Optymalizacja pomp ciepła CO2 zwiększy ich wydajność
Pompy ciepła absorbują energię termalną z otoczenia, szczególnie powietrza, ale także ziemi i wody, a następnie wykorzystują ją do ogrzewania lub chłodzenia. Zużywają niewiele energii i nie wymagają korzystania z paliw kopalnych, dzięki czemu są wysoce wydajne i przyjazne dla środowiska. Wykazują się wysoką wydajnością w wielu europejskich klimatach umiarkowanych, dlatego mogą pomóc nam w osiągnięciu zerowej emisji netto(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Pompy ciepła CO2 działają na podobnej zasadzie, ale zamiast chemicznego płynu chłodniczego (takiego jak wodorofluorowęglowodory (HFC)), wykorzystują CO2 w procesie transferu energii. „Są one jeszcze bardziej ekologiczne, ponieważ nie uwalniają CO2 do atmosfery. Ponadto CO2 nie jest toksyczny i ma mniejszy potencjał tworzenia efektu cieplarnianego(odnośnik otworzy się w nowym oknie) niż chemiczne alternatywy”, wyjaśnia Natasa Nord, koordynatorka projektu ROCOCO2HP. Jednak połączone z systemem grzewczym pompy ciepła CO2 są wrażliwe na wysokie temperatury cieczy na wlocie do chłodnicy gazu lub wysokie temperatury cieczy wracającej z systemu grzewczego. Zespół wspieranego przez działania Maria Skłodowska-Curie(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projektu ROCOCO2HP ustalił, że dostosowanie rozmiaru i wydajności chłodnicy gazowej wraz ze zmianami w zaworze rozprężnym pozwoliło rozwiązać problem obniżonej wydajności. Umożliwiło to opracowanie modelu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pomagającego w doborze rozmiaru i właściwości komponentów.
Ostatnie poprawki
Aby dokonać wymiany energii w pompie ciepła CO2, gazowa chłodnica wykorzystuje CO2 o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem do ogrzania wody, która z kolei ogrzewa budynki. W typowej pompie ciepła chłodnica gazowa jest skraplaczem, ale w pompie ciepła CO2 bez kondensacji schłodzony CO2 pod wysokim ciśnieniem i o niższej temperaturze wtłaczany jest do zaworu rozprężnego działającego jak przepustnica. Gdy ciśnienie spada w zaworze rozprężnym, CO2 trafia do parownika i odparowuje w niższym ciśnieniu i niższej temperaturze. Jest on następnie sprężany, aby ponownie stać się ciepłem, co zamyka cykl. W pompach ciepła CO2 temperatura wody wracającej z systemu grzewczego musi być niższa niż 31 °C. Jednak często jest ona wyższa, co wywołuje zbyt wczesne zamykanie się zaworu, które uniemożliwia efektywne odparowanie, ograniczając dopływ ciepła do parownika, a tym samym zmniejszając ilość ciepła użytkowego w chłodnicy gazowej, co ostatecznie skutkuje niskim współczynnikiem wydajności (ang. coefficient of performance, COP). Po zakupie instalacji pompy ciepła CO2 zespół podłączył ją do wirtualnej platformy LabVIEW(odnośnik otworzy się w nowym oknie), za pomocą której monitorował i kontrolował urządzenie. Aby bliżej przyjrzeć się problemowi zbyt wysokiej temperatury wracającej z systemu grzewczego, uczestnicy projektu wykorzystali „pomieszczenie grzewcze” ogrzewane przez różne urządzenia, takie jak grzejniki, które pobierały ciepło z pompy ciepła zasilanej CO2 pobranym z powietrza. „Testy te pokazały, że obecne konfiguracje pomp ciepła CO2 uniemożliwiają osiągnięcie pożądanych poziomów wydajności”, mówi Nord z https://www. ntnu.edu/ (Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii), uczelni będącej gospodarzem projektu. Aby zwiększyć COP, zespół wykorzystał swój model LabVIEW do sprawdzenia różnych parametrów, w tym zmian częściowych obciążeń cieplnych, sterowania sprężarką, ustawień zaworów i ciśnienia tłoczenia. „Ustalilśmy, że wielkość chłodnicy gazowej powinna być większa, aby lepiej chłodzić płyn CO2. Ponadto, ponieważ zawór rozprężny w typowych instalacjach mieszkaniowych jest niewielki, powinien być on wysokiej jakości, aby lepiej kontrolować przepływ CO2”, dodaje Nord.
Prace nad optymalnym systemem kontroli w czasie rzeczywistym
W miarę jak UE odchodzi od paliw kopalnych w kierunku bardziej ekologicznej przyszłości, w której domy będą zużywać niewiele energii, pompy ciepła CO2 będą odgrywały kluczową rolę. „Nasze ustalenia mogą pomóc w opracowywaniu dyrektyw i norm, co doprowadzi do powstania lepszych produktów, usług i ostatecznie tańszej i bardziej ekologicznej energii”, podsumowuje Nord. Ostatecznym celem projektu ROCOCO2HP jest opracowanie wspomaganego przez sztuczną inteligencję systemu optymalnej kontroli pomp ciepła CO2 w czasie rzeczywistym jako części systemu zaopatrzenia budynku w energię.
