跨临界二氧化碳与辅助热泵集成系统用于高温区域供热基于遗传算法的优化

《Energy》：Genetic Algorithm-Based Optimization of an Integrated Carbon Dioxide and Auxiliary Heat Pump System for High-Temperature District Heating

　　

将辅助热泵集成到跨临界二氧化碳（CO2）供热系统中，为管理区域供热中高回水温度提供了一种有效方案，传统CO2热泵在此条件下性能显著退化。然而系统性能受辅助与CO2子系统间热力学相互作用的强烈影响，需同时优化多个运行与设计参数。现有研究主要优化单个变量（如排气压力或中间水温），而非完整集成构型。研究人员通过快速精英单目标遗传算法（SOGA-II）进行系统级综合优化，同步优化运行压力、温度水平与流量分配以最大化性能系数（COP）。六种制冷剂（异丁烷、R134a、R1234yf、氨、R152a、丙烷）作为辅助热泵工质被评估，异丁烷性能最高，其后为氨与R134a。系统性能受设计变量显著影响，需仔细权衡以最大化COP。多数制冷剂在辅助蒸发器的最优温降为11.0至12.3 °C，而异丁烷与R134a在约15 °C时达最优。通向CO2回路的最优总水流量与分流水量分别约为7 kg/s与2.9–3.25 kg/s。结果表明，辅助热回收与综合多变量优化结合使并行压缩系统功耗降低约39.8%，COP由1.83提升至约3.04。

研究背景方面，全球供热部门占近50%终端能耗与约40%能源相关二氧化碳排放，高碳强度凸显高效低碳供热技术之急迫。跨临界二氧化碳（CO₂）热泵因零臭氧消耗潜能（ODP）、全球变暖潜能（GWP）为1、不可燃无毒，在高温供热中具潜力；但回水温度高于40 °C时气冷器温滑受限、性能恶化。机械过冷（MS）分直接与间接耦合，间接式经中间水环解耦两子系统更灵活；并行压缩跨临界CO₂结合辅助热泵（2-StageAux）在55/75 °C回供温度下较常规并行压缩COP由1.80升至2.52。既有优化多聚焦单变量（中间水温或排压），缺系统级多变量协同。故研究人员在前期热力学分析基础上，对间接MS并行压缩跨临界CO₂集成辅助热泵（2-StageAux）作系统级优化，以最大化COP并遴选辅助循环工质。

关键技术方法上，研究人员基于稳态质量与能量守恒建立2-StageAux数学模型，物性取自NIST REFPROP 9.0；以COP为单目标，用自定义MATLAB快速精英单目标遗传算法（SOGA-II，种群100、代200、交叉0.8、变异0.05、锦标赛选择与精英保留）同步寻优七变量（气冷器压力、总水流量、CO₂侧分流水量、辅助冷凝温度、辅助蒸发器水侧温降、CO₂蒸发温度、闪罐中间温度），边界见原文表2；对六种辅助工质（R600a、R134a、R1234yf、R717、R152a、R290）各作独立优化，并辅以?分析与单变量敏感性分析；基线对照为无热回收并行压缩与单级跨临界CO₂系统，供热负荷固定600 kW、供温75 °C。

研究结果部分，首先系统描述指出2-StageAux由三通阀、内部换热器（IHX）、闪罐、辅助热泵与并行压缩跨临界CO₂循环构成，回水分流经辅助蒸发器预冷后再入气冷器，经水环间接耦合将气冷器出口由58 °C降至约42.5 °C。优化章节显示七变量强耦合，单变量扫描仅得COP 2.51（中间温23 °C、排压11 MPa），全变量SOGA-II使R600a达COP 3.04；六工质收敛曲线200代内稳定，最优排压均逼下限11.5 MPa、总水流量逼下限7 kg/s、CO₂蒸发温度逼上限10 °C，分流水量2.89–3.25 kg/s，辅助蒸发器温降R600a/R134a约15 °C、余者11.5–12.3 °C。结果章表明：R600a COP 3.04最高，R717 3.024、R134a 3.023次之，R1234yf 2.989最低；相对无热回收并行压缩（COP 1.83）提升62.4%–66.1%。5.1节优化系统对照表显示2-StageAux总压缩功197.47 kW（并行压缩327.96 kW、单级342.94 kW），气冷器出口42.47 °C，CO₂侧供温84.9 °C、辅助侧68.3 °C，总供热600 kW。5.2节回水温度敏感分析：35/45/55 °C回水下COP为3.55/3.37/3.04，升温削弱气冷器换热、抬升排压与压缩比。5.3节CO₂蒸发温度由?5升至10 °C，COP增约21.6%，R717与R600a近乎重合居首。5.4节辅助蒸发器水侧温降：R600a宽优区ΔT≈14.4–15.2 °C，R134a窄峰近15 °C，R717平台约12.3 °C；过大温降增辅助循环量但损其效率、过小则气冷器出口升温，优点为两子系统折衷。5.5节总水流量7.0–7.34 kg/s内，R600a流量增至7.34 kg/s时COP由3.04降至3.01，因辅助蒸发升温、CO₂侧分担加大。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：高回水温度限制气冷器温滑是跨临界CO₂用于老旧高温网（55/75 °C）的核心瓶颈，间接MS并行压缩加辅助热泵通过水环预冷回水将气冷器出口压制于42–46 °C，使COP由1.83跃至3.04、功耗降39.8%；辅助工质遴选上异丁烷（R600a）因临界参数与容积制冷量匹配，优区宽且COP最高，氨次之，R134a优区窄但对15 °C温降敏感，R1234yf最弱；七设计变量中存在约束最优而非无约束热力学极大，排压与总水流量逼边界反映工程换热面积与压比可行域；单变量调优不足以达全局优，必须七维协同。该工作发表于《Energy》，为高温回水区域供热场景下的CO₂热泵辅助热回收设计与多变量优化提供系统级依据，证实间接机械过冷并行压缩架构结合SOGA-II可兼顾热力学与工程可行性。