Vědci z Číny vyvinuli novou optimalizační metodu pro středně hluboká tepelná čerpadla ze země pomocí vylepšené optimalizace roje částic chaosu. Propojili jej buď se zásobníkem tepla, nebo s mělkým vrtným výměníkem tepla a zjistili, že obě typologie systému zvyšují koeficient výkonu tepelného čerpadla.
Vědci z Číny vytvořili optimalizační model pro středně hloubková tepelná čerpadla se zemním zdrojem (MD-GSHP) s použitím vylepšeného algoritmu optimalizace roje částic chaosu (CPSO). Algoritmus testovali v simulaci systému MD-GSHP spojeného se zásobníkem tepla a MD-GSHP s výměníkem tepla s mělkým vrtem (BHE).
Particle swarm je optimalizační technika inspirovaná způsobem, jakým se rojí ptáci a ryby, upravující svůj výkon způsobem, který bude optimální jak pro jednu částici, tak pro celý roj. ,,V algoritmu CPSO se inicializace poloh a rychlostí částic provádí pomocí chaotické sekvence,“ vysvětlili akademici.
Pro optimalizační úkol vědci simulovali obytnou budovu o rozloze 3 000 m2 v čínském městě Xi’an. Teplota vytápění se nastavila na 20 °C, v topné sezóně 15. listopadu až 15. března. Pomocí softwaru TRNSYS se zkonstruoval model budovy včetně parametrů bydlení.
Při popisu MD-GSHP s výměníkem tepla s mělkým vrtem vědci uvedli, že obsahuje středně hluboký BHE, za nímž následuje tepelné čerpadlo připojené k výměníku tepla. To se zase připojilo k mělkému BHE. Voda proudí z mělkého BHE do druhého tepelného čerpadla a odtud šíří teplo k uživatelům.
Nová optimalizační metoda pro středně hluboká tepelná čerpadla
„Když dodávka tepla systému překročí tepelnou zátěž uživatele, otevře se ventil akumulace tepla,“ vysvětlila skupina. „Mělký BHE přechází do režimu akumulace tepla, kde je část horké vody generované TČ směrována na stranu uživatele. Zatímco zbývající část prochází tepelným výměníkem, aby akumulovala teplo v mělkém BHE. Naopak, když je dodávka tepla systému nižší než tepelná zátěž uživatele, ventil pro odvod tepla se otevře. Mělký BHE přejde do režimu uvolňování tepla, kde veškerá horká voda vyrobená HP proudí na stranu uživatele.“
Pokud jde o systém spojený se zásobníkem, obsahuje středně hluboký BHE, za nímž následuje zásobník. Ten se následně připojí ke koncovému uživateli. V tomto případě, pokud kapacita překročí zatížení uživatele, je teplo uloženo v nádrži, aby bylo uvolněno poté, když je tepla nedostatek. Modelování obou systémů vzalo „komplexní zvážení všech parametrů, které ovlivňují výkon přenosu tepla, včetně faktorů, jako je kontaktní tepelný odpor a vliv teploty na fyzikální vlastnosti vody“.
Z optimalizačního modelu pro oba systémy se požadovaly tři různé cíle – jeden pro optimalizované náklady na vytápění, druhý pro optimalizovaný koeficient výkonu (COP) a poslední pro koeficient využití geotermální energie. Kromě toho měl systém s akumulační nádrží další cíl, kombinovat jak optimální COP, tak náklady na vytápění.
Podle vědců, když byly objektivní funkcí náklady na vytápění, byly náklady na vytápění na m2 0,0997 CNY (0,32 Kč). To je pokles o 10,2 % v porovnání s neoptimalizovanými náklady, které činily 0,1108 CNY za m2. Neoptimalizováno, COP systému bylo 5,7358, což po optimalizaci vzrostlo o 10,43 % na 6,3341. Co se týče geotermální energie, ta vzrostla o 2 %, z 0,8334 na 0,8501. „Objektivní funkce minimalizace nákladů na vytápění vykazuje podobný trend jako křivka tepelné zátěže,“ zdůraznili.
Vrtný výměník tepla
Přechodem na systém spojený s akumulační nádrží, kdy byly objektivní funkcí náklady na vytápění, byly náklady na vytápění na m2 0,0996 CNY. To je pokles o 12,82 % v porovnání s neoptimalizovanými náklady, které činily 0,1108 CNY za m2. Neoptimalizováno, COP systému bylo 5,7358, což po optimalizaci vzrostlo o 10,35 % na 6,3296. Co se týče geotermální energie, ta se zvýšila o 1,96 %, z 0,8334 na 0,8497.
„Komplexní zvážení nákladů na vytápění a COP systému navrhlo příznivou hmotnost 2,8 pro nepřetržitý provoz systému,“ uvedli výzkumníci. „Na závěr lze říci, že při upřednostňování nákladů na vytápění přináší systém spojený se zásobníkem tepla větší ekonomické výhody ve srovnání se systémem spojeným s mělkým BHE.“
Výsledky studie byly prezentovány v publikaci „Analýza a optimalizace středně hloubkových systémů vytápění zemním tepelným čerpadlem s akumulací tepla a vrtnými výměníky tepla“. Ta se publikovala v Energy Reports. Výzkum provedli vědci z čínského State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
