Simulation-based performance analysis of a modular heat pump system as an alternative to gas-fired boilers in apartments

Abstract

To reduce the greenhouse gas emissions of the existing housing stock, electrification of the heating system is needed. With the modular heat pump approach from the 'Gasthermenersatz' project, a possibility will be created to archive this goal with minimal conversion work.This thesis should thereby help the understanding of the concept and support design decisions for the modules by creating a validated simulation of the refrigeration cycle.For this purpose, every component of the cycle is individually depicted in the simulation. Different modeling approaches from literature for these components are compared and fitted to the available data with optimization procedures. To validate the simulation, experimental temperature and pressure data, gathered from a functional model, is used. As well as temperature gradients of the heat exchanging process in the condenser, taken trough thermal imaging. The validated model is used to analyse the efficiencies and deficiencies of the system. Furthermore the effects of heat exchanger size changes on the system are studied. In the 'Gasthermenersatz' project proposal an efficiency increase for a serial interconnection between the modules is claimed. This claim is reviewed with the validated model.Finally the simulations showed that the system is able to full fill the heating requirements for a wide range of operating conditions. With only a small reduction in the heat exchanger size, the system is able stay within legal limits, without significant performance losses. But the serial interconnection between the modules did not lead to the claimed significant efficiency increases.

Um die Treibhausgasemissionen von bestehenden Wohnungen zu reduzieren, ist die Elektrifizierung der Heizungssystems notwendig. Mit dem modularen Wärmepumpenansatz aus dem Projekt 'Gasthermenersatz' wird eine Möglichkeit geschaffen, dieses Ziel mit minimalen Umbauarbeiten zu erreichen. Die vorliegende Arbeit soll dabei helfen, das Konzept zu verstehen und die Auslegung der Module durch die Erstellung einer validierten Simulation des Kreislaufs zu Unterstützen. Zu diesem Zweck wird jede Komponente des Kreislaufs einzeln in der Simulation abgebildet. Für diese Komponenten werden Verschiedene Modellierungsansätze aus der Literatur verglichen und mit Optimierungsverfahren an die vorhandenen Daten angepasst. Zur Validierung der Simulation werden experimentelle Temperatur- und Druckdaten, die aus einem Funktionsmodell gewonnen wurden, herangezogen. Temperaturgradienten des Wärmeaustauschprozesses im Kondensator, die mit Hilfe der Wärmebildtechnik ermittelt wurden, werden ebenfalls verwendet. Das validierte Modell wird verwendet, um die Stärken und Schwächen des Systems zu analysieren. Außerdem werden die Auswirkungen durch die Änderungen der Wärmetauschergröße auf das System untersucht. In dem Projektvorschlag für 'Gasthermenersatz' wird behauptet, dass eine seriellen Verbindung zwischen den Modulen eine Effizienzsteigerung mit sich bringt. Diese Behauptung wird mit dem validierten Modell überprüft. Schlussendlich haben die Simulationen gezeigt, dass das System in der Lage ist, den Wärmebedarf für einen weiten Bereich der Betriebsbedingungen zu decken. Mit einer geringen Verringerung der Wärmetauschergröße ist das System in der Lage, die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten, ohne dabei signifikant Leistung einzubüßen. Die serielle Verbindung zwischen den Modulen konnte allerdings die behauptete Effizienzsteigerung nicht erzielen.