摘要：提出了一种多功能CO2空调热泵系统，它具有七种运行工况，解决了现有热回收式系统所存在的冷热量互相制约问题。
关键词：多功能；二氧化碳；热泵
The Principle and Performance of Multi-functional CO2 Air-conditioning Water Heat Pump
Liu Ke
（Sinopec Luoyang Engineering Co.，Ltd.，Luoyang 471000，China
Abstract：Proposed a multi- functional CO2 air-conditioning water heat pump system. It has seven kinds of operating conditions. It solves the mutual restriction that has existed between cooling and heating in heat recovery system.
Keywords：multi-functional；carbon dioxide；heat pump
1前言
目前国内外对多功能空调热泵进行研究的一个重要方向是开发功能齐全、结构和控制简单、运行效率高的新系统形式。现有的系统形式一般都具有单独制冷、单独供暖、快速生产生活热水、制冷兼热回收生产生活热水功能１～4，少数方案具有同时供暖和生产生活热水功能5～6，这些方案的一个共同缺点是：在夏季制冷运行时，只能依靠回收冷凝热生产生活热水，因此存在制冷量和生活热水量之间的互相制约现象。
本文提出了一种新的多功能CO2空调热泵系统方案（如图1所示）7～8，并进行了理论分析。该方案成功地解决了现有热回收式多功能空调热泵所存在的制冷量和生活热水量之间的互相制约问题。
2系统组成和工作流程
该多功能水源空调热泵系统如图1所示，采用跨临界CO2制冷循环，具有7种运行工况。在各工况下，电子膨胀阀13都用于CO2制冷剂的第一级节流，并根据节流前的制冷剂温度，保证节流后的CO2制冷剂处于亚临界过冷区，故储液器6中的CO2制冷剂处于液体状态，可用于调节制冷循环过程中的制冷剂流量[9]。当用地下水作为冷却水时，由于水温较低，使第一级节流前的制冷剂温度较低，因此上述条件的满足不存在技术障碍，本文的分析和研究都是基于上述条件。
图1 CO2多功能水源热泵系统
1压缩机；2热源侧换热器；3用户侧换热器；4热水加热器；5回热器；6储液器；
7过冷器；8四通阀；9三通阀；10-13电子膨胀阀；14、15电磁阀；16-23单向阀；
3系统性能计算和分析
3.1性能指标
系统性能系数：
（1）
式中：
—单位质量流量制热量，kJ/kg；
—单位质量流量制冷量，kJ/kg；
—流量系数，表示通过用户侧换热器3的制冷剂质量流量与压缩机质量流量之比；
—单位理论压缩功，kJ/kg；
—压缩机指示效率[10]：
（2）
式中：
—压缩机排气压力，MPa；
—蒸发压力，MPa。
式（1）可用于计算各工况下的性能系数，流量系数
和
的取值如下。
1）单独制冷工况：
=0，
=1；
2）制冷兼热回收工况：
=1；
3）夏季按用户需要同时制冷和生产生活热水工况：
取值与分别通过热源侧换热器2和用户侧换热器3质量流量相关；
4）夏季单独生产生活热水、冬季单独生产生活热水、冬季单独供暖、冬季同时供暖和生产生活热水工况：
=0。
3.2计算结果及分析
各工况下性能系数和压缩机排气温度的计算结果如图2至3所示。计算时，冬、夏季冷却水水温分别为15℃和25℃，冷却水在热源侧换热器2中的进出口温差为5℃；冬季各工况下的蒸发温度为7℃，夏季单独生产生活热水工况的蒸发温度为17℃，夏季其它工况下的蒸发温度为0℃；热源侧换热器2和过冷器7中的最小传热温差为3℃，用户侧换热器3和热水加热器4中的最小传热温差为5℃；夏季制冷兼热回收、以及按用户需要同时制冷和生产生活热水工况中，热水加热器4入口水温为35℃，夏季单独生产生活热水工况热水加热器4入口水温为30℃；冬季各工况下，用户侧换热器3和热水加热器4入口水温分别为30℃和20℃。
4 结论
1）本文所提出的方案不仅具备现有热回收式多功能空调热泵系统所具有的功能，而且还具有按用户需要同时制冷和生产生活热水功能，解决了现有热回收式系统]所存在的冷热量互相制约问题。
2）在跨临界状态，随着排气压力的升高，夏季单独制冷工况的COP是否出现峰值，取决于回热器5高压侧入口制冷剂的特征温度，而夏季制冷兼热回收工况、以及按用户需要同时制冷和生产生活热水工况的COP是否出现峰值，则取决于过冷器7入口制冷剂的特征温度；当蒸发温度在（0～17）℃之间变化时，夏季单独生产生活热水工况以及冬季运行工况，随着排气压力的升高，COP是否出现峰值也取决于过冷器7入口制冷剂的特征温度，上述特征温度都位于（30～35）℃之间。
参考文献：
[1]Jie Ji，et al. Performance of multi-functional domestic heat-pump system［J］. Applied Energy，2005（80）：307–326.
[2]陈则韶. 一种四季节能冷暖空调热水三用机［P］.中国：ZL02116049.X. 2002-12-18.
[3]王伟，马最良. 空调冷凝热回收热水供应系统方案研究［J］. 哈尔滨工业大学学报，2004，36（11）：1531-1533.
[4]江辉民，王洋，马最良，姚杨.家用空调冷凝热回收热水供应系统的实验分析［J］.流体机械，2006，34（2）：64-67.
[5]R·雷德马彻等. 制冷装置［P］.中国：200610079440.6. 2006-10-18.
[6]谭建明等. 热泵热水多联空调器［P］.中国：ZL 200710026952.0. 2008-8-13.
[7]刘雄. 冬夏两用热泵装置［P］.中国：ZL 200710162570.0. 2007-7-11.
[8]刘雄. 多功能CO2空调热泵装置［P］.中国：200810175176.5. 2008-10-27.
[9]栗原利行，笠原伸一. 制冷循环［P］.中国：200780033452.8. 2007-8-28.
[10]梁贞潜，黄冬平，张春路等.二氧化碳汽车空调器仿真与优化.制冷空调技术新进展［C］.上海：上海交通大学出版社，2001：164-169.
作者简介：刘珂，男，1986年12月生，工程师，中石化洛阳工程有限公司。
论文作者:刘珂
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：工况论文; 制冷剂论文; 多功能论文; 换热器论文; 生活热水论文; 热泵论文; 夏季论文; 《基层建设》2019年第17期论文;