Управление тепловым насосом CO2 «вода-вода» для оптимальной эффективности

Ученые под руководством Дунгуаньского университета науки и технологий, Китай, предложили новый метод управления тепловым насосом типа «вода-вода», который использует углекислый газ в качестве хладагента. Механизмы оптимального управления (MC) и типичного управления (TC) на основе модели были протестированы на виртуальном тепловом насосе и улучшили COE на 14,6%.

Источник: ScienceDirectНе существует эффективной стратегии оптимизации MC для тепловых насосов CO2 типа «вода-вода», направленной на снижение вычислительной нагрузки. Поэтому данное исследование направлено на разработку MC для улучшения COP теплового насоса CO2 типа «вода-вода» путем определения оптимальных переменных.“”Системная модель была получена с использованием обширных данных виртуального теплового насоса CO₂, и ее надежность была проверена перед дальнейшим моделированием.””

Тепловой насос вода-вода CO2 состоит из испарителя (ET), ресивера жидкости (LR), внутреннего теплообменника (IHX), компрессора (CM), газоохладителя (GC), расширительного клапана (EX) и двух рециркуляционных насосов (pm). TC использует фиксированные уставки и простой контур управления для регулирования определенных параметров без учета общесистемной оптимизации.

Чтобы разработать более совершенный MC, команда сконструировала виртуальный тепловой насос CO2 в MATLAB и REFPROP. Для моделирования системы и описания того, как тепловой насос реагирует на изменения в условиях эксплуатации, было использовано 3969 случаев. Для проверки системы была разработана экспериментальная установка, которая показала среднюю погрешность 4,4% для температуры на выходе из охладителя газа и 7,4% для мощности компрессора.

Ученые проанализировали термодинамическое поведение компонентов системы и разработали алгоритм оптимизации для максимизации COE путем определения оптимальных уставок давления нагнетания и температуры воды на выходе газоохладителя. Они протестировали систему в трех тематических исследованиях с использованием моделей MC и TC.

В первом исследовании исследователи зафиксировали температуру на входе смеси испарителя на уровне 18°C, рандомизировали температуру воды на входе газоохладителя в диапазоне от 29°C до 35°C и варьировали целевую температуру на выходе газоохладителя в диапазоне от 40°C до 48°C. КПД MC был на 9,9% выше, чем у TC, со средним КПД 2,49 по сравнению с 2,265 для TC.

Во втором случае температура воды на входе в газоохладитель была зафиксирована на уровне 32°C, температура смеси на входе в испаритель составляла от 17°C до 19°C, а целевая температура на выходе из газоохладителя случайным образом варьировалась от 40°C до 48°C. Средний КПД MC составил 2,482, что на 8% лучше, чем у TC со средним КПД 2,3.

В последнем примере, где температура смеси на входе испарителя составляла от 17°C до 19°C, температура воды на входе газоохладителя составляла от 29°C до 35°C, а температура воды на выходе газоохладителя составляла от 40°C до 48°C, эффективность MC была улучшена на 14,6%, при этом средний КПД составил 2,458 по сравнению с 2,145 для TC.

«Время вычислений системы со стратегией оптимизации MC сократилось на 42,2% до 47,1% по сравнению с обычной стратегией оптимизации», — заявила команда. «Эти результаты показывают, что сформулированная MC может эффективно повысить энергоэффективность тепловых насосов CO2 типа «вода-вода». Разработанная стратегия мультиплексной оптимизации эффективно снижает вычислительные затраты и немного снижает средний КПД. Таким образом, это исследование дает рекомендации по внедрению MC в тепловые насосы CO2 типа «вода-вода», что помогает улучшить КПД».

Они представили свои результаты в «Исследование оптимальных подходов к управлению тепловым насосом CO2 «вода-вода» для бытового горячего водоснабжения», которая недавно была опубликована в журнале Case Studies in Thermal Engineering. Ученые из Дунгуаньского технологического университета (Китай), Гуандунского технологического университета (Гуандун) и Норвежского университета науки и технологий (Норвегия) совместно провели исследование.