Výzkumníci v Dánsku postavili prototyp magnetokalorického tepelného čerpadla pro účely vytápění v obytných budovách. I když je zapotřebí více práce, aby se systém přiblížil komerční vyspělosti, může údajně dosáhnout 36,9 % zlepšení topného výkonu. A to díky řízení zpětné vazby měření.
Vědci z Technické univerzity v Dánsku postavili prototyp magnetokalorického tepelného čerpadla (MCHP) určeného pro použití v obytných budovách.
„Stále pracujeme na optimalizaci systému a snížení nákladů. Což může posunout skutečnou aplikaci,“ řekl odpovídající autor výzkumu Jierong Liang. ,,Systém je zodpovědný hlavně za relativně nízkoteplotní vytápění. A může tak dobře fungovat s FV, která je zodpovědná za vyšší teplotní úroveň.“
MCHP využívají k ohřevu a chlazení magnetokalorický efekt. Tento efekt spočívá v ochlazování nebo zahřívání magnetických materiálů se změnou externě aplikovaného magnetického pole. Běžně se používá k vývoji vysoce energeticky účinných chladicích nebo topných systémů, které nevyžadují vůbec žádná škodlivá chladiva.
V MCHP se teplota mění změnou magnetického pole. Přičemž tyto kalorické efekty se využívají k přenosu tepelné energie a výrobě topné nebo chladicí energie. Všechny tyto systémy se spoléhají na koncept aktivního magnetického regenerátoru (AMR), kde se teplonosná kapalina aktivně čerpá přes lože magnetokalorického materiálu, aby přenesla tepelnou energii do výměníků tepla na teplé a studené straně.
Prototyp magnetokalorického tepelného čerpadla pro účely vytápění v obytných budovách
Skupina postavila prototyp MCHP v plném měřítku s 13 paralelními AMR lůžky naplněnými 4,4 kg částic čistého gadolinia (Gd) jako magnetokalorického materiálu (MCM). Systém využívá počítačově řízený systém solenoidových ventilů ke správě jak inter-AMR tokové nerovnováhy, tak intra-AMR tokové nerovnováhy v reálném čase. Je také vybaven rotačním dvoupólovým permanentním magnetem s maximální hustotou toku 1,46 Tesla.
,,MCM fungují jako výměník tepla akumulující teplo a jsou ohřívány a ochlazovány magnetickým polem, které se zvyšuje a snižuje,“ uvedli vědci. ,,Jak je MCM magnetizován, teplonosná kapalina je čerpána přes lože AMR ve směru od studeného k horkému a přenáší teplo z MCM do teplonosné kapaliny a naopak během demagnetizace.“
Vysvětlili také, že řízení vytlačeného objemu kapaliny pro každý AMR a každý úder se dosáhne vyladěním místní frakce foukání nastavením časování otevření každého solenoidového ventilu, bez potřeby dalších součástí. „Zkoumáme různé strategie řízení měření a zpětné vazby. Včetně teploty studeného výstupu AMR, teploty horkého výstupu AMR a obou jako parametry zpětné vazby, abychom pochopili kompromis mezi ovladatelností provozu s více lůžky a ekonomikou zařízení,“ dodali.
Systém také využívá systém průtoku tekutiny založený na solenoidových ventilech, čerpadle, zpětných ventilech a rozdělovačích. Což umožňuje nepřetržitou cirkulaci teplonosné tekutiny a zároveň usnadňuje vratné proudění v každém loži AMR.
Nepřetržitá cirkulace teplonosné tekutiny
Prototyp MCHP s názvem MagQueen se navrhl tak, aby splňoval požadavky na vytápění nízkoenergetického rodinného domu v Dánsku. K optimalizaci jeho výkonu se použily dvě strategie řízení, a to řízení zpětné vazby měření a prediktivní řízení modelu.
„Modelové prediktivní řízení nabízí řešení pro urychlení konvergence řízení tím, že poskytuje počáteční odhad nastavení ventilů pro všechny ventily v jediném kroku,“ zdůraznila skupina. „Integrace rámců prediktivního řízení modelu s algoritmy strojového učení může pomoci identifikovat potenciální selhání systému, jako je stárnutí komponent, předem.“
Analýza ukázala, že při modelování nerovnoměrný průtokový odpor, pórovitost a magnetokalorický efekt negativně ovlivnily účinnost tepelného čerpadla. Řízení zpětné vazby měření však dokázalo zlepšit topný výkon o 36,9 %.
Model Predictive Control
„Model Predictive Control dosahuje pozitivních výsledků u velkých odlehlých hodnot. Což ukazuje potenciál pro rychlejší sbližování kontrol. Zatímco řešení překmitů u menších odlehlých hodnot vyžaduje další vylepšení,“ vysvětlil tým dále. ,,Odhaduje se, že rychlost konvergence řízení je sedmkrát vyšší ve srovnání se strategií řízení zpětné vazby měření.“
Výzkumníci také zjistili, že modelové prediktivní řízení zlepšuje topnou kapacitu až o 30,9 % a koeficient výkonu (COP) až o 10,7 %. Tím, že se přizpůsobil nerovnoměrným magnetokalorickým účinkům, také zlepšil COP o přibližně 3,5 %.
„Navzdory pokroku v magnetokalorických tepelných čerpadlech přetrvávají problémy, zejména v přizpůsobení řídicích strategií vícevrstvým regenerátorům s proměnlivými Curieovými teplotami a magnetokalorickými účinky,“ uvedli s odkazem na budoucí směr své práce.
Jejich zjištění jsou k dispozici ve studii „Rozšiřování magnetokalorických tepelných čerpadel pro iniciativy v oblasti dekarbonizace budov“, publikované v Energy. „Náklady na prototyp zatím nebyly odhadnuty, protože některé komponenty jsou předimenzované. Jak se již zmínilo, stále pracujeme na snižování nákladů a doufejme, že se nám to v budoucnu podaří zpřístupnit. Zatím nemáme plán na testování v terénu kvůli problému s rozpočtem,“ uzavřel Liang.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
