Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije

 

Vsebinski opis projekta

Povzetek raziskovalnega projekta

V prihodnosti bo velik del oskrbe za ogrevanje ali hlajenje objektov v urbanih okoljih potekal preko nizkotemperaturnih sistemov daljinskega ogrevanja. Za namen zvišanja temperaturnega nivoja, potrebnega za ogrevanje sanitarne tople vode, bodo poleg obnovljivih in odpadnih virov služile toplotne črpalke, ki predstavljajo z energijskega stališča najbolj učinkovit generator toplote. Podobno bodo toplotne črpalke služile kot eden izmed glavnih način ogrevanja in hlajenja nizko-, ali nič- energijskih objektov v ruralnih okoljih.

Velika večina toplotnih črpalk temelji na parno-kompresijskih tehnologijah. Pri teh tehnologijah največji problem predstavljajo hladiva, ki imajo pomemben vpliv na toplogredno ogrevanje. Čeprav je veliko truda vloženega v iskanje novih hladiv, je žal število realnih alternativ izjemno majhno. Sistemi tehnologije parno-kompresijskega cikla predstavljajo tudi vir onesnaževanja s hrupom.

Številne svetovne študije kažejo, da predstavlja magnetokalorična tehnologija hlajenja ali toplotnih črpalk najboljšo oziroma najbolj razvito alternativo parno-kompresijskim tehnologijam. Ker je tovrstna tehnologija še v razvoju, so nujno potrebne raziskave in aktivnosti, ki bi omogočile ustrezno demonstracijo tehnologije v aplikaciji. Prav tako je potrebno rešiti osnovne probleme prenosa toplote in generatorjev magnetnega polja, ki zaradi neučinkovitosti trenutnih rešitev preprečujejo aplikativni razvoj tehnologije. To namreč predstavlja osnovo za razširitev domene in njen razvoj v prihodnosti.

Zato je glavni cilj predlaganega raziskovalnega projekta razvoj magnetokalorične podporne toplotne črpalke, ki bi služila kot podporna enota v toplotni podpostaji nizko temperaturnega sistema daljinskega ogrevanja. Prednost magnetokalorične tehnologije v primerjavi s trenutno uporabljeno tehnologijo parno-kompresijskih naprav je torej v potencialni višji energijski učinkovitosti in uporabi okolju prijaznih hladilnih sredstev. Pomembno prednost predstavlja neslišno obratovanje brez vibracij.

Raziskave in razvoj predlaganega projekta bodo osredotočene najprej na rešitev dveh pomembnih glavnih preprek magnetokalorične tehnologije. Prijavitelj je nosilec ideje in prijave patentne zaščite, ki ponuja možnost za znatno izboljšanje gostote moči in učinkovitosti obstoječih aktivnih magnetnih regeneratorjev. S pomočjo znanja in idej bomo premostili probleme dosedanjih rotirajočih permanentnih magnetnih struktur, ki sestojijo iz redkih zemelj. V ta namen bomo razvili energijsko učinkovito, statično in hitro delujočo strukturo magneta, ki ne bo vseboval redkih zemelj. Zasnovali in implementirali bomo učinkovit hidravlični sistem. Za spremenljivo in več-parametrično delovanje bomo razvili in izdelali krmilno elektroniko.

Magnetokalorično toplotno črpalko bomo integrirali v toplotno podpostajo in izvajali teste pri različnih laboratorijskih pogojih, ki bodo omogočili ustrezno prilagoditev krmiljenja in pripravo na realne pogoje obratovanja. Na koncu bomo sistem magnetokalorične podporne toplotne črpalke v toplotni podpostaji integrirali v realne pogoje sistema daljinskega ogrevanja ter na ta način demonstrirali delovanje.

Zaradi širšega nabora aplikacij razvite tehnologije bomo ob pridobljenih rezultatih analizirali možnosti eksploatacije tehnologije in njeno implementacijo tudi v druge tržne niše, kot so na primer gospodinjski aparati (sušilnik perila, pomivalni in pralni stroj) in za potrebe ogrevanja in hlajenja stanovanjskih stavb.

Zaradi pomembnosti znanstvenih raziskav za področja naprednih energijskih materialov, hlajenja in toplotnih črpalk, kot tudi razvoja prihodnjih sistemov daljinskega ogrevanja, bomo rezultate ustrezno diseminirali s širokim naborom aktivnosti in visoko-kvalitetnih publikacij. Prav tako nameravamo uporabiti klasične in številne napredne načine, preko katerih bomo rezultate ustrezno komunicirali različnim deležnikom, ki predstavljajo eksperte, splošno javnost, ali pa nosilce politik.

Pomen za znanost

Z raziskavami in razvojem magnetokalorične toplotne črpalke bomo lahko izboljšali, realizirali in preizkusili najnovejše koncepte, ki predstavljajo potencialne rešitve problemov prenosa toplote in viskoznih izgub v trenutno uporabljenih aktivnih magnetnih regeneratorjih. Nadalje želimo preizkusiti principe toplotnih kontrolnih elementov v kombinaciji z magnetokaloričnim materialom. Prav tako bomo dodatno nadgradili naša najnovejša in prebojna znanja na področju razvoja in raziskav hitro-oscilatornih in statičnih magnetnih struktur s ciljem razviti le-te do stopnje, da bodo energijsko primerljivo učinkovite s trenutno uporabljenimi počasi rotirajočimi permanentnimi magnetnimi strukturami, ki vsebujejo redke zemeljske material. Ker bomo pri raziskavah posegli v še nedotaknjena področja, po drugi strani pa oplemenitili naše dosedanje najnovejše rezultate, pričakujemo pomemben vpliv in multiplikativen učinek na razvoj primarnega področja magnetokalorične pretvorbe energij (toplotnih črpalk, prav tako pa tudi področja magnetokaloričnega hlajenja in generatorjev energije). Z razvito magnetokalorično toplotno črpalko in ustrezno razvitim kontrolnim sistemom želimo demonstrirati realno delovanje magnetokalorične toplotne črpalke kot podporne enote sistema daljinskega ogrevanja, s čimer bomo vsekakor omogočili prenos znanja in dobro osnovo za eksploatacijo magnetokalorične pretvorbe energij na novih področjih v znanosti in tehnologiji. Po drugi bo projekt omogočil podrobne analize delovanja toplotne podpostaje in njej pripadajoče toplotne črpalke. S tem bomo pridobili in prenesli v strokovno javnost pomembna znanja na področju kontrole in regulacije tovrstnih enot, kot tudi optimizacije delovanja oziroma prilagoditve tega različnim režimom v sistemih daljinskega ogrevanja.

Pomen za podjetje Danfoss, sektor daljinskega ogrevanja/hlajenja in sektor toplotnih črpalk

Danfoss je vodilni svetovni dobavitelj izdelkov za energetsko učinkovite rešitve daljinskega ogrevanja, hlajenja in klimatizacije stavb. Raziskava in razvoj magnetokalorične toplotne črpalke lahko za Danfoss predstavljata pomembno prihodnjo korist z zagotavljanjem globalne konkurenčne prednosti z visoko dodano vrednostjo pri izdelkih daljinskega ogrevanja ali toplotnih črpalk. To lahko zagotovo vpliva na odpiranje novih delovnih mest in dodatno okrepi položaj Danfoss-a kot glavnega svetovnega akterja na teh dveh področjih. Naložbe EU v trg daljinskega ogrevanja in hlajenja je leta 2020 so ocenjene na 40 milijard EUR (www.gminsights.com/industry-analysis/europe-district-cooling-market), medtem ko je globalna vrednost daljinskega ogrevanja in hlajenja v letu 2019 znašala več kot 150 milijard EUR (www.gminsights.com/industry-analysis/district-heating-market). Po podatkih Technavio (www.technavio.com/report/global-heat-pump-market-analysis-share-2018) je svetovna letna rast trga toplotnih črpalk ocenjena na približno 8%, kar ustreza letni rasti približno 7 milijard USD.

Pomen za sektor nizko (nič) energijskih stavb in prihodnje gospodinjske aparate

Toplotna moč majhne »booster« toplotne črpalke je približno enaka toplotni moči toplotnih črpalk za ogrevanje sanitarne tople vode v gospodinjstvih. Zato bi lahko nadaljnja uporaba razvite tehnologije mangnetokaloričnih toplotnih črpalk v prihodnosti služila kot resna alternativa pri nadomeščanju danes uporabljenih toplotnih črpalk na osnovi parnokompresijskega cikla v gospodinjskih aparatih: pomivalnih, sušilnih in pralnih strojih. Poleg tega bodo nizko ali nič energijske hiše v ruralnem okolju zagotovo implementirale toplotne črpalke kot eno najpogosteje uporabljenih tehnologij za ogrevanje ali hlajenje. Po podatkih Technavio (www.intellasia.net/dishwasher-market-trends-and-forecasts-by-technavio-599780) bo izključno svetovni trg pomivalnih strojev leta 2021 dosegel 21,8 milijarde USD. Ista družba poroča, da bo svetovni trg gospodinjskih aparatov zrasel za 7% (31 milijard USD na leto).

Pomen za družbo

S pomočjo širitve rezultatov projekta bodo tako strokovnjakom kot tudi širši javnosti posredovane pomembne informacije o učinkoviti rabi energije in okolju prijaznih rešitvah za obstoječa hladiva. Poleg tega bomo v komunikaciji z različnimi ciljnimi skupinami razložili, prikazali ali poudarili pomen energetske učinkovitosti toplotnih črpalk kot enega od prihodnjih načinov dekarbonizacije stavb. Na osnovi pridobljenih znanj in izkušenj bomo zmožni usposobiti nove generacije študentov in inženirjev na področju pretvorbe magnetokalorične energije. To bomo dosegli z vključitvijo obravnavanih tem v redni izobraževalni proces in z organizacijo poletnih šol. Ker bodo rezultati projekta imeli multiplikativni učinek, se bodo znanja in izkušnje, pridobljene iz rezultatov projekta, uspešno prenesle na druga področja pretvorbe kalorične energije (magnetokalorično, elastokalorično, barokalorično, multi-kalorično).

Cilj predlaganega raziskovalnega projekta

Glavni cilj predlaganega raziskovalnega projekta je razvoj magnetokalorične podporne toplotne črpalke, ki bi služila nizko temperaturnemu sistemu daljinskega ogrevanja. Cilj bomo dosegli z implementacijo aktivnosti s katerimi bomo dosegli sledeče pod-cilje (Slika 3): Razrešiti dve glavni prepreki magnetokalorične tehnologije Prijavitelj je trenutno vložil patentno prijavo za idejo [45], ki ponuja možnost za znatno izboljšanje gostote moči in učinkovitosti obstoječih aktivnih magnetnih regeneratorjev. Poleg tega posedujemo tudi znanje in ideje (nadaljevanje dela predstavljenega v patentni aplikaciji [46] in v nedavnem znanstvenem članku Klinar et al. [42]) za dosego energijsko učinkovitega, statičnega in hitro delujočega
vira magnetnega polja, ki pa je tudi neodvisen od redkih zemelj. Današnji rotacijski permanetni viri magnetnega polja ne morejo delovati pod takšnimi pogoji. Zagotoviti optimizirane rešitve hidravličnega in elektronskega krmiljenja magnetokalorične toplotne črpalke. Zasnovali in implementirali bomo učinkovit hidravlični sistem, s čimer bomo dosegli hitro distribucijo tekočine za prenos toplote v/iz aktivnega magnetnega regeneratorja in v/iz prenosnikov toplote na viru in ponoru toplote, pri tem pa minimizirali viskozne izgube ter mrtve volumne celotnega sistema. Prenosnike toplote bomo načrtovali tako, da bomo dosegli kar se da visoko učinkovitost. Za spremenljivo in več-parametrično delovanje elektronike, elektro-mehanskih in hidravličnih elementov sistema, bomo razvili in izdelali krmilno elektroniko (z vsemi potrebnimi zaznavalnimi elementi). Takšna krmilna elektronika bo predstavljala vmesnik med uporabnikom in toplotno črpalko toplotne podpostaje.

Prilagoditi, integrirati, testirati in demonstrirati delovanje magnetokalorične podporne toplotne črpalke v toplotni podpostaji sistema daljinskega ogrevanja

Magnetokalorično toplotno črpalko bomo integrirali v toplotno podpostajo. Toplotno podpostajo, ki je na voljo na trgu, bomo prilagodili do te mere, da bomo v njo lahko integrirali magnetokalorično toplotno črpalko in da bomo lahko izvajali laboratorijske teste pri spremenljivih delovnih pogojih. Po
laboratorijskem testiranju delovnih karakteristik bomo delovanje magnetokalorične toplotne črpalke demonstrirali v realnih delovnih pogojih. Zaradi majhne geometrije in relativno nizkih potrebnih toplotnih močeh, bo takšna magnetna toplotna črpalka predstavljala potencial za implementacijo tudi
v nekatere druge tržne niše, kot so gospodinjski aparati (sušilnik perila, pomivalni in pralni stroj) in za potrebe ogrevanja in hlajenja stanovanjskih stavb.

Faze projekta in njihova realizacija

Delovni paket 1 (DP1): Magnetokalorika in prenos toplote

T1.1: Številni novi koncepti AMR-ja bodo zasnovani, za višje gostote moči. Ta naloga je bila realizirana.

T1.2: Najbolj obetavni koncepti zasnove bodo numerično modelirani. S parametrično analizo delovanja bomo ocenili najbolj učinkovito zasnovo z vidika prenosa toplote. Ta naloga je bila realizirana.

T1.3: Izbrani koncept bo numerično optimiziran glede na geometrijo, magnetokalorične lastnosti in obratovalne pogoje. Ta naloga je bila realizirana.

T1.4: Izdelan bo optimiziran in zasnovan aktivni magnetni regenerator. Ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 70%)

T1.5: Preliminarno eksperimentalno testiranje zasnovanega in implementiranega naprednega principa magnetne regeneracije. Ta naloga še ni bila realizirana.

 

Delovni paket 2 (DP2): Viri magnetnega polja

T2.1: Številne idejne zasnove bodo osredotočene na kompaktnosti in visoko energijsko učinkovitost: Ta naloga je bila realizirana.

T2.2: Najbolj primerna zasnova bo numerično modelirana in analizirana: Ta naloga je bila realizirana.

T2.3: Najbolj energijska in stroškovno učinkovita zasnova bo geometrijsko optimizirana tako, da bo ustrezala omejitvam aktivnega magnetnega regeneratorja, zasnovanega v DP1: Ta naloga je bila realizirana.

T2.4: Izdelan bo optimiziran in zasnovan vir magnetnega polja: Ta naloga je bila realizirana.

T2.5: Vir magnetnega polja bo eksperimentalno testiran: Ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 80%)

 

Delovni paket 3 (DP3): Prenosniki toplote & Hidravlika

T3.1: Analizirane bodo različne zasnove hidravličnih sistemov magnetne toplotne črpalke. Številne zasnove tržno dostopnih prenosnikov toplote bodo ovrednotene. Ta naloga je bila realizirana.

T3.2: Prenosniki toplote bodo dimenzionirani glede na zahteve na strani toplotnega ponora in vira toplote ter glede na čim manjše tlačne izgube. Celoten hidravlični sistem bo dimenzioniran tako, da bodo čim manjše tlačne izgube znotraj elementov, kot so povratni ventili, odzračevalni ventili, cevni priključki, manometri itd.. Ta naloga je bila realizirana.

T3.3: Vsi elementi hidravličnega sistema bodo testirani posamično z namenom, da določimo pravilne tlačne izgube. V primeru, da se bo izkazalo kot potrebno, bomo tudi optimizirali določene elemente v okviru te naloge. Ta naloga je bila realizirana.

T3.4: Prenosniki toplote, vsi periferni elementi in aktivni magnetni regenerator bodo povezani skupaj s črpalnim sistemom v skupen hidravličnem krogu. Ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 50%)

T3.5: Izvedeni bodo eksperimenti dinamičnega obnašanja celotnega hidravličnega kroga. Ta naloga še ni bila realizirana.

 

Delovni paket 4 (DP4): Krmiljenje

T4.1: Na podlagi izbranih algoritmov krmiljenja, bo zasnovano ustrezno vezje. Posebno pozornost bomo namenili intenzivnosti magnetnega polja in njenim spremembam, hitrosti pretoka tekočine, smeri tekočine in frekvence obratovanja za skupno delovanje celotne naprave. Ta naloga je bila realizirana.

T4.2: Po zasnovi vezja bo izdelan prototip elektronskega vezja. Poseben poudarek bo namenjen časovnemu odzivu reaktivnih elementov vezja. Ta naloga je bila realizirana.

T4.3: Izvedeni bodo eksperimentalni testi s katerimi bomo lahko določili učinkovitost delovanja krmilnega sistema na krmiljenje dinamičnega delovanje vira magnetnega polja in črpalnega sistema. Poleg tega, bodo izvedeni testi dinamike toplotne črpalke s spreminjanjem temperatur na strani dobave/zahteve. Ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 70%)

T4.4: Prilagoditev in optimizacija vseh krmilnih signalov za pravilno delovanje magnetne podporne toplotne črpalke. Ta naloga še ni bila realizirana.

 

Delovni paket 5 (DP5): Integracija in demonstracija

T5.1: Uspešna integracija magnetokalorične toplotne črpalke v laboratorijsko ogrevalno podpostajo. Ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 30%)

T5.2: Nastavitev krmilnega sistema magnetokalorične toplotne črpalke za delovanje v realnih pogojih, ki jih določa temperatura sanitarne tople vode in potreba po toploti za ogrevanje sanitarne tople vode. Ta naloga še ni bila realizirana.

T5.3: Obsežen niz testiranj in iterativnih sprememb, ki temeljijo na parametrični eksperimentalni analizi. Ta naloga še ni bila realizirana.

T5.4: Implementacija magnetokalorične toplotne črpalke v že delujoč sistem daljinskega ogrevanja. Obsežno testiranje izjemnih situacij pred popolnoma avtomatiziranim delovanjem naprave. Ta naloga še ni bila realizirana.

T5.5: Terensko testiranje uspešnosti implementiranja magnetokalorične toplotne črpalke znotraj delujočega sistema daljinskega ogrevanja. Ta naloga še ni bila realizirana.

 

Delovni paket 6 (DP6): Dejavnosti razširjanja in komunikacija

Ta naloga poteka ves čas.

 

Pojdi na vsebino