Energy performance and optimization of a transcritical R744 heat pump for electric ferries
本研究表明，一种采用并联气冷器布局和分布式PI控制的优化超临界R744热泵系统，为零排放电动渡轮提供了一种可靠、环保且节能的热管理解决方案，在广泛的工作温度范围内表现优于标准的R410A系统。
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迈向零排放出行的旅程正在重塑人们跨越水域的出行方式。由电池而非柴油发动机驱动的电力渡轮，为沿海社区提供了一个更清洁、更安静的未来。然而，这些船只面临着一个其柴油前身从未遇到过的独特挑战：它们几乎不产生废热。传统的船舶通过燃烧燃料来移动，而燃烧过程会产生大量的余热，从而自然地加热乘客舱室。相比之下，电力渡轮完全依赖电池进行动力推进和维持舒适度。在寒冷气候下，保持渡轮温暖可能会消耗大量电池能量，有时甚至会消耗掉总可用电量的近一半。这造成了一个艰难的权衡：对热量的需求缩短了船舶的航行距离。为了解决这个问题，工程师们正转向热泵技术——这是一种移动热量而非创造热量的装置，但他们必须找到方法，使这些系统能够在严酷且多变的海上环境中高效运行，同时又不会增加过多的重量或复杂性。
南丹麦大学及其合作伙伴的研究人员致力于寻找管理电力渡轮这种热平衡的最佳方式。他们专注于一种使用二氧化碳作为制冷剂的特定类型热泵，二氧化碳是一种安全、环保且不可燃的天然物质。与使用合成化学物质的旧系统不同，二氧化回在室外空气温暖时运作方式不同，需要专门的设计才能正常运行。团队构建了一个详细的渡轮加热与冷却系统计算机模拟模型，以测试二氧化碳装置的表现与目前船舶上使用的标准系统相比如何。他们的目标是观察这种天然制冷剂是否能在保持乘客舒适度的同时，为航行保留更多电池能量，且不会让船只变得过于沉重而不切实际。
研究首先将使用常见合成制冷剂的标准系统与一种使用带有淹没式蒸发器（一种允许制冷剂完全覆盖换热表面以提高效率的组件）的新型二氧化碳设计进行了对比。模拟结果显示，二氧化碳系统的性能高度依赖于室外温度。当气温降至零下五摄氏度时，标准系统的效率略高。然而，随着温度升高，二氧化碳系统的表现开始领先。在四摄氏度时，它的效率比标准系统高出近四分之一，即使在三十五摄氏度的炎热夏季，它也保持着显著优势。这表明，对于一年中的大部分时间，只要系统设计能够处理渡轮加热回路的特定需求，这种天然制冷剂就是更优的选择。
为了提高系统在最寒冷的冬季的表现，研究人员测试了几种不同的配置。他们探索了添加额外组件的方法，例如增加额外的换热器，以帮助二氧化碳更有效地释放热量。其中一种特定的设计通过增加第二个与主系统并联工作的风冷单元，被证明是最有效的。这种设置使得系统即使在零下五摄氏度时也能超越标准基准，提供的加热效率提高了近百分之六。然而，这种改进是有代价的：增加的硬件使系统的总重量增加了百分之二十五。团队必须权衡这种额外的质量与节省的能量，结论是对于追求最大化电池续航里程的电力渡轮而言，这种权衡是值得的。
管理这些系统需要一套复杂的控制策略，因为二氧化碳的行为会随着温度的变化而剧烈改变。研究人员开发了一种控制系统，利用四个独立的回路来实时监测并调节压缩机转速、阀门开度和风扇速度。这种去中心化的方法使系统能够快速响应天气变化，而无需复杂的、沉重的计算能力。在模拟中，该系统能够平稳应对突发的温度变化，在保持稳定运行的同时，不会出现危险的压力峰值或低效的循环。控制逻辑成功地让系统沿着最高效的路径运行，证明了相对简单的控制方法可以处理二氧化碳热泵复杂的物理特性。
最终分析综合考量了不同设计的能量收益与物理重量。虽然效率最高的布局增加了显著重量，但研究人员认定，在渡轮的整个生命周期内所节省的能量很可能会抵消最初的重量惩罚。研究证实，设计良好的二氧化碳热泵是电力渡轮的一种可行且环保的解决方案，能够同时处理冬季取暖和夏季制冷的需求。通过使用天然制冷剂并优化系统布局，这些船只可以在不牺牲电力续航里程的前提下维持乘客的舒适度。这项工作强调了，尽管没有单一方案能完美适用于所有温度，但一个灵活且经过优化的系统可以为清洁海上运输的未来提供一条可靠的路径。
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