Energy Optimization and Techno-economic assessment of an air source heat pump for sanity hot water production

Abstract

[EN] Nowadays there are in the market high performance air source heat pumps for sanitary hot water production (SHW) and there is lot of research work for further increasing it. Nevertheless, when installing those high-performance system coupled with a storage tank, until 30 % of the global system energy efficiency (SPF4) can be spoiled. The indirect connection between the heat pump and the storage tank has a big influence on the SPF4. However, after reviewing the literature, it was found that none of the studies related to this topic was specifically addressing this issue. This work is focused on the indirect connection, which according to EN 1717:2000 is of compulsory fulfilment to prevent pollution of potable water by backflow. The objective thus is to determine the indirect connection with the highest possible energy efficiency, costeffectiveness, and the lowest environmental cost. Moreover, an additional objective is to determine the operating variables that make the system work in the optimal SPF4. Concluding with two guides, one for the selection of the optimal case depending on the climate of the region in the EU and another to select the optimal operation values of the HP to maximize the SPF4. An integrated system model in TRNSYS has been created based on Geot€ch European project, analysing three different options of indirect connection: (i) coil heat exchanger, (ii) external heat exchanger and (iii) double wall condenser. Cases that have been compared against the conventional systems for SHW production: immersion electric heater and gas boiler. Resulting in the double wall condenser case as the most efficient, cost-effective and least CO2 emitter option. Regarding the techno-economic analysis, heat pump technology has been proved profitable against the immersion electric heater but non-profitable against the gas boiler and thus the breakeven price for the profitability of the HP over the gas case has been obtained.

[ES] Actualmente existen en el mercado bombas de calor aerotérmicas para producción de agua caliente sanitaria de muy altas prestaciones y además hay mucha labor de investigación para obtener equipos con mejores prestaciones. En cambio, cuando estos equipos se instalan junto con un sistema de almacenamiento térmico la eficiencia del sistema puede caer hasta un 30 %. La conexión indirecta entre la bomba de calor y el sistema de almacenamiento tiene pues una gran influencia en la eficiencia global del sistema y no hay ningún estudio específico acerca de este tema en la literatura. Este trabajo se centra en dicha conexión indirecta que de acuerdo con la EN 1717:2000 es de obligado cumplimiento para prevenir la contaminación del agua de consumo por reflujo. El objetivo es determinar la conexión indirecta con la eficiencia energética y rentabilidad más altas y con los mínimos costes medioambientales. Además, otro objetivo adicional es el de determinar los valores de operación que hacen trabajar al sistema en el punto de máxima eficiencia. Concluyendo con 2 guías, una para la selección del caso de conexión indirecta óptima en función del clima de la UE y otra para seleccionar los valores de operación de la bomba que maximizan SPF4. Tres opciones de conexión indirecta se han analizado: (i) intercambiador tipo coil, (ii) intercambiador de calor externo y (iii) condensador de doble pared; desarrollado un modelo integral del sistema en TRNSYS basado en el proyecto Europeo Geot€ch. Comparándolos frente a los sistemas convencionales: calentador eléctrico y caldera de gas. Los resultados muestran la opción del condensador de doble pared como la más eficiente, la más rentable y con el mínimo coste medioambiental. Respecto al análisis tecno-económico, el sistema analizado resulta rentable frente al calentador eléctrico, pero no rentable frente a la caldera de gas, por ello se ha calculado el precio del gas a partir del cual la bomba de calor sería rentable

[CA] Actualment existeixen en el mercat bombes de calor aerotèrmiques per a la producció d'aigua calenta sanitària de altes prestacions i, a més a més, hi ha molta labor d'investigació per a obtenir equips amb millors prestacions. En canvi, quan estos equips s'instal·len junt amb un sistema d’emmagatzemament tèrmic, l'eficiència del sistema pot caure fins a un 30 %. La connexió indirecta entre la bomba de calor i el sistema d'emmagatzemament té, doncs, una gran influència en l'eficiència global del sistema i no hi ha cap estudi específic sobre este tema en la literatura. Este treball se centra en dita connexió indirecta que, d'acord amb l'EN 1717:2000, és de compliment obligatori per a prevenir la contaminació de l'aigua de consum per reflux. L'objectiu és determinar la connexió indirecta amb l'eficiència energètica i rendibilitat més altes i amb els costos mediambientals mínims. A més, un altre objectiu addicional és el de determinar els valors d'operació que fan treballar al sistema en el punt de màxima eficiència (SPF4). Concloent amb 2 guies, un per a la selecció del cas de connexió indirecta òptima depenent del clima de la UE i altra per a seleccionar els valors d'operació de la bomba per a maximitzar SPF4. Tres opcions de connexió indirecta s'han analitzat: (i) intercanviador tipus coil, (ii) intercanviador de calor extern i (iii) condensador de doble paret; desenvolupant un model integral del sistema en TRNSYS basat en el projecte Europeu Geot€ch. Els casos analitzats s'han comparat davant dels sistemes convencionals: calfador elèctric i caldera de gas. Els resultats mostren l'opció del condensador de doble paret com la més eficient, la més rendible i amb el mínim cost mediambiental. Respecte a l'anàlisi tecno-econòmic, el sistema analitzat resulta rendible davant el calfador elèctric però no rendible enfront la caldera de gas, per això s'ha calculat el preu del gas a partir del qual la bomba de calor seria rendible