Development of an innovative monoblock CO2 heat pump for domestic hot water production

This thesis focuses on the development and performance evaluation of a Modelica model of a monoblock heat pump for domestic hot water production using carbon dioxide (CO2) as the working fluid. The objective is to investigate the possibility of converting an existing heat pump water heater (HPWH) system, currently using R-134a refrigerant, to a CO2-based system while maintaining comparable performance, size, and cost. The project includes the design and modelling of various components such as the gas cooler, internal heat exchanger (IHE), expansion device, evaporator, liquid separator, and oil return management. An innovative control logic according to the approach temperature in the gas cooler is also investigated. Simulation models of the heat pump have been developed in Modelica using Dymola as a simulation environment and the TIL-Suite library. Two simulation models have been developed and compared: one with a control logic based on the temperature approach of the gas cooler and one with fixed pressure to assess their performance. The results demonstrate that the approach temperature control logic effectively maintains the de- sired approach temperature. However, after a certain period, the approach temperature increases due to the limitations of the fixed high-side pressure set by the compressor’s envelope. The isentropic efficiencies of the compressor stages are also evaluated, with the first stage exhibiting higher efficiency compared to the second stage. The coefficient of performance (COP) of the cycle is significantly influenced by the compressor performance, and it is observed that the COP improvement with the tem- perature approach control logic is more significant at higher ambient temperatures. The relationship between COP and return water temperature is examined, emphasizing the importance of stratification in the tank for transcritical cycles. The heating capacity of the system decreases over time and with increasing return water temperature. The control logic with the temperature approach shows an improvement in overall COP com- pared to simulations with fixed high-side pressure. Furthermore, the CO2 transcritical cycle, compared to the previous R-134a system shows faster heating time with compa- rable COP. Overall, the results demonstrate the potential of CO2-based heat pump systems for domestic hot water production and the effectiveness of the temperature approach con- trol logic in enhancing performance. The findings highlight the potential of CO2-based heat pump systems for efficient domestic hot water production while reducing environ- mental impact. The temperature approach control logic presents a promising approach to maintaining desired temperatures, and further optimization efforts can unlock even greater performance improvements. The potential cost increase for a CO2 system is approximately 15%, but industrialization can lead to cost reductions

Questa tesi si concentra sullo sviluppo e la valutazione delle prestazioni di un modello Modelica di una pompa di calore monoblocco per la produzione di acqua calda sanitaria utilizzando anidride carbonica (CO2) come refrigerante. L'obiettivo è investigare la possibilità di convertire un sistema di scaldacqua a pompa di calore esistente, attualmente utilizzante il refrigerante R-134a, in un sistema a base di CO2 mantenendo prestazioni, dimensioni e costi comparabili. Il progetto comprende la progettazione e la modellazione di vari componenti come il gas cooler, lo scambiatore di calore interno (IHE), il dispositivo di espansione, l'evaporatore, il separatore di liquido e la gestione del ritorno dell'olio. Viene inoltre studiata una logica di controllo innovativa basata sull'approccio di temperatura nel condensatore a gas. I modelli di simulazione della pompa di calore sono stati sviluppati in Modelica utilizzando Dymola come ambiente di simulazione e la libreria TIL-Suite. Sono stati sviluppati e confrontati due modelli di simulazione: uno con una logica di controllo basata sull'approccio di temperatura del condensatore a gas e uno con pressione fissa per valutare le prestazioni. I risultati dimostrano che la logica di controllo basata sull'approccio di temperatura mantiene efficacemente la temperatura di approccio desiderata. Tuttavia, dopo un certo periodo, l'approccio di temperatura aumenta a causa dei limiti della pressione alta lato condensatore impostata dall'involucro del compressore. Le efficienze isoentropiche delle fasi del compressore sono anche valutate, con la prima fase che presenta un'efficienza superiore rispetto alla seconda fase. Il coefficiente di prestazione (COP) del ciclo è significativamente influenzato dalle prestazioni del compressore e si osserva che il miglioramento del COP con la logica di controllo basata sull'approccio di temperatura è più significativo a temperature ambientali più elevate. Viene esaminata la relazione tra il COP e la temperatura di ritorno dell'acqua, sottolineando l'importanza della stratificazione nel serbatoio per cicli transcritici. La capacità di riscaldamento del sistema diminuisce nel tempo e con l'aumento della temperatura di ritorno dell'acqua. La logica di controllo basata sull'approccio di temperatura mostra un miglioramento complessivo del COP rispetto alle simulazioni con pressione alta lato condensatore fissa. Inoltre, il ciclo transcritico di CO2, rispetto al precedente sistema a R-134a, mostra un tempo di riscaldamento più veloce con un COP comparabile. Nel complesso, i risultati dimostrano il potenziale dei sistemi a pompa di calore a base di CO2 per la produzione di acqua calda sanitaria e l'efficacia della logica di controllo basata sull'approccio di temperatura nel migliorare le prestazioni. Le conclusioni mettono in evidenza il potenziale dei sistemi a pompa di calore a base di CO2 per un'efficiente produzione di acqua calda sanitaria riducendo l'impatto ambientale. La logica di controllo basata sull'approccio di temperatura rappresenta un approccio promettente per mantenere temperature desiderate e ulteriori sforzi di ottimizzazione possono portare a ulteriori miglioramenti delle prestazioni. L'aumento potenziale dei costi per un sistema a CO2 è approssimativamente del 15%, ma l'industrializzazione può portare a riduzioni dei costi.