热虹吸与蒸气压缩复合制冷系统的构建及其耦合特性研究

高密度发热空间有全年供冷需求，提高自然冷能利用是该类建筑节能的主要方向。现有的新风引入、冷媒载冷和单独热管换热等节能方案，均不能很好地兼顾节能性、可靠性和经济性。为此，本项目基于前期对热虹吸管、压缩制冷和两者复合技术的初步研究和实践，确认采用热虹吸和蒸气压缩复合制冷技术是实现高发热空间全年供冷的有效方案。本项目拟从机理、性能、关键部件以及优化设计和控制4个方面开展研究：首先，考虑连接管路、复杂换热器等因素，建立多扰量复杂结构热虹吸管的热力学模型，并研究热虹吸与蒸气压缩复合制冷系统的建模方法；其次，基于结构参数和外部参数对复合制冷系统性能影响的研究，确立复合制冷系统性能优化的基本准则，探明复合制冷系统启动、停止、失稳和回稳的运行边界；再次，突破复合制冷系统的关键控制部件；最后，通过反问题求解，建立面向应用对象的复合制冷系统的优化设计和控制方法。预期研究成果将推动高密度发热空间节能事业的发展。

热虹吸与蒸气压缩复合制冷系统（简称：复合系统）因其自然循环和制冷循环同用一套冷凝器和蒸发器，可高效利用自然冷源，扩大制冷工况范围，具有节能、节材、节地、易于协调控制等优点，故在全年供冷领域具有独特的适用性和节能效果。该技术虽在20世纪80年代提出，但至今未解决其理论问题和关键技术问题。.本项目以探明现有复合系统存在节能率低、可靠性差的原因为切入点，通过建立自然循环、液相和气相增压的可视化热虹吸管机理实验台及其分布参数模型，研究并揭示了小温差热虹吸循环的流动与传热规律。发现了小温差自然循环存在下降管断流和传热性能不稳定现象，并结合实验数据探明了其形成机理及影响自然循环性能的根本原因，进而提出了改善压力和制冷剂分布、提高性能的技术途径。明确了作为自然循环驱动力的液柱高度是根据其制冷剂分布及状态自适应形成，纠正了传统认识中冷凝器与蒸发器的“高差越大，流量越大，性能越好”误区；探明了液相与气相增压热虹吸循环的运行特性、作用机理和适用范围，明确了在一定温差下，调控制冷剂分布使冷凝器和蒸发器的相变传热面积最大是实现热虹吸循环性能最优的必要条件，纠正了“循环流量越大，传热性能越好”的认识误区。.建立了复合制冷系统的耦合设计方法并攻克了自然循环与制冷循环有机融合的关键技术。通过建立复合系统的热虹吸与蒸气压缩系统的分布参数法模型，分析复合系统的运行特性，揭示了现有复合系统节能率低的根本原因，进而确立了“热虹吸循环优先、制冷循环可靠”的复合系统耦合设计方法以及确保全年能耗最低的运行控制策略。在此基础上，突破性地解决了自然循环与制冷循环有机融合的关键技术问题：研发出基于压缩机吸排气压差驱动的模式切换装置，简化了自然循环与制冷循环的协调控制问题；研发出复合系统蒸发器，确保自然循环高效与制冷循环的回油安全，提高了系统可靠性和运行能效；提出涡旋压缩机制冷剂泄出的容量调节方法，改善了蒸气压缩循环在部分负荷工况下的运行性能。.建立基于热回收的空气焓差法热虹吸/蒸气压缩机制冷（热泵）系统性能测试平台，开展复合制冷与热泵系统的运行特性和控制策略研究，在此基础上，研发出基于热虹吸与蒸气压缩循环的电信基站空调机组、地源热泵补热机组等复合制冷（热泵）系统，并应用于实际工程。实测结果表明，所研发的各类复合系统运行稳定，可靠性好，年节能率达到30%~50%，为复合制冷技术的推广应用奠定了技术基础。