Experimental and numerical analysis of a latent storage integrated in a heat pump cycle

Abstract

Today, compression heat pumps gain more and more attention in the buildings sector, due to attractive prices and high energy efficiencies. They can be used for heating, cooling and to provide domestic hot water for the residents. The energy efficiency of a heat pump for heating and cooling of feed water is usually higher than for the domestic hot water generation, because a lower temperature gap between the source and the sink has to be overcome. However, also in heating and cooling mode the temperature of the hot-gas refrigerant discharging the compressor usually exceeds the temperature of the required domestic hot water. It is therefore of interest to store the high temperature heat of this hot-gas and use the stored heat to increase the efficiency of the domestic hot water generation. Latent (phase change) energy storages are attractive for this approach, due to their high energy density. The novel heat pump system proposed in this thesis integrates a refrigerant/water heat exchanger with a phase change material in the hot super-heated section of an R32 - air source heat pump. The phase change material stores energy in heating and cooling mode and releases it for energy efficient domestic hot water generation. A numerical model of the heat pump system is created and validated by experimental testing. Additionally, the frost accumulation on the evaporator coils of the air source heat pump during operation at frosting conditions is analyzed. Using the validated numerical model the performance of the novel heat pump system is simulated for various operation and ambient conditions. Moreover, the use of different phase change materials and changes in the operation parameters of the heat pump are numerically analyzed on their impact on the overall energy efficiency. A typical operation scenario of the novel system, including heating the building and charging the latent storage and afterwards generating domestic hot water by discharging the latent storage, is simulated for an ambient temperature of 2°C. The total heat output of the novel heat pump system in this scenario is 3.67 times as big as the electrical power demand. In an annual calculation it is shown that the novel heat pump system using a phase change material with a melting point of 64°C saves about 3.8% of electrical energy over the year in an average climate, compared to a conventional system.

Durch attraktive Preise und hohe Energieeffizienzen werden Kompressions-Wärmepumpen immer häufiger im Gebäudesektor eingesetzt. Wärmepumpen können zum Heizen, zum Kühlen und zur Bereitstellung von Warmwasser für Hausbewohner eingesetzt werden. Die Energieeffizienz von Wärmepumpen ist im Heizund Kühlmodus normalerweise höher als bei der Bereitstellung von Warmwasser, da der Temperaturunterschied zwischen Quelle und Senke in diesem Betriebszustand höher ist. Doch auch im Heizund Kühlmodus übertrifft die Temperatur des Kältemittel Heißgases nach dem Verdichter für gewöhnlich die Temperatur des erforderten Warmwassers. Deshalb ist es von Interesse die Wärme dieses Heißgases im Heizund Kühlbetrieb zu speichern und anschließend für die Bereitstellung von Warmwasser zu nutzen. Dadurch kann die Effizienz der Warmwasserbereitstellung signifikant erhöht werden. Latente (Phasenumwandlungs-) Wärmespeicher stellen hier eine attraktive Lösung dar, da sie eine hohe Energiedichte aufweisen. Das neuartige Wärmepumpenkonzept, welches in dieser Arbeit präsentiert wird, integriert einen Kühlmittel/Wasser Wärmeübertrager mit einem Phasenumwandlungsmaterial in die überhitzte Heißgas Sektion einer R32 - Luft Wärmepumpe. Der Phasenumwandlungs-Wärmeübertrager speichert Energie im Heizund Kühlmodus und gibt diese für die energieeffiziente Bereitstellung von Warmwasser wieder ab. Ein numerisches Modell der Wärmepumpe wurde erstellt und durch durchgeführte Experimente validiert. Zusätzlich wurde die Eisbildung an der Verdampferoberfläche bei Betrieb der Wärmepumpe unter Frierbedingungen analysiert. Mithilfe des validierten numerischen Modells wurde die Leistung des neuartigen Wärmepumpensystems für verschiedene Betriebsund Umgebungsbedingungen simuliert. Zudem wurde auch die Verwendung unterschiedlicher Phasenumwandlungsmaterialien und Veränderungen in den Betriebsparametern auf ihre Auswirkungen auf die Leistung des Konzepts untersucht. Ein typisches Betriebsszenario des neuartigen Systems, welches einen Betrieb im Heizmodus und Aufladen des Wärmespeichers mit einer anschließenden energieeffizienten Bereitstellung von Warmwasser durch Entladen des Wärmespeicher inkludiert, wurde für eine Umgebungstemperatur von 2°C simuliert. Die gesamte Wärmeleistung des neuartigen Konzepts ist in diesem Szenario 3.67 mal größer als die erforderte elektrische Leistung. In einer einjährigen Berechnung, bei einem durchschnittlichen mitteleuropäischen Klima, wurde gezeigt, dass das neuartige Wärmepumpensystem, welches ein Phasenumwandlungsmaterial mit einem Schmelzpunkt von 64°C verwendet, etwa 3.8% des elektrischen Energieverbrauchs, gegenüber einem konventionellen System, einspart.