直流变频跨临界CO2热泵热水器的性能试验研究

　　1 前言

　　空调热泵系统广泛使用的HFCs 类制冷工质，由于其具有极高的GWP 值( 全球变暖潜值)给全球变暖做出了重要贡献，因此高效、绿色环保工质的替代成为国内外共同关注的焦点。CO2因其具有优良的热力特性且无毒、不燃、ODP = 0、GWP = 1、导热系数高、传热效果好的特点，近年来受到国内外学者的重视。在热泵循环中，CO2在超临界压力下放热，较大的温度滑移与变温热源较好的匹配，应用于热泵热水器领域具有其他工质无可比拟的优势。因此，CO2作为自然工质，在热泵热水器领域的研究发展迅速[1 ～3]。挪威和日本在此领域的研究较早，日本从 2001 年起已向市场推出了以“Eco Cute”为注册商标的成熟产品[4]。国内虽起步较晚但对跨临界二氧化碳系统的设计、性能等展开了大量研究。马一太对跨临界 CO2特性、跨临界循环及带膨胀机的系统开展了研究[5，6]。陈芝久、丁国良等对CO2的循环热物性以及在汽车空调中的应用进行了研究[7，8]。我国是能源消耗大国，在节能减排的背景下，发展热泵热水器成为趋势，因此深入研究CO2热泵热水器系统各个部件，整个系统性能以及系统优化等对推动其在国内的发展具有重要意义。

　　Neksa 和Cecchinato 将 CO2与传统工质系统对比分析得出了CO2用于热泵热水系统的可行性与优越性[2，9，10]，Sarkar 等指出了CO2热泵系统的最佳性能系数是压缩机转速、环境温度、气冷器进出口温度及系统最高压力等的函数[11]。Liu 等提出了通过控制系统最高压力来优化系统性能的见解[12]。Minetto 在调节气冷器进口水流量以维持设定出水温度值的情况下，提出了一种新的最优压力的控制方法[13]。Cho 等分析了压缩机频率、电子膨胀阀开度及回热器长度等对系统性能的影响并对系统进行了优化分析[14]。Yokoyama等分析了季节性环境温度、城市水温度、家庭生活热水需求量及储水箱里水温分层等对热泵热水系统总效率的影响[15，16]，而Fernandez 等究了3种不同热水加热循环模式下，环境和出水温度对CO2热泵热水系统性能的影响[17]。

　　针对目前普通定频空气源热泵热水器存在不能在宽负荷和宽温度条件下长时间稳定可靠运行、压缩机启动电流大等缺点[18，19]，在前人研究成果的基础上搭建直流变频CO2热泵热水器实验装置，进行多项实验研究，分析系统参数随制冷剂充注量、环境温度、压缩机频率、气冷器进水和出水温度、水流量等变化的规律，并探寻了系统的最优工作压力。

　　2 试验装置与测试方法

　　2. 1 试验装置

　　图1 所示为CO2热泵热水器性能试验装置的系统流程。该系统由热泵机组和储热水机组组成。热泵机组主要包括直流变频全封闭涡旋式压缩机、电子膨胀阀、翅片管式( 2 列) 蒸发器、两重套管式气体冷却器、套管式回热器、轴流风机、CCB 型二氧化碳制冷剂用压力控制器。本系统标准工况下的制热能力为6.0 kW，系统高低设计压力分别为14 MPa 和9 MPa。储热水机组主要由储水箱、水泵、混水阀、传感器等组成。系统制冷剂流程为，CO2通过电子膨胀阀节流降压后流入蒸发器，在风机作用下与环境空气进行换热，吸收环境中的低品位热能而蒸发，然后进入套管式回热器的外管中进一步吸热后被压缩机吸入并压缩成高温高压的蒸气，而后流入 2 重套管式气冷器的内管，加热在外管中流动的水。