Experimental investigation of electrical domestic heat pumps equipped with a twin-stage oil-free radial compressor

Abstract

The world energy consumption has dramatically increased since the end of the World War II. The main share of this energy comes from fossil fuel combustion. The worldwide domestic sector consumes about 30% of the global energy supply and the biggest share of that is dedicated to space and water heating. In this context where sustainable energy consumption is required to limit our impact on the environment and the climate, energy efficiency is a key factor to successfully transition to energy sobriety. Electrically-driven heat pumps are known to be a key technology to increase our energy efficiency. More efficient, more compact, more silent heat pumps, built with less raw material, and using lower refrigerant charges are needed. In electrically-driven heat pumps, the compression process is responsible for most of the energy losses. However, for decades now, the heat pump performance has been stagnating, mainly because of the compression process efficiency which has not been increasing significantly. Consequently, the improvement of the compression process is indeed needed. A new single-stage compression unit design has been developed, built, and tested in a previous thesis work. This current thesis work uses a twin-stage successor of the initial single-stage compression unit and tests it into two oil-free domestic heat pump prototypes. This work aims at studying the integration of the radial compression units in domestic heat pumps and at demonstrating their feasibility and potential. The tested prototypes are a twin-stage Air/Water domestic heat pump and a twin-stage Brine/Water domestic heat pump. Both of them are equipped with a twin-stage oil-free radial compression unit rotating on gas bearings. By which, the maximum rotor speed of the compression units is 180 krpm. Six stable operating points have been documented with the Air/Water heat pump prototype. More notably so, the operating point A-7/W35 has been reached and demonstrates a coefficient of performance of 2.36 for a heating power of 10.7 kW. The Brine/Water heat pump prototype has been used to perform partial tests of circuit improvements, in order to solve some of the issues observed on the Air/Water prototype. The analysis of the experimental results uses a mass and energy balance modeling approach to improve the level of understanding of the internal and non measurable flows in the heat pump circuits. This model also propagates the uncertainties of the measurements through the equations. New improvements and innovative circuit layouts, notably at the level of the economizer, a key-component of the two-stage heat pump circuit, are offered to integrate further the compression unit in the heat pump circuits, and to make the whole system more efficient, more compact, more silent, less demanding in raw materials and reducing the refrigerant charge needed for the heat pump cycle.

La consommation mondiale d’énergie a augmenté dramatiquement depuis la fin de la seconde guerre mondiale. La part principale de cette énergie provient de la combustion d’énergie fossile. Le secteur résidentiel consomme environ 30% de la production totale d’énergie et la plus grande part de cette dernière est dédiée au chauffage des espaces de vie et à la production d’eau chaude sanitaire. Dans ce contexte une consommation d’énergie soutenable est requise afin de limiter notre impact sur l’environnement et le climat, l’efficacité énergétique est un facteur clé pour amorcer la transition vers la sobriété énergétique. Les pompes à chaleur alimentées par électricité sont identifiées comme une technologie clé pour augmenter notre efficacité énergétique. Nous avons besoin de pompes à chaleur plus efficaces, plus compactes, plus silencieuses, construites avec moins de matières premières, et utilisant des charges en réfrigérant plus faibles. La phase de compression est responsable de la plupart des pertes d’énergie. Depuis des décennies maintenant, les performances des pompes à chaleur stagnent, principalement parce que l’efficacité de la phase de compression stagne. Par conséquent, il est nécessaire d’améliorer l’efficacité de la phase de compression. Une nouvelle conception d’unité compresseur mono-étagé a été développée, construite, et testée lors d’une thèse de doctorat précédente. La thèse présentée ici utilise une unité compresseurs bi-étagés ayant succédé à l’unité compresseur mono-étagée initiale, et a testé l’unité en question dans deux prototypes de pompe à chaleur domestique sans huile. Ce travail vise à étudier l’intégration d’unités compresseurs radiaux dans des pompes à chaleur domestiques et à démontrer la faisabilité et le potentiel de ces dernières. Les prototypes testés sont une pompe à chaleur domestique Air/Eau sans huile et une pompe à chaleur domestique Saumure/Eau sans huile. Les deux prototypes sont équipés d’une unité compresseurs bi-étagés radiaux sans huile dont l’arbre est en rotation sur des paliers à gaz. La vitesse maximum du rotor de ces unités est de 180000 tours/min. Six points de fonctionnement stables ont été documentés avec le prototype Air/Eau. Notamment, le point de fonctionnement A-7/W35 a été atteint et démontre un coefficient de performance de 2.36 pour une puissance chaleur de 10.7 kW. Le prototype Saumure/Eau a été utilisé pour procéder à des tests partiels d’amélioration apportées aux circuits de pompe à chaleur, afin d’apporter des solutions aux problèmes rencontrés avec le prototype Air/Eau. L’analyse des données expérimentales utilise une modélisation dont l’approche est basée sur les équations de conservation de masse et d’énergie. Cette approche permet d’améliorer le niveau de compréhension des débits internes ou non-mesurables du système. Le modèle propage aussi, à travers les équations, les incertitudes de mesure des données expérimentales. De nouvelles améliorations et circuits de pompes à chaleur innovants, notamment, au niveau de l’économiseur, composant-clé du circuit, sont proposés et intègrent plus intimement l’unité compresseur dans les circuits de la pompe à chaleur bi-étagée, et cela afin de parvenir à des systèmes globalement plus efficaces, plus compacts, plus silencieux, moins gourmand en terme de matières premières, et nécessitant moins de charge de réfrigérant.

DISCLAIMER/WARNING: This thesis is still in the process of being ported to Authorea. Please refer to the sources on GitHub or to the PDF file on the EPFL website in the meanwhile.

Introduction

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This chapter demonstrates why more efficient domestic heating systems are necessary and identifies why heat pumps are one of the best candidates for this improvement.