High capacity heat pump development for sanitary hot water production

Abstract

Heat pumps have been identified as an efficient alternative to traditional boilers for the production of sanitary hot water (SHW). The high water temperature lift (usually from 10ºC to 60ºC) involved in this application has conditioned the type of used solutions. On the one hand, transcritical cycles have been considered as one of the most suitable solutions to overcome the high water temperature lift. Nevertheless, the performance of the transcritical CO2 heat pump is quite dependent on the water inlet temperature, which in many cases is above 10ºC. Furthermore, performance highly depends on the rejection pressure, which needs to be controlled to work at the optimum point in any condition. On the other hand, for the subcritical systems, subcooling seems to be critical for the heat pump performance when working at high temperature lifts, but there is not any published work that optimizes subcooling in the SHW application for these systems. Therefore, the subcritical cycle should require a systematic study on the subcooling that optimizes COP depending on the external conditions, in the same way as it has been done for the rejection pressure in the transcritical cycle. The aim of this thesis is to investigate the role of subcooling in the performance of a Propane water-to-water heat pump for SHW production, in the application of heat recovery from any water source. Two different approaches to overcome the high degree of subcooling were designed and built to test them in the laboratory: 1) Subcooling is made at the condenser: The active refrigerant charge of the system is controlled by a throttling valve. Subcooling is controlled independently at any external condition. 2) Subcooling is made in a separate heat exchanger, the subcooler. Subcooling is not controlled, it depends on the external condition and the heat transfer at the subcooler. The heat pumps were tested at different water temperatures at the evaporator inlet (10ºC to 35ºC) and condenser inlet (10ºC to 55ºC), while the water production temperature was usually fixed to 60¿C. The obtained results have shown that COP depends strongly on subcooling. In the nominal condition (20¿C/15¿C for the inlet/outlet water temperature at the evaporator and 10ºC/60ºC for the inlet/outlet water temperature in the heat sink), the optimum subcooling was about 43 K with a heating COP of 5.61, which is about 31% higher than the same cycle working without subcooling. Furthermore, the system with subcooling has been proved experimentally as being capable of producing water up to 90¿C and has shown a higher COP than some CO2 commercial products (catalog data reference).

Las bombas de calor han sido identificadas como una alternativa eficaz a las calderas tradicionales para la producción de agua caliente sanitaria (ACS). El elevado salto de temperatura del agua que normalmente tiene lugar en esta aplicación (por lo general de 10ºC a 60ºC) ha condicionado el tipo de soluciones que se utilizan. Por un lado, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para trabajar con los elevados saltos de temperatura del agua. Sin embargo, el rendimiento de la bomba de calor transcrítica con CO2 es bastante dependiente de la temperatura de entrada del agua, que en muchos casos está por encima de los 10¿C. Además, el rendimiento depende en gran medida de la presión de descarga, la cual necesita ser controlada con el fin de trabajar en el punto óptimo en cualquier condición externa. Por otra parte, para los sistemas subcríticos, el subenfriamiento parece ser crítico para el buen funcionamiento de la bomba de calor cuando se trabaja con elevados saltos de temperatura del agua, pero no hay ningún trabajo publicado en el que optimicen el subenfriamiento para la aplicación de ACS en estos sistemas. Por lo tanto, los sistemas subcríticos requieren de un estudio sistemático para buscar el subcooling óptimo y maximizar el COP en función de las condiciones externas, de la misma forma que se ha hecho para la presión de descarga en los ciclos transcríticos. El objetivo de esta tesis es investigar el papel del subenfriamiento en el rendimiento de una bomba de calor trabajando con Propano para la producción de ACS, en la aplicación de recuperación de calor de cualquier fuente de agua (agua- agua). Dos enfoques diferentes para superar el alto grado de subenfriamiento fueron diseñados y construidos para ponerlos a prueba en el laboratorio: 1) El subenfriamiento se hace en el condensador: La carga activa de refrigerante del sistema se controla con una válvula de estrangulación. De esta manera, el subenfriamiento puede ser controlado de forma independiente a cualquier condición externa. 2) El subenfriamiento se hace en un intercambiador de calor separado, el subenfriadador. El subenfriamiento no se controla, este depende de la condición externa y de la transferencia de calor en el subenfriadador. Las bombas de calor se ensayaron a diferentes temperaturas del agua a la entrada del evaporador (10ºC a 35ºC) y entrada del condensador (10ºC a 55ºC), mientras que la temperatura de producción de agua, normalmente, se fija a 60¿C. Los resultados obtenidos han demostrado que el COP depende mucho del subenfriamiento. En las condiciones nominales (20ºC/15ºC para la temperatura del agua de entrada/salida en el evaporador y 10ºC/60ºC para la temperatura del agua de entrada/salida en el condensador), el subenfriamiento óptimo fue aproximadamente de 43 K con un COP de calentamiento de 5,61, que es alrededor del 31% más alto que el mismo ciclo trabajando sin subenfriamiento. Además, el sistema con subenfriamiento ha probado de forma experimental, que es capaz de producir agua hasta los 90ºC, y ha mostrado un COP más alto que algunos productos comerciales que trabajan con CO2 (datos de referencia del catálogo).

Les bombes de calor han estat identificades com una alternativa eficaç a les calderes tradicionals per a la producció d'aigua calenta sanitària (ACS). L'elevat salt de temperatura de l'aigua que normalment té lloc en aquesta aplicació (en general de 10ºC a 60ºC) ha condicionat el tipus de solucions que s'utilitzen. Per una banda, els cicles transcrítics s'han considerat com una de les millors solucions per tal de treballar amb els elevats salts de temperatura de l'aigua. No obstant això, el rendiment de la bomba de calor transcrítica amb CO2 és bastant dependent de la temperatura d'entrada de l'aigua, que en molts casos està per damunt de 10¿C. A més, el rendiment depèn en gran mesura de la pressió de descarrega, la qual necessita ser controlada per tal de treballar en el punt òptim a qualsevol condició externa. Per altra banda, per als sistemes subcrítics, el sub-refredament sembla ser crític per al funcionament de la bomba de calor quan es treballa amb elevats salts de temperatura de l'aigua, però no hi ha cap treball publicat en el qual optimitzen el sub-refredament per a l'aplicació d'ACS en aquests sistemes. Per tant, els sistemes subcrítics requereixen d'un estudi sistemàtic per tal de buscar el subcooling òptim i maximitzar el COP en funció de les condicions externes, en la mateixa forma que s'ha fet per la pressió de descarrega en els cicles transcrítics. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar el paper del sub-refredament en el rendiment d'una bomba de calor treballant amb Propà per a la producció d'ACS, en l'aplicació de recuperació de calor de qualsevol font d'aigua (aigua-aigua). Dos enfocaments diferents per tal de superar l'alt grau de sub-refredament van ser dissenyats i construïts per posar-los a prova en el laboratori: 1) El sub-refredament es fa en el condensador: La càrrega activa de refrigerant del sistema es controla amb una vàlvula d'estrangulació. D'aquesta manera, el sub-refredament pot ser controlat de forma independent en qualsevol condició externa. 2) El sub-refredament es fa en un intercanviador de calor separat, el sub-refredador. El sub-refredament no es controla, este depèn de la condició externa i de la transferència de calor al sub-refredador. Les bombes de calor es van assajar a diferents temperatures de l'aigua a l'entrada de l'evaporador (10ºC a 35ºC) i a l'entrada del condensador (10ºC a 55ºC), mentre que la temperatura de producció d'aigua, normalment, es fixa a 60¿C. Els resultats obtinguts han demostrat que el COP depèn molt del sub-refredament. En les condicions nominals (20ºC/15ºC per a la temperatura de l'aigua d'entrada/eixida a l'evaporador i 10ºC/60ºC per a la temperatura de l'aigua d'entrada/eixida en el condensador), el sub-refredament òptim és aproximadament de 43 K amb un COP d'escalfament de 5,61, que és al voltant del 31% més alt que el mateix cicle treballant sense sub-refredament. A més, el sistema amb sub-refredament ha provat de forma experimental, que és capaç de produir aigua fins als 90ºC, i ha mostrat un COP més alt que alguns productes comercials que treballen amb CO2 (dades de referència del catàleg).