应用于THIC空调系统中的CO2热泵系统的模拟研究

摘要

本文通过对CO2制冷剂、CO2跨临界制冷循环和温湿度独立控制(Temperatureand Humidity Independent Control，THIC)等的综述研究，得出:(1)CO2具有以下优势:环保、稳定性好、制冷效率高、换热效率高、临界温度低等;(2)CO2跨临界制冷循环无论是在单独制冷还是单独制热，都存在大量的能量浪费。单独制冷，空冷器部分的温度滑移损失相当大;单独制热，又有一部分可利用的冷量因排风而损失掉了;(3)THIC系统为高温冷源的使用提供了方便，也提高了系统的性能，但是，独立除湿系统的能源来源又成了其发展的障碍。
　　考虑到溶液除湿再生需要大量的热量和CO2跨临界制冷循环中气体冷却器处存在较大的温度滑移可产生高温热水这两个互补因素，本文就将CO2跨临界制冷循环运用于THIC系统中，使得CO2跨临界制冷循环可以冷热共用以及除湿剂再生所需热量得到供应，从而达到双赢，提高整个系统的COP，起到节能环保的效果。由于实验条件的限制，本文采用的是仿真模拟研究方式来对CO2跨临界循环制冷（热泵）系统进行分析研究，所用的仿真模拟软件是丹麦的专家学者研发的CoolPack模拟软件。
　　首先，本文通过研究CoolPack模拟软件的功能及原理，之后，借鉴前人利用CoolPack模拟软件辅组研究所得到的结论以及CoolPack模拟软件模拟出来的数据与实验数据相比较的结果，从而论证CoolPack模拟软件的可行性。因为本文主要是通过仿真模拟来分析研究CO2跨临界制冷循环系统的，所以，只有当所用的模拟软件可行，分析研究的结果才是可行的。
　　然后，分析了CO2跨临界循环温湿度独立控制一体化空调系统中的CO2跨临界循环的运行原理，并且建立了相应的数学物理模型来对系统进行理论分析研究和仿真模拟，同时，以机组制冷量为100kW为例，结合CoolPack软件对系统进行模拟分析研究。模拟跨临界CO2循环在不同的蒸发温度TE、冷却器出口温度T4、以及压缩机排气压力P对系统COP的影响，模拟分析表明:
　　(1)存在最优高压侧压力Popt使得循环系统COPsystem达到最大值，由模拟结果和相关文献中提及的关联式(Popt=(2.778-0.0157TE)T4+(0.381TE-9.34)）可知，影响Popt的是T4和TE，其中，T4是主要影响因素。
　　(2)在模拟记录过程中，记录了循环制冷COPcooling、制热量QGC、压缩功W，等。并由此得制热COPheating=QG C/W，因此，系统是冷热全用的，便得到系统总COPsystem=COPcooling+COPheating，模拟结果发现。
　　(3)蒸发温度TE和气体冷却器出口温度T4确定时，在达到最优高压侧压力Popt之前，系统总COPsystem随气体冷却器出口压力P的提高而提高，在达到最优高压侧压力Popt之后，系统总COPsystem随气体冷却器出口压力P的提高而降低;
　　(4)蒸发温度TE和气体冷却器出口压力P确定时，系统总COPsystm随气体冷却器出口温度T4提高而降低;
　　(5)气体冷却器出口温度T4和气体冷却器出口压力P确定时，系统总COPsystem随蒸发温度TE提高而提高。
　　第二次模拟是在确定的最优高压侧压力Popt下进行的，从而分析系统总COPsystem、蒸发温度TE、气体冷却器出口温度T4以及压缩机排气温度T2等参数之间的变化关系。得出:T4的变化对COPsystem的影响很大，在保持Popt之下，随着T4的提高，COPsystem降低得很快;而当TE的提高，COPsystem不断的提高。但随着T4的增大，COPsystem增加的幅度越来越小。在保持Popt之下，TE确定时，T2随T4的提高而提高，而当T4确定时，T2随TE的提高而降低。T2的高低影响着新型一体化系统产生的热水的温度的高低，根据模拟数据以及系统需要制备70至90℃的热水可得，T4取值范围是30℃至40℃;而COPsystem与T4成反比关系，所以，T4的取值越小，COPsystem越高，可见较高的T4是以增加Popt、降低系统COPsystem为代价获得的。因此，从系统的角度来看，在满足实际需求的情况下，应尽可能降低T4。若T4的下限能满足再生的要求，就不要盲目追求高温，那样将会得不偿失。
　　根据本文的模拟分析，结合实际工程的需求，在一栋建筑中模拟设计出CO2跨临界循环制冷（热泵）空调系统。通过模拟得出:TE=12℃，T4=35℃，P=8.5MPa，T2=82.9℃，COPsystem=10.097。82.9℃的压缩机排气温度足以制备出大于70℃的高温热水供给除湿剂再生，同时，10.097的COPsystem值远远大于传统的单独制冷或单独制热的空调系统，表明节能效果明显。
　　本文的研究成果对CO2跨临界循环制冷（热泵）提供了模拟研究的依据，同时，也为以后应用于实际工程提供了参考依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出

1．1．1 本课题研究背景

1．1．2 二氧化碳制冷剂简述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 CO2跨临界循环研究现状

1．2．2 THIC研究现状

1．2．3 溶液除湿研究现状

1．2．4 CO2跨临界循环温湿度独立控制一体化空调系统研究现状

1．3 本课题研究的内容及意义

1．3．1 本课题研究内容

1．3．2 本课题研究意义

2 CoolPack模拟软件的简介与应用

2．1 CoolPack软件的简介

2．2 CoolPack软件的应用现状

2．3 CoolPack软件模拟的实验验证

2．4 本章小结

3 CO2跨临界循环制冷(热泵)系统的模拟研究

3．1 模型建立

3．2 性能分析

3．2．1 CO2跨临界制冷循环中制冷COPcooling模拟分析

3．2．2 C02跨临界制冷循环中制热COPheating模拟分析

3．2．3 C02跨临界制冷循环中系统总COPsystem模拟分析

3．3 本章小结

4 C02跨临界循环制冷(热泵)系统优化模拟研究

4．1 C02跨临界循环制冷(热泵)中最优高压侧压力Popt模拟分析

4．2 CO2跨临界制冷循环系统在最优高压侧压力Popt下运行的分析研究

4．3 CO2跨临界循环制冷(热泵)中内部换热器的分析研究

4．4 本章小结

5 C02跨I临界制冷循环系统案例设计

5．1 各空调设备承担负荷分配计算

5．2 干式风机盘管的选型

5．3 C02跨临界制冷循环系统案例模拟

5．4 本章小结

6 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表论文