CO2熱泵熱電池儲能性能實驗研究

朱威全 劉方 蔡洋

(上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院 上海 200090)

CO2熱泵熱電池儲能性能實驗研究

朱威全 劉方 蔡洋

(上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院 上海 200090)

CO2熱泵熱電池系統(tǒng)由跨臨界二氧化碳水源熱泵與蓄冷蓄熱裝置組成，其在儲能過程中系統(tǒng)的效率會逐漸降低。本文實驗研究了CO2熱泵熱電池的儲能性能，分析了儲冷罐、儲熱罐循環(huán)水體積流量、壓縮機頻率和電子膨脹閥開度對儲能效率的影響。結(jié)果表明:低循環(huán)水流量既可使儲能罐獲得良好的溫度分層，又能獲得較大的換熱量;壓縮機頻率越高，系統(tǒng)效率越大;同時電子膨脹閥開度也影響系統(tǒng)的儲能效率。當(dāng)壓縮機頻率為50 Hz，電子膨脹閥開度為330脈沖，儲冷罐、儲熱罐循環(huán)水體積流量分別為0.2 m3/h、0.1 m3/h時，總體COP最大，為5.49。同時數(shù)學(xué)擬合了系統(tǒng)COP與儲冷罐、儲熱罐出水溫度、控制參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，提出了一種基于遺傳算法的優(yōu)化控制策略，系統(tǒng)總COP可達(dá)6.29。

CO2;熱泵;儲能;性能測試;遺傳算法

AbstractCO2heat pump thermal battery system consists of a water-source transcritical carbon dioxide heat pump coupled with hot and cold thermal storage，and its performance gradually decreases during the process of thermal energy storage.This paper presents experimental studies of a CO2heat pump thermal battery system.The performance of this system was tested under a variable water-circulation volume flow rate for the hot/cold tank， a variable compressor frequency， and electronic expansion valve(EEV)opening.The results show that adoption of a lower water-circulation flow rate allows the tank to obtain good thermal stratification and a larger capacity.Further，a high compressor frequency benefits the system performance.The EEV opening also influences the system performance.The overall coefficient of performance(COP)reaches a maximum of 5.49 when the compressor frequency is 50 Hz， the EEV opening is 330 pulse， and the hot and cold water volume flow rates are 0.1 and 0.2 m3/h， respectively.Moreover， through mathematical fitting， a correlation was established between the COP， the outlet temperatures of the hot and cold tanks， and the control parameter.Overall， the total COP is 6.29 when the optimal control strategy based on the genetic algorithm is applied.

KeywordsCO2;heat pump;thermal storage;performance test;genetic algorithm

環(huán)境問題一直以來都是世界各國普遍關(guān)注的焦點，全球變暖、能源匱乏和大氣污染成為人們亟待解決的問題。CO2熱泵熱電池是由M.B.Blarke等[1]于2012年提出的新概念，即在用電低谷時期將熱泵同時制冷制熱的能量儲存起來以滿足建筑間歇性供冷供熱的需要，對電能的合理利用起到調(diào)峰填谷的作用，可以提高間歇性可再生能源在能源系統(tǒng)中的利用率。相比一般熱泵，熱電池最大的優(yōu)勢是在制熱的同時，將冷量進(jìn)行回收，熱量冷量同時儲存，同時考慮制冷制熱之間的相互影響。CO2作為天然工質(zhì)，綠色環(huán)保，相比其他工質(zhì)顯示出巨大優(yōu)勢[2]，尤其是在熱泵應(yīng)用中，如空氣源熱泵[3-4]、水源熱泵[5-6]等。因此，近年來CO2工質(zhì)在熱泵熱水器領(lǐng)域發(fā)展迅速，CO2熱泵制冷制熱雙模式運行也成為研究的熱點之一。

國外的大量研究進(jìn)一步推動了CO2熱泵儲能的發(fā)展。J.Sarkar等[7-8]通過模擬提出了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的性能與環(huán)境溫度、壓縮機轉(zhuǎn)速和高壓壓力等有關(guān)，并基于模擬研究設(shè)計了以水作為儲能介質(zhì)的CO2熱泵熱電池實驗臺，研究系統(tǒng)壓力、循環(huán)水體積流量、進(jìn)水溫度和膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明系統(tǒng)性能隨著氣體冷卻器進(jìn)水溫度的升高而降低。T.Wang等[9]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)儲能過程中系統(tǒng)效率隨著儲能罐內(nèi)流體溫度變化瞬時變化，COP從6降到2。L.H.Jensen等[10]通過模擬研究CO2熱泵熱電池儲能的動態(tài)過程，結(jié)果表明儲能罐內(nèi)流體溫度分布影響熱泵性能。

國內(nèi)主要是對CO2熱泵熱水器的研究較多。徐洪濤等[11]實驗研究了CO2熱泵熱水器的性能，與傳統(tǒng)熱水器相比，可以節(jié)省75%的能量。呂靜等[12]實驗對比研究了水箱水溫對CO2熱泵熱水器性能的影響，根據(jù)實驗結(jié)果對熱水箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使氣冷器入口水溫穩(wěn)定在較低水平，提高系統(tǒng)的性能。仇富強等[13]分析了冷卻壓力對系統(tǒng)制熱性能系數(shù)和單位壓縮功的影響。孫李等[14]實驗研究了電子膨脹閥開度和壓縮機頻率對壓縮機吸氣溫度和壓力、排氣溫度和壓力、系統(tǒng)制熱量和制熱COP的影響。

目前針對CO2熱泵熱電池系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化控制方面的研究較少。對于熱泵控制方面，主要是基于定工況下的最優(yōu)排氣壓力控制，如宋昱龍等[15]模擬了氣冷器對系統(tǒng)性能及最優(yōu)排氣壓力的影響，分析了氣冷器換熱面積及制冷劑側(cè)質(zhì)量流速對最優(yōu)排氣壓力的影響;W.W.Yang等[16]通過模擬和實驗分析了最優(yōu)壓力隨壓縮機轉(zhuǎn)速及相對容積的變化情況。然而，CO2熱泵熱電池儲能是一個動態(tài)的過程，氣冷器的進(jìn)水溫度會不斷上升、蒸發(fā)器進(jìn)水溫度會不斷下降，所以需要找出儲能過程中不同進(jìn)水溫度對應(yīng)的最優(yōu)工況。本文通過搭建CO2熱泵實驗臺，對系統(tǒng)進(jìn)行不同工況的實驗研究，分析了冷熱儲能罐循環(huán)水體積流量、壓縮機頻率、電子膨脹閥開度對熱泵熱電池儲能性能的影響，并對系統(tǒng)效率進(jìn)行了數(shù)學(xué)擬合，提出了一種提高系統(tǒng)效率的優(yōu)化控制策略。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

圖1所示為CO2熱泵熱電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)由跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)和儲能罐兩部分組成。熱泵系統(tǒng)由壓縮機、氣體冷卻器、回?zé)崞鳌⒄舭l(fā)器、電子膨脹閥組成。壓縮機采用意大利Dorin公司生產(chǎn)的CO2跨臨界壓縮機，最大功率為 3 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，理論排氣量為1.46 m3/h;蒸發(fā)器和回?zé)崞鞑捎猛S套管式換熱器，氣體冷卻器采用板式換熱器;電子膨脹閥采用三花電子膨脹閥。儲能罐部分主要由儲冷罐、儲熱罐、變頻循環(huán)水泵、電磁流量計等組成。儲能罐是以水作為儲能介質(zhì)，其中儲冷罐約為163 L，儲熱罐約為176 L，為了獲得更好的溫度分層效果，在儲冷罐底部加入一塊擋板，在儲熱罐內(nèi)部加入三塊擋板，圖中還標(biāo)明了儲能罐不同高度的溫度測點，以便監(jiān)測罐內(nèi)水沿豎直方向的溫度梯度，從而分析其對整個系統(tǒng)性能的影響。

圖1 CO2熱泵熱電池儲能系統(tǒng)Fig.1 The system of CO2thermal battery

1.2 測量系統(tǒng)

實驗測量中采用20個熱電偶(其中儲能罐14個，熱泵系統(tǒng)6個)、4個壓力測點、2個水流量測點、1個制冷劑流量測點。實驗數(shù)據(jù)通過Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀采集到電腦上，測量儀器精度如表1所示。

表1 測量精度Tab.1 Measurement accuracy

1.3 COP誤差

熱泵系統(tǒng)COP:

系統(tǒng)的制冷功率:

系統(tǒng)的制熱功率:

由于測量儀器的精度，實驗結(jié)果與真實值必然存在誤差，由式(1)～式(3)可知，系統(tǒng)COP的相對誤差取決于體積流量、溫度和電功率測量誤差，根據(jù)實驗設(shè)置和實驗數(shù)據(jù)，利用Engineering Equation Solver(EES)軟件對COP誤差進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。可以看出，壓縮機功率的測量誤差對計算COP的誤差影響較大，達(dá)到36.63%，其次是儲冷罐的進(jìn)出口溫度測量，為15.01%，最后計算得，由儀器測量誤差導(dǎo)致的COP絕對誤差為0.051 42，相對誤差為0.96%。

表2 COP誤差計算Tab.2 Error calculation of COP

1.4 實驗步驟

本文的所有實驗中，儲冷罐、儲熱罐的初始溫度為27℃(±0.5℃)。為了研究CO2熱泵熱電池儲能效率最優(yōu)的工況，實驗中設(shè)置了多個控制參數(shù)，分別通過改變儲冷罐的循環(huán)水體積流量Vc、儲熱罐的循環(huán)水體積流量Vh、壓縮機頻率f、電子膨脹閥開度n，控制參數(shù)如表3，對熱電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行不同工況的實驗研究。電子膨脹閥開度通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥的脈沖來實現(xiàn)，根據(jù)廠家提供的資料，當(dāng)脈沖為52以下時閥體處于閉閥狀態(tài)，當(dāng)全開脈沖為480時，閥體完全打開。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動到儲熱罐平均溫度達(dá)到60℃的時間內(nèi)，每隔5 s采集數(shù)據(jù)一次。

表3 控制參數(shù)Tab.3 Controls parameter

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 壓縮機頻率f的影響

設(shè)定Vh=0.4 m3/h，Vc=0.2 m3/h，n=330 脈沖，改變壓縮機頻率，分別進(jìn)行 35、40、45、50 Hz四組實驗。

如圖2所示，壓縮機頻率越高，制冷劑的質(zhì)量流量越高，原因是頻率升高，壓縮機轉(zhuǎn)速增大，吸氣量增大。而制冷劑的質(zhì)量流量越大，制熱功率、制冷功率都會上升。雖然降低頻率可以降低壓縮機功率，但會導(dǎo)致系統(tǒng)的儲能時間上升。實驗發(fā)現(xiàn)，50 Hz工況相比35 Hz工況，系統(tǒng)儲能耗時減少了1/2。圖3為不同壓縮機頻率下的系統(tǒng)總制冷COP和總制熱COP，可以發(fā)現(xiàn)，頻率越高時COP越高，所以50 Hz工況下運行時系統(tǒng)效率較好。

圖2 Vc=0.2 m3/h,Vh=0.4 m3/h,n=330脈沖時不同壓縮機頻率下的制冷劑流量Fig.2 The flow rates of refrigerant at different frequencies with Vc=0.2 m3/h,Vh=0.4 m3/h,n=330 pulse

圖3 Vc=0.2 m3/h,Vh=0.4 m3/h,n=330脈沖時不同壓縮機頻率下的系統(tǒng)總制冷/制熱COPFig.3 The overall cooling and heating COP at different frequencies with Vc=0.2 m3/h,Vh=0.4 m3/h,n=330 pulse

2.2 熱水體積流量Vh的影響

設(shè)定f=50 Hz，Vc=0.2 m3/h，n=330 脈沖，改變Vn，分別進(jìn)行0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m3/h 五組實驗。圖4為不同Vh下制熱COP的瞬時變化，雖然在儲能前期Vh較大時，其瞬時制熱COP較大，但隨著時間推移，制熱COP下降較快，當(dāng)Vh=0.1 m3/h時，在儲能的前5 000 s，制熱COP基本不變。從圖5中可以分析其原因，儲熱罐的出水溫度與制熱COP的變化是基本同步的，即制熱COP主要受儲熱罐出水溫度的影響，隨著儲熱罐出水溫度上升，制熱COP下降。要想保持制熱COP不變，就要控制儲熱罐的出水溫度不變，這就需要對儲熱罐進(jìn)行溫度分層控制，一方面從結(jié)構(gòu)上來控制，如上文提到的加擋板，另一方面就需要控制儲熱罐的進(jìn)口流量。

圖4 f=50 Hz,Vc=0.2 m3/h,n=330脈沖時不同Vh下制熱COP的瞬時變化Fig.4 The transient heating COP at different hot water volume flow rates with f=50 Hz,Vc=0.2 m3/h,n=330 pulse

圖5 f=50 Hz,Vc=0.2 m3/h,Vh=0.3 m3/h,n=330脈沖時,制熱COP、儲熱罐出水溫度的瞬時變化Fig.5 The transient heating COP and outlet temperature of the hot tank with f=50 Hz,Vc=0.2 m3/h,Vh=0.3 m3/h,n=330 pulse

如圖6所示，Vh=0.1 m3/h時儲熱罐各點溫度變化，可以看出其溫度分層明顯。儲熱罐里的熱水是上進(jìn)下出，溫度點5位于儲熱罐上部，溫度最先開始上升至60℃，然后溫度點4、溫度點3、溫度點2、溫度點1依次上升到60℃，水溫自上而下一層一層變化。最后在6 000 s左右，整個儲熱罐水溫混合均勻。由于儲熱罐內(nèi)存在良好的溫度分層，導(dǎo)致其出水口的溫度可以在一段時間內(nèi)保持不變，這樣可以保證制熱COP不下降，而增大Vh，雖然在儲能前期會獲得較高的COP，但會加速儲熱罐內(nèi)水溫的混合，出水溫度上升也越快，如圖7所示。再結(jié)合圖5可知，出水溫度上升越快，COP下降也越快。

圖6 Vh=0.1 m3/h時儲熱罐各點溫度變化Fig.6 The hot tank temperature gradients at Vh=0.1 m3/h

圖7 不同Vh下儲熱罐出水溫度的變化Fig.7 The hot tank outlet water temperature at different hot water volume flow rates

另一方面，循環(huán)水體積流量較低時，其水泵功率也較低;根據(jù)式(3)可知，要想增大制熱量，一是增大氣體冷卻器水側(cè)進(jìn)出口溫差(即儲熱罐的進(jìn)出口溫差)，二是增大Vh。實驗發(fā)現(xiàn)，儲能前期，Vh較小時，儲熱罐的溫度分層較好，其出水溫度在一段時間內(nèi)維持不變，同時可以獲得較大的進(jìn)水溫度(即氣冷器出水溫度)，如圖8所示。從圖7中可以看出，Vh較小時，儲熱罐進(jìn)出口溫差也較大。但Vh較大時，破壞了儲熱罐的溫度分層，隨著儲能的進(jìn)行，儲熱罐出水溫度開始升高，同時，結(jié)合圖7、圖8，儲熱罐進(jìn)出口溫差減小，制熱COP開始下降。所以在氣冷器換熱面積一定的情況下，增大Vh，儲熱罐進(jìn)出口溫差減小;減小Vh，儲熱罐進(jìn)出口溫差增大，制熱量必定存在一個極值，同時考慮實驗的目標(biāo)是將儲熱罐的水加熱至60℃，所以需找到儲熱罐進(jìn)水溫度為60℃時，制熱COP最大情況下的熱水循環(huán)體積流量。

圖8 不同Vh下儲熱罐進(jìn)水溫度的變化Fig.8 The hot tank inlet water temperature at different hot water vulume flow rates

2.3 冷水體積流量Vc的影響

與儲熱罐相同，儲冷罐內(nèi)部的溫度分層與冷水流量有關(guān)，流量越小，溫度分層越好。圖9為Vc=0.2 m3/h時儲冷罐各點溫度變化，儲冷罐的冷水是下進(jìn)上出，儲冷罐溫度點1先開始下降，然后自下而上依次降溫。由于Vc較大，水在蒸發(fā)器處釋放的熱量較少，導(dǎo)致儲冷罐進(jìn)水溫度較高(約為15℃)，和儲冷罐的初始溫度(27℃)的溫差較小，再加上低溫冷水傳熱到儲冷罐上部存在時間延遲，所以約在4 000 s時，儲冷罐內(nèi)部的水溫已混合均勻，然后溫度點1的水溫繼續(xù)下降，重復(fù)這一過程，直到儲能實驗結(jié)束。

圖9 Vc=0.2 m3/h時儲冷罐各點溫度變化Fig.9 The cold tank temperature gradients at cold water volume flow rate of 0.2 m3/h

當(dāng)儲冷罐開始第二次溫度分層時，其出水溫度進(jìn)一步下降，在蒸發(fā)器出水溫度不變的情況下，制冷量必然會減少，導(dǎo)致系統(tǒng)COP下降。筆者也想過進(jìn)一步降低Vc，使儲冷罐只產(chǎn)生一次溫度分層，但實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Vc=0.1 m3/h時，CO2蒸發(fā)溫度為-3℃，水溫在蒸發(fā)器側(cè)迅速下降，雖然蒸發(fā)器出水溫度為5℃左右，但是蒸發(fā)器局部水溫達(dá)到冰點，進(jìn)而結(jié)冰堵塞管道，實驗無法繼續(xù)，所以只能從調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度的角度去提高制冷量。

2.4 電子膨脹閥開度n的影響

設(shè)置Vc=0.2 m3/h不變，進(jìn)行不同Vh(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m3/h)和不同電子膨脹閥脈開度(240、270、300、330、350 脈沖)實驗，得到如圖 10 所示，不同Vh下，系統(tǒng)總COP隨n的變化，可以看出當(dāng)Vh=0.1 m3/h，開度處于330～350脈沖時，系統(tǒng)總 COP較大。

圖10 不同Vc、不同n的系統(tǒng)總COPFig.10 The overall COP at different hot water volume flow rates and EEV openings

圖11所示為f=50 Hz，Vc=0.2 m3/h，Vh=0.1 m3/h，儲熱罐出水溫度為30℃時，不同n下，CO2循環(huán)的壓焓圖。壓焓圖由六個節(jié)點連接而成，分別是壓縮機進(jìn)口(1點)→壓縮機出口(2點)→氣冷器出口(3點)→回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口(4點)→蒸發(fā)器進(jìn)口(5點)→蒸發(fā)器出口(6點)→壓縮機進(jìn)口(1點)。使用EES軟件，通過每個節(jié)點的溫度和壓力來計算其焓值，其中回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口至蒸發(fā)器進(jìn)口默認(rèn)為等焓過程。從圖中可以看出，n越小，排氣壓力越高，蒸發(fā)壓力越低，單位質(zhì)量制冷劑的制熱量與制冷量都有所增加。所以，當(dāng)儲冷罐出現(xiàn)第二次溫度分層時，可以調(diào)小電子膨脹閥開度，提高制冷量。

但是，當(dāng)n過小時，蒸發(fā)壓力會很低，蒸發(fā)溫度也會降低，會造成水結(jié)冰堵塞蒸發(fā)器管道，所以應(yīng)避免n過小運行，這樣系統(tǒng)運行比較安全。

圖11 儲熱罐出水溫度為30℃時,不同n下CO2循環(huán)壓焓圖Fig.11 The p-h diagram at different EEV openings and the outlet water temperature of 30℃

3 儲能運行優(yōu)化

前面所做的實驗都是單變量實驗，但是CO2熱泵熱電池的性能效率受多種因素影響，在前面分析出單變量對系統(tǒng)COP的影響關(guān)系后，還需要確定各控制變量對系統(tǒng)的共同影響。在此基礎(chǔ)上又繼續(xù)補充了多組實驗，改變Vc和Vh，得到系統(tǒng)總COP三維圖，如圖12所示。

圖12 不同Vc、Vh下的系統(tǒng)總COPFig.12 The overall COP at different hot water volume flow rates and cold water volume flow rates

3.1 優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述

當(dāng)系統(tǒng)瞬時COP時刻保持最大時，其儲能的總COP也最大，所以以熱電池儲能瞬時COP最大為目標(biāo)建立優(yōu)化函數(shù)F:

式中:COP為儲能瞬時效率;g為約束條件。

基于之前的實驗分析，COP主要受儲冷罐、儲熱罐的出口水溫的影響較大，可以對不同儲冷罐、儲熱罐出口水溫在不同控制變量下的COP值進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到關(guān)聯(lián)式如下:

圖13為式(5)計算值與實際測得的COP對比圖，相關(guān)度R2=96.55%。

同時，通過補充實驗，得到了不同Vc(0.2～0.5 m3/h)、Vh(0.1～0.5 m3/h)和不同n(240～350脈沖)的儲能效率。對于同一儲熱罐、儲冷罐出水溫度，在不同的控制參數(shù)下，必定存在一個最大瞬時COP。將不同儲熱罐、儲冷罐出水溫度所能達(dá)到的最大瞬時COP進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到式(6)，作為評價函數(shù)，用來判定式(5)所求解的COP是否為最優(yōu)COP。

圖13 預(yù)測COP與實際COP對比Fig.13 Predicted vs measured COP

3.2 優(yōu)化控制策略

遺傳算法采用MATLAB的遺傳算法工具箱，直接以待解的目標(biāo)函數(shù)F(COP)轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)Fit(F(COP))，令

給定儲冷罐、儲熱罐的出水溫度，考慮儲能罐的溫度分層，帶入式(5)計算種群個體的適應(yīng)度COP，若大于尋優(yōu)結(jié)果的初始值且等于式(6)所得的COPmax，則輸出最佳個體及其代表的最優(yōu)解，若小于尋優(yōu)初始值，則選擇適應(yīng)度高的個體組成種群，進(jìn)行變異生成新的個體，并組成新的種群，代入式(5)計算新個體的適應(yīng)度，直至滿足適應(yīng)度大于初始值且等于COPmax的準(zhǔn)則，得到此出水溫度下系統(tǒng)的最大瞬時COP，并按照求解的冷、熱水流量和電子膨脹閥開度對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)儲冷罐出水溫度開始下降時，瞬時COP最大值改變，利用式(5)繼續(xù)求解;隨著儲能的進(jìn)行，儲熱罐出水溫度開始上升，重復(fù)上述驟。

3.3 優(yōu)化結(jié)果驗證

如圖15所示，對控制策略進(jìn)行了實驗驗證，將儲冷罐、儲熱罐的出口水溫代入式(5)優(yōu)化求解，得到COP=6.42，對應(yīng)的實驗初始控制參數(shù)為Vc=0.20 m3/h，Vh=0.13 m3/h，n=339。 實驗結(jié)果顯示，在0～2 400 s的時間內(nèi)，瞬時 COP從6.1逐漸增大至6.42左右，這是由于氣冷器進(jìn)口CO2的溫度從啟動階段逐漸增大直至趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致儲熱罐的進(jìn)口水溫在逐漸增大，換熱量增加，瞬時COP逐漸增大。在2 100 s時，儲冷罐出口水溫開始下降，由于水溫從26℃下降至15℃較快，在出口水溫為25℃(A點)和15℃(B點)時分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)式(5)求解得A點:COP=6.17，Vc=0.20 m3/h，Vh=0.13 m3/h，n=346，B 點:COP=6.04，Vc=0.21 m3/h，Vh=0.13 m3/h，n=319。在4 215 s時，儲熱罐5個測點平均溫度達(dá)到60℃，實驗結(jié)束，結(jié)果與式(5)優(yōu)化求解較為吻合。

圖14 優(yōu)化控制流程圖Fig.14 The diagram of optimizing control

圖15 模擬優(yōu)化與實驗結(jié)果對比Fig.15 Simulative results compared with experimental results

對于整個儲能過程，固定參數(shù)運行時，系統(tǒng)總COP最大為5.49，其控制參數(shù)為Vc=0.2 m3/h，Vh=0.1 m3/h，n=330脈沖。采用優(yōu)化控制運行后，系統(tǒng)總COP為6.29，提高了14.57%，同時儲能耗時減少了27.52%。

4 總結(jié)

本文用實驗的方法在不同實驗工況下測試了CO2熱泵熱電池的儲能效率，在變冷、熱水體積流量實驗中，冷、熱水體積流量一方面影響儲能罐在豎直方向的溫度分層，一方面影響與換熱器的換熱量，考慮到冷水溫度過低時會造成蒸發(fā)器管道結(jié)冰堵塞，在儲能初期階段，當(dāng)設(shè)定Vc=0.20 m3/h、Vh=0.13 m3/h時，儲能效率最大;在變壓縮機頻率實驗中，壓縮機頻率越高，制冷劑流量越大，制冷功率、制熱功率越大，頻率設(shè)置為50 Hz為宜;在變電子膨脹閥開度實驗中發(fā)現(xiàn)，電子膨脹閥開度在330～350脈沖時，系統(tǒng)總COP較大。當(dāng)冷水出水溫度開始下降時，需要調(diào)小電子膨脹閥開度，同時增大冷水流量;當(dāng)儲熱罐出水溫度開始上升時，進(jìn)一步調(diào)小電子膨脹閥開度，同時增大熱水體積流量，減緩儲能效率的下降。

在單變量實驗中，Vc=0.20 m3/h，Vh=0.1 m3/h，n=330時，系統(tǒng)總COP最高，為5.49。通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，利用遺傳算法，得出多變量優(yōu)化的控制策略，并進(jìn)行實驗驗證，發(fā)現(xiàn)與實驗結(jié)果較為吻合，優(yōu)化后系統(tǒng)總COP為6.29，相比固定控制參數(shù)實驗最大總體COP提高了14.57%，同時儲能耗時減少了27.52%。

符號說明

f——壓縮機頻率，Hz

cp——水的比熱容，取 4 186.8 J/(kg·℃)

Vc——冷水體積流量，m3/h

ρ——水的密度，取 1 000 kg/m3

Vh——熱水體積流量，m3/h

tc，o——儲冷罐出口水溫，℃

n——電子膨脹閥開度，脈沖

tc，i——儲冷罐進(jìn)口水溫，℃

COPsys——系統(tǒng) COP

th，i——儲熱罐進(jìn)口水溫，℃

Qevap——制冷功率，W

th，o——儲熱罐進(jìn)口水溫，℃

Qgc——制熱功率，W

COPc——制冷 COP

Wcomp——壓縮機功率，W

COPh——制熱 COP

Wc——冷水泵功率，W

th，n——儲熱罐各點溫度，℃，n=1 ～5

Wh——熱水泵功率，W

tc，n——儲冷罐各點溫度，℃，n=1 ～5

本文受上海市自然科學(xué)基金(15ZR1417700);上海高校特聘教授(東方學(xué)者)崗位計劃(2013-66);上海市教育發(fā)展基金會和上海市教育委員會“曙光計劃”(14SG50)項目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Shanghai in China(No.15ZR1417700)，the Program for Professor of Special Appointment(Eastern Scholar) supported by Shanghai Institutions of Higher Learning(No.2013-66)，and“Shuguang program” supported by Shanghai Education Development Foundation and Shanghai Municipal Education Commission in China(No.14SG50).)

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Experimental Study on CO2Heat Pump Thermal Battery System

Zhu Weiquan Liu Fang Cai Yang
(College of Energy and Mechanical Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai， 200090， China)

TQ051.5;TK124

A

2016年9月24日

0253-4339(2017)05-0057-09

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.057

劉方，女，教授，上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院，021-35303902，E-mail:fangliu_shiep@163.com。 研究方向:熱力循環(huán)與系統(tǒng)優(yōu)化、綠色制冷工質(zhì)、數(shù)值傳熱。

About the corresponding authorLiu Fang， female， professor， College of Energy and Mechanical Engineering， Shanghai University of Electric Power， +86 21-35303902，E-mail:fangliu_shiep@163.com.Research fields:thermodynamic cycle and system optimization，environmental friendly refrigerants，numerical heat transfer.