Μια αυστριακή ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο βελτιστοποίησης για τον σχεδιασμό επενδύσεων σε αντλίες θερμότητας που λαμβάνει ρητά υπόψη τη μη γραμμική απόδοση μερικού φορτίου. Η προσέγγιση αναγνωρίζει ότι η απόδοση της αντλίας θερμότητας ποικίλλει ανάλογα με το λειτουργικό φορτίο, αντί να παραμένει σταθερή, ανάλογα με το πόσο από τη συνολική χωρητικότητα του συστήματος χρησιμοποιείται σε μια δεδομένη στιγμή. Αυτό επιτρέπει στο μοντέλο να αναπαριστά με μεγαλύτερη ακρίβεια τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.
Τα χαρακτηριστικά του σχεδιασμού της βελτίωσης
«Τα χαρακτηριστικά απόδοσης των αντλιών θερμότητας είναι εγγενώς μη γραμμικά, ανάλογα με παράγοντες όπως οι ελάχιστοι περιορισμοί φορτίου και η απόδοση μερικού φορτίου, ιδιαίτερα για συστήματα με μετατροπέα», εξήγησε η ομάδα. «Ενώ υπάρχουν προηγμένες μέθοδοι βελτιστοποίησης για τον λειτουργικό προγραμματισμό, τα μοντέλα σχεδιασμού επενδύσεων συνήθως παραμελούν τη συμπεριφορά μερικού φορτίου λόγω των υπολογιστικών προκλήσεων που σχετίζονται με την επίλυση μη γραμμικών προβλημάτων μικτών ακεραίων. Αντ' αυτού, χρησιμοποιούνται συνήθως απλοποιημένες γραμμικές προσεγγίσεις».
Η νέα μέθοδος έχει σχεδιαστεί για να αντιμετωπίσει αυτό το κενό ενσωματώνοντας το μέγεθος και τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας σε ένα ενιαίο πλαίσιο βελτιστοποίησης που λαμβάνει υπόψη τις αλλαγές απόδοσης σε διαφορετικούς λόγους μερικού φορτίου.
Μπορεί να χρησιμοποιήσει μια ακριβή διατύπωση τμηματικά γραμμικής (PWL), μια χαλαρή διατύπωση τμηματικά γραμμικής (PWLR) ή μια χαλάρωση κώνου δεύτερης τάξης (CR). Η προσέγγιση PWL μοντελοποιεί τη συμπεριφορά μερικού φορτίου με μεγαλύτερη ακρίβεια χρησιμοποιώντας γραμμικά τμήματα, ενώ η PWLR απλοποιεί ορισμένους από αυτούς τους περιορισμούς για να μειώσει την υπολογιστική προσπάθεια. Η προσέγγιση CR χρησιμοποιεί μια κυρτή προσέγγιση των μη γραμμικών σχέσεων, προσφέροντας έναν άλλο τρόπο μείωσης του χρόνου υπολογισμού διατηρώντας παράλληλα μια ακριβή αναπαράσταση της απόδοσης της αντλίας θερμότητας.
Οι μοντελοποιήσεις του συστήματος
Οι χαλαρές προσεγγίσεις μειώνουν τις υπολογιστικές απαιτήσεις διατηρώντας παράλληλα τη σχέση μεταξύ εγκατεστημένης ισχύος, ηλεκτρικής εισόδου, θερμικής εξόδου και απόδοσης μερικού φορτίου. Ένας γραμμικός υποεκτιμητής μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για να περιορίσει τα φυσικά ανέφικτα σημεία λειτουργίας που διαφορετικά θα μπορούσαν να επιτραπούν από τις χαλαρώσεις.
Οι ερευνητές επέδειξαν τη μέθοδο σε μια μελέτη περίπτωσης που περιελάμβανε έξι ανακαινισμένα κτίρια δημόσιας διοίκησης στο Ίνσμπρουκ, στη δυτική Αυστρία.
Μοντελοποίησαν ένα σύστημα θέρμανσης που περιλαμβάνει δύο πιθανές αντλίες θερμότητας νερού-νερού και μια δεξαμενή αποθήκευσης ζεστού νερού 4.000 λίτρων, χρησιμοποιώντας δεδομένα ζήτησης θερμότητας 15 λεπτών που δημιουργήθηκαν με το TRNSYS για κρύα, ζεστά και μέτρια καιρικά έτη. Τα κτίρια είχαν μέση ετήσια ζήτηση θερμότητας 2.087 MWh και μέγιστο θερμικό φορτίο 1.664 kW. Οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούσαν υπόγεια ύδατα σε σταθερή θερμοκρασία πηγής 8°C και λειτουργούσαν με ελάχιστο λόγο μερικού φορτίου 10%.
Οι ερευνητές εξέτασαν τα μοντέλα PWL, PWLR και CR ξεχωριστά και συνέκριναν την απόδοσή τους με δύο διατυπώσεις αναφοράς - γραμμικό προγραμματισμό (LP) και δέσμευση μονάδας (UC) - χρησιμοποιώντας την ίδια μελέτη περίπτωσης. Τα μοντέλα αναφοράς επέλεξαν μία μόνο αντλία θερμότητας με ηλεκτρική ισχύ 623,5 kW, ενώ τα μοντέλα με επίγνωση μερικού φορτίου ευνόησαν δύο μονάδες διαφορετικού μεγέθους με περίπου την ίδια συνδυασμένη ισχύ.
Η μείωση της κατανάλωσης
«Ο σχεδιασμός του συστήματος που προέκυψε μειώνει την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά 4,5% και το ετήσιο κόστος κατά 2,9%, όπως επιβεβαιώθηκε σε μια εκ των υστέρων επικύρωση σε ολόκληρο τον, μη συγκεντρωτικό χρονικό ορίζοντα», ανέφεραν οι ερευνητές. «Επιπλέον, η ανάλυση υπολογιστικής απόδοσης δείχνει 10,3 φορές μεγαλύτερη επιτάχυνση για την τμηματικά γραμμική χαλάρωση και 4,3 φορές μεγαλύτερη επιτάχυνση για την κωνική χαλάρωση, μετρούμενη σε ντετερμινιστικές μονάδες εργασίας, ανοίγοντας το δρόμο για την εφαρμογή τους σε μεγαλύτερα προβλήματα ενεργειακών κόμβων και επενδύσεων πολλαπλών τεχνολογιών».
www.worldenergynews.gr
