（热能工程专业论文）二氧化碳热泵供热系统的理论分析及实验研究.pdf

摘要 二氧化碳作为一种安全、经济、环保可持续的自然工质，可以作为c f c s 和 h c f c s 工质的替代工质? 引起了越来越多的研究者关注。 针对跨临界二氧化碳热泵循环的热力学特性，设计t - 氧化碳热泵供热系统， 提出了利用二氧化碳热泵进行供暖的实现方案。通过分段冷却的方式进行供暖兼 制生活热水，可以应用在以暖气片为供暖末端的建筑上。用e e s ( e n g i n e e r i n g e q u a t i o ns o l v e r ) 软件编写了二氧化碳跨临界循环热力学性能分析计算程序，利 用热平衡分析方法和炯分析方法分析系统运行时各参数对性能的影响以及不同 工况下系统的性能对比。建立热泵系统的炯经济学模型，对二氧化碳热泵供热系 统进行技术和经济性综合分析。搭建二氧化碳热泵供热系统实验台，对计算工况 进行实验测试，并对建立的热力学模型进行验证对比。 通过计算可以得出典型工况( 蒸发温度1 5 ，气冷器出口温度2 0 。c ，压比 2 0 9 ，冷却水水温1 5 6 0 ，冷冻水水温2 0 1 6 ) 和低温工况( 蒸发温度1 0 ， 气冷器出口温度1 5 ，压比2 0 9 ，冷却水水温1 0 6 0 ，冷冻水水温1 5 1l ) 下单独制生活热水模式及分级供热模式( 蒸发温度1 0 ，气冷器出口温度1 5 。c ， 压比2 5 ，生活热水测水温1 0 6 0 ，供暖侧水温6 0 7 5 ，冷冻水水温1 5 1l ) 时，c 0 2 热泵机组的性能系数及媚效率都要高于四种常规蒸气压缩式热泵机组： r 1 3 4 a 、r 1 5 2 a 、r 2 9 0 及r 2 4 5 f a ，压比最小。热泵的各部件中，压缩机的炯损失 均为最高值，蒸发器和回热器的炯损基本可以忽略不计；五种中高温工质中，c o ： 热泵的冷却器相比于其他热泵的冷凝器炯损率小，压缩机炯损率比其他四种常规 蒸气压缩式热泵高。压比大于2 - 3 时，出水最高温度相同的情况下，分级供热模 式要比单独制热水模式下的炯效率高。 典型工况下，c o ，热泵输出产品的炯成本随初投资和电价的降低而线性降低； 随着蒸发温度的升高，炯成本逐渐降低；随着冷却器出口温度的升高，炯成本先 呈现下降趋势，超过3 8 以后，焖成本值急剧上升。通过实验测试，可以得出 分级供热模式要比制同等温度热水模式下的性能系数高出6 4 的结论。实验测 试数据与模拟计算数据对比，相对误差在5 以内。 关键词：二氧化碳热泵分段冷却供热理论分析实验研究 c 0 2h a sr e c e n t l yc o m ei n t of a s h i o na san a t u r a lr e f r i g e r a t i o nt h a ti s s a f e ， e n v i r o n m e n t a la n ds u s t a i n a b l e i th a st h ep o t e n t i a lt or e p l a c eh y d r o f l u o r o c a r b o n ( h f c ) a n dh y d r o c h l o r o f l u o r c a r b o n ( h c f c ) r e f r i g e r a n t s ，c a u s i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no f r e s e a r c h e r s ac a r b o nd i o x i d eh e a tp u m p h e a t i n gs y s t e mh a db e e nd e s i g n e df o rs p a c eh e a t i n g a n dh o tw a t e rh e a t i n g ，c o n s i d e r i n gt h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so ft r a n s - c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d eh e a tp u m pc y c l e t h ed e s i g n e ds y s t e mc a nb eu s e df o rc o m b i n e d s p a c eh e a t i n ga n dh o tw a t e rh e a t i n gb yt w o - s t e pc o o l i n ga n dc a nh e a tc o n v e n t i o n a l r a d i a t o r s ，w h i c hi s a n i m p o r t a n ta d v a n t a g ew h e nc o n v e r t i n gb u i l d i n g su n d e r p r e s e r v a t i o no r d e rt or e n e w a b l ee n e r g ys u p p l y ac o m p u t a t i o n a lp r o g r a mf o rt h e a n a l y s i so fc 0 2h e a tp u m pu n i t st h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ew a sw r i t t e nb ye e s s o f t w a r e u s i n gt w om e t h o d so fh e a tb a l a n c ea n a l y s i sa n de x e r g ya n a l y s i s ，t h ee f f e c t o fv a r i o u sr u n - t i m ep a r a m e t e r so nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d ，a n dt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ec o m p a r e dw i t hf o u r c o n v e n t i o n a l m e d i u m - h i g h - t e m p e r a t u r ev a p o r - c o m p r e s s i o n h e a t p u m p s ：r 13 4 a ， r 15 2 a ，r 2 9 0 ，a n dr 2 4 5 f a t h ee x e r g ye c o n o m i cm o d e lo fc 0 2h e a tp u m ph e a t i n g s y s t e mw a se s t a b l i s h e df o rt h eg e n e r a l i z e de v a l u a t i o nb a s e do nb o t ht e c h n i c a la n d e c o n o m i cv i e w p o i n t s a f t e rb u i l d i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r mo fc 0 2h e a tp u m ph e a t i n g s y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c et e s t sw e r ec a r r i e da n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h e o n e sc a l c u l a t e du s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lp r o g r a m b yc a l c u l a t i n g ，t h ec o pa n de x e r g ye f f i c i e n c yo fc 0 2h e a tp u m pa r ch i g h e r t h a nt h e p e r f o r m a n c e o ft h ef o u rc o n v e n t i o n a l m e d i u m - h i g h - t e m p e r a t u r e v a p o r - c o m p r e s s i o nh e a tp u m p si nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fh e a t i n g6 0 * ch o tw a t e r m o d e la n dc o m b i n e ds p a c eh e a t i n ga n dh o tw a t e rh e a t i n gm o d e l b e t w e e nt h e c o m p o n e n t so ff i v em e d i u m - h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m p s ，t h ee x e r g yl o s so f c o m p r e s s o r si sa l w a y st h eh i g h e s tv a l u ea n dt h ee v a p o r a t o ra n dr e g e n e r a t o r se x e r g y l o s sc a nb en e g l i g i b l e t h er a t eo fe x e r g yl o s so fc 0 2h e a t p u m p sg a sc o o l e r c o m p a r e dt oo t h e rh e a tp u m p s c o n d e n s e ri st h es m a l l e s t ，b u tt h er a t eo fe x e r g yl o s so f c 0 2h e a tp u m p sc o m p r e s s o ri st h eb i g g e s t w h e nt h ep r e s s u r er a d i oi sg r e a t e rt h a n 2 3 ，t h ee x e r g ye f f i c i e n c yi nt h em o d e lo fc o m b i n e ds p a c eh e a t i n ga n dh o tw a t e r h e a t i n gi sh i g h e rt h a nt h es e p a r a t eh o tw a t e rh e a t i n gm o d e lw i t ht h es a m eo u t l e tw a t e r t e m p e r a t u r ea n ds a m er u n n i n gp a r a m e t e r so f h e a tp u m p w h e nh e a t i n g6 0 h o tw a t e ra l o n ei nt h et y p i c a lc o n d i t i o n ，t h eu n i te x e r g yc o s t o fc 0 2h e a tp u m pp r o d u c t sd e c r e a s e sl i n e a r l yw i t hd e c r e a s eo ft h ei n i t i a li n v e s t m e n t a n dt h ep r i c eo fe l e c t r i c i t y , d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo ft h ee v a p o r a t o rt e m p e r a t u r e ，a n d d e s c e n d sf i r s ta n dt h e nr a i s e sa st h ec o o l e ro u t l e tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h r o u g h e x p e r i m e n t a lt e s t i n g ，w ec a nc o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a ti nt h em o d e lo fc o m b i n e d s p a c eh e a t i n ga n dh o tw a t e rh e a t i n gi s6 4 h i g h e rt h a nt h es e p a r a t eh o tw a t e rh e a t i n g m o d e lw i t ht h es a m eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e ag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h e e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nw i t hd e v i a t i o nl e s st h a t5 i sd e m o n s t r a t e d k e yw o r d s ：c a r b o nd i o x i d eh e a tp u m p ，t w o s t e pc o o l i n g ，h e a t i n g ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a la n a l y s i s 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 能源作为现代社会存在和发展的必需品，不仅是国民经济发展的动力，而且 是综合国力和人民生活水平和国家文明发展程度的衡量指标。它的开发和利用是 全球环境问题最重要的因素和环境问题的实质。能源生产和消费过程很可能导致 环境、生态破坏和无法估量的社会灾难。人类正面临着日益严重的环境区域危机 和气候全球性变化的威胁。 1 1 1 中高温热泵技术与建筑节毹 2 0 1 0 年7 月5 日，在上海世博会联合国环境署发布了中文版的建筑与气候 变化：决策者摘要。报告显示，无论在发达国家还是发展中国家，建筑行业使 用不少于4 0 的全球能源，且造成了全球温室气体三分之一的排放。2 0 0 9 年中 国总能耗3 0 6 6 亿吨标准煤，建筑能耗占了3 0 ，共计9 2 亿吨标准煤。随着中 国城市化的快速发展，人民生活水平的不断提高，建筑总能耗将持续增长。如此 巨大的能源消费，直接关系到国家的能源供应和能源安全。因此，做好建筑节能 工作，降低单位建筑而积能耗，就是对节约能源，保护环境，应对全球气候变化， 推进国家经济社会的可持续发展做出的贡献。 能源建筑消耗主要有两个方面，一方面是建造过程中的能耗，包括建筑材料、 建筑构件、设备的生产运输以及施工和安装能耗；另一方面是使用能耗，包括建 筑使用过程中采暖、通风、空调、照明、家用电器、电梯和冷热水供应等项目的 能耗。建筑使用能耗的高低表明一国经济发展和人民生活水平的高低，在发达国 家，这一比例约占国家总能耗的3 0 0 旷4 0 。我国是最大的发展中国家，目前有 5 0 0 多亿平方米建筑，每年还要增加2 0 多亿的新房开发量，建筑使用能耗约占 全国总能耗的1 1 7 ，而实际上建筑能耗中很大一部分用在建筑制冷、供暖和生 活热水供应上。据统计，全国一年的采暖能耗相当于1 3 亿吨标准煤，占社会总 能耗的4 ，平均单位建筑面积耗能是气候相近的发达国家的2 3 倍。而北方地 区供暖能耗占建筑总使用能耗的8 0 以上，占当地社会能耗的2 0 以上，采暖 期内当地空气中的c 0 2 排放量明显高于非采暖期。上海是国内经济发展水平最 高的地区之一，虽然没有大面积的集中供暖，但据估算，上海的建筑使用能耗约 为总能耗的1 3 2 。随着我国经济腾飞和气候变化，这一比例正不断攀升。可见 第一章绪论 降低供暖和生活热水能耗是中国建筑节能减排的重中之重。相同气候条件下，我 国单位面积采暖能耗是世界平均值的三倍，一些严寒地区城镇建筑能耗已高达当 地社会总能耗的一半左右，这主要是由于我国传统建筑保温隔热差和采暖系统的 效率低导致的。建筑制冷、供暖和生活热水供应这三个方面所对应的能量品位都 很低，而我国的传统供应模式大部分是以消耗煤、电能、天然气等高品位能量为 代价的，且利用率很低。 对于公共建筑或者民用建筑，供暖系统都是由供热热源、传送的热网及取暖 的用户。目前北方采暖区占主导地位的供热方式是集中供热，占总采暖面积的 6 5 一7 0 【。热源主要包括锅炉供热、热电联产和低温地板辐射采暖，其中燃煤 锅炉和热电联产锅炉的热交换器效率仅为5 5 7 0 e 2 | ，但没有考虑锅炉的外壳、 水管等组件引起的辐射和对流损失，因此锅炉的实际效率比该值还低。此外由于 缺少有效地调控措施，很难根据气温的变化调节锅炉的产热量，例如当天气变暖 时仍按照寒冷时期的需热量进行供暖，就会造成整体供热过度，从而导致严重的 浪费。此外，热量通过热网传输的损失达1 0 1 5 ，用户最终得到的热量只有 剩余的4 7 6 3 t 3 1 。 目前，热水输出温度在6 0 以下的常温蒸气压缩式热泵技术( 包括小型家用 冷暖空调、利用风机盘管机组或地板辐射散热器的中央冷暖空调、以及用于各种 干燥过程的热泵机组) 已经相对成熟并市场化，并以环境空气、地表水或浅层地 下水、土壤为热源，具有与常规空调相近的硬件组成、物质和控制方式等，在建 筑供能中得到广泛应用，节能效果明显。 由于压缩式制冷技术在制冷剂和冷凝温度等方面的局限，制热工况下热泵机 组的出水温度一般只能达到5 5 左右。对于新建建筑，可以在末端系统设计中 按此温度设计，但是在我国采暖地区既有的采用普通散热器的建筑物仍大量存在， 因此为尽快解决城市因供暖而引起的污染问题，需要改造既有建筑物中的锅炉供 暖系统，通过热泵供暖达到节能减排的目的。这些既有建筑的改造项目大都是采 用高温热水的区域供热系统，用户末端装置采用的是散热器。在保持原有供热系 统形式不变的前提下，将旧的供热热源改造为热泵进行供热是一种既节能又环保 的方法。当热泵的热输出温度达到7 5 或者8 0 以上时，基本达到北方供热的 设计标准，所以中高温热泵的末端散热设备就可以是价格低廉的铸铁散热器，省 去风机盘管等新增设备，降低初投资。传统的能够提供高温热水的中高温热泵工 质，如c f c 1 1 、c f c 1 1 4 和c f c c 3 1 8 等c f c 类工质，由于他们对臭氧层的破 坏或者温室效应，已经不再考虑。因此研究新型环保高效的适合中高温热泵的制 冷工质对建筑节能有着十分重要的意义。 第一章绪论 较低的供热温度一直是阻碍热泵发展的一个主要因素。为了增强热泵的竞争 力，近年来国际热泵研究中高温热泵的研究已经成为一个重要方向。日本的 j a p a n e s es u p e rh e a tp u m pe n e r g ya c c u m u l a t i o ns y s t e m 项目、美国i i r 热泵发展 计划及欧洲大型热泵研究计划中，中高温热泵均是其重点研究内容之一。 1 1 , 2 制冷工质与环境保护 制冷或热泵技术的发展离不开工质的发展，尽管从理论上说，理想循环的性 能与工质无关，但实际上工质的具体性质对热泵性能会产生很大影响。在制冷 剂的使用研发历史中，先后有五十多种物质被用作循环工质，人类最初使用的是 自然工质。1 9 世纪末到1 9 3 0 年间，二氧化碳、氨、二氧化硫、氯甲烷等自然工 质被广泛的应用。除二氧化碳外，其余工质均有毒性或可燃性，而二氧化碳则因 安全无毒且不可燃，物理化学性能稳定，广泛应用于民用和船用制冷等方面。 直到1 9 3 0 年，美国杜邦公司研发出一系列的卤代烃作为制冷剂，也就是俗 称的氟利昂( f r e o n ) ，以热力性质优良和化学性能稳定的优势迅速取代了原来使 用的各类制冷剂( 氨除外) ，基本垄断了制冷剂行业，同时促进了整个制冷行业 地快速发展。1 9 5 0 年，最后一艘使用c 0 2 制冷机的轮船也停止了工作。 随着世界制冷空调技术的应用和发展，制冷剂的年需求量逐年增加，每年消 耗量可达百万吨级。方便人类的生活的同时也带来了不可预测的环境问题：臭氧 层破坏和温室效应。由于c f c s 系列对臭氧层的破坏作用，由图1 1 可以看出世 界范围内的c f c s 替代进程在不断加快。之后，h c f c 类工质由于对臭氧层没有 破坏作用，作为c f c s 的替代物质被广泛使用。但是其化学性质稳定，长期大量 使用后在大气中逐渐积累，带来的温室效应给全球气候造成严重的危害，图1 2 和图1 3 是对h c f c 类工质等有明显温室效应物质的限制法规及h c f c 的淘汰进 程。由制冷工质的发展进程可以看出，主要包括四个阶段，如图l - 4 所示。可以 看出，寻找可替代的环境友好型工质已经迫在眉睫。 第一章绪论 i 死亏军 保护臭氧层的维也纳 公约 1 9 8 7 年关于消耗臭氧 层物质的 蒙特利尔议定书 1 9 9 0 年伦敦修正案 1 9 9 2 年哥本哈根修正 案 1 9 9 9 年北京修正案； 1 9 8 9 年我国加入 的保护臭氧层的维也 纳公约 1 9 9 1 年6 月我国加入 蒙特利尔议定书 ( 伦敦修正案) 1 9 9 3 年，国务院批准 中国逐步淘汰臭氧层 物质的国家方案 1 9 9 8 年中国消耗具氧 层物质逐步淘汰国家方 案( 修订案) 2 0 0 3 年4 月加入哥本哈 根修正案 2 0 0 4 年中国工商制 行业c f c s 整体淘汰计 划 c f c 类物质淘汰时问 发达国家：1 9 8 9 年冻结， 1 9 9 6 年削减1 0 0 i 发展中国家：1 9 9 9 年冻结， 2 0 1 0 年完全淘汰( 我国主动 承诺2 0 0 7 年完全淘汰) 图1 1 关于消耗臭氧层物质的法规与淘汰进程 1 9 9 7 生1 e 京都议定书 j 1 9 9 8 年5 月我国签署京都议定书 至u 2 0 0 9 年，已有1 8 3 个国家通过该条约 上 蒙特利尔议定书及其修正案包含对h c f c 进行限制 上 欧盟2 0 0 6 4 0 e c 法案：2 0 1 1 年起汽车空调制冷齐u g w p 不能超过 1 5 0 ，推荐c 0 2 、r 1 5 2 a 、h f 0 1 2 3 4 y f 上 2 0 1 1 年1 1 月u n e p 发布关于削减h f c 气体影响报告 图1 2 关于对温室气体的限制 一 椭粳辊舨觚孬蓍数类 一 一 槛孰黼刚 一 第一章绪论 2 0 3 0 军世界范围彻底停 止生产和使用h c f c l ( 2 0 0 7 年加拿大) 发达国家：2 0 1 0 年开始削减h c f c 的生产和使用，2 0 2 0 年全部停止 生产和使用 发展中国家：2 0 1 3 年冻结，2 0 1 5 年开始削减h c f c 的生产和使用， 2 0 3 0 年全部停止生产和使用 图1 3h c f c 类工质的淘汰进程 替代品( 环境要 求：o d p 兰o ，g w p j 艮 小) ：r 2 4 5 f a 、 r 2 9 0 、戊烷系列、 c 0 2 、r 1 5 2 a 等 图1 - 4 制冷剂发展的历史阶段 对于中高温热泵工质，研究内容包括四个方面：适用工质的提出，工质循环 性能研究，工质热物性研究和工质的应用研究。 中高温热泵系统中循环工质的选择是一个关键问题，为了使热泵系统达到设 定的工况要求及节能的目的，必须选择适宜的循环工质。以下是工质的选择标准： 良好的传热和流动性能；工质应有较高的导热系数以及较高的相变传热系数，以 减少热交换器的面积；同时应具有较低的粘度，以降低管路中的流动阻力；具有 良好的物理化学性质。 目前关于中高温热泵工质的研究中，既有纯物质又有混合工质，既有自然工 质又有人工合成工质，如表1 1 和表1 2 所示。可以看出，目前研究的这些制冷 工质，对臭氧层的破坏能都已很小，但部分制冷工质的温室效应指数仍很高，只 是不得已的过度方案。综合考虑，应该研究推广的制冷剂有c 0 2 、n h 3 、r 2 9 0 、 r 2 4 5 f a 及r 15 2 a 等零o d p 和低g w p 的环境友好、安全、循环效率高的制冷剂。 第一章绪论 表1 1 工质的基本物性和环保性质 表1 - 2 中商温混合工质的研究 - 6 - 第一章绪论 1 2 二氧化碳热泵 1 2 1 二氧化碳作为制冷剂 c 0 2 是一种在早期被广泛应用的制冷剂，主要应用于船用制冷机中，在2 0 世纪早期一直处于主导地位。2 0 世纪3 0 年代，由于c f c 类制冷剂的出现，c 0 2 制冷剂渐渐退出历史舞台。随着臭氧层破坏，温室效应等环境问题越来越严峻， 制冷剂替代工作更为紧迫。众所周知，自然工质本身存在于大气环境中，正常范 围内不会对生物界以及环境带来危害。于是，曾经一度被淘汰的c o ：再次受到 重视。前国际制冷学会主席g l o r e n t z e n 教授大力提倡使用自然工质，认为其是 环境问题的最终解决方案，认为c 0 2 是“2 1 世纪最具有前景的制冷剂”，在1 9 8 9 年的国际专利申请中，他设计了跨临界c 0 2 循环系统【4 】，在这个系统中通过节流 阀控制高压侧压力，这对c 0 2 的研究与推广应用起了很好的带头作用。 人们希望找到一种既安全，循环效率又高，价格上又便宜的制冷剂，但是并 不存在一种完美的制冷剂。由表1 - 1 可以看出，与其他制冷剂相比，c 0 2 既有其 优势也存在不足之处。 二氧化碳是一种无毒、不燃、安全、经济、资源丰富的自然工质，具有优良 的经济性，凭借其优良的热力学特性和对环境的友好性( o d p = 0 ，g w p = i ) 日 益受到重视1 4 j 。二氧化碳能适应各种润滑油及常用的机械零部件材料，高温下也 不会分解产生有害气体，具有非常稳定的化学性质；由于c 0 2 黏度很小，提高 它的流速不会带来太大的压降：较大的蒸发潜热使其有相当高的单位容积制冷量； 二氧化碳跨临界循环的压缩比较小，比传统的制冷剂低得多，可减少压缩机余隙 容积的再膨胀损失，从而提高压缩机的运行效率及系统的性能系数。在相同的饱 和温度降下，c 0 2 热泵系统蒸发器所允许的压降较大，从图1 5 可以看出，c 0 2 的饱和蒸汽压力曲线的斜率明显大于其它常用的制冷工质。 图1 5 几种制冷剂饱和蒸汽压温度曲线 唾a 第一章绪论 较高的运行压力是c 0 2 作为制冷剂最主要的缺点。设备的破裂强度不是有工 质的压力决定的，而是由工质压力与容积的乘积的大小决定。c 0 2 的单位容积制 冷量比常规制冷工质大很多，相同制冷量时，其压力与容积的乘积与常规制冷工 质差别并不大，因此设备内气体的爆炸能量基本相同。此外，c 0 2 跨临界循环的 工作压力和动力发电和石油化工行业的工作压力相比并不算高，现代工业技术完 全能够满足压力达1 0 m p a 以上的超临界循环的需要，并且这种高压系统可以做 的非常紧凑，压缩机的尺寸也可造的比传统工质的小。所以较高的运行工作压力， 并不会制约c 0 2 作为制冷工质的推广和应用。 符合制冷工质纯度要求的c 0 2 价格不到2 元公斤，和h f c s 等人工合成的制 冷剂每公斤近5 0 元的价格相比，c 0 2 制冷工质的价格优势极其明显。 1 2 2 二氧化碳热泵国内外研究现状 二氧化碳热泵主要是应用其跨临界循环，循环过程如图1 - 6 中1 2 3 4 l 所示。 蒸发温度低于临界压力，压缩机的吸气压力也低于临界压力，蒸发过程中的吸热 主要是依靠二氧化碳的潜热。压缩机的排气压力高于临界压力，二氧化碳的冷却 过程中的放热主要是通过显热交换完成。高压侧换热器内没有相变，不存在冷凝， 称其为气体冷却器。在超临界状态下，二氧化碳的压力和温度彼此独立，可以使 用多种控制方法。该循环最大的特点是冷却过程中有较大的温度滑移，和热媒的 变温吸热过程相匹配，传热温差小，不可逆损失小。 图1 - 6c 0 2 热泵系统三种基本循环的p h 图和t - s 图 挪威s i n t e f 研究所p n e k s a t 5 】和j p e t t e r s o n 6 1 等人率先提出在热泵和制冷空 调领域应用c 0 2 作为工质，宜采用跨临界循环的方式，对水水热泵热水器的特 性、系统设计进行了理论和实验研究，热泵热水器加热量为5 0 k w ，可提供5 0 9 0 。c 热水，水从9 加热到6 0 时的c o p 为4 6 。 第一章绪论 此外，日本的s a i k a w a 等人【_ 7 。8 j 通过c 0 2 热泵热水器性能的计算及相应循环特 性的理论分析后，认为在供应热水时c 0 2 热泵的性能要高于传统工质热泵，对 改进的c 0 2 热泵热水器测试结果证明它的年平均c o p 可达到3 ，即使在寒冷地 区一2 0 的环境温度下仍可提供9 0 。c 的热水。2 0 0 2 年初，大金公司推出容量3 0 0 l 的家用二氧化碳热水器，可提供6 5 9 0 的生活热水，采用摆动转子压缩机，蒸 发侧采用风冷，c o p 达到3 7 【9 j 。2 0 0 7 年，日本的r y o h e iy o k o y a m a 研究了环境 温度对二氧化碳热泵供热系统的影响进行了研究【1 0 】。此外，美副1 1 1 2 和意大利 等国学者也都对二氧化碳跨临界循环热泵系统进行了研究。 天津大学马一太教授建立起我国第一台二氧化碳跨临界热泵循环实验台，对 二氧化碳系统及部件的结构参数、安全性和可靠性做了较全面的研究，并在此基 础上，开展了跨临界循环系统的理论分析和实验研究【1 4 17 1 。中南大学的廖胜明 等 1 9 2 0 j 对二氧化碳热泵热水系统进行了最优排气压力的优化控制方法、热泵热 水系统熵分析及优化，指出“跨临界蒸气压缩式高温热泵”适用于我国南北方所 有宾馆、旅店、医院、学校、美发洗浴企事业单位住宅宿舍及需淋浴设施及运动 场所等等。由于其适宜低温的特性，因而更适用于我国北京以北广大北方地区。 跨临界c 0 2 循环热泵的c o p h 和热泵供水温度并没有直接的关系，它的c o r 主 要取决于气冷器侧的进口水温，因此为了降低回水温度，提高热泵c o p h ，可采用 分段冷却的方法。 2 0 0 5 年，挪威s i n t e f 能源研究部门的js t e n e l l 5 】教授研究了联合供热和供生 活热水的c 0 2 热泵综合供能系统，图1 7 是供暖的c 0 2 热泵热水器的系统示意图； 如图所示，在带供暖功能的c 0 2 热泵循环系统中，节流阀和低压储液器是用来 控制三个气体冷却器的超临界压力的；气体冷却器a 和c 与一个标准的家用热 水器水箱连接，并与变频水泵连接构成闭合水路；气体冷却器b 则通过供暖水 系统与散热器或风机盘管相连接。带供暖功能的c 0 2 热泵热水器系统可以在三 中不同的模式下运行：单独房间供暖；单独供热水；同时为房间供暖与供 热水。当在供暖模式下运行时，在热水回路没有水循环，只使用了气体冷却器b ： 从图1 8 可以看出，在同时为房间供暖与供热水模式下运行时，系统的性能要高 于其他两种模式。 第一章绪论 l v ： j 二次加热 热水 建7 飘 l 至融嚣 辩妒艘 术箱 蓍鼍舻喜预加熟 ： 节氟朗 “： 泵 自象水 图1 7 挪威j s t e n e 教授研究的带供暖功能的c 0 2 热泵热水器系统流程图 - 联合供热模式 单独供生活热水模式 3 3 1 2 8 3513040135 图1 - 8 不同模式下的系统性能系数比较 表1 3 列出了公开发表文献中报道的二氧化碳热泵热水器样机、采用的主要 设备、部件及系统性能的测试结果。 通过现有的研究现状可以看出，关于二氧化碳热泵进行供热的研究主要是针 对供生活热水及低温供暖的，而利用二氧化碳的高温特性进行高温供暖的研究尚 未开始。 o 5 0 5 0 5 0 5 0 4 3 3 2 2 1 1 o o 捉1 - 3 随日l 勾、外l ! 月：发1 7 门c 0 2 搬i 身粥i 水器卡￥ 9 l i 缩机冷期i 器蒸发器l 热器膨胀阑砧占1 i 喽测试结粜 n c k s n 锋5 4 1j fj i ， j 弋、r 阳i i ：逆流套逆流食设t 液分蒸发；甜j 堕【) t 水从9 cj j | l 热j i i j6 0 c ( 揶戚，1 9 9 8 )i i l 塞j 弋 薯：j 弋 ：疙板j 弋e 动州1 7 博j 匕离器c o l 达，1 ： ：l i j 以7 | - j ：9 0 c 热水 i i c 、1p 等2 1 1 一个魁；寸例窄= = e 源联纛 r 1 动和下测试j ：况h 封川q i i 约苘机系统c o p _ i ，个地”壳锈：式式，水源逆无 ( 德，1 9 9 7 )动渊1 7为3 ，晰”l1 | i j | r _ ；1 i 缩桃系统的c o p 为4 朋j 弋流壳镑j r i c i l c r e l r 1 2 2 l 外序 ，双鼬：逆流套顺流套p i d 控a i 0 设点= = t 液分水从l o ：j 9 l l 热麴j6 0 c 。c o p 为4 6 ，l 荡 ( 翅地利，1 9 9 8 )活躲j 弋符工 螺旋套锊j ：离器、汕j ：r 1 3 4 a 热泵系统lo 白；潍实了模拟结 管i = 器渊节 分离器 粜准确性 b r a n d e sii 2 3 l逆流套窄点。c 源交叉步进l 也桃时比9 3 4 0 ，( ? 、7 0 1 5 0 ，日订者c o p ( 德| ，1 9 9 9 ) 舣缸活臻j _ i =无 管式逆流式控制值请苜j ：藤。罱。前潲s p f 商】：厨辚1 4 s a i k sw a 等1 7 i l j q | j j l l 缴涡 e 源瞥翅 由警i r 埘乖设息t 液分 谶匕，随流变逆流无珍进l 乜机离器、汕 尔求犬7e ，1 ：| 6 5 热水年j f 均c o p 为 ( id 、，2 0 0 0 ) 武3 0 ；帑外2 0 仍j 1 ：! 9 0 热水 瘦4 f 如z 力_ ；f ! l l组成分离器 m u k “i 、t a l n a 博但4 i 议檄滚动活勰 空气源髓：翅f j + ，无洋为：舅e 冬? _ j 毫，f j 6 5 ( ? 瓤i 以c o p 为3 5 3 。 j ，燮煳f 乜动 米h - ：叫 来说j j ( ii j i 2 0 0 0 ) j 弋绷说h j jf j b9 0 c i 热水c o p 为2 8 机 j 小m 1 2 5 1 设。气液分 s p f 人j ：王魁f l 热匀4 ：，f j i l 爱满足：聚暖热 盐水髓水i i l 食f i i 总f j f 暖i i l q ! 少3 5 0 i ，采i 暖0 q ( 挪威2 0 0 5 )离器 水濉度约小j i3 0 1 等条仆 滁 协 撩 $ 第一章绪论 1 3 本文的研究内容和意义 1 3 1 研究内容 本文从二氧化碳热泵系统及各部件的热力学模型出发，对二氧化碳热泵系统 进行热力学分析、炯经济性分析以及实验研究，以对比分析二氧化碳系统和其他 中高温常规蒸气压缩式热泵系统，从而提为二氧化碳热泵系统技术改进提供指导， 计算过程采用的主要软件为e e s ，具体包括以下内容： l 、用e e s ( e n g i n e e r i n ge q u a t i o ns o l v e r ) 软件编写了二氧化碳热泵跨临界循 环热力学性能分析计算程序。 2 、针对二氧化碳热泵跨临界循环的热力学特性，从热平衡分析和炯分析两 方面进行，分析系统运行时各参数对系统性能的影响，以及不同工况下系统的性 能对比，并选取了四种工质类中高温常规常规蒸气压缩式热泵进行对比；讨论了 使用分段冷却方式进行供暖兼制热水的可行性。 3 、建立热泵系统的炯经济学模型，对二氧化碳热泵供热系统进行技术和经 济性综合分析，探讨二氧化碳热泵应用发展的政策性决策及技术方向。 4 、设计了二氧化碳热泵供热系统，提出了利用二氧化碳热泵进行供暖的实 现方案及系统的性能分析。搭建二氧化碳热泵多功能供热实验台，对计算工况进 行实验测试，并对建立的热力学模型进行验证对比。 1 3 2 研究意义 二氧化碳作为一种天然制冷剂，对环境没有污染，绿色环保，能从根本上解 决c f c s 和h c f c s 工质的替代问题，所以引起了越来越多的研究者关注，尤其 是在认为新型化合替代物同样隐藏着不可预知危险的欧洲，对二氧化碳跨临界循 环的应用研究已经取得了很大的进展。 我国目前正在对城市燃煤采暖系统进行改造，而额外增加末端设备并非经济 的方法，为了适应原采暖系统的室内末端设备，必须有较高的热水温度，二氧化 碳热泵就具有这一特性，其提供的7 0 8 0 c 的热水能够符合暖气片的要求，从而 节省了不必要的初投资费用，因此是一种有效改造传统建筑采暖系统的方法。 从以上的综述和分析中可以看出，发展二氧化碳热泵供热及采暖技术并积极 推广，对提高我国的建筑节能水平、实现社会经济和环境可持续发展有巨大的经 济价值和环保意义。 第二章二氧化碳热泵供热系统的热力学性能的理论分析 第二章二氧化碳热泵供热系统韵热力学性能韵理论分析 热力学性能的理论分析主要是根据热力学性质评价工质的循环性能，是工质 研究中的一个重要环节。通过忽略一些次要因素的影响，简化t 质在系统( 制冷、 空调、热泵) 中经历的实际过程与循环，提炼出理论循环模型；对各种待考察的 工质，在指定相同的工质侧参数和压缩机效率下，计算对比不同工质在指定工况 下的c o p h 、q ”t d i s 。h 、r 、p c o n d 等理论循环性能指标，并据以评价不同工质对目 标应用系统和工况的适用性以及性能上的相对优劣。 2 1 热力学中韵能量分析方法 能量分析方法是指通过对系统或装置进行分析，以确定能量损失的性质、大 小与分布，指明提高能量利用率的方向，主要包括基于热力学第一定律的热平衡 方法和基于热力学第一、第二定律的炯分析方法。 ( 1 ) 热平衡分析法：热力学第一定律是自然界基本的守恒定律之一，可确 定能量间的数量关系，热平衡分析法就是根据热力学第一定律对热力学系统及过 程中的能量进行分析的方法，也被称为能分析法。该方法只考虑系统外部损失， 不考虑能量质的不同，认为一切能量只有数量上的差别，忽略环境对能量分析的 影响，不能深刻揭示能量损耗的本质。因此，以热力学第一定律为基础的评价指 标，无法有效地实现对能源利用的监督与管理。 ( 2 ) 炯分析法：热力学第二定律是人们在研究自然界的宏观现象过程中发 现的，它反映了自然界各种实际过程的不可逆性、自发性和方向性，在热力学第 二定律基础上提出炯的概念，在能量不可逆转换过程中，能量虽然守恒，但炯 量不守恒，以炯为参量对热力学系统或热力学过程中的炯量进行分析就称为炯分 析法。炯分析法不仅反映了系统的外部损失，也反映了系统的内部损失，综合考 虑了能量的量与质，使各种形式的能量有了可比性，比热平衡分析法更科学、更 全面，指明了节能研究的长期方向，在能源系统的长期规划中具有重要的指导作 用。 本章将使用热平衡分析方法和炯分析方法从不同角度进行二氧化碳热泵供 热系统的能量分析，揭示出系统及各部件能量的质和量的变化。 第二章二氧化碳热泵供热系统的热力学性能的理论分析 2 2 熟泵循环韵热力学模型 ( 1 ) 常规的蒸气压缩式热泵循环一般是由压缩机、冷凝器、回热器、蒸发 器组成的封闭回路，如图2 1 。根据新型中高温工质的研究现状，选用冷凝温度 在7 0 1 1 0 。c 的热泵纯质r 1 3 4 a 、r 1 5 2 a 、r 1 1 4 、r 2 4 5 f a 、r 4 0 7 c 作为对比分析的 对象。考虑压缩前的准静态定压吸热子过程及压缩结束后的准静态定压放热子过 程【2 6 也7 】。系统循环的t - s 图如图2 - 2 所示，系统循环过程为1 1 ，2 ，- 2 - 3 4 5 6 1 。 t 图2 - 1 常规蒸气压缩式热泵循环系统的流程图 图2 2 常规蒸气压缩式纯质热泵循环的t - s 图 s 第二章二氧化碳热泵供热系统的热力学性能的理论分析 图2 3c 0 2 跨临界回热循环系统的流程图 ( 2 ) 常见的单级压缩c 0 2 跨临界循环一般由压缩机、气体冷却器、回热器、 蒸发器与储液器组成的封闭回路，其流程图如图2 3 所示。考虑压缩开始前( 自 压缩机腔体和机械压缩组件) 的吸热和压缩结束后向压缩机腔体的放热过程，根 据王怀信等f l8 】对理论制冷循环绝热压缩过程的改进计算过程，将单一的压缩过程 分解为三个子过程，进而提出复合过程系统模型和相应的计算方法。系统循环的 t - s 图如图2 - 4 所示，改造后的循环过程为1 - 1 - 2 2 ”一3 4 5 6