最適な効率を実現する水対水CO2ヒートポンプ制御

中国の東莞科技大学が率いる科学者らは、二酸化炭素を冷媒として使用する水冷式ヒートポンプを制御するための新しい方法を提案しました。モデルベースの最適制御 (MC) と標準制御 (TC) のメカニズムが仮想ヒートポンプでテストされ、COE が 14.6% 向上しました。

出典: サイエンスダイレクト計算負荷を軽減することを目的とした、水から水への CO2 ヒートポンプの効果的な MC 最適化戦略はありません。したがって、この研究では、最適な変数を特定することで、水から水への CO2 ヒートポンプの COP を向上させる MC を開発することを目的としています。「システム モデルは、仮想 CO₂ ヒートポンプからの広範なデータを使用して導出され、その信頼性は、さらなるシミュレーションの前に検証されました。」

水対水 CO2 ヒートポンプは、蒸発器 (ET)、液体レシーバー (LR)、内部熱交換器 (IHX)、コンプレッサー (CM)、ガスクーラー (GC)、膨張弁 (EX)、および 2 つの再循環ポンプ (pm) で構成されています。TC は、固定設定値とシンプルな制御ループを使用して、システム全体の最適化に関係なく特定のパラメータを調整します。

より洗練された MC を開発するために、チームは MATLAB と REFPROP で仮想 CO2 ヒートポンプを構築しました。3969 のケースを使用してシステムをモデル化し、ヒートポンプが動作条件の変化にどのように反応するかを説明しました。システムを検証するための実験セットアップが設計され、ガス クーラー出口温度の平均誤差は 4.4%、コンプレッサー電力の平均誤差は 7.4% でした。

科学者たちはシステムコンポーネントの熱力学的挙動を分析し、最適な排出圧力とガス冷却器出口水温設定値を決定して COE を最大化する最適化アルゴリズムを開発しました。科学者たちは MC モデルと TC モデルを使用して 3 つのケーススタディでシステムをテストしました。

最初のケーススタディでは、研究者は蒸発器混合物の入口温度を 18°C に固定し、ガスクーラーの入口水温を 29°C から 35°C の間でランダムに設定し、ガスクーラーの目標出口温度を 40°C から 48°C の間で変化させました。MC の COP は TC より 9.9% 高く、平均 COP は TC の 2.265 に対して 2.49 でした。

2 番目のケース スタディでは、ガス クーラー入口水温は 32°C に固定され、蒸発器混合物入口温度は 17°C ～ 19°C で、ガス クーラーの目標出口温度は 40°C ～ 48°C の間でランダムに変化しました。MC の平均 COP は 2.482 で、平均 COP 2.3 の TC よりも 8% 優れていました。

最後のケーススタディでは、蒸発器混合物の入口温度が 17°C ～ 19°C、ガスクーラーの入口水温度が 29°C ～ 35°C、ガスクーラーの出口水温度が 40°C ～ 48°C で、MC の効率は 14.6% 向上し、平均 COP は TC の 2.145 に対して 2.458 でした。

「MC 最適化戦略によるシステム計算時間は、従来の最適化戦略と比較して 42.2% ～ 47.1% 短縮されました」と研究チームは述べています。「これらの結果は、定式化された MC が水から水への CO2 ヒートポンプのエネルギー効率を効果的に向上できることを示しています。開発された多重最適化戦略は、計算労力を効果的に削減し、平均 COP をわずかに低下させます。したがって、この研究は、水から水への CO2 ヒートポンプに MC を実装するためのガイダンスを提供し、COP の向上に役立ちます。」

彼らはその結果を「家庭用給湯用水-水CO2ヒートポンプの最適制御手法の研究」というタイトルの論文が、最近「Case Studies in Thermal Engineering」誌に掲載されました。この研究は、中国の東莞理工大学、広東理工大学、ノルウェーのノルウェー科学技術大学の科学者が共同で実施しました。