引言我国目前现有的生产能源中，化石燃料仍占据大部分市场，清洁能源的比例较低，我国仍面临环境污染以及能源缺乏的问题。一系列节能减排相关的规范规定，表明我国将大力推进清洁能源设备的市场应用。而传统的热水制热设备（如燃油锅炉、燃气锅炉等）因为污染能耗问题已不符合国家提出的节能减排的要求［1］。为了响应国家《大气污染防治行动计划》［2］的政策要求，提高人们的生活品质，提出设计一种以CO2为媒介的热泵热水系统技术。由于建筑需要全年供应热水，CO2热泵作为一种新型热源技术，具有较高的排气温度和温度滑移，同时又具备节能环保、制热高效的特点，通过采取“大温差小流量”的高效运行方式可提高供热能力，可以实现降低水力损失，减少电力消耗，延长输送距离［3-4］。1CO2跨临界循环系统1.1CO2工质优势以CO2作为制冷剂的热泵，其工质与传统的 R410a 和 R407c 等常规制冷剂相比，具有极大优势。一方面，CO2是天然工质，获取途径容易，价格经济，相容性好，安全性好，并且不会造成污染。同时作为制冷剂实现了 CO2的资源化利用，有利于降低CO2的排放量、温室效应等环境问题。另一方面，CO2具有良好的热物性，其临界温度只有31.1 ℃，因此这一性质决定了CO2循环会在超临界点区域附近工作。当然在跨临界循环工况下可以生产更高温度的热水［5-7］，作为热泵热水器使用时，具有比常规热泵更高的能效比和更高的出水温度，同时噪声也降低许多。1.2工作原理CO2跨临界循环系统工作原理图如图1所示。该系统主要是利用逆卡诺循环使低温低压的CO2制冷剂气体进入压缩机被压缩到超临界，经过气体冷却器被冷却介质冷却，放出的热量用来加热自来水，形成的高压气体在回热器中再次被冷却，变成了低温中压的液体，再通过节流阀节流降压，将制冷剂变成低温低压的液体，然后送入蒸发器，汽化后进入贮液器成低压饱和蒸汽，再进入回热器吸热，成为过热蒸汽后进入压缩机中［5］完成循环。通过这一循环，实现能量的转移过程而非能量转换。因此，机组的运行费用低，仅需消耗少量的电能即可达到理想的效果，环保节能效果显著。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.011.F001图1CO2跨临界循环系统工作原理2系统方案设计2.1基本参数北方某建筑物浴室日用水量5 t，设定供水温度60 ℃，回水温度25 ℃，该地区冬季室外环境温度可达-16 ℃～-12 ℃。2.2系统计算选型根据实际工作情况，规定热水系统中的冷进水温度和需要的热供水温度以及每天所需生产的水量。假定此系统每天日用水量5 t，冷进水温度10 ℃，热水出水温度60 ℃。计算出加热冷水的热负荷为：Q=cmΔt (1)式中：Q——热量，kJ；c——比热容，J/（kg·K）；m——质量，kg；Vt——进回水温差，℃。Q1=Qh (2)式中：Q1——热负荷，kW；h——时间，s。水的比定压热容按4.187 J/(kg·K)计算，得出热量为1 046 750 kJ ，热负荷为290.7 kW。考虑到系统全年运行，环境温度对机组的影响和负荷计算的结果选取尚龙环境科技有限公司型号为FBDKY-30超低温CO2热泵热水机组，常温名义下制热量为38 kW，COP可达4.5。压缩机选定为全封闭式CO2压缩机，额定功率为8.5 kW，能产生38.5 kW的热量。当在冬季低温工况下运行时，机组制热量为18 kW，COP可达2.3。机组台数计算：N=QT×W×3 600 (3)式中：N——机组数量，台；T——机组运行时间，h；W——名义工况下机组制热量，kW。按照每天所需热水量5 t/d，每天每台机组工作6 h，初始水温为10 ℃，出水温度60 ℃考虑得出只用1台热水机组即可满足用户热水需求。系统进水流量计算：G=0.86QΔt (4)式中：G为循环水流量，m³/h；Q为总热负荷，kW；Δt为供回水温差，℃。代入数据，得G=5 m³/h。系统扬程根据阻力损失计算：Hp=hf+hd+hm (5)式中：Hp——总阻力损失，Pa；hf——水系统总的沿程阻力损失，Pa；hd——水系统总的局部阻力损失，Pa；hm——设备主力损失，Pa。通过上面两个式子所得出的系统水流量和系统扬程，再根据管路情况，确定选取型号为HT-250E的循环水泵2台，1用1备。同时对于系统热水水箱的配置，根据用户热水设计工况，系统可配备1套大小为5 t的不锈钢聚酯保温热水水箱，用于实现热水循环加热及系统补水。控制系统可选用HAVVIT中央控制系统。管路可采用硅酸铝纤维模块进行保温处理，循环系统管材和阀件的参数和用量依据项目现场需求加以确定［9］。2.3系统运行模式10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.011.F002图2CO2热泵热水系统流程图整个系统包括CO2热泵机组、保温水箱、补水装置等设备和一系列配件。其运行模式如下：工作过程中市政给水处的水先经过硅磷晶软化器处理后进入到水箱中，随后被水泵送到热泵机组被加热后送回至热水箱，再由循环变频水泵将水箱中的热水送至浴室用户各处。回水进入水箱再次被热泵机组加热完成循环。同时回水的管路安装了温度传感器，时刻监测回水温度，当回水温度过低可自动选择开启辅助电加热，过高则可关闭电加热，降低功率。对于补水则通过控制系统检测水箱的液位来控制，当水量降低到浮球阀设定界限值时开启阀门进行补水，当水量上升到设定上限时则注水结束。当然制热系统中配备智能化控制器，以便对系统各个过程实时数据反映，从而进一步保证系统的正常供水运行。通过循环的机组优势可以实现全天的热水供应，北方冬季的防冻保护上也可以采取水泵低频运行实现。全自动智能控制根据热需求自动启停，不需专人值守，设备可通过远程控制平台对设备进行在线监测、实时分析设备运行数据、及时进行故障诊断，为设备的运维和技术支持工作提供充分的保障，同传统锅炉比较还能节省司炉工等人力成本。综合分析比较，新能源空气源热泵适合浴室的运行现状［8］。2.4性能优化由于系统是需要全年运行，尤其考虑北方冬季工况，室外温度较低，会导致设备制热性能下降，以及出现压缩机启动困难，排气温度高，除霜周期短等问题。可考虑结合压缩机中间补气、防高温喷液技术。采用喷射器系统用喷射器代替节流器件，通过将速度能转变为压力能也是提高系统性能的一种方法，同时也减小了系统的不可逆损失。对于除霜问题，可以考虑工业经常采用的热气旁通除霜技术，安装热气旁通阀，将高温高压的排气直接旁通到蒸发器中，同时也可结合热水的热量共同融化霜层。3经济性分析由于系统是需全年运转，通过资料查询到传统锅炉设备将1 t的冷水从10 ℃加热到60 ℃需要大概209 000 kJ的热量。根据设备的效率，以及所用能源的平均单价算出传统设备的日运行费用和年运行费用。电锅炉设备可由计算的设备热负荷和热效率算出电量费用。具体设备数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.011.T001表1设备运行情况对比设备燃油锅炉燃气锅炉电锅炉CO2热泵机组所用能源柴油天然气商用电商用电燃值43 890 kJ/kg35 112 kJ/m³3 600 kJ/kWh3 600 kJ/kWh热效率80%90%95%350%能源单价7.5 元/kg3.8 元/m³0.5 元/kWh0.5 元/kWh日费用235 元132.3 元153 元41.5 元年费用85 775 元48 289.5 元55 845 元15 147.5 元环保性差中优优安全性中差优优对比分析表1中不同热水制取设备的情况，同时考虑设备投资的费用，综合比较得出CO2空气源热泵是最合适的设备选择。CO2空气源热泵的应用既节约了能源、运行费用，而且能够实现自动化运行，维修方便，热效率高，环保性强，安全性也得以保障。4结语结合项目实际情况设计出一种节能环保型CO2热泵热水系统。实践证明该系统通过采用无污染的CO2作为介质，既响应国家环保相关政策，也可以实现全年的热水供应需求。采取“大温差小流量”的运行方式，同时针对系统在温度较低的北方效率低的问题以及除霜问题提供了解决方案。与其他热水设备进行对比后得出此系统具有运行稳定、安全、环保、制热效率高、具有明显的节能效应、全自动智能控制等优点，市场前景可观。