CO2常规工质空调热水联合系统的实验研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 22 4 4.19MB 83 页 15积分
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CO2/常规工质空调热水联合系统的
实验研究
摘 要
由于自然工质CO2作为制冷剂替代具有良好的前景，而跨临界CO2热泵热水器
在制热、供热水方面又十分高效，以及常规工质空调器还将继续使用一段时间
（至少几十年），本文针对以上现状，设计了一套CO2/常规工质空调热水联合系
统，可回收房间空调器夏季制冷排放的冷凝热用于制取生活热水，能实现夏季供
冷、冬季供热、全年提供生活热水的功能，提供了五种运行模式：制冷+供热水、制
热+供热水、单独制冷、单独制热、单独供热水。
本文还设计了一个用于跨临界CO2热泵系统的气体冷却器，这是一个壳管式
换热器，采用不锈钢材料，以满足系统对承压的要求。跨临界CO2热泵系统的管路
全部用不锈钢材料，并用球面连接加四氟垫片进行密封。
本文给出了联合系统的具体连接方式和运行工况的原理图，整个联合系统由
空调热水系统、跨临界CO2热泵系统、冷却水系统和冷冻水系统等子系统组成。
对联合系统进行了各种工况的实验测试。通过实验可知，室外环境温度对制
冷和加热热水的效率起着很大的作用，提高室内环境温度，可有效增大空调热水
系统的COP值，室外环境温度通过影响空调热水器的压缩机排气温度而影响系统
制热水的效率。空调热水器夏季同时制冷制热水时，综合性能系数可达6.0以上。通
过一次加热工况、循环加热工况、变冷却水温度工况、变冷冻水温度工况等实验可
知，跨临界CO2热泵系统制取热水时，提高蒸发温度或降低热水温度都能增大系
统的COP值，提高水侧的流量也能有效提高系统性能系数。无论什么工况下运行，
压缩机的吸气温度基本都稳定在15℃～20℃，而压缩机的排气温度和压力则会随
蒸发温度、热水温度的升高而提升，水流量对排气温度和排气压力基本没有影响。
本文所设计的联合系统与当前家庭单独购置的空调器和热水器相比具有显著
的节能效果。夏季回收冷凝热，增大了系统的综合性能系数；全年使用联合系统
或单独使用跨临界 CO2热泵供热水，都比电热水器或燃气热水器节能并节省费用。
关键词： 跨临界 CO2热泵 空调热水器 联合系统 冷凝热回收 气体冷
却器
ABSTRACT
On the basis of the natural refrigerant CO2 seemed as alternative to conventional
refrigerants, and trans-critical CO2 heat pump water heater is very efficient in heating
and hot water heating, as well as the conventional refrigerant air conditioner will
continue to use at least several decades, a CO2/conventional refrigerant air-conditioning
water heater integrated system is designed in this paper, condensing heat can be
recycled to supply hot water in summer while the air-condition works. There are three
function can be achieved, refrigeration in summer, heating in winter and water heating
all year-round. In summary, there are five kinds of operation modes implemented:
cooling and hot water supplying, heating and hot water supplying, cooling, heating and
hot water supplying.
A gas cooler for trans-critical CO2 heat pump water heater system is also designed
in this paper. It is a shell and tube heat exchanger, made of stainless steel to meet high
pressure requirements of this system. The piping system of trans-critical CO2 heat pump
water heater consists of stainless steel piping, the spherical connection with the plus
PTFE gasket seal ensures good sealing pipeline.
The schematic diagram of the specific connections and the operating conditions
of integrated system is introduced in this paper. The integrated system consists of three
subsystems: air-conditioning hot water subsystem, trans-critical CO2 heat pump
subsystem, cooling water subsystems and chilled water subsystem.
A variety of working conditions for the integrated system is experimental tested.
Through experimental research, it can be known that outdoor ambient plays a big role in
enhancing the efficiency of refrigeration and hot water heating. Improving indoor
ambient temperature will increase the COP value of air-conditioning water heater.
Outdoor ambient temperature affects the air-conditioning compressor discharge and
suction temperature, thereby affecting the efficiency of the system.
The IPLV of the heat pump water heater will get to 6.0 while cooling and hot
water supplying in summer. Increasing the evaporation temperature or lower hot water
temperature can increase the system COP value, while trans-critical CO2 heat pump
working to supply hot water. And improving the flow of the chilled water or cooling
water can be also effectively improving the system performance factors.
Whatever the operating conditions running, the compressor suction temperature
basically stable at 15℃～20℃. The improving of the evaporating temperature or hot
water temperature will lead to the increasing of compressor discharge temperature and
pressure. While water flow no effect on compressor discharge temperature and pressure.
Compared to air conditioners and water heaters separately purchased by current
family, the integrated system is significant energy-saving. Recovery of condensing heat
in summer increases the coefficient of comprehensive performance. Supplying hot
water by trans-critical CO2 heat pump is energy saving compared to electric water
heater or gas water heater.
Key words: trans-critical CO2 heat-pump, air-conditioning water
heater, combined system, condensing heat recycle, gas cooler
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论..............................................................................................................1
§1.1 课题研究背景...........................................................................................1
§1.1.1 制冷剂替代......................................................................................1
§1.1.2 建筑节能..........................................................................................3
§1.1.3 多功能联合系统的提出..................................................................4
§1.2 国内外研究现状.......................................................................................5
§1.2.1 超临界二氧化碳换热国内外研究现状..........................................5
§1.2.2 二氧化碳热泵国内外研究现状......................................................7
§1.2.3 多功能联合系统国内外研究现状..................................................7
§1.3 本论文的研究内容及意义.......................................................................9
第二章 CO2/常规工质空调热水联合系统的理论分析........................................11
§2.1 CO2物性特点分析..................................................................................11
§2.2 超临界 CO2对流换热特性分析.............................................................13
§2.2.1 超临界 CO2对流换热特性............................................................13
§2.2.2 超临界 CO2的换热关联式............................................................14
§2.3 跨临界二氧化碳循环.............................................................................17
§2.4 常规工质空调热水器的工作原理.........................................................18
§2.4.1 常规空调热水器的四种工况........................................................19
§2.4.2 常规工质空调热水器理论计算公式............................................20
§2.5 CO2/常规工质空调热水联合系统的工作原理.....................................20
§2.6 本章小结.................................................................................................22
第三章 CO2/常规工质空调热水实验系统的设计................................................23
§3.1 实验目的.................................................................................................23
§3.2 CO2/常规工质空调热水联合系统的设计.............................................24
§3.2.1 气体冷却器的设计及 CO2热泵其余部件的选型........................24
§3.2.2 常规空调热水器............................................................................32
§3.2.3 水循环管路的设计........................................................................33
§3.2.4 保温水箱的设计............................................................................34
§3.2.5 测点的布置....................................................................................35
§3.3 实验环境简介.........................................................................................36
§3.3.1 实验室的组成和功能....................................................................36
§3.3.2 实验室环境的参数控制................................................................37
§3.4 实验测量仪器.........................................................................................38
§3.4.1 温度的测量....................................................................................38
§3.4.2 压力的测量....................................................................................39
§3.4.3 流量的测量....................................................................................40
§3.4.4 数据采集设备................................................................................42
§3.5 本章小结.................................................................................................42
第四章 实验数据处理和分析................................................................................43
§4.1 实验内容.................................................................................................43
§4.2 常规工质空调热水器单独运行.............................................................45
§4.2.1 单独制冷........................................................................................45
§4.2.2 制冷+制热水..................................................................................46
§4.2.3 单独制热水....................................................................................47
§4.2.4 单独制热........................................................................................51
§4.2.5 空调热水器系统运行特性及影响因素........................................52
§4. 3 跨临界 CO2热泵单独制热水................................................................52
§4.3.1 一次加热工况运行........................................................................53
§4.3.2 循环加热工况运行........................................................................58
§4.3.3 系统运行性能及影响因素............................................................61
§4. 4 CO2/常规工质空调热水联合系统耦合运行........................................61
§4.4.1 联合系统耦合运行制热+制热水..................................................62
§4.4.2 联合系统性能分析........................................................................63
§4.4.3 联合系统的经济性分析................................................................64
§4. 5 系统及部件的优化................................................................................65
§4. 6 本章小结................................................................................................66
第五章 结论与展望................................................................................................67
§5.1 结论.........................................................................................................67
§5.2 本论文创新点.........................................................................................68
§5.3 展望.........................................................................................................68
符号表.....................................................................................................................69
参考文献.................................................................................................................71
第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景
§1.1.1 制冷剂替代
随着人类活动的增加，自然环境受到的影响越来越大，并逐渐反作用于人类。
二十世纪七八十年代以后，全球气候变暖、臭氧层空洞等问题引起了人类对自身
活动的反思，节能和环保已经成为二十一世纪最受关注的议题。《关于消耗臭氧层
物质的蒙特利尔议定书》和《京都议定书》等协议的签订，标志着全世界各国政府
应付环境问题的决心。制冷（包括冷冻冷藏等）和热泵（包括空调和热泵热水器
等）系统大量使用的制冷剂——CFCs 和HCFCs 类氟利昂物质被认为是造成温室
效应和臭氧层空洞的元凶之一。而随着人们生活水平的提高，制冷与热泵类设备
的需求量也逐年增加，这就迫切要求制冷与热泵行业采用环保工质来替代对环境
造成破坏的氟利昂类制冷剂。因此寻求高效、绿色环保制冷工质成为当前国际社会
共同关注的焦点，世界各国的科学家正在紧张研究其替代工作。
当前替代制冷剂的选择主要集中在HFCs 类物质组成的非共沸混合物和天然
工质（如二氧化碳、丙烷、氨等）。HFCs 类物质虽然对臭氧没有影响，但是也有一
定的 GWP 值（全球变暖潜能值）。大多数合成物质虽然现在没有发现其对环境的
副作用，但是对环境是否有影响需要经过长时间的考验才能得出结论。而天然工
质本身就存在于自然环境中，不会对环境造成额外的副作用，因此前国际制冷协
会主席 Lorentzen 将天然工质称为“制冷剂的最终解决方案”。
§1.1.1.1 温室效应
二氧化碳、水蒸气、全氟烃类等气体能让太阳短波光不受阻碍地通过，使地球
加热，而长波热辐射被地球反射，地球得以冷却。这些气体拦截反射的长波热辐
射，使地表气温达到入射到地球上的太阳能和被地球向空间辐射回去的能量处于
平衡的温度，大气的这种保温作用被称为温室效应。适当的温室效应对于地球来
说是必需的，如果没有温室效应，地球表面平均气温仅为-18℃，而实际地表平均
气温为 15℃，即地球大气的温室效应可使地球表面的气温增加 33℃[1]。
温室效应会给人类的生存空间带来负面影响：全球气温升高、两极的冰川融
化、海平面上升、中纬度地区气候干旱化等一系列问题将随之而来。1992 年6月，
1
CO2/常规工质空调热水联合系统的实验研究
在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会上， 160 多个国家的元首、政府
首脑签署了《气候变化框架公约》，最终目的是将大气中温室气体的含量稳定在防
止气候系统受到危害水平上。1997 年12 月，在日本京都召开的《联合国气候变化
框架公约》第5次缔约国会议上，签署了《京都议定书》（Kyoto Protocol）。该议定
书 确 认 了 温 室 气 体 对 全 球 气 候变 化 的 影 响 ， 明 确 了CO2、CH4（甲 烷 ）、
N2O、SF6、PFC（全氟烃类）、CFCs（氯氟烃类）、HCFCs（含氢氟烃类）、
HFCs（氢氟烃类）等温室气体范围，并要求发达国家首先将温室气体的排放量冻
结在20 世纪 90 年代的水平；进而于 2008-2012 年期间，在此冻结水平基础上将
温室气体排放量削减 5.2%。
§1.1.1.2 臭氧层破坏
保护臭氧层的全球合作始于1985 年保护臭氧层维也纳公约的协商与缔结。在
联合国环境规划署的倡议下，签署了关于损耗臭氧层物质的《蒙特利尔议定书》，
该议定书于1989 年1月1日生效。《蒙特利尔议定书》规定：从1990 年起，各缔约
国应根据已获得的科学、环境、技术和经济资料，每四年对规定的控制措施进行评
估。
对于发展中国家，要求在 2016 年起，将 HCFCs 生产量和消费量冻结在2015
年的消费水平上，到2040 年全部淘汰 HCFCs。
1999 年北京修正案决定：到2004 年，发达国家将其HCFCs 生产冻结在1989
年生产和消费水平上，并在以后可以生产不超过其冻结水平的15%来满足国内基
本需求；到2016 年，发展中国家将其HCFCs 生产冻结在其2015 年生产和消费水
平上，并在以后可以生产不超过其冻结水平的15%来满足国内基本需求。
§1.1.1.3 制冷剂替代的迫切性
自1755 年苏格兰科学家William Cullen 发明第一台采用减压水蒸气制冰机[2]
至今的250 多年间，制冷剂经历了从天然物质到人工合成物质再回到天然物质的
过程。二十世纪二三十年代人类为发明氟利昂用作制冷剂而欢呼雀跃，在随后的
半个多世纪里氟利昂在制冷业得到了大量的应用；然而，人们当初一定想不到半
个世纪以后氟利昂会被发现是破坏人类生存环境的元凶，人类不得不重新去寻找
新的制冷剂，而最原始的制冷剂——自然工质又重新进入了人们的视野，有一些
甚至已经开始得到应用并深受青睐。
但在制冷剂的选择方面，人们依然还很矛盾。一方面是良好物理特性的合成
2
第一章 绪论
物质，但却不符合环保的需求；一方面是环保的自然工质，但却不利于提高制冷
系统的效率，或者对制冷系统有很高的工艺要求，使得制冷系统的制造成本大为
提升。不过臭氧层空洞、温室效应等问题已经日益显示出大自然对遭到人类肆意破
坏的不耐烦。一些不正常的气候现象，以及诸如冰山融化、海平面升高等严峻现实
威胁着人类的生产环境，使人们不得不重新审视自身行动。
制冷剂的替代就是其中最紧迫的课题之一，在经济效益和可持续发展面前，
人们的选择异常艰难。好在各国政府已经意识到可持续发展的重要性，因此纷纷
制定了 CFCs 和HCFCs 类氟利昂退出历史舞台的时间表，在这一过渡时期内，将
仍然允许使用这些制冷剂，但将花更大的精力去开发新的制冷剂。尽管现在有些
公司开发出了一些相对环保的、具有良好热力性能的合成制冷剂，但合成物质还
是有一些特性是未知的，需要经过时间的考验才能证明是否真的环保；而自然工
质经过大自然的筛选已经证明了其环保性，因此自然工质是最环保的制冷剂，作
为替代工质拥有良好的前景。
§1.1.2 建筑节能
我国目前正处于城市建设的飞速发展期，建筑能耗占社会总能耗的比例也在
逐步加大，当前中国的这一比例接近五分之一；但与西方发达国家（30%左右）
相比，我国的建筑能耗水平还很低，无论是单位建筑面积能耗、人均建筑能耗还
是建筑能耗占社会总能耗的比重，还处在一个远远落后的阶段。随着我国经济发
展和人民生活水平的提高，我国的建筑能耗将会有明显的增长。
从表 1-1、图 1-1、图 1-2 [3]可以看出，与西方发达国家相比，我国的建筑能耗
还有很大的提升空间。从发达国家的一些统计结果可知，为人们提供舒适健康的
室内热湿环境所需的采暖、通风和空调能耗约占建筑总能耗的65%左右，各类商
业建筑的卫生热水能耗约占15%。可见，用于建筑物采暖、通风、空调和热水的能
耗将占全国总耗能的 25%左右，这一领域在节能中的重要性显而易见[4]。
表1-1 2004 年各主要国家建筑总能耗占社会总能耗的比例 （单位：万吨标准煤）
国家 世界美国 加拿大中国日本OECD Europe 印度非洲
建筑总能耗162082 46361 5737 9606 9924 37909 4388 3574
社会总能耗634838 150883 19488 58618 35361 122966 17982 19382
建筑总能耗比例25.5% 30.7% 29.4% 16.4% 28.1% 30.8% 24.4% 18.4%
3
CO2/常规工质空调热水联合系统的实验研究
187
202
178
146
30
0
50
100
150
200
250
美国 加拿大日本西欧中国
kWh/（m2·年）
图1-1 2003 年世界各国建筑单位面积年能耗比较
16030
18206
5219
743
412
420
2572
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
美国 加拿大日本欧洲 巴西 中国印度非洲世界
kWh/(人·年)
图1-2 2003 年世界主要国家年人均建筑能耗比较
当前世界各国所消耗的能源主要还是以一次能源为代表的常规能源为主，但
一次能耗的特性决定人类不可能长期依赖它。从上个世纪 70 年代末的石油危机开
始，人类认识到了节能与寻求新能源的重要性。采暖、通风、空调和热水是能源消
耗的大户，因此提高这一领域的能源利用率，发展节能新技术将拥有重大的战略
意义。
正是在这种整个社会都意识到需要节约建筑能源的形式下，将空调热泵和热
水供应系统综合成一个联合系统的概念被提了出来，这种方式可以有效回收空调
的冷凝排热用于提供生活热水，同时用热泵提供热水也比当前的电热水器、燃气
热水器等节能，多功能系统的研究和应用受到了越来越多的关注。
§1.1.3 多功能联合系统的提出
目前国内家庭使用的热水器主要是电热水器、燃气热水器和太阳能热水器，
4
摘要：

CO2/常规工质空调热水联合系统的实验研究摘要由于自然工质CO2作为制冷剂替代具有良好的前景，而跨临界CO2热泵热水器在制热、供热水方面又十分高效，以及常规工质空调器还将继续使用一段时间（至少几十年），本文针对以上现状，设计了一套CO2/常规工质空调热水联合系统，可回收房间空调器夏季制冷排放的冷凝热用于制取生活热水，能实现夏季供冷、冬季供热、全年提供生活热水的功能，提供了五种运行模式：制冷+供热水、制热+供热水、单独制冷、单独制热、单独供热水。本文还设计了一个用于跨临界CO2热泵系统的气体冷却器，这是一个壳管式换热器，采用不锈钢材料，以满足系统对承压的要求。跨临界CO2热泵系统的管路全部用不锈...

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