The survey from US Department of Energy showed that about one-third of energy consumption in US is due to air conditioning and refrigeration systems. This significant usage of electricity in the HVAC industry has prompted researchers to develop dynamic models for the HVAC components, which leads to implementation of better control and optimization techniques. In this research, efforts are made to model a multi-evaporator system. A novel dynamic modeling technique is proposed based on moving boundary method, which can be generalized for any number of evaporators in a vapor compression cycle. The models were validated experimentally on a commercial supermarket refrigeration unit. Simulation results showed that the models capture the major dynamics of the system in both the steady state and transient external disturbances. Furthermore the use of MEMS (microelectromechanical) based Silicon Expansion Valves (SEVs) have reportedly shown power savings as compared to the Thermal Expansion Valves (TEVs). Experimental tests were conducted on a supermarket refrigeration unit fitted with the MEMS valves to explain the cause of these potential energy savings. In this study an advanced cascaded control algorithm was also designed to control the MEMS valves. The performance of the cascaded control architecture was compared with the standard Thermal Expansion Valves (TEVs) and a commercially available Microstaq (MS) Superheat Controller (SHC). The results reveal that the significant efficiency gains derived on the SEVs are due to better superheat regulation, tighter superheat control and superior cooling effects in shorter time period which reduces the total run-time of the compressor. It was also observed that the duty cycle was least for the cascaded control algorithm. The reduction in duty cycle indicates early shut-off for the compressor resulting in maximum power savings for the cascaded control, followed by the Microstaq controller and then the Thermal Expansion Valves.

This thesis presents an approach for identifying critical model parameters in dynamic air-conditioning systems using limited sensor information. The expansion valve model and the compressor model parameters play a crucial role in the system model's accuracy. In the past, these parameters have been estimated using a mass flow meter; however, this is an expensive devise and at times, impractical. In response to these constraints, a novel method to estimate the unknown parameters of the expansion valve model and the compressor model is developed. A gray box model obtained by augmenting the expansion valve model, the evaporator model, and the compressor model is used. Two numerical search algorithms, nonlinear least squares and Simplex search, are used to estimate the parameters of the expansion valve model and the compressor model. This parameter estimation is done by minimizing the error between the model output and the experimental systems output. Results demonstrate that the nonlinear least squares algorithm was more robust for this estimation problem than the Simplex search algorithm. In this thesis, two types of expansion valves, the Electronic Expansion Valve and the Thermostatic Expansion Valve, are considered. The Electronic Expansion Valve model is a static model due to its dynamics being much faster than the systems dynamics; the Thermostatic expansion valve model, however, is a dynamic one. The parameter estimation algorithm developed is validated on two different experimental systems to confirm the practicality of its approach. Knowing the model parameters accurately can lead to a better model for control and fault detection applications. In addition to parameter estimation, this thesis also provides and validates a simple usable mathematical model for the Thermostatic expansion valve.

Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.

Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.

In opening, this diploma thesis is introducing the company Daikin Device Czech s.r.o. In the next step the principle of function of a heat pump. Then there are described its main parts. First part of this thesis is dedicated to assembly line of the heat pump’s switchboxes. The layout of the assembly line is described and added with description of used health and quality measures. Main part is speaking about running test of the switchbox line. The main function of the test is described alongside with description of the process of making the testing software.

V súčasnosti sa kladie veľký dôraz na znižovanie produkcie emisií, čistotu a kvalitu životného prostredia. Tieto trendy sa týkajú všetkých odvetví, tak isto aj stavebného priemyslu a vykurovania budov. Doposiaľ bolo najrozšírenejším typom vykurovania spaľovanie fosílnych palív. Do popredia sa však dostávajú tepelné čerpadlá a začínajú zaberať výrazný podiel trhu. Kvôli dopytu po tepelných čerpadlách vzrastá počet výrobcov a konkurencia. Cieľom výrobcov je zvyšovanie účinnosti tepelných čerpadiel a zároveň znižovanie výrobných nákladov na dosiahnutie lepšej pozície na trhu. Predložená práca sa zaoberá procesmi prebiehajúcimi v chladivovom okruhu tepelného čerpadla. Skúma správanie chladiva počas kondenzácie a možnosti zvýšenia účinnosti tepelného čerpadla. Zvýšenie účinnosti je dosiahnuté podchladením chladiva počas kondenzácie na zvýšenie tepelných ziskov. To je dosiahnuté zaradením druhého elektronického expanzného ventilu za kondenzátorom. Táto technológia je však finančne náročná. Práca sa zaoberá výpočtom kapiláry na základe praktických meraní, ktorá bude zadržiavať chladivo v kondenzátore a bude plniť podobnú úlohu ako expanzný ventil. Následne sú porovnané výsledky jednotlivých meraní. Výsledky sú porovnané voči jednoduchému systému, kde nedochádza k podchladeniu chladiva. V závere práce je analýza výsledkov jednotlivých systémov.

Systematické řízení tepelných a elektrických toků v plně elektrických automobilech se stává velmi důležitým, protože v těchto typech automobilů není k dispozici dostatek odpadního tepla pro vytápění kabiny. Aby v zimním období nedocházelo ke snížení dojezdu, je nutné použití technologií, které umožní snížení spotřeby energie nutné k vytápění kabiny (např. tepelné čerpadlo, zásobník tepla). Je také zapotřebí vytvořit řídicí algoritmy pro tato zařízení, aby byl zajištěn jejich optimální provoz. V letním období je nezbytné řídit tepelné toky v rámci elektromobilu tak, aby nedocházelo k nadměrnému vybíjení baterie kvůli chlazení kabiny a dalších částí. Tato práce řeší jak návrh řídicích algoritmů, tak i vývoj rozhodovacího algoritmu, který zajistí směřování tepelných toků.

Diploma thesis focuses on effect of the bypass factor on design and geometry of the evaporator for the cooling unit of data centre. Effect of the bypass factor on individual design parameters is solved in detail. All dependendecies are captured by using graphs in which s placed a cement on that parameter. In part C, mathematical and physical solutions are demonstrated calculations and processes leading to the design of the exchanger. In the end, evaluation of the calculations is done and there is also showed possible improvements for the practise.