Controllo della pompa di calore CO2 acqua-acqua per un'efficienza ottimale

Gli scienziati guidati dalla Dongguan University of Science and Technology, Cina, hanno proposto un nuovo metodo per controllare una pompa di calore acqua-acqua che utilizza l'anidride carbonica come refrigerante. I meccanismi di controllo ottimale (MC) e di controllo tipico (TC) basati su modello sono stati testati su una pompa di calore virtuale e hanno migliorato il COE del 14,6%.

Fonte da: ScienzaDirettaNon esiste una strategia di ottimizzazione MC efficace per le pompe di calore CO2 acqua-acqua volta a ridurre l'onere computazionale. Pertanto, questo studio mira a sviluppare un MC per migliorare il COP di una pompa di calore CO2 acqua-acqua identificando le variabili ottimali. ""Il modello di sistema è stato derivato utilizzando dati estesi dalla pompa di calore CO₂ virtuale e la sua affidabilità è stata verificata prima di ulteriori simulazioni.""

La pompa di calore CO2 acqua-acqua è composta da un evaporatore (ET), un ricevitore di liquido (LR), uno scambiatore di calore interno (IHX), un compressore (CM), un raffreddatore di gas (GC), una valvola di espansione (EX) e due pompe di ricircolo (pm). La TC utilizza setpoint fissi e un semplice circuito di controllo per regolare parametri specifici senza tenere conto dell'ottimizzazione dell'intero sistema.

Per sviluppare un MC più raffinato, il team ha costruito una pompa di calore CO2 virtuale in MATLAB e REFPROP. Sono stati utilizzati 3969 casi per modellare il sistema e descrivere come la pompa di calore risponde ai cambiamenti nelle condizioni operative. È stata progettata una configurazione sperimentale per convalidare il sistema, che ha mostrato un errore medio del 4,4% per la temperatura di uscita del raffreddatore di gas e del 7,4% per la potenza del compressore.

Gli scienziati hanno analizzato il comportamento termodinamico dei componenti del sistema e hanno sviluppato un algoritmo di ottimizzazione per massimizzare il COE determinando i punti di regolazione ottimali della pressione di scarico e della temperatura dell'acqua in uscita dal raffreddatore di gas. Hanno testato il sistema in tre casi di studio con modelli MC e TC.

Nel primo studio di caso, i ricercatori hanno fissato la temperatura di ingresso della miscela dell'evaporatore a 18°C, randomizzato la temperatura dell'acqua di ingresso del raffreddatore di gas tra 29°C e 35°C e variato la temperatura di uscita target del raffreddatore di gas tra 40°C e 48°C. Il COP del MC era superiore del 9,9% rispetto a quello del TC, con un COP medio di 2,49 rispetto a 2,265 per il TC.

Nel secondo studio di caso, la temperatura dell'acqua in ingresso al raffreddatore di gas è stata fissata a 32°C, la temperatura in ingresso della miscela dell'evaporatore era compresa tra 17°C e 19°C e la temperatura di uscita target del raffreddatore di gas è stata variata casualmente tra 40°C e 48°C. Il COP medio di MC era 2,482, che era l'8% migliore di quello di TC con un COP medio di 2,3.

Nell'ultimo caso di studio, in cui la temperatura di ingresso della miscela dell'evaporatore era compresa tra 17°C e 19°C, la temperatura dell'acqua in ingresso del raffreddatore di gas era compresa tra 29°C e 35°C e la temperatura dell'acqua in uscita del raffreddatore di gas era compresa tra 40°C e 48°C, l'efficienza del MC è stata migliorata del 14,6%, con un COP medio di 2,458, rispetto a 2,145 per il TC.

"Il tempo di calcolo del sistema con la strategia di ottimizzazione MC è stato ridotto dal 42,2% al 47,1% rispetto alla strategia di ottimizzazione convenzionale", ha affermato il team. "Questi risultati indicano che la MC formulata può migliorare efficacemente l'efficienza energetica delle pompe di calore CO2 acqua-acqua. La strategia di ottimizzazione multiplex sviluppata riduce efficacemente lo sforzo computazionale e diminuisce leggermente il COP medio. Pertanto, questo studio fornisce una guida per l'implementazione della MC nelle pompe di calore CO2 acqua-acqua, il che aiuta a migliorare il COP".

Hanno presentato i loro risultati in “Uno studio di approcci di controllo ottimali della pompa di calore CO2 acqua-acqua per l'uso di acqua calda sanitaria,” che è stato recentemente pubblicato in Case Studies in Thermal Engineering. Scienziati della Dongguan University of Technology cinese, della Guangdong University of Technology e della Norwegian University of Science and Technology norvegese hanno condotto congiuntamente la ricerca.