太陽能輔助二氧化碳熱泵性能和應(yīng)用研究.pdf

1、太陽能熱驅(qū)動制冷技術(shù),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(jī)制取的冷凍水溫度較高,不適宜直接輸入室內(nèi)末端,進(jìn)行供冷。另一方面,太陽能輔助熱泵進(jìn)行供暖和生活熱水聯(lián)合供給的技術(shù)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(shù),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(shè)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(jī)對二氧化碳機(jī)組進(jìn)行過冷卻,從而強(qiáng)化其制冷性能,使整機(jī)的冷熱輸出與建筑負(fù)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(xué)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(jìn)。其后,從空調(diào)工況應(yīng)用角度,分析了通過太陽能制冷實(shí)現(xiàn)過冷強(qiáng)化的可行性并預(yù)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(shù)結(jié)合后的整機(jī)性能。模擬結(jié)果顯示,當(dāng)環(huán)境溫度為28oC時,過冷過程的增加可使循環(huán)COP達(dá)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(shí)現(xiàn)過冷卻過程,則當(dāng)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(dāng)驅(qū)動溫度為94oC時,該比例可升至33%。

4、　　在熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,開發(fā)了試驗(yàn)樣機(jī)并分別搭建了制冷和供暖試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了現(xiàn)場性能測試。實(shí)驗(yàn)測量了開發(fā)機(jī)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(dú)立模式(普通二氧化碳制冷)的機(jī)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(jī)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(jī)組集成了太陽能集熱和儲存環(huán)路等,故影響整機(jī)性能的參數(shù)較常規(guī)熱泵機(jī)組更多,特

5、別是需考慮太陽能輻照強(qiáng)度等因素對機(jī)組性能的影響。故在單機(jī)性能研究的基礎(chǔ)上,對太陽能輔助二氧化碳壓縮式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析。研究從單一針對開發(fā)機(jī)組,擴(kuò)展到包含有太陽能集熱器、水箱、主機(jī)和建筑的供能系統(tǒng)。研究基于經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行了分析并量化了影響程度,同時通過模擬比較了設(shè)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(shè)備與壓縮式主機(jī)的結(jié)合方式與制冷工況下不同,并非采用機(jī)

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(fù)荷和控制條件等分別進(jìn)行了單參數(shù)(變量)的影響程度分析。在此基礎(chǔ)上,通過敏感性分析,確定了不同影響參數(shù)的權(quán)重,據(jù)此,選取了主要影響參數(shù)進(jìn)行了以成本為目標(biāo)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(jī)性能等性能指標(biāo)對優(yōu)化后的系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析與評價。
　　最后,以零能耗為核心設(shè)計和評價目標(biāo),結(jié)合一棟實(shí)際建筑,討論了