沈鹏飞，张小梅，刘 倩，李 璐，李丽娜，李德欣

（1.合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2.黑龙江爱科德科技有限公司，黑龙江哈尔滨 150000）

0 引言

随着环保要求的提高以及广大民众对采暖及热水的需求提升，采暖及热水所消耗的能耗也显著增大，目前采暖及热水所消耗的能耗已经超过了建筑总能耗的50%[1]。节能、环保、低碳是当今相关技术发展的方向，作为自然冷媒的二氧化碳由于其环保、无毒，及特别的跨临界循环，开始被人们关注及大范围的使用。近年我国热泵行业呈现出高速增长的态势，热泵热水器的市场潜力巨大，并且二氧化碳压缩机的研究发展已经多年[2]，同时众多学者也对二氧化碳热泵的制热性能和应用效果做了研究[3-6]。常规的二氧化碳跨临界循环的气冷过程在与水换热时，水的出口温度可以更接近排气温度，因此可以制取较高温度的高温热水，但冷量大部分没有得到有效的应用，提出了一种二氧化碳双级冷热联供系统，该系统不仅可以提供高温热水而且还可以提供蒸发温度最低为-50 ℃的制冷效果。对于一些冷热都有需求的应用场合具有巨大的节能潜力。

1 二氧化碳双级冷热联供系统的工作原理

1.1 系统描述

二氧化碳双级冷热联供系统由二氧化碳跨临界压缩机、二氧化碳亚临界压缩机、气冷器、恒压阀、高压储液器、维持机组、回热器、电子膨胀阀、板式蒸发器组成。

1.2 工作流程

二氧化碳双级冷热联供系统工作流程[7]如图1 所示，二氧化碳双级冷热联供系统采用天然的二氧化碳制冷剂作为循环工质，二氧化碳亚临界压缩机将来自回热器的低温低压的气态二氧化碳压缩后排出与高压储液器中的闪发气体混合后一起进入二氧化碳跨临界压缩机的吸气端继续被压缩为高压高温的二氧化碳气体排出，进入到气体冷却器中与低温水换热，将热量传递给低温水，低温水被加热后变为高温热水，且温度可以接近二氧化碳排气温度，二氧化碳换热后被冷却为高压液态，通过恒压阀进入高压储液器中，从高压储液器流出通过回热器后被降温，然后通过电子膨胀阀节流后进入到板式蒸发器与冷冻水换热，蒸发吸收冷冻水热量后变为低温低压的气态二氧化碳，通过回热器继续吸收热量，尽量保证进入二氧亚临界压缩机吸气端的二氧化碳气体有一定的过热度，完成整个循环。维持机组可以保证系统在长时间停机过程，稳定高压储液器内的罐内压力。

图1 二氧化碳双级冷热联供系统工作流程

2 二氧化碳双级冷热联供系统的试验研究

2.1 试验装置介绍

试验在低温试验室进行，试验装置由室内外环境间、工况机（空气处理机组、压冷机组、恒温水箱、加热加湿系统、冷水机组等）、测试用仪器仪表构成，所用仪器仪表准确度均满足标准的规定并校验合格且在有效期内，确保测试结果的准确性，试验室原理如图2 所示。图2 中，1 是室内侧环境间，2 是室外侧环境间，是冷却塔，4～9 是恒温水箱，5 是室内侧空气处理机组，6 是室外侧空气处理机组，10 是除湿机，11～16 是压冷机组。

图2 试验室原理

2.2 蒸发温度对系统制冷COP 的影响

当二氧化碳双级冷热联供系统的气冷器出口温度在20 ℃工况下时，系统的制冷COP 会随着蒸发温度的降低而衰减（图3），当蒸发温度达到-50 ℃时，整个系统的制冷COP 仍能达到1.26（表1），高于常规的制冷剂的单级制冷效率，可以为用户减小制冷需求的运行费用。

表1 二氧化碳双级冷热联供系统制冷COP

图3 系统制冷COP 随蒸发温度的变化趋势

2.3 气冷器出口温度对系统制热COP 的影响

当二氧化碳双级冷热联供系统的蒸发温度在-25 ℃工况下时，系统的制热COP随着气冷器出口温度的升高而降低，当气冷器出口温度高于临界温度，制热COP的衰减趋势明显，出现急剧下降（图4）；当气冷器出口温度达到15 ℃时，系统制热COP 最高、可达到3.01（表2），且系统排气温度较高，可达到100 ℃以上，因此可以得到较高温度的高温热水，系统整体制热效果优于传统制冷剂的制热效果。

表2 二氧化碳双级冷热联供系统制热COP

图4 系统制热COP 随气冷器出口温度的变化趋势

3 系统优点

该系统相较于目前的其他系统，具有如下优势：①采用的制冷剂为环保制冷剂，二氧化碳作为纯天然制冷剂，无毒、不可燃、相关材料化学反应少，臭氧层破坏潜能值为0，全球变暖潜能值为1，并已经被证明是对人类无害的物质，目前受到了制冷学术及行业界的一致关注；②单位容积制冷量较大，二氧化碳处于超临界流体状态，比热大、导热系数高、动力黏度低的性质，使其具有比液体和气体更佳的传输性能和传热特性，传热效率高，具有优越的热力学性能；③该系统能够全部回收冷凝热，产出高温热水。

4 应用领域

该系统产出的高温热水可广泛应用在屠宰行业、纺织印染和石油化工行业，尤其在肉类加工屠宰场中，它会显现出明显的优势，可节约能源和大量的运行成本。系统产出的中温热水还可用于民用建筑及商用建筑的采暖系统，尤其是在中国北方低寒地区集中供暖项目效果显著。系统的设计最低蒸发温度可达到-50 ℃，可广泛应用于各类冷库行业。

5 结束语

二氧化碳制冷循环系统在可以提供高温热水的情况下还可以提供超低温的制冷效果，工程应用前景巨大。同时由于该系统使用了环保制冷剂，即节能而且环保。二氧化碳制冷循环相对与其他制冷剂循环，具有显著优点。二氧化碳冷媒作为环境友好冷媒，其应用领域已经在逐步扩大。目前二氧化碳产品存在成本过高的问题，但是随着行业的飞速发展以及政府政策的扶植，成本会迅速下降。在不久后，二氧化碳制冷循环系统或其他自然制冷剂循环系统，一定会迎来爆发性增长。