跨临界CO₂空气源热泵因其节能高效、环境友好的特点而被广泛应用，但其应用于采暖时，由于回水温度较高导致系统节流损失较大，使得系统能效明显下降，限制了其在实际工程应用。因此，课题组提出了一种CO₂空气源热泵耦合相变蓄热供暖系统。利用TRNSYS软件建立了系统的仿真模型，研究了系统的运行特性，并与基准系统的性能进行了比较。研究表明，系统在整个采暖期间的COP相比基准系统提高了6%。
01 系统原理
图1 CO₂空气源热泵耦合相变蓄热供暖系统
CO₂热泵与相变蓄热耦合供暖系统主要由热泵机组和供回水系统两部分组成，其供暖方式分为两种：蓄热模式和释热模式。
蓄热模式：CO₂热泵机组运行产生高温热水送入散热末端供暖，回水进入相变蓄热装置，将余热储存在相变材料中，回水温度降低后，返回CO₂热泵完成循环。此时电磁阀3关闭，电磁阀4打开。
释热模式：此过程中CO₂热泵停机，开启供回水系统中的电磁阀3、电磁阀4及水泵，供暖末端回水经水泵进入相变蓄热装置，相变储能器释热，回水被加热后水温升高最终返回用户末端供暖。
02 系统TRNSYS模型及运行控制
基准系统和耦合供暖系统在TRNSYS仿真平台中的运行控制主要针对CO₂热泵机组、热源侧循环泵和负荷侧循环泵三个部件，热泵机组和热源侧水泵的启停由水箱出水温度控制。当水箱供向末端的出水温度低于60℃时，热泵机组和热源侧循环水泵启动；高于60℃时，热泵机组停机，热源侧循环泵关闭。室温设置为18±2℃，当室温低于16℃时，负荷侧循环泵P2开启，水箱持续向末端供出高温热水，直到室温高于20℃，负荷侧循环泵P2关闭，末端换热停止。两个系统的控制方法如图2、3所示。两个系统的TRNSYS仿真模型如图4、5所示。
图2 基准CO₂空气源热泵供暖系统控制模型
图3 CO₂空气源热泵耦合相变蓄热供暖系统控制模型
图4 基准CO₂空气源热泵供暖系统仿真模型
图5 耦合相变蓄热装置的CO₂空气源热泵供暖系统模型
03 结果分析
（1）供暖期内基准系统的供回水温度平均为68℃/53℃，供回水温差在15℃左右；耦合系统在蓄热模式下系统供回水温度平均值在66℃/45℃，释热模式时系统主要由相变装置提供低温热量对建筑进行供热，供回水温度均有大幅度降低，平均值在41℃/32℃。
图6 基准系统供回水温度
图7 耦合系统供回水温度
（2）基准系统机组COP平均值1.98，耦合系统机组COP平均值2.26，耦合供暖系统的CO₂热泵机组COP平均值比基准系统提高14.1%
(a)基准系统
(b)耦合系统
图8 两种系统供暖期内机组COP变化
(3)CO₂空气源热泵耦合相变蓄热供暖系统整个供暖期供热量为5438kWh，耗电量2691kWh，COPsys为2.02。耦合系统总能耗与基准系统总能耗（2863 kWh）相比降低了6%，而COPsys提升了6%。
图9 基准系统与耦合系统能耗对比
参考文献：
Zhihua Wang,Yujia Zhang,Fenghao Wang,Guichen Li. Research on the characteristics of CO₂ heat pump integrated with thermal energy storage for space heating[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2021（西安交大建筑节能研究中心）
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