Wasser-Wasser-CO2-Wärmepumpensteuerung für optimale Effizienz

Wissenschaftler der Dongguan University of Science and Technology, China, haben eine neue Methode zur Steuerung einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Kohlendioxid als Kältemittel vorgeschlagen. Die modellbasierten Optimal- und Typischen Regelungsmechanismen (MC) wurden an einer virtuellen Wärmepumpe getestet und verbesserten den Wirkungsgrad um 14,6 %.

Quelle: ScienceDirectEs gibt keine effektive MC-Optimierungsstrategie für Wasser-Wasser-CO₂-Wärmepumpen, die den Rechenaufwand reduzieren soll. Ziel dieser Studie ist es daher, einen MC zu entwickeln, der den COP einer Wasser-Wasser-CO₂-Wärmepumpe durch Identifizierung der optimalen Variablen verbessert. „Das Systemmodell wurde anhand umfangreicher Daten der virtuellen CO₂-Wärmepumpe abgeleitet und seine Zuverlässigkeit vor weiteren Simulationen überprüft.“

Die Wasser-Wasser-CO2-Wärmepumpe besteht aus einem Verdampfer (ET), einem Flüssigkeitssammler (LR), einem internen Wärmetauscher (IHX), einem Kompressor (CM), einem Gaskühler (GC), einem Expansionsventil (EX) und zwei Umwälzpumpen (pm). Der TC verwendet feste Sollwerte und einen einfachen Regelkreis, um bestimmte Parameter ohne Rücksicht auf eine systemweite Optimierung zu regulieren.

Um ein verbessertes Wärmemanagement zu entwickeln, konstruierte das Team eine virtuelle CO2-Wärmepumpe in MATLAB und REFPROP. 3969 Fälle wurden verwendet, um das System zu modellieren und zu beschreiben, wie die Wärmepumpe auf veränderte Betriebsbedingungen reagiert. Zur Validierung des Systems wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der einen durchschnittlichen Fehler von 4,4 % bei der Gaskühleraustrittstemperatur und 7,4 % bei der Kompressorleistung zeigte.

Die Wissenschaftler analysierten das thermodynamische Verhalten der Systemkomponenten und entwickelten einen Optimierungsalgorithmus zur Maximierung des COE durch Ermittlung des optimalen Auslassdrucks und der Sollwerte für die Wassertemperatur am Gaskühlerauslass. Sie testeten das System in drei Fallstudien mit MC- und TC-Modellen.

In der ersten Fallstudie legten die Forscher die Eintrittstemperatur des Verdampfergemischs auf 18 °C fest, variierten die Wassereintrittstemperatur des Gaskühlers randomisiert zwischen 29 °C und 35 °C und die Zielaustrittstemperatur des Gaskühlers zwischen 40 °C und 48 °C. Der COP des MC war 9,9 % höher als der des TC, mit einem durchschnittlichen COP von 2,49 gegenüber 2,265 beim TC.

In der zweiten Fallstudie wurde die Wassereintrittstemperatur des Gaskühlers auf 32 °C festgelegt, die Eintrittstemperatur des Verdampfergemischs betrug 17 °C bis 19 °C, und die Zielaustrittstemperatur des Gaskühlers wurde zufällig zwischen 40 °C und 48 °C variiert. Der mittlere COP von MC lag bei 2,482 und war damit 8 % besser als der von TC mit einem mittleren COP von 2,3.

In der letzten Fallstudie, in der die Eingangstemperatur des Verdampfergemischs 17 °C bis 19 °C, die Eingangswassertemperatur des Gaskühlers 29 °C bis 35 °C und die Ausgangswassertemperatur des Gaskühlers 40 °C bis 48 °C betrug, wurde die Effizienz des MC um 14,6 % verbessert, mit einem durchschnittlichen COP von 2,458 im Vergleich zu 2,145 für den TC.

„Die Systemberechnungszeit mit der MC-Optimierungsstrategie konnte im Vergleich zur konventionellen Optimierungsstrategie um 42,2 % bis 47,1 % reduziert werden“, so das Team. „Diese Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte MC die Energieeffizienz von Wasser-Wasser-CO2-Wärmepumpen effektiv verbessern kann. Die entwickelte Multiplex-Optimierungsstrategie reduziert den Rechenaufwand effektiv und senkt den durchschnittlichen COP leicht. Daher liefert diese Studie Hinweise zur Implementierung von MC in Wasser-Wasser-CO2-Wärmepumpen, was zur Verbesserung des COP beiträgt.“

Sie präsentierten ihre Ergebnisse in „Eine Studie zu optimalen Steuerungsansätzen für Wasser-Wasser-CO2-Wärmepumpen zur Warmwassernutzung in Wohngebäuden“, die kürzlich in Case Studies in Thermal Engineering veröffentlicht wurde. Wissenschaftler der Dongguan University of Technology in China, der Guangdong University of Technology und der Norwegian University of Science and Technology in Norwegen führten die Forschung gemeinsam durch.