Control de bomba de calor de CO2 de agua a agua para una eficiencia óptima

Científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Dongguan, China, han propuesto un nuevo método para controlar una bomba de calor agua-agua que utiliza dióxido de carbono como refrigerante. Los mecanismos de control óptimo (CM) y control típico (CT) basados ​​en modelos se probaron en una bomba de calor virtual y mejoraron el COE en un 14,6 %.

Fuente de: ScienceDirectNo existe una estrategia eficaz de optimización del MC para bombas de calor de CO₂ agua-agua que reduzca la carga computacional. Por lo tanto, este estudio busca desarrollar un MC para mejorar el COP de una bomba de calor de CO₂ agua-agua mediante la identificación de las variables óptimas. El modelo del sistema se derivó utilizando datos exhaustivos de la bomba de calor de CO₂ virtual, y su fiabilidad se verificó antes de realizar simulaciones adicionales.

La bomba de calor de CO2 de agua a agua consta de un evaporador (ET), un receptor de líquido (LR), un intercambiador de calor interno (IHX), un compresor (CM), un enfriador de gas (GC), una válvula de expansión (EX) y dos bombas de recirculación (pm). El TC emplea puntos de ajuste fijos y un bucle de control simple para regular parámetros específicos sin tener en cuenta la optimización de todo el sistema.

Para desarrollar un MC más refinado, el equipo construyó una bomba de calor de CO2 virtual en MATLAB y REFPROP. Se utilizaron 3969 casos para modelar el sistema y describir cómo responde la bomba de calor a los cambios en las condiciones de operación. Se diseñó una configuración experimental para validar el sistema, que mostró un error promedio del 4,4 % para la temperatura de salida del enfriador de gas y del 7,4 % para la potencia del compresor.

Los científicos analizaron el comportamiento termodinámico de los componentes del sistema y desarrollaron un algoritmo de optimización para maximizar el COE determinando los puntos de ajuste óptimos de presión de descarga y temperatura del agua de salida del enfriador de gas. Probaron el sistema en tres estudios de caso con modelos MC y TC.

En el primer caso de estudio, los investigadores fijaron la temperatura de entrada de la mezcla del evaporador en 18 °C, aleatorizaron la temperatura del agua de entrada del enfriador de gas entre 29 °C y 35 °C, y variaron la temperatura de salida objetivo del enfriador de gas entre 40 °C y 48 °C. El COP del MC fue un 9,9 % superior al del TC, con un COP promedio de 2,49 en comparación con 2,265 para el TC.

En el segundo caso de estudio, la temperatura del agua de entrada del enfriador de gas se fijó en 32 °C, la temperatura de entrada de la mezcla del evaporador se mantuvo entre 17 °C y 19 °C, y la temperatura de salida objetivo del enfriador de gas se varió aleatoriamente entre 40 °C y 48 °C. El COP medio del MC fue de 2,482, un 8 % mejor que el del TC, con un COP medio de 2,3.

En el caso de estudio final, donde la temperatura de entrada de la mezcla del evaporador fue de 17 °C a 19 °C, la temperatura del agua de entrada del enfriador de gas fue de 29 °C a 35 °C y la temperatura del agua de salida del enfriador de gas fue de 40 °C a 48 °C, la eficiencia del MC mejoró en un 14,6 %, con un COP promedio de 2,458, en comparación con 2,145 para el TC.

«El tiempo de cálculo del sistema con la estrategia de optimización de MC se redujo entre un 42,2 % y un 47,1 % en comparación con la estrategia de optimización convencional», afirmó el equipo. «Estos resultados indican que el MC formulado puede mejorar eficazmente la eficiencia energética de las bombas de calor de CO2 agua-agua. La estrategia de optimización multiplexada desarrollada reduce eficazmente el esfuerzo computacional y disminuye ligeramente el COP promedio. Por lo tanto, este estudio proporciona una guía para la implementación de MC en bombas de calor de CO2 agua-agua, lo que contribuye a mejorar el COP».

Presentaron sus resultados en “Estudio de enfoques de control óptimo de bombas de calor de CO2 de agua a agua para uso doméstico.", publicado recientemente en Casos de Estudio en Ingeniería Térmica. Científicos de la Universidad Tecnológica de Dongguan (China), la Universidad Tecnológica de Guangdong (Canadá) y la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (Noruega) llevaron a cabo la investigación conjuntamente.