气温大范围变化时跨临界CO2空气源热泵系统性能优化研究

The effective promotion of the transcritical CO2 heat pump heating system is one of the effective ways to solve the current civil heating and hot water supply in China and alleviate the severe environmental pollution in winter. However, the severe degradation of heat pump system performance at lower ambient temperatures has severely hampered its development. The project first optimizes the dynamic simulation modeling logic of the system, and combines big-data technology and computer-aided design technology to achieve efficient matching and optimization of structural parameters of the system components; then, based on the system simulation results, in-depth study the influence of geometric parameters of the ejector on its thermodynamic properties, explore the key geometrical structural parameters and the influence laws, and the design principle of the adjustable ejector. The influence of hydrophobic material types, nanomaterial types and sizes, surfactants types, environmental temperature and humidity in solidification process on the properties of the nanocoating materials were analyzed comprehensively. The influence of heat storage material composition, ratio, modification method, surfactant, et al. on the thermal properties of phase change materials and the nanomaterial suspension stability under phase transformation were analyzed deeply; Finally, experimental measure the practical performances of components and system, the stability and reliability of the long-term operation of the system are studied, which lays the foundation for the application of a new transcritical CO2 heat pump system.

跨临界CO2热泵供暖系统的有效推广是解决当前我国民用供暖、供热水，和缓解冬季环境污染严重的有效途径之一。然而较低环境温度下热泵系统性能大幅衰减的诟病严重制约了其发展。本项目首先优化系统动态仿真建模逻辑，并结合大数据技术与计算机辅助设计技术实现系统各部件的高效匹配和优化结构参数；然后，基于系统仿真结果，深入研究引射器几何结构参数对引射器热力学性能的影响规律，探寻关键几何结构参数及影响规律，探讨可调节引射器的设计原理。全面分析疏水性材料种类、纳米材料种类和尺寸、表面活性剂种类，及涂层材料凝固环境温度和湿度对纳米涂层材料性能的影响。深入分析储热材料组分、配比、改性方法、表活性剂等因素对相变材料热物性及反复相变后纳米材料悬浮稳定性的影响规律；最后，实验测试新型热泵系统的各部件及整体实际运行性能，研究系统长期运行的稳定性及可靠性，为新型跨临界CO2热泵系统的应用奠定基础。

跨临界CO2热泵供暖系统的有效推广是解决当前我国民用供暖、供热水，和缓解冬季环境污染严重的有效途径之一。然而较低环境温度下热泵系统性能大幅衰减的诟病严重制约了其发展。本项目以全面提升跨临界CO2热泵系统供热性能为目标，主要开展以下工作：（1）搭建了跨临界CO2热泵系统动态仿真模型，引入充注量修正，进一步提高了模型精度。分析变环温工况下系统动态响应特性及关键参数随系统性能的变化规律，为研发系统高效控制策略奠定基础；（2）搭建了新型减阻流体研发用物性测试平台及管内流动阻力与换热测试平台，研究减阻流体性能提升方法、温度对减阻流体性能的影响规律及超温先后减阻流体性能衰减规律，获得了减阻效果与耐温性能满足热泵供暖需求的减阻剂种类、配方及制备工艺，为降低热泵供暖系统辅助设备耗功，进一步提高整机能效奠定基础；（3）为缩短蒸发器化霜时间，提高热泵系统性能及用户体感，研究压缩机余热回收技术，提出了一种“微波膨胀-研磨预处理-机械混合-压力成型”的EG基复合PCM性能强化方法，通过该方法制备了与压缩机表面温度对应温区的复合PCM，所得复合储热材料导热性能最大可提升32倍，且相变过程PCM无泄漏，经过30次储放热循环测试其性能稳定无衰减。基于压缩机表面结果及安装空间的复杂性，开发了高效紧凑型储热器结构，实验证实可有效缩短化霜时间；（4）搭建了补气增焓跨临界CO2热泵性能测试平台，分析不同环境温度、进水温度、出水温度下，系统关键参数最优值及系统性能的变化规律，揭示了系统压缩机转速比、节流阀开度与系统最优参数变化，及最优参数与系统性能间的内在联系。综上，本项目从不同层面，利用不同方法针对跨临界CO2热泵系统性能提升技术开展了系统研究，归纳出了提升热泵系统综合性能的有效技术途径，为热泵技术的进一步推广应用奠定了基础。