摘要：为解决传统空气源热泵在寒冷地区季节性能系数（COP）低，产出热水温度不太高（45℃）的普遍问题。本实验在青岛项目采用二氧化碳空气源热泵对铁路段进行供暖，为提高性能系数和减少能源消耗，使用压缩机和水泵变频技术对二氧化碳空气源热泵进行控制，分析二氧化碳空气源热泵变频条件和适用温度范围。结果表明，在-10℃的环境下，压缩机升频到60Hz，制热量能提高18.75%;使用二氧化碳空气源热泵变频技术，可生产65℃热水，在-12℃环境下，其性能系数达2.2;房间温度波动在22℃附近，波动幅度为2℃;在整个供暖期电耗为46.7kW·h/m2。
Abstract： In order to solve the traditional air source heat pump seasonal coefficient of performance （COP） is low in cold area， the output water temperature only reach to 45℃. The experiment of heat supply utilized carbon dioxide air source heat pump variable frequency technology aimed at improving the coefficient of performance and reducing energy consumption， through the technology of variable frequency compressors and water pump to control heat system， analyzed suitable temperature range and frequency conversion condition. The results show that the compressor frequency reach 60Hz at ambient temperature under -10℃， heat capacity could increase 18.75%; by using of carbon dioxide air source heat pump variable frequency technology， it could produce 65℃ hot water， under -12℃ environment temperature， its coefficient of performance reached 2.2; the fluctuations of room temperature near 22℃， the range of volatility is 2℃; the power consumption is 46.7kW ·h/m2 in the whole heating period.
關键词：二氧化碳;变频;压缩机;供暖
Key words： carbon dioxide;variable frequency;compressor;heat supply
中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）13-0138-03
0 引言
国家政策提出环保节能，使用空气作为热源的热泵逐渐引起人们重视，在商业工业场所均对它做研究以取代传统燃气、燃油锅炉以提供生活用水和工业用水[1]-[4]。目前市场多采用辐射供暖，温度低，舒适度较好，但是管网初投资成本高，对于我国北方大部分地区均为锅炉热力站集中供暖，管网改造成本高[5]，且市面上大部分热泵机出水温度达不到要求[6]，同时严寒寒冷地区由于低温环境空气源热泵结霜严重，所以基本为辐射供暖，施工复杂，成本高[7]。因此，新兴的二氧化碳空气源热泵机组更能满足居民、工商业节能改造所需的环境条件，温度条件，施工条件，最终节能效果显著[8]。
二氧化碳空气源热泵能在-25℃环境中快速生产65℃的高温热水，且此时COP达1.8以上[9]-[11]，是北方供暖热水供应的优选产品，再结合热泵压缩机变频和系统大温差小流量变频技术进一步对供暖系统的节能运行实现优化，能源利用率提高，对环境友好[12][13]。二氧化碳空气源热泵变频技术相较于定频压缩机热泵而言，可在低温环境下大大降低制热量的衰减，适用温度范围扩大[14]-[16]，对不同环境的系统变频参数进行实验研究，得出用于供暖系统的二氧化碳空气源的最优性能和节能结果。
1 试验测试及分析
1.1 系统构建
本系统采用大温差变水量系统，运用二氧化碳空气源热泵产高温热水（65℃）。其系统如图1所示。系统由储热系统，供暖系统、数据采集与控制系统组成。储热系统包括3个储热水箱，1#水箱、2#水箱、3#水箱;其中2#水箱作为缓冲水箱，3#水箱直接与热泵出水管和分水器相连，为高温热水供应装置，1#水箱与系统回水管和热泵进水管相连。在使用二氧化碳空气源热泵的供暖系统中，采用二氧化碳高压压缩机，理论排气量23.25m3·h-1。系统中循环水泵扬程8m，水量10m3·h-1。
数据采集与控制系统有两套，分别在二氧化碳热泵机组上和供暖系统中。包括温度传感器、水流量计、压缩机/循环水泵功率表、电控箱、可编程序控制器和数据采集器。热泵机组上自动检测压缩机吸排气压力和压缩机频率以及热泵产热量。在供暖系统中，检测1#水箱温度T1、3#水箱温度T2、供水管温度T3、回水管温度T4、环境温度T5;同时记录循环水量和水泵频率变化。
1.2 控制方式
该系统对应三种情况：①供小于求，检测T1和T2温度会下降，所有热泵均启动，仍无法满足需求，会有如下动作：1）辅助电加热会投运部分，保证供暖效果;2）不投运电加热，此时供水温度已经开始下降，相应回水温度也会下降，此时循环泵增加频率，加大流量，提高回水温度。若设备产热远远小于需求，最终会出现：循环泵最大频率运行，供回水温差减小，使供暖效果变差。②供等于求，一般在变工况时会出现，时间较短。③供大于求，T1和T2温度会上升，多余的热量在存储满3号水箱后，逐渐反向存储到2号-1号，当1号水箱水温上升到设定目标温度（如42～44℃、44～46℃），会梯阶对热泵设备进行卸载，直至稳定。
1.3 系统分析
图 2是热泵机组在不同环境温度下，制热量随频率的变化趋势。由图2（a）可知，制热量随频率的增加是呈增长趋势的，在环境温度高于-15℃时，二氧化碳空气源热泵制热量随着频率增加几乎为线性增长;但在-20℃环境下，当压缩机频率低于60Hz时，制热量下降加快，不再呈线性变化，这是由于低温下二氧化碳制冷剂蒸发温度低，对应的饱和压力降低，压缩机频率过低时，压缩做工减少，使在低温条件下，二氧化碳制冷剂处于亚临界循环，制热量急剧减小。因此，在低温低于-10℃时，应使压缩机在60Hz以上的频率运行。针对该系统所用二氧化碳空气源热泵低温条件下升频能使热泵制热量提高18.75%。图2（b）是热泵在低温供热工况运行曲线。在低温环境下运行时，为保证系统COP下降不太快，低温下压缩机升频工作;在环境温度大于0℃时，制热量呈上升趋势，但是上升变慢，温度在不同进水温度下制热量和COP的变化、不同设计供回水温差随水泵频率在不同环境温度下的变化-10℃～0℃之间，产热量下降加快，蒸发温度降低对制热量影响在这个区间较大，而到-25℃～-10℃之间时，制热量下降趋势变缓，几乎为线性变化，其主要措施即提高压缩机频率，对系统的制热量的衰减能有很好的抑制作用。制取热水65℃，进水从35℃、40℃、45℃变化，热泵制热量随着环境的变化趋势如图2（b）所示。在进水温度为35℃，环境温度为-7℃时，制热量为71.5kW，热泵COP达2.2。
图 2（c）是供热量在不同的循环水泵频率下的变化趋势及不同水温降常出现的温度区间。当水温降为20K时，能满足环境温度在10℃～-10℃的范围内，水泵频率从18Hz到38Hz变化，此时天气气温虽然有20K的跨度，但空气焓值变化相差不大，即使在-10℃，空气含湿量不大的情况下也可满足供暖需求;若空气温度低且含湿量增加，冷负荷增加，会使供回水温差加大，水泵频率运行期间稍有缩小，在20Hz至30Hz之间，供热量增大;在环境温度进而降低，冷负荷需求更为扩大时，此时供/回水温差增加到30K，循环水泵的频率还会减小，范围在15Hz到25Hz之间，在30K的温差下，供热是随着房间冷负荷增大而增大水泵频率，提高循环水量以增加供热量。
2 供热/节能效果
图 3（a）为采用二氧化碳空气源热泵变频技术的节能效果和供暖效果。由图3（a）可知，该建筑全年最大逐时冷负荷不超过50W·m-2，在供暖期间（120d）平均逐时电耗仅为15.8W·m-2，整个供暖季为45.6kW·h·m-2，节能效果良好。图3（b）为供暖期间建筑物室温情况，室内温度基本在22℃，波动在±1℃。表明了變频技术对便于控制室内温度稳定，二氧化碳空气源热泵变频能在低温下较好的满足供热需求。
3 结论
①供暖系统用户端散热器采用变水量系统比定水量系统在低水量运行时较难控制，但有节能可能。
②用二氧化碳空气源热泵低温条件下升频能使热泵制热量提高18.75%。
③环境温度从-25℃升高到15℃，二氧化碳空气源热泵压缩机频率从65Hz降低到50Hz。
④在低于-10℃的环境下，若二氧化碳空气源热泵频率小于60Hz，会出现亚临界循环，制热量降低。
⑤在进水温度为35℃，环境温度为-7℃时，热泵COP达2.2。
⑥二氧化碳空气源热泵供热系统配合水泵变频技术可使供暖期电耗为45.6kW·h·m-2，房间温度稳定在22℃附近。
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