Científicos de la Universidad Tecnológica de Dongguan (China) han propuesto un novedoso método de control para bombas de calor agua-agua que utilizan dióxido de carbono (CO2) como refrigerante. El control óptimo (MC) basado en modelos se probó frente a un mecanismo de control típico (TC) sobre una bomba de calor virtual, mejorando el coeficiente de rendimiento (COE, por sus iniciales en inglés) hasta en un 14,6%.
«Aún no se ha desarrollado una estrategia de optimización eficiente para el control óptimo de una bomba de calor de CO2 agua-agua que permita reducir la carga computacional. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo desarrollar un MC para mejorar el COP de la bomba de calor de CO2 agua-agua mediante la identificación de variables óptimas», dijo el grupo. «Los modelos del sistema se derivaron utilizando datos exhaustivos de una bomba de calor de CO₂ virtual cuya fiabilidad se validó antes de realizar más simulaciones».
La bomba de calor de CO2 agua-agua contenía un evaporador (ET), un receptor de líquido (LR), un intercambiador de calor interno (IHX), un compresor (CM), un enfriador de gas (GC), una válvula de expansión (EX) y dos bombas de circulación (PM). El CT emplea valores de consigna fijos y lazos de control sencillos para regular parámetros específicos sin tener en cuenta la optimización de todo el sistema.
Para desarrollar el MC más refinado, el equipo ha construido una bomba de calor de CO2 virtual en MATLAB y REFPROP. Se operaron 3.969 casos para identificar los modelos del sistema, describiendo cómo responde la bomba de calor a los cambios en las condiciones de funcionamiento. Se diseñó un montaje experimental para validar el sistema, que mostró un error medio del 4,4% para la temperatura de salida del enfriador de gas y del 7,4% para la potencia del compresor.
Los científicos analizaron el comportamiento termodinámico de los componentes del sistema y desarrollaron un algoritmo de optimización para maximizar el COE identificando los valores óptimos de presión de descarga y temperatura del agua de salida del enfriador de gas. Probaron el sistema en tres casos de estudio, tanto para el modelo MC como para el TC.
COE del caso 3
Imagen: Universidad Tecnológica de Dongguan, Case Studies in Thermal Engineering, CC BY 4.0
En el primer estudio de caso, los investigadores fijaron la temperatura de entrada de la mezcla del evaporador en 18 ºC y establecieron aleatoriamente la temperatura del agua de entrada del enfriador de gas entre 29 ºC y 35 ºC. La temperatura de salida objetivo en el enfriador de gas varió entre 40 ºC y 48 ºC. El MC consiguió un COP un 9,9% superior al TC, con un COP medio de 2,49 frente a 2,265 para el TC.
En el segundo estudio de caso, la temperatura del agua de entrada del enfriador de gas se fijó en 32 ºC, mientras que la temperatura de entrada de la mezcla del evaporador osciló entre 17 ºC y 19 ºC. La temperatura de salida objetivo en el enfriador de gas varió aleatoriamente entre 40 ºC y 48 ºC. El MC superó al TC en un 8%, con un COP medio de 2,482 frente a 2,3 para el TC.
En el caso de estudio final, la temperatura de entrada de la mezcla del evaporador osciló entre 17 ºC y 19 ºC, la temperatura del agua de entrada del enfriador de gas varió entre 29 ºC y 35 ºC, y la temperatura del agua de salida del enfriador de gas osciló entre 40 ºC y 48 ºC. El MC consiguió un rendimiento un 14,6% superior, con un COP medio de 2,458 frente al 2,145 del TC.
«El tiempo computacional del sistema con estrategia de optimización multiplexada se redujo entre un 42,2% y un 47,1% en comparación con la estrategia de optimización tradicional», señaló el equipo. «Estos resultados indicaron que el MC formulado podía mejorar eficazmente la eficiencia energética de la bomba de calor de CO2 agua-agua». La estrategia de optimización multiplexada desarrollada redujo eficazmente la carga computacional y disminuyó ligeramente los COP medios. Así, este estudio proporcionó una pauta para la implementación de MC en bombas de calor de CO2 agua-agua, contribuyendo a la mejora de los COP».
Presentaron sus resultados en «A study of optimal control approaches of water-to-water CO2 heat pump for domestic hot water use» (Estudio de enfoques de control óptimo de bombas de calor de CO2 de agua a agua para uso de agua caliente sanitaria), publicado recientemente en Case Studies in Thermal Engineering. Científicos de la Universidad Tecnológica de Dongguan (China), la Universidad Tecnológica de Guangdong y la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología llevaron a cabo conjuntamente la investigación.
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