Variable Capacity Mini-Split Air Source Heat Pump Model for TRNSYS

Les pompes à chaleur sont des appareils efficaces qui ont la capacité d'extraire la majorité de leur énergie de sources renouvelables (air, sol, eau). Les pompes à chaleur air-air (PACAA), en particulier, sont utilisées depuis longtemps dans le secteur résidentiel canadien. Elles sont faciles à installer, leur coût en capital est moindre que les pompes à chaleur utilisant le sol (géothermie) et elles représentent une solution efficace de chauffage résidentiel qui peut jouer un rôle important dans les efforts internationaux pour diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Malgré ces avantages, les PACAA comportent leur part de contraintes qui limitent leur progression au pays. Elles sont reconnues pour multiplier les cycles marche/arrêt à charge partielle, ce qui affecte leur efficacité et cause de l'inconfort pour les usagers. Leurs performances chutent rapidement à basse température ambiante, au point où elles cessent complètement d'opérer dans les climats froids. Les économies sur les coûts peuvent alors devenir négligeables ou inexistantes dans certaines régions caractérisées par un climat froid et/ou un accès à de l'énergie abordable comme du gaz naturel. De récents progrès technologiques ont favorisé la venue des compresseurs entraînés par des moteurs à fréquence variable (inverter-driven compressors) dans les pompes à chaleur air-air à capacité variable (PACAACV). Ces compresseurs permettent d'accroître la capacité de chauffage en maintenant un Coefficient de Performance (COP) supérieur à 1.0 à basse température ambiante, tout en offrant plus de confort et d'efficacité à charge partielle. Cependant, certaines études rapportent que la technologie pourrait ne pas toujours livrer les performances (COP) annoncées sur le terrain. De plus, il y a présentement une pénurie de modèles de simulation disponibles pour aider les ingénieurs en bâtiment à mieux comprendre le comportement et estimer le potentiel d'économie énergétique des PACAACV. Les objectifs principaux de ce projet sont donc d'effectuer des tests de laboratoire sur des pompes à chaleur air-air bibloc à capacité variable pour obtenir une cartographie de performance complète, et d'utiliser ces résultats pour créer un modèle de PACAACV simple et accessible pour utilisation dans le logiciel de simulation TRNSYS. Des expériences détaillées ont été menées dans une chambre de test de contrôle climatique au laboratoire de CanmetÉNERGIE à Varennes.

Abstract

Heat pumps are energy efficient devices that can extract the majority of their energy from a renewable cold source (air, ground, water). Air source heat pumps (ASHPs), in particular, have long been used in the Canadian residential sector. They are easy to install, their capital cost is lower than ground source heat pumps, and they represent an energy efficient space heating solution than can play a key role in international efforts to reduce GHG emissions. Despite these advantages, ASHPs also have limitations that hinder their adoption in the country. They are known to cycle at part load, causing discomfort for users and reducing their efficiency. Their performance also decreases significantly with outdoor temperature, to the point where they stop operating in colder climates. Therefore, utility cost savings can become negligible or non-existent in some regions characterized by cold climate and/or access to affordable energy sources like natural gas. Recent technological advancements have seen the use of inverter-driven compressors in variable capacity air source heat pumps (VCASHPs). Their benefit is to increase the heating capacity while maintaining an efficiency above 100 % at low ambient temperatures. They also maintain better comfort conditions at warmer temperatures by avoiding On/Off cycles. However, some studies report that the technology may not always deliver the advertised improved efficiency in the field. Moreover, there is a lack of simulation models available for building designers to better understand VCASHP behaviour and estimate their energy saving potential. The main objectives of this project are therefore to perform laboratory tests on a mini-split variable capacity air source heat pump to obtain a complete performance map, and use these results to create a simple and accessible VCASHP model in TRNSYS. Detailed experiments were conducted in an environmental controllable test chamber at the CanmetENERGY-Varennes laboratory. The test bench can provide a variety of heating loads and user-defined ambient temperatures, while explicitly measuring compressor frequency to help establish its impact on VCASHP performance. Testing was conducted from December 2016 to April 2017 with a commercially available ductless VCASHP system with a rated heating and cooling capacity of 4.0 kW (13,600 Btu/h) at 8.3 °C and 3.5 kW (12,000 Btu/h) at 35 °C, respectively.