Sensitivity analysis and robust controller design of an absorption compression high-temperature heat pump based on a detailed dynamic numerical model

Abstract

Die Dekarbonisierung industrieller Prozesse und kommunaler Fernwärmenetze erfordert eine effiziente Bereitstellung von Hochtemperaturwärme. Herkömmliche Kompressionswärmepumpen sind bei diesen Anwendungen aufgrund der großen Temperaturgleits in Prozess- und Abwärmeströmen oft thermodynamisch im Nachteil. Eine vielversprechende Lösung bietet die auf dem Osenbrück-Zyklus basierende hybride Absorptions-Kompressions-Wärmepumpe (ACHP). Durch die Nutzung eines zeotropen Ammoniak-Wasser-Gemischs ermöglicht sie nicht-isotherme Phasenübergänge, die optimal an externe Temperaturprofile angepasst werden können, wodurch Exergie Verluste minimiert werden. Die Integration des Lösungskreislaufs erhöht jedoch die Systemkomplexität erheblich. Im Vergleich zu aufwendigen physikalischen Experimenten bieten detaillierte dynamische Modelle eine effiziente Möglichkeit, das transiente Verhalten zu verstehen und robuste Regelungsstrategien zu entwickeln.Diese Arbeit umfasst die Entwicklung, Validierung und Analyse eines detaillierten dynamischen Modells einer ACHP, welches eine Versuchsanlage der Technischen Universität Norwegen (NTNU) als digitalen Zwilling abbildet. Implementiert in der Programmiersprache Modelica unter Nutzung der Process Systems Library (PSL), verfolgt das Modell einen neuartigen Ansatz: Anstatt das Arbeitsmedium als quasi-reines Fluid zu behandeln, werden die einzelnen Komponenten des Gemischs explizit abgebildet. Zudem wurde ein spezielles Modell für den ölfreien Schraubenverdichter entwickelt, das die thermodynamischen Effekte der kontinuierlichen Einspritzung der armen Lösung berücksichtigt. Da die aktuelle Implementierung der Stoffwerte auf idealen Mischungsregeln mit empirischer Partialdruckkorrektur basiert, treten aufgrund der unberücksichtigten exothermen Absorptionswärme gewisse Abweichungen bei den absoluten Systemdrücken auf. Dennoch bildet das Modell die relativen dynamischen Trends und kausalen Zusammenhänge der realen Anlage zuverlässig ab. Die objektorientierte Architektur ermöglicht zudem die problemlose Integration hochgenauer realer Fluid-Zustandsgleichungen in zukünftigen Entwicklungsstufen.Eine umfassende parametrische Analyse liefert tiefe Einblicke in das transiente thermodynamische Verhalten des Kreislaufs. Sie zeigt, dass das passive Fluidinventar als entscheidender dynamischer Freiheitsgrad fungiert: Ein höherer Füllstand im Niederdruckabscheider bindet mehr Wasser, was die Ammoniakkonzentration im aktiven Kreislauf erhöht und das erforderliche Druckverhältnis signifikant senkt. Darüber hinaus deckt die Analyse eine fundamentale thermodynamische Asymmetrie auf. Auf der Quellenseite wird die Effizienz primär vom absoluten Temperaturniveau dominiert, welches schwerer wiegt als eine perfekte geometrische Anpassung des Temperaturgleits. Auf der Senkenseite hingegen ist die präzise Anpassung des Gleits der maßgebliche Faktor für einen hohen Wirkungsgrad. Räumlich aufgelöste Temperaturprofile der Wärmeübertrager zeigen jedoch, dass das thermodynamische Optimum aufgrund der nichtlinearen spezifischen Wärmekapazität des Gemisches und lokaler Pinch-Punkte nicht bei perfekt paralleler Ausrichtung liegt.Basierend auf diesen thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten wird abschließend eine robuste Regelungsarchitektur vorgeschlagen. Dabei optimiert das Expansionsventil den senkenseitigen Gleits über das Zirkulationsverhältnis, die Lösungspumpe steuert das Inventar zur Anpassung der Konzentration und der Verdichter regelt das Druckniveau. Letztlich stellt dieses dynamische Simulationsmodell einen fundamentalen digitalen Zwilling für zukünftige Forschungen dar. Es dient als Blaupause für detaillierte ACHP-Analysen und bietet dank seiner Struktur und Rechenleistung die ideale Basis für weiterführende Untersuchungen, wie etwa die Optimierung von Anfahrvorgängen und das Nutzen von Software-in-the-Loop für fortschrittliche Regelungskonzepte.

The decarbonization of the industrial sector and the modernization of space heating, especially with district heating networks, require efficient electrification and provision of high-temperature heat. Conventional vapor compression heat pumps are often thermodynamically disadvantaged in these applications due to large temperature glides inherent in process and waste heat streams. The hybrid absorption-compression heat pump (ACHP) based on the Osenbrück cycle offers a promising solution. By utilizing the zeotropic ammonia-water mixture, the ACHP enables non-isothermal phase changes that can be tailored to match external temperature profiles, thereby minimizing exergy destruction. However, the integration of a solution circuit significantly increases operational complexity. Advanced dynamic models offer an easier way to understand transient behaviour and develop robust control strategies compared to sophisticated physical experiments.This thesis presents the development, validation, and analysis of a detailed dynamic numerical model of an ACHP, digitally replicating a research plant located at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). Implemented in the Modelica programming language using the Process Systems Library (PSL), the model introduces a novel approach by explicitly tracking the individual components of the ammonia-water mixture rather than assuming a quasi-pure working fluid. Furthermore, it integrates an adapted model for the oil-free screw compressor that accounts for the thermodynamic effects of continuous weak solution injection. The current fluid property implementation utilizes simplified ideal mixing rules with an empirical partial pressure correction. Consequently, specific deviations in absolute pressure are observed due to the uncalculated exothermic heat of absorption. Nevertheless, the model successfully captures the relative dynamic trends and causal relationships of the physical system, offering a solid starting point for analysis. Its object-oriented structure also forms an excellent basis for incorporating real fluid equations of state at a later stage.A comprehensive sensitivity analysis conducted with the implemented model yields fundamental insights into the cycle's thermodynamic behaviour. First, it demonstrates that the system's passive inventory acts as a dynamic degree of freedom. Higher liquid filling levels in the low-pressure separator stores water, forcing a higher ammonia concentration in the active circuit, which significantly lowers the required pressure ratio. Second, the analysis reveals a critical thermodynamic asymmetry between the individual temperature curves in the heat exchangers. On the source (low-pressure) side, the absolute temperature level dominates performance. It is more advantageous to supply heat at elevated temperatures than to match geometric glide. Conversely, on the sink (high-pressure) side, precise glide matching is the primary driver of efficiency. However, spatially resolved heat exchanger profiles indicate that the thermodynamic optimum occurs at a slight mismatch rather than a perfect parallel alignment. This compensates for the mixture's nonlinear specific heat capacity and the pinch points that result in the heat exchanger.Based on these interdependent thermodynamic mechanisms, the thesis concludes by proposing a robust control architecture. The strategy assigns the expansion valve to optimize the sink-side glide via the circulation ratio, the solution pump to manage inventory and trim concentration and the compressor to maintain the high-pressure load. Ultimately, this dynamic simulation framework provides a foundational digital replica for future research. After incorporating an accurate fluid model for the mixture, this work can serve as a template for detailed ACHP analysis. The structure and computational performance of the dynamic model enable further investigations, including start-up optimization and advanced controller validation.