Samouczące się pompy ciepła

Kontrola użytkownika nad urządzeniami ASHP jest ograniczona. Wprowadzenie uczenia maszynowego do świata pomp ciepła poszerza możliwości sterowania tymi urządzeniami. Z czasem, dzięki specjalnemu algorytmowi, urządzenia same nauczą się, jak postępować w określonych sytuacjach. Opisywany system nosi nazwę Artificial Neural Network (ANN) i jest oparty na systemie Optimum Control Logic (OCL).

Technologia nie wymaga zmiany głównych elementów w istniejących systemach, dzięki czemu jej zastosowanie nie wpływa na końcową kwotę produkcji pomp ciepła.

System został przetestowany przez badaczy w budynku biurowym w mieście Busan w Korei Południowej. Powierzchnia tego budynku to 120 m², wysokość 2,7 m, a stosunek powierzchni okien do ścian wynosi 15%.

Budynek obsługuje pompa ciepła o mocy znamionowej 9 kW w trybie grzania i 8 kW w trybie chłodzenia. 

Język programowania użyty do stworzenia algorytmu oparto na Pythonie, a całość systemu obsługuje MATLAB. Można więc stwierdzić, że użyto jednych z najłatwiej dostępnych na rynku narzędzi do stworzenia nowych perspektyw w świecie ogrzewnictwa.

System wykorzystuje tzw. propagację wsteczną, czyli algorytm, który kolejno eliminuje błędy z kodu, pracując od węzłów wyjściowych z powrotem do węzłów wejściowych. Modelowanie numeryczne zastosowano do systemu ASHP wyposażonego w bufor ciepła w budynku (wspomniany biurowiec w Busan). 

Naukowcy zadali następujące warunki stworzonemu systemowi. Pompa ciepła włącza się, gdy temperatura w pomieszczeniu spadnie poniżej 21°C, a temperatura zasobnika ciepła przekroczy 43°C. I odwrotnie, ogrzewanie zostaje wyłączone, gdy temperatura w pomieszczeniu przekroczy 23°C, a temperatura zasobnika ciepła spadnie poniżej 43°C. Bufor rozpoczyna magazynowanie ciepła, gdy temperatura zgromadzonej wody spadnie poniżej 43°C. Proces ten zostaje przerwany po przekroczeniu 47°C.

Dla warunków mieszkalnych jednostka aktywowana jest w trybie chłodzenia, gdy temperatura w pomieszczeniu przekroczy 24°C bądź temperatura na buforze spadnie poniżej 12°C. Pompa ciepła przestaje chłodzić, gdy bufor zmienia zastosowanie na magazyn chłodu, osiągając temperaturę zgromadzonej wody poniżej 8°C. 

Pompa ciepła wie, czego potrzebuje budynek i mieszkańcy?

Naukowcy odkryli, że system umożliwia użytkownikom dobór prawidłowego natężenia przepływu przez pompę obiegową, nawet w trudnych warunkach pogodowych. Tym samym możliwa jest poprawa COP o 0,88% przy niskim natężeniu przepływu. Odnotowano również poprawę COP o 6,23%, gdy pompa o dynamicznym dopasowaniu przepływu jest używana podczas zwiększonego zapotrzebowania. 

Naukowcy planują dalszy rozwój systemu poprzez uwzględnienie standardowej efektywnej temperatury i komfortu ludzkiego ciała w logice sterowania. Zastosowanie sztucznej inteligencji w sektorze pomp ciepła podniesie komfort użytkowania tych urządzeń. Łatwiejsza obsługa pozwoli na popularyzację takich rozwiązań m.in. wśród najstarszych grup społecznych, dla których samodzielna obsługa urządzeń jest za trudna. Również jeszcze bardziej zyskają osoby spędzające większość dnia poza domem. Algorytm sterujący systemem centralnego ogrzewania zmniejszy starty ciepła i podniesie efektywność energetyczną budynków.

Źródło: Energy Portal, PV-Magazine