跨臨界CO₂空氣源熱泵因其節能高效、環境友好的特點而被廣泛應用，但其應用於採暖時，由於回水溫度較高導致系統節流損失較大，使得系統能效明顯下降，限制了其在實際工程應用。因此，課題組提出了一種CO₂空氣源熱泵耦合相變蓄熱供暖系統。利用TRNSYS軟體建立了系統的模擬模型，研究了系統的執行特性，並與基準系統的效能進行了比較。研究表明，系統在整個採暖期間的COP相比基準系統提高了6%。
01 系統原理
圖1 CO₂空氣源熱泵耦合相變蓄熱供暖系統
CO₂熱泵與相變蓄熱耦合供暖系統主要由熱泵機組和供回水系統兩部分組成，其供暖方式分為兩種：蓄熱模式和釋熱模式。
蓄熱模式：CO₂熱泵機組執行產生高溫熱水送入散熱末端供暖，回水進入相變蓄熱裝置，將餘熱儲存在相變材料中，回水溫度降低後，返回CO₂熱泵完成迴圈。此時電磁閥3關閉，電磁閥4開啟。
釋熱模式：此過程中CO₂熱泵停機，開啟供回水系統中的電磁閥3、電磁閥4及水泵，供暖末端回水經水泵進入相變蓄熱裝置，相變儲能器釋熱，回水被加熱後水溫升高最終返回使用者末端供暖。
02 系統TRNSYS模型及執行控制
基準系統和耦合供暖系統在TRNSYS模擬平臺中的執行控制主要針對CO₂熱泵機組、熱源側迴圈泵和負荷側迴圈泵三個部件，熱泵機組和熱源側水泵的啟停由水箱出水溫度控制。當水箱供向末端的出水溫度低於60℃時，熱泵機組和熱源側迴圈水泵啟動；高於60℃時，熱泵機組停機，熱源側迴圈泵關閉。室溫設定為18±2℃，當室溫低於16℃時，負荷側迴圈泵P2開啟，水箱持續向末端供出高溫熱水，直到室溫高於20℃，負荷側迴圈泵P2關閉，末端換熱停止。兩個系統的控制方法如圖2、3所示。兩個系統的TRNSYS模擬模型如圖4、5所示。
圖2 基準CO₂空氣源熱泵供暖系統控制模型
圖3 CO₂空氣源熱泵耦合相變蓄熱供暖系統控制模型
圖4 基準CO₂空氣源熱泵供暖系統模擬模型
圖5 耦合相變蓄熱裝置的CO₂空氣源熱泵供暖系統模型
03 結果分析
（1）供暖期內基準系統的供回水溫度平均為68℃/53℃，供回水溫差在15℃左右；耦合系統在蓄熱模式下系統供回水溫度平均值在66℃/45℃，釋熱模式時系統主要由相變裝置提供低溫熱量對建築進行供熱，供回水溫度均有大幅度降低，平均值在41℃/32℃。
圖6 基準系統供回水溫度
圖7 耦合系統供回水溫度
（2）基準系統機組COP平均值1.98，耦合系統機組COP平均值2.26，耦合供暖系統的CO₂熱泵機組COP平均值比基準系統提高14.1%
(a)基準系統
(b)耦合系統
圖8 兩種系統供暖期內機組COP變化
(3)CO₂空氣源熱泵耦合相變蓄熱供暖系統整個供暖期供熱量為5438kWh，耗電量2691kWh，COPsys為2.02。耦合系統總能耗與基準系統總能耗（2863 kWh）相比降低了6%，而COPsys提升了6%。
圖9 基準系統與耦合系統能耗對比
參考文獻：
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（西安交大建築節能研究中心）
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