Scroll compressor modelling for heat pumps using hydrocarbons as refrigerants

International audienceHydrocarbons are today considered as promising alternatives to hydrofluorocarbons thanks to their low environmental impact and their easy implementation. However, some precautions have to be taken to thwart their flammability. European regulations impose to take stringent measures regarding components and to install heat pumps in unoccupied spaces. Nevertheless manufacturers keep working on components for hydrocarbons. In the frame of a research project on heat pumps for simultaneous heating and cooling, an R407C prototype working with a scroll compressor was built and tested. A near-industrial prototype is today being designed for propane with the help of recent modelling techniques. After having detailed the main issues regarding hydrocarbons as refrigerants, this article reviews scroll compressor modelling studies and presents the development of a thermodynamically realistic scroll compressor model. It was first developed for R407C and then adapted to thermodynamic properties of hydrocarbons and to other sizes of compressors

ETUDE EXPERIMENTALE D'UNE THERMOFRIGOPOMPE AU PROPANE EN FONCTIONNEMENT HIVERNAL

International audienceDans le contexte actuel de durcissement de la réglementation thermique visant à améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage, de rafraîchissement et d'eau chaude sanitaire. Un système thermodynamique multifonction, appelé thermofrigopompe (TFP), produisant simultanément de l'énergie frigorifique et calorifique, semble alors une solution intéressante. Cet article présente un prototype préindustriel de thermofrigopompe utilisant le propane comme fluide frigorigène. Le propane (R290) est intéressant d'abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans =3) et pour ses performances énergétiques. Le prototype de TFP développé fonctionne suivant trois modes principaux (plus deux modes avec production d'eau chaude sanitaire et un mode dégivrage). Le mode chauffage produit de l'eau chaude à partir de l'énergie disponible dans l'air extérieur. Le mode rafraîchissement produit de l'eau froide et rejette la chaleur à l'air extérieur. Le mode simultané produit de l'eau chaude grâce à la chaleur prélevée à l'eau froide. Un quatrième mode est activé pour effectuer le dégivrage de la batterie à air. Il correspond au mode rafraîchissement sans ventilation. La stratégie de fonctionnement en hiver alterne des modes chauffage, simultané et dégivrage et utilise le ballon d'eau froide comme stockage de chaleur temporaire. Des essais en chambre climatique ont permis de valider le fonctionnement du prototype et de caractériser ses performances. L'intérêt du basculement en mode simultané lors du fonctionnement en mode chauffage a été démontré. Les résultats montrent qu'en incluant un passage en mode simultané entre chaque dégivrage, un gain en performance est réalisé, d'environ 5 % par rapport à un fonctionnement sans passage par le mode simultané et d'environ 30% grâce au stockage de chaleur sur le ballon d'eau froide en hiver par rapport à un dégivrage classique par inversion de cycle

DEVELOPMENT OF A SCROLL COMPRESSOR MODEL FOR PROPANE

International audienceHydrocarbons are today considered as promising alternative substances because of their low environmental impact and their easy implementation in heat pumps. The heat pumping technology is similar to that of HFCs. However, some precautions have to be taken to thwart their flammability. European regulations impose stringent certifications (ATEX, Atmosphères Explosives) on components and an installation outside the buildings for devices having the refrigerant charge of small heat pumps for space heating. In the frame of a research project on heat pumps for simultaneous heating and cooling (HPS), an R407C prototype of air-source HPS was built and tested. A second prototype is today being designed for propane. A simple and thermodynamically realistic model was developed using EES software. It is an adaptation of an R407C model validated with experimental data. The development of this scroll compressor model working with R407C and its adaptation to thermodynamic properties of propane is presented in this article. A comparison is finally carried out between R407C and R290 scroll compressor models

Simulation study of a heat pump for simultaneous heating and cooling coupled to buildings

International audienceIn several situations, a heat pump for simultaneous heating and cooling (HPS) can be installed advantageously in buildings where simultaneous needs occur. Unlike a reversible heat pump that works alternatively in heating or cooling, a HPS operates under three modes: a heating mode, a cooling mode and a simultaneous mode. In this article, different types of buildings are simulated using Trnsys software to identify their needs for heating, cooling and domestic hot water production (DHW). The introduction of a ratio of simultaneous needs in heating and cooling (RSN) can qualify buildings in relation to the appropriateness of a HPS. Three kinds of buildings are investigated (a low-energy building, an office building and a retail space) under three different climatic conditions in France. As the design of a heat pump is highly dependent on the refrigerant properties, models of small-to-medium HPS using R407C, R290 and HFO1234yf are developed. Results of experimental tests on a 15 kW-heating-capacity HPS working with R407C were used to validate the numerical models of components and global model. Finally, a co-solving technique using two environments (EES and Trnsys) is used to compare the performance of the different refrigerants coupled to the building having the best RSN

Etude simulée d'un système de dessalement d'eau de mer et de production de froid par thermofrigopompe couplée à des panneaux solaires

International audienceL'accès à l'eau potable est un des enjeux majeurs des prochaines decennies. La recherche sur les technologies de dessalement à forte efficacité énergétique doit donc être particulièrement active. Cet article présente un système de thermofrigopompe produisant simultanément du froid pour une enceinte réfrigérée et de la chaleur utilisée par une unité de dessalement par distillation membranaire. L'énergie électrique est fournie par des panneaux photovoltaïques pour une possible implantation en site isolé. Ce système a été modélisé à l'aide des logiciels Trnsys et EES. Les simulations montrent des résultats de ratios de production d'eau potable assez faibles. Toutefois, les pistes d'amélioration de l'efficacité du système s'avèrent nombreuses

COMPARAISON ENERGETIQUE ET EXERGETIQUE DE SYSTEMES DE DESSALEMENT

National audienceDans certaines zones du monde, l'eau potable n'est pas une ressource abondante et est produite par des systèmes de dessalement. Par ailleurs, les ressources en énergie doivent être rationalisées. Les performances des systèmes de dessalement sont difficiles à comparer car les technologies peuvent être très différentes et faire appel à des procédés thermiques, électriques ou mécaniques, membranaires ou non. L'exergie correspond à l'énergie mécanique potentiellement produite par une quantité de chaleur, une quantité d'énergie chimique ou électrique. L'énergie mécanique est considérée comme une forme pure d'exergie. Cette étude émane d'une étude bibliographique menée dans le cadre d'un projet de couplage d'une machine frigorifique avec un système de dessalement. Cet article présente les quantités d'exergie consommée et les indices de comparaison usuels (GOR, Gained Output Ratio et PR, Performance Ratio) pour différents systèmes de dessalement testés dans notre laboratoire ou dont les données ont été récoltées dans la littérature. Les systèmes étudiés dans cet article sont des installations d'osmose inverse, de distillation membranaire, de distillation multiple-effet et un distillateur solaire. Les résultats montrent que la distillation membranaire présente des caractéristiques intéressantes, notamment dans le cadre d'un couplage avec une source de chaleur à basse température

Year-round performance assessment of a ground source heat pump with multiple energy piles

The year-round performance of a ground source heat pump (GSHP) with multiple energy piles (EPs) is investigated in this study based on a 3D transient heat transfer model. The GSHP heating and cooling capabilities are simulated and assessed according to thermal energy demands of an air conditioned domestic building, its coefficients of performance (COPs) obtained from numerical analyses and experimental tests are compared and the largest difference between them is less than 8%. The maximum heating and cooling COPs of the GSHP are 3.63 and 4.73 respectively in the first year operation period, and the soil final temperature is lower than its initial temperature, therefore the soil is not capable of recovering by itself due to the building unbalanced heating and cooling loads. Finally, the effects of the soil thermal properties on its temperature and the GSHP COPs are investigated and compared between the first year and tenth year operations, and it is found that the soil with low volumetric heat capacity and high thermal conductivity could achieve a quick temperature recovery

Development of a pre-industrial prototype of a heat pump for simultaneous heating and cooling small to medium heating power

Dans le contexte actuel de durcissement de la réglementation thermique visant à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage, de rafraîchissement et d’eau chaude sanitaire. Un système thermodynamique multifonction, appelé thermofrigopompe (TFP), produisant simultanément de l’énergie frigorifique et calorifique, semble alors une solution intéressante. L’emploi d’un fluide frigorigène à faible potentiel de réchauffement global (le GWP exprimé en émissions équivalentes de CO2), dans les machines frigorifiques, permet de répondre de manière efficace à la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cette thèse présente un prototype préindustriel de thermofrigopompe utilisant le propane comme fluide frigorigène. Le propane (R290) est intéressant d’abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans =3) et pour ces performances énergétiques. Le prototype est le fruit d’une collaboration entre le Pôle cristal, centre technique froid et génie climatique de Dinan, et le laboratoire LGCGM de Rennes. Une nouvelle architecture du circuit frigorifique de la TFP est proposée avec une réduction significative du nombre d’électrovannes. Cette architecture permet une récupération efficace de la charge en fluide frigorigène lors des basculements entre les différents modes. Les besoins en chauffage, rafraîchissement et eau chaude sanitaire de trois types de bâtiments situés dans différents climats sont obtenus par simulation sous TRNSYS. La nature du bâtiment ainsi que le climat influencent fortement le caractère simultané des besoins. Un indicateur de besoins simultanés (TBS) est proposé afin d’identifier le bâtiment le plus adapté à une solution de production simultanée. Des essais en chambre climatique ont permis de valider le fonctionnement du prototype et de caractériser ses performances. Ces résultats expérimentaux ont servis à calibrer les modèles de composants et de machines frigorifiques pour chaque mode de fonctionnement développés avec le logiciel EES. Un bâtiment résidentiel collectif et un immeuble de bureaux ont été choisis dans l’étude comparative, afin d’évaluer l’influence de la nature des besoins sur les performances de la TFP. Les performances annuelles simulées par la méthode de corésolution (EES-TRNSYS) de la TFP sont comparées à une solution référence qui combine une PAC air/eau réversible pour le chauffage, et le rafraîchissement et un ballon thermodynamique pour l’ECS. Les résultats des simulations des performances saisonnières ont démontré que la piste des bureaux est intéressante dans le cas de zones nécessitant un fort besoin en rafraîchissement tout au long de l’année.In the current context of hardening of thermal regulations to improve the energy efficiency of buildings, it is necessary to reconsider the heating, cooling and domestic hot water installations. A multifunctional heat pump system for simultaneous heating and cooling (HPS), which simultaneously produces cooling and heating energy, seems to be an interesting solution. The use of a refrigerant with low global warming potential (GWP expressed in equivalent emissions of CO2) in the refrigeration machinery can respond effectively to the problem of reducing greenhouse gas emissions. This work presents a pre-industrial prototype of HPS using propane as refrigerant. Propane (R290) is interesting firstly for its low environmental impact (zero ODP and GWP100 = 3) and for the energy performance. The prototype is the result of the collaboration between the Technical Centre for refrigeration and HVAC, Pôle Cristal and LGCGM laboratory. A new architecture of the refrigerant circuit of the HPS is proposed with a significant reduction in the number of valves. This architecture allows for efficient recovery of the refrigerant charge when switching between modes. The needs for heating, cooling and domestic hot water for three types of buildings in different climates are obtained by simulation using TRNSYS. The nature of the building and climate strongly influence the simultaneous nature of the needs. A ratio of simultaneous needs (RSN) is proposed to identify the most suitable building for the simultaneous production of heating and cooling energy. Climate chamber tests were used to validate the operation of the prototype and characterize its performance. These experimental results were used to calibrate the models of components and refrigerating machines for each operation developed with EES software. A collective residential building and an office building were selected in the comparative study, in order to evaluate the influence of the nature of the requirements on the performance of the HPS. Annual performance simulated by the co-solving method (EES-TRNSYS) of HPS is compared to a reference solution that combines a reversible air / water heat pump for heating, cooling and thermodynamic water heater for domestic hot water. The simulation results of the seasonal performance showed that the office building is interesting in the case of areas requiring a strong need for refreshment throughout the year

Développement d’un prototype préindustriel de thermofrigopompe de petite à moyenne puissance

In the current context of hardening of thermal regulations to improve the energy efficiency of buildings, it is necessary to reconsider the heating, cooling and domestic hot water installations. A multifunctional heat pump system for simultaneous heating and cooling (HPS), which simultaneously produces cooling and heating energy, seems to be an interesting solution. The use of a refrigerant with low global warming potential (GWP expressed in equivalent emissions of CO2) in the refrigeration machinery can respond effectively to the problem of reducing greenhouse gas emissions. This work presents a pre-industrial prototype of HPS using propane as refrigerant. Propane (R290) is interesting firstly for its low environmental impact (zero ODP and GWP100 = 3) and for the energy performance. The prototype is the result of the collaboration between the Technical Centre for refrigeration and HVAC, Pôle Cristal and LGCGM laboratory. A new architecture of the refrigerant circuit of the HPS is proposed with a significant reduction in the number of valves. This architecture allows for efficient recovery of the refrigerant charge when switching between modes. The needs for heating, cooling and domestic hot water for three types of buildings in different climates are obtained by simulation using TRNSYS. The nature of the building and climate strongly influence the simultaneous nature of the needs. A ratio of simultaneous needs (RSN) is proposed to identify the most suitable building for the simultaneous production of heating and cooling energy. Climate chamber tests were used to validate the operation of the prototype and characterize its performance. These experimental results were used to calibrate the models of components and refrigerating machines for each operation developed with EES software. A collective residential building and an office building were selected in the comparative study, in order to evaluate the influence of the nature of the requirements on the performance of the HPS. Annual performance simulated by the co-solving method (EES-TRNSYS) of HPS is compared to a reference solution that combines a reversible air / water heat pump for heating, cooling and thermodynamic water heater for domestic hot water. The simulation results of the seasonal performance showed that the office building is interesting in the case of areas requiring a strong need for refreshment throughout the year.Dans le contexte actuel de durcissement de la réglementation thermique visant à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage, de rafraîchissement et d’eau chaude sanitaire. Un système thermodynamique multifonction, appelé thermofrigopompe (TFP), produisant simultanément de l’énergie frigorifique et calorifique, semble alors une solution intéressante. L’emploi d’un fluide frigorigène à faible potentiel de réchauffement global (le GWP exprimé en émissions équivalentes de CO2), dans les machines frigorifiques, permet de répondre de manière efficace à la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cette thèse présente un prototype préindustriel de thermofrigopompe utilisant le propane comme fluide frigorigène. Le propane (R290) est intéressant d’abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans =3) et pour ces performances énergétiques. Le prototype est le fruit d’une collaboration entre le Pôle cristal, centre technique froid et génie climatique de Dinan, et le laboratoire LGCGM de Rennes. Une nouvelle architecture du circuit frigorifique de la TFP est proposée avec une réduction significative du nombre d’électrovannes. Cette architecture permet une récupération efficace de la charge en fluide frigorigène lors des basculements entre les différents modes. Les besoins en chauffage, rafraîchissement et eau chaude sanitaire de trois types de bâtiments situés dans différents climats sont obtenus par simulation sous TRNSYS. La nature du bâtiment ainsi que le climat influencent fortement le caractère simultané des besoins. Un indicateur de besoins simultanés (TBS) est proposé afin d’identifier le bâtiment le plus adapté à une solution de production simultanée. Des essais en chambre climatique ont permis de valider le fonctionnement du prototype et de caractériser ses performances. Ces résultats expérimentaux ont servis à calibrer les modèles de composants et de machines frigorifiques pour chaque mode de fonctionnement développés avec le logiciel EES. Un bâtiment résidentiel collectif et un immeuble de bureaux ont été choisis dans l’étude comparative, afin d’évaluer l’influence de la nature des besoins sur les performances de la TFP. Les performances annuelles simulées par la méthode de corésolution (EES-TRNSYS) de la TFP sont comparées à une solution référence qui combine une PAC air/eau réversible pour le chauffage, et le rafraîchissement et un ballon thermodynamique pour l’ECS. Les résultats des simulations des performances saisonnières ont démontré que la piste des bureaux est intéressante dans le cas de zones nécessitant un fort besoin en rafraîchissement tout au long de l’année

Développement d'un prototype préindustriel de thermofrigopompe de petite à moyenne puissance

Dans le contexte actuel de durcissement de la réglementation thermique visant à améliorer l efficacité énergétique des bâtiments, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage, de rafraîchissement et d eau chaude sanitaire. Un système thermodynamique multifonction, appelé thermofrigopompe (TFP), produisant simultanément de l énergie frigorifique et calorifique, semble alors une solution intéressante. L emploi d un fluide frigorigène à faible potentiel de réchauffement global (le GWP exprimé en émissions équivalentes de CO2), dans les machines frigorifiques, permet de répondre de manière efficace à la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cette thèse présente un prototype préindustriel de thermofrigopompe utilisant le propane comme fluide frigorigène. Le propane (R290) est intéressant d abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans =3) et pour ces performances énergétiques. Le prototype est le fruit d une collaboration entre le Pôle cristal, centre technique froid et génie climatique de Dinan, et le laboratoire LGCGM de Rennes. Une nouvelle architecture du circuit frigorifique de la TFP est proposée avec une réduction significative du nombre d électrovannes. Cette architecture permet une récupération efficace de la charge en fluide frigorigène lors des basculements entre les différents modes. Les besoins en chauffage, rafraîchissement et eau chaude sanitaire de trois types de bâtiments situés dans différents climats sont obtenus par simulation sous TRNSYS. La nature du bâtiment ainsi que le climat influencent fortement le caractère simultané des besoins. Un indicateur de besoins simultanés (TBS) est proposé afin d identifier le bâtiment le plus adapté à une solution de production simultanée. Des essais en chambre climatique ont permis de valider le fonctionnement du prototype et de caractériser ses performances. Ces résultats expérimentaux ont servis à calibrer les modèles de composants et de machines frigorifiques pour chaque mode de fonctionnement développés avec le logiciel EES. Un bâtiment résidentiel collectif et un immeuble de bureaux ont été choisis dans l étude comparative, afin d évaluer l influence de la nature des besoins sur les performances de la TFP. Les performances annuelles simulées par la méthode de corésolution (EES-TRNSYS) de la TFP sont comparées à une solution référence qui combine une PAC air/eau réversible pour le chauffage, et le rafraîchissement et un ballon thermodynamique pour l ECS. Les résultats des simulations des performances saisonnières ont démontré que la piste des bureaux est intéressante dans le cas de zones nécessitant un fort besoin en rafraîchissement tout au long de l année.In the current context of hardening of thermal regulations to improve the energy efficiency of buildings, it is necessary to reconsider the heating, cooling and domestic hot water installations. A multifunctional heat pump system for simultaneous heating and cooling (HPS), which simultaneously produces cooling and heating energy, seems to be an interesting solution. The use of a refrigerant with low global warming potential (GWP expressed in equivalent emissions of CO2) in the refrigeration machinery can respond effectively to the problem of reducing greenhouse gas emissions. This work presents a pre-industrial prototype of HPS using propane as refrigerant. Propane (R290) is interesting firstly for its low environmental impact (zero ODP and GWP100 = 3) and for the energy performance. The prototype is the result of the collaboration between the Technical Centre for refrigeration and HVAC, Pôle Cristal and LGCGM laboratory. A new architecture of the refrigerant circuit of the HPS is proposed with a significant reduction in the number of valves. This architecture allows for efficient recovery of the refrigerant charge when switching between modes. The needs for heating, cooling and domestic hot water for three types of buildings in different climates are obtained by simulation using TRNSYS. The nature of the building and climate strongly influence the simultaneous nature of the needs. A ratio of simultaneous needs (RSN) is proposed to identify the most suitable building for the simultaneous production of heating and cooling energy. Climate chamber tests were used to validate the operation of the prototype and characterize its performance. These experimental results were used to calibrate the models of components and refrigerating machines for each operation developed with EES software. A collective residential building and an office building were selected in the comparative study, in order to evaluate the influence of the nature of the requirements on the performance of the HPS. Annual performance simulated by the co-solving method (EES-TRNSYS) of HPS is compared to a reference solution that combines a reversible air / water heat pump for heating, cooling and thermodynamic water heater for domestic hot water. The simulation results of the seasonal performance showed that the office building is interesting in the case of areas requiring a strong need for refreshment throughout the year.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF