A model-based framework for optimal systems integration of adsorption chillers

Gibelhaus, Andrej; Bardow, André; Müller, Dirk

doi:HT020917650

A model-based framework for optimal systems integration of adsorption chillers = Ein modellgestützter Ansatz für die optimale Systemintegration von Adsorptionskältemaschinen

Gibelhaus, Andrej^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeAndrej Gibelhaus

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-406-1

ReiheAachener Beiträge zur technischen Thermodynamik ; 31

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bardow, André (Thesis advisor) ; Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-03-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04009
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/817619/files/817619.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
adsorption chiller (frei) ; design and control (frei) ; dynamic model (frei) ; experimental validation (frei) ; optimization (frei) ; system simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der weltweite Kühlbedarf nimmt zu und stellt dadurch eine Herausforderung für die Netzstabilität und die Emissionsziele dar. Adsorptionskältemaschinen können dieser Herausforderung begegnen, indem sie Strom durch thermische Energie substituieren. Obwohl Adsorptionskältemaschinen hauptsächlich durch thermische Energie angetrieben werden, zeigen Erfahrungen aus der Praxis, dass die Stromeinsparungen oft kaum ausreichen, um den Bedarf der Peripherie, z.B. Pumpen und Lüfter, zu kompensieren. Daher ist eine intelligente Systemintegration entscheidend. Die Systemintegration ist anspruchsvoll, da folgende Aspekte zusammenkommen: (1) intrinsische Dynamik; (2) enge Interaktion zwischen den Systemkomponenten; und (3) starker Einfluss der Auslegung, Steuerung und Betriebsbedingungen. Diese Aspekte führen zu einer Vielzahl an Freiheitsgraden, die eine einfache Auslegung und Steuerung erschweren. Um die genannten Herausforderungen anzugehen, stellt diese Arbeit Modelle und Methoden zur optimalen Systemintegration von Adsorptionskältemaschinen bereit. Zunächst wird ein Modell entwickelt, das genau genug ist, um relevante Eigenschaften auf Systemebene abzubilden, aber gleichzeitig numerisch effizient genug ist für modellgestützte Optimierungen. Die Modellgüte wird durch eine Kalibrierung und Validierung für zwei verschiedene Adsorptionskältemaschinen demonstriert, eine Ein-Bett Anlage im Labormaßstab und eine kommerzielle Zwei-Bett Anlage. Anschließend wird das Modell für zwei Bereiche der Systemintegration verwendet: die Integration in Hybridsysteme und die Integration innerhalb der Peripherie. Als Beispiel für die Integration in Hybridsysteme wird eine Adsorptionskältemaschine in einen CO2-Kompressionskältekreislauf integriert, um effizient Kälte mit natürlichen Kältemitteln bereitzustellen. Für das Hybridsystem wird ein hohes Energieeinsparungspotenzial identifiziert, das durch eine optimale Auslegung und Steuerung voll ausgeschöpft werden kann. Die demonstrierte Integration in Hybridsysteme dient gleichzeitig als Beispiel für eine konzeptionelle Integration, die das Potenzial einer bestimmten Anwendung quantifiziert. Für die Integration innerhalb der Peripherie, wird eine optimierungsbasierte Methode vorgestellt zur detaillierten Dimensionierung und Steuerung aller Systemkomponenten inklusive der Peripherie. Die vorgestellte Methode wird exemplarisch für ein solarthermisch angetriebenes Adsorptionskältesystem demonstriert und liefert jeweils eine energetisch und eine wirtschaftlich optimale Auslegung und Steuerung. Zusammenfassend stellt die Arbeit einen umfassenden Ansatz für die optimale Systemintegration von Adsorptionskältemaschinen bereit: von der Modellvalidierung über die konzeptionelle Integration bis hin zur detaillierten Auslegung und Steuerung.

The global demand for cooling increases and poses a challenge for the stability of electrical grids and the emission targets. Thermally-driven adsorption chillers can meet this challenge by substituting electricity with thermal energy. However, although adsorption chillers are primarily driven by thermal energy, practical experience shows that the electricity savings often hardly compensate the electricity demand of the auxiliaries, such as pumps and fans. Thus, smart systems integration is crucial. Systems integration of adsorption chillers is challenging due to several features: (1) intrinsic dynamics; (2) close interaction between various system components; and (3) strong coupling of design, control, and operating conditions. These features lead to a variety of degrees of freedom, which make it difficult to use simple design and control rules for systems integration. To move towards optimal systems integration of adsorption chillers, this thesis provides appropriate models and methods. First of all, a model of an adsorption chiller is developed, which is accurate enough to consider quantities needed on system level, but also computationally sufficiently efficient for model-based optimizations. To demonstrate the model accuracy, the model is calibrated and validated for two types of adsorption chillers, a lab-scale one-bed adsorption chiller and a commercial two-bed adsorption chiller. Subsequently, the presented model is used for two areas of systems integration: the integration in hybrid systems and the integration within the auxiliaries. To exemplify the integration in a hybrid system, an adsorption chiller is integrated into a CO2 vapor compression cycle to efficiently provide refrigeration with natural refrigerants only. The exemplified integration identifies a significant potential for energy savings, which can be fully exploited by optimal design and control of the hybrid system. The demonstrated integration in hybrid systems is also an example for a conceptual integration, which quantifies the potential of a specific application. To integrate the adsorption chiller within the auxiliaries, an optimization-based method is presented for detailed sizing and control of all system components including auxiliaries. The presented method is demonstrated for a solar-thermally-driven adsorption chiller system and determines both, an energetically and an economically optimal design and control. In summary, the thesis provides a comprehensive framework for optimal systems integration of adsorption chillers: from model validation over conceptual integration to detailed design and control.

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