Modelling of Heat Pumps Working with Variable-Speed Compressors

Abstract

[ES] La tecnología de bombas de calor se ha vuelto estratégica en Europa, está extendiéndose rápidamente y se planea que reemplace las calderas de gas en un futuro cercano. Sin embargo, aún enfrenta desafíos, como encontrar refrige-rantes nuevos viables y altamente eficientes, y mejorar aún más el rendimiento del sistema. Para abordar este último problema, han surgido las bombas de calor de velocidad variable que prometen reducir el consumo anual e incremen-tar el confort adaptando la potencia suministrada a las necesidades cambiantes. Esta tecnología se está implementando ya, pero carece de una metodología estandarizada para diseñar y seleccionar sus componentes.

Esta tesis tiene como objetivo establecer pautas de diseño generales para la selección y diseño de componentes de bombas de calor de velocidad variable, y ofrecer información valiosa que se pueda traducir en herramientas para asistir en la simulación, diseño, selección y detección de fallas en estos dispositivos. El contenido del estudio se puede dividir en tres áreas temáticas:

En una primera parte, se estudian los compresores de velocidad variable. El compresor es el primer componente que se selecciona en una bomba de calor, modula la capacidad y es el principal consumidor de energía. Sin embargo, no existen metodologías bien establecidas para modelar su comportamiento. En esta parte, se realizan ensayos de caracterización de compresores de velocidad variable y sus inversores para comprender su comportamiento y proporcionar correlaciones compactas para modelar su rendimiento.

En la segunda parte, se propone una metodología para dimensionar los intercambiadores de calor en bombas de calor de velocidad variable. Nor-malmente, se diseñan para una potencia fija y temperaturas de trabajo constan-tes, sin embargo, en las bombas de velocidad variable, la capacidad y las tempe-raturas de trabajo fluctúan significativamente con el tiempo. En esta parte, se estudia la evolución del rendimiento de los intercambiadores de calor con la capacidad (velocidad del compresor) y se propone una metodología de selec-ción/dimensionamiento que considera la evolución de la capacidad requerida y de las condiciones climáticas externas a lo largo del año.

Por último, se evalúa la circulación del aceite en las bombas de calor de velocidad variable. Gestionar la lubricación en los compresores de velocidad variable es un problema típico ya que, para tener suficiente lubricación a bajas velocidades, el compresor termina bombeando un exceso de aceite a altas velo-cidades. En esta parte se estudia la evolución de las tasas de circulación de acei-te con la velocidad y se analiza teóricamente su efecto en el rendimiento de la bomba de calor.

[CA] La tecnologia de les bombes de calor s'ha tornat estratègica a Europa, s'està estenent ràpidament i es preveu que substituïsca les calderes de gas en un futur pròxim. Tanmateix, encara s'enfronta a desafiaments com trobar refrigerants nous viables i altament eficients, i millorar encara més el rendiment del sistema. Per abordar aquest darrer problema, han sorgit les bombes de calor de velocitat variable que prometen reduir el consum anual i incrementar el confort adaptant la potència subministrada a les necessitats variables. Aquesta tecnologia ja s'es-tà implementant, però manca d'una metodologia estandarditzada per dissenyar i seleccionar els seus components. Aquesta tesi té com a objectiu establir pautes de disseny generals per a la se-lecció i disseny de components de bombes de calor de velocitat variable, i oferir informació valuosa que es pugui traduir en eines per ajudar en la simulació, disseny, selecció i detecció de fallades d'aquests dispositius. El contingut de l'estudi es pot dividir en tres àrees temàtiques:

En una primera part, s'estudien els compressors de velocitat variable. El compressor és el primer component seleccionat d'una bomba de calor, modula la capacitat i és el principal consumidor d'energia. Tanmateix, no hi ha metodo-logies ben establides per modelar el seu comportament. En aquesta part, es realitzen assajos de caracterització de compressors de velocitat variable i els seus inversors per comprendre el seu comportament i proporcionar correlaci-ons compactes per modelar el seu rendiment.

En la segona part, es proposa una metodologia per dimensionar els inter-canviadors de calor en bombes de calor de velocitat variable. Normalment, es dissenyen per a una potència fixa i temperatures de treball constants, no obs-tant això, en les bombes de velocitat variable, la capacitat i les temperatures de treball fluctuen significativament amb el temps. En aquesta part, s'estudia l'evo-lució del rendiment dels intercanviadors de calor amb la capacitat (velocitat del compressor) i es suggereix una metodologia de selecció/dimensionament que considera l'evolució de les càrregues i de les condicions climàtiques externes al llarg de l'any.

Finalment, s'avalua la circulació de l'oli a les bombes de calor de velocitat variable. Gestionar la lubricació als compressors de velocitat variable és un pro-blema típic, ja que per tenir suficient lubricació a baixes velocitats, el compres-sor acaba bombejant un excés d'oli a altes velocitats. En aquesta part s'estudia l'evolució de les taxes de circulació d'oli amb la velocitat i s'analitza teòricament el seu efecte en el rendiment de la bomba de calor.

[EN] Heat pump technology has become strategic in Europe, it is rapidly spread-ing, and it is planned to replace gas boilers in the near future. However, they still have challenges to solve, such as finding new viable and highly efficient refriger-ants and further increasing their system performance. For this latter issue, vari-able-speed heat pumps arise, which claim to decrease annual consumption and increase comfort by adapting the delivered capacity to the changing loads. This technology is being implemented but lacks a standardized methodology to de-sign and select its components.

This thesis aims to establish comprehensive design guidelines for selecting and designing variable-speed heat pump components and give insights that can translate into valuable information and tools for engineers to assist them in the pump simulation, design, selection and fault detection. The content of the study can be divided into three thematic areas:

In the first part, variable-speed compressors are studied. The compressor is the first selected heat pump component; it modulates the capacity and is the primary energy consumer. However, there are no well-established methodolo-gies to model their behavior. In this part, extensive testing of variable-speed compressors and their inverters was carried out to understand their behavior and to provide compact correlations to model their performance.

The second part proposes a methodology to size heat exchangers for variable-speed heat pumps. Typically, they are designed for a fixed capacity and constant working temperatures. However, the capacity and working tempera-tures fluctuate significantly overtime in variable-speed pumps. In this part, the performance evolution of heat exchangers with capacity is studied, and a meth-odological selection/sizing technique is proposed that considers the evolution of external climatic conditions and loads over the year.

Lastly, the oil circulation in variable-speed heat pumps is assessed. Man-aging lubrication in variable-speed compressors is a typical issue, as a design valid for sufficient lubrication at low compressor speeds will end up pumping excess oil at high speeds. In this final part, the evolution of oil circulation rates with speed is studied, and its effect on heat pump performance is theoretically analyzed.