CN105698454B - 一种跨临界co2热泵最优压力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种跨临界CO₂热泵最优压力的控制方法，包括：第一步：建立数据库；第二步：对数据库中已有的工况点采取极值搜索方法寻找最优值，搜索的初始值为数据库中已有的原始值；第三步：根据极值搜索获得的最优压力值，计算对应的压力值和COP值，并写入数据库，覆盖原始数据库，逐步将所有的环境温度和出水温度对应最优压力及COP写入原始数据库，获得一个新的数据库；在热泵实际运行时，根据实际工况的环境温度和出水温度，提取数据库中的最优压力值，使得跨临界CO₂热泵动态运行于最优工况。本发明可自适应外界干扰及不同热泵类型，确保系统实际运行于最优状态。

Description

一种跨临界CO2热泵最优压力的控制方法

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，特别涉及一种跨临界CO₂热泵压力控制方法。

背景技术

随着经济的发展，能源成为人类赖以生存和发展的主要物质基础，而在世界各国，能源短缺问题日益明显，成为经济快速发展的障碍。节能、低碳作为当今社会发展的主流方向，指引着各行各业技术应用的发展方向。其次，环境问题同样制约着人类社会的快速发展，传统制冷剂对臭氧层的破坏和对全球气温别暖的影响备受关注。跨临界CO₂热泵系统在提供高温热水的同时，不仅环境友好，而且具有节约能源的特性，作为能源领域的发展方向，具有广阔的发展前景。

而在跨临界CO₂热泵系统中，如何确保系统在最优工况下运行，对节能具有重大意义。跨临界CO₂热泵系统COP随着排气压力的变化，存在一个最优值，对应的排气压力为最优压力。目前对最优压力的研究多为理论研究及半经验关联公式，即对一台已有或新开放的热泵模型，通过大量实验测试，寻找最优压力的影响因素，通过拟合关系式的方式给出不同工况下跨临界CO₂热泵系统的最优压力，从而指导热泵的实际运行；此外，通过对热泵模型建立数学模型，以系统仿真迭代计算的方式数值计算各个工况下系统对应最优压力。一方面，当热泵模型有变，拟合关系式适用性会变差，数值建模计算需要重新进行，增加了工作难度和设计成本。另一方面，这些方法都在实际热泵应用之前给出可能工况下的最优压力，在实际热泵运行时，根据计算或拟合关系调整实际工况的最优压力。然而，在热泵的实际运行过程中，受外界因素干扰，环境温度、出水温度等参数是随时变化着的，这样，系统的最优压力也是瞬态变化着的，传统的方法将造成跨临界CO₂热泵无法在实际应用中一直保持最优压力、最优COP。

为了保证跨临界CO₂热泵系统在实际运行时一直处于最优压力对应的最优COP工况，那么对最优压力的动态控制是非常有必要的。环境温度和出水温度等参数的实时变化，以及随着热泵运行损耗导致其他各项参数的变化，使用一个动态的控制过程动态控制受干扰工况的跨临界CO₂热泵系统，确保系统一直处于高效的运行状态，在整个节约能源的社会背景下就显得非常有意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种跨临界CO₂热泵最优压力的控制方法，可自适应外界干扰及不同热泵类型，确保系统实际运行于最优状态。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种跨临界CO₂热泵最优压力的控制方法，包括以下步骤：

第一步：根据环境温度最小值T_air1、环境温度最大值T_air2、出水温度最小值T_out,w1、出水温度最大值T_out,w2以及温度测量精度ΔT，建立一个离散的数据库；

第二步：对数据库中已有的工况点采取极值搜索方法寻找最优值，搜索的初始值为数据库中已有的原始值；

第三步：根据极值搜索获得的最优压力值，提取压缩机排气温度自动获得压缩机排气状态焓值h₂，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值h₁和气体冷却器出口焓值h₃，COP_(ESC)＝(h₂- -h₃)/(h₂-h₁)；此外，原始数据库的最优压力对应的压缩机排气状态焓值h_o2，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值h₀₁和气体冷却器出口焓值h₀₃，则COP_(o)＝(h₀₂-h₀₃)/(h₀₂-h₀₁)；最优性能系数COP(max)＝max{COP_(ESC),COP_(o)},将COP(max)对应的压力值和COP值写入数据库；覆盖原始数据库，逐步将步骤一中对应温度区间内以ΔT步长所建立的所有温度点对应最优压力及COP写入原始数据库，获得一个新的数据库；

在热泵实际运行时，根据实际工况的环境温度和出水温度，提取数据库中的最优压力值，使得跨临界CO₂热泵动态运行于最优工况。

进一步的，第一步中建立离散的数据库后根据经验关联式 p_opt,w＝54.6-0.53T_air+0.31T_out,w+0.006T_air ²+0.018T_air×T_out,w计算所有数据库中环境温度和出水温度对应的跨临界CO₂热泵最优压力p_opt,w，建立一个以[T_air1,T_air2]、[T_out,w1，T_out,w2]为区间，ΔT 为温度间隔的初始最优压力数据库，该数据库作为原始数据库；其中：T_air为环境温度，T_out,w为出水温度；-20℃≤T_air≤30℃。

进一步的，在热泵实际运行时，若数据库中没有实际工况点，则进行第四步：

第四步：在数据库中获得实际工况点(环境温度为T_air,act，出水温度为T_out,w,act)附近的四个工况数据，分别为：(T_air,i,T_out,w,j)，(T_air,i+1,T_out,w,j)，(T_air,i,T_out,w,j-1)，(T_air,i+1,T_out,w,j-1)，其对应的最优压力值分别为p_(i,j)，p_(i+1,j)，p_(i,j-1)，p_(i+1,j-1)；利用一阶拟合公式，实际工况点的最优压力值为：p_actually＝[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j)/ΔT+(T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j)/ΔT]*(T_out,w,j-T_out,w,act)/ ΔT+[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j-1)/ΔT+(T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j-1)/ΔT]*(T_out,w,act-T_out,w,j-1)/ΔT；获得实际工况点的最优压力后，提取排气温度、排气焓值h_act,2、吸气状态焓值h_act,1和气体冷却器出口焓值 h_act,3，计算实际工况点性能系数COP_act＝(h_act,2—h_act,3)/(h_act,2-h_act,1)；并将环境温度为T_air,act，出水温度为T_out,w,act的最优压力值p_actually和COP_act对应补充写入数据库；同时，本局计算的最优压力值p_actually使跨临界CO₂热泵运行于最优工况。

进一步的，还包括以下步骤：

跨临界CO₂热泵机组运行至用户设定的年限后，以当前数据库为原始数据库，重复第二步和第三步，再次进行极值搜索，更新数据库；弥补机组老化影响产生的最优工况偏离的情况。

本发明建立一个具有自学习功能的动态数据库(见附图1)，通过给定初始最优值、寻找实际最优值、数据库自我完善的方法动态控制跨临界CO₂热泵系统的实时最优排气压力。给定系统运行工况范围：环境温度最小值T_air1、环境温度最大值T_air2、出水温度最小值T_out,w1、出水温度最大值T_out,w2；以及温度测量精度ΔT。根据最优压力经验关联式： p_opt,w＝54.6-0.53T_air+0.31T_out,w+0.006T_air ²+0.018T_air*T_out,w(其中。-20℃≤T_air≤30℃)，建立一个以 [T_air1,T_air2]、[T_out,w1，T_out,w2]为区间，ΔT为温度间隔的一个初始最优压力数据库，该数据库作为原始数据库。

其次，在待选优的目标值(即最优压力)上叠加一个幅值小于待优目标的正弦周期激励信号，使得被控制对象的性能指标发生变化，再通过一个高通滤波器和解调的过程不断的对性能指标变化的导数进行估值，再通过低通滤波器以后就认为该值为目标值变化的导数，通过找到导数为零的点找到目标值的最优值。且该极值搜索过程的初始值选取为原始数据库内的最优压力值，加快极值搜索的效率。

依据极值搜索寻找得到的最优压力值及压缩机排气温度自动获得压缩机排气状态焓值(h₂)，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值(h₁)和气体冷却器出口焓值(h₃)，那么COP_(ESC)＝(h₂- -h₃)/(h₂-h₁)；此外，原始数据库的最优压力对应的压缩机排气状态焓值(h_o2)，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值(h₀₁)和气体冷却器出口焓值(h₀₃),则COP_(o)＝(h₀₂-h₀₃)/(h₀₂-h₀₁)。 COP(max)＝max{COP_(ESC),COP_(o)},将COP(max)对应的压力值和COP值写入数据库。覆盖原始数据库，逐步将所有环境温度和出水温度的对应最优压力及COP写入原始数据库，获得一个新的数据库。

在热泵实际运行时，若对应的数据库中存在相同的环境温度和出水温度对应的工况点，则直接从数据库中提取最优压力，传递给控制器，使得热泵实时运行在最优压力对应的最优工况。若对应的数据库中不存在实际工况点及最优压力值，则寻找对应工况点附近的四个数据点，假设实际工况点在数据库中的投影位置为附图2所示(即环境温度为T_air,act，出水温度为T_out,w,act)，那么依次提取(T_air,i,T_out,w,j)，(T_air,i+1,T_out,w,j)，(T_air,i,T_out,w,j-1)，(T_air,i+1,T_out,w,j-1)四个工况点对应的最优压力值，即：p_(i,j)，p_(i+1,j)，p_(i,j-1)，p_(i+1,j-1)。根据一阶神经元拟合方法，获得实际工况点的最优压力值，为：p_actually＝[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j)/ΔT+(T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j)/ΔT]*(T_out,w,j-T_out,w,act)/ ΔT+[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j-1)/ΔT+(T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j-1)/ΔT]*(T_out,w,act-T_out,w,j-1)/ΔT；并根据获得最优压力，获得压缩机排气状态参数，计算COP，将对应的环境温度、出水温度及其最优压力及COP补充写入数据库，同时实时控制系统处于最优状态。

热泵运行t_year(可根据用户需求及机组运行工况、老化程度设置年限)年后，以当前数据库为原始数据库，再次根据极值搜索滤波解调的方法寻找最优值，依次获得各个工况最优压力，更新数据库，确保机组实时运行在最优工况下。

与现有技术相比，本发明的优点是：

现有技术对跨临界CO₂热泵最优压力的选取往往采取经验关联式或大量实验数据分析获得某一固定工况的最优压力。而热泵的实际运行工况往往是动态变化着的，且针对不同的热泵模型，经验关联式所获得的最优压力往往与实际最优工况具有一定差距；其次不同的热泵机组其最优压力也有所不同，大量实验获得的数据实际上也无法确保所有机组稳定运行在最优工况。对所有待运行热泵都采取重新建模实验测量的方法势必是耗时耗力的。

本发明通过建立数据库、极值搜索、对比最优工况、神经元拟合以及自学习数据更新的方法提出了一套完整的适合所有热泵最优压力控制的控制方法，该控制系统应用于控制器内可实现对实际运行热泵最优压力的实时控制。极值搜索(ESC)方法通过在待寻优目标增加激励函数依次滤波解调的方法避免了不同热泵模型重新建模的麻烦；经验关联式给极值搜索提供初值的方法又大大提高了极值搜索的寻优效率；两次获得的压力对应的COP进行比较，选取最优，避免了极值搜索过程产生误差或坏点的可能；自学习数据库的形式使得热泵机组持续运行动态过程的最优工况越加精确；神经元网络拟合的方法避免了出现数据库中没有对应值时候无法获取最优压力的情况；最后，按时间年限重新寻优避免了机组老化而产生的最优工况偏离的现象。这样的控制方法，使得跨临界CO₂热泵实际动态运行于最优工况，满足最大节能运行。

本发明中所指的可针对不同类型热泵，是因为数据库是在拟合值基础上系统运行时候自动生成的对应当前热泵和当前状态的最新数据库。

附图说明

图1为以环境温度、出水温度建立的记录最优压力和COP的数据库；

图2为实际工况点落于数据库中的投影位置示意图。

具体实施方式

本发明一种跨临界CO₂热泵最优压力的控制方法，包括以下步骤：

第一步：建立原始数据库：根据环境温度最小值T_air1、环境温度最大值T_air2、出水温度最小值T_out,w1、出水温度最大值T_out,w2以及温度测量精度ΔT，建立一个离散的数据库(如图1 所示)。并根据经验关联式p_opt,w＝54.6-0.53T_air+0.31T_out,w+0.006T_air ²+0.018T_air×T_out,w计算所有数据库中环境温度和出水温度对应的跨临界CO₂热泵最优压力p_opt,w，建立一个以[T_air1,T_air2]、 [T_out,w1，T_out,w2]为区间，ΔT为温度间隔的一个初始最优压力数据库，该数据库作为原始数据库。其中：T_air为环境温度，T_out,w为出水温度；-20℃≤T_air≤30℃。

第二步：以极值搜索的方法对初始数据库中的数据进行更新完善，得到当前热泵状态下的最新数据库；且极值搜索的初始值为第一步原始数据库中的目标值。极值搜索方法如下：测试排气压力的开环跃阶响应来估计系统输入状态参数的热力学特性(这里的系统输入参数为一切可能引起排气压力发生变化的系统输入的函数总和)，并获得测量设备的噪声频谱，根据排气压力的热力学特性确定对应通道高频正弦扰动信号的频率，选择高通和低通的截止频率和响应的顺序来实现衰减的抑制频带，确定高频正弦信号的振幅，保证扰动输出不受到同频噪音的干扰，确定高频正弦信号相位角，补偿输入和输出的热动力学特性以及高频滤波器特性所造成交叉直流信号解调过程引起的相位延迟。选定以上函数参数之后，依次对数据库中已有的工况点采取极值搜索方法寻找最优值，搜索的初始值为数据库中已有的原始值。

第三步：根据极值搜索获得的最优压力值，提取压缩机排气温度自动获得压缩机排气状态焓值(h₂)，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值(h₁)和气体冷却器出口焓值(h₃)，那么COP _(ESC)＝(h₂-h₃)/(h₂-h₁)；此外，原始数据库的最优压力对应的压缩机排气状态焓值(h_o2)，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值(h₀₁)和气体冷却器出口焓值(h₀₃),则COP_(o)＝(h₀₂-h₀₃)/(h₀₂- h₀₁)。最优性能系数COP(max)＝max{COP_(ESC),COP_(o)},将COP(max)对应的压力值和COP值写入数据库；覆盖原始数据库，逐步将步骤一中对应温度区间内以ΔT步长所建立的所有温度点对应最优压力及COP写入原始数据库，获得一个新的数据库。

至此，完成对数据库的初始建立，在热泵实际运行时，根据实际工况的环境温度和出水温度，提取数据库中的最优压力值，使得热泵动态运行于最优工况。若数据库中没有实际工况点，则进行第四步。

第四步：在数据库中获得实际工况点(环境温度为T_air,act，出水温度为T_out,w,act)附近的四个工况数据(见附图2)，假设分别为(T_air,i,T_out,w,j)，(T_air,i+1,T_out,w,j)，(T_air,i,T_out,w,j-1)，(T_air,i+1, T_out,w,j-1)，其对应的最优压力值分别为p_(i,j)，p_(i+1,j)，p_(i,j-1)，p_(i+1,j-1)。此时依据神经元网络思想，利用一阶拟合公式，实际工况点的最优压力值为，p_actually＝[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j)/ΔT+ (T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j)/ΔT]*(T_out,w,j-T_out,w,act)/ΔT+[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j-1)/ΔT+(T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j-1)/ ΔT]*(T_out,w,act-T_out,w,j-1)/ΔT；获得实际工况点的最优压力后，提取排气温度，自动提取排气焓值h_act,2、吸气状态焓值(h_act,1)和气体冷却器出口焓值(h_act,3)，计算实际工况点性能系数 COP_act＝(h_act,2—h_act,3)/(h_act,2-h_act,1)。并将环境温度为T_air,act，出水温度为T_out,w,act的最优压力值 p_actually和COP_act对应补充写入数据库，使得数据库据有自学习功能，不断完善数据库。

第五步：热泵机组运行一段时间后，可根据用户设定，t_year年之后以当前数据库为原始数据库，从第二步重复，再次进行极值搜索，更新数据库。以弥补机组老化等影响产生的最优工况偏离的情况。

Claims (3)

1.一种跨临界CO₂热泵最优压力的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据环境温度最小值T_air1、环境温度最大值T_air2、出水温度最小值T_out,w1、出水温度最大值T_out,w2以及温度测量精度ΔT，建立一个离散的数据库；

第二步：对数据库中已有的工况点采取极值搜索方法寻找最优值，搜索的初始值为数据库中已有的原始值；

第三步：根据极值搜索获得的最优压力值，提取压缩机排气温度自动获得压缩机排气状态焓值h₂，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值h₁和气体冷却器出口焓值h₃，计算得到COP_(ESC)＝(h₂-h₃)/(h₂-h₁)；此外，原始数据库的最优压力对应的压缩机排气状态焓值h_o2，同时依据测量参数依次获得吸气状态焓值h₀₁和气体冷却器出口焓值h₀₃，计算得到COP_(o)＝(h₀₂--h₀₃)/(h₀₂-h₀₁)；最优性能系数COP(max)＝max{COP_(ESC),COP_(o)},将COP(max)对应的压力值和COP值写入数据库；覆盖原始数据库，逐步将第一步中环境温度区间[T_air1,T_air2]及出水温度区间[T_out,w1，T_out,w2]的二维温度区间内以温度测量精度ΔT为步长所建立的所有温度点对应最优压力及COP写入原始数据库，获得一个新的数据库；

在热泵实际运行时，根据实际工况的环境温度和出水温度，提取数据库中的最优压力值，使得跨临界CO₂热泵动态运行于最优工况；

第一步中建立离散的数据库后根据经验关联式p_opt,w＝54.6-0.53T_air+0.31T_out,w+0.006T_air ²+0.018T_air×T_out,w计算所有数据库中环境温度和出水温度对应的跨临界CO₂热泵最优压力p_opt,w，建立一个以[T_air1,T_air2]、[T_out,w1，T_out,w2]为区间，ΔT为温度间隔的初始最优压力数据库，该数据库作为原始数据库；其中：T_air为环境温度，T_out,w为出水温度；-20℃≤T_air≤30℃。

2.根据权利要求1所述的一种跨临界CO₂热泵最优压力的控制方法，其特征在于，在热泵实际运行时，若数据库中没有实际工况点，则进行第四步：

第四步：在数据库中获得实际工况点(环境温度为T_air,act，出水温度为T_out,w,act)附近的四个工况数据，分别为：(T_air,i,T_out,w,j)，(T_air,i+1,T_out,w,j)，(T_air,i,T_out,w,j-1)，(T_air,i+1,T_out,w,j-1)，其对应的最优压力值分别为p_(i,j)，p_(i+1,j)，p_(i,j-1)，p_(i+1,j-1)；利用一阶拟合公式，实际工况点的最优压力值为：p_actually＝[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j)/ΔT+(T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j)/ΔT]*(T_out,w,j-T_out,w,act)/ΔT+[(T_air,act-T_air,i)*p_(i,j-1)/ΔT+(T_air,i+1-T_air,act)*p_(i+1,j-1)/ΔT]*(T_out,w,act-T_out,w,j-1)/ΔT；获得实际工况点的最优压力后，提取排气温度、排气焓值h_act,2、吸气状态焓值h_act,1和气体冷却器出口焓值h_act,3，计算实际工况点性能系数COP_act＝(h_act,2—h_act,3)/(h_act,2-h_act,1)；并将环境温度为T_air,act，出水温度为T_out,w,act的最优压力值p_actually和COP_act对应补充写入数据库；同时，本局计算的最优压力值p_actually使跨临界CO₂热泵运行于最优工况。

3.根据权利要求1所述的一种跨临界CO₂热泵最优压力的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

跨临界CO₂热泵机组运行至用户设定的年限后，以当前数据库为原始数据库，重复第二步和第三步，再次进行极值搜索，更新数据库；弥补机组老化影响产生的最优工况偏离的情况。