Kiểm soát máy bơm nhiệt CO2 nước-nước để có hệ số hiệu suất tối ưu
Các nhà khoa học đã thiết kế một phương pháp kiểm soát mới cho máy bơm nhiệt nước-nước sử dụng carbon dioxide. Họ dựa vào máy bơm nhiệt ảo cho các thử nghiệm của mình. Hệ số hiệu suất (COE) được cải thiện tới 14,6%.
Ngày 2 tháng 1 năm 2025
Kiểm soát điển hình (a) và kiểm soát tối ưu dựa trên mô hình (b)
Ảnh: Đại học Công nghệ Đông Quan, Nghiên cứu tình huống về Kỹ thuật nhiệt, CC BY 4.0
Các nhà khoa học do Đại học Công nghệ Đông Quan của Trung Quốc đứng đầu đã đề xuất một phương pháp kiểm soát mới cho máy bơm nhiệt nước-nước sử dụng carbon dioxide (CO2) làm chất làm lạnh. Kiểm soát tối ưu dựa trên mô hình (MC) đã được thử nghiệm so với cơ chế kiểm soát (TC) thông thường trên máy bơm nhiệt ảo, cải thiện COE tới 14,6%.
“Một chiến lược tối ưu hóa hiệu quả cho MC của máy bơm nhiệt CO2 nước-nước, nhằm mục đích giảm gánh nặng tính toán vẫn chưa được phát triển. Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một MC để cải thiện COP của máy bơm nhiệt CO2 nước-nước bằng cách xác định các biến tối ưu”, nhóm cho biết. “Các mô hình hệ thống được lấy từ dữ liệu mở rộng từ một máy bơm nhiệt CO₂ ảo có độ tin cậy đã được xác thực trước khi tiến hành các mô phỏng tiếp theo”.
Máy bơm nhiệt CO2 nước-nước bao gồm một bộ bay hơi (ET), một bộ thu chất lỏng (LR), một bộ trao đổi nhiệt bên trong (IHX), một máy nén (CM), một bộ làm mát khí (GC), một van giãn nở (EX) và hai máy bơm tuần hoàn (PM). TC sử dụng các điểm đặt cố định và các vòng điều khiển đơn giản để điều chỉnh các thông số cụ thể mà không cần xem xét đến quá trình tối ưu hóa toàn hệ thống.
Để phát triển MC tinh vi hơn, nhóm đã xây dựng một máy bơm nhiệt CO2 ảo trong MATLAB và REFPROP. 3.969 trường hợp đã được vận hành để xác định các mô hình hệ thống, mô tả cách máy bơm nhiệt phản ứng với những thay đổi trong điều kiện vận hành. Một thiết lập thử nghiệm đã được thiết kế để xác thực hệ thống, cho thấy lỗi trung bình là 4,4% đối với nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát khí và 7,4% đối với công suất máy nén.
Các nhà khoa học đã phân tích hành vi nhiệt động lực học của các thành phần hệ thống và phát triển một thuật toán tối ưu hóa để tối đa hóa COE bằng cách xác định áp suất xả tối ưu và điểm đặt nhiệt độ nước đầu ra của bộ làm mát khí. Họ đã thử nghiệm hệ thống trong ba nghiên cứu trường hợp cho cả mô hình MC và TC.
COE cho trường hợp 3
Ảnh: Đại học Công nghệ Đông Quan, Nghiên cứu trường hợp về Kỹ thuật nhiệt, CC BY 4.0
Trong nghiên cứu trường hợp đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã cố định nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp bay hơi ở mức 18 độ C và đặt ngẫu nhiên nhiệt độ nước đầu vào của bộ làm mát khí trong khoảng từ 29 độ C đến 35 độ C. Nhiệt độ đầu ra mục tiêu tại bộ làm mát khí thay đổi trong khoảng từ 40 độ C đến 48 độ C. MC đạt được COP cao hơn 9,9% so với TC, với COP trung bình là 2,49 so với 2,265 của TC.
Trong nghiên cứu trường hợp thứ hai, nhiệt độ nước đầu vào của bộ làm mát khí được cố định ở mức 32 độ C, trong khi nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp bay hơi dao động từ 17 độ C đến 19 độ C. Nhiệt độ đầu ra mục tiêu tại bộ làm mát khí thay đổi ngẫu nhiên trong khoảng từ 40 độ C đến 48 độ C. MC vượt trội hơn TC 8%, với COP trung bình là 2,482 so với 2,3 của TC.
Trong nghiên cứu trường hợp cuối cùng, nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp bay hơi dao động từ 17 độ C đến 19 độ C, nhiệt độ nước đầu vào của bộ làm mát khí thay đổi trong khoảng từ 29 độ C đến 35 độ C và nhiệt độ nước đầu ra tại bộ làm mát khí dao động từ 40 độ C đến 48 độ C. MC đạt hiệu suất cao hơn 14,6%, với COP trung bình là 2,458 so với 2,145 của TC.
“Thời gian tính toán của hệ thống với chiến lược tối ưu hóa ghép kênh đã giảm 42,2% xuống còn 47,1% so với chiến lược tối ưu hóa truyền thống”, nhóm nghiên cứu cho biết. “Những kết quả này chỉ ra rằng MC được xây dựng có thể nâng cao hiệu quả hiệu suất năng lượng của máy bơm nhiệt CO2 nước-nước. Chiến lược tối ưu hóa ghép kênh được phát triển đã giảm gánh nặng tính toán một cách hiệu quả và giảm nhẹ COP trung bình. Do đó, nghiên cứu này đã cung cấp hướng dẫn để triển khai MC trong máy bơm nhiệt CO2 nước-nước, góp phần nâng cao COP”.
Họ đã trình bày kết quả của mình trong “Nghiên cứu về các phương pháp kiểm soát tối ưu của máy bơm nhiệt CO2 nước-nước để sử dụng nước nóng trong nước”, gần đây đã được công bố trên Tạp chí Nghiên cứu tình huống về Kỹ thuật nhiệt. Các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Đông Quan của Trung Quốc, Đại học Công nghệ Quảng Đông và Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy của Na Uy đã cùng tiến hành nghiên cứu.
