一种新型高温热泵的特性分析、优化设计及可行性研究：该热泵适用于同时提供制冷和制热服务，且能承受较大的温差

《Renewable Energy》：Characterization, optimization and feasibility analysis of a novel high-temperature heat pump with large temperature differentials for combined cooling and heating supply

高温热泵系统在大温差综合冷热供应场景中的性能优化与可行性分析。针对传统高温热泵在大幅温升下性能衰减的难题，提出新型HL-VIE-CS循环结构，通过蒸发器优化和压缩机配置改进，实现最高加热COP 2.623，较次优系统提升8.06%，较最低系统提升20.79%。研究发现R152a/R1233zd(E)制冷剂组合性能最优，较原R1234ze(E)/R1234ze(Z)组合提升5.15%。系统经济性显著优于燃气锅炉，投资回收期5年，全生命周期降低运营成本11.7%-28.7%（北京/广州/新加坡）。碳排放水平与燃气锅炉相当，有效缓解大温差工况下热泵的环境劣势。

　　高温度热泵（HTHP）在面对较大的温差时，会经历显著的性能下降，这在很大程度上削弱了它们在实际应用中的竞争力。为了解决这一问题，本文提出了一种新型HTHP系统，专门用于结合冷却和加热（CCH）的应用场景，其中温差较大。该系统经过深入的特性分析、优化以及可行性评估，采用了三种HTHP循环作为对照，并引入了先进的CCH性能指标。研究得出了以下关键结论：

首先，所提出的系统在面对较大温差时表现出最高的加热能效比（COP），同时具有中等的运行稳定性和加热能力。这表明该系统在处理高温度提升的热需求时，仍能保持较高的效率。其次，在设定的CCH条件下，该系统实现了2.623的首屈一指的运行能效比，比第二名系统高出8.06%，比最低性能系统高出20.79%。这一性能水平与使用50°C余热源进行加热的能效相当，进一步凸显了该系统在高温度差场景下的潜力。第三，通过选择制冷剂组合，发现R152a/R1233zd(E)在CCH性能方面相对最优，相较于最初使用的R1234ze(E)/R1234ze(Z)，能效提升了5.15%。这表明合适的制冷剂配对对于提升系统的整体性能至关重要。第四，与燃气锅炉相比，该系统展现出显著的经济优势，投资回收期在五年以内。在生命周期内，该系统分别在北京市、广州市和新加坡实现了11.70%、20.45%和28.70%的运营成本降低。这一结果表明，HTHP系统在不同地区的经济可行性具有显著差异，且在某些条件下可以带来可观的经济效益。第五，该系统在设定的CCH模式下的CO?排放水平与燃气锅炉相当，有效缓解了HTHP在高温度差场景下可能带来的环境影响。这表明HTHP系统不仅在能效上有所提升，同时在环境保护方面也具备一定的优势。

高温度差场景下的热泵系统在工业生产中具有重要的应用价值。然而，由于现有热源的温度较低，甚至有时完全无法获得，空气成为唯一的可行热源。在这种情况下，HTHP系统需要实现较大的温度提升，这不仅严重影响其循环性能，还增加了系统复杂性和运行不稳定性。因此，经济和环境优势可能会被削弱，甚至逆转。这一现象表明，温度提升的大小是影响HTHP系统竞争力的关键因素。因此，通过结构优化提升系统性能成为研究的重点。

目前，HTHP系统在实际应用中面临诸多挑战。一方面，其性能在大温差下会显著下降，另一方面，经济和环境效益的实现依赖于合适的热源条件和系统配置。因此，如何在不同场景下优化HTHP系统，使其在大温差下依然具备较高的能效和经济性，成为研究的核心问题。此外，现有的研究往往忽视了热和冷在质量上的差异，这在分析HTHP系统的CCH性能时尤为重要。高温度加热相较于传统冷却，表现出更高的技术复杂性和更低的效率，因此在设计和评估HTHP系统时，必须充分考虑这一差异。

为了应对这些挑战，本文提出了一种新型的HTHP循环，即HL-VIE-CS（High Temperature Heating with Combined Cooling and Expansion with Intermediate Heat Exchange and Cascade），专门用于CCH应用。该循环的设计目标是提高系统在大温差下的性能，同时兼顾冷却和加热的需求。通过对比分析三种常规HTHP循环（B-CS、H-VIE-CS和L-VIE-CS）作为对照，研究者能够更全面地评估HL-VIE-CS的性能优势。此外，本文还引入了一种新的COP性能指标（COP??,?），该指标基于CCH场景，区分了冷却和加热的难度，从而更科学地反映系统的整体性能。

在系统设计和优化方面，本文采用了多种方法，包括特性分析、性能优化以及可行性评估。通过选择三种代表性城市（北京市、广州市和新加坡）进行案例研究，研究者能够分析不同地区条件下系统的经济和环境表现。此外，研究还考虑了多种加热模式，以确保系统在不同应用场景下的适用性。这种灵活的可行性分析方法，使得HTHP系统能够在不同气候和地理条件下实现最佳性能。

通过对比分析，研究者发现HL-VIE-CS在大温差下的性能表现优于其他系统。特别是在设定的CCH条件下，该系统实现了较高的运行能效比，同时保持了良好的运行稳定性和加热能力。这一结果表明，HL-VIE-CS在处理高温度差场景下的热需求时，具有显著的优势。此外，通过选择合适的制冷剂组合，研究者发现R152a/R1233zd(E)在CCH性能方面相对最优，相较于最初使用的R1234ze(E)/R1234ze(Z)，能效提升了5.15%。这一发现为制冷剂的选择提供了重要的参考依据。

在经济可行性方面，研究者发现HL-VIE-CS在不同地区的投资回收期均在五年以内。在北京市、广州市和新加坡，该系统分别实现了11.70%、20.45%和28.70%的运营成本降低。这一结果表明，HTHP系统在不同地区的经济优势存在显著差异，且在某些条件下可以带来可观的经济效益。此外，通过分析系统的生命周期，研究者发现HL-VIE-CS在CO?排放方面与燃气锅炉相当，有效缓解了HTHP在高温度差场景下可能带来的环境影响。这一发现表明，HTHP系统不仅在能效上有所提升，同时在环境保护方面也具备一定的优势。

在环境评估方面，研究者发现HTHP系统在使用阶段对环境的影响占主导地位。通过回顾19项关于工业HTHP系统的环境生命周期评估研究，研究者发现使用阶段对全球变暖潜力和非生物资源消耗潜力的贡献分别达到平均94.6%和69.9%。这一结果表明，HTHP系统的环境影响主要来自于其运行过程，因此在设计和优化时，必须充分考虑其环境性能。此外，通过模拟研究，研究者发现HTHP系统在利用工业余热产生高温蒸汽时，其经济优势取决于余热温度是否达到至少59°C。在特定条件下，HTHP系统甚至可以比传统燃料锅炉提供更低的CO?排放。然而，这一优势随着余热温度的提高或冷凝器出口温度的降低而变得更加明显。

综上所述，HTHP系统在大温差场景下仍具有优化的空间，特别是在结合冷却和加热的应用场景中，其分析和评估方法需要进一步完善。本文通过提出一种新型HTHP循环，结合多种优化方法，为HTHP系统的性能提升提供了重要的理论和实践支持。此外，通过引入新的COP性能指标和进行灵活的可行性分析，研究者能够更全面地评估系统的经济和环境表现。这些创新为HTHP系统的应用提供了重要的参考依据，同时也为未来的优化研究奠定了基础。