跨临界二氧化碳热泵系统动态性能的仿真研究

张永明 陈振乾

东南大学能源与环境学院

能源不仅是社会发展的基本动力、现代经济的重要支撑，同时也是人类文明进步的主导因素。目前广泛使用的人工合成制冷剂都具有相对较高的 ODP（臭氧消耗潜能值）或 GWP（全球变暖潜能值），因此采用如 CO2等自然工质作为制冷剂又逐渐成为人们研究的热点，再次得到人们的重视。目前对于二氧化碳制冷系统的仿真主要集中在制冷空调领域[1-3]，且多为稳态模型或是分相模型[4]。为了更进一步研究二氧化碳在热泵热水系统中的动态性能，本文在实验的基础上建立了跨临界 CO2热泵热水系统的分布式动态仿真模型，通过实验进行了模型验证并利用该模型分析了CO2热泵热水系统的一些动态特性。

1 二氧化碳热泵热水机组模型

二氧化碳热泵热水系统采用跨临界循环，系统模型的组成见图1，主要包括气冷器、蒸发器、压缩机、膨胀阀等部件。二氧化碳通过压缩机压缩成高压高温气体后进入气冷器与水换热过冷，流经膨胀阀节流降压后进入蒸发器内相变吸热，通过汽液分离器的饱和蒸汽重新进入压缩机压缩，完成循环。其中，压缩机与膨胀阀的热惯性较小，状态参数变化速度较快，结合实测数据利用效率公式建立其准稳态数学模型。对气冷器和蒸发器建立分布参数模型并设计相应算法。通过质量守恒，动量守恒和能量守恒将各部件相耦合，得到可以描述系统动态特性的仿真模型。

图1 跨临界CO2热泵循环系统示意图