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数据驱动的跨临界co2热泵多目标优化设计

化工进展 2020年第5期39卷 1657-1666页

作者：李恩腾徐英杰谢小东范伟浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310023

针对跨临界co2热泵成本过高与占用空间大等问题,提出了一种基于经济性与实用性的数据驱动跨临界co2热泵多目标优化设计方法。本文通过对跨临界co2热泵进行性能模拟获得大量的驱动数据,然后经由BP神经网络构建跨临界co2热泵的热力学预测... 详细信息

针对跨临界co2热泵成本过高与占用空间大等问题,提出了一种基于经济性与实用性的数据驱动跨临界co2热泵多目标优化设计方法。本文通过对跨临界co2热泵进行性能模拟获得大量的驱动数据,然后经由BP神经网络构建跨临界co2热泵的热力学预测模型,并且从投资、运营、环境以及空间占用等多角度建立跨临界co2热泵的多目标优化模型。最后以住宅用户最关心的总年度成本与水箱容积为设计优化目标,通过精英策略非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)与TOPSIS决策法进行最优设计方案求解。案例研究表明,占用空间小、总年度成本低的最优设计方案的水箱体积为0.235m3、总年度成本为958.1USD/a。且通过分析设计参数对优化目标的影响,发现水箱保温层厚度的影响主要集中在一个较优区域,水箱直径与高度的影响较大,而气冷器换热温差的影响较小。

关键词： co2热泵跨临界多目标空间占用优化

喷射式平行压缩跨临界co2空气源热泵供暖系统性能研究

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喷射式平行压缩跨临界CO2空气源热泵供暖系统性能研究

作者：叶安琪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

采用高效节能的热泵技术以进一步降低供暖系统的能耗,对提高能源利用率和实现我国社会的低碳转型具有重要意义。与此同时,愈发严峻的环境问题也促使人们寻找环保的热泵替代制冷剂。co热泵由于具有环境友好、高温制热性和低温适应性良好... 详细信息

采用高效节能的热泵技术以进一步降低供暖系统的能耗,对提高能源利用率和实现我国社会的低碳转型具有重要意义。与此同时,愈发严峻的环境问题也促使人们寻找环保的热泵替代制冷剂。co热泵由于具有环境友好、高温制热性和低温适应性良好等优势正在受到广泛关注。但是co热泵用于供暖时受限于系统较高的回水温度,导致气体冷却器出口的co蒸汽温度较高,节流损失严重,系统循环效率明显下降,严重掣肘了该技术的推广。为解决这一问题,本课题提出了一种新型的带喷射器的平行压缩跨临界co空气源热泵供暖系统,采用CFD模拟的方法对其中关键部件—喷射器的特性进行了相关的研究,并建立了热泵循环的热力学模型,对系统的性能进行整体分析与优化。首先,参考文献中喷射器的结构,通过理论分析设计了喷射器的几何模型,并在Fluent软件中对典型的喷射器进行了co流动的数值模拟。与文献实验结果对比,喷射器扩散段出口压力模拟结果的相对误差在±5%以内,说明本文的数值模型在喷射器内部流动模拟中的准确性和可靠性。其次,针对建立的固定结构的co两相喷射器数值模型,通过改变喷射器动力喷嘴和引射喷嘴的入口温度和压力,探讨流体在喷射器内部的流动机理以及喷射器动力喷嘴等熵效率、引射喷嘴等熵效率以及扩散段等效等熵效率随主动流入口温度T、压力P和引射流入口压力P的变化的响应规律,进而拟合得到相应的效率关联式,提高了喷射器模型的预测精度。模拟结果显示,喷射器的压力恢复量随着T的升高逐渐增大,随P/P的增大呈现先减小后增大的趋势;动力喷嘴效率和扩散段等效等熵效率与T没有明显的相关性,但随着P/P的增大在下降;T和P/P对引射喷嘴效率的影响不大,不同工况下的效率相差很小,可认为其效率为一恒定值0.98。之后,针对喷射式平行压缩跨临界co空气源热泵供暖系统建立了热力学模型,探讨了采用变化效率与固定效率的喷射器引起的系统性能的差异,发现低温下变效率系统的coP远低于固定效率系统。为了改善低温工况下系统的性能,对系统的排气压力和辅路吸气压力进行优化,确定设计工况下的最优参数。优化后在供回水温度为75/50℃和65/40℃时,coP最大分别可提高16.71%和8.33%。通过对比分析喷射式平行压缩系统(EPCS)、常规单级压缩系统(BS)和喷射式系统(ES)的性能变化,发现设置平行的辅助压缩机后,EPCS相比ES性能略有下降,但通过调节辅路流量比,EPCS可以在变工况下保持喷射器的引射系数不变,这大大提高了热泵系统的适用性。供回水温度为75/50℃和65/40℃时,EPCS的coP相比BS分别可提升19.92%～35.30%和28.24%～44.45%。最后,建立了系统供热季节性能系数(HSPF)的计算模型,选取了位于不同气候区域的3个典型城市来评估气候条件的影响,同时探讨了不同的散热器供回水温度引起的系统性能的差异。结果表明EPCS在各地区都具有良好的适用性,相比BS,其HSPF增量可达26.3%～43.7%,但在低纬度地区采用较低的供回水温度时能更好地发挥喷射式平行压缩跨临界co热泵系统的优势。

关键词： co2热泵喷射器效率数值模拟性能系数(coP) 季节供热性能系数(HSPF)

co2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能研究

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CO2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能研究

作者：马瑞芳昆明理工大学

学位级别：硕士

随着全球气候变暖和臭氧层破坏加剧,环保问题越来越受到人们的重视。自然工质co2以全球变暖指数为1及大气臭氧层破坏指数为0备受制冷界的青睐。如何提高co2热泵跨临界循环系统的制热效率成为学者目前研究的重点。气体冷却器作为co2跨临... 详细信息

随着全球气候变暖和臭氧层破坏加剧,环保问题越来越受到人们的重视。自然工质co2以全球变暖指数为1及大气臭氧层破坏指数为0备受制冷界的青睐。如何提高co2热泵跨临界循环系统的制热效率成为学者目前研究的重点。气体冷却器作为co2跨临界循环热泵热水器的关键部件,其换热效果直接影响着整个系统的性能。套管式换热器因其具有结构紧凑、传热效率高等优点,在热泵系统中广泛应用。研究新型双级冷却套管式气体冷却器的换热特性,对co2热泵的节能运行、新型双级冷却套管式气体冷却器的优化设计和推广应用都具有重要意义。从结构形式和换热性能两方面对co2跨临界循环系统中多种气体冷却器进行对比分析,从中找出各自优缺点,并根据现有co2热泵跨临界循环系统用套管式气体冷却器的研究现状,提出了co2热泵用新型双级冷却套管式气体冷却器,并对其结构设计和换热特点进行了详细介绍。建立了新型双级冷却套管式气体冷却器热力学仿真模型。利用该模型本文从结构参数和运行参数两方面对双级冷却套管式气体冷却器换热性能的影响进行了仿真模拟研究。研究结果表明：在流量变化不大的情况下,可通过调整管径使两侧换热系数相当来增大总的换热系数,进而增大换热量;一二级中间节点位置的选取应使制冷剂等压比热的峰值点出现在一级内,同时使得一级换热系数较大：随着气体冷却器co2出口温度降低,所需要的气体冷却器的面积也在增加,当制冷剂出口温度已经很低时,单纯为了降低co2出口温度来增大换热量,所需要的额外增加换热面积并不经济;制冷剂压力的增加有利于气体冷却器的换热,但压缩机输入功率随之增加,当增大的换热量不足以补偿压缩机额外增加的输入功率,系统coP就会下降,故存在一个最优压力使得换热量增大,系统coP最优。最后根据研究结果对双级冷却套管式气体冷却器提出了优化建议。建立了用于测试双级冷却套管式气体冷却器性能的实验装置,并设计了正交试验方案。根据正交实试验方案得出进水温度、水的质量流量、制冷剂质量流量和制冷剂压力对气体冷却器换热量、制冷剂压降及总换热系数影响的主次顺序。制冷剂压力对气体冷却器换热量影响最大,进水温度影响其次,制冷剂质量流量影响第三,水的质量流量影响相对最低;对制冷剂压降的影响,制冷剂制冷流量影响最大,制冷剂压力影响其次,进水温度影响第三,水的质量流量影响相对最低;对总换热系数的影响,制冷剂压力影响最大,水的质量流量影响其次,进水温度影响第三,制冷剂质量流量相对最低。并通过控制变量法定量了解了单一因素对双级冷却套管式气体冷却器性能的影响规律,结果表明,低进水温度、大质量流量和高制冷剂压力有利于气体冷却器的换热,但考虑系统coP,制冷剂质量流量和压力都存在一个最优值,使得系统coP最优。

关键词： co2热泵双级冷却套管式气体冷却器换热模型正交试验设计热力性能

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co2热泵低温运行的热力性能研究

CO2热泵低温运行的热力性能研究

作者：寇宏侨昆明理工大学

学位级别：硕士

兼顾环境保护和节约能源,实现建筑能耗的可持续发展、建设清洁低碳的能源体系成为人们关注的焦点。在“十三五”和“煤改电”等政策背景下重新启用天然工质co作为制冷剂显得尤为重要。由于具有节能、环保等特性,co跨临界循环热泵系统已... 详细信息

兼顾环境保护和节约能源,实现建筑能耗的可持续发展、建设清洁低碳的能源体系成为人们关注的焦点。在“十三五”和“煤改电”等政策背景下重新启用天然工质co作为制冷剂显得尤为重要。由于具有节能、环保等特性,co跨临界循环热泵系统已得到国内外的广泛关注。在低温工况下co热泵系统运行存在很多问题,因而对co热泵低温运行的热力性能进行研究具有重要意义。在此背景下,本文构建了 co跨临界循环热泵系统的实验平台,较为系统地研究了 co热泵低温运行的热力性能。为有效避免低温工况下系统存在的损失,保证系统的稳定高效运行,可以采用提高co气体冷却器的入口比焓/吸气压力、提高蒸发温度、增加吸气质量、采用回热循环这四种技术途径。本文对此进行了详细介绍,并进行了热力学分析。在低温工况下,因跨临界循环co热泵系统气体冷却器的进水温度和co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℃。针对定频co热泵系统无法在宽温度及宽负荷条件下运行的缺点,基于PLC控制技术,提出变频压缩机跨临界co热泵系统。通过理论分析和试验测试,分析了在低温工况下变频对吸气压力、排气压力、输入功率、制热量及coP的影响。试验结果表明:随着频率的增加,压缩机的吸气压力下降,排气压力和输入功率上升;制热量随着频率的增大而增大,但是存在陡升状态点;系统的coP存在最优频率值。兼顾制热量和coP的情况,系统存在最佳调节频率:55～60Hz。采用正交实验的方法,确定气体冷却器进水温度、气体冷却器出水温度、压缩机频率、环境干球温度为因素,确定制热效率coP、系统制热量为水平。测试分析co热泵在低温工况下热力性能,并优化co热泵低温工况下运行参数,为我国寒冷及严寒地区co热泵的高效稳定运行提供实验依据。

关键词： co2热泵低温工况进水温度实验验证热力性能

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co2跨临界热泵系统特性再分析

化工进展 2020年第4期39卷 1252-1258页

作者：胡余生刘雪涛李敏霞徐嘉李昱翰空调设备及系统运行节能国家重点实验室广东珠海519070 珠海格力电器股份有限公司广东珠海519070 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室天津300350

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... 详细信息

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coPh,当温度大于此临界值时回热则有助于提高coPh;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coPh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。

关键词： co2热泵跨临界制热性能系数回热器气体冷却器

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全封闭空气能co2热泵干燥系统的研制

江苏农业科学 2016年第7期44卷 403-406页

作者：程同李娟玲杨道龙南京农业大学工学院江苏南京210031

为了达到高干燥温度、节能环保的目的,以co2为工质开发了1台小型带回热器的co2热泵干燥样机。该样机设计为全封闭式结构,含有双蒸发器,通过控制系统控制内外蒸发器的开闭从而达到除湿、节能的目的。以胡萝卜为干燥对象,在该样机上研究co... 详细信息

为了达到高干燥温度、节能环保的目的,以co2为工质开发了1台小型带回热器的co2热泵干燥样机。该样机设计为全封闭式结构,含有双蒸发器,通过控制系统控制内外蒸发器的开闭从而达到除湿、节能的目的。以胡萝卜为干燥对象,在该样机上研究co2工质的参数变化对系统性能的影响、内外蒸发器对系统节能的影响。干燥试验结果表明,该干燥装置方便可控、性能稳定,干燥介质温度可稳定在75℃,coPh(系统能效比)为3.5,SMER(单位能耗除湿量)达到1.03 kg/(k W·h),实际干燥介质最佳投放量为12 kg,为co2热泵干燥装置市场化提供了研究基础。

关键词：空气能 co2热泵干燥数据采集控制

超低温跨临界co2热泵实验与多目标优化研究

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超低温跨临界CO2热泵实验与多目标优化研究

作者：李恩腾浙江工业大学

学位级别：硕士

中国北方地区“煤改电”工程改造时,用户提出在低于-20℃的环境温度供应75℃以上高温热水的需求。基于此,现广泛用于低温工况运行的空气源热泵(ASHP)存在以下两点问题:其一,单级ASHP系统不能满足如此低温的工况需求,蒸汽喷射ASHP系统、... 详细信息

中国北方地区“煤改电”工程改造时,用户提出在低于-20℃的环境温度供应75℃以上高温热水的需求。基于此,现广泛用于低温工况运行的空气源热泵(ASHP)存在以下两点问题:其一,单级ASHP系统不能满足如此低温的工况需求,蒸汽喷射ASHP系统、复叠ASHP系统的运行稳定性较低且投资成本较大,不适用于民用普及;其二,此类ASHP系统所采用的制冷剂普遍是氯氟烃,对环境有一定的负面影响。然而,具有天然环保特性的跨临界co热泵系统对于低温环境下加热高温热水具有性能上的巨大优势,开发超低温跨临界co热泵热水装置对解决高温热水供应具有极大的现实意义。因此,本文搭建了跨临界co热泵在超低温工况下加热高温热水的实验装置,通过在-23.1～-4.4℃的环境工况下加热75℃高温热水,测试了co热泵实验装置的性能。此外,考虑到跨临界co热泵热水器存在较低的经济性和实用性,本文选取典型的超低温工况案例,利用NSGA-II算法对跨临界co热泵热水器的设计进行了多目标优化改进研究。主要开展了以下工作:(1)综合co热泵系统的热力原理、部件设计、经济评估等方面建立了超低温跨临界co热泵系统的数学模型;(2)通过对超低温跨临界co热泵系统的实验研究,在-23.1℃的环境中制取75℃的热水,跨临界co热泵的制热量可高达9.4k W,性能系数(coP)达到1.74。验证了该实验装置在北方寒冷地区提供高温热水的可行性,同时表明其对解决能源短缺与环境破坏问题具有积极有效的作用;(3)结合投资成本、运营成本、环境影响与实用性等指标建立了以年度总经济成本(TRR)和环境排放量(EE)为目标函数的跨临界co热泵多目标优化模型;(4)基于典型的超低温工况案例,利用NSGA-II算法对超低温跨临界co热泵优化模型进行多目标最优化求解,得到了优化后的A、B、C三个设计方案:A方案具有最小的EE(7077.1kg)和占地空间(150L),节能环保性与实用性最高,其中EE较优化前的方案降低了18.6%;B方案的EE和TRR较优化前的方案分别降低了4.36%和11.3%,其综合性最好;C方案的TRR较优化前的方案下降了25.1%,其经济性最佳。

关键词： co2热泵超低温实用性多目标优化 NSGA-Ⅱ

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大功率co2热泵热性能研究

大功率CO2热泵热性能研究

作者：林辩启昆明理工大学

学位级别：硕士

co跨临界循环热泵系统具有安全、环保等优点,并具有较高的排气温度,在热泵热水器应用领域具有独特的优势。目前小功率C02热泵热水器在国内外均得到了一定的应用。但受高压压缩机功率、高压节流装置与高压气体冷却容量的限制,国内外对大... 详细信息

co跨临界循环热泵系统具有安全、环保等优点,并具有较高的排气温度,在热泵热水器应用领域具有独特的优势。目前小功率C02热泵热水器在国内外均得到了一定的应用。但受高压压缩机功率、高压节流装置与高压气体冷却容量的限制,国内外对大功率co跨临界循环热泵的研究很少。开发大功率C02跨临界循环热泵热水系统,对促进co跨临界循环热泵工程化应用具有重要意义。在此背景下,本文构建了大功率co跨临界循环热泵热水系统实验装置,系统地研究了大功率C02跨临界循环热泵热水系统的热力性能。为提高高压压缩机功率、高压节流装置容量与高压气体冷却容量以提高C02跨临界循环热泵的制热功率,采用co压缩机并联运行、高压板式气体冷却器、三毛细管并联组合节流等方法,构建了一台名义制热量为175kW、带回热循环的大功率跨临界co热泵热水实验装置。在恒温环境实验室条件下,测试分析了气候参数及运行参数对跨临界循环co热泵热水系统稳态热力性能的影响。测试结果表明：与采用其他工质的热泵热水系统相比,大功率跨临界循环co热泵热水系统的制热温度高,并且制热温度对系统性能系数coP影响较小。为适应C02热泵系统全年运行对工质流量及压降调节的要求,提出了一种三毛细组合节流方法。对大功率跨临界循环co热泵三毛细管并联组合节流进行模拟计算,并对其不同温度工况下的节流特性及热力性能进行实验研究。模拟计算及实验测试结果表明：根据环境温度采用不同的节流模式及调节制热温度,可适应大功率co热泵系统全年运行对工质流量及压降调节的要求,流量及毛细管进出口压降分别可在0.138～0.736kg/s及5.96～8.34MPa之间调节。在低温、中低温、中温、高温环境工况下,毛细管组合节流较适宜的制热温度分别为55～60℃、55～70℃、55～80℃及55～80℃。毛细管组合节流跨临界循环co热泵热水系统具有较优良的高温性能,制热温度90℃时其性能系数可达3.1以上。在温和地区各种典型气候条件下,测试分析了大功率跨临界循环co热泵的运行性能。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,其日平均性能系数coP在3.45～4.04之间。此外,将大功率跨临界循环co热泵应用于寒冷地区集中热水系统,运行结果表明其具有良好的低温热力性能。

关键词： co2热泵毛细管组合节流数值模拟实验研究热力性能

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辐射空调末端及co2热泵的研究

辐射空调末端及CO2热泵的研究

作者：汪琳琳天津大学

学位级别：硕士

近年来,由于建筑能耗增大,环境的污染也日益加剧,其中,传统制冷剂对环境造成的污染成为主要部分。而且,由于生活水平的提高,人们也对空调的舒适性提出了更高的要求。因此,采用新型的舒适性空调末端和节能无污染的空调系统成为人们研究... 详细信息

近年来,由于建筑能耗增大,环境的污染也日益加剧,其中,传统制冷剂对环境造成的污染成为主要部分。而且,由于生活水平的提高,人们也对空调的舒适性提出了更高的要求。因此,采用新型的舒适性空调末端和节能无污染的空调系统成为人们研究的热点问题。本文主要研究的是以辐射换热为主的空调末端和与之匹配的co跨临界水水热泵系统,其中包括地板采暖供热和冷天花顶板供冷。通过数值模拟和实验相结合的方法对其进行研究,为其应用提供了有价值的依据。数值模拟采用CFD软件建立物理和数学模型,在给定的初始条件和边界条件下,对模型内的温度场、速度场和热舒适性进行模拟。模拟中不涉及湿度的调节问题,没有进行计算。在实验方面,只进行了地板采暖的实验,通过对模拟结果和实验结果的对比分析,得出了此种辐射空调末端的优势,证明了其节能和舒适的主要两大优点。此外,以此种辐射空调末端的换热特点为依据,也对co跨临界水水热泵系统进行了模拟,分别对采暖和供冷情况对系统的总体效果进行了分析。包括系统的coP,供水流量,供水温度以及系统换热量之间的关系,并得出结论,将co跨临界循环水水热泵系统用于此种混合型辐射空调,冬夏用一套设备,既能环保,又能达到较高的coP值,节省了能源。最后,为本课题所需要作的进一步的后续研究提出了建议。

关键词：地板采暖冷天花顶板辐射空调末端 co2热泵