CO2复叠多能互补低温供热系统节能降耗研究

CO2复叠多能互补低温供热系统节能降耗研究

李春燕

青藏集团西宁工程建设指挥部 青海 西宁  810007

摘要：随着经济发展和科技的进步，能源和环境是当今世界突出的两大社会问题，这促使人们更多地意识到能源对人类的重要性，热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，是利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源高效吸取低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到泵热的目的，从而转能质系数低的能源为能质系数高的能源（节约高品位能源），即提高能量品位的技术。

1. 研究背景及意义

随着全球能源需求的不断增长和气候变化的严峻挑战，寻找清洁、可持续的供暖方式变得越来越重要。传统的供暖方法如燃煤锅炉或电力供暖会导致大量的碳排放和环境污染。因此，人们对于利用可再生能源技术进行供暖的兴趣日益增加。

太阳能光热和热泵是两种常见的可再生能源供暖技术。太阳能光热利用太阳辐射将光能转化为热能，而热泵利用环境中的低温热源提供热能。通过将这两种技术结合应用于供暖系统，可以实现高效能源转换和减少碳排放。

太阳能光热与CO2热泵的结合是一种研究热点，目的是将太阳能光热和CO2热泵的优势相结合，提高系统的能效和环境友好度。

2. 研究内容：

(1)系统设计和优化：研究如何将太阳能光热系统和CO2热泵系统相结合，形成一个高效的供暖系统。

(2)太阳能集热器的设计与性能：研究太阳能集热器的种类、结构和材料选择，以提高其对太阳能的吸收效率，并将其转化为热能。

(3)CO2热泵系统的优化：研究CO2热泵系统的工作原理和循环过程，探索如何提高其制热性能和能源利用效率。

(4)系统性能评估和优化：对太阳能光热+CO2热泵供暖系统进行性能评估，包括能源利用效率、温度控制精度、运行稳定性等方面的指标。

(5)经济性和可行性分析：对太阳能光热+CO2热泵供暖系统的经济性和可行性进行评估。

(6)太阳能光热与CO2热泵耦合技术：研究如何将太阳能光热和CO2热泵有机耦合起来，实现能量的转换和利用。

(7)CO2热泵在太阳能光热系统中的应用：研究CO2热泵在太阳能光热系统中的适用性和性能优化。

(8)太阳能光热与CO2热泵的控制与优化：研究太阳能光热与CO2热泵供暖系统中的控制策略和优化方法。

3. 工作原理

(1)太阳能光热系统：太阳能光热系统利用太阳能将光能转化为热能。它包括太阳能集热器、储热设备和传热系统。太阳能集热器通常由吸收器和管道组成，可以将太阳辐射吸收并转换为热能。

(2)CO2热泵系统：CO2热泵系统利用制冷剂CO2的循环过程来实现供暖。当环境温度较低时，CO2制冷剂通过压缩，可以从低温热源中吸收热量。然后，CO2制冷剂被释放到高温热源中，将热量释放出来。

(3)储能系统：储能系统在太阳能光热和CO2热泵之间起到调节和平衡的作用。它可以用于储存太阳能光热系统产生的多余热能或CO2热泵系统未使用的低温热能。当太阳能不足或需要额外的热量时，储能系统可以向供暖系统提供储存的热能，以满足供暖需求。

太阳能光热+CO2热泵+储能供暖系统的协同工作：在该系统中，太阳能光热系统、CO2热泵系统和储能系统相互协同工作以提供稳定的供暖。当有足够的太阳能可利用时，太阳能光热系统会产生热能并将其储存到储能系统中。当太阳能不足时，或者需要更高温度的热量时，CO2热泵系统可以利用储能系统中的热能，并通过热泵循环过程将其进一步提升温度，以满足供暖需求。储能系统的存在可以提高系统的稳定性和可靠性，在不同季节和天气条件下，持续地为供暖系统提供热量。

3.1.系统优势

(1)高效利用可再生能源：系统结合了太阳能光热和CO2热泵两种可再生能源技术，实现了对太阳能的直接利用和对低温热能的提升利用。

(2)稳定供暖性能：储能系统在太阳能不足或需求超过太阳能供给时发挥重要作用。它可以储存多余的太阳能热能或未被利用的低温热能，并在需要时释放热量到供暖系统中。

(3)减少碳排放和环境友好：系统减少了对传统能源的依赖，降低了碳排放量，减少了对环境的负面影响。

(4)灵活适应不同季节和天气：该系统的设计使得它能够灵活地适应不同季节和天气条件下的变化。

(5)经济性和可持续性：尽管系统的建设成本较高，但其长期运行能够带来经济上的回报。

(6)高效性能：太阳能光热系统可以将太阳能转化为热能，并将其储存下来，即使在夜间或云天也能供应热能。

(7)环保节能：太阳能光热利用太阳能转换为热能，无需燃料消耗，减少了对化石燃料的依赖，同时减少了二氧化碳的排放。

(8)多能源互补：太阳能光热系统和CO2热泵系统可以灵活互补，根据季节、天气等因素来选择最适合的供暖方式。

(9)储能稳定供暖：储能系统可以储存多余的热能，以备不时之需。

3.2.CO2制冷剂优势

(1)环保：CO2是一种天然的制冷剂，不会对大气臭氧层造成破坏。它的全球暖化潜势（GWP）为1，相比传统的制冷剂如氟利昂（CFC）和氢氟碳化物（HCFC），CO2对环境的影响要小得多，不会导致温室效应和臭氧层损耗。

(2)可再生：CO2是地球上的常见气体，广泛存在于大气中，而且可以从工业过程中捕获并再利用，减少对化石燃料的依赖。

(3)高效：CO2具有较高的传热性能，在制冷系统中能够提供高效的换热。同时，CO2在压缩机运行时需要较低的功率，因此可以实现较高的能源利用效率。

(4)高安全性：CO2在常温下是一种稳定的气体，不易燃烧，不具有爆炸风险。与其他制冷剂相比，CO2的爆炸和火灾风险较低。

(5)良好的热力学性能：CO2具有较高的密度和低的压缩因子，这使得它在制冷循环中能够提供较高的制冷效果。此外，CO2的相变特性适合在广泛的温度范围内进行制冷和变温操作。

3.3.控制系统

CO2复叠多能互补低温供热系统控制采用PLC模式编程控制，实现远程数据传输功能，可无人值守控制系统采用自动与手动结合的方式；五极水位测量及显示，实时显示当前温度、水位和上水指示，水温水位可人工设定；手动上水和低水位强制上水功能；恒温供水；有故障提示报警功能。带数据远传功能，可实现异地数据监控，并为异地控制预留接口。液晶显示变频控制，含主机与循环泵连锁控制,全中文液晶显示面板，操作简便，程序进行了加密设置，防止由于误操作而导致改变设置参数。设有报警、运行，停/复机、防冻化霜、监控等24项操作模式，全方位记录系统运行状态，降低系统故障率。该智能界面维护方便、容易改造。

4. 系统运行结论

高效节能：太阳能光热和CO2热泵的结合利用了太阳能和环境中的低温热能，实现了能源的高效利用。与传统供暖方式相比，太阳能光热+CO2热泵+储能供暖系统能够显著降低能源消耗和运行成本。

环保减排：该系统减少了对化石燃料的依赖和燃烧过程中产生的二氧化碳等温室气体的排放量。它帮助减少了温室气体的排放，有助于应对气候变化和改善环境质量。

稳定供暖：太阳能光热+CO2热泵+储能供暖系统可以根据季节和天气情况自动调节供暖水温和供暖强度，保证供暖的稳定性和舒适性。储能系统的运用也提供了供暖能源的储备，确保在供能不足或突发情况下的持续供暖。

社会效益：该系统的推广应用可以带来社会效益，促进可持续发展和就业机会。同时，减少对传统能源的依赖，提高了社区的能源独立性，增强了社区的韧性和自主能力。

5结束语

综上所述，太阳能光热+CO2热泵+储能供暖系统可作为一种可行的供暖选择，它不仅能够高效节能、环保减排，还能提供稳定舒适的供暖环境，带来社会和环境的多重好处。推广和应用该系统需要政府、企业和社会各方共同努力，以促进可持续发展和绿色能源的普及应用。

参考文献

1 范亚云，夏朝凤等.热泵技术在太阳能利用中的实验研究[J].太阳能学报，2002，23(5)：580～585

2 范亚云，夏朝凤等.太阳能建筑一体化和热泵技术[].云南省第一届科学技术论坛集萃卷一：328～332

3 刘立平，葛茂泉.太阳能热泵系统的综合评价[J].上海水产大学学报，2001，10(4)：343～346

4 旷玉辉，王如竹.太阳能热泵[J].太阳能，2003(2)：20～24