最大化利用可再生能源的直接膨胀式多源二氧化碳热泵研究|二氧化碳热泵|可再生能源|地源|太阳能|换热器|蒸发器

传统热泵系统通常依赖单一低温热源，如空气、地源或太阳能，而每种热源都存在其固有的局限性。空气源热泵对季节和昼夜的温度波动高度敏感，而太阳能源热泵的效率则受限于太阳辐射的间歇性。相比之下，地源热泵虽然能提供稳定的季节性性能，但钻孔换热器的安装成本较高。多热源热泵作为一种极具前景的技术，有望克服上述挑战并最大化可再生能源的利用率。

本文对一种以二氧化碳（CO2）为低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂的创新型多热源热泵进行了数值研究。该系统通过专用蒸发器利用三种不同的热源：带翅片盘管换热器的空气源、带光伏光热（PV-T）集热器的太阳能源，以及带U型管钻孔换热器（BHE）的地源。系统设计了两种运行模式：太阳-空气模式（SA模式）和地-空气模式（GA模式）。该系统的创新之处在于其多热源直接膨胀热泵的概念，即CO2在太阳能或地源蒸发器中以满液式模式直接汽化，而翅片盘管则以干式膨胀模式运行。与其他所有系统不同，该系统的太阳能和地源蒸发器与空气蒸发器同时运行。

研究通过模拟评估了该多热源热泵在不同环境条件（空气温度、太阳辐照度和土壤温度）下的性能。结果表明，虽然空气温度会影响SA模式和GA模式的性能，但每种模式对其他环境参数表现出不同的敏感性。SA模式的性能受太阳辐照度影响显著，辐照度每增加 100 W/m2，性能系数（COP）相应提高 2.8%。相反，GA模式的性能对土壤温度变化响应明显，土壤温度每升高 1 K，COP 提升 0.9%。在不同空间供暖（SH）和生活热水（DHW）热负荷下，将SA模式和GA模式与纯空气源热泵模式进行对比，结果显示GA模式和SA模式的COP最高可提高 22%。作为进一步的研究，本文还探讨了改变PV-T组件和钻孔换热器数量对热泵性能的影响。研究表明，即使在PV-T或BHE的传热面积有限的情况下，同时使用两种能源始终能带来系统性能的提升。