第２６卷第３期 ２０１２年６月 制冷与空调 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ 、，０ｌ－２６ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１２．２３８～２４Ｏ 文章编号：１６７１．６６１２（２０１２）０３．２３８．０３ 太阳能热水系统与跨临界二氧化碳 热泵系统双向优化组合 向媛 赵俊红 ７１００６８； ０５０００３） 石家庄（１．陕西方圆工程设计有限责任公司 西安２．河北省电力勘测设计研究院【摘要】 太阳能是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为了促进 节能与环境保护，太阳能热水系统已得到广泛应用。二氧化碳作为制冷工质具有一些独特的优势： 环境友好物质（ＯＤＰ＝０，ＧＷＰ＝Ｉ），无回收问题；良好的安全性和化学稳定性；具有与制冷循环 和设备相适应的热力学性质；具有良好的输运和传热性质。与常规制冷剂相比，二氧化碳跨临界 循环的压缩比较小，约为２．５～４．０。介绍一种太阳能热水系统与跨临界二氧化碳热泵系统的组合 系统，包括太阳能热水系统，二氧化碳热泵系统。针对不同气候条件，本系统分别采用制冷、热 水、制热运行模式，从而实现热水、空调与热泵三大功能。 【关键词】 太阳能；二氧化碳热泵；跨临界循环；双向优化 中图分类号 ＴＫ５１２ 文献标识码Ｂ Ｂｉ．ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ０ｐｒｉｍａｌ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｈｏｔ Ｗａｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｔｒａｎｓ．ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ Ｓｙｓｔｅｍ ＸｉａｎｇＹｕａｎ Ｚｈａｏ Ｊｕｎｈｏｎｇ （１．Ｓｈａｎｘｉ ＦａｎｇＹｕａｎＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｉ’ａｎ，７１００６８； ２．Ｈｅｂｅｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｒｖｅｙ Ｄｅｓｉｎ ｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，０５０００３） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｉｓ ａ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ．Ｉｔｉｓａｂｏｕｎｄｉｎｇａｎｄｆｌｅｅ，ａｎｄｎｏｎｅｅｄｔｏｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈｏｕｔａｎｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎｔｏｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｖｉｏｎｒｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｓｏｌａｒ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅａｓａ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｈａｓ ｓｏｍｅ ｕｎｉｑｕｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ：ｅｎｖｉｏｎｒｍｅｎｔａｌｌｙｆｒｉｅｎｄｌｙ ｒｌａｔＬＲ￣ｍａｔｅｒｉａｌ（ＯＤＰ＝０，ＧＷＰ １），ａｎｄｎｏ ｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｇｏｏｄ ａｆｅｔｙ ａｓｎｄｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｔｈｅ ａｂｉｌｉｙｔｔｏ ａｄａｐｔｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ ａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅｓ；ａｇｏｏｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｓ，ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｔｒａｍ－ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｓ ｅｌｒａｔｉｖｅｌｙ ｓｍａｌ１．ａｂｏｕｔ ２～４．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｎｅｗ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｓｏｌｒ ｈｏｔ ｗａｔａｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ，ｔｒａｍ－ｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２ｈｅａｔｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｓｏｌｒｃｏｌａｌｅｃｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ，ＣＯ２ｈｅａｔｐｕｍｐａｎｄｉｎ－ｏｕｔｄｏｏｒｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｉｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｙｓｔｅｍｉｓ ｅａｓｉｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｎｄｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓ ｓｉｍｐｌｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｃｏｎｄｉｉｔｏｎ，ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓ ｒｕｎｕｎｄｅｒｅａｃｈ ｔｈｒｅｅｍｏｄｅｌｓ：ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，ｈｅａｔｉｎｇａｎｄｈｅａｔｉｎｇｗａｔｅｒ，ａｎｄａｌｌａｃｈｉｅｖｅｈｏｔｗａｔｅｒａｎｄａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ． ［ＫｅｙｗｏｒｄｓＩ Ｓｏｌｒ ａｅｎｅｒｇｙ；Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；Ｔｒａｎｓ－ｃｆｉｔｉｃａｌ ｃｙｃｌｅ；Ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ０ 引言 ． 势：环境友好物质（ＯＤＰ＝０，ＧＷＰ＝Ｉ），无回 收问题；良好的安全性和化学稳定性；具有与 二氧化碳作为制冷工质具有一些独特的优 作者（通讯作者）简介：向嫒（１９８３一），女，本科，助理工程师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｉｎｇｓｈｕａｎｇｌ１１６＠１２６．ｔｏｍ 收稿日期：２０１１－０５．１８ 第２６卷第３期 向 媛，等：太阳能热水系统与跨临界二氧化碳热泵系统双向优化组合 ・２３９・ 制冷循环和设备相适应的热力学性质。与常规 制冷剂相比，二氧化碳跨临界循环的压缩比较 小，约为２．５～４．０【¨。 ＣＯ２热泵热水器是目前公认的各方面优于常 现跨临界ＣＯ２循环的制冷与热泵功能；套管式换热 器用来实现跨临界ｃＯ２循环与太阳能热水系统的 能量交换。装置结构如图１所示。 规工质的热泵热水装置。奥地利、挪威、日本等国 学者的研究表明，这种热泵热系统年平均ＣＯＰ值可 以达到３以上，在一２０℃环境下仍可提供９０￣Ｃ热水， 与电加热或燃气热水器相比能耗降低７５％【２Ｊ。 太阳能是可再生能源。它资源丰富，既可免费 ２系统运行模式 本优化系统通过调节三通阀、四通阀内部流道 方向，可以分别实现太阳能热水系统与跨临界二氧 化碳系统的独立运行或能源交换，实现热水、热泵 与热水、制冷与热水运行模式，从而实现热水、空 使用，又无需运输，对环境无任何污染。为促进节 能与环境保护，太阳能热水系统已得到广泛应用。 太阳能热泵是将太阳能集热系统与热泵技术 有机结合起来。另外，季杰等【３］将家用空调的热泵 系统加以改进，使其具有热泵热水器的功能，并通 过合理匹配，协调运行，得到了集空调和热水器于 一体的多功能热泵系统。 本文根据跨临界二氧化碳循环的特点，将太阳 能热水系统与跨临界二氧化碳循环结合，针对不同 气候条件，本系统分别采用热水、热泵与热水、制 冷与热水运行模式，实现热水、空调与热泵三大功 能，从而有效的利用循环余热，节约能源。 １ 系统概况 Ａ．压缩机；Ｂ．冷媒一水套管式换热器；Ｃ．室外翅片管换热器： Ｄ．节流阀；Ｅ．室内翅片管换热器；Ｆ．储液器；Ｇ回热器； Ｈ、Ｉ一四通阀；Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ一三通阀； Ｎ．太阳能集热器；ｏ．储水箱 图１ 系统在制冷模式下循环示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ 本文提出太阳能热水系统和跨临界ＣＯ２循环 系统的优化组合系统。系统设置两个翅片管式换热 器，两个套管式热交换器：翅片管式换热器用来实 调与热泵三大功能。 ２．１制冷模式 空调期阳光充足时，太阳能热水系统的水温能 够达到使用标准，跨临界二氧化碳系统启动制冷模 式。两系统间没有热量交换，相互独立运行。调节 四通阀Ｈ（３—４）使二氧化碳不通过冷媒一水套管式换 热器Ｂ，避免压缩机吸气过热和管道阻力增大。调 节三通阀Ｋ（１５—１６）使水也不通过冷媒一水套管式换 热器Ｂ，缩短系统流程，避免管道阻力增大。 根据图１制冷模式流程为：压缩机出口Ａ－３－４－ 室外翅片管换热器Ｃ一１１－１０－５－８一回热器Ｇ一节流阀 Ｄ－６—７－１９－２０－室内翅片管换热器Ｅ－１４—１３－２－１－储 液器Ｆ一回热器Ｇ一压缩机入口Ａ。 ２．２热水模式 非空调期，太阳辐射有所减弱，太阳能热水系 统的水温达不到使用标准，需由跨临界二氧化碳系 统启动热水模式对水进行再次加热，使水温达到使 用标准。调节阀Ｈ（３—２）、Ｊ（１３—１２）、Ｋ（１７—１６）使二 氧化碳和水均通过冷媒一水套管式换热器Ｂ，进行 换热。调节阀Ｍ（１９—１８）使二氧化碳不通过室内翅 片管换热器Ｅ，避免管道阻力增大。 图２系统在热水模式下循环示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｍｏｄｅｌ ・２４０－ 制冷与空调 ２０１２生 根据图２热水模式流程为：压缩机出口 Ａ－３—２—１３—１２－冷媒一水套管式换热器Ｂ－１８－１９－ ７—８一回热器Ｇ一节流阀Ｄ一６－５－１０－Ｉ卜室外翅片管换 热器ｃ一４—１一储液器Ｆ一回热器Ｇ一压缩机入口Ａ。 ２－３制热模式 冬季系统启动制热模式对室内采暖。调节阀 Ｈ（３—２）、Ｊ（１３—１４）、Ｋ（１５—１６）使二氧化碳和水均不 通过冷媒一水套管式换热器Ｂ。调节阀Ｍ（２０－１９）使 热泵向有限流量的水或空气排热，被加热的流 体温度升高，所要求的流体温升值或大或小。这导 致若用凝结排热的常规热泵循环方式，由于冷凝器 中制冷剂定温排热与被加热流体温升不匹配，而要 额外消耗相当多的功率。这样的加热过程用跨临界 二氧化碳循环就很相宜。从图４中可以看到，二氧 化碳的排热温度曲线与被加热水的吸热温度曲线 形状相近似。 二氧化碳通过室内翅片管换热器Ｅ，高温高压二氧 此系统是太阳能热水系统和跨临界ＣＯ２循环 化碳气体加热室内空气，为室内供暖。 根据图３热水模式流程为：压缩机出口 ＡＬ＿３—２一ｌ３—１４－室内翅片管换热器Ｅ－２０－１９－７－８－回 热器Ｇ一节流阀Ｄ－６－５－１０－１１－室外翅片管换热器 Ｃ一４—１一储液器Ｆ一回热器Ｇ一压缩机入口Ａ。 图３系统在制热模式下循环示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ３系统特性分析 系统在热水模式下的循环曲线如图４所示。 Ｔ－Ｓ图中的虚线、实线分别表示被加热水的温度变 化和热源侧的温度变化。 图４热水模式下跨临界二氧化碳循环Ｔ－Ｓ图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ Ｔ－Ｓ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｈｅ ｔｒａｎｓ－ｃｙｃｌｅ ｉｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ 系统的优化组合，即想达到空调一热水一体机的作 用，系统运行简单方便，且有以下优点。 （１）系统绿色环保 随着环境保护的迫切要求，ＣＯ２作为热泵系统 天然工质，无毒、对臭氧层无影响、不产生温室效 应和具有良好的热力学性质等优点，是传统氟利昂 类工质的最佳替代者。对于太阳能可再生资源的利 用，不会对环境产生危害，而且还是解决能源危机 的重要方法之一。 （２）系统结构简单，控制方便，功能齐全 本系统是通过一个冷媒一水套管换热器将太阳 能热水系统和跨临界ＣＯ２循环系统优化组合，克服 太阳能热水系统在阴雨天气、寒冷季节生产热水不 能达到标准的缺点。只需通过控制系统控制制冷、 制热、热水三种模式，即可实现空调、热水器、采 暖的功能。 由于本系统将家用空调和热泵热水器合二为 一，节省压缩冷凝机组（室外机）一台，成本和空 间因素方面都很经济。相对于电热水器、燃气热水 器，本系统提高了安全性。 （３）系统高效稳定 传统锅炉、电热水器、燃气热水器的能源利用 效率均小于１，而本系统具有３倍以上的能效比， 经济性突出。与常规太阳能热水系统相比，本系统 稳定，受天气影响较小。 ４结束语 随着人们生活水平的不断提高，空调和热水器 的应用越来越普及，所需能耗逐年上升。空调单纯 用来供冷、供热，运行时间有限，利用率较低；家 庭同时购买空调和热水器，从成本和空间因素方面 都不经济；电热水器、燃气热水器的运行费均高于 （下转第２５６页） ・２５６・ 制冷与空调 ２０１２年 （上接第２４０页） 热泵热水器，且不安全。为了有效降低能耗，提高 综合利用能源效率，利用太阳能及高能效热泵系统 ［３】 季杰，裴刚，何伟，等．空调一热水器一体机制冷兼制热水 模式的性能模拟和实验分析【Ｊ】．暖通空调，２００３，３３（２）： ｌ９－２３． 将成为今后发展重点。笔者提出的利用太阳能一跨 临界Ｃｏ２热泵系统将太阳能利用与环境保护紧密 结合起来，具有一定优势，有利于人类社会的可持 续发展。 ［４】 吴业正．制冷与低温技术原理【Ｍ】．北京：高等教育出版 社，２００４． 【５】 白鹤，荆有印，刘建林．一种新型家用热水器【Ｊ］席０冷与 空调，２０１ １，２５（ｔ）：４４－４８ 【６】 林丰波，刘培基，林风云．超市制冷系统冷凝热回收应用 参考文献： 【１】 Ｇｕｓｔａｖ Ｌｏｒｅｎｔｚｅｎ，Ｊｏｓｔｅｉｎ Ｐｅｔｔｅｒｓｅｎ．Ａ ｎｅｗ，ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａＵｙｂｅｎｉｇｎ ｓｙ￣ｅｍｆｏｒｃａｒａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ［Ｊ］． Ｉｎｔ．Ｊ．Ｒｅｆｒｉｇ，１９９３，１６（１）：４—１２． 研究【Ｊ】．青岛大学学报，２００６，２１（４）：８３—８４． 【７】 陈泽韶，李志宏，史敏等．冷暖空调热水三用机的功能控 制［Ｊ】．流体机械，２００９，３７（３）：６９—７２． 【８】 孙兆虎，姜培学，邓建强．太阳能辅助空气源跨临界二氧 化碳热泵热水与空调系统初探［Ｊ】．制冷与空调，２００６， ６（６）：２０—２２． 【２】 范晓伟，付光轩．Ｒ７４４热泵系统研究动态【Ｊ】．暖通空 调，２００２，３２（１）：４３－４６．