Experimental and numerical study of a heat pump for simultaneous heating and cooling using air as a balancing source

Autor: Byrne, Paul
Přispěvatelé: Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique (LGCGM), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), INSA de Rennes, Jacques Miriel(jacques.miriel@univ-rennes1.fr), Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2009
Předmět:
Zdroj: Thermique [physics.class-ph]. INSA de Rennes, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩
Thermique [physics.class-ph]. INSA de Rennes, 2009. Français
Popis: Nowadays, the trend which combines a reinforcement of thermal insulation of buildings and an increase of internal gains due to more and more electric devices (such as computers, domestic appliances...) leads to a decrease of heating loads but can generate cooling loads in mid-season and summer. Heating and cooling loads become more and more balanced during a day and during a year in general. Moreover, domestic hot water (DHW) production takes an increasing part in the total energy needs, which provokes a partial simultaneity of heating and cooling needs as soon as cooling is required. A heat pump producing heat and cold simultaneously associated to a short time energy storage system appears then as an interesting solution. The Heat Pump for Simultaneous heating and cooling1 (HPS) developed by our research team is a hot and cold water production system designed to carry out space heating, space cooling and DHW production for hotels, luxury dwellings and smaller office buildings. The key features of the concept reside in the conception of the frigorific circuit and in the control of the operating modes and the defrosting sequence. Heat and cold productions are adapted to building loads using an ambient air (free source easily available) balancing coil, working either as a condenser or an evaporator. During the heating period, the HPS stores some energy, obtained by subcooling of the refrigerant, on the cold water loop. This energy is used subsequently at the water evaporator in order to improve the performance by an increase of the evaporating temperature and if necessary, to carry out defrosting without stopping the heat production. The defrosting energy is provided by a thermosiphon formed between the two evaporators at different temperatures. The use of a subcooler imposes a high pressure control system to ensure a complete condensation in the useful water condenser. The high pressure control system is composed of a two-phase refrigerant receiver connected at the top part to the compressor discharge line and to a low pressure point of the circuit and at the bottom part to the liquid line of the refrigerant circuit. Injecting hot gas from the compressor discharge line into the receiver will increase the high pressure and driving out gas from the receiver towards the low pressure point will decrease the high pressure of the system. Experiments have been carried out on a R407C HPS prototype for variable operating conditions in terms of air and water temperatures and possible modes of operation (heating, cooling and simultaneous production). The prototype performance is in accordance with what is announced by the selection software of the compressor manufacturer. The experimental study has also enabled to observe the thermosiphon defrosting technique and to verify the proper operation of the high pressure control system and the alternated winter sequence (1: heating mode with storage on the cold loop of heat recovered by subcooling of the refrigerant. 2: simultaneous production mode using the previously stored energy at the evaporation, more efficient and with possible defrosting). The operation of the HPS has been modelled using two working fluids: HFC R407C and CO2. Within the present context livened up by possible political measures concerning the impact of greenhouse gases on global warming, carbon dioxide is an interesting working fluid for its low environmental impact (ODP = 0 and GWP100years = 1) and for the particular characteristics of the thermodynamic cycle used (transcritical cycle). Indeed a high amount of energy is recoverable by subcooling and DHW can be produced in an efficient way. In annual simulations R407C and CO2 HPSs are compared to standard reversible heat pumps in terms of performance, energy savings and environmental impact. This concept of HPS clearly offers an improvement compared to a standard reversible heat pump and the use of carbon dioxide as a working fluid presents good perspectives of development.; Les nouveaux bâtiments sont sujets à un renforcement de l'isolation thermique, à une augmentation des surfaces vitrées et à un accroissement des apports internes dus à des appareils électriques de plus en plus nombreux (ordinateurs, électroménager...). Cette tendance conduit à une diminution des demandes de chauffage mais peut engendrer des demandes de rafraîchissement en mi-saison et en période estivale. Les besoins en chauffage et en rafraîchissement deviennent plus équilibrés sur une journée et sur l'année en général. De plus, l'eau chaude sanitaire (ECS) occupe une place de moins en moins négligeable dans les besoins énergétiques totaux, ce qui provoque une simultanéité partielle des besoins en chaud et en froid dès que des demandes de rafraîchissement apparaissent. Une thermofrigopompe (TFP), machine frigorifique produisant de l'énergie calorifique et frigorifique de manière simultanée, associée à un stockage tampon d'énergie devient alors une solution intéressante. La TFP de petite à moyenne puissance est un système de production d'eau chaude et d'eau froide utilisant l'air comme source gratuite, destiné au chauffage, au rafraîchissement et à la production d'ECS pour des bâtiments du secteur résidentiel et du petit tertiaire. Elle présente plusieurs spécificités techniques dans la conception du circuit frigorifique, dans la gestion des modes de fonctionnement et des séquences de dégivrage. L'ajustement des productions de chaud et de froid aux charges du bâtiment s'effectue grâce à l'utilisation d'un échangeur d'équilibrage sur air extérieur fonctionnant soit en condenseur, soit en évaporateur. En période de chauffage, cette TFP offre également la possibilité de stocker une certaine quantité d'énergie sur la boucle d'eau froide à l'aide d'un sousrefroidisseur. Cette énergie stockée est utilisée en temps différé à l'évaporateur à eau afin d'améliorer les performances par un relèvement de la température d'évaporation et éventuellement de dégivrer l'évaporateur à air sans arrêter la production de chaleur. L'énergie de dégivrage est apportée par un thermosiphon diphasique formé entre les deux évaporateurs à des températures différentes. La présence d'un sous-refroidisseur impose le contrôle de la haute pression pour assurer une condensation totale du réfrigérant dans le condenseur utile. Le système de contrôle de pression est constitué d'une bouteille contenant du réfrigérant à l'équilibre liquide / vapeur connectée en partie basse à la ligne liquide et en partie haute au refoulement du compresseur et à un point en basse pression du circuit. Une injection de gaz provenant du refoulement du compresseur entraîne une augmentation de la haute pression. Une chasse vers la basse pression provoque une diminution de la haute pression du système. Une étude expérimentale a été menée sur une machine prototype de TFP au R407C pour des conditions variables de fonctionnement en températures d'air et d'eau et pour les différents modes possibles (chauffage, rafraîchissement et production simultanée). Les performances obtenues expérimentalement sont en accord avec celles annoncées par le logiciel de sélection développé par le constructeur du compresseur. L'étude expérimentale a également permis d'observer le dégivrage par thermosiphon, de vérifier le bon fonctionnement du système de gestion de la pression de condensation et des séquences alternées en période hivernale (1 : mode chauffage avec stockage de chaleur sur la boucle d'eau froide par sous-refroidissement. 2 : mode équilibré utilisant une évaporation par l'énergie stockée sur la boucle d'eau froide, plus performant, avec dégivrage éventuel). Le fonctionnement de la TFP a été modélisé avec deux réfrigérants : le HFC R407C et le CO2. Dans le contexte actuel animé par d'éventuelles décisions politiques concernant l'impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique, le dioxyde de carbone est un fluide intéressant d'abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans = 1) et pour les caractéristiques particulières du cycle thermodynamique utilisé (cycle transcritique). En effet, une grande quantité d'énergie est récupérable par sous-refroidissement du fluide frigorigène et de l'ECS à haute température peut être produite de manière performante. Dans des simulations annuelles, les TFP au R407C et au CO2 sont comparées à des pompes à chaleur réversibles sur les critères de performance, d'économie d'énergie et d'impact environnemental. Le concept de cette TFP offre clairement une amélioration des performances par rapport à une pompe à chaleur réversible classique et l'utilisation du dioxyde de carbone présente de bonnes perspectives de développement.
Databáze: OpenAIRE
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