太阳能辅助二氧化碳热泵性能和应用研究

摘要

太阳能热驱动制冷技术,可转化夏季建筑物立面所接受的太阳辐射为所需冷量,在能源转换与利用层面具有合理性。然而,太阳能能流密度低且不稳定,以太阳能驱动的小型制冷机制取的冷冻水温度较高,不适宜直接输入室内末端,进行供冷。另一方面,太阳能辅助热泵进行供暖和生活热水联合供给的技术已经相对成熟,此类系统不能以高效节能的形式满足建筑制冷需求,且夏季太阳能集热环路存在过热。因此,集成太阳能制冷技术,最终形成在全年尺度内满足建筑制冷、供暖和生活热水综合需求的设备,是一个重要的研究方向。针对以上问题,本研究尝试开发一种太阳能辅助过冷的二氧化碳混合热泵(冷热兼供型),其通过太阳能驱动小型吸收机对二氧化碳机组进行过冷却,从而强化其制冷性能,使整机的冷热输出与建筑负荷更为匹配。
　　本研究首先建立了太阳能辅助二氧化碳跨临界制冷循环的数学模型,明确了过冷却热力过程在超临界循环中的特性,比较了过冷在二氧化碳超临界循环和合成制冷剂亚临界循环中的异同,且通过稳态模拟量化节能率,明确过冷却对性能的促进。其后,从空调工况应用角度,分析了通过太阳能制冷实现过冷强化的可行性并预测了太阳能吸收式制冷与常规二氧化碳压缩式制冷两项技术结合后的整机性能。模拟结果显示,当环境温度为28oC时,过冷过程的增加可使循环COP达到4.0,相较原基本循环,制冷性能可以提升45.5％。此外,如果以太阳能吸收式制冷来实现过冷却过程,则当驱动温度为90oC时,可再生能源转化的辅助冷量占总冷量的比例为22%,当驱动温度为94oC时,该比例可升至33%。
　　在热力学分析的基础上,开发了试验样机并分别搭建了制冷和供暖试验系统,进行了现场性能测试。实验测量了开发机组在制冷工况下,分别采用混合模式(含太阳能辅助过冷)和独立模式(普通二氧化碳制冷)的机组性能。结果显示,混合模式下,室外温度约为28.0oC时,制冷COP约为2.32。主机供暖性能测试结果显示,室外温度为10.4oC时,制热COP为2.60。
　　因机组集成了太阳能集热和储存环路等,故影响整机性能的参数较常规热泵机组更多,特别是需考虑太阳能辐照强度等因素对机组性能的影响。故在单机性能研究的基础上,对太阳能辅助二氧化碳压缩式制冷系统进行了性能分析。研究从单一针对开发机组,扩展到包含有太阳能集热器、水箱、主机和建筑的供能系统。研究基于经过试验验证的系统模型,通过动态模拟,对影响系统性能的参数进行了分析并量化了影响程度,同时通过模拟比较了设计的制冷系统与常规制冷系统的性能。
　　在供热工况下,太阳能辅助设备与压缩式主机的结合方式与制冷工况下不同,并非采用机内集成模式,而是作为双热源并联供给至室内末端。因此,结合供暖系统的形式,对系统重要参数,如集热器面积、水箱体积、室内负荷和控制条件等分别进行了单参数(变量)的影响程度分析。在此基础上,通过敏感性分析,确定了不同影响参数的权重,据此,选取了主要影响参数进行了以成本为目标函数的多参数同步优化模拟。并通过太阳能保证率、主机性能等性能指标对优化后的系统进行了性能分析与评价。
　　最后,以零能耗为核心设计和评价目标,结合一栋实际建筑,讨论了以开发主机为核心的建筑能源系统实际应用。该能源系统可在全年尺度内满足90m2公寓内的制冷、采暖和生活热水需求,同时,通过太阳能光伏发电补充实现年净能耗为零。在对设计要素进行阐述的基础上,进行了能源系统整体性能分析,该分析不仅量化了含建筑在内的整体系统各部分能耗,而且比较了供需以验证设计目标。除零能耗设计指标外,对系统在舒适性等指标也进行了评价。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 太阳能辅助热泵的研究现状

1.3 太阳能辅助热泵在建筑中的应用

1.4 太阳能辅助二氧化碳热泵研究中的关键问题

1.5 本文的主要研究工作

第二章 太阳能辅助二氧化碳跨临界制冷循环过冷却热力学过程分析

2.1太阳能辅助二氧化碳跨临界制冷循环

2.2太阳能制冷与过冷却过程的热力学耦合

2.3 太阳能过冷强化应用性能分析

2.4 本章小结

第三章 太阳能辅助二氧化碳热泵机组的构建与性能测试

3.1 太阳能辅助二氧化碳热泵机组及工作原理

3.2 性能评价指标

3.3 太阳能过冷过程参数分析

3.4 空调工况性能测试系统

3.5 空调工况性能测试结果

3.6 供暖工况性能测试

3.7 本章小结

第四章 太阳能辅助二氧化碳热泵系统空调工况性能分析

4.1 系统模型

4.2 模拟模型的校验

4.3 影响参数分析

4.4 系统性能比较

4.5 本章小结

第五章 太阳能辅助二氧化碳热泵系统供热工况性能分析

5.1 供暖系统描述

5.2 系统性能影响参数分析

5.3 系统优化分析

5.4 系统性能分析

5.5 本章小结

第六章 太阳能辅助二氧化碳热泵零能耗建筑应用分析

6.1 零能耗建筑的定义

6.2 应用于零能耗建筑的太阳能辅助热泵能源系统

6.3 性能分析与评价

6.4 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 论文总结

7.2 论文的创新性

7.3 展望

参考文献

符号与标记

攻读博士学位期间已发表或录用的论文和专利及所获奖项

致谢