水对水二氧化碳热泵控制以实现最佳效率

中国东莞科技大学领导的科学家提出了一种控制使用二氧化碳作为制冷剂的水对水热泵的新方法。基于模型的最优控制 (MC) 和典型控制 (TC) 机制在虚拟热泵上进行了测试，并将 COE 提高了 14.6%。

来源：ScienceDirect目前尚无有效的 MC 优化策略用于水对水 CO2 热泵，旨在减少计算负担。因此，本研究旨在开发一种 MC，通过确定最佳变量来提高水对水 CO2 热泵的 COP。“”系统模型是使用来自虚拟 CO₂ 热泵的大量数据得出的，其可靠性在进一步模拟之前得到了验证。“”

水-水 CO2 热泵由蒸发器 (ET)、液体接收器 (LR)、内部热交换器 (IHX)、压缩机 (CM)、气体冷却器 (GC)、膨胀阀 (EX) 和两个再循环泵 (pm) 组成。TC 采用固定设定点和简单的控制回路来调节特定参数，而不考虑系统范围的优化。

为了开发更精确的 MC，该团队在 MATLAB 和 REFPROP 中构建了一个虚拟 CO2 热泵。使用 3969 个案例对系统进行建模，并描述热泵如何响应运行条件的变化。设计了一个实验装置来验证该系统，结果表明气体冷却器出口温度的平均误差为 4.4%，压缩机功率的平均误差为 7.4%。

科学家分析了系统组件的热力学行为，并开发了一种优化算法，通过确定最佳排放压力和气体冷却器出口水温设定点来最大化 COE。他们使用 MC 和 TC 模型在三个案例研究中测试了该系统。

在第一个案例研究中，研究人员将蒸发器混合物的入口温度固定在 18°C，将气体冷却器的入口水温随机设定在 29°C 和 35°C 之间，并将气体冷却器的目标出口温度设定在 40°C 和 48°C 之间。MC 的 COP 比 TC 高 9.9%，平均 COP 为 2.49，而 TC 为 2.265。

在第二个案例研究中，气体冷却器入口水温固定为 32°C，蒸发器混合物入口温度为 17°C 至 19°C，气体冷却器的目标出口温度在 40°C 至 48°C 之间随机变化。MC 的平均 COP 为 2.482，比平均 COP 为 2.3 的 TC 高 8%。

在最后的案例研究中，蒸发器混合物的入口温度为 17°C 至 19°C，气体冷却器的入口水温为 29°C 至 35°C，气体冷却器的出口水温为 40°C 至 48°C，MC 的效率提高了 14.6%，平均 COP 为 2.458，而 TC 为 2.145。

“与传统优化策略相比，采用 MC 优化策略的系统计算时间减少了 42.2% 至 47.1%”，该团队表示。“这些结果表明，制定的 MC 可以有效提高水对水 CO2 热泵的能源效率。开发的多路复用优化策略有效地减少了计算工作量，并略微降低了平均 COP。因此，这项研究为在水对水 CO2 热泵中实施 MC 提供了指导，有助于提高 COP。”

他们在“中展示了他们的研究结果水-水二氧化碳热泵生活热水优化控制方法研究”的研究成果最近发表在《热能工程案例研究》杂志上。这项研究由中国东莞理工学院、广东工业大学和挪威挪威科技大学的科学家联合开展。