2023年 第45卷 第4期    刊出日期：2023-04-25

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观点综述

综合能源系统中热泵技术研究与应用

孙健, 王寅武, 吴可欣, 陶建龙, 秦宇

2023, 45(4):  1-11.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.001

摘要 ( 267 )   HTML ( 12 )   PDF (1697KB) ( 355 )  

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在“双碳”背景下，综合能源系统不断地推进可再生能源灵活消纳、低碳化供热供冷、工业余热利用及配合电网灵活调峰等领域的技术改革。热泵因具有高效率、低污染的特点，在综合能源系统中得到广泛应用。热泵可作为系统的供能及储能单元。在综合能源系统中，以能量来源为依据，热泵被分为空气源、水源、土壤源及余热4类，对作为供能单元的4种热泵分别进行描述；按照储能类型，热泵可被分为储热（冷）及储电2种。热泵的使用实现了综合能源系统的低碳化及高效化运行，但在其应用过程中存在能源匹配以及优化运行等方面的问题。最后，对热泵在综合能源系统中的发展趋势进行了展望。

二氧化碳跨临界循环热泵的应用与发展

李敏霞, 侯焙然, 王派, 董丽玮, 田华

2023, 45(4):  12-18.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.002

摘要 ( 201 )   HTML ( 11 )   PDF (1546KB) ( 488 )  

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在碳达峰、碳中和背景下，采用自然工质的CO₂热泵更加符合绿色低碳的要求。介绍了国内外CO₂热泵应用与研究现状。CO₂热泵热水器与传统电热水器相比，CO₂排放量减少40%，其最大优势在于，以较大温升保持较高的换热效率。在室外温度较低的情况下，通过使用CO₂热泵，铁路沿线和北方农村地区能出产满足要求的热水并具有较高的全年能效比。一些企业已完成CO₂车载空调的研发，并已基本实现量产。CO₂热泵干燥与传统的电热干燥技术相比，节能率高达55%。CO₂热泵技术将是未来研究环保低碳新技术的热点，将在我国碳达峰、碳中和事业中发挥关键作用。

工程研究与应用

基于新型工质热泵的烟气余热回收优化温度研究

孙健, 秦宇, 王寅武, 吴可欣, 戈志华

2023, 45(4):  19-25.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.003

摘要 ( 81 )   HTML ( 5 )   PDF (1275KB) ( 96 )  

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天然气锅炉排烟温度较高，烟气中含有较多的水蒸气潜热，具有显著的热量回收价值，目前常采用新型工质电动热泵回收天然气烟气余热加热热网回水，助力“双碳”目标的实现。为提升电动热泵的循环性能系数，研究不同工况下新型工质电动热泵适配混合工质的性能，对机组运行中R134a+R245fa，R152a+R245fa，R227ea+R245fa，R134a+R142b，R152a+R142b，R227ea+R142b共6种混合工质的循环性能进行计算分析。针对锅炉房实际运行参数，对比冷凝器热水进出口温度为50/65 ℃，蒸发器冷水进出口温度为40/35 ℃及40/30 ℃工况下各混合工质的热力学性能，得出在该工况下R134a+R245fa（摩尔分数比为0.41∶0.59）为较佳工质。采用所筛选工质对烟气余热回收排烟温度进行优化，分析了不同排烟温度的经济性，对比余热回收收益及电动热泵运行成本，揭示了烟气余热回收最优化温度变化规律，指导余热回收系统设计与应用。

混合工质对喷射式冷电联供循环性能的影响

赵东鹏, 赵力, 邓帅, 赵睿恺, 许伟聪

2023, 45(4):  26-34.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.004

摘要 ( 70 )   HTML ( 5 )   PDF (1298KB) ( 169 )  

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通过耦合动力循环和喷射式制冷循环，喷射式冷电联供循环可以在中低温热能的驱动下同时进行制冷和发电，在可再生能源利用、余热回收等领域有重要的应用价值。不同于单一功能的动力循环，冷电联供循环需要同时保证热源和循环之间、载冷流体和循环之间形成良好的温度匹配。在动力循环中，有机闪蒸循环被认为能够很好地实现变温热源和循环之间的温度匹配。在制冷循环中，非共沸工质能够尽可能地实现循环和载冷流体之间的温度匹配。因此，在基于有机闪蒸循环的喷射式冷电联供循环中使用非共沸工质，可以同时实现热源和循环之间、载冷流体和循环之间较好的温度匹配。通过建立数学模型，研究了R600a/R601a混合工质对该冷电联供循环性能的影响。结果表明，当R600a的质量组分为0.3时，循环的?效率达到最大值37.38%，比采用R600a纯工质提高了4.20%，比采用R601a纯工质提高了6.30%。

燃气发动机驱动热泵烟气排放影响因素的试验研究

莫继杭, 苗艳姝, 陈昌瑞, 张晓萌, 倪龙

2023, 45(4):  35-40.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.005

摘要 ( 57 )   HTML ( 2 )   PDF (1184KB) ( 147 )  

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随着燃气热泵的大力推广，有关燃气热泵排放的标准愈发严格。通过燃气热泵烟气排放试验，研究在燃气热泵稳定运行工况下，燃气消耗量、过量空气系数、发动机转速对燃气热泵烟气排放的影响。结果表明：w（NO_x）和烟气温度整体随燃气消耗量的增加呈上升趋势，提升过量空气系数可以降低w（NO_x），并使w（CO）维持在较低水平。从降低污染物排放的角度来说，过量空气系数宜维持在1.40左右。随着发动机转速的增加，w（NO_x）和w（CO）都呈先降后升的趋势，最小值均出现在转速为1 250 r/min左右时，而且烟气温度与发动机转速呈线性正相关。

两级再吸收浓度差储热系统性能分析

窦蓬勃, 贾腾, 代彦军

2023, 45(4):  41-46.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.006

摘要 ( 64 )   HTML ( 2 )   PDF (1406KB) ( 142 )  

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构建了一种以氨水为工质，依靠溶液浓度变化存储能量的储热系统，并对该系统进行热力学性能评价。再吸收循环高压吸收器出口溶液浓度会随这循环运行压力变化产生波动，不同高压吸收器出口溶液浓度下循环运行压力存在下限。当高压吸收器出口溶液质量分数低至0.9时，循环运行压力不可低于4.6 kPa，当高压吸收器出口溶液浓度较低时，会影响循环正常运行。对再吸收储热循环的可行浓度-温度区间进行了探究，提出将节流失效临界线作为判定制冷剂是否有制冷能力的依据。再吸收循环区别于吸收式循环的特点在于其采用二元溶液吸收过程代替一元工质冷凝过程，能够有效降低再吸收循环的驱动热源温度。通过对系统性能分析，得出如下结论：热源温度为90 ℃时单级再吸收循环性能系数（COP）可达0.614，两级再吸收循环COP可达0.489；进水温度为30 ℃的条件下，该系统单级储热模式的出水温度达49.38 ℃，两级储热模式的出水温度达52.54 ℃，能够满足地板采暖的要求。

超长距蒸汽供热管道保温性能分析

商永强, 王文峰, 王为术, 郭嘉伟, 郑毫楠, 葛学文

2023, 45(4):  47-51.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.007

摘要 ( 61 )   HTML ( 1 )   PDF (1687KB) ( 108 )  

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针对热电联产蒸汽长距离运输过程中保温的问题，结合某管网工程，采用数值模拟的方法，研究了不同敷设方式管网的散热特性，并根据设计负荷计算了管网用户处的蒸汽参数。研究结果表明，在蒸汽供热管道中，空气层和土壤可一定程度上降低管道中蒸汽的热损失，对管道起到保温效果，直埋敷设管段的热损失要小于架空敷设管段。当管网负荷较低时，部分用户处会出现冷凝，负荷增大会使管道温降减小，压降增大。该研究为供热管道工程优化提供理论基础。

严寒地区太阳能跨季节蓄热热泵系统研究

窦子慧, 刘景霞, 李宝利

2023, 45(4):  52-58.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.008

摘要 ( 92 )   HTML ( 7 )   PDF (2816KB) ( 206 )  

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针对我国严寒地区冬季热负荷远大于夏季冷负荷导致的土壤热失衡问题，选取包头市某医院为对象，应用TRNSYS仿真软件分析太阳能跨季节蓄热土壤源热泵系统的性能。分析结果表明：跨季节蓄热系统运行10年内，土壤温度由10.00 ℃提升到10.68 ℃，太阳能-土壤源热泵复合系统的土壤温度下降至5.62 ℃。此时跨季节蓄热模式热泵机组的性能系数为3.25，同比上涨2.20%；供冷季热泵机组的性能系数为7.55，同比上涨0.13%。同时，总耗电量相较于复合系统减少11.54%。由此可见，太阳能跨季节蓄热模式不仅可以提高土壤源热泵制热性能系数，又能有效缓解土壤热失衡的现象，同时节约系统总耗电量。

技术探索与展望

基于红外遥感的供热系统测温方法优化及适用性分析

高连瑞, 丛铭阳, 王源, 徐海东, 谢洪涛, 王德人, 周志刚

2023, 45(4):  59-68.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.009

摘要 ( 85 )   HTML ( 3 )   PDF (1919KB) ( 169 )  

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用户侧室温采集是智慧能源系统实现按需供热和效果评估的重要手段和关键测量参数，但现有方法面临成本问题和局部测点安装位置选择导致的准确度问题。基于红外遥感的测温方法与实际场景相结合，探究结合红外遥感与传感器测温的综合室温测量方法，分析测温位置、气象、用户开窗行为和基准房间数量对测温效果的影响，以及该方法的优化效果并讨论其工程应用性。结论显示，当基准房间数量增加至2个后收益最高，可明显降低天气、开窗等外界干扰的影响，提高方法的鲁棒性，同时不受边际递减效益的影响，误差约在±1.5 ℃的范围内。对于基准传感器的布置优化问题，经过对比发现，边-顶组合可作为一个较好的参考位置，该方法与常规方法相比能明显降低覆盖率指标中的传感器安装要求，为未来的工程适用性提供参考。

基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统效益分析

孙方田, 赵晓晴, 许婉晴, 郝宝如, 谢永华

2023, 45(4):  69-73.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.010

摘要 ( 49 )   HTML ( 1 )   PDF (1022KB) ( 113 )  

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鉴于北方地区清洁供热发展需求，结合北方地区中深层地热分布特点提出一种基于压缩式换热的中深层地热集中供热模式，并分析了不同地热水温度对系统性能的影响。结果表明，地热水温度越高，系统热力性能越好。当地热水温度为75.0 ℃时，压缩式换热机组可将一次网回水温度降低至15.0 ℃，以解决中深层地热田与热用户空间分布不匹配的问题。在一次网输热距离为20 km的条件下，基于压缩式换热的中深层地热集中供热系统的系统年性能系数（ASCOP）约为12.5，地热能供热占比约92%，节能减排潜力较大。

新型太阳能热回收准二级压缩热泵系统特征气候运行性能分析

蔺连杰, 范毅, 李晶, 赵旭东, 李云海

2023, 45(4):  74-80.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.011

摘要 ( 59 )   HTML ( 2 )   PDF (1695KB) ( 116 )  

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针对目前建筑供暖/制冷能耗问题，提出了一种利用新型热回收式准二级压缩热泵的太阳能热泵供暖/制冷系统。通过建立系统仿真模型，分析了该系统在中国3种特征气候（重庆、太原、乌鲁木齐）下的运行情况。研究结果表明：该系统可利用新型热回收技术与太阳能光伏光热技术为建筑供暖、供冷，回收热量约占重庆、太原、乌鲁木齐房屋负荷的12%，光热供能占总负荷的30%，20%，15%；光伏利润占重庆、太原、乌鲁木齐房屋总运营成本的38%，26%，18%。可再生能源在新型热回收式准二级压缩热泵系统中起到了关键作用，可极大提升系统性能并减少碳排放。

单井U型地埋管换热器传热特性与热渗耦合特性分析

刘媛媛, 耿直, 张元峰, 张良, 韩昭, 张斌

2023, 45(4):  81-88.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2023.04.012

摘要 ( 60 )   HTML ( 3 )   PDF (3767KB) ( 199 )  

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在“双碳”目标下，浅层地热能供暖（冷）作为一种新型的清洁能源利用形式得到广泛使用。为提高浅层地热能的利用效率，以我国北方某综合能源供暖（冷）项目土壤源热泵系统为研究对象，构建单井U型地埋管换热器的三维非稳态传热模型，并利用Fluent软件分析其传热特性与热渗耦合特性。选取4.0，4.5，5.0 m等3个不同埋管间距和106.0，113.0，120.0 m等3种不同埋管深度，对地埋管换热器的换热总量及单位井深换热量分别进行对比分析。分析结果表明，埋管间距为 4.0 m、埋管深度为106.0 m时，单井地埋管换热器的换热效果最佳。对无渗流和有渗流及不同渗流速度下地埋管换热器温度场进行对比分析，结果表明，地下水渗流会对地埋管换热器换热效率带来正向影响，并且随着渗流速度的增加，换热效果更好。上述分析为实际工程的地埋管方案设计提供参考依据。