使用R152a/环戊烷对所提出的级联热泵系统进行综合能源、熵、经济性和环境（4E）优化

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Comprehensive Energy, Exergy, Economical and Environmental (4E) Optimization of a Proposed Cascade Heat Pump System Using R152a/Cyclopentane

该研究通过4E模型（能源、熵产、经济、环境）优化了采用R152a/cyclopentane双级压缩热泵系统，引入亚冷却热交换器提升低温回路效率。实验表明，低温回路与级联热交换器温度梯度比（ΔTSCHX/ΔTCHX=10/5℃）可实现性能、经济与环境效益的平衡。热源入口温度升高20℃可使COP提升28.4%、熵产效率提高30.6%、生命周期成本降低14.5%，但热 sink出口温度升高30℃会导致COP下降22%、总等效暖化影响增加15%。研究成果为高效环保热泵系统设计提供了新思路。

　　

摘要

本文概述了对使用R152a/环戊烷的级联热泵（CHP）系统在能源、?、经济和环境方面的整体优化。在高温回路（HTC）中引入了过冷热泵回路，以便为低温回路（LTC）提供过冷，用于空间加热应用。优化工作针对过冷热交换器和级联热交换器之间的温差（ΔT_SCHX/ΔT_CHX）以及多种热源入口温度和热沉出口温度进行了研究。结果表明，ΔT_SCHX/ΔT_CHX、热源入口温度和热沉出口温度是影响系统性能的关键变量。热源入口温度从-20°C升高到0°C时，COP提高了26.6–28.4%，?效率提高了29–30.6%，生命周期成本（LCC）降低了12.9–14.5%，平均年成本（ACR）降低了10.7–12.1%。此外，?损失减少了27–30%，总等效升温影响（TEWI）也降低了15–20%，从而验证了显著的热力学和环境效益。另一方面，热沉出口温度从50°C升高到80°C时，COP下降了21–22%，?损失增加了18.9–21%，对生命周期成本（LCC）、平均年成本（ACR）和总等效升温影响（TEWI）产生了不利影响。综合考虑所有研究配置，ΔT_SCHX/ΔT_CHX比为10°C/5°C时，性能、经济性和环境方面达到了最佳平衡。本研究首次使用集成4E框架设计并优化了这种以R152a/环戊烷为制冷剂的级联热泵系统（加热模式）。这些发现不仅介绍了一种新的系统配置，还为开发具有成本效益、能效高且环境可持续的热系统提供了实用的设计指南。

本文概述了对使用R152a/环戊烷的级联热泵（CHP）系统在能源、?、经济和环境方面的整体优化。在高温回路（HTC）中引入了过冷热泵回路，以为低温回路（LTC）提供过冷，用于空间加热应用。优化工作针对过冷热交换器和级联热交换器之间的温差（ΔT_SCHX/ΔT_CHX）以及多种热源入口温度和热沉出口温度进行了研究。结果表明，ΔT_SCHX/ΔT_CHX、热源入口温度和热沉出口温度是影响系统性能的关键变量。热源入口温度从-20°C升高到0°C时，COP提高了26.6–28.4%，?效率提高了29–30.6%，生命周期成本（LCC）降低了12.9–14.5%，平均年成本（ACR）降低了10.7–12.1%。此外，?损失减少了27–30%，总等效升温影响（TEWI）也降低了15–20%，从而验证了显著的热力学和环境效益。另一方面，热沉出口温度从50°C升高到80°C时，COP下降了21–22%，?损失增加了18.9–21%，对生命周期成本（LCC）、平均年成本（ACR）和总等效升温影响（TEWI）产生了不利影响。综合考虑所有研究配置，ΔT_SCHX/ΔT_CHX比为10°C/5°C时，性能、经济性和环境方面达到了最佳平衡。本研究首次使用集成4E框架设计并优化了这种以R152a/环戊烷为制冷剂的级联热泵系统（加热模式）。这些发现不仅介绍了一种新的系统配置，还为开发具有成本效益、能效高且环境可持续的热系统提供了实用的设计指南。