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摘 要：空气源CO2热泵是一种以 CO2作为冷媒的新型节能环保高效的制热设备，它以多重节能环保的优势，开启了绿色低碳技术的大门，其控制系统的好坏是整个设备安全、可靠运行的关键。该文中笔者根据自身工作经验，结合CO2热泵控制系统的实际运用，阐述了在CO2热泵控制系统设计中，如何从器件选型、相关电路的短路、缺相、过载、防雷保护等方面入手，通过合理设计，来达到提高CO2热泵控制系统安全性与可靠性的目的。
关键词：CO2热泵 安全性 可靠性
中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0075-01
空气源CO2热泵主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀装置等组成，工作时通过PLC控制，让冷媒（CO2）不断完成蒸发（CO2吸取空气中热量）-压缩-冷凝（CO2释放热量到水中）-节流-再蒸发的热力循环，从而将空气中的热量转移到水中。与传统冷媒相比，CO2有较高的单位容积制冷量、较好的传热性和流动性能，不会燃烧或爆炸，价格也相对便宜，并且维护起来方便等多方面的优点。CO2热泵运行过程中，控制系统是关键，因此在设计中，控制系统的安全性与可靠性设计十分重要。
1 CO2热泵控制系统中短路保护设计
短路保护设计是否得当直接影响着CO2热泵的安全性和可靠性。在CO2热泵控制系统设计中，综合安全可靠性、设备成本、空间等多方面因素，以及方便在发生事故或下一级保护设备失灵时能及时切断整个设备电源；设计时在系统总进线处设一断路器QF1做整个供电系统的总电源开关兼总短路保护；对风机M1、M2则分别用熔断器FU1和FU2作为短路保护；压缩机M3则设置一断路器QF2作为短路保护及电源开关，同时方便电路出现故障时的故障排查；水泵M5则因配备变频器，变频器能够进行短路保护，故水泵不需要加设短路保护；加热器R1、R2和直流电源PW1则分别设一断路器QF3、QF4作为短路保护；其具体设计见图1。
1.1 断路器的选型
由于整个CO2热泵控制系统负载情况都不是很大，其系统额定电流为50A左右，故本系统断路器选用微型断路器。QF3和QF4因负载为阻性负载和较低冲击电流的感性负载，故选择C类脱扣器；QF1和QF2因负载接通时有较高冲击电流，故选D类脱扣器。按照断路器额定电压、电流不小负载额定电流、电压的条件初步选定各断路器型号后，再经式（1）～（3）校验断路器分断能力和动作灵敏度确定各断路器型号：QF1为ABB的S204M-D63；QF2为ABB的S203-D50；QF3为ABB的S201-C20； QF4为ABB的S201-C6。
Icn≥Imax公式（1）；Imin≥KrelIset3公式（2）；Imin≥KrelIset2公式（3）
式中： Imax、 Imin为最大、最小短路电流；Krel为低压断路器过流脱扣器动作可靠系数，按GB50054-1995的规定取1.3，动作时间超过0.02S则取1.7；Iset3为低压断路器瞬时过流脱扣器的整定电流；Iset2为低压断路器定时限过流脱扣器的整定电流。
1.2 熔断器的选型
为满足CO2热泵的安全性与可靠性，根据风机的特点，结合熔体的反时限特性；按式（4）确定熔断器额定电流，初步确定熔断器型号后，再按式（5）、（6）校验熔断器的分断能力和灵敏度，最终确定熔断器型号为三力圆筒帽形gG熔体R054（5φ5）。
IN≥（1.5～2.5）In公式（4）；IN≥Imax公式（5）；Imin≥（4～7）IRT公式（6）
式中：IN为熔体额定电流；In为电路工作电流；IRT为熔断器熔体额定电流。
2 CO2热泵控制系统中过载和缺相保护设计
常用低压电器中，用作电动机的过载保护的器件一般有热继电器、反时限特性的过载脱扣器、反时限过流脱扣器、变频器和断路器等。在本设计中，M1、M2因是单相电机，且功率较小，故不需要设过载保护。M5因有变频器，故可用变频器做过载保护，M3电机则采用带断相保护的热继电器FR1为过载和缺相保护器。考虑M3电动机的工作环境、启动情况、负载性质等因素，一方面要充分发挥它的过载能；另一方面，要合理躲避电动机在短时过载与启动瞬间的影响。故热继电器FR1按公式IR=（0.95-1.05）IN（式中IR为热继电器额定电流；IN为电机额定电流）选取。
在以上的基础上还应保证：热继电器的整定电流应当可调，调整范围宜不小于其电流上限的20%；热继电器在7.2倍整定电流下的动作时间，应大于电动机的启动时间。根据以上要求，热继电器型号选择为ABB TA 75-DU。
3 CO2热泵控制系统中防雷设计
雷电对CO2热泵控制系统的破坏一般为：一，雷电通过感应雷或直击雷对系统造成破坏；二，雷电击中变电站或供电线路，通过供电系统对热泵控制系统造成破坏。针对CO2热泵控制系统的防雷，本文分别从内部和外部两方面着手，采用安装避雷针作为外部防雷，防止雷电直接击中热泵，避雷针的设计需要根据热泵安装的地点，采用滚球法确定避雷针的高度；在控制系统供电入口处装一浪涌保护器（SPD）作为内部防雷，防止雷电通过供电系统对控制系统造成破坏，同时还能抑制由于一些其他原因导致线路上的浪涌和瞬时过电压、泄放线路上的过电流。SPD则根据热泵安装位置所处防雷界面（LPZ）和周边环境，结合控制系统中各器件的耐冲击电压值，在合理选择SPD的类型等级、通流量Isn、电压保护水平Up和最大持续运行电压Uc后，确定型号为ABB的OVR BT2 3N-40-320 P。
4 结语
不合理的设计往往会带来很多问题，导致保护系统误动作或不动作，给设备和人身带来安全隐患，影响热泵工作效率。本文结合CO2热泵在日常中出现或可能出现的问题，用一些常用的电气设备，经过精确的计算和多方面综合考虑，通过相应的保护设计，提高了控制系统的安全性及可靠性，为设备安全、可靠运行提供了有力保证。
参考文献
[1] 郑贤德.制冷原理与装置[M].机械工业出版社，2001.
[2] 谢慧峰，姜周曙，黄国辉，等.热泵压缩机性能测试系统的开发[J].机电工程.2009（6）：71-73+95.
[3] 龚毅，梁志礼.跨临界CO2热泵系统性能的试验性研究[J].流体机械，2011（9）：66-69.
关键词：CO2热泵 安全性 可靠性
中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0075-01
空气源CO2热泵主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀装置等组成，工作时通过PLC控制，让冷媒（CO2）不断完成蒸发（CO2吸取空气中热量）-压缩-冷凝（CO2释放热量到水中）-节流-再蒸发的热力循环，从而将空气中的热量转移到水中。与传统冷媒相比，CO2有较高的单位容积制冷量、较好的传热性和流动性能，不会燃烧或爆炸，价格也相对便宜，并且维护起来方便等多方面的优点。CO2热泵运行过程中，控制系统是关键，因此在设计中，控制系统的安全性与可靠性设计十分重要。
1 CO2热泵控制系统中短路保护设计
短路保护设计是否得当直接影响着CO2热泵的安全性和可靠性。在CO2热泵控制系统设计中，综合安全可靠性、设备成本、空间等多方面因素，以及方便在发生事故或下一级保护设备失灵时能及时切断整个设备电源；设计时在系统总进线处设一断路器QF1做整个供电系统的总电源开关兼总短路保护；对风机M1、M2则分别用熔断器FU1和FU2作为短路保护；压缩机M3则设置一断路器QF2作为短路保护及电源开关，同时方便电路出现故障时的故障排查；水泵M5则因配备变频器，变频器能够进行短路保护，故水泵不需要加设短路保护；加热器R1、R2和直流电源PW1则分别设一断路器QF3、QF4作为短路保护；其具体设计见图1。
1.1 断路器的选型
由于整个CO2热泵控制系统负载情况都不是很大，其系统额定电流为50A左右，故本系统断路器选用微型断路器。QF3和QF4因负载为阻性负载和较低冲击电流的感性负载，故选择C类脱扣器；QF1和QF2因负载接通时有较高冲击电流，故选D类脱扣器。按照断路器额定电压、电流不小负载额定电流、电压的条件初步选定各断路器型号后，再经式（1）～（3）校验断路器分断能力和动作灵敏度确定各断路器型号：QF1为ABB的S204M-D63；QF2为ABB的S203-D50；QF3为ABB的S201-C20； QF4为ABB的S201-C6。
Icn≥Imax公式（1）；Imin≥KrelIset3公式（2）；Imin≥KrelIset2公式（3）
式中： Imax、 Imin为最大、最小短路电流；Krel为低压断路器过流脱扣器动作可靠系数，按GB50054-1995的规定取1.3，动作时间超过0.02S则取1.7；Iset3为低压断路器瞬时过流脱扣器的整定电流；Iset2为低压断路器定时限过流脱扣器的整定电流。
1.2 熔断器的选型
为满足CO2热泵的安全性与可靠性，根据风机的特点，结合熔体的反时限特性；按式（4）确定熔断器额定电流，初步确定熔断器型号后，再按式（5）、（6）校验熔断器的分断能力和灵敏度，最终确定熔断器型号为三力圆筒帽形gG熔体R054（5φ5）。
IN≥（1.5～2.5）In公式（4）；IN≥Imax公式（5）；Imin≥（4～7）IRT公式（6）
式中：IN为熔体额定电流；In为电路工作电流；IRT为熔断器熔体额定电流。
2 CO2热泵控制系统中过载和缺相保护设计
常用低压电器中，用作电动机的过载保护的器件一般有热继电器、反时限特性的过载脱扣器、反时限过流脱扣器、变频器和断路器等。在本设计中，M1、M2因是单相电机，且功率较小，故不需要设过载保护。M5因有变频器，故可用变频器做过载保护，M3电机则采用带断相保护的热继电器FR1为过载和缺相保护器。考虑M3电动机的工作环境、启动情况、负载性质等因素，一方面要充分发挥它的过载能；另一方面，要合理躲避电动机在短时过载与启动瞬间的影响。故热继电器FR1按公式IR=（0.95-1.05）IN（式中IR为热继电器额定电流；IN为电机额定电流）选取。
在以上的基础上还应保证：热继电器的整定电流应当可调，调整范围宜不小于其电流上限的20%；热继电器在7.2倍整定电流下的动作时间，应大于电动机的启动时间。根据以上要求，热继电器型号选择为ABB TA 75-DU。
3 CO2热泵控制系统中防雷设计
雷电对CO2热泵控制系统的破坏一般为：一，雷电通过感应雷或直击雷对系统造成破坏；二，雷电击中变电站或供电线路，通过供电系统对热泵控制系统造成破坏。针对CO2热泵控制系统的防雷，本文分别从内部和外部两方面着手，采用安装避雷针作为外部防雷，防止雷电直接击中热泵，避雷针的设计需要根据热泵安装的地点，采用滚球法确定避雷针的高度；在控制系统供电入口处装一浪涌保护器（SPD）作为内部防雷，防止雷电通过供电系统对控制系统造成破坏，同时还能抑制由于一些其他原因导致线路上的浪涌和瞬时过电压、泄放线路上的过电流。SPD则根据热泵安装位置所处防雷界面（LPZ）和周边环境，结合控制系统中各器件的耐冲击电压值，在合理选择SPD的类型等级、通流量Isn、电压保护水平Up和最大持续运行电压Uc后，确定型号为ABB的OVR BT2 3N-40-320 P。
4 结语
不合理的设计往往会带来很多问题，导致保护系统误动作或不动作，给设备和人身带来安全隐患，影响热泵工作效率。本文结合CO2热泵在日常中出现或可能出现的问题，用一些常用的电气设备，经过精确的计算和多方面综合考虑，通过相应的保护设计，提高了控制系统的安全性及可靠性，为设备安全、可靠运行提供了有力保证。
参考文献
[1] 郑贤德.制冷原理与装置[M].机械工业出版社，2001.
[2] 谢慧峰，姜周曙，黄国辉，等.热泵压缩机性能测试系统的开发[J].机电工程.2009（6）：71-73+95.
[3] 龚毅，梁志礼.跨临界CO2热泵系统性能的试验性研究[J].流体机械，2011（9）：66-69.