Contrôle de la pompe à chaleur CO2 eau-eau pour une efficacité optimale

Des scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Dongguan, en Chine, ont proposé une nouvelle méthode de contrôle d'une pompe à chaleur eau-eau utilisant le dioxyde de carbone comme réfrigérant. Les mécanismes de contrôle optimal (CM) et de contrôle typique (CT) basés sur un modèle ont été testés sur une pompe à chaleur virtuelle et ont amélioré le COE de 14,6 %.

Source : ScienceDirectIl n'existe pas de stratégie d'optimisation efficace du coefficient de performance (CM) pour les pompes à chaleur eau-eau au CO₂ visant à réduire la charge de calcul. Par conséquent, cette étude vise à développer un CM pour améliorer le COP d'une pompe à chaleur eau-eau au CO₂ en identifiant les variables optimales. « Le modèle du système a été dérivé à partir de données complètes provenant de la pompe à chaleur CO₂ virtuelle, et sa fiabilité a été vérifiée avant de nouvelles simulations. »

La pompe à chaleur CO2 eau-eau se compose d'un évaporateur (ET), d'un récepteur de liquide (LR), d'un échangeur de chaleur interne (IHX), d'un compresseur (CM), d'un refroidisseur de gaz (GC), d'un détendeur (EX) et de deux pompes de recirculation (pm). Le TC utilise des points de consigne fixes et une boucle de contrôle simple pour réguler des paramètres spécifiques sans tenir compte de l'optimisation à l'échelle du système.

Pour développer un modèle de contrôle de phase plus précis, l'équipe a construit une pompe à chaleur virtuelle au CO2 dans MATLAB et REFPROP. 3 969 cas ont été utilisés pour modéliser le système et décrire la réaction de la pompe à chaleur aux variations des conditions de fonctionnement. Un dispositif expérimental a été conçu pour valider le système, qui a montré une erreur moyenne de 4,4 % pour la température de sortie du refroidisseur de gaz et de 7,4 % pour la puissance du compresseur.

Les scientifiques ont analysé le comportement thermodynamique des composants du système et ont développé un algorithme d'optimisation pour maximiser le COE en déterminant les points de consigne optimaux de pression de refoulement et de température de sortie de l'eau du refroidisseur de gaz. Ils ont testé le système dans trois études de cas avec des modèles MC et TC.

Dans la première étude de cas, les chercheurs ont fixé la température d'entrée du mélange de l'évaporateur à 18 °C, ont randomisé la température d'entrée de l'eau du refroidisseur de gaz entre 29 °C et 35 °C et ont fait varier la température cible de sortie du refroidisseur de gaz entre 40 °C et 48 °C. Le COP du MC était supérieur de 9,9 % à celui du TC, avec un COP moyen de 2,49 contre 2,265 pour le TC.

Dans la deuxième étude de cas, la température d'entrée de l'eau du refroidisseur de gaz était fixée à 32 °C, celle du mélange d'entrée de l'évaporateur était comprise entre 17 °C et 19 °C, et la température cible de sortie du refroidisseur de gaz variait aléatoirement entre 40 °C et 48 °C. Le COP moyen du MC était de 2,482, soit 8 % de mieux que celui du TC, dont le COP moyen était de 2,3.

Dans l'étude de cas finale, où la température d'entrée du mélange de l'évaporateur était de 17°C à 19°C, la température de l'eau d'entrée du refroidisseur de gaz était de 29°C à 35°C et la température de l'eau de sortie du refroidisseur de gaz était de 40°C à 48°C, l'efficacité du MC a été améliorée de 14,6 %, avec un COP moyen de 2,458, contre 2,145 pour le TC.

« Le temps de calcul du système avec la stratégie d'optimisation MC a été réduit de 42,2 % à 47,1 % par rapport à la stratégie d'optimisation conventionnelle », a déclaré l'équipe. « Ces résultats indiquent que la MC formulée peut améliorer efficacement l'efficacité énergétique des pompes à chaleur eau-eau au CO2. La stratégie d'optimisation multiplexée développée réduit efficacement l'effort de calcul et diminue légèrement le COP moyen. Par conséquent, cette étude fournit des orientations pour la mise en œuvre de la MC dans les pompes à chaleur eau-eau au CO2, ce qui contribue à améliorer le COP. »

Ils ont présenté leurs résultats dans « Une étude des approches de contrôle optimal de la pompe à chaleur eau-eau au CO2 pour l'utilisation de l'eau chaude sanitaire», récemment publié dans Case Studies in Thermal Engineering. Des scientifiques de l'Université de technologie de Dongguan (Chine), de l'Université de technologie du Guangdong et de l'Université norvégienne des sciences et technologies (Norvège) ont mené cette recherche conjointement.