采暖和热水相结合的CO2热泵系统性能比较研究

采暖和热水相结合的热泵系统通常用于现代节能建筑中。CO2（制冷剂代号R744）热泵系统性能取决于系统设计（交换器尺寸，压缩机效率等）和运行条件（进水温度，采暖与热水加热的能耗比率等）。现有的系统设计常常同时使用CO2和HFC（例如R410A），但是这种热泵系统的相对性能还没有过多的深入研究。本文介绍了基于MATLAB平台开发的系统数学模型，以及该模型对热泵系统的性能评估结果。系统建模的过程基于如下几点：热交换器的建模是通过固定压降和最小温差点；喷射器和压缩机建模是基于特定的效率值；使用遗传算法对系统运行参数进行优化；并对特定参数的敏感度进行核算。图1为本文研究的组合系统流程图。

系统数学模型计算表明，当供暖与热水的加热比率低于0.6～1.0，进水温度低于20℃（例如在北欧）并且换热器设计的夹点温度（最小温差点）低于10K，则CO2的系统性能优于R410A制冷系统。由于未考虑实际设备性能的差异，因此以上结论可以认为是对于CO2热泵的保守估计。高效的压缩机和喷射器的使用也会使基于CO2的制冷系统更加高效。但是，参数敏感性研究计算表明，对于供暖与热水加热比大于1的情况下，R410A系统性能将优于CO2的系统。

图1 组合式热泵（采暖+热水）流程图

本文介绍的参数敏感性研究可以比较基于R410A和CO2的不同系统，例如，过程参数显示使用不同的制冷剂会直接影响压缩机的工作效率。如图2所示，当CO2和R410A的压缩机效率均为70%时，供暖和热水加热比小于0.7，并且压缩机效率都在70%的情况下，基于CO2的系统性能系数COP比基于R410A的系统高。如果R410A的压缩机效率在65%，以及供暖和热水加热比小于或等于0.9的情况下，基于CO2的系统的COP依然高于基于R410A的系统。

图2 不同的压缩机效率条件下COP变化图中绿色圆圈表示CO2（R744）和R410A曲线交叉的位置

本文的优化模型还可以用于研究通过引入发射器而获得的系统性能系数COP的增益。已有的文献对带有多个气体冷却器和单个喷射器的集成热泵没有太多的讨论。本文计算的结果表明，基于R410A的系统性能系数COP增益很小（小于3%）。对于基于CO2的系统而言，喷射器的增益可以高达11%，并且在供暖加热模式下的增益是热水加热模式下增益的两倍以上。因此，带有喷射器的基于CO2的集成热泵系统是值得推荐用于现代隔热良好的低能耗建筑的。

资料来源：Brodal & Jackson - International Journal of Refrigeration 108 (2019) 234–245.