Lämpöpumppuprosessin mallinnus OpenModelica-ohjelmalla

Abstract

Lämpöpumpuilla on paikkansa hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä ja siten ilmastonmuutoksen torjunnassa. Kysyntä vaatii myös kehitystyötä, jota helpottamaan voidaan käyttää erilaisia mallinnustyökaluja. Eräs näistä on OpenModelica, Modelica-mallinnuskieltä hyödyntävä avoimen lähdekoodin dynaaminen mallinnusohjelma. OpenModelicalla voidaan tuottaa malli esimerkiksi sen graafisella käyttöliittymällä, ja simuloida luotu malli. Tällöin ohjelma piirtää automaattisesti kuvaajat saadusta simulaatiodatasta, mikä tekee mallinnuksesta havainnollista. Simulaation tuloksia voidaan myös tarkastella muuttujalistauksen avulla, tai viemällä simulaatiodata CSV-muotoon. Modelicalle on luotu useita avoimen lähdekoodin kirjastoja, jotka sisältävät mallinnusta helpottavia paketteja. Sekä OpenModelica-ohjelmalle että Modelica-kielelle luoduille kirjastoille löytyy kattavat dokumentaatiot, jotka helpottavat ohjelman käyttöönottoa.

OpenModelica soveltuu hyvin lämpöpumppujen mallinnukseen. Modelica-kielelle luodut Buildings- ja AixLib-kirjastot sisältävät paljon fluidivirtaukseen ja siten myös lämpö-pumpuille soveltuvia malleja – niin valmiita lämpöpumppuja kuin esimerkiksi kompressoreja ja lämmönsiirtimiä, joiden avulla voidaan mallintaa lämpöpumppu. Kirjastoista löytyvät valmiit mallit sekä tärkeimmät yhtälöt sisältävät perusluokat helpottavat mallinnusta ja vähentävät virheiden mahdollisuutta. Tässä työssä perehdytään tarkemmin kahteen näistä kirjastoista löytyvään erilaiseen lämpöpumppumalliin ja tarkastellaan niiden simulointia.

Heat pumps have their place in reducing carbon dioxide emissions and thus in preventing climate change. Demand also requires development, which can be facilitated by using various modelling tools. One of these is OpenModelica, an open source, dynamic modelling program that uses the Modelica modelling language. OpenModelica can be used to make a model by using, for example, its graphical user interface and then simulate that model. The program then automatically draws graphs from the obtained simulation data which makes the modelling illustrative. Results of the simulation can also be viewed using the variable browser or by exporting the data to CSV format. There are several open-source libraries created for Modelica that are compatible with OpenModelica. These libraries contain packages that make modelling easier. Comprehensive documentations can be found for both the OpenModelica program, and all the libraries made for the Modelica language, which make it easier to implement the program.

OpenModelica suits well for modelling heat pumps, for example. Buildings and AixLib libraries include a variety of models suitable for fluid flow and therefore also heat pumps – ready-made heat pumps as well as, for example, compressors and heat exchangers which can be used to model a heat pump. Ready-made models and base classes containing the most important equations found in the libraries ease modelling and decrease the possibility of errors. In this thesis two different heat pump models from these libraries and their simulation data are being examined.