一种跨临界二氧化碳系统及其优化耦合方法与流程

本发明属于暖通制冷及热泵技术领域，涉及一种跨临界二氧化碳系统优化耦合方法。

背景技术：

近年来，随着国民经济的飞速发展的利益导向日益严重，大量不健康的能源供给方式和不计环境代价的技术应用对于我们所生活的生态环境带来了巨大的威胁，产生了诸如大气污染、雾霾侵袭、臭氧层空洞等直接关系到人类生存条件的严峻环境问题。在暖通制冷及热泵技术领域，由于近年来民用及商业应用领域内的繁荣发展，建筑冷热能源供应，尤其是制热能源供应在我国国民能源消耗量中占据了越来越明显的比重。

同时，由于在传统的建筑物供暖行业(包括生活热水供应和供暖热水供应)中往往以分布式的小型燃煤锅炉、燃气锅炉或电锅炉作为制热能量的直接来源，而以上这些分布式供暖方式由于对燃料缺乏前处理与后处理，燃烧过程也十分不充分，或本身的能源效率较低，因此日前日益严重的环境问题和能源危机的主要原因之一。在近年来各国学者们的研究和发现中可以看出，跨临界co2系统对于传统供暖方式的替代是最为明智的选择。首先，二氧化碳是一种纯天然制冷工质，具有其他制冷工质不可比拟的环境友好性与安全性，况且其良好的低温流动性也很适合于寒冷地区冬季的运行工况。另外，在超临界的工作条件下，无相变过程的co2在气体冷却器中以巨大的温度滑移作用对循环水放热，可以将循环水直接从低温条件提升到超过80℃的高温条件，十分适合供暖领域的温度要求。同时，暖通行业中所应用的工质水平的二氧化碳完全可以通过空气分离的方式获取，因此实际上达到了负排放的效果，没有任何附加环境效应。综上所述，结合跨临界co2系统良好的低环境温度适应性和高出水温度能力，以及良好的环境友好性和安全性，这种系统十分值得在供暖领域和全国范围内进行推广和使用。

然而，跨临界二氧化碳系统在供暖工况条件下直接使用同样是不合适的，因为供暖工况条件下超高的回水温度(供热系统进水温度)会制约系统的制热能力发挥和高性能的体现。由于供暖领域应用背景下水循环系统的回水温度(也就是系统的进水温度)一般高于40℃，如果直接将这样的中温水通入跨临界co2系统的气体冷却器内与co2气体进行换热，会造成co2气体被冷却后的温度较高，系统的供热潜能难以被完全体现，造成系统的运行效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种跨临界二氧化碳系统及其优化耦合方法，以解决上述技术问题。

本发明系统为一个常规跨临界二氧化碳系统循环作为主体，而一个常规的亚临界r134a制冷循环作为预冷器。通过本发明提出的耦合方法，可以根据系统配置的硬件参数和设定运行工况，准确的预测出系统的热力学运行参数，并针对该系统运行状况进行优化，优化对象为跨临界二氧化碳循环部分的最优排气压力和系统的最优中间温度。由此，可以解决该类系统在实际应用条件下的参数选择和优化问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种跨临界二氧化碳系统，包括循环水路系统，预冷器系统和跨临界二氧化碳循环系统；

循环水路系统包括系统进水口、三通分水阀、三通汇水阀和系统出水口；预冷器系统包括预冷系统压缩机、预冷系统冷凝器、热力膨胀阀、预冷系统蒸发器；跨临界二氧化碳循环系统包括co2压缩机、co2气体冷却器、电子膨胀阀和co2蒸发器；

循环水路系统中，系统进水口与三通分水阀的入口相连，系统进水经过三通分水阀一分为二：第一路三通分水阀出口与预冷系统冷凝器的第一入口相连，之后连接至三通汇水阀的第一路进口；第二路三通分水阀出口与预冷系统蒸发器的第一入口相连，之后连接至co2系统的co2气体冷却器的第一入口，之后连接至三通汇水阀的第二路进口；三通汇水阀的出口与系统出水口相连；

预冷器系统中预冷系统压缩机出口连接预冷系统冷凝器的第二进口，预冷系统冷凝器的第二出口连接热力膨胀阀进口，热力膨胀阀出口连接预冷系统蒸发器的第二进口，预冷系统蒸发器的第二出口连接预冷系统压缩机的进口，以此组成循环回路；

co2热泵系统中co2压缩机的出口与co2气体冷却器的第二进口相连，co2气体冷却器的第二出口与电子膨胀阀进口相连，电子膨胀阀出口与co2蒸发器进口相连，co2蒸发器的出口连接至co2压缩机的进口。

一种跨临界二氧化碳系统的优化耦合方法，包括以下步骤(由于本发明基于的零部件如换热器、压缩机和节流机构均属于成熟技术并且有量产产品，因而本发明不涉及换热器换热模型、压缩机热力学模型及节流机构流动模型的赘述，而可以直接引用现有的成熟模型)：

采集循环水进水温度thot,in、环境温度、相对湿度、跨临界二氧化碳系统中所有部件结构尺寸、蒸发器风量和期望热水出水温度thot,out；之后设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小循环水量比xmin、最大循环水量比xmax、最小总水量mw,min、水流量变化步长δm；接下来开始迭代计算过程，分别预设定水量比、总水流量均为能达到的最小值，根据总水量和水量比计算每一路各自的水流量，通过预冷器系统优化子方法计算预冷器蒸发器出口水温，预冷器冷凝器出口水温，预冷器制热量，制冷量，功耗；将预冷器蒸发器出口水温赋予气体冷却器进口水温，并通过跨临界二氧化碳系统优化子方法计算气体冷却器出口水温、最优排气压力、跨临界二氧化碳循环制热量、功耗；之后通过混合理论(能量守恒方法)计算两路水流量混合之后达到的跨临界二氧化碳系统总出水温度，调整总水量逐步上升，直到计算总出水温度达到预期出水温度，输出跨临界二氧化碳系统总制热量、功耗与整机系统cop；在整个水量比可调整范围内逐步升高预设定水量比，从而得到整个范围内对应最大整机系统cop的水量比与中间水温值，认定该中间水温值为跨临界二氧化碳系统的耦合最优中间水温。

进一步的，循环水量比为预冷器冷凝器水路流量比总水流量。

进一步的，预冷器系统优化子方法包括：采集预冷器系统蒸发器与冷凝器的进口水温，蒸发器和冷凝器的水流量，预冷器系统中所有部件的结构尺寸，吸气过热度；之后设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小吸气压力δpsuc,min，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力δpdis,min，排气压力调整步长dp2，焓和质量流量许可误差δeh，δem；接下来开始迭代计算过程，分别预设定吸气压力与排气压力为各自能达到的最小值，因此在吸气压力即过热度均已知的状态下通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量mcom；将压缩机出口的所有热力学参数赋予冷凝器进口，通过冷凝器计算模型模拟冷凝器内的换热过程，得到冷凝器出口的制冷剂压力、温度、焓值hcond,out以及循环水出口温度、制热量；同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予蒸发器出口，通过蒸发器计算模型模拟蒸发器内的换热过程，并得到蒸发器进口的制冷剂温度、压力、焓值hevap,in以及蒸发器出口水温、制冷量；逐步升高排气压力假设值直到hcond,out与hevap,in的焓差小于许可误差，再通过膨胀阀的阀前阀后工况已知条件和膨胀阀模型模拟出节流过程，计算出通过膨胀阀的流量mval；逐步提高吸气压力假设值直到mcom与mval的差值小于许可误差，之后输出制热量、压缩机功率、子循环的cop、蒸发器出口和冷凝器出口水温。

进一步的，跨临界二氧化碳系统优化子方法包括：采集气体冷却器的进口水温，气体冷却器水流量，环境温度，空气相对湿度，蒸发器风量，跨临界二氧化碳系统中所有部件的结构尺寸；之后设定计算过程中的所有固定参数，包括排气压力变化范围δp，最小吸气压力psuc,min，压力调整步长dp，最小吸气过热度δto，吸气过热度调整步长dt，焓和质量流量许可误差δeh，δem；之后初选一个较为合适的参考排气压力值范围(如8.5～12.0mpa)，保证这个范围足够大，一定包含最优排气压力值，但不会带来太多冗余的计算时间代价；接下来开始迭代计算过程，分别预设定排气压力，吸气压力和吸气过热度为各自可能达到的最小值，因此在吸气压力即过热度均已知的状态下可以通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量mcom；将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体冷却器进口，由于压力、温度、流量均已知，通过气体冷却器计算模型模拟冷凝器内的换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值hgas,out以及循环水出口温度、制热量；同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予蒸发器出口，通过蒸发器计算模型模拟蒸发器内的换热过程，并得到蒸发器进口的制冷剂温度、压力、焓值hevap,in以及制冷量；逐步升高吸气过热度假设值直到hgas,out与hevap,in的焓差小于许可误差，再通过膨胀阀的阀前阀后工况已知条件和膨胀阀模型模拟出节流过程，计算出通过膨胀阀的流量mval；逐步提高吸气压力假设值直到mcom与mval的差值小于许可误差，之后输出制热量、压缩机功率、子循环的cop及主方法内的整机系统的cop，在整个排气压力可调整范围内逐步升高预设定排气压力，从而得到整个范围内对应最大整机系统cop的排气压力值，认定该值为子系统的耦合最优排气压力，输出排气压力值、制热量、整机系统cop、循环水出水温度。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明针对的带有预冷器的跨临界二氧化碳系统可以实现对超高温度的系统循环水进水进行预先冷却，使之达到较低的温度值之后再通入跨临界二氧化碳循环的气体冷却器中，这一思路有效的巩固了跨临界二氧化碳循环在直热式循环水加热行业中超高性能的体现，对跨临界二氧化碳系统在超高系统进水温度条件下的系统性能提升有着巨大指导性意义，解决了跨临界二氧化碳系统在供暖领域及其他类似的具有超高系统进水温度的应用背景下的适应性问题。

本发明针对上述系统提出了一套严格精密的全耦合数学模型，其中包括求解子系统热力学性能参数的子方法和两个子系统耦合的主方法，严格按照系统运行时的真实状态进行数学模拟，不做任何条件性假设，完全由已知的运行工况条件和系统结构尺寸参数来得到该系统稳态运行状态下所有热力学状态参数和过程参数，从而得到子系统或整体系统的性能参数。通过对该全耦合数学模型的妥善利用，不仅可以实现准确预测该类型机组在特定工况下的性能情况，对相关系统进行理论研究，还可以通过理论性能的预测指导实验进展，甚至能够根据系统能够达到的性能状况反向指导该类型机器的设计过程，在本行业相关产业内均具有良好的参考和借鉴意义。

本发明针对上述系统提出的全耦合数学模型中，提出了该带预冷器的跨临界二氧化碳复合系统的最优排气压力寻优方法。由于该复合系统条件下的跨临界二氧化碳子循环最优排气压力与单独运行的跨临界二氧化碳系统循环并不相同，甚至在有些工况条件下还有着较大的差距，因此按照复合系统的最优排气压力方法来控制二氧化碳子循环的排气压力更有助于复合系统整体的性能体现。

本发明针对上述系统提出的全耦合数学模型中，提出了该带预冷器的跨临界二氧化碳复合系统的最优中间水温寻优方法。由于该复合系统条件下的最优中间水温是复合系统内部非常重要的一个可优化量，在某些工况下中间水温偏离最优值时甚至会带来较大的cop滑落，因此按照本发明所提供的最优中间水温寻优方法来预测和控制系统的中间水温更有助于复合系统整体的性能体现。

附图说明

图1为本发明一种跨临界二氧化碳系统的结构示意图；

图2为预冷器子系统优化方法框图；

图3为co2子系统优化方法框图；

图4为耦合系统优化耦合方法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明提供一种跨临界二氧化碳系统，包括循环水路系统，预冷器系统200和跨临界二氧化碳循环系统100。

循环水路系统包括系统进水口1、三通分水阀2、三通汇水阀5和系统出水口6。

预冷器系统200包括预冷系统压缩机21、预冷系统冷凝器22、热力膨胀阀23、预冷系统蒸发器24。

跨临界二氧化碳循环系统100包括co2压缩机11、co2气体冷却器12、电子膨胀阀13和co2蒸发器15。

请参阅图1所示，循环水路系统中，系统进水口1与三通分水阀2的入口相连，系统进水经过三通分水阀2一分为二：第一路三通分水阀出口与预冷系统冷凝器22的第一入口相连，之后连接至三通汇水阀5的第一路进口；第二路三通分水阀出口与预冷系统蒸发器24的第一入口相连，之后连接至co2系统的co2气体冷却器12的第一入口，之后连接至三通汇水阀5的第二路进口。三通汇水阀5的出口与系统出水口6相连。

预冷器系统中预冷系统压缩机21出口连接预冷系统冷凝器22的第二进口，预冷系统冷凝器22的第二出口连接热力膨胀阀23进口，热力膨胀阀23出口连接预冷系统蒸发器24的第二进口，预冷系统蒸发器24的第二出口连接预冷系统压缩机21的进口，以此组成循环回路。

co2热泵系统中co2压缩机11的出口与co2气体冷却器12的第二进口相连，co2气体冷却器12的第二出口与电子膨胀阀13进口相连，电子膨胀阀13出口与co2蒸发器15进口相连，co2蒸发器15的出口连接至co2压缩机11的进口。

请参阅图2到图4所示，本发明一种跨临界二氧化碳系统及其优化耦合方法，包括以下步骤(由于本发明基于的零部件如换热器、压缩机和节流机构均属于成熟技术并且有量产产品，因而本发明不涉及换热器换热模型、压缩机热力学模型及节流机构流动模型的赘述，而可以直接引用现有的成熟模型)：

请参阅图2所示，该图为预冷器系统的稳态热力学模型耦合方法。该预冷器系统的稳态热力学模型耦合方法为子方法，已知条件来自于主方法中，包括预冷系统蒸发器24与预冷系统冷凝器22的进口水温，预冷系统蒸发器24与预冷系统冷凝器22的水流量，所有相关部件的结构尺寸，吸气过热度。之后设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小吸气压力δpsuc,min，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力δpdis,min，排气压力调整步长dp2，焓和质量流量许可误差δeh，δem。接下来开始迭代计算过程：分别预设定吸气压力与排气压力为各自可能达到的最小值，因此在吸气压力即过热度均已知的状态下通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量mcom。将压缩机出口的所有热力学参数赋予冷凝器进口，由于压力、温度、流量均已知，通过冷凝器计算模型模拟冷凝器内的换热过程，得到冷凝器出口的制冷剂压力、温度、焓值hcond,out以及循环水出口温度、制热量。同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予蒸发器出口，由于压力、温度、流量均已知，通过蒸发器计算模型模拟蒸发器内的换热过程，并得到蒸发器进口的制冷剂温度、压力、焓值hevap,in以及蒸发器出口水温、制冷量。逐步升高排气压力假设值直到hcond,out与hevap,in的焓差小于许可误差，再通过热力膨胀阀23的阀前阀后工况已知条件和膨胀阀模型模拟出节流过程，计算出通过膨胀阀的流量mval。逐步提高吸气压力假设值直到mcom与mval的差值小于许可误差，之后输出制热量、压缩机功率、子循环的cop、蒸发器出口和冷凝器出口水温，结束子方法。

请参阅图3所示，该图为跨临界二氧化碳系统的稳态热力学模型耦合方法及排气压力的优化方法。该跨临界二氧化碳系统的稳态热力学模型耦合方法为子方法，已知条件来自于主方法中，包括co2气体冷却器12的进口水温，co2气体冷却器12水流量，环境温度，空气相对湿度，co2蒸发器15风量，所有相关部件的结构尺寸。之后设定计算过程中的所有固定参数，包括：排气压力变化范围δp，最小吸气压力psuc,min，压力调整步长dp，最小吸气过热度δto，吸气过热度调整步长dt，焓和质量流量许可误差δeh，δem。之后初选一个较为合适的参考排气压力值范围(如8.5～12.0mpa)，保证这个范围足够大，一定包含最优排气压力值，但不会带来太多冗余的计算时间代价。接下来开始迭代计算过程，分别预设定排气压力，吸气压力和吸气过热度为各自可能达到的最小值，因此在吸气压力即过热度均已知的状态下可以通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量mcom。将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体冷却器进口，由于压力、温度、流量均已知，通过气体冷却器计算模型模拟冷凝器内的换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值hgas,out以及循环水出口温度、制热量。同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予蒸发器出口，由于压力、温度、流量、风量均已知，通过蒸发器计算模型模拟蒸发器内的换热过程，并得到蒸发器进口的制冷剂温度、压力、焓值hevap,in以及制冷量。逐步升高吸气过热度假设值直到hgas,out与hevap,in的焓差小于许可误差，再通过电子膨胀阀13的阀前阀后工况已知条件和膨胀阀模型模拟出节流过程，计算出通过膨胀阀的流量mval。逐步提高吸气压力假设值直到mcom与mval的差值小于许可误差，之后输出制热量、压缩机功率、子循环的cop及主方法内的整机系统的cop，在整个排气压力可调整范围内逐步升高预设定排气压力，从而得到整个范围内对应最大整机系统cop的排气压力值，认定该值为子系统的耦合最优排气压力，输出排气压力值、制热量、整机系统cop、循环水出水温度，结束子方法。

请参阅图4所示，该图为本发明一种跨临界二氧化碳系统的优化耦合方法设有流程图。该复合系统的耦合及中间温度的优化模型为主方法，已知条件中应输入：循环水进水温度thot,in、环境温度、相对湿度、期望热水出水温度thot,out、所有相关部件结构尺寸、蒸发器风量。之后设定计算过程中的所有固定参数，包括最小循环水量比(预冷器冷凝器水路流量比总水流量)xmin、最大循环水量比xmax、最小总水量mw,min、水流量变化步长δm。接下来开始迭代计算过程，分别预设定水量比、总水流量均为可能达到的最小值，根据总水量和水量比计算每一路各自的水流量，通过预冷器子方法计算预冷器蒸发器出口水温，预冷器冷凝器出口水温，预冷器制热量，制冷量，功耗。将预冷器蒸发器出口水温赋予气体冷却器进口水温，并通过跨临界二氧化碳子方法计算气体冷却器出口水温、最优排气压力、跨临界二氧化碳循环制热量、功耗。之后通过混合理论(能量守恒方法)计算两路水流量混合之后达到的系统总出水温度，调整总水量逐步上升，直到计算总出水温度达到预期出水温度，输出系统总制热量、功耗与整机系统cop。在整个水量比可调整范围内逐步升高预设定水量比，从而得到整个范围内对应最大整机系统cop的水量比与中间水温值，认定该中间水温值为整机系统的耦合最优中间水温。最后结束主方法。