内部热交换器在二氧化碳热泵系统中的影响：实验评估与选型方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：The influence of an internal heat exchanger in CO 2 heat pump systems: Experimental evaluation and a selection methodology

双刃剑效应及优化设计：针对 transcritical CO? 热泵系统内热交换器（IHX）的能效提升与温度/容量矛盾，本研究通过实验与理论分析发现，IHX可使 COP 提升最大26.9%并降低 Exergy 损耗，但高水温下会减少 heating capacity。引入热回收指数 LA 构建经济性评估框架，提出换热面积0.40–0.77 m2的选型方法，实现 COP、discharge 温度与经济性的三重平衡。

　　

李 Conghui|朱 Yinhai|姜 Peixue

中国科学院工程热物理研究所，北京 100190，中国

摘要

在超临界二氧化碳（CO₂）热泵系统中，内部换热器（IHX）具有双重作用：它不仅可以提高Coefficient of Performance（COP），还可能提高排气温度（T_dis）并降低加热能力（${\stackrel{?}{\text{Q}}}_{\text{gc}}$）。为了解决这一权衡问题并指导IHX的最佳设计，本研究对IHX的影响和适用性进行了系统的实验和理论分析。结果表明，IHX可以将COP提高多达26.9%，并将最佳排气压力（P_dis）降低多达24.5%，主要是通过减少节流过程（减少了25.2%）和蒸发器中的熵损失（减少了31.6%）。然而，在高温水条件下，它也会使T_dis升高，并使${\stackrel{?}{\text{Q}}}_{\text{gc}}$增加多达10.7%。结合一种新的热回收指数（L_A）进行的熵经济分析证实，单位产品熵成本（UPEC）降低了6.58%。基于这些发现，提出了一种综合的选择方法，确定了最佳IHX换热面积范围为0.40–0.77平方米。本研究为超临界CO₂热泵系统中IHX的优化设计和运行提供了理论基础和实际指导。

引言

全球向清洁能源和减少碳排放的转型加速了在供暖和制冷系统中采用环保制冷剂的速度。CO₂作为一种具有良好热物理特性的天然制冷剂，在热泵应用中引起了越来越多的关注。与传统和合成制冷剂相比，它具有显著的优势。作为天然制冷剂，CO₂的GWP为1，ODP为0，安全等级为A1（无毒、不可燃），结合了环保性和操作安全性。此外，CO₂具有较高的容积容量和良好的传输特性，有助于实现更紧凑的系统设计。特别是在供暖应用中，其超临界循环中的气体冷却阶段具有较大的温度跨度，能够高效地产生高温水，优于大多数亚临界循环的工作流体。然而，其在超临界循环中的运行特征是排气压力（P_dis）较高且节流损失较大，这限制了整体能源效率[1]，[2]。IHX被提出作为一种有前景的解决方案，用于回收内部废热、增加吸气过热并增强液体过冷，从而可能减少节流损失并优化运行压力[3]，[4]。

尽管有这些优点，但在CO₂热泵系统中集成IHX却存在一个明显的“双刃剑”效应。虽然它可以提高COP并降低最佳P_dis，但它也会提高T_dis、增加功耗，并可能在特定运行条件下降低$\stackrel{?}{\text{Q}}\text{gc}$。[5]，[6]，[7]。这种权衡需要清楚地了解IHX在系统设计中的适用性和操作限制。

以往的研究主要从热力学的角度评估了IHX。Tao等人[8]通过实验证明了其减轻节流损失和改善性能的能力，尽管节流过程中制冷剂容量损失了5%，但仍导致COP降低了20%。Zhang等人[9]确定了一个“过渡P_dis”，在该温度以下IHX对CO₂逆循环有积极影响。Cao等人[10]对超临界CO₂热泵热水器进行了实验和熵分析，表明IHX可以降低最佳P_dis，并且在较低的环境温度和较高的水温下效果更明显。He等人[6]将压缩机操作限制作为IHX评估的约束条件，确认其影响（无论是有益还是有害）在很大程度上取决于运行条件。Fang等人[11]进一步强调了安全问题，指出过大的IHX会提高T_dis值，可能达到临界水平，从而影响系统性能。

鉴于这些与压缩机相关的限制，IHX的尺寸成为一个关键的设计参数。多项研究考察了IHX长度对系统行为的影响。Cho等人[12]报告称，当IHX长度从0增加到3米时，COP提高了9%。Otón-Martínez[13]和Kim等人[14]都证实，较大的IHX面积或长度可以提高COP并降低最佳P_dis。Cao等人[15]通过分析不同的进水温度进一步扩展了这项工作，得出结论：IHX可以提高COP并降低P_dis，但在高温供水条件下同时也会提高T_dis——这是一个关键的权衡。

虽然这些研究证实了IHX的情境依赖性优势和权衡，但关键的分析揭示了现有文献中的两个主要且相互关联的局限性。首先，评估指标主要是热力学的。COP仍然是中心且通常是唯一的评价指标[8]，[10]，[12]，[14]，[15]。虽然已经使用了熵分析[6]，[10]，但缺乏一个将经济成本与热力学性能相结合的统一框架来评估集成IHX的净经济价值。这导致了一个不完整的图景，因为COP的提高可能无法证明额外的资本和运营成本的合理性。其次，因此缺乏一种通用的、实用的选择IHX的方法。现有的工作提供了有价值的但零散的见解——表明优势取决于运行条件[6]，[9]，较大的IHX可以提高COP但会提高排气温度[11]，[13]，[15]，并且必须存在一个最佳尺寸。然而，它们没有提供一种系统的、定量的方法来确定在COP、$\stackrel{\text{gc}}{\text{Q}}$、T_dis和经济可行性之间取得平衡的最佳IHX尺寸，以适应不同的应用场景。

为了解决这些问题，本研究结合实验和理论方法，系统地研究了IHX在CO₂热泵系统中的影响和适用性。主要贡献如下：

(1)

在广泛的运行条件下进行实验分析，说明了IHX对热力学性能、熵效率（η）和E_D分布的影响，涵盖了亚临界和超临界循环。

(2)

引入了一个以单位产品熵成本为中心的统一熵经济框架。该框架将热力学性能与经济成本相结合，克服了以COP为中心的评估方法，实现了对IHX净经济价值的全面评估。

(3)

基于新提出的热回收指数开发了一种IHX选择方法，为不同应用中的优化IHX设计提供了理论和实际指导。这种基于新提出的热回收指数的方法为确定最佳IHX换热面积提供了实用的、定量的工具，平衡了能源效率、加热能力、操作安全性和经济可行性——直接解决了现有文献中系统设计指导的缺失。

实验系统和测试平台

本研究开发了一个实验性的超临界CO₂热泵系统。其工作原理如图1所示，其物理测试装置安装在焓差实验室中，如图2所示。系统的核心组件包括：一个双旋转压缩机（型号C-CV153H0P，理论排量为4.5立方厘米/转）；一个双管（同轴）气体冷却器，额定热交换能力为7.0千瓦，换热面积为0.88平方米。

亚临界循环

本研究通过两种代表性运行条件下的对比实验，评估了IHX对超临界CO₂热泵系统性能的影响。测试条件定义为：案例1（T_amb = 16°C，T_w,in = 16°C，T_w,out = 21°C）和案例2（T_amb = 6°C，T_w,in = 16°C，T_w,out = 21°C）。关键结果总结在表1中。

结果表明，集成IHX显著提高了