大温升蒸汽压缩式热泵系统优化研究进展

在“双碳”战略的背景下,大温升热泵技术不仅低碳节能,而且能够有效利用更低品位热能,向更高温领域发展。本文概述了大温升蒸汽压缩式热泵系统(大温升系统)优化的研究进展,从制冷剂、组件、循环优化、示范验证四个方面详细分析了大温升系统可行的优化手段。分析表明:当前大温升系统实践工程的常用制冷剂仍以R134a、R245fa等高GWP制冷剂为主;而在大温升制冷剂筛选方面,自然纯制冷剂中二氧化碳(R744)适用温度范围广泛,性能表现优异;水(R718)是大温升系统突破超高温(150℃)限制的潜力制冷剂之一;有机纯制冷剂发展迅速,R1234ze(Z)、R1336mzz(Z)等具有极低的GWP与优异的热力学性质;制备R32基、HFOs基、CO_(2)基混合制冷剂低GWP的混合制冷剂是当前具有前景的思路;在组件优化方面,压缩机变频技术等成熟技术为大温升系统组件优化提供了现行方案;磁悬浮轴承技术工业产品走向成熟,可有效降低大温升系统摩擦损失;线结构换热器技术等新兴技术为大温升系统提供了新的组件优化思路;在循环优化方面,补气/补液增焓与多级压缩等成熟技术为大温升系统循环优化提供了现行方案;喷射技术与涡流管技术等研究成果对大温升系统具有优化效果,但受到工程实践经验缺少、机理研究不明等方面限制;结合示范验证部分,补气增焓技术是目前适用范围最宽泛、工业运用最成熟的大温升系统优化技术,一定条件下可提高大温升系统性能系数20%以上;串联多级压缩技术与复叠式压缩技术是提高系统温升范围、保障低温供暖的有力手段。

车用跨临界CO_(2)空调系统变工况㶲分析

为了确定影响车用跨临界CO_(2)空调系统性能的因素,构建了车用跨临界CO_(2)空调系统的仿真模型,并利用仿真数据对系统及各部件进行了热力学分析。研究了不同的压缩机转速、气体冷却器进风风速、气体冷却器进风温度、蒸发器进风量和蒸发器进风温度对系统㶲损、㶲效率和各部件相对㶲损的影响。结果表明:在所研究的工况范围内,压缩机转速、气体冷却器进风风速和温度对系统㶲损影响较大;系统最大的㶲损来自膨胀阀,在各工况下平均占系统总㶲损的36.54%,其次分别是气体冷却器、压缩机和蒸发器,分别占系统总㶲损的24.24%、20.47%和18.81%;系统的总㶲损随压缩机转速增加和气体冷却器进风温度升高而增大,随气体冷却器进风风速增加和蒸发器进风温度升高而减小,随蒸发器进风风速的增加先减后增;系统的㶲效率随压缩机转速增加和蒸发器进风温度升高而降低,随气体冷却器进风风速增加和风温的升高而升高,随蒸发器进风风速先增后减。

基于BP神经网络的电动汽车动力电池产热估计

电池的产热情况是电池热管理的重要指标之一,准确估计电池产热功率对构建高效运行的电池热管理系统以确保电动汽车安全行驶至关重要。然而,目前大多采用基于模型的方法进行电池产热估计,但此方法存在耗费时间长和仅应用于某种特定电池状况产热估计等缺点,无法解决电动汽车电池实时产热估计的问题。对此,本文提出了一种基于人工智能算法的精准电池产热功率估计方法,即基于BP(back propagation,BP)神经网络的电动汽车动力电池产热估计模型。该模型利用贝叶斯优化算法(Bayesian optimization,BO)对BP神经网络进行超参数选取,采用Adam(adaptive momentum estimation,Adam)优化算法加快收敛速度,提高了模型的准确度和稳定性。研究对比了不同放电倍率和不同环境温度下恒流放电实验的电池产热功率,结果表明模型的估计平均误差为5.01%,最大误差仅为5.53W,R2拟合指标最高可达99.98%,证明了所提出的电池产热估计模型取得了较高的估计精度和较强的鲁棒性,为电动汽车电池实时产热估计提供了一个范式结构。

电动汽车CO_(2)热泵空调系统优化及制冷性能分析

为提升电动汽车CO_(2)热泵空调系统的制冷性能,文章构建了中间补气+回热器的跨临界CO_(2)系统,通过仿真研究了气体冷却器出口温度(T_(go))、气体冷却器压力(P_(g))、中间补气压力(P_(m))、相对补气量(β)、回热器过热度(ΔT)对系统制冷系数(EER)、制冷量(Q_(e))和压缩机排气温度(Tco)的影响及中间补气对回热器优化能力的提升。研究表明:存在最佳气体冷却器压力和最佳中间补气压力使得EER达到最大值,并得到两者与气体冷却器出口温度的关系式;气体冷却器出口温度上升会使系统性能下降,中间补气量和回热器过热度的增加能提升系统性能,EER提升了15.64%和6.07%,制冷量提升了27.88%和4.78%;回热器过热度的增加会导致压缩机排气温度上升,中间补气可降低压缩机排气温度,当限定压缩机排气温度时,中间补气可使回热器对EER和制冷量的优化能力分别提升了203%和173.87%;相对于基础跨临界CO_(2)系统,文章构建的优化系统在所研究工况内可使系统EER和制冷量分别提升18.38%和35.03%。

2022年中国储能技术研究进展

本文对2022年度中国储能技术的研究进展进行了综述。通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析,总结了2022年中国储能领域的主要技术进展,包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、锂离子电池、铅蓄电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器、新型储能技术、集成技术和消防安全技术等。结果表明,2022年中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均有重要进展,中国已成为世界储能技术基础研究、技术研发和集成应用最活跃的国家。

绿氨能源化及氨燃料电池研究进展

随着全球“减碳”目标的提出,氢气被认为是最理想的清洁能源,但是制取成本高、储存及运输困难等问题限制了氢的大规模能源化应用。氨作为氢的载体,具有“零碳”意义的绿氨越来越引起各国重视。本文通过对近期相关文献的探讨,综述了绿氨能源化的前景及氨燃料应用的进展。介绍了绿氨的来源,从绿氨生产成本、技术成熟度及政策因素等方面,分析绿氨规模化应用前景及面临的挑战。船舶运输及发电等是氨燃料的重要目标应用领域,但是还需要进一步解决氨的安全性、掺烧理论以及燃烧系统改造等难题。氨燃料电池是氨能源化的重要技术,本文详细介绍了氨燃料电池的研究进展,包括氧离子导电电解质固体氧化物氨燃料电池、质子传导电解质固体氧化物氨燃料电池、质子膜氨燃料电池和碱性氨燃料电池等。综合分析表明,全球减碳政策驱动因素是现阶段绿氨发展的重要推动力。质子膜氨燃料电池和碱性氨燃料电池在短期内将无法满足氨燃料的规模化应用,而固体氧化物燃料电池具有高度的燃料灵活性,是最有前景的氨燃料电池类型。

储能用锂离子电池电热耦合模型研究进展

高精度的电池模型是提升电池管理系统工作效率的关键,对于实现电池系统状态评估、寿命预测和健康运行具有重要意义。归纳和总结锂离子电池性能、温度非均匀特性和锂离子电池电热耦合模型构建方法及存在的问题。目前尚缺乏针对大规模储能电池全生命周期、复杂结构和环境因素条件下电热互动机制研究。基于经验方程和基于电池内部机理的电池热分析模型,存在计算速度慢、精度低和通用性差等问题。基于数据驱动的模型是一种更加高效的电池热学模型构建方法。在电池组层面,大多基于串并联方式和电池状态参数构建模型,不能准确模拟电流和环境温度非均匀条件下电池动态特性。依据储能电池系统复杂结构和环境特点,提高模型计算速度和精度成为下一步研究方向。

基于R410A制冷剂的空气源燃气热泵系统制冷特性

该文搭建了使用R410A制冷剂涡旋式压缩机的高能效空气源燃气热泵实验平台。在实验台上进行不同进水温度tw,in(8.8~18.8℃)、发动机转速Neng(1400~2400 r/min)、环境温度Tamb(24~43℃)、进水流量Gw(9.16~18.32 m^(3)/h)影响下的制冷特性研究,得到制冷量(Qc)、耗气功率(P_(gas))、压缩机功率(Pcomp)、一次能源利用率(RPER)、总一次能源利用率(RPER,all)及性能系数(RCOP)的变化规律。结果表明,RPER受RCOP与发动机热效率η_(eng)的双重影响,制冷运行时RPER、RPER,all与η_(eng)分别处于0.935~1.224、1.388~1.720与27.56%~35.25%之间。由不确定度分析可得Qc、P_(gas)和RPER的相对不确定度分别为5.61%、1.00%和5.70%,表明系统测试结果稳定可靠。

基于余热回收的燃气热泵性能及控制系统

燃气热泵(gas engine-driven heat pump,GHP)具有环境适应性强、能效高、耗电量少等优点,能够解决一次能源利用率低、资源浪费和环境污染等问题。当前研究重点是通过模拟和实验方法开展燃气热泵的运行特性研究,而忽略了控制系统。控制系统是燃气热泵的重要组成部分,对于保障机组高效、稳定运行至关重要。本文提出一种嵌入式控制系统,监控GHP冷热水机组(gas engine driven heat pump cold-hot water equipment,GHPW)。详细阐述了多输入输出控制模块、发动机控制模块、蒸发温度控制模块、人机交互模块等燃气热泵核心控制模块的设计原则和方法。通过实验验证了GHPW的运行性能,实验结果表明,控制系统能够准确、稳定地控制机组,实现快速制冷/制热。通过主控制器对发动机转速和蒸发温度的双闭环控制,实现对系统出水温度的稳定性和准确性控制。当环境温度较低时,由于回收发动机余热,GHPW系统的制热能力优于EHP(电热泵)系统。随着环境温度从-20℃上升到7℃,实验系统的制热量从52.94kW逐渐上升到105.87kW,系统一次能源利用率(primary energy ratio,PER)从0.819上升到1.489。发动机余热回收显著提高了系统制热能力和PER。

燃料驱动无电热泵系统的节能模拟与运行经济性分析

创新性提出了一种燃料驱动无电热泵系统(NEHP)的热泵新技术,NEHP使用一套系统解决了夏季供冷、冬季供暖、生活热水及一定量生活用电,是一种可冷热电多联供的分布式能源系统。本文从原理及设计思路上对NEHP新技术进行了具体说明,对NEHP技术应用的节能性进行了模拟计算,并对运行经济性作了全面分析。NEHP技术适宜应用于缺电和无电地区,具有电热泵(EHP)无法比拟的适用性优势,也适用于燃气与电力均较为充裕的地区,具有广阔的应用场景。对于使用燃气的NEHP-G系统,若气电比rge小于某一数值,则在供热或供冷方面NEHP-G将比EHP具有更低的运行费用,其中额定制热时该值为4.17,额定制冷回收与不回收余热时该值分别为5.62和3.06。以重庆地区2021年商业气价与电价为例,NEHP-G在制热季可节省费用42.17%~47.49%,在制冷季回收与不回收余热可分别节省费用48.22%与32.26%。

储能用锂离子电池修复系统

针对目前锂离子电池在线均衡模块数量多、成本高、体积大,以及均衡控制方法相对较单一,无法满足储能系统需求的问题,开发独立式锂离子电池修复系统。采用混合式修复拓扑,开发修复系统功能模块,提出修复控制策略。一次充电修复后,电池模组充电时间延长3.1%,充入容量提升0.78%,电池荷电状态(SOC)差值降低2.11%,说明独立式锂离子电池修复系统能够延长电池充放电时间,减小电池之间的差异,提高充放电能力。该系统有助于降低电池使用成本,使电池组小型化和轻量化。

燃气热泵系统在过渡季节制备生活热水的性能研究

研究了燃气热泵(GHP)系统在过渡季节制备生活热水的性能特性,分析了发动机余热回收对GHP系统性能的影响。在不同环境温度(15~24℃)和进水温度(37.7~47.8℃)下,考察回收与不回收发动机余热模式对生活热水制热量(Q_(h))、耗气功率(P_(gas))及一次能源利用率(r_(PER))的影响规律。结果表明,随着环境温度的升高,P_(gas)减小,而Q_(h)和r_(PER)呈现递增的趋势;随着进水温度的升高,P_(gas)增大,而Q_(h)和r_(PER)呈现递减的趋势。其中环境温度20~24℃与进水温度37.7~47.8℃为Q_(h)的不敏感区间,在环境温度为24℃和进水温度为37.7℃条件下,r_(PER)高达2.004。GHP系统的余热回收量分别占总制热量和发动机总余热的25.00%~30.16%和62.17%~71.56%,系统的余热利用率高。

空气源燃气热泵系统多制热运行模式下余热回收特性

燃气热泵(GHP)是一种高效的天然气分布式能源系统,可通过回收发动机余热而显著改善空气源热泵在冬季低温制热量大幅度衰减的不足。本文在自行设计并搭建的使用R410A制冷剂开启式涡旋式压缩机的GHP实验平台上,针对额定制热和超低温制热两种环境温度T_(amb)(7℃和-15℃),研究了不同制热运行方式(mode-1~mode-4)对GHP系统制热性能参数的影响。结果表明,相比不进行余热回收的制热模式(mode-1),进行余热回收的制热模式(mode-2~mode-4)可明显提升系统的制热性能,mode-4是一种更优的制热运行模式。在mode-4下,当环境温度为7℃与-15℃时,一次能源利用率分别为1.552和0.983,回收的余热量占总余热量的百分比(R_(rec,res))分别为64.15%和50.63%,回收的余热量占总制热量的百分比(R_(rec,h))分别为28.97%和36.58%,系统的余热回收效果优良。相比于额定制热下的R_(rec,res)与R_(rec,h),超低温制热下回收的余热量占发动机总余热中的比例相对较小,但占总制热量的比例相对较高。

过冷法海水冰浆制备系统能耗特性分析

海水制冰浆技术可应用于海岛及海上风电的负荷转移和削峰以及冷冻保存海产品等,具有广阔应用前景。此外,海水制冰的原料近乎免费,并且利用海水作为冷却介质可以降低冷凝温度,进而提高系统能效,具有明显优势。通过建立双回路单级压缩循环制冰系统模型,分析利用过冷法制取海水冰浆的经济性和可行性,为海水制冰浆技术的实际应用提供理论指导。结果显示,该系统在计算条件下冬季循环性能系数平均值为4.76,夏季平均值为3.61,在蒸发器内较宽的海水流速范围内可维持较长时间正常运行。系统采用板式水冷冷凝器,并与空气源机组进行定量对比,结果表明循环机组采用水冷冷凝器在各指定工况点下的效益均高于采用空冷器,在设计工况下水冷机组单位投资蓄冷量为2.85kW·h/元,对应的空冷机组仅为1.37kW·h/元。

电动汽车CO_(2)热泵空调制热性能分析

为提升电动汽车CO_(2)热泵空调的系统性能及扩宽热泵空调的使用温区,构建了回热器+补气增焓的跨临界CO_(2)系统,通过建立数值模型对该系统的制热性能进行了仿真分析。研究结果表明,气体冷却器压力对制冷系数(Coefficient of Performance,COP)影响较大,且存在最优气体冷却器压力和中间补气压力使COP达到最大值;中间补气过程能有效提升COP和制热量,且能有效降低压缩机排气温度;回热器过热度对COP和制热量影响较小,但会导致压缩机排气温度上升。

严寒条件CO_(2)跨临界循环热泵优化技术

以严寒条件CO_(2)跨临界循环热泵系统为研究对象,采用涡流管技术与二级压缩技术对其进行优化,采用工程方程求解器(EES)软件建立四个热力学模型(单级循环、单级涡流管循环、二级循环、二级涡流管循环),模拟分析了性能系数(COP)、排气温度等参数随气冷压力、蒸发温度、过热度、级间压力的变化规律。研究表明气冷压力变化对严寒条件下优化系统的性能影响最大,在设定的压力变化范围内(7MPa~12MPa),单级循环、单级涡流管循环、二级循环、二级涡流管循环的COP变化幅度分别为74.40%、60.46%、110.38%、90.94%;涡流管技术在低压缩比条件下优化效果更佳,一定条件下,单级涡流管循环较单级循环COP可提高11.2%;二级压缩技术在高压缩比条件下优化效果更好,在最优气冷压力条件下,二级循环相较单级循环COP可提高18.2%,同时二级压缩技术可降低压缩机排气温度,使压缩机保持较高的等熵效率,且存在最优级间压力使得COP达到最大值。结果表明,当总压缩比不大、级间压力处于较低水平或者需要获取更高的第一级压缩出口温度时,通过改变涡流管参数调节过热度效果更好,与二级压缩技术匹配将更有意义。

基于流态冰浆蓄冷的深远海风电就地消纳

考虑深远海风电远距离输电带来的高成本与限制性,提出了一种以冰浆作为蓄冷载体的就地消纳深远海风电的技术路线,以南海某台风力发电机为研究对象,建立了性能与经济性评价模型,对循环COP、制冰速度、单位电耗、费用年值、单位制冰费用进行分析。并与船载场景下的制冰机相对比。结果表明:风电消纳制冰浆机组在海面下取水并补充淡水制冰的情景下制冰速度可达57.18 t/h,单位电耗39.47 kWh/t,较同功率下海水片冰机制冰速度提升80.4%,单位电耗降低51.1%,产能大能效高;储冰罐全年冷量损失比率不超过制冷量的2.7%,综合各项冷量损失,全年冷量损失比率不超过5%,且几乎不随海水流速变化波动,隔热能力优秀;计入冷量损失,机组全年冰产量达95.17万吨,可冷藏至少47.59万吨海产品,供应1100艘以上千吨级渔船使用,能够满足大规模的冰需求;机组费用年值为1758.70万元,制取单位冰浆费用低至36.96元/吨,较船载场景下海水片冰机减少47.3%,具有较强竞争力,经济可行性良好。

直接蒸发式热泵蒸汽系统的技术经济性分析

在全球碳中和背景下,热泵蒸汽(SGHP)技术得到广泛关注和快速发展。对SGHP系统的两种热力循环分别开展?效率和热力性能分析,研究其在工业蒸汽供应方面替代燃气锅炉(Gas-B)、燃煤锅炉(Coal-B)的节能减碳效果。结果表明:直接蒸发式热泵蒸汽系统(DE-SGHP)具有更好的热力性能,其系统性能系数(COP)相比闪蒸循环式热泵蒸汽系统(CF-SGHP)提高了8.8%;采用SGHP系统供应蒸汽的节能性及热泵系统COP与城市气电比、煤电比密切相关,气电比、煤电比越大,SGHP系统供汽节能效果越好,在中国大部分地区采用SGHP供汽相比Gas-B均具有显著的节能效果,但是相比Coal-B系统只有在华南和华东地区具有一定的节能性;在减少CO_(2)排放方面,采用SGHP系统供汽比锅炉系统具有更好的效果。

水合物降压分解的实验及数值模拟

在天然气水合物一维分解模拟系统上进行模拟多孔介质中水合物降压分解的实验。在考虑天然气水合物分解动力学机理以及流体渗流模型的基础上,建立天然气水合物降压分解的数学模型。利用模型对降压实验进行拟合,获得了多孔介质内水合物分解本征速度常数数量级为102mol.m-2.Pa-1.s-1,比文献中测定的纯水中水合物分解本征速度常数低3个数量级。对模型进行了参数分析,发现对于实验室规模的一维系统,分解动力学过程控制整个分解过程,而对于现场规模的水合物藏,整个开采过程受水合物藏流动特性的控制,而受水合物分解过程的影响较小。

卧式螺旋管压力降脉动瞬态及时均传热特性研究

在中低压条件下，以水为工质，实验研究了卧式螺旋管中发生压力降型脉动时的瞬态和时均换热特性，给出了脉动过程中管截面平均换热系数及周向不同位置处的换热系数分布随时间的变化规律，分析了脉动过程中的瞬态换热特性和机理，获得了压力降脉动时均换热系数计算式。