Experimental analysis of a compression heat pump with an integrated latent storage

Abstract

Die Wärmeenergie für die Trinkwassererwärmung in Wohngebäuden wird heute überwiegend in durchaus sinnvollen Wasserspeichern gespeichert. Sie sind kostengünstig und weit verbreitet. Aber obwohl die spezifische Wärme des Wassers hoch ist, könnten Materialien die einen Phasenwechsel durchführen, eine deutlich höhere Speicherenergiedichte erreichen als ein herkömmlicher Wasserspeicher. Die folgenden Themen werden in diese Arbeit einbezogen: Experimentelle Tests von neuartigen latenten Wärmespeicher/Wärmetauscher Modulen für Wohngebäude, die in einen Wärmepumpenzyklus integriert sind. Anpassungen des Versuchsaufbaus und des experimentellen Hardware in the Loop Setups Auswertung und Analyse der Ergebnisse und Vergleich von Messungen mit Simulationen. Entwicklung von Korrelationen für das Verhalten des Phasenwechselmaterials im Latentwärmespeicher. Im Rahmen der vorliegenden Masterarbeit wird eine neuartige Speicherkomponente, ein leistungsstarkes Wärmespeicher/Wärmetauscher Modul, direkt in den Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe integriert und in einem thermisch gesteuerten Labor experimentell getestet, das für Hardware in den Kreislaufversuchen bereit ist. Die experimentellen Ergebnisse werden kontinuierlich diskutiert. Schließlich wird die Arbeit eine umfassende Analyse der Experimente geben und mögliche Betriebsarten in Wohngebäuden und die Machbarkeit von Upscaling diskutieren. Zusätzlich wird das verwendete Phasenwechselmaterial in einem separaten Versuchsaufbau untersucht. Es wird versucht eine Korrelation zwischen der Dicke der Festphase und dem Wärmestrom durch das Phasenwechselmaterial zu finden. Dabei wird das Schmelz und Erstarrungsverhalten genauer beobachtet.

Today, the thermal energy for domestic hot water in residential buildings is mainly stored in sensible water storages. They are cost efficient and widely available. But although the specific heat of water is high, materials carrying out a phase change could reach significantly higher storage energy density compared to a conventional sensible water storage. The following topics will be included in the thesis: Experimental tests of novel latent heat storage heat exchanger modules integrated in to a heat pump cycle for residential buildings. Adaptions of the experimental setup and experimental hardware in the loop analysis Evaluation and analysis of the results and comparison of measurements with simulations. Development of correlations for the behavior of the phase change material in the latent heat storage. Within the present master thesis, a novel storage component, a high performance latent heat storage heat exchanger module, will be integrated directly into the refrigerant cycle of a heat pump and will be experimentally tested in a thermally controlled laboratory ready for hardware in the loop experiments. Experimental results will be discussed continuously. Finally, the thesis will give a comprehensive analysis of the experiments and will discuss possible operation modes in residential buildings and the feasibility of upscaling. Additionally, the used phase change material is investigated in a separate experimental setup. An attempt is made to find a correlation between the thickness of the solid phase and the heat flow through the phase change material. The melting and solidification behavior is observed in greater detail.