Energieoptimierte Regelung von CO2-Kompressionskältekreisläufen

Nöding, Michael

doi:10.24355/dbbs.084-202002131213-0

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Energieoptimierte Regelung von CO2-Kompressionskältekreisläufen

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In dieser Arbeit wird die Regelung von CO2-Kompressionskältekreisläufen verbessert. Der Schwerpunkt liegt auf der Wahl des Hochdrucks und der Drehzahl der Ventilatoren vom Gaskühler. Es werden drei Ziele verfolgt. Alle Methoden sind einheitlich anwendbar auf den sub- und transkritischen Betrieb und auf Systeme mit Expansionsventil oder Ejektor als zentrales Expansionsorgan.

Das erste Ziel ist eine energieoptimierende Betriebsweise für Kältemaschinen. Hierzu werden physikalische Gleichungen für die partiellen Ableitungen des Kälte-COP nach dem Hochdruck und der Ventilatordrehzahl hergeleitet. Gemäß der neuartigen Null-Gradientenregelung werden die Ableitungen während des Betriebs ausgewertet und als Istwerte von dezentralen Reglern verwendet. Diese regeln die Ableitungen mit Hilfe der Querschnittsfläche des Expansionsorgans und der Ventilatordrehzahl zu null, sodass der Kälte-COP maximal wird. Simulationsstudien zeigen Energieeinsparungen von bis zu 22% und einen vorteilhaften Umgang mit fehlerhaften Messsignalen. Messungen bestätigten, dass das Energieoptimum annähernd erreicht wird und bei Gaskühlerverschmutzungen Energieeinsparungen von 10% realistisch sind.

Das zweite Ziel ist eine energieoptimierende Betriebsweise für den Fall einer zusätzlichen Wärmeauskopplung. Ein energieoptimierter Betrieb wird durch Wechsel zwischen zwei Betriebsmodi erreicht. Im Aufheizmodus wird ein zusätzlicher Schichtenspeicher mit einem maximalen COP der zusätzlichen Wärme be-, und im Kühlmodus mit einem maximalen Kälte-COP entladen. Mit Lösungen von Optimalsteuerungsproblemen wird eine zyklische Betriebsweise auf Basis der Null-Gradientenregelung entwickelt. Die Betriebsmodiwechsel erfolgen in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur des zu Heizzwecken verwendeten Wassers. Die simulativ nachgewiesenen Energieeinsparungen betragen bis zu 17%. Der zu Heizzwecken benötigte Energieverbrauch wird um bis zu 45% reduziert.

Das dritte Ziel ist eine energieoptimierende und an das jeweilige System und den Betriebspunkt angepasste Entkopplungsregelung. Das Eingangs-Ausgangsverhaltens wird mit Ersatzmodellen abgebildet. Deren Parameter werden während des Betriebs identifiziert. Eine Umrechnungsvorschrift ermöglicht die Parameteranpassung an die Umgebungstemperatur. Mit quantitativen Formeln werden geeignete Ansätze zum Entwurf von Entkopplungsreglern ausgewählt. Die Verbesserung der Regelgüte wird simulativ und experimentell nachgewiesen, die Energieeinsparungen betragen bis zu 20%.

The subject of this thesis is the improvement of the energy efficiency of CO2-refrigeration cycles with the help of new control algorithms. The focus lies on the heat rejection pressure as well as the rotational speed of the fans in the gascooler. The methods developed can be applied to systems with expansion valves and ejectors during both sub- and transcritical operation.

The first objective is a control strategy to operate cooling units in a nearly energy optimal manner. To achieve this, a new method called Zero Gradient Control is introduced. Algebraic terms are developed for the partial derivatives of the COP with respect to the heat rejection pressure and the speed of the fans. These equations are evaluated online and directly fed to controllers with setpoint zero. The control structure is uniform for both sub- and transcritical operation, can be applied to a wide range of systems and requires no parametrization. Simulation data shows energy savings of up to 22%. Measurements validate the method. With gascooler fouling, the method yields energy savings of about 10% in many applications.

The second objective is an energy-efficient control strategy for cooling and heat recovery purposes. Energy optimal operation requires switching between Heating and Cooling Mode. In Heating Mode, an additional thermal storage is charged with the system operating at maximum value of the COP of additional heat. In Cooling Mode, the storage tank is discharged with the system operating at maximum value of the cooling COP. Solutions of Optimal Control Problems allow developing a rule-based cyclic operation strategy based on Zero Gradient Control. Simulation data validates the method and shows energy savings of up to 17% The power consumption required only for heating purposes is reduced by up to 45%.

The third objective is a design process for a decoupling control, which can be adjusted to every individual system and the current operating point. The relevant input-output behavior of the system is represented with simplified models, which parameters are once identified during system operation. A new rule transforms the parameter values to fit the current operating point. New quantitative criteria simplify the choice of reasonable methods for the design of decoupling control. The improvement of control performance is evaluated both with simulation and measurement data. In comparison to simple and poorly designed PI-controllers, energy savings of up to 20% can be achieved.