Modeling and Experimental Validation of a Water-to-Water Heat Pump

Cette étude porte sur le développement d'un modèle élaboré pour analyser l'efficacité énergétique et le comportement opérationnel des pompes à chaleur eau-eau, en se concentrant sur celles utilisant des compresseurs à vitesse fixe et variable. Dans la première partie de ce travail, l'effort de modélisation porte sur les échangeurs de chaleur intermédiaires, les détendeurs, et les configurations impliquant l'utilisation de compresseurs multiples et de compresseurs à vitesse variable. Il est démontré que l'intégration d'échangeurs intermédiaires entre le condenseur et l'évaporateur peut améliorer le coefficient de performance (COP) des pompes à chaleur. Cependant, l’augmentation du COP dépend significativement du fluide frigorigène sélectionné et des paramètres opérationnels du système. Les détendeurs ont le potentiel d'augmenter le COP des pompes à chaleur en produisant du travail en utilisant la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur. Des augmentations de COP de l'ordre de 6 à 13 % sont possibles. L'utilisation de plusieurs compresseurs à vitesse fixe de différentes capacités et connectés en parallèle peut augmenter le facteur de performance saisonnier (SPF) d'environ 12 %. Les compresseurs à vitesse variable offrent une amélioration supplémentaire de 8 % du SPF par rapport aux compresseurs à vitesse fixe. Ensuite, l'approche de modélisation est raffinée en se concentrant sur la modélisation de composants réels. Des contributions sont apportées dans le domaine de la modélisation des échangeurs de chaleur à plaques (condenseur et évaporateur) ainsi que dans la prédiction des performances des compresseurs en utilisant une version améliorée de la norme AHRI pour les compresseurs à vitesse variable. Résoudre le modèle complet d'une pompe à chaleur nécessite de gérer un ensemble complexe d'équations non linéaires impliquant des calculs de propriétés thermo-physiques, des coefficients de transfert de chaleur et des surfaces d'échange thermique. Cet ensemble d'équations est sensible aux valeurs de départ, ce qui rend difficile l'exécution de simulations à long terme pour des paramètres d'entrée changeant rapidement. Pour contourner ce problème, un modèle TRNSYS basé sur des cartes de performance est amélioré en incluant une vitesse minimale de fonctionnement ainsi qu'une représentation précise de la consommation d'énergie à charge partielle. Le modèle est ensuite utilisé pour examiner l'impact de l'opération à vitesse variable sur la longueur du forage de puits géothermiques utilisés pour pompes à chaleur vii géothermiques. Il est montré que la courbe de couverture énergétique de la pompe à chaleur en fonction du pourcentage de couverture des besoins maximums est similaire à celle observée avec les compresseurs à vitesse fixe. La validation expérimentale du modèle est réalisée à l'aide d'un banc d'essai spécifiquement construit pour cette étude. L'installation comprend deux boucles secondaires à température contrôlée permettant la validation en régime permanent du modèle. Il est démontré que les prédictions de COP du modèle correspondent aux données expérimentales dans les limites de l'incertitude expérimentale. Le modèle est capable de prédire des scénarios où la surface de sous-refroidissement se réduit à zéro, une condition non souhaitable, suggérant une condensation incomplète du fluide frigorigène, ce qui pourrait interférer avec le fonctionnement de la valve d’expansion thermostatique. Ces prédictions coïncident avec les directives fournies par le fabricant pour ces conditions non désirées.

Abstract

Central to this study is the creation of an elaborate model to analyze the efficiency and operational behavior of water-to-water heat pumps, with a focus on those employing fixed-speed and variable-speed compressors. In the first part of this study, the modeling effort encompasses a detailed look at developments like intermediate heat exchangers, expanders, and configurations involving the use of multiple compressors and variable-speed compressors. It is shown that the integration of intermediate heat exchangers between the condenser and evaporator can enhance the efficiency of heat pumps. However, the degree of enhancement is significantly dependent on the selected refrigerant and the operational parameters of the system. Expanders have the potential to increase the efficiency of heat pumps by providing work using the pressure difference between the condenser and evaporator: COP increases in the order of 6 to 13% are possible. Employing multiple fixed-speed compressors (MC) of different capacities piped in parallel can increase the seasonal performance factor (SPF) by about 12%. Variable-speed compressors offer an extra 8% of SPF improvement over MC. Then, the modeling approach is improved by focusing on modeling real components. Contributions are made in the area of modeling plate heat exchangers (condenser and evaporator) as well as in the prediction of compressor performance using an improved version of the AHRI standard for variable speed compressors. Solving the complete model of a heat pump requires handling a complex set of nonlinear equations involving thermo-physical property calculations, heat transfer coefficients and heat transfer areas. This set of equations is sensitive to initial guess values which makes it difficult to perform long-term simulations for fast changing inlet parameters. To circumvent this problem an improved TRNSYS performance-based model is proposed which include a minimum operational speed along with an accurate representation of power consumption at part load. The model is then used to examine the impact of variable speed operation on the borehole length of ground-source heat pumps. It is shown that the curve of energy coverage versus effect coverage is similar to the one experienced by fixed-speed compressors. Experimental validation of the model is performed with a test bench specifically built for this study. The facility includes two temperature controlled secondary loops which enable steady-state validation of the model. It is shown that the COP predictions fall within the limits of experimental ix uncertainty in every case. The model can predict scenarios where the subcooling surface area reduces to zero, a non-desirable condition, suggesting incomplete condensation of the refrigerant, which could interfere with the operation of the expansion valve. These predictions coincide with the guidelines provided by the manufacturer for non-operational conditions.