二氧化碳热泵技术的发展及应用案例分析

CO₂跨临界热泵循环,其制冷剂工质为CO₂,不可燃,无毒,无刺激性气味,零臭氧层破坏能力（ODP=0）以及微乎其微的温室效应（GWP=1）而对环境无害,可从工业生产中回收,逐渐成为被广泛应用的热泵技术。本文从国内外CO₂热泵技术的研究现状及应用现状出发,总结概述了目前典型的CO₂热泵循环系统应用案例,如单级压缩供给加用热水系统、双级压缩带中间补气供给家用热水系统、家用供暖及供给热水于一体的双热泵单元家电辅热系统、大型公用建筑用CO₂热泵系统,并从系统层面对影响CO₂热泵循环系统效率的相关热力学参数进行循环分析,如水箱进出水温度、气冷器水流量、系统的制冷剂充注量等参数的控制。以期为未来CO₂热泵技术在中国的发展、进一步研究和应用设计提供一些参考和依据。     

单缸补气转子式压缩机在热泵系统中制热性能

利用中间补气技术将单缸滚动转子式压缩机应用于空气源热泵系统中,系统地研究以R410A为冷媒的热泵系统在变频、变补气压力工况下制热性能的变化规律。实验结果表明：中间补气系统的制热量及系统功率均随着压缩机频率f、中间补气压力p_inj的增加呈上升趋势,同频率下系统功率则以线性方式增长,而系统制热量随着补气压力及频率的增大,其相对增长率逐渐减小。因此COP_h在低频时存在最佳补气压力,而在高频时无极值点;与单级压缩系统相比,在800~1200 kPa、50~80 Hz范围内,中间补气系统的制热量、功率、COP_h最大提升分别为27.55%、30.75%、7.1%。随着频率及补气压力的增加,系统COP_h下降,因此中间补气技术应与合理的控制策略相结合,可使中间补气系统达到节能高效的目的。     

CO2跨临界循环冷热联供机组性能实验研究

采用CO₂跨临界循环水-水热泵技术，测试了CO₂跨临界循环冷热联供机组的性能特点。通过调节压缩机频率、电子膨胀阀开度、蒸发器侧乙二醇水溶液进口温度与气冷器侧进水温度等方式，测试该机组在以制热为主要目标时最优排气压力的变化，以及不同参数对制热量、制冷量、制热COP_h与系统综合能效COP(制热COP_h与制冷COP_c之和)的影响规律。研究结果表明：在额定工况下，压缩机频率从80 Hz增加到120 Hz时，系统最大制热COP_h从3.9降到3.3;当乙二醇水溶液进口温度升高、气冷器进口水温降低时，系统的制热COP_h以及系统综合能效COP都随之升高。机组同时供冷供热可明显提高系统综合能效，经济性好且节能效果显著。文中的研究成果对于屠宰、酿造等同时具有冷热需求的行业推广应用CO₂冷热联供机组具有参考价值。     

跨临界CO2热泵单/双级切换性能优化对比分析

为提高跨临界CO₂热泵系统在不同地区采暖的能效和经济性,提出STSHPS(单、双级切换的热泵系统),并与BASE(单级压缩热泵系统)和TSHPS(双级压缩热泵系统)进行对比,通过建立各循环系统的热力学、环境性以及经济性模型,从不同角度进行分析。研究结果表明：设计工况下,环境温度为3℃时,双级压缩系统的C_OP(制热性能系数)大于单级压缩系统,即环境温度为3℃可作为单双级切换的条件;在乌鲁木齐采用STSHPS碳排放所造成的成本与BASE相比降低22%;STSHPS在单级压缩运行时采用2台压缩机交替运行的方式,初始成本经过折算与TSHPS相比降低26.9%—66.7%;在设备运行15 a后,3个城市的累计总费用,STSHPS与TSHPS和BASE相比降低5.3%—16.8%和1.8%—13.5%。STSHPS的能效、环保性能以及经济性均是3个系统中最好的,优势比较明显。     

一种带引射器和经济器的CO2跨临界制冷系统

在蒸发温度较低的工况下,CO₂跨临界循环高低压差过大,运行效率下降。针对CO₂跨临界循环特性,提出了一种带引射器和经济器的CO₂跨临界制冷系统,通过引射器部分回收工质膨胀功减小能量损失,可增加制冷量;合理设计CO₂压缩机和中间补气孔,采用经济器进行中间补气可减少系统压缩过程的能量损失。构建了热力学模型,研究表明该系统在较低蒸发温度工况下,相比于基础CO₂跨临界制冷系统系统性能可提升40%左右,其中压缩机排气温度可降低40℃左右,有利于系统稳定运行。同时对准二级压缩过程中分段效率计算问题提出近似公式,在一定范围内相比于传统计算方式误差从5%降低至2%。     

CO2/HCs混合工质亚临界与跨临界循环的性能分析

为了研究CO₂/HCs混合工质应用于热泵系统的性能，建立单级带节流阀亚临界循环和跨临界循环数学模型，分析了CO₂/R170,CO₂/R1270,CO₂/R290,CO₂/RC270 4种混合工质的特性、不同混合工质配比对循环制冷系数COP和高压压力的影响，以及蒸发温度和冷凝温度对循环性能的影响。结果表明：在亚临界循环中，性能最好的是CO₂/RC270,COP_c峰值为2.92,COP_h峰值为3.92,质量比在0.1/0.9左右，COP_c和COP_h分别比其他2种工质高出了9%、26%和7.1%、18%。在跨临界循环中，CO₂/R1270当质量比为0.96/0.04时，COP_c最大值为3.2,COP_h最大值为4.2; CO₂/R290能有效降低高压压力，当循环的高压压力在7.5 MPa下时...     

基于滚动转子式补气压缩机的准二级压缩热泵系统热力学分析

在Tod=-10℃工况下调节压缩机工作频率及补气压力,实验研究R410A单缸滚动转子式压缩机系统的制热性能。试验测试系统采用双电子膨胀阀控制中间补气压力及压缩机吸气过热度。实验研究表明:随着补气压力的增加,中间补气系统的制热量逐渐增大,COPh呈现出先增加而后降低的趋势;而随着频率的增加,系统的制热量升高,系统COPh降低。相对于普通单级压缩系统,中间补气系统的制热量平均增长约26.1%,系统COPh在低频时最大提升幅度约为7.92%,在高频时其能效比相对较低。随着补气压力的增加,闪蒸器气液分离效率降低,部分液态冷媒经中间补气管道进入压缩机,中间补气系统性能降低且易产生湿压缩。因此在满足建筑物热负荷需求的同时,应合理控制中间补气压力及补气量。     

CO2跨临界热泵系统特性再分析

在原有研究的基础上，结合实际系统，本文对CO₂跨临界热泵系统的特性进行再分析，通过参数计算，分析回热温度、气体冷却器出口温度、运行压力三种因素如何影响系统性能，提出提高CO₂热泵运行效率的方法。分析结果表明：回热器并不总有效，而是与气体冷却器出口温度有关，当温度小于某临界值时回热会降低系统运行制热性能系数COP_h，当温度大于此临界值时回热则有助于提高COP_h；对应气体冷却器出口温度存在最优压力，但实际压缩机的可承受压力是有限的，导致系统在某些气体冷却器出口温度下不能在最优压力下运行，同时在不同的排气压力下，存在气体冷却器出口温度最高限定值，否则COP_h不合理也不可接受；热泵出水温度以及气体冷却器出口温度共同影响系统排气压力的选择。     

CO2及其混合工质双级回热朗肯循环

利用热力学仿真的方法建立双级回热朗肯循环系统模型，研究CO₂及其与R134a、R143a和R1234ze 3种有机工质组成的混合物在循环系统下的热效率和■效率。结果表明：当循环系统采用CO₂与R143a按3∶7摩尔比混合产生的混合物做循环工质时，系统热效率和■效率达到最高。相较CO₂工质循环，热效率提高了2.21%，■效率提高了5.17%；当循环系统采用混合工质时，热效率随着泵入口温度的减小而升高，随着膨胀机入口温度的增大而升高。当高温、低温循环系统的泵入口温度为23℃、高温循环系统膨胀机入口温度为303℃时，热效率最高；系统的■效率随着分流比的增大而升高，当分流比为0.64时，■效率达到最大为56.24%。     

一种冷热电联供和CO2捕集的联合动力循环

针对液化天然气(LNG)的冷能利用、天然气燃烧生成烟气的余热回收和烟气中CO₂的捕集问题，提出了一种冷热电联供的CO₂回热朗肯循环和三级有机朗肯循环联合动力循环(CO₂RRC-TORC)。采用Aspen HYSYS软件对系统进行模拟，分析了CO₂回热朗肯循环透平入口压力、三级ORC透平入口温度和压缩机出口压力对热力学性能的影响。结果表明：在CO₂质量流量为3.2 kg/s,透平等熵效率为75%时，系统净输出功可达2 425.57 kW,热效率为64.76%,冷■回收率为44.78%,■效率为42.57%,年度净资产为3 503 736.70美元。相较于CO₂回热朗肯循环和单级有机朗肯循环联合动力循环(CO₂RRC-SORC),CO₂RRC-TORC系统在热力学和经济性方面均具有更大优势。     

大功率二氧化碳热泵热水系统运行性能

在小功率CO₂热泵热水器的基础上设计与构建了一种大功率跨临界循环CO₂热泵热水系统。在该跨临界循环CO₂热泵热水系统中, 采用二级冷却套管式CO₂气体冷却器、双毛细管并联组合节流及设置回热器等技术途径, 用以提高系统的热力性能。在恒温环境实验室中测试分析了气候参数及运行参数对跨临界循环CO₂热泵热水系统稳态热力性能的影响。各种典型气候条件下系统日平均运行性能的测试结果表明, 根据气候条件合理地选取运行参数, 该系统具有优良的热力性能。系统的制热温度可在60~85℃选取, 在环境温度为4.1~27.3℃的气候条件下日平均性能系数(COP)在3.45~4.04之间。     

CO2跨临界热泵系统热力性能提升与经济性分析

CO₂跨临界热泵系统热力性能优化,往往其设备的初始投资成本会增加,在设备生命周期内其对总体费用的影响不明确。本文建立了常规CO₂跨临界热泵系统（BASE）、CO₂双级压缩热泵系统（TSCHPS）和CO₂/CO₂机械过冷热泵系统（MSHPS）的热力学与经济学模型,其中在经济学模型中定义了综合考虑设备初投资及运行费用的目标函数,研究了3种热泵系统在小温差风机盘管、地暖以及暖气片作为散热终端下热力性与经济性之间的关系,讨论了系统升级后的生命周期经济性变化。研究结果表明：在3种散热终端的系统名义工况下,TSCHPS、MSHPS的能效比（COP）均比BASE系统提升15%以上,但其生命周期经济性却不一定得到改善;BASE系统热力性与经济性之间相互关联,TSCHPS、MSHPS的热力性与经济性之间关联性不强;系统升级后的经济性变化与蒸发温度及供热量有关,给出了3种散热终端下不同应用范围内经济性最优系统。     

低温下提高CO2空气源热泵进水温度对系统性能的影响

在低温工况下,因跨临界循环CO₂热泵系统气体冷却器的进水温度和CO₂出口温度降低,压缩机吸气压力和温度随之降低。当系统的吸气压力低于压缩机的吸气压力下限时,将导致系统无法稳定运行。为了改变这种现象,采用在气体冷却器冷水入口处混水的方法,将热水箱的热水旁通至气体冷却器冷水入口。采用三通调节阀调节混水比例,适当提高气体冷却器的进水温度,以期实现系统在低温工况下的稳定运行。实验测试结果表明,采用混水方法不仅可保证低温工况下跨临界循环CO₂空气源热泵热水系统的稳定运行,同时可降低结霜频率,延长系统运行时间,但系统的制热量和COP将小幅下降。兼顾系统的热力性能及运行稳定性,当环境温度为-20℃、制热温度为60℃时,较为适宜的混水温度为12~18℃。     

基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统热力性能分析

热泵蒸汽技术相比电锅炉及燃煤、燃气锅炉制取蒸汽，具有更高的一次能源利用效率，并且不产生CO₂和NO_x，符合我国节能环保发展战略。本文提出一种基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统，采用两级冷凝直接制取低压蒸汽，再通过蒸汽压缩升压至0.7MPa。并基于EES软件建立数值模型，分析冷凝温度T_cond、蒸发温度T_evap、经济器温度T_econ、喷气率β_g对冷媒压缩机功耗W_refri、蒸汽压缩机功耗W_vapor和系统能效系数COP的影响。结果如下：基于蒸汽压缩的热泵蒸汽系统，制取165℃的饱和蒸汽，在T_evap为50℃、T_cond为93℃时，系统COP为2.996，制取1t蒸汽消耗功率仅为247kW·h；系统COP随T_evap的升高逐渐增大，但是T_evap的升高需要更高的热源温度；蒸发温度不变时，系统存在最佳的T_cond、中间冷却温度T_econ和喷气率β_g，当蒸发温度T_evap为50℃，最佳冷凝温度T_cond为93℃时，最佳经济器温度T_econ为65℃，最佳喷气率β_g为0.13。     

数据驱动的跨临界CO2热泵多目标优化设计

针对跨临界CO₂热泵成本过高与占用空间大等问题，提出了一种基于经济性与实用性的数据驱动跨临界CO₂热泵多目标优化设计方法。本文通过对跨临界CO₂热泵进行性能模拟获得大量的驱动数据，然后经由BP神经网络构建跨临界CO₂热泵的热力学预测模型，并且从投资、运营、环境以及空间占用等多角度建立跨临界CO₂热泵的多目标优化模型。最后以住宅用户最关心的总年度成本与水箱容积为设计优化目标，通过精英策略非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）与TOPSIS决策法进行最优设计方案求解。案例研究表明，占用空间小、总年度成本低的最优设计方案的水箱体积为0.235m³、总年度成本为958.1USD/a。且通过分析设计参数对优化目标的影响，发现水箱保温层厚度的影响主要集中在一个较优区域，水箱直径与高度的影响较大，而气冷器换热温差的影响较小。     

跨临界二氧化碳热泵喷射循环实验

在跨临界CO₂热泵热水器系统中引入优化设计的喷射器,对系统进行实验研究,分析了制热系数、引射比、升压比、喷射器效率等参数随热水体积流量和出口温度及高压侧压力的变化趋势以及优化设计的喷射器对系统的影响。实验结果表明:随着热水体积流量减小或其出口温度增加,引射比将逐渐减小,而喷射器效率逐渐升高;在测试工况范围内升压比基本保持不变,系统COP_h最高将近3.5;系统高压侧的压力因优化喷射器的引入而明显降低,有利于系统的安全运行;跨临界二氧化碳热泵喷射循环系统存在一个最优运行压力,值得注意的是在最优运行压力下,热水出水温度虽未达到最高,但依旧超过55℃。系统稳定运行在最优高压侧压力下,不仅系统性能大幅度提高,而且保证了热水的出水温度。     

高温CO2热泵的超临界喷气增焓性能

提出了一种基于高温超临界喷气增焓技术的新型CO₂热泵循环，以显著提升跨临界CO₂热泵在高温循环加热工况下的制热性能。通过建立超临界喷气增焓型高温CO₂热泵系统的数值模型，并采用EES（engineering equation solver）软件对该热泵系统的循环加热性能进行了仿真分析。研究了在较高气体冷却器出口温度下，蒸发温度、压缩机中间压力、气体冷却器压力等参数对单位容积制热量和性能系数（COP）的影响。结果表明：在最优排气压力下，气体冷却器出口温度高达60℃时，该热泵循环的COP也能达到3.0左右；相对于普通喷气增焓系统，COP明显提高；相对于无喷气增焓的常规系统，在气体冷却器出口温度为60℃时，相对补气量为0.3、0.4、0.5的超临界喷气增焓系统COP分别提高了14.8%、21.2%、29.2%；气体冷却器压力和中间压力对系统COP的影响变化趋势一致，但气体冷却器压力的影响更为显著；此外，存在最优的气体冷却器压力和中间压力使系统COP达到最大，在气体冷却器出口温度为60℃，相对补气量为0.4时，最优气体冷却器压力和中间压力分别为13.5MPa和8.5MPa。