动态季节条件下丙烷热泵的集成设计 - 控制优化框架：显式制冷剂充注量最小化

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：An integrated design–control optimization framework for propane heat pumps with explicit refrigerant charge minimization under dynamic seasonal conditions

　　

- 在系统优化中优先最小化制冷剂充注量。- 在季节性动态条件下同时优化热泵设计与控制。- 在提升季节性能系数（COP）11%的同时，将丙烷充注量减少高达45%。- 为各种气候条件下的低全球变暖潜能值（GWP）热泵设计提供指导。

引言

热泵（HP）已成为从化石燃料供热向脱碳热能系统转型的关键技术。热泵通过电能将来自环境空气、土壤或水体的低品位可再生能源热升级，可同时提供空间供暖和国内热水，并显著减少温室气体排放[1]。在现有技术中，空气源热泵（ASHP）因其相对较低的安装成本和易于整合到现有建筑中而在住宅领域占据主导地位。2025年，欧盟所有热泵销售中约80%为空气源热泵系统，累计装机量约为2260万台，仅2025年一年就售出约210万台[2]。

尽管市场渗透速度迅猛，热泵系统仍比传统锅炉技术更为复杂。其设计需同时考虑多种相互作用的参数，包括循环架构、部件尺寸、应用温度水平、制冷剂选择和控制策略[3],[4],[5]。此外，其性能对瞬态运行条件高度敏感，使得最优系统设计成为一项多维挑战[6]。

传统上，含氢氟碳化合物（HFC）的制冷剂主导了热泵市场。然而，针对高臭氧消耗潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）制冷剂的日益严格的环境法规，加速了向低GWP替代品的转型[7]。正如McLinden[4]所强调的，这一转型并非一帆风顺，通常涉及系统效率、容积制冷量、安全性以及大规模系统重新设计需求之间的权衡。在现有替代品中，天然碳氢化合物——尤其是丙烷、异丁烷和丙烯——因其优异的热力学性能、几乎为零的ODP和极低的GWP而成为极具前景的候选者[8],[9]。此外，采用生命周期经济和多准则评估框架的最新研究 consistently 强调了低GWP碳氢化合物在热泵应用中的优势[10],[11]。然而，碳氢化合物的广泛采用引入了一个根本性的工程挑战：可燃性。

碳氢化合物制冷剂通常被分类为A2或A3类流体，其中"A"表示低毒性，数字子类反映可燃性递增。因此，其使用受严格的国际安全法规约束。根据IEC 60335-2-40[12]，含有少于150克丙烷的热泵系统可在有人居住室内空间安装且不受房间面积限制。类似地，EN 378-1[13]基于最严格的安全标准（毒性或可燃性）定义了最大允许充注量，得出类似的充注限制。值得注意的是，此限值取决于制冷剂的爆炸下限；因此，异丁烷和丙烯允许略高的充注量，分别为172克和184克。这些法规确立的制冷剂充注量不仅是基于效率的设计参数，更是主导住宅室内热泵部署可行性的首要安全约束。

在碳氢化合物制冷剂中，丙烷（R290）因其优异的热力学性能和完全不含氟化气体（F-gas）的分类而受到住宅热泵应用的特别关注[5],[14],[15]。多项研究从热力学、经济和环境角度将丙烷确定为最优制冷剂[16],[17],[18],[19]。然而，其在ASHRAE标准中作为A3类制冷剂的分类[20]施加了严格的安全要求，使制冷剂充注量减少成为实际实施的关键先决条件[12],[13]。

无论选择何种制冷剂，通过减少热泵系统中的制冷剂充注量都可以有效缓解环境和安全方面的顾虑[21]。部分研究通过实验和数值方法确定了影响制冷剂充注量的若干关键因素[22]。这些包括制冷剂回路的内部容积（如换热器和液管尺寸）、压缩系统的特性（特别是压缩机内的油类型和含量）以及整体系统架构[23]。在早期研究中，Fernando等[21]研究了一台5千瓦丙烷热泵试验台架的充注量减少。其结果表明，用微通道换热器替代板式换热器可显著减少制冷剂充注量，而不影响性能系数（COP），这得益于微通道换热器增强的传热系数。结果报道了约200克的充注量（减少了33%），在B-2/W40条件下（B或A分别表示盐水或空气源温度，此处为-2°C，W表示水槽温度）COP值高达4。类似地，Ghoubali等[24]通过评估各种换热器设计（包括D管式、轧胀式和微通道式），实验研究了2千瓦丙烷热泵热水器的制冷剂充注量减少问题。其结果表明，使用轧胀式换热器在A7/W53条件下加热200升储水箱7小时内最低充注量为224克。此外，他们还确定了几种有望将充注量进一步降至150克的策略，如减小分配器和液管直径以及采用与聚环氧烷酯油兼容的压缩机。其他实验研究探索了在B0/W35条件下约10千瓦供热容量的系统配置。Sanchez-Moreno-Giner等[25]分析了9.5千瓦B/W热泵系统中195克丙烷的分布情况，得出结论：通过曲轴箱加热降低油的溶解度或控制过热度可积极促进充注量减少。Schnabel等[26],[27]报道了供热容量达12.8千瓦的系统丙烷充注量低至124克，COP达到4.7。同样地，Elatar等[28]表明，通过对冷凝器和压缩机进行针对性修改，在A10/W52条件下运行的8.5千瓦热泵热水器可实现201克的丙烷充注量。

与此并行，多项数值研究主要聚焦于通过几何重新设计来减少制冷剂充注量[29]。例如，Navarro-Peris等[30]研究了在高容量系统（高达50千瓦，A7/W45条件下）蒸发器中使用较小管径（5毫米而非7毫米）。其结果表明，蒸发器内的制冷剂充注量可减少高达30%而不显著降低性能。类似地，Ma等[31]将相同方法应用于较小系统（高达3.6千瓦），在类似条件下实现了约12%的充注量减少。

所分析的研究突出了制冷剂充注量减少的复杂性，并证明关键设计参数可被有效利用以减少充注量而不影响系统性能。这表明，采用更为结构化的设计方法，基于明确以减少制冷剂充注量为目标的优化问题，并以关键设计参数作为决策变量，有可能在开发更加紧凑和高效的热泵系统方面取得显著成果。

优化技术已被广泛应用于热泵系统设计，大量文献在部件级和系统级层面讨论了这一问题。在部件层面，Hou等[32]优化了换热器几何形状和管路回路以最大化季节效率并降低材料成本，提出了用于可逆空气源热泵中翅片管换热器（采用低GWP制冷剂R454C）的机器学习辅助多目标优化框架。其结果表明，先进的管路优化可将年度性能提升高达9%。类似地，Sim等[33]通过引入变路径换热器配置，研究了可逆热泵中的管路级动态特性，在供暖模式下交替采用多分支运行（以降低压降），在制冷模式下采用单路径运行（以提高制冷剂流速和传热）。该策略在标准条件下使COP提升高达15%，在部分负荷运行下提升高达23%。尽管这些研究纳入了换热器内部传热和制冷剂流动的精细热流体建模，但制冷剂充注量并未被明确作为设计变量考虑。Beshr等[34]将多目标遗传算法应用于住宅空气源热泵的管径和换热器管路回路优化，以降低成本并提高COP。在此情况下，制冷剂充注量是通过空穴率相关性从换热器内部容积事后评估的。优化后的设计相对于基准减少了高达35%的充注量，同时将COP提高了约20%，凸显了几何形状、内部容积和充注量之间的强耦合关系。部件级优化的文献分析显示，制冷剂充注量要么被隐式约束以确保运行可行性，要么在优化后事后评估，而非直接纳入设计过程。因此，它通常被视为次要性能指标而非主要设计驱动变量。此外，系统与部件的交互作用通常未被完全解析，因为其他热泵部件采用简化模型表示，且优化通常在离散额定条件下而非可变运行条件下进行。

另一方面，运行条件的动态特性和部件间的交互作用对于真实评估热泵性能至关重要，因为系统行为受到环境变化和负载运行的强烈影响。在此背景下，控制策略发挥着核心作用，支配系统在时变条件下的运行并直接影响整体性能。因此，若干研究将分析扩展到考虑热泵设计中动态运行条件的系统级优化框架。例如，Krützfeldt等[35]开发了混合整数线性规划框架，用于住宅建筑中空气源热泵设计与运行的联合优化。动态行为通过使用温度依赖的COP相关性（通过多维泰勒多项式逼近）和通过k-中心聚类获得的气候与负荷简化特征来获取。其结果表明，同时优化选型与运行相较于传统设计标准可将总年成本降低高达45%，凸显了设计决策与运行策略之间的强耦合关系。类似地，Vering等[36]提出了两阶段优化框架，将系统设计与运行顺序处理。虽然该方法能够同时考虑设计和控制方面，但由于最优控制策略未被直接嵌入设计优化循环中，因此无法完全捕捉二者的相互交互。最近，Mugnini等[37]提出了一种单阶段集成优化框架，同时优化设计参数和控制变量。该方法明确捕捉了选型与控制（包括高层运行调度和低层调节策略）之间的交互作用，表明系统性能不仅依赖于源和汇条件，还强烈依赖于调节和控制行为。

为专门解决部分负荷条件下的效率衰减问题，已探索了替代的系统级结构解决方案。例如，Wu等[38]为多单元空气源热泵集中供暖系统引入了双层设计策略，优化制造商目录中不同离散容量的组合以及实时排序。其多容量优化设计使季节COP提高了5.8%，将低效运行时间限制在供暖季的仅1.6%，而标准同质配置为13.5%。此外，在极端气候条件下，环境动态导致严重的源退化，研究人员转向混合多源控制优化。Tu等[39]为混合空气-地源热泵系统开发了长期仿真和控制优化框架。通过遗传算法在20年时间范围内优化空气源与地源之间的关键切换温度，他们将季节COP提升了13.8%，同时将土壤热不平衡从61.4%降至仅1.5%，确保了长期的源可持续性。尽管取得了这些进展，大多数系统级设计优化方法依赖于热泵的简化表示，通常基于性能曲线（如COP与运行条件的函数关系）或降阶黑箱模型。这些公式未明确解析制冷剂流动分布、部件内部瞬态传热现象或制冷剂充注量对系统行为的直接影响。

文献分析揭示了不同热泵设计优化方法中存在的一个根本性研究空白：部件级优化研究提供了详细的物理建模但系统集成的广度有限。此外，制冷剂充注量通常不作为主要设计变量处理，而是作为次要指标或后处理输出。相比之下，系统级设计优化考虑了运行可变性和控制效应，但仍然依赖于对热泵性能的强烈简化表示，并未明确将制冷剂充注量作为相关设计参数。这一局限性在低GWP可燃制冷剂（如丙烷，R290）的背景下尤为关键，因为制冷剂充注量直接影响安全约束、系统架构和可行的设计空间。

总体而言，当前迫切需要一种集成设计方法论，能够在统一的优化框架内同时考虑动态运行、组件交互以及明确的制冷剂充注量最小化问题。为弥补这一研究空白，本研究提出了一种面向紧凑型空气源热泵（ASHP）系统的全新集成优化方法论，在该方法论中，制冷剂充注量被明确作为主要优化目标进行公式化，而非被视为组件重新设计的次要结果或性能后评估指标。此外，所提出的方法能够同时考虑系统设计与控制之间的相互交互作用，从而在优化框架内纳入动态运行条件。该方法论对于丙烷等天然制冷剂尤为相关，因为如前所述，制冷剂充注量是一个主导性设计参数，其对系统可行性和性能具有强烈影响。在此背景下，所提出的方法论建立在以下主要贡献之上：

• 热泵制冷剂循环的详细动态建模。与传统的基于稳态性能图或降阶模型的优化研究不同，所提出的框架采用了基于物理的气液压缩循环动态模型。换热器通过移动边界公式进行表征，从而能够预测瞬态热力学行为、相变、制冷剂分布以及系统内的制冷剂充注量。这种建模方法提供了在不同运行条件下组件交互作用和循环动态的详细表征。

• 定义用于季节性评估的代表性动态运行条件。为考虑热泵性能对环境条件和热需求的高度依赖性，本研究开发了一种方法论，从年度气候数据和加热需求曲线中生成代表性运行条件。这使得优化可以在真实的季节性和部分负荷条件下进行，而非在有限的额定工况点上进行，从而确保对系统性能进行更具代表性的评估。

• 同时优化设计与控制，并明确最小化制冷剂充注量。本研究提出了一种一次性非线性规划（NLP）框架，在该框架中同时优化设计变量和运行变量。在该公式中，制冷剂充注量减少被直接作为主要优化目标之一纳入，与季节性能源性能并列。这种集成方法捕捉了系统规模与控制策略之间的相互交互作用，能够在动态运行条件下识别出充注量减少与能源效率之间的最优权衡。

据作者所知，这是首次将详细动态制冷剂循环建模与在真实时变运行条件下的同时设计与运行优化相结合的研究，并在统一的框架内将制冷剂充注量最小化明确作为易燃制冷剂热泵系统的主要优化目标。本研究选择了一个针对比利时气候条件设计的丙烷空气源热泵系统作为案例研究，以展示该方法论的应用。然而，所提出的框架具有通用性，可轻松扩展到其他以供暖为主的气候和/或替代性烃类制冷剂。因此，它为开发面向未来住宅应用的紧凑型、高能效热泵系统提供了一条可扩展且系统化的路径。

本文结构如下：第2节详细介绍了方法论，从气候数据评估和动态负荷曲线开发开始，随后介绍动态热泵模型和优化框架。第3节概述了优化框架在所选案例研究中的实施，包括针对指定气候的参考热泵设计，并讨论了该方法如何扩展到其他制冷剂和/或地区。第4节呈现了结果，考虑了不同的热泵运行模式。最后，第5节总结了主要结论并为未来工作提供了建议。

各节摘要

方法论

本研究提出了一种同时进行组件规模确定和运行参数优化的方法论，旨在确定可燃工质（包括天然烃类）的最佳系统设计和最小可行制冷剂充注量。与传统的依赖最坏情况情景且可能无法反映真实运行条件的方法不同，该方法论根据具有代表性的动态……

案例研究

选择比利时的一户住宅安装作为案例研究，进行分析以及全空间优化和离散变量优化。本节详细介绍了案例研究，包括动态负荷曲线的开发，即动态模型所需的真实边界条件（第3.1节）。第3.2节提供了参考制冷剂充注量的详细分析，重点关注丙烷。此外，……

结果与讨论

本节呈现了优化结果并评估了所提出的动态模型的适用性。第4.1节对各个优化情景的结果进行了全面分析，并附带了设计建议。4.2运行参数和4.3组件级充注量分析分别考察了系统内的运行变量和制冷剂充注量分布，以进一步评估动态模型的有效性和适用性以及……

结论

本工作提出了一种面向使用易燃制冷剂的热泵系统的全面集成设计与优化方法论。所提出的方法基于多目标一次性优化框架，首次将制冷剂充注量作为与能源使用并列的主要优化目标。这使得最优充注量（进而系统规模）能够根据所使用的动态模型针对各种运行模式进行定制。该方法论使得……

CRediT作者贡献声明

Maged Dawoud：撰写——原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、概念化。Alice Mugnini：撰写——审阅与编辑、方法论。Alessia Arteconi：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

本工作由鲁汶大学C2项目3E230127资助。

Maged Dawoud | Alice Mugnini | Alessia Arteconi