Pokročilé řízení tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla patří mezi technologie, které významně zvyšují ekologickou šetrnost a efektivitu energetického využívání paliv. Účinnost tepelného čerpadla popisuje parametr COP (Coefficient of Performance), poměr mezi elektrickým příkonem a topným výkonem. Hodnota COP = 3 tedy znamená, že tepelné čerpadlo poskytuje třikrát vyšší topný výkon než přímé využití elektrické energie pro vytápění např. přímotopy.

Výtah z článku, který vyšel v časopise Energie 21 č. 4/2019 .

Ačkoli tepelná čerpadla výrazně snižují spotřebu elektřiny a množství škodlivých emisí, koncové uživatele stále odrazuje jejich cena a dlouhá návratnost investice. Výrobci moderních tepelných čerpadel se proto zaměřují na další zvyšování jejich účinnosti, které se přímo odrážejí v ceně tepla pro konečné uživatele a v návratnosti jejich investice.

Klasická tepelná čerpadla byla řízena pouze v režimu zapnuto/vypnuto a parametry tepelného cyklu (teploty a tlaky pracovního media) byly pevně dány pracovními podmínkami a stavem zařízení. Moderní tepelná čerpadla uváděná na trh v posledních letech využívají k dosažení větší účinnosti složitější pracovní cykly (např. EVI kompresor) a řídicí prvky se spojitou modulací – otáčky kompresorů, čerpadel a ventilátorů jsou spojitě řiditelné, poloha expanzních ventilů je řízena krokovým motorem. To umožňuje optimalizovat parametry tepelného cyklu na základě okamžitých provozních podmínek a stavu zařízení, např. namrzání výparníku. Většina řídicích systémů však tuto možnost optimalizace neumí plně využít a je stále založena na nezávislých jednozrozměrových smyčkách s jedním vstupem a výstupem.

Pražská laboratoř společnosti Honeywell, zaměřená na disruptivní inovace, proto ve spolupráci s Ústavem energetiky ČVUT vyvinula algoritmus pokročilého řízení a optimalizace pracovního režimu, který plně využívá možnosti moderních tepelných čerpadel. Projekt byl podpořen programem Alfa Technologické agentury ČR, která do vývoje nové technologie investovala téměř 13,5 milionu korun.

Vestavěný model tepelného čerpadla – jeho „digital twin“ – navíc umožňuje odhadovat tzv. inferenčními senzory další důležité parametry tepelného čerpadla, např. stupeň namrzání výparníku, které nejsou přímo měřitelné, a průběžně optimalizovat na základě změn koeficientu přestupu tepla pracovní cyklus nebo plánovat ekonomicky optimální odtávání výparníku.

Metoda prediktivního řízení a optimalizace je založena na modelech jednotlivých částí zařízení. Pomocí inženýrských nástrojů, které jsou součástí tohoto řešení, se z knihovny komponent zkonstruuje topologie pracovního cyklu. Poté se na základě technické dokumentace komponent a měřených dat provede kalibrace modelů jednotlivých komponent a zvolí používané chladivo. Inženýrský nástroj poté umožňuje simulační ověření výsledků řízení a optimalizace a po splnění všech požadavků na kvalitu řízení vygeneruje kód pro funkce inferenčních senzorů, řízení a optimalizace pro cílový mikrokontroler.

V laboratorních testech několika komerčně dostupných tepelných čerpadel typu vzduch-voda nebo vzduch-vzduch bylo prokázáno, že mnoharozměrové řízení spolu s optimalizací pracovního bodu na základě aktuální potřeby tepla, stavu zařízení i vnějších podmínek umožňuje zvýšení koeficientu COP o 15–20 %.

Po ukončení testů v laboratoři tepelných čerpadel společnosti Honeywell byly navržené algoritmy řízení a optimalizace testovány u zákazníků ve spolupráci s předním českým výrobcem tepelných čerpadel ACOND.

Řešení, které umožní výrobcům tepelných čerpadel plně využít technologické možnosti zařízení a poskytne uživatelům nových tepelných čerpadel finanční úspory i prodloužení životnosti, je významným příspěvkem k dalšímu rozšíření ekologického vytápění tepelnými čerpadly.

Vladimír Havlena

Obrázky:

Moderní tepelná čerpadla představují složitý mnoharozměrový systém se silnými interakcemi mezi řízenými veličinami.

Pražská laboratoř firmy Honeywell implementovala komplexní hierarchii řízení složitých technologických procesů ve vestavěné aplikaci pro 32-bitový mikrokontroler.

Použití tří modulovaných komponent umožňuje jeden stupeň volnosti pro průběžnou optimalizaci pracovního bodu tepelného čerpadla.

Mnoharozměrné řízení umožňuje kvalitní kompenzaci interakcí a potlačení poruch.

Inženýrské nástroje umožňují sestavení a kalibraci modelu tepelného čerpadla a automatické generování kódu pro inferenční senzor, řízení a optimalizaci.

Mnoharozměrové řízení s infernčním senzorem stavu namrzání výparníku umožňuje lepší kvalitu řízení přehřátí na vstupu kompresoru.