太陽能輔助二氧化碳熱泵性能和應用研究.pdf

1、太陽能熱驅(qū)動制冷技術,可轉(zhuǎn)化夏季建筑物立面所接受的太陽輻射為所需冷量,在能源轉(zhuǎn)換與利用層面具有合理性。然而,太陽能能流密度低且不穩(wěn)定,以太陽能驅(qū)動的小型制冷機制取的冷凍水溫度較高,不適宜直接輸入室內(nèi)末端,進行供冷。另一方面,太陽能輔助熱泵進行供暖和生活熱水聯(lián)合供給的技術已經(jīng)相對成熟,此類系統(tǒng)不能以高效節(jié)能的形式滿足建筑制冷需求,且夏季太陽能集熱環(huán)路存在過熱。因此,集成太陽能制冷技術,最終形成在全年尺度內(nèi)滿足建筑制冷、供暖和生活熱水綜合需

2、求的設備,是一個重要的研究方向。針對以上問題,本研究嘗試開發(fā)一種太陽能輔助過冷的二氧化碳混合熱泵(冷熱兼供型),其通過太陽能驅(qū)動小型吸收機對二氧化碳機組進行過冷卻,從而強化其制冷性能,使整機的冷熱輸出與建筑負荷更為匹配。
　　本研究首先建立了太陽能輔助二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)的數(shù)學模型,明確了過冷卻熱力過程在超臨界循環(huán)中的特性,比較了過冷在二氧化碳超臨界循環(huán)和合成制冷劑亞臨界循環(huán)中的異同,且通過穩(wěn)態(tài)模擬量化節(jié)能率,明確過冷卻對性能的

3、促進。其后,從空調(diào)工況應用角度,分析了通過太陽能制冷實現(xiàn)過冷強化的可行性并預測了太陽能吸收式制冷與常規(guī)二氧化碳壓縮式制冷兩項技術結(jié)合后的整機性能。模擬結(jié)果顯示,當環(huán)境溫度為28oC時,過冷過程的增加可使循環(huán)COP達到4.0,相較原基本循環(huán),制冷性能可以提升45.5％。此外,如果以太陽能吸收式制冷來實現(xiàn)過冷卻過程,則當驅(qū)動溫度為90oC時,可再生能源轉(zhuǎn)化的輔助冷量占總冷量的比例為22%,當驅(qū)動溫度為94oC時,該比例可升至33%。

4、　　在熱力學分析的基礎上,開發(fā)了試驗樣機并分別搭建了制冷和供暖試驗系統(tǒng),進行了現(xiàn)場性能測試。實驗測量了開發(fā)機組在制冷工況下,分別采用混合模式(含太陽能輔助過冷)和獨立模式(普通二氧化碳制冷)的機組性能。結(jié)果顯示,混合模式下,室外溫度約為28.0oC時,制冷COP約為2.32。主機供暖性能測試結(jié)果顯示,室外溫度為10.4oC時,制熱COP為2.60。
　　因機組集成了太陽能集熱和儲存環(huán)路等,故影響整機性能的參數(shù)較常規(guī)熱泵機組更多,特

5、別是需考慮太陽能輻照強度等因素對機組性能的影響。故在單機性能研究的基礎上,對太陽能輔助二氧化碳壓縮式制冷系統(tǒng)進行了性能分析。研究從單一針對開發(fā)機組,擴展到包含有太陽能集熱器、水箱、主機和建筑的供能系統(tǒng)。研究基于經(jīng)過試驗驗證的系統(tǒng)模型,通過動態(tài)模擬,對影響系統(tǒng)性能的參數(shù)進行了分析并量化了影響程度,同時通過模擬比較了設計的制冷系統(tǒng)與常規(guī)制冷系統(tǒng)的性能。
　　在供熱工況下,太陽能輔助設備與壓縮式主機的結(jié)合方式與制冷工況下不同,并非采用機

6、內(nèi)集成模式,而是作為雙熱源并聯(lián)供給至室內(nèi)末端。因此,結(jié)合供暖系統(tǒng)的形式,對系統(tǒng)重要參數(shù),如集熱器面積、水箱體積、室內(nèi)負荷和控制條件等分別進行了單參數(shù)(變量)的影響程度分析。在此基礎上,通過敏感性分析,確定了不同影響參數(shù)的權重,據(jù)此,選取了主要影響參數(shù)進行了以成本為目標函數(shù)的多參數(shù)同步優(yōu)化模擬。并通過太陽能保證率、主機性能等性能指標對優(yōu)化后的系統(tǒng)進行了性能分析與評價。
　　最后,以零能耗為核心設計和評價目標,結(jié)合一棟實際建筑,討論了