低温下提高CO_2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CO_2热泵系统气体冷却器的进水温度和CO_2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CO_2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℃。     

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。     

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。     

采用分流过冷的跨临界CO2冷热联供系统性能

为了探索不借助外力即可实现跨临界CO₂冷热联供系统循环中工质过冷的方法,本文提出了三种采用系统循环内部工质分流实现过冷的跨临界CO₂循环系统形式,建立了系统循环热力学模型,通过模拟计算分析不同工况下系统性能变化规律。结果表明：在蒸发器与节流阀间分流的系统方案不会提高系统的性能;在气体冷却器与过冷器间分流的系统方案与在过冷器与节流阀间分流的系统方案对系统性能提升的效果相同,相对于在蒸发器与节流阀间分流的系统方案,综合循环性能系数（coefficient of performance,COP）最大可提高17.62%;采用分流过冷会提高压缩机的吸气压力,当气体冷却器出口CO₂温度确定时,存在最佳的排气压力使综合COP最高。因此,采用合理的分流过冷循环系统可以使跨临界CO₂冷热联供系统仅依靠自身循环实现过冷并提升系统性能。     

跨临界CO2空气源热泵系统运行性能研究

搭建一套跨临界CO₂空气源热泵系统,研究在不同压缩机运行频率以及排气压力下循环系统的热力性能,通过实验对比分析频率和排气压力对吸气压力、等熵效率、压缩机功耗、排气温度、CO₂质量流量、系统制热量以及制热性能系数COP的影响。结果表明：排气压力不变时,只有吸气压力随着频率的上升而下降,排气温度、CO₂质量流量、系统制热量和压缩机功耗都随之增加。系统COP随着排气压力的增加先上升再下降,随着压缩机频率升高,系统COP减小,最优排气压力升高,在最优排气压力下,系统的COP达到峰值。当压缩机运行频率为80 Hz,排气压力为8.4MPa时,此时最优等熵效率约为0.9,系统COP达到峰值为3.64。     

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。     

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%。     

混合室直径对带喷射器的跨临界CO2热泵性能影响

通过在跨临界CO₂系统中引入喷射器是回收系统节流损失的有效手段。实验研究了混合室直径分别为1.2、1.4、1.6 mm时,对带喷射器的跨临界CO₂热泵整体性能以及喷射器自身性能的影响。整个实验中热水进口温度、蒸发温度不变,热水出口温度作为比较基准,在实验中为变量。结果表明,混合室直径对压缩机排气温度影响较小,而其对压缩机排气压力影响较大,当混合室直径为1.6 mm时,压缩机排气压力最小;当混合室直径为1.6 mm时,系统制热系数最高。     

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。     

二氧化碳家用热泵热水器试验研究

CO2因为环保及独特的热力学优势,一直是制冷空调领域的研究热点,然而由于其工作压力较高,用于家用热泵热水器的全封闭式CO2压缩机开发较困难。为了验证CO2在热泵热水器上应用的优势以及研究其系统的运行规律,以国产全封闭式CO2压缩机为基础,设计并搭建了空气源CO2热泵热水器测试系统,在进水温度15—50℃,出水温度65—90℃范围内,测试了不同进、出水温度、不同蒸发温度以及不同排气压力条件下,热泵系统的制热量、COP以及排气温度等关键特征,发现CO2能够稳定提供90℃以上热水,在高温制热上优势明显。同时,即使在蒸发温度为-20℃,系统仍然能够平稳运行,表现出较好的低温运行优势。     

CO2跨临界热泵系统采暖工况下能效和经济对比分析

为提高CO₂跨临界热泵采暖系统的性能,提出了双级压缩双气冷器中间补气回热系统。结合其他3种CO₂热泵系统和R134a单级压缩回热系统,通过建立热力学模型,分析各因素对系统能效的影响。此外,通过构建综合考虑初始投资成本和年运行成本的经济性评价模型,结合典型年气象参数,研究不同城市中各系统在运行周期内的总投资情况。结果表明,CO₂热泵系统中,双级压缩双气冷器中间补气回热系统最优COP_h最高且可以超过R134a单级压缩回热系统,在环境温度为0℃、出水/回水温度为65℃/40℃时,理论性能系数（COP_h）可达2.58,比R134a系统高9.1%,比CO₂单级压缩系统高22.5%,且排气温度不超过现有压缩机排气温度极限,是能效最优系统。在选定样本城市中,热泵系统运行周期内的总投资成本在上海最低,而在沈阳最高,可见总投资成本受气候区域影响较大。由于CO₂压缩机成本过高,CO₂热泵系统的总投资成本高于R134a系统。随着CO₂热泵技术的提高和生产规模的扩大,当压缩机成本降低80%,CO₂双级压缩双气冷器中间补气回热系统的总投资成本将低于R134a系统。     

太阳能-空气复合热源热泵热水系统

针对光伏发电效率较低和空气源热泵在寒冷地区应用中存在的问题,研发了一种新型复合蒸发器,将平板微热管阵列太阳能光伏光热（PV/T）集热器与空气源热泵相结合,组成新型太阳能-空气复合热源热泵热水系统。并对该热水系统在不同运行工况下的水箱水温、吸排气压力、压缩机功率和性能等进行了实验研究。实验结果表明,在环境温度分别为5、10和15℃的条件下,热泵加热73 L水,水温从15℃加热到50℃时,双热源运行工况的加热时间比单空气热源运行工况依次缩短了5.14%、10.29%和11.38%, COP依次提高了5.99%、9.28%和11.96%。     

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。     

中低温超临界CO2及其混合工质布雷顿循环热力学分析

基于热力学第一定律对超临界CO₂混合工质再压缩布雷顿循环进行了热力学分析,重点讨论了在中低温热源下(200~400℃)加入气体种类及比例、透平入口温度、透平入口压力、分流比、主压缩机入口温度对循环热力学性能的影响。结果表明：加入0~10%的丙烷、新戊烷、异丁烷、正丁烷均能够提高循环效率,改善循环系统的热力学性能。在透平入口温度低于260℃时,加入乙烷的循环热效率低于单一工质CO₂。随着混合比例、透平入口温度和压力、分流比的增加,系统循环效率也随之提高。主压缩机入口温度增加,循环效率反而下降。