冷热互联系统研究及其能效计算准则讨论

(1 西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049； 2 冰轮环境技术股份有限公司 烟台 264002)

制冷系统和制热系统已经广泛应用于我国工业、商业、民用、建筑等多个领域，并担负着重要的作用。随着社会发展以及产品的更新换代，单一制冷或者制热已经渐渐不能满足某些领域发展以及能源高效利用的需求[1]，将制冷系统和制热系统相结合的冷热互联系统应运而生。

国内外学者分别从制冷系统和制热系统的角度进行了建模分析、工质选择、实验研究，对于同时涉及冷热互联的系统仅有简单的探索。田磊等[1]利用再生水源热泵回收污水厂外排水的低温余热，将其提升后满足污泥高温消化等需热工艺；被吸取热量后的低温水用于建筑制冷，形成再生水源热泵冷热联供系统，从不同角度提升能源利用效率。Zhao Zhaorui等[2]介绍了一种新型高温氨双螺杆压缩机系统，用于回收热量和供应热水。针对高压双螺杆压缩机的特点，提出了一种半经验模型并进行了理论和实验研究。A. Polzot等[3]对CO2商用制冷机组集成的水循环热泵系统进行了建模和能效评估，深入了解热回收解决方案的节能潜力。S. Singh等[4]基于某一制冷设备的现场数据，通过CO2热泵系统将废热利用，建立了热力学模型并对全年现场数据进行了模拟，最终能源成本降低33.8%。李树平等[5]从能源利用率的角度，用当量热力系数及能源利用系数分析比较了吸附式空调热泵构成的冷热电联供系统，发现采用吸附制冷热泵的三联供系统可以提高能源利用率。刘雄等[6]提出了一种双级压缩制冷热泵循环，能够实现冷热量的同时独立调节，在工作过程中存在一个特征温度。李军等[7]通过分析发现氨螺杆式高温热泵适用于制取70 ℃及以下温度热水的场合，而复叠制冷系统更适合制取80 ℃以上温度热水。现阶段，对于在整个冷热互联系统的实际实验操作以及相关能效计算分析的研究相对较少。

对系统进行能效分析，其结果可在一定程度上反映当前产品设计制造的综合水平，是制定相关产品能效标准的依据[8]。传统能效计算中，能效比是取得的收益能量和付出的补偿能量之间的比值[9]，但在冷热互联系统中，冷热量都可被回收利用，若依旧仅考虑制冷量或制热量作为收益能量不合理。在涉及到冷、热量共用的系统中，传统的能效计算方式不能满足新型系统的实际状况。因此，需要重新思考能效标准的定义。本文研究了对两种冷热互联系统的性能，提出了3种能效计算方法，通过相关实验加以论述，总结了相应的能效计算法则及特点。

1 冷热互联系统

在高效的冷热互联系统中，制冷系统的冷凝热作为热泵系统的热源。图1所示为冷热互联系统流程图。制冷系统排气经过中间冷却器降低过热度后，以饱和气体的状态吸入热泵压缩机，吸气压力为制冷系统冷凝压力，吸气温度为此时冷凝压力下的饱和温度。吸入的饱和制冷剂气体经过热泵压缩机增压成为高温高压气体，此时具有更高品位的能量，增压后的制冷剂进入热泵冷凝器，完成冷凝放热过程，将热量释放给工艺用水，从而生产高温热水，通过水路将热泵油冷却器与热泵冷凝器串联，完成冷凝热全回收。冷凝后的制冷剂液体一部分节流进入中间冷却器，用来降低制冷系统排气过热度，另一部分经过降压，循环至制冷系统。

图1 冷热互联系统流程图Fig.1 The flow chart of integrated system coupling refrigeration with heating

2 冷热互联系统模型建立

本文建立了两种冷热互联系统模型，分别为由NH3/CO2复叠机组与氨高温热泵机组并联而成的A系统，常规氨制冷机组与氨高温热泵机组并联而成的B系统。

2.1 机组说明

A系统中的制冷部分选择NH3/CO2复叠系统[10]采用LG16M12RFD机组，由高温级压缩系统、低温级压缩系统、冷凝蒸发器、蒸发式冷凝器、桶泵系统、供液系统等组成。低温级制冷剂为CO2，使用 RCH12S单级高压压缩，其油冷负荷、冷凝负荷全部由高温氨机吸收；高温级制冷剂为NH3，使用LG16M单级压缩机。

B系统中制冷部分为常规氨制冷机组，压缩机组型号采用LG16MYA，使用油冷冷却器，油冷负荷、冷凝负荷全部由冷凝器承担。

两个系统的制热部分均选择氨高温热泵[11]系统，采用LS12SHRB机组，由压缩机、中间冷却器、冷凝器、供液系统等组成，油冷却器与冷凝器采用水冷形式，通过串联水路将冷凝热全部吸收，是宽温区系统的一种特殊形式[12]。

2.2 系统原理

A系统：NH3/CO2复叠系统匹配氨高温热泵后，对于氨侧变为“氨双级压缩一次节流中间完全冷却系统”，氨复叠高温级成为双级压缩的低压级，同时带经济器运行，可看作氨准三级压缩。复叠部分压焓图如图2所示。

图2 NH3/ CO2复叠系统压焓图Fig.2 The p-h digram of NH3/CO2 cascade system

复叠氨高温级排气进入氨高温热泵系统中间冷却器，将过热度降低后成为饱和蒸气被热泵压缩机吸入，增压后进入冷凝器放热给循环水，用于产生热水；冷却后的氨一部分节流后进入复叠系统，另一部分节流后进入中间冷却器降低复叠高温机排气过热度。从而制冷系统冷凝热得到全回收[13]。热泵部分压焓图如图3所示。

图3 氨高温热泵等效循环压焓图Fig.3 The p-h digram of NH3 high temperature heat pump

B系统常规氨制冷机组与氨高温热泵匹配[6]，使得氨由常规制冷循环成为“氨双级压缩一次节流中间完全冷却系统”。其制冷部分压焓图类似A系统复叠系统高温级，制热部分压焓图类似A系统高温热泵。

3 能效计算方法

针对冷热互联系统的特殊情况，本文提出3种能效计算方法。

第1种：

此种计算方法从热泵角度考虑[14]，将制热量作为收益能效，热泵轴功率作为补偿能量，不考虑与之结合的制冷系统的相关功耗和收益。

第2种：

该算法仍将热泵制热量作为收益，不同于第2种方法的是将整个系统的轴功作为补偿能量，但忽略制冷收益。

第3种：

该计算方法综合了制冷系统的制冷量和热泵系统的制热量，将其整体看作收益能量，而补偿能量依旧采用第2种方式中整个系统的轴功率。

4 计算结果及分析

基于系统实测数据，根据能量守恒定理，结合Refprop软件进行如下计算。

4.1 A系统计算

整体系统计算条件为机组满载运行，耦合系统工况为-40 ℃/65 ℃，复叠系统运行工况-40 ℃/40 ℃，根据机组排量特性最优中间温度为-17 ℃，氨高温热泵系统运行工况40 ℃/65 ℃。

为方便计算，高温热泵系统数值上等效为常规制冷系统，等效计算模型为复叠高温级与热泵中间采用0 ℃换热温差的热交换器进行换热，热泵看作复叠高温级冷凝器。

4.1.1复叠系统低温级性能计算

低温级循环工质为CO2，压缩机选用RCH12S，理论排量V1=152 m3/h，实验测得容积效率ηv=0.87、绝热效率ηs=0.71，相关参数详见表1。

4.1.2复叠系统高温级性能计算

高温级循环工质为NH3，压缩机选用LG16M，理论排量V1=598 m3/h，冷凝温度与低温级蒸发温度有3 ℃的传热温差，实验测得容积效率ηv=0.86、绝热效率ηs=0.71，相关参数见表2。

表1 复叠系统低温级参数Tab.1 The parameters of cascade system in low temperature stage

表2 复叠系统高温级参数Tab.2 The parameters of cascade system in high temperature stage

4.1.3氨高温热泵系统性能计算

氨高温热泵系统压缩机选用RCH12S，其理论排量V1=152 m3/h，氨蒸发温度与复叠系统高温级NH3冷凝温度相匹配，实验测得容积效率ηv=0.87、绝热效率ηs=0.65，相关参数见表3。

表3 A系统氨高温热泵参数Tab.3 The parameters of NH3 high temperature heat pump of system A

4.2 B系统相关计算

机组运行在-15 ℃/65 ℃工况下(即常规氨制冷蒸发温度/氨高温热泵冷凝温度)。

4.2.1常规制冷系统性能计算

常规氨制冷机组，压缩机选用同A系统高温级，为LG16M，实验测得容积效率ηv=0.86、绝热效率ηs=0.71，相关参数见表4。

4.2.2氨高温热泵系统性能计算

氨高温泵蒸发温度与制冷系统冷凝温度相匹配。压缩机选用RCH12S，理论排量V1=152 m3/h，实验测得容积效率ηv=0.87、绝热效率ηs=0.65，相关参数见表5。

表4 氨制冷机组参数

表5 B系统氨高温热泵系统参数

5 能效分析讨论

A系统：在制冷蒸发温度为-40 ℃，制冷冷凝温度为40 ℃，热泵冷凝温度为65 ℃的工况下，系统能量参数见表6。

表6 A系统能量参数

第1种计算方法：氨高温热泵制热效率应为系统总制热量除以热泵轴功率：

第2种计算方法：若考虑从-40 ℃蒸发温度提取热量，至65 ℃冷凝温度制热，则制热效率为：

第3种计算方法：若考虑用-40 ℃蒸发温度制冷，65 ℃冷凝温度制热，则综合效率为：

B系统：蒸发温度为常规空气源热泵运行点，制冷蒸发温度为-15 ℃，制冷冷凝温度为38.5 ℃，热泵冷凝温度为65 ℃，系统能量参数见表7。

表7 B系统能量参数Tab.7 The energy parameters of system B

第1种计算方法：氨高温热泵制热效率应为系统总制冷量除以热泵轴功率：

第2种计算方法：若考虑从-15 ℃蒸发温度提取热量，至65 ℃冷凝温度制热，则制热效率为：

第3种计算方法：若考虑用-15 ℃蒸发温度制冷，65 ℃冷凝温度制热，则综合效率为：

6 结论

本文构建冷热互联系统的两种模型，进行实验操作，分析对比A、B两种系统，得出以下结论：

1)在热泵系统和热泵放热温度相同的情况下，NH3/CO2复叠机组(-40 ℃/65 ℃)可以比普通氨制冷机组(-15 ℃/65 ℃)使用温度范围广。

2)第1种能效计算方法，虽然计算得到的系统COP较高，但由于仅考虑热泵收益热量忽略制冷系统制冷量，且仅考虑热泵轴功率忽略制冷系统轴功率显然不合理。

3)第2种能效计算方法虽然在轴功率方面按照整个系统来算，但没有将制冷系统的制冷量看作收益，同样值得商榷。

4)第3种能效计算方法，综合考虑了制冷系统的制冷量和热泵系统的制热量，同时将整个系统的轴功率看作补偿能量，充分体现了冷热系统的特性，因此在3种计算方法中最为合理，更具有参考意义。