232基于CO2跨临界循环的地下水源热泵系统

基于CO2跨临界循环的地下水源热泵系统山东建筑大学热能工程学院李夏杰王泽龙王强摘要：根据CO2与地下水源热泵系统的工作原理，提出了基于CO2跨临界循环的水源热泵系统，并阐述了CO2热泵系统的构成和控制特点，利用地下水源热泵系统作为冷热量来源，通过气体冷却器与室内部分连接。在实际运行中，可以有三种运行模式，即利用地下水源的制热，利用地下水源的制冷和利用地下水源的采冷模式。本系统在满足用户对制冷需求的同时，也充分体现了其节能及环保的优势。关键词：跨临界循环CO2系统，地源热泵引言：能源和环保是人类生存和发展的两大主题，是全球关注问题，因此，中国城市化的发展一方面迫切需要减少城市燃煤采暖造成的污染，另一方面对空调采暖降温提出了更多要求；其次，地源是绿色环保的自然能源，无污染、可再生，以其为热源的地源热泵系统因起高效节能、环保等特性，近年来发展迅速，技术日益成熟；再者，天然工质CO2作制冷剂，臭氧层破坏效应（ODPS）为0，温室效应（GWPS）相对较小，其来源广泛，无毒，以其为制冷剂的的跨临界循环的二氧化碳系统因其优良的环保特性、良好的传热特性、较低的流动阻力以及相当大的单位制冷量等特性，重新在制冷领域得到广泛关注和研究。1、系统组成基于CO2跨临界循环的地下源热泵系统包括CO2跨临界循环系统模块和间接地下水换热系统模块，CO2模块由都灵半封闭式压缩机，套管式气体冷却器，板翅式内部换热器，套管式蒸发器，低压侧气液分离器，内平衡式热力膨胀阀，过滤器等部件组成；间接地下水换热系统部分，地上质量流量计，水泵等部件组成。对于二氧化碳跨临界系统模块,高压侧压力大于CO2临界压力，故制冷系统中不采用冷凝器，而是用气体冷却器。气体冷却器采用水冷却，蒸发器设计为水一水冷却器。由于是水冷式，运行中应保证水以及工质的清洁程度满足要求，以防换热设备结垢、压缩机损坏和节流阀管道堵塞等问题的产生。采用节流阀对蒸发压力进行调节,利用冷媒水出口温度或空调器回风温度控制压缩机启、停，进行能量调节；系统中设置了压缩机排气压力保护、排气温度保护以及油温保护等装置，确保系统的安全运行。对于间接深井水（地下水）换热模块，华北地区地下水温度约为15-19℃冬季用深井水作为外部热源代替传统热泵中加热设备的高位热源以保证环路中水温不低于10℃；夏季用深井水作为冷却介质，通过板式换热器替代传统热泵系统的排热设备，以保证环路中的水温不高于32℃。具体设计与当地水文地质环境有关。气液分离器压缩机风机回热器蒸发器气体冷却器质量流量计质量流量计水箱水泵水泵水箱图1基于CO2跨临界循环的地源热泵系统流程图2、工作原理CO2的临界点温度为31℃，处于常温范围，本次设计利用CO2的跨临界循环，即循环中制冷剂的放热过程在临界点温度以上，为非凝结相变的排热；制冷剂的吸热过程在临界点以下，为有相变的蒸发吸热过程，整个循环跨越临界点。虽然CO2跨临界理论循环的COP比传统制冷剂小，但由于压比小和其优良的物性特点，因此在一般的空调工况范围内，其实际循环的COP与传统制冷系统相差不大，某些工况甚至优于传统制冷系统。采用有回热的跨临界制冷循环，使不可逆损失减小，并可避开环境温度对系统性能的直接影响，具有较好的经济性。同时，在室内水循环系统与地下水换热器模块结合的过程中，夏季经换热器直接向地下水放热，冬季经换热器从中进行吸热，一方面较之空气源热泵系统，避免了结霜，受环境温度影响不大，经济性也更好；另一方面，夏季向地下水的放热在地下水形成储能，冬季时可以进行有效利用，如此循环，环保性更好。地下水间接换热系统要考虑地下水的回灌问题。3、系统的运行及控制3.1系统的运行模式基于CO2跨临界循环的地源热泵系统，有三种运行模式，如下。（1）制热模式地下水的水温比较恒定，在20m以下时，一般保持在15-19℃，冬季时，室外温度一般较低，CO2系统中的蒸发器从与地下水进行热交换的水中进行吸热，与直接从外界空气中进行吸热相比，节约了很多能量；（2）制冷模式夏季时，室外温度较高，地下水保持在15-19℃，CO2系统中的冷凝器直接向外界空气中散热比较困难，消耗能量，而与地下水进行热交换则相对节省很多能量，制冷效果更加明显；（3）采冷模式夏季时，当室外温度不是很高，但又对温度有一定要求时，可以选择采用地源热泵系统的采冷模式，即室内循环回路中的水直接与地下水进行换热，由于地下水温在15-19℃，此时，停开CO2系统即可满足制冷需求，节能效果显著。3.2系统的控制模式三种控制模式，如表1所示：表1基于CO2跨临界循环的地源热泵系统的控制模式模式/阀门12345678制热×√√×√××√制冷√××√×√√×采冷√×√××√×√4、系统热力学分析图2CO2跨临界循环压焓图冷凝温度:Tk=40℃，蒸发温度：T0=12℃，过热度：t=15℃，hb=313.63kJ/kg，hd=283.95kJ/kg，he=420.98kJ/kg，hf=450.66kJ/kg，hg=483.71kJ/kg，has=hg=483.71kJ/kg，pa=10MPa，pe=4.73MPa，pa/pe=2.11指示效率：23aeaeae23=0.851+0.022(pp)0.0041(pp0.0001pp=0.815+0.0222.11-0.00412.11+0.00012.11=0.844s）（）压缩机实际出口焓：fasafshh483.71kJ/kg-450.66kJ/kgh=h+=450.66kJ/kg+=489.82kJ/kg0.844（）则，单位质量制冷量：eedq=h-h=420.98kJ/kg-283.95kJ/kg=137.03kJ/kg单位容积制冷量：3veeq=qp=137.03117.23=16064.48kJ/m压缩机比功：afw=h-h=489.82kJ/kg-450.66kJ/kg=39.16kJ/kg气体冷却器单位质量热负荷：kabq=h-h=489.82kJ/kg-313.63kJ/kg=176.19kJ/kg回热器单位质量热负荷：sfeq=h-h=450.66kJ/kg-420.98kJ/kg=137.03kJ/kg质量流量：mq=4.5/137.03=0.0328kg/s总的热负荷：kmkQ=qq=0.0328176.19KW=5779W性能系数：eq137.03COP==3.51w39.165、总结基于CO2跨临界循环的地下源热泵系统采用CO2是天然工质，以地下水为冷（热）源，水循环系统直接与地下水之间进行换热，地下水的水温稳定，较环境温度夏季低、冬季高，符合不同季节对冷热量的需求，减少能量的消耗，节能效果显著基于CO2跨临界循环的地下源热泵系统制冷模式COP值高达3.5，符合国家节能标准。该系统设有采冷模式，夏季温度不是很高时，开制冷主机浪费，此时采冷模式完全可以满足用户的供冷需求，节省电能的同时满足用户的不同需求。参考文献【1】郭贵林黎立新.跨临界CO2水冷式制冷系统热力分析[J].制冷与空调，2005年6月，5卷(3)：51-56【2】黎立新.船用二氧化碳制冷系统变工况模拟与分析[N].流体机械，2004，32（5）：46-49【3】黎立新，季建刚，王仁德.环保型CO2跨临界制冷系统[N].东南大学学报(自然科学版),2001，31(4):101-105【4】季建刚，黎立新，等.跨临界二氧化碳制冷系统研究进展[J].机电设备，2002，（4）：23-27【5】钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008【6】徐伟，等译.地源热泵工程指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2001【7】徐伟.中国地源热泵发展研究报告（2008）[R].北京：中国建筑工业出版社，2008