Schlüsselwörter
(Englisch)
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Heat pump, natural refrigerant, energy efficiency, refrigerant charge minimisation, medium temperature source
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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There is a shortage today in efficient heat pumps with natural refrigerant that produce heat and hot water with deep geothermal probes, waste heat, low temperature district heating (DH) network or return tube of a medium temperature DH as a heat source. Technological development is necessary to allow the emergence of machines designed for a higher evaporation temperature than those currently available. This project aims to solve existing barriers.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Il y a aujourd'hui un manque dans les pompes à chaleur efficientes avec réfrigérant naturei qui produisent du chauffage et de l'eau chaude sanitaire avec comme source des sondes géothermiques profondes, rejets de chaleur, réseau de chauffage â distance (CAD) basse température ou conduite de retour d’un CAD à moyenne température. Un développement technologique est nécessaire pour permette i’émergence de machines conçues pour une température d’évaporation plus élevée que celles disponibles actuellement. Ce projet vise à lever les barrières existantes.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Hauptziel des Projekts ist das Design und die Konstruktion einer kompakten und modularen Wärmepumpe (WP) mit einer sehr geringen Füllung an natürlichem Kältemittel, die mit Verdampfungstemperaturen von etwa 35°C arbeiten kann. Damit soll eine Lücke an Produkten geschlossen werden, die wirklich für Mitteltemperaturquellen geeignet sind, und die Verwendung von natürlichen Kältemitteln gefördert werden. Der Demonstrator kombiniert eine hohe Energieeffizienz mit einer niedrigen n-Butan-Füllmenge, die für den Einsatz in Innenräumen geeignet ist. Wärmequellen bei ~40°C können Abwärme oder thermische Netze mit niedriger Temperatur sein, die einen ausgezeichneten Gesamtwirkungsgrad erlauben und eine breitere Nutzung erneuerbarer Ressourcen ermöglichen. Mit der Integration solcher WPs kann das Temperaturniveau der zur Verfügung stehenden Wärme lokal angehoben werden, um Brauchwasser zu erzeugen oder den lokalen Wärmebedarf bestehender Gebäude mit sehr guter Effizienz zu decken. Der Ehrgeiz ist, die Energiestrategie 2050 des Bundes zu unterstützen, indem der Wärmebedarf des Wohnsektors mit WP abgedeckt wird. Für zahlreiche relevante Anwendungen fehlen dafür aber die technisch geeigneten Lösungen. Die Konstruktion des Demonstrators erfolgte in Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Die Komponenten sind im Handel erhältlich und für die Verwendung mit n-Butan zertifiziert. Der hergestellte Demonstrator integriert einen halbhermetischen Kolbenverdichter und ein elektronisches Expansionsventil. Das Schlüsselelement im Hinblick auf die technologische Machbarkeit des Projekts ist die Fähigkeit des Kompressors, bei einer Verdampfungstemperatur von 35°C zu arbeiten und gleichzeitig eine einwandfreie Schmierung und eine ausreichende Kühlung des Elektromotors zu gewährleisten. Dank der geringen Löslichkeit des verwendeten Schmiermittels mit Kohlenwasserstoffen kann der Verdichter mit Standard-Sauggasüberhitzungswerten betrieben werden, so dass ein interner Austauscher nicht erforderlich ist. Der Demonstrator erreichte mit nur 450 g n-Butan eine Heizleistung von etwa 7~8 kW. Mit Wasser von 43°C als Wärmequelle wird Warmwasser von 47°C bis 65°C mit einem COP von etwa 8 bis 5 bereitgestellt. Im Vergleich zu den heute in kommerziellen WP verwendeten synthetischen Kältemitteln (R410A, R407C, R134a) werden mit Butan sehr niedrige Überhitzungswerte und Arbeitsdrücke am Verdichterauslass erreicht und bei gleichem Hubraum ist weniger elektrische Leistung notwendig. Der Demonstrator wurde mit einer hocheffizienten kommerziellen WP (COP 5 bei B0W35) verglichen, bei der die Wassereintrittstemperatur zum Verdampfer auf ~ 20°C begrenzt werden muss, um den Betrieb zu ermöglichen, während der Demonstrator 43°C akzeptiert. Bei einer Warmwasser-Erzeugungstemperatur zwischen ca. 45°C und 65°C ist der mit dem Demonstrator erzielte COP etwa doppelt so hoch. Außerdem ist die Austrittstemperatur deutlich niedriger (max. 80°C statt 95°C), was für eine Wasserproduktion bei höheren Temperaturen ohne Probleme mit der Kompressorkühlung oder Ölverkohlung vielversprechend ist. Auch die Leistung des Demonstrators ist besser als die der wenigen auf dem Markt erhältlichen Booster-WP. Diese mit R134a betriebenen Maschinen akzeptieren eine Hochtemperaturquelle (bis zu 42°C), ohne jedoch auf einem so hohen Temperaturniveau tatsächlich verdampfen zu können. Die Qualität der Wärme wird dadurch verschlechtert, so dass das vorhandene Exergiepotenzial nicht optimal genutzt werden kann. Es wurde auch ein Vergleich mit einer transkritischen CO2-Wärmepumpe durchgeführt. Eine Fortsetzung des Projekts ist geplant, um andere Kältemittel zu untersuchen, um die Leistung zu erhöhen, die spezifische Füllung [kg/kW] des Kältemittels zu verringern und/oder die Austrittstemperatur zu erhöhen. Mit Propan anstelle von Butan sollte es möglich sein, die Heizleistung mit etwa der gleichen Menge an Kältemittel zu verdoppeln. Ein Lebensdauertest des Kompressors sollte auch durchgeführt werden. Mögliche Anwendungen für die Wasserproduktion bei 80°C, die machbar erscheint, sind die kompakte Speicherung von Warmwasser oder industrielle Anwendungen. Vorgesehen ist der Vergleich der Gesamtenergieeffizienz eines konventionellen Wärmenetz mit einem Niedertemperatur-Wärmenetz mit Integration von WP mit den Eigenschaften des Demonstrators.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The main objective of the project is the design and construction of a compact and modular heat pump (HP) with a very low charge of natural refrigerant (n-butane) capable of operating with evaporation temperatures of around 35°C. The aim is to fill a gap in products that are truly suitable for medium-temperature sources and to encourage the use of natural refrigerants. The demonstrator combines a high energy-efficiency with a low n-butane charge compatible with indoor application. The non-conventional heat sources at ~40°C may be waste heat or low (good) temperature thermal network (LTDH) which have an excellent overall efficiency and would promote greater use of renewable resources. The integration of such HPs would make it possible to raise locally the temperature level of the heat available in order to produce domestic hot water or to provide specific heating needs for some existing buildings connected to the network with very good efficiencies. The ambition is to support the energy transition and the Confederation’s 2050 energy strategy by addressing the important share of the residential sector's heat needs using heat pumps as a key technology that has not yet been declined for all its possible and relevant applications. The design of the demonstrator was carried out in collaboration with industrial partners. The components are available on the market and certified for use with n-butane. The demonstrator produced integrates a semi-hermetic piston compressor and an electronic expansion valve. The key element from the point of view of the technological feasibility of the project is the compressor's ability to operate at the evaporation temperature of 35°C, while guaranteeing correct lubrication and adequate cooling of the electric motor. Thanks to the low solubility with hydrocarbons of the lubricant used, the compressor can operate with standard suction superheat values, so an internal exchanger is not necessary. The demonstrator reached a heating power of about 7~8 kW using only 450 g of n-butane. With water at 43°C as a heat source, it can provide hot water from 47°C to 65°C with a COP of about 8 to 5. Compared to the synthetic fluids used today in commercial heat pumps (R410A, R407C, R134a), butane makes it possible to achieve very low compressor discharge superheat levels and working pressures and limited electrical power at the same volumetric capacity. This is favourable for compressor cooling. The demonstrator has been compared with a high efficiency commercial heat pump (COP 5 at B0W35), which inlet water temperature to the evaporator must be limited to ~ 20°C to allow operation, while the demonstrator accepts 43°C. Under these conditions and for a hot water production temperature between about 45°C and 65°C, the COP obtained with the demonstrator is about double. In addition, the discharge temperature is significantly lower (max. 80°C instead of 95°C), which is promising for higher temperature water production without compressor cooling or oil carbonization problems. The performance of the demonstrator is also better than the few booster-HP available on the market. These R134a machines accept a high temperature source (up to 42°C) but without actually being able to evaporate at such a high temperature level. Thus, the quality of the heat is downgraded, which does not allow for an optimal exploitation of the available exergy potential. A comparison was also made with a transcritical CO2 heat pump. A continuation of the project is planned to study other hydrocarbon refrigerants in order to increase the thermal power, decrease the specific charge [kg/kW] of refrigerant and/or increase the outlet temperature. The use of propane instead of butane should make it possible to double the heating capacity with approximately the same amount of refrigerant. In order to validate the technical feasibility of the proposed concept, a compressor lifetime test should also be carried out. Possible applications for water production at 80°C, which seems feasible, are compact storage of DHW (surplus electricity in the grid, smartgrid or PV self-consumption) or industrial applications. A comparison of the overall energy efficiency of a conventional DH with a LTDH integrating heat pumps with the characteristics of the demonstrator is also envisioned.
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Schlussbericht
(Französisch)
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L’objectif principal du projet est le dimensionnement et la réalisation d’une pompe à chaleur (PAC) compacte et modulaire à très faible charge de réfrigérant naturel (normal butane) capable d’opérer avec des température d’évaporation d’environ 35°C. Le but est de combler un manque dans les produits réellement adaptés aux sources à moyenne température et d’encourager l’utilisation de réfrigérants naturels. Le démonstrateur combine une haute efficience énergétique à une faible charge de n-butane compatible avec une application intérieure. Les sources de chaleur non-conventionnelles à ~40°C visées ici peuvent être des rejets de chaleur ou des réseaux thermiques à basse (ou bonne) température (CAD BT) qui ont une excellente efficacité globale et favoriseraient une plus grande utilisation des ressources renouvelables. L’intégration de telles PAC permettrait de relever localement le niveau de température de la chaleur disponible afin de produire de l’eau chaude sanitaire ou de fournir localement des besoins en chauffage pour des bâtiments existants avec une très bonne efficacité. L’ambition est de soutenir la transition énergétique et la stratégie énergétique 2050 de la Confédération en s’attaquant à la part importante des besoins en chaleur du secteur résidentiel au travers des PAC en tant que technologie clé qui n’a pas encore été déclinée pour toutes ses applications possibles et pertinentes. La conception du démonstrateur s’est faite en collaboration avec des partenaires industriels. Les composants sont disponibles sur le marché et certifiés pour l’utilisation avec le n-butane. Le démonstrateur réalisé intègre un compresseur semi-hermétique à pistons et un détendeur électronique. L’élément clé du point de vue de la faisabilité technologique du projet est la capacité du compresseur à opérer à la température d’évaporation de 35°C, tout en garantissant une lubrification correcte et un refroidissement adéquat du moteur électrique. Grace à la faible solubilité avec les hydrocarbures du lubrifiant employé, le compresseur peut fonctionner avec des valeurs standard de surchauffe à l’aspiration, ainsi un échangeur interne n’est pas nécessaire. Le démonstrateur a atteint une puissance de chauffage de l’ordre de 7~8 kW en utilisant seulement 450 g de n-butane. Avec de l’eau à 43°C comme source de chaleur, il peut fournir de l’eau chaude de 47°Cà 65°C avec un COP d’environ 8 à 5. Par rapport aux fluides de synthèse utilisés aujourd’hui dans les PAC commerciales (R410A, R407C, R134a), le butane permet d’atteindre des niveaux de surchauffe au refoulement du compresseur et des pressions de travail très faibles, et, à parité de cylindrée, des puissances électriques limitées. Ceci est favorable au refroidissement du compresseur. Le démonstrateur a été comparé avec une PAC commerciale à haute efficacité (COP 5 à B0W35), dont la température d’entrée de l’eau à l’évaporateur doit être limitée à ~ 20°C afin d’en permettre le fonctionnement, tandis que le démonstrateur accepte 43°C. Avec ces conditions et pour une température de production d’eau chaude entre environ 45°C et 65°C, le COP obtenu avec le démonstrateur est d’environ le double. De plus, la température de refoulement est sensiblement plus basse (max. 80°C au lieu de 95°C), ce qui est prometteur pour une production d’eau à plus haute température sans problèmes de refroidissement du compresseur ni de carbonisation de l’huile. La performance du démonstrateur est aussi meilleure que celle des quelques PAC-booster disponibles sur le marché. Ces machines fonctionnant au R134a acceptent une source à haute température (jusqu’à 42°C) mais sans pour autant pouvoir réellement évaporer à un niveau de température aussi élevé. Ainsi la qualité de la chaleur est dégradée, ne permettant pas l’exploitation optimale du potentiel exergétique disponible. Une comparaison a aussi été faite avec une PAC transcritique au CO2. Une suite du projet est prévue pour étudier d’autres réfrigérants hydrocarbures afin d’augmenter la puissance, diminuer la charge spécifique [kg/kW] de fluide frigorigène et/ou augmenter la température en sortie. L’utilisation du propane à la place du butane devrait permettre de doubler la puissance de chauffage avec environ la même quantité de fluide frigorigène. Afin de valider la faisabilité technique du concept proposé, il faudrait aussi réaliser un test de durée de vie du compresseur. Les applications possibles pour une production d’eau à 80°C, qui semble faisable, sont le stockage compact d’ECS (surplus d’électricité dans le réseau, smartgrid ou auto-consommation PV) ou des applications industrielles. Une comparaison de l’efficacité énergétique globale d’un CAD classique avec un CAD BT intégrant des PAC ayant les caractéristiques du démonstrateur est aussi envisagée.
Zugehörige Dokumente
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