩系统的系统效率较低，因此提高系统效率是当前CO2跨临界系统的研究重点[7]。

为提高CO2跨临界循环系统的系统效率，已开始出现对带有补气压缩机系统的研究[8-9]，这一措施可以通过将气体冷却器出口的CO2气体分流一部分用于补气，来减少进入压缩机入口的CO2流量，从而降低压缩机功耗，提高系统性能。然而，以提高能效为目的从系统配置上对补气系统的创新以及多方面的分析研究仍然缺乏。

基于以上研究，为了提高CO2跨临界热泵采暖系统的系统性能，本文提出CO2跨临界双级压缩双气冷器中间补气回热系统[10]，并结合单级压缩回热系统、双级压缩双气冷器回热系统、补气压缩回热系统[11]三种CO2热泵系统从能效和经济上进行对比分析，此外R134a 单级压缩回热系统也被加入研究。通过建立热力学和经济性模型，来研究各因素对系统能效的影响以及不同城市中各系统的总投资情况，旨在比较分析出各系统的优劣，找到CO2代替HFCs进行热泵供暖的可行性系统方案。

1 模型建立

1.1 循环系统及热力学模型

1.1.1 单级压缩回热系统

图1 为CO2跨临界单级压缩回热系统的系统图及p-h 图。蒸发器出口的饱和气态CO2经过回热器与气体冷却器出口的超临界CO2流体换热，再进入压缩机，使压缩机入口的CO2过热，并降低节流阀入口温度。

图1 单级压缩回热系统

热力学计算模型如下。

单位制热量以式(1)表示，单位压缩机耗功以式(2)表示，制热性能系数以式(3)表示。

式中，hi(i=1,2,3,…)为各点的比焓，kJ/kg；ηc为压缩机效率。

1.1.2 双级压缩双气冷器回热系统

图2 为CO2跨临界双级压缩双气冷器回热系统的系统图及p-h图。与单机压缩回热系统不同之处在于，CO2通过低压压缩机压缩至中间压力，进入低压气体冷却器冷却放热，然后通过高压压缩机压缩至高压压力，进入高压气体冷却器冷却放热。两气体冷却器均用于供热，考虑两气体冷却器换热量差异较大，其水路是并联的形式。

图2 双级压缩双气冷器回热系统

热力学计算模型如下。

单位制热量以式(4)表示，单位压缩机耗功以式(5)表示，制热性能系数以式(6)表示。

1.1.3 补气压缩回热系统

图3 为CO2跨临界补气压缩回热系统的系统图及p-h图，其中压缩机带有补气口。气体冷却器出口的超临界CO2流体被分为两路，一路（补气回路）经过节流阀1 节流到中间压力，进入回热器1回热至饱和气态，再通过压缩机补气口进入压缩腔，另一路（主回路）进入回热器1和回热器2过冷，经过节流阀2节流到蒸发压力，再进入蒸发器至饱和气态，经过回热器2 过热，最后进入压缩机。进入压缩腔的补气回路CO2与压缩至2 点的主回路CO2共同混合压缩。

图3 补气压缩回热系统

热力学计算模型如下。

假设总质量流量为单位质量流量1，补气回路质量流量为a（即补气流量比），则单位制热量以式(7)表示，单位压缩机耗功以式(8)表示，制热性能系数以式(9)表示。

1.1.4 双级压缩双气冷器中间补气回热系统

图4 为CO2跨临界双级压缩双气冷器中间补气回热系统的系统图及p-h图。与补气压缩回热系统不同之处在于，该循环系统存在两个压缩机和两个气体冷却器，主回路CO2通过低压压缩机压缩至中间压力，进入低压气体冷却器冷却放热，与来自补气回路的饱和气态CO2混合，然后通过高压压缩机继续压缩至高压压力，进入高压气体冷却器冷却放热。两气体冷却器均用于供热，考虑两气体冷却器换热量差异较大，其水路是并联的形式。

文章来源：《中国集体经济》 网址: http://www.zgjtjjzzs.cn/qikandaodu/2021/0523/1198.html

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