变浓度准二级压缩循环特性及其热泵系统优化方法

Air source heat pump (ASHP) is suffering from low seasonal energy efficiency ratio (SEER) and encountering heavy heating capacity degradation in low temperature ambient. By combining technologies of gas injection, non-azeotropic refrigerant mixture (NARM), and refrigerant concentration modulation, a novel refrigeration cycle is proposed. By experiments and simulations, the following contents are investigated: 1) Effects of parameters on the inner compression process and thermodynamic performance of the gas-injected scroll compressor using NARM, to reveal the thermodynamic characteristics of the gas-injected scroll compressor during inner compression process; 2) Effects of parameters on the performance of the proposed cycle, to identify the modulating range of the refrigerant concentration and heating/cooling capacity, and to confirm its robustness; 3) Effects of design and control parameters on the performance of the heat pump adopting this technology, to build the optimal design and control methods; 4) Seasonal performance of the heat pump adopting this technology in different climate zones of China, to clarity its adaptability. Based on it, the thermodynamic characteristics and optimal design and control method of the gas-injected vapor compression cycle with variable concentration NARM will be deeply investigated. ASHPs adopting this technology will get large potential to achieve higher SEER and larger heating capacity in low temperature ambient, which will provide attractive technical alternatives for heating in Yangzi River area and north rural area, and accumulate the energy conservation and reduction of pollutant emissions in China.

空气源热泵季节能效差且低温环境制热量衰减严重。基于准二级压缩、非共沸制冷剂及组分浓度调控技术，本项目提出了组分浓度可控型非共沸工质（简称：变浓度）准二级压缩循环。结合实验与模拟仿真，项目拟：①研究各参数对变浓度准二级涡旋压缩机内压缩过程和宏观性能的影响规律，揭示非共沸工质准二级压缩过程的热力学特征；②研究变浓度准二级压缩循环的变工况特性，明确该循环的浓度及容量调节范围，确认该循环的鲁棒性；③研究各设计及控制参数对采用变浓度准二级压缩循环的热泵系统性能的影响规律，构建该类热泵系统的优化设计及调控方法；④研究变浓度准二级压缩热泵在中国各气候分区典型建筑的全年性能，明确其适用。通过上述研究，项目力图最终掌握变浓度准二级压缩循环特性及其热泵系统的优化设计和调控方法，从而较大幅度提高空气源热泵低温制热量和季节能效水平，为长江流域和北方非集中供暖地区的采暖提供重要技术选项，推动我国节能减排工作的进展。

降低空调制冷热泵能耗是实现建筑节能、达成中国“3060”碳排放控制目标的重要内容之一。在其他非蒸气压缩技术还未成熟的情况下，提升蒸气压缩式制冷热泵系统的能效成为关键。对空调用制冷热泵系统的热力学分析显示，提升换热过程制冷剂与外部流体的匹配性是性能提升的核心。基于此，结合（准）二级压缩系统和非共沸制冷剂的优势，本项目提出了融合两者优势主动调控制冷剂浓度的非共沸工质（准）二级压缩循环，即新型变浓度非共沸（准）二级压缩循环。项目主要开展了变浓度准二级压缩机特性研究，变浓度准二级压缩系统特性研究，变浓度准二级压缩系统优化设计及调控研究及变浓度准二级压缩热泵系统适应性研究。项目如期完成研究内容，并取得了重要的研究成果，包括：（1）首次构建了变浓度压缩机模型，解决传统方法无法模拟非共沸补气压缩机及系统的困难；（2）首次发展了基于折射率的非共沸工质浓度在线监测方法，浓度在线测量的绝对误差为-0.5%~+0.9%，解决了混合工质系统测量问题，并为控制优化调控了可能；（3）非共沸工质准二级压缩基础循环特性研究发现，闪蒸罐内的制冷剂组分分离导致非共沸准二级闪发罐系统（FT）性能恶化明显，并揭示其根本原因在于组分分离导致的蒸发压力降低；（4）建立了包括经济器选型设计和容积比选择在内的变浓度（准）二级压缩系统的优化设计方法，建立包括准确测量、最优中间压力选择、（准）二级压缩热泵系统性能提升极限等在内的变浓度（准）二级压缩系统的优化控制方法；（5）构建了两种新型自复叠（准）二级压缩系统，单中间换热器自复叠（准）二级压缩系统能效较IHX最高提升3.6%，较FT最高提升8.1%；双中间换热器自复叠（准）二级压缩系统较FT制热量提升9.6%，能效提升6.1%，较IHX制热量最高提升2.1%，制热COP最高提升2.5%；并提出了新型系统的优化控制和设计方法。本研究已经在非共沸工质（准）二级系统研究方向产生重要突破。本研究和后续研究在降低建筑能耗、实现碳中和目标中发挥重要作用。