27研究篇1、前言我国的可持续发展面临着巨大的能源挑战。2014年，我国的煤炭消费量为24.7亿吨标准煤，如此巨大的能源消耗是温室气体排放、能源紧张的源头，降低能源消耗总量是缓解能源紧张的关键因素。在我国的能源消耗总量中，建筑能耗占总消耗量的25%，其中制冷、供暖等占建筑能耗的60%，在欧洲，室内制冷、供暖占总能耗的30%以上。随着我国经济水平的提高，室内制冷、供暖的能源消耗总量会不断提高。以北京为例，2010年全市供暖面积6.7935亿m2，到2015年，则达到了8.5亿m2，这使得2015年北京市供热能源需求为天然气63-68亿m3(不含热电厂发电用气)，煤炭需求为283万吨标煤(不含电厂发电用煤)。在能源消耗总量不断提高的情况下，环境要求却越来越高。调整优化供热用能结构，提高可再生能源供热面积是解决供暖引起的能源、环境问题的终极方案。热泵是通过消耗一定量的高品位能量，从空气、地表水、地下水和土壤中吸收低品位热量向建筑或设备提供供热需求的一种设备。对于蒸汽压缩式热泵，其性能系数COPH=提供的热量/消耗的功，由于世界各国目前的电力供应皆来源于天然气、煤、石油等一次能源燃烧反应，因此理论上当热泵的供热系数大于发电厂的发电效率的倒数时，相对于燃烧化石燃料热泵就是节能的。以CO2为工质的热泵系统与中深层地热采暖技术□二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室热科学与动力工程教育部重点实验室□清华大学热能工程系姜培学张富珍胥蕊娜王振川赵陈儒项目支持：国家863计划项目（2006AA05Z416）及教育部科学技术重大项目（306001）摘要关键词在我国北方城镇地区，采暖能耗在建筑能耗中占比最大，使得每到秋冬季节北方地区就深陷“霾伏”。提高用能效率和利用可再生能源是节能减排的两条途径。以CO2为工质的热泵系统是一种以自然工质为制冷剂的节能设备。本课题组从理论和实验两个角度对综合利用太阳能、空气能和地热能的CO2热泵在制冷、采暖以及制取热水方面的性能进行了研究。结果显示在制冷以及采暖应用方面，虽然CO2热泵的制冷系数和制热系数难以与传统制冷剂竞争，但是CO2热泵系统可以在更低的温度下工作，此外，如果采取将采暖和提供热水结合起来的分段供热和梯级用能设计，可有效提高CO2热泵系统的用能效率；CO2热泵在制取热水方面具有独一无二的优势，既可获得较传统制冷剂更高的热泵系数，还可制取传统热泵热水器难以企及的高温热水，并且在更低的温度下也可以正常工作。本文对中深层干热型采暖技术进行了初步的数值模拟和理论分析，认为在注入、产出井保温设计良好，地上供热体系管理完善的情况下，该技术具有一定的经济性。为了解决跨临界CO2/R134a热泵系统气体冷却器的设计和开发，我们对含油和不含油的超临界压力CO2/R134a在被冷却条件下在管内的流动和换热情况进行了多年系统的研究，本文简单介绍了研究结果并给出了摩擦压降和换热计算准则关联式。CO2；干热型采暖；热泵热水器；超临界压力流体研究表明当热泵的COPH等于4.0时，相对于燃气锅炉，一次能源节约率可达50%，温室气体减排量可达到45%；相对于燃煤锅炉，温室气体减排量近70%。因此合理利用热泵技术可降低一次能源消耗、减少温室气体排放。不同形式的热源各有其优缺点：空气的资源量丰富，但冬季时空气温度较低，热泵的性能系数不高；地表水和地下水品位及传热特性优于空气，但资源量不普及；土壤普及性高，品位也相对较好，但需要大量的土地面积用于埋设地埋管换热器，限制了其在住宅密度较大的城市地区使用。随着钻井技术的提高和成本的降低，从中深层干热岩中提取热量的供暖技术得以提出。针对不同的气候、资源条件及项目需求，正确选择热泵热源或将不同种热源耦合利用，以充分提高能量的利用率成为热泵设计的一个关键内容。本文以利用可再生能源供热为主旨，对本课题组开展的以CO2为工质的热泵系统和超临界压力流体在被冷却条件下的对流换热的理论分析和实验研究进行了介绍；对以中深层干热岩为热源的干热型采暖技术进行了初步数值模拟和可行性分析。2、以CO2为工质的热泵系统1992年，挪威技术大学的Lorentzen教授建立了世界上第一DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2016.02.00628特别关注TheSpecialFocus暖通空调节能台跨临界CO2循环汽车空调实验装置[1]。跨临界循环的提出，拓展了CO2逆循环的应用领域，使之从仅仅应用于船舶制冷的狭窄领域拓展到热泵供暖和热泵热水等领域。自Lorentzen教授提出跨临界CO2循环以来，许多研究机构和单位对CO2逆循环系统进行了理论分析和实验研究。Hwang和Radermacher[2]对跨临界CO2和R22热泵热水器的性能进行了对比研究。Liao[3]等建立了一个循环模拟模型，分析了气体冷却器中CO2冷却压力对热泵系数的影响。Aprea等[4]对最优排气压力问题进行了实验研究，研究结果表明，COP与排气压力、气体冷却器CO2出口温度、蒸发温度、过热度、压缩机绝热效率等有关，并给出了最优运行压力的实验关联式。Fernandez[5]实验研究了环境温度和热水出口温度对CO2热泵热水器性能系数的影响，认为高环境温度和低出水温度都有利于CO2热泵热水器性能系数的提高。Cecchinato等[6]对CO2循环和R134a循环进行了理论分析，认为如果能保证热水蓄水箱具有良好的温度分层以及较大的气体冷却器传热面积，则CO2循环的热泵效率将高于R134a。近年来，CO2热泵的应用研究和商业化应用也得到广泛开展。日本热泵蓄热中心的研究报告表明，采用热泵技术可以使CO2的排放量降低10%，相比于现有热泵热水器，可多减排2%，加之日本政府的补贴，CO2热泵热水器自2001年进入日本市场以来销量持续上升，并开始向欧盟地区出口。国内外对CO2热泵的研究以空气源为主，Neksa等[7]研制开发了CO2跨临界冷暖空调样机；Klocker等[8]研究了CO2作为工质在衣物干燥领域的应用；Richter等[9]研究了CO2热泵在民用住宅的应用前景。在教育部科学技术重大项目、国家863计划项目、国家自然科学基金项目和北京市科委员项目等的资助下，本课题组系统开展了综合利用太阳能－空气源或土壤源的跨临界CO2热泵热水与空调系统的理论及实验研究[10]，对超临界压力CO2在循环的温度区间和压力区间内被冷却时的换热及流动特性进行了实验和数值模拟研究，得到了相应的对流换热以及流动阻力的计算准则关联式[11-13]，为CO2逆循环系统换热设备的设计与强化传热提供了科学依据。2.1综合利用太阳能-空气源的跨临界CO2热泵热水与空调系统研究对于空气源的CO2制冷循环，室外温度环境一般在28℃以上，而CO2临界温度较低（30.978℃），因此冷却过程一般发生在超临界区，其循环lgp-h图如图1所示。对于跨临界循环，CO2的放热过程温度与压力相互独立，因此有最优冷却压力存在，图2示出了制冷工况时空气源CO2制冷循环的制冷系数随冷却压力的变化。可见空气源跨临界CO2制冷循环的理论制冷系数在最优运行压力下约为2.2，远低于同样工况下，饱和循环的R22、R134a的理论制冷系数。因此空气源的CO2制冷/热泵采暖循环从能源消耗上来说相对于氟利昂类制冷剂是不利的。但是作为热泵而言，跨临界CO2热泵系统可以在很低的环境温度下工作，这是传统制冷剂所难以做到的。图1跨临界空气源CO2制冷循环图2空气源CO2制冷循环的COP随冷却压力的变化2006年本课题组承担了教育部科学技术研究重大项目“综合利用太阳能-空气源的跨临界CO2热泵热水与空调系统研究”的研究工作，建立了试验样机（图3），针对综合利用太阳能和空气复合热源、以跨临界CO2为工质的热泵热水及空调系统开展深入的实验研究和理论分析，开发出了性能可靠、适合批量生产的气体冷却器、蒸发器、内部换热器等耐高压的系统部件。由于跨临界CO2热泵系统的高压高温特性，相比于常规热泵系统，可以获得超过90℃的热水。实验中当获取47.4℃的热水时，制热系数达3.27，而在获取72.2℃的高温热水时，制热系数仍然可达2.84。这充分说明跨临界CO2热泵系统在高温热泵领域的优势，对于所需温度范围大约在50～100℃左右的供暖、热水等民用热泵领域，可充分的推广使用。图3综合利用太阳能-空气源的跨临界CO2热泵热水与空调系统[]图4气体冷却器出口温度对系统性能系数的影响曲线[10]29研究篇图4给出了给定高压侧压力和蒸发温度时，CO2跨临界热泵系统的制冷性能系数COP随气体冷却器出口温度变化时的实验结果。可见，随着气体冷却器出口温度的升高，系统的制冷性能系数COP呈下降趋势，即气体冷却器出口温度越高，系统性能系数越低。因此，在CO2跨临界循环系统的设计过程中，应在满足制冷制热需要的前提下，尽量降低气体冷却器的出口温度，进而提高系统性能系数。2.2综合利用太阳能-土壤源的跨临界CO2热泵热水与空调系统研究对于采用土壤为热源的地源制冷循环，冷却水采用地埋管循环水，在北京地区，土壤温度为14℃左右，夏季制冷时冷却器出口温度可保证在30℃以下，冬季制热时可使蒸发温度在0℃以上，有利于提高系统的性能。2006年12至2008年，本课题组承担了国家863计划项目“太阳能辅助土壤源跨临界CO2空调与热泵热水系统研究”。在研究过程中建立了如图5所示的实验系统。埋管系统为3个70米深的孔，间距5.0米。换热孔下入单U型换热管，换热管采用直径32mm聚乙烯管。沿孔深间隔相同距离布置测温点，孔间20m深处均匀布置6个测温点（如图6所示）以观察土壤温度的变化情况。实验设计该系统可进行制热、热水、制冷等5种运行模式。图5实验系统图[14]图6土壤钻孔及温度测点分布图[14]土壤源换热器单独工作时，在采暖工作模式下，压缩机功率、制热量和COPH随着排气压力的变化示于图7。由图可见，热泵的COPH先上升后下降，当排气压力在9~10MPa范围内时，COPH达到最大，约为3.4。图7压缩功、制热量和COPH随压缩机排气压力的变化[15]土壤源与太阳能串联的CO2热泵采暖模式，是在白天日照较充足的时候，将土壤和太阳能同时作为热泵的低温热源，循环水由蒸发器出来后，先流经土壤源埋管换热器，然后经过太阳能水换热器进一步加温，再重新流回蒸发器。由于太阳能的进一步升温，使得CO2循环的蒸发温度比单独利用土壤源要高，这就使得实验系统整体性能COPH也有明显的提高：太阳能辅助土壤源模式运行时间段内，平均COPH达到3.41，而单独利用土壤源模式的COPH为3.35。图8不同流量及热水出水温度下COPH随排气压力的变化课题组同时开展了土壤源CO2热泵制取热水的实验研究，图8示出了不同流量及热水出水温度下COPH随排气压力的变化。可见在热水出水温度为47℃时（一般家庭用淋浴热水温度范围45-55℃），热泵系数高达4.6，而即使在高达85℃的出水温度下，热泵系数也在2.8以上，其相对于电加热可节能60%以上[15]。图9土壤钻孔和埋管出水温度随时间变化情况（太阳能辅助与单独利用土壤源对比）图9示出了土壤钻孔和埋管出水温度随时间变化情况。可见，采用太阳能辅助土壤源的运行模式，在冬季连续供暖的过程中可以防止土壤源温度降低得过快，而导致系统效率降低。2.3CO2热泵热水器由于CO2的临界温度较低，使得其作为热泵工质时放热过程一般不是定温冷凝，而是在CO2气体冷却器内的定压冷却，该过程有一个显著的温度滑移，当这一变温冷却与被加热流体（如自来水）的变温加热的温度变化正好匹配时，就有望通过采用逆流换热而减少不可逆损失，CO2热泵的这一特点可能使其较其它制冷剂更适合应用于有较大温度提升的热水器。30特别关注TheSpecialFocus暖通空调节能图10CO2热泵热水器2011年，本课题组承担了北京市科委的科技研发机构创新能力提升项目，在研究过程中，课题组研发了一台压缩机功率为1.5kW的CO2热泵热水样机（图10）。其整体尺寸为520mm×600mm×1150mm，当出水温度为55℃时，热泵系数为2.89。高压、系统匹配性，换热器的换热能力与加工是制约其性能的问题。目前，在系统中加装喷射器的工作正在展开。依据课题组所做的模拟，该方法能使制冷循环的性能提高22%[16]。2.4系统性能的改善2.4.1分段冷却、梯级供能理论分析和实验研究表明在采暖应用方面，无论是采用空气、土壤源还是地下水，CO2跨临界循环的性能仍然低于氟利昂类制冷剂。分段冷却、梯级供能的设计方法可改善这种状况，其基本思路如图11所示。气体冷却的高温段用于加热采暖回水，而余下的热量用于提供入口温度较低的洗浴用水。这样可使CO2在气体冷却器中得到充分放热，提高热量的利用率，从而使性能系数得到提高。2.4.2内部换热器对系统性能的影响以CO2为工质的制冷、热泵系统的普遍推广取决于系统开发成本的降低以及性能系数的提高。采用内部换热器（回热器）可以改善系统的性能。但是，内部换热器对不同的工质作用效果不尽相同，对于一些工质及其特定工作条件来说，采用内部换热器是可提高系统的性能的，而对于另一些工质或对某些特定的工作条件来说，却会降低性能系数[17]。图11不同排气压力下COP随气体冷却器出口温度的变化[18]针对内部换热器对CO2热泵系统性能影响的研究，大部分集中于跨临界循环且被加热介质入口温度较高，而受外界热沉的影响CO2逆循环既可能是亚临界循环也可能是跨临界循环，而且由于气体冷却器的设计参数和运行能力不同，在相同的被加热流体入口温度下，CO2被冷却的程度可能不同，即CO2出口温度是一个相当于传统热泵系统中的冷凝温度的参数，其同样会影响系统的性能。本课题组针对CO2特殊的热物性以及在超临界区冷却时温度与压力相互独立的特性，研究了在不同的气体冷却器CO2出口温度和压力下内部换热器对系统性能的影响。研究表明当CO2逆循环处于亚临界区或用于被加热水入口温度较低的热水器运行模式时，采用内部换热器反而会使系统的性能系数降低。对于夏季制冷和冬季供暖的CO2逆循环，CO2在气体冷却器内的冷却终态温度通常较高，CO2回热循环的性能系数比饱和循环要高，即内部回热器有利于系统性能的改善。图11示出了不同冷却压力下，过热度为0和10℃时（过热度ts=0℃，表示不采用内部换热器），随着气体冷却器出口CO2冷却终态温度的变化，热泵供热系统的性能系数的变化情况。可见，在低出口温度时，采用内部换热器时循环的COP高于基本循环的COP，但当气体冷却器出口温度较高时，采用内部换热器时循环的COP低于饱和循环的COP，所以对于给定的排气压力和蒸发温度，存在一个所谓的“转换温度”[17]。当CO2气体冷却器的出口温度低于转换温度时，内部换热器的采用有利于循环性能的改善，当CO2气体冷却器的出口温度高于转换温度时，内部换热器的采用反而会降低循环性能。3、中深层干热型地热供热技术我国是一个地热资源较丰富的国家，推广浅层地热能开发利用，推进中深层地热能综合利用是实现可持续发展的重要途径。地热资源主要分为水热型和干热岩型。水热型中低温地热仅占地热资源的极小部分，而中高温干热岩地热资源在地球上的蕴藏量丰富且温度高。地下200m以内土壤的温度较低，一般不高于50℃，需借助热泵技术提高温度后供热。地埋管热泵在北方地区需要大量的土地面积以埋入取热管道，高层建筑没有足够的占地面积，无法埋入足够的取热管道，因此限制了此种方法的应用。中国中高温地热资源丰富，位于3~10km深处干热岩资源温度品位较高，可用于发电。而位于地下200-3000m的岩层，若温度仅有几十或上百度，不足于开发用来发电，但其温度品位正好属于供热范畴，如果能够开发用于供热，则可从根本上彻底解决北方地区的供热问题。干热型地热供热是利用钻井技术向地下1-3km深度钻孔，下入高效换热管，流体在管中流动，从周围岩石提出热量，用于建筑采暖的一种技术。由于该技术对应的取热地层较深，一般位于没有地下水的岩石或沙土中，且流体在管内流动并不与周围岩石接触，故称之为干热型采暖技术。图13示出了一个套管式地热换热器模型，回水由外管注入，沿程从岩石中吸收热量，吸热后的流体由内管返回。研究表明，31研究篇图14冷却条件下超临界压力CO2在竖直细圆管中对流换热实验台及实验段示意图4.1润滑油对超临界压力CO2流动及对流换热影响研究对摩擦压降的研究表明：当超临界压力CO2中不含润滑油时，摩擦阻力系数的实验结果与Petukhov提出的考虑热物性影响的关联式（1）很好地吻合（图15（a）所示）。（1）式中：在相同流体温度下，相比于不含油工况，润滑油的加入会使摩擦压降增大，且润滑油含量越多，摩擦压降增加幅度越大（图16（b）所示）。当CO2流体处于类液态（Tb<Tpc）时，润滑油的影响并不显著；但是当流体温度高于准临界温度，流体处于类气态时，润滑油使摩擦阻力增大的现象更显著。随着温度的升高，CO2与润滑油密度差增加，液态润滑油液滴分散在类气态的CO2中，使得CO2和油滴接触界面的粗糙度增加，进而使得润滑油对摩擦压降的影响随CO2流体温度的增加而增大。通过对摩擦阻力的实验结果进行数据分析，得到了用于计算混有少量POE型润滑油的超临界压力CO2在气体冷却器中放热过程的摩擦阻力计算准则关联式如下：（2）（a)不含油(b)含油图15摩擦压降的实验结果与Petukhov关联式的比较din=1.98mm,p=8MPa,G=1200kg/m2s,Tpc=34.6℃通过对对流换热实验的结果进行数据分析，得到了用于计算混有少量POE型润滑油的超临界压力CO2在气体冷采用地板辐射供热时，按目前钻井固井技术及费用，当产出水的温度超过52℃时，即可达到经济平衡。在项目实施时，由于产出流体直接通过板换加热供热回水后温度仍然很高，此时可按照温度对口，梯级利用的用能原则，采用直接暖气片散热、地板辐射供暖及热泵供暖相结合的方法，充分高效地利用地热能。图12干热型地热采暖计算模型图13距离井中心1m处岩石的温度随时间的变化情况图13示出了当回灌温度为20℃时，1500m深处，距离井中心1m处岩石的温度随着时间的变化，模拟时假设年供暖时间为120天。在此模拟工况下，70年运行期内，产出流体的平均温度为59.6℃。在产出水直接通过板换供热后，又采用了3级热泵进一步提出热量，经过衡算，单井可为6750m2的建筑提供供暖且有收益。该技术的关键包括通过流动传热计算以及与地上供暖系统的耦合计算，确定注入及产出井参数、井筒保温措施、流体循环参数以及地上能量利用管理体系。该供热方法的优点包括：（1）利用中深层地热能为供热热源，无需燃烧煤、天然气等化石燃料，无污染物排放；（2）与传统的地埋管热泵技术相比，钻孔深度深，提取温度高，无需大量的埋管面积，可在建筑密集区大量使用；（3）经过地下换热设计，井之间保持合理经济的距离，防止了相互热干扰降低使用寿命的问题，在保证管材使用寿命的情况下，井系统的使用寿命理论上可达到70年，与建筑使用寿命相当；（4）不受地域限制，无论是北方严寒地区还是中东部都可实施。4、超临界压力流体对流换热研究CO2热泵的关键部件包括压缩机和两器（蒸发器和气体冷却器）。在气体冷却器中，超临界CO2向被加热介质供热，本身被冷却。通过理论和实验研究得到超临界CO2在气体冷却器中的流动换热规律是进行气体冷却器设计和开发的关键。本课题组针对超临界压力流体在不同领域的具体应用，采用实验研究、理论分析与数值模拟相结合的研究方法分别对冷却工况和加热工况下超临界压力流体管内流动和对流换热进行了研究[19-22]。在实际应用中，从压缩机中泄露的润滑油与工质混合后，会影响气体冷却器中工质的流动与换热。本课题组对冷却工况下超临界压力CO2/R134a在含有少量润滑油时对细圆管内流动的摩擦压降和对流换热的影响进行了实验研究[22]，实验台及试验段示于图14。32特别关注TheSpecialFocus暖通空调节能却器中放热过程的对流换热经验关联式如下[20]：当Tb/Tpc>1（3）当Tb/Tpc<1其中hCO2为用Dang-Hihara关联式计算所得的不含润滑油时冷却工况下超临界压力CO2流经圆管的对流换热系数，ω为润滑油含量，Tpc为准临界温度。4.2润滑油对超临界压力R134a流动及对流换热影响研究与目前跨临界循环热泵空调系统中使用较多的CO2工质相比，氟利昂类工质临界压力较低，临界温度较高，可在较低的工作压力下实现跨临界循环，克服了CO2放热压力高，易泄漏的缺点。本课题组对超临界压力R134a在不锈钢圆管中放热过程流动与对流换热特性进行了实验研究，结果显示摩擦压降随工质温度的增加而增大，当流体温度在准临界温度Tpc附近时摩擦压降有显著增大；当工质温度接近或大于Tpc时，摩擦压降随压力的升高而降低，而当工质温度Tb<0.9Tpc时，压力对摩擦压降的影响不显著。Petrov-Popov关联式能够较好地预测实验测得的摩擦阻力。5、结论（1）以CO2为工质的热泵系统可用于采暖和提供热水，尽管在用于采暖时热泵系数比传统制冷剂低，但是以CO2为工质的热泵系统可以在低温下工作，此外，针对具体项目进行合理的设计，采用分段供热、梯级用能的方式可提高系统的能量利用效率。（2）CO2热泵在作为热水器方面具有独一无二的优势，是CO2热泵的主要开发方向。（3）中深层干热型采暖技术在保温设计合理、地上能源管理体系与地下取热很好耦合的情况下具有一定的经济收益。（4）含有润滑油的超临界CO2在管路中的流动摩擦阻力增加、换热系数减小，本文列出了计算关联式，可为CO2换热器的开发提供技术支持。参考文献:[1]LorentzenG.TranscriticalVapourCompressionDevice[P].PatentWO90/07683,1990.[2]Hwang,Y.,Radermacher,R.,Theoreticalevaluationofcarbondioxiderefrigerationcycle,InternationalJournalofHVAC&RResearch,1998,4(3):245–263.[3]LiaoS.M.,ZhaoT.S.,JakobsenA.,Acorrelationofoptimalheatrejectionpressuresintranscriticalcarbondioxidecycles,AppliedThermalEngineering,2000,20:831-841.[4]ApreaC.,MaiorinoA.,AnexperimentalevaluationofthetranscriticalCO2refrigeratorperformancesusinganinternalheatexchanger,InternationalJournalofRefrigeration,2008,31:1006-1011.[5]FernandezN.,HwangY.,RadermacherR.,ComparisonofCO2heatpumpwaterheaterperformancewithbaselinecycleandtwohighCOPcycles,InternationalJournalofRefrigeration,2001,33:635–644.[6]Cecchinato,L.,Corradi,M.,Fornasieri,E.,Zamboni,L.,Carbondioxideasrefrigerantfortapwaterheatpumps:acomparisonwiththetraditionalsolution,InternationalJournalofRefrigeration,2005,28(8):1250–1288[7]NeksaP.,CO2heatpumpsystems,InternationalJournalofRefrigeration，2002，25：421–427.[8]KlockerK.,SchmidtE.L.,SteimleF.,Carbondioxideasaworkingflu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