基于CO2制冷剂的空气源热泵热水器的理论分析及开发

刘远辉，冯利伟，杨祖发

（广东芬尼克兹节能设备有限公司）

自人类发现南极上空臭氧层变薄，以及温室效应造成的海平面的上升以来，人类社会以自救的形式，在短短几年的时间，通过了《保护臭氧层维也纳公约》、《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》和限制发达国家碳排放已抑制全球变暖的《京都议定书》，中国做为负责任的大国，积极参与保护臭氧层的国际合作，组建保护臭氧层领导小组，并制定了一系列的法制法规以限制ODS的生产和消费［1］，更是在2020年9月22日的第75届联合国大会上，主动提出，将采取更加有力的措施和政策，2030年碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。

CFCs和HCFCs被认为是破坏臭氧层的主要物质，并且对GWP贡献度很大，伴随着制冷技术的进步，人们考虑用HFCs制冷剂替代CFCs和HCFCs，但研究发现，HFCs都存在一定的副作用，从环境的安全性出发，自然工质被认为是一种非常安全的选择［1］。

在20世纪早期，CO2主导着制冷剂的应用，现在又重新回到人们的视野，研究发现，CO2不但安全，对环境友好，而且具有诸多其它优点，如：1）容积制冷量大；2）粘度小，压比低，导热系数高；3）兼容性好；4）价格便宜，维护成本低廉。前国际制冷学会主席G.Lorentzen教授提出了CO2的跨临界循环，并在汽车空调装置上得到成功验证。［1］

许多研究者开展了CO2在汽车空调、热泵热水器上的应用研究［2-3］。也有许多学者对CO2的跨临界循环进行理论分析。如Brown等人［4］和Hwang［5］分析了CO2的跨临界循环制冷系统的性能Liao［6］等人对不同的参数进行研究，得出了一个计算CO2跨临界系统的高压压力的关联式。Kauf［7］则通过做图法和模拟法来计算最佳高压压力，以得到系统最佳COP。他们的研究表明，CO2系统能效低的原因在于其节流过程存在较大的节流损失。［1］

CO2热泵系统中的水-CO2气体冷却器，对于提高CO2跨临界循环系统起着至关重要的作用，［6］［8］一是可以降低气体冷却器的出口温度来来使系统的制冷量最大化，二是可以通过降低最佳高压压力，来减少压缩机功耗。在实际循环中，气体冷却器的出口温度受到环境、冷媒和水的循环量影响，所以，可以通过控制冷媒和水的循环量来控制气体冷却器的出口温度。

Co2蒸发器很容易受到干涸现象的影响而导致换热急剧下降，很多学者对干涸现象进行了研究［9］，所谓干涸现象，是由于CO2液膜部分干涸导致在高干度时换热性能急剧减小，表现为温度急剧上升，换热恶化的现象。在换热器设计以及控制过程中，一定要注意避免该现象的发生。

国内学者和厂家也对CO2系统做了很多的理论和实验研究，但CO2产品，特别是热泵、空调类产品，目前在国内产品不多，推广力度不大，应用也少。

针对应用CO2做为制冷剂的空气源热泵热水器的标准GB/T 38734—2020于2020年7月1日发布，其中要求一次性加热式热泵的能效不低于4.60，目前国内大多产品基本在4.4左右，并不能满足该能效，或者是国外代工的产品，虽然能效满足，但价格太高，非常不利于推广。

1 CO2跨临界双级压缩系统循环的分析和方案的确立

1.1 CO 跨临界双级压缩系统的形式

许多研究学者，把双级压缩的一级排气冷却后，再进入二级压缩，这种方式应用在制冷来提高循环能效［1］是有效果的，但在热泵系统中，多个水侧换热器不利于水侧循环，从而影响换热效果。并且一级排气属于中间压力，如果控制不好，一级排气冷却后容易出现液体，而压缩机一般需要尽量避免吸气带液的情况，所以，在实际的CO2跨临界双级压缩热泵系统上，一般不冷却一级排气。

此时采取双级压缩技术的意义在于，尽管CO2跨临界系统的压比不高，但由于绝对压力高，压缩机排气和吸气侧压力的差值很大，泄漏量仍然偏大，此时应用双级压缩，可以减小每个气缸两侧的压差绝对值，以减少泄漏量，提升容积效率。

1.1.1 简单双级压缩循环

简单双级压缩循环，是由双级压缩机、气体冷却器、节流装置、蒸发器组成。

图1 CO2跨临界简单双级压缩循环图和P-h图

在不考虑一级排气散热和压缩机过压缩等条件下，其P-h图和普通的单级压缩区别不大，但在实际的系统设计中，可能会考虑空间和成本的因素，气冷器不可能无限大，或者在变工况测试的条件下，P-h图中4点的干度波动很大，这样，就很容易引起蒸发侧出现CO2的干涸现象，导致换热恶化。

1.1.2 带回热器的CO2双级压缩跨临界循环

图2 CO2跨临界带回热器的双级压缩循环图和P-h图

这种循环，是目前较常见的CO2跨临界循环方式，结构简单，系统可靠。

带闪发器的双级压缩或者准双级压缩循环，常见在普通冷媒，如R32、R410A、R22等，但对于CO2跨临界循环，因为实际调节时，最优中间压力可能出现在跨临界区域，这样闪发器将无法正常工作。

带经济器（一般用板式换热器）的CO2跨临界的双级压缩循环，有些文献上也叫带中冷器的CO2跨临界的双级压缩循环［1］，理论上仍然存在增焓压力处于超临界的情况，此时，CO2补气量几乎无法控制。并且，即使增焓处于两相区，由于非常接近临界点，液态冷媒的潜热小，也会导致CO2的补气量不易控制。

当然，CO2还有喷射器循环和膨胀机循环，以及膨胀机和中冷器、回热器的耦合循环等。但对于小型的系统，都暂时选不到型，或者效率低，无法快速量产化，所以就不在本论文的研究范围内。

综上分析，CO2跨临界循环中，带回热器的跨临界循环方案结构简单、电子膨胀阀少易控制，实验重点研究该种循环。

2 空气源热泵系统加热方式的分析及确定

CO2跨临界节流阀循环以及膨胀机循环的最大COP均存在对应的最佳高压压力。Liao等人［6］对此研究发现，CO2跨临界节流阀循环的最优高压压力主要与气冷器出口温度、蒸发温度和压缩机性能有关，并给出了关联式1，式2是式1的简化。

式（1）（2）中：Pc为最佳高压压力（bar）；te为蒸发温度（℃）；tc气冷器出口（℃）；K/C为压缩机等熵效率公式中的系数，0≤K/C≤0.2。

研究表明［1］，最佳高压压力受气冷器出口温度的影响较大，而受蒸发温度的影响相对较小，所以，CO2跨临界节流阀系统调试，主要应以在条件允许的情况下，设法降低气冷器出口温度来降低最佳高压压力，这样系统可安全高效地运行。在实际的系统中，气冷器出口温度受冷却介质的影响最大，在气冷器出口温度与冷却介质入口温度的温差一定时，应尽量降低冷却介质的入口温度。

而空气源热泵热水器按加热水的形式上，分为静态加热式、循环加热式和一次性加热式，在上述3种类型中，只有一次性加热方式的空气源热泵热水器的进口水温最低，因此，本空气源热泵的开发采用一次性加热式。

一次性加热式的空气源热泵热水器系统，一般通过温水阀等调节水流量，通过控制电子膨胀阀开度来控制制冷剂循环量，两者对CO2气冷器出口温度都能控制，但调节水流量则更为快捷，粗调用水流量，细致调节用制冷剂侧调节。

3 CO2跨临界循环热泵系统的搭建

根据以上分析，采用带回热器的CO2跨临界循环系统，热泵加热形式为一次性加热式。

设计目标，按GB/T 38734-2020规定的名义工况，系统制热量30 kW以上，COP不低于4.60；按客户要求-20 ℃制热量30 kW，COP＞2.5。

其制冷剂循环图见图3。

图3 13P CO2热泵制冷剂循环图

压缩机为日本进口的旋转式直流变频压缩机，原为冷冻系统设计，排气容积38.2 cc，额定频率40 Hz，在排气压力10 MPaG，吸气压力4 MPaG，吸气温度35 ℃时，制热量17768 W，COP3.08。

气体冷却器，也就是水侧换热器，选用板式换热器。在跨临界区域，换热过程中，CO2的温度时刻发生变化，不同压力下的CO2温度和水温的大致关系见图4。

图4 水和CO2在气冷器中的温度关系

从图4可以看出，在不同压力下，CO2的水温随焓值的变化非线性，这样，为了保证整个换热过程存在温差，就需要根据应用环境，优化板式换热器。

当入口水温、出口水温和制冷剂入口温度一定时，根据CO2制冷剂性质，其最低的高压压力也可以确定，这就要求在调试CO2系统时，注意高压压力不要低于该条件下的最低高压压力。

根据板式换热器的设定参数，当选用某品牌的B18片型时，计算片数为97 片，共12 个流道，换热面积3.9 m2，制冷剂侧和水侧压降分别约为14.7 kPa和9 kPa。

蒸发器为自制件，分为两块，呈V型设置在箱体顶部，3排，φ7 光管，每排40孔，长度 1520 mm，管距21 mm，列距18.19 mm，翅片片距1.8 mm。20 ℃/15 ℃名义工况下的设计换热量为32kW。

回热器，在小型制冷系统，目前行业大多选用同轴管套管结构，优点是，根据系统，换热量和空间尺寸都可以定制。其换热量计算可以参照目前同轴管套管的计算。考虑到入口水温和气冷器出口温度的关系，水温15 ℃时气冷器出口温度17 ℃，最终回热器定为，壳程外管径12.7 mm，管程外管径7.94 mm，长度2080 mm，数量为两个。

4 测试及数据分析

根据标准GB/T 38734-2020以及客户要求的，测试制热量的工况按表1。

表1 制热量测试工况

测试结果如表2

表2 部分工况测试数据

从表2数据可以看出，控制气冷器出口温度和入口水温的差值在2 ℃左右，可实现系统运行在较为经济的区域。

理论上，气冷器出口温度越接近水入口温度，系统效率就越高，但此时气冷器经济性就会变差，也就是说，该差值和气冷器的设计有很大关系。如果气冷器设计时，压力和排气温度设置较高，但实际运行在较低压力和较低排气温度，则可能出现换热温差过小，甚至负温差的情况而影响换热。

5 结束语

近期发布的应用CO2的热泵热水器的标准GB/T 38734—2020要求一次性加热式热泵的实测能效不低于4.60，但市面上销售产品能效大多4.4左右，能效升级势在必行。

尽管CO2的应用研究已进行多年，研究得也很细致充分，但一些关键部件如压缩机等，在国内并不容易买到。

本文先对CO2跨临界循环和双级压缩机应用在热泵上的利弊进行分析，得出针对热泵热水器，不带中间冷却的双级压缩，带回热器的跨临界循环是首选方案。然后对CO2跨临界循环的最优高压压力公式进行分析，把控制系统气冷器制冷剂出口温度和入口水温的温差作为系统电子膨胀阀的主要调节控制逻辑，同时可以得出，CO2热泵热水器，能效最优的加热水的方式是一次性加热式。其次，根据要求，对各部件进行设计选型，特别是气冷器的设计，由于CO2在跨临界的属性，如果设计选型不当，容易出现无换热温差的情况，从而影响换热。最后，搭载系统进行试验验证，确认控制方式的可行性，且满足国标要求和客户要求。