一种主动式碳中和高效热泵空调工质开发方法与流程

1.本发明涉及热泵空调循环的性能参数的计算，并筛选最佳工质的方法，属于热泵空调循环工质开发领域。


背景技术：

2.随着社会的不断发展，人类在生产生活过程中消耗了大量的能源，产生了温室气体，与工业化前 (1850-1900)水平相比，2020年全球平均气温高出约1.2℃。由于气温的上升造成了一系列的问题：冰川在继续萎缩，北半球春季积雪面积持续减少等，全球气候变暖对人类的生产生活产生了极大的影响，各国意识到了全球变暖带来的影响，因此均在努力实现碳中和。据相关统计，我国能源利用率相对较低，至少有 50％的工业能耗以余热的形式直接释放到环境中，而仅有30％左右的余热得到利用，释放到环境中的余热不仅造成了浪费，而且会加剧温室效应，因此对余热的利用不仅具有经济效益，而且具有环保效益。
3.余热利用技术，是提高能源利用率、解决环境问题的有效措施之一，而热泵技术就是其中的一种形式，热泵通过热力循环将将低温热源中的热量转移到高温热源，实现了能源质量的提升。热泵通过使用一部分电能等高品位能源，将空气、土壤、地下水以及各行业生产过程的余热等低品位能源，通过压缩机提质到高品位能源，供应于有相应需求的其他生产过程、供暖、生活热水等方面。评价热泵的性能参数一般采用 cop(性能系数)，即供热量与所消耗的功量之比，一般来说热泵的cop值为3～7左右，也就是说它可以产生3～7倍自身所需能量的热量，而单位容积制热量意味着相同容积下热泵系统的制热量，其值越大说明相同用热需求下，设备的体积越小，充注工质量越小，泄露产生的温室效应越小，这些参数主要是由工质的性质决定，cop与容积制热量越大说明工质的效率越高，由此看出优良的热泵工质对于能源的节约具有重要意义，符合提升一次能源利用效率和“碳中和”的实际需求。
4.但是，热泵技术也有其局限性。热泵采用的工质是热量的携带者，起着至关重要的作用，其中的一类工质氟利昂，是应用最多的一类工质，但氟利昂中的cfc类对臭氧层的破化严重，但已经基本淘汰；hcfc 类的臭氧层破坏能力小于cfc，但也对臭氧层有破坏，现在也进入了加速淘汰阶段；对臭氧层有破坏的工质已经基本禁用，但目前应用较多的hfc类虽然对臭氧层没有破坏作用，但其较高的gwp(全球变暖潜值) 值也使它进入了被淘汰的序列。
5.gwp是指在规定时间内，气体的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量，也就是说gwp值为100 代表1kg此气体相当于100kg二氧化碳产生的温室效应，高gwp值加速了全球变暖，目前常用工质的gwp 均较高，例如r22为1700，r134a为1430，r410a为2088。根据有关机构的初步分析，我国排放的热泵空调工质气体按照gwp的方法看，相当于使用化石能源所排放的二氧化碳量的20％～30％，由于建筑相关制冷剂泄漏造成的温室气体相当于1亿吨二氧化碳当量。江亿院士在《中国建筑部门实现碳中和的路径》中指出：非二氧化碳类温室气体排放问题的解决，会导致建筑中冷冻冷藏、空调制冷技术的革命性变化，实现技术的
创新性突破，值得业内关注。解决方案之一就是采用低温室效应或零温室效应的新型工质，可以看出寻找低gwp工质对于碳中和的实现具有重要意义，而且一些高gwp工质目前已经被定为限制排放的温室气体范围。一方面高gwp工质的使用限制层出不穷，另一方面较为合适的替代工质开发尚不成熟，低gwp工质对于碳中和目标的实现具有重要意义，因此寻找低gwp工质迫在眉睫。尽管各个国家出台了各类工质的限制使用日期或对使用量进行了限制，但是对于某些被限制工质的替代还没有较好的解决方案，例如对于环保性能优良的替代工质，其cop值可能要差于原工质；或单位容积制热量与原工质相差较大，可能需要对设备重新设计。因此，工质的替代问题已经成为需要全球各个国家共同面对的问题。
6.目前，针对循环工质的筛选，采用一种性能优良的工质作为主要的成分，再通过添加少量其它工质来弥补这种工质的不足，进而获得较为理想的混合工质，这种方法虽然目的性强，但工质混合后的性质会发生一定的变化，单组分表现出的优良性能混合后无法体现，或着本身性能较差的工质经过一定的组合会发挥超出本身的性能，因此只选择将性能优良工质混合可能会遗漏一些优良的组合，如果对所有的工质都进行组合会造成巨大的工作量，这无疑对混合工质的开发带来了挑战。而且工质的选择不仅需要考虑循环性能系数，还需要考虑一些其他因素：单位容积制热量、压缩比、排气温度、gwp、odp等。高的单位容积制热量会减小压缩机的尺寸，从而达到减少初投资的效果；较低的压缩比可以保证压缩机的正常运行；较低的排气温度可以防止润滑油的碳化；gwp(全球变暖潜值)对全球变暖的趋势具有重要影响；odp(臭氧消耗潜值)的高低对保护臭氧层具有重要意义；此外，工质的安全性也是工质开发所需要格外注意的。在产生的大量工质组合中，不同工质对的性能系数相同或者相差非常小，而这些工质对中部分工质可能排气温度较高，部分工质的gwp较高，部分工质具有一定的可燃性或毒性，一味地选择性能系数最高的工质就会变得不合理，故工质筛选不能仅仅以性能系数为单一选择目标。
7.对于热泵空调循环来说，理论循环是理想状态下的循环，热泵空调循环的研究都以能够最大限度的接近理论循环为目标，但实际上热泵空调循环的设备会对循环中的参数产生一定的影响，例如蒸发器和压缩机的类型不同会对过热度产生影响；膨胀阀的种类不同，过冷度的要求也不同，过冷度过低会造成工质在膨胀阀中提前气化，减少了在蒸发器中的吸热量，从而降低了制冷能力，而过冷度过高会增加冷凝器的传热面积，降低冷凝器的经济性；过热度过低可能会造成工质在压缩过程气化，导致湿压缩现象的产生，损坏压缩机，过热度过高又会造成过热损失的增大，目前大多数研究热力循环采用的过热度、过冷度为定值，而没有考虑不同设备的差异，因此根据实际条件的不同，采用不同的过热度、过冷度对于预测循环的实际表现具有重要意义。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种主动式碳中和高效热泵空调工质开发方法，克服当前筛选工质效率低，筛选条件单一的问题，同时考虑了实际过程，使理论计算过程更加接近实际。
9.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
10.一种主动式碳中和高效热泵空调工质开发方法包括如下步骤：
11.(1)调取工质库的工质，产生混合工质。
12.(2)根据物性参数初步筛选工质。
13.(3)根据实际条件建立热力循环模型，计算循环参数。
14.(4)根据计算得到的循环参数进行二次筛选。
15.(5)对工质进行综合筛选，获得最优工质。
16.(6)实际热力循环过程的可视化。
17.所述步骤(1)对于单组分工质，直接调取工质，为后续的计算奠定基础。对于多组分，对工质库中n 种工质产生m元混合物的个数为c
nm
，对于每种组合，设定组分变化步长，再令各组分占比的变化范围为 (0，1)，且各组分占比的和等于1，产生相同组分，不同配比的工质组，如图2中的“产生组合”部分。
18.所述步骤(2)物性参数是工质固有的性质，与工质所处的状态无关，对调取的工质或产生的所有组合计算临界温度、gwp、odp，可燃性、毒性等，并判断临界温度与冷凝温度的关系、gwp、odp是否小于限值，可燃性、毒性是否满足要求，初步筛选工质组。如图1和2中“初步筛选”部分，其分别为单组分和三组分的初步筛选过程。
19.混合工质的gwp与odp的计算公式如下所示：
[0020][0021][0022]
所述步骤(3)在已知热源温度t
hs
、蒸发器侧换热温差δte冷源温度t
cs
、冷凝器侧换热温差δtc、过热度t
sup
、过冷度t
sub
、等熵效率ns的情况下，建立实际热力循环模型，如图3所示。对于简单可压缩系统，只需要两个参数就可以确定第三个参数，因此循环中各参数的计算如式(3)～(18)所示：
[0023]
te＝t
hs-δtgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0024]
tc＝t
cs
δtcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0025]
t1＝te t
sup
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(5)
[0026]
t3＝t
c-t
sub
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]
p1＝f1(te，d＝1)
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(7)
[0028]
h1＝f2(t1，p1)
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(8)
[0029]s1-f3(t1，p1)
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(9)
[0030]
p2＝f4(tc，d＝1)
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(10)
[0031]h2s
＝f5(s1，p2)
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(11)
[0032]
p3＝f6(t3，d＝0)
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(12)
[0033]
h3＝f7(t3，p3)
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(13)
[0034]
v1＝fg(t1，p1)
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(14)
[0035][0036]
[0037][0038][0039]
所述步骤(4)循环参数是指例如cop、制热量qv、制冷量、排气温度t
p
、排气压力p
p
、压缩比ε等与热力循环工况有关的参数。将计算得到的循环参数与约束条件进行比较，保留符合约束条件的工质。如图 1和2的再筛选部分。再筛选关系式如式(19)～(25)所示：
[0040]
tp＜tp
max
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(19)
[0041]
pp＜pp
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0042]
ε＜ε
max
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(21)
[0043]
gwp＜gwp
max
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(22)
[0044]
odp＜odp
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0045]
qv＞qv
min
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(24)
[0046]
cop＞cop
min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0047]
所述步骤(5)综合筛选是指以目标函数值为主要排序对象，其他参数(例如gwp，压缩比等参数)为次要排序条件，对工质进行排序，获得综合性能优良的工质。当目标函数的差值小于δ，比较次要排序条件中的数值，优先选择次要排序条件中参数优良的工质，如图1和2的综合筛选部分。
[0048]
本发明的有益效果为：通过本发明的方法，无需指定工质，而只需给定具体需求(如热源温度、冷源温度)、循环中的实际条件(蒸发器侧换热温差、冷凝器侧换热温差、过热度、过冷度、等熵效率)等循环工况参数，便可自动地对工质库中的工质进行判断，并对可以进行热泵空调的工质进行循环，以实际循环的性能系数为主要目标函数并考虑工质的其他物性参数与循环参数进行多目标筛选，而且对于多组分工质，通过分步式算法自动生成组合，提高了计算效率，并进行循环计算，并将实际过程的循环进行可视化，为循环的改进提供了便捷，不仅缩短了筛选工质的时间，而且综合考虑了工质各方面的性能，可以快速且高效的获得符合要求的工质，对于新型混合工质的开发具有重要意义。
附图说明
[0049]
图1为单组分工质计算方法流程图；
[0050]
图2为三组分工质计算方法流程图；
[0051]
图3为实际逆卡诺循环t-s图。
具体实施方式
[0052]
为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0053]
在此，举例介绍利用本发明研究空气源热泵的二元混合工质。碳氢化合物有较低的odp和gwp、hfc 类工质的cop和制热量均较高、hfo类制冷剂环境友好性与安全性较好，因此选择工质库中的这三类工质，进行组合筛选空气源热泵工质。
[0054]
首先，根据空气源热泵的热源侧进气温度为7℃，出水温度为55℃，设定换热设备
的换热温差为5℃，故蒸发温度和冷凝温度分别为2℃和60℃过热度、过冷度均设为5℃，压缩机的等熵效率设定为0.85，组分变化步长设定为1％，odp最大值设为0，gwp最大值设为600，根据物性参数进行初步筛选，由式(1)、 (2)计算gwp、odp，将不符合gwp、odp的工质排除。
[0055]
根据蒸发温度、冷凝温度、过热度、过冷度、等熵效率建立实际热泵循环模型，并根据式(3)～(16) 计算工质的循环参数。
[0056]
根据循环参数进行二次筛选，压缩比最大值设为6，制热量目标设10000kj/m3，cop目标值设为3，排气压力限值设为2.4mpa，根据计算的得到的循环参数并根据式(17)～(23)将不符合要求的工质筛除。
[0057]
进行综合筛选，第一筛选条件设置为cop，允许差值为5％，第二筛选条件设置为单位容积制热量，允许差值为5％，第三筛选条件设置为gwp，按照gwp从低到高的顺序排列，进行综合排序，得出最后综合最优工质为丙烯(55％) 环丙烷(45％)，cop为4.00，压缩比为4.32，单位容积制热量为13807.48kj/m3可以看出利用本发明大大简化了筛选工质的过程，对于制冷剂开发领域具有重要意义。