Theoretical analysis of refrigerants and carbon dioxide binary blends for combined space and water heating heat pump cycles

Abstract

O setor residencial representa uma parcela significativa do consumo de energia em todo o mundo. Uma opção para atender às exigências técnicas e ambientais de aquecimento de ambientes e água quente nesse setor é o uso de misturas de CO2 como refrigerante em ciclos baseados em compressão. No entanto, embora não-inflamável e com baixo impacto ambiental, o CO2 apresenta baixo efeito refrigerante específico e grandes perdas de estrangulamento nos dispostivos de expansão. Misturas que incluem um refrigerante de baixo GWP e CO2 podem melhorar o desempenho desses ciclos enquanto atendem aos requisitos ambientais. Portanto, este estudo avalia o desempenho de um sistema combinado de bomba de calor que fornece aquecimento do ambiente e água quente destinados para regiões de climas frios usando misturas binárias de CO2 e outros refrigerantes. Por meio de um modelo numérico desenvolvido para representar a bomba de calor, foram testadas três configurações de ciclo com diferentes demandas representadas por razões de aquecimento de ambiente para água quente e frações de massa de CO2. A configuração da bomba de calor com a melhor faixa de desempenho dispunha de três gas coolers: um gas cooler de baixa temperatura que pré-aquecia a água, um gas cooler intermediário que aquecia o ambiente e um gas cooler de alta temperatura que aquecia a água já pré-aquecida à temperatura de operação. As bombas de calor dedicadas principalmente ao aquecimento de ambientes se beneficiaram de misturas com baixas frações de massa de CO2 (?10%), enquanto as bombas de calor que atendiam principalmente ao aquecimento de água obtiveram melhor desempenho com elevadas frações mássicas de CO2 (?90%). Nessa configuração combinada, aproximadamente 87% das misturas analisadas apresentaram um coeficiente de desempenho mais alto do que os fluidos puros, indicando uma melhoria nas bombas de calor de CO2. O impacto da fonte de calor também foi considerado, utilizando um modelo computacional para avaliar o desempenho da bomba de calor para diferentes razões de aquecimento de ambiente para água quente e temperaturas da fonte de calor. A mistura com 10% de CO2 e 90% de R32 obteve os melhores valores de COP em toda a faixa de temperaturas reduzidas de fonte de calor em comparação com as outras misturas analisadas. Além disso, por meio de análise de escala, a capacidade de aquecimento da bomba de calor foi normalizada por unidade de volume específico na entrada do compressor e pela condutância térmica global (UAtotal) do ciclo. Misturas ricas em CO2 apresentaram a melhor capacidade de aquecimento volumétrico devido às maiores densidades do fluido natural em baixas temperaturas. Isso indica que as misturas de refrigerante com CO2 requerem menos volume varrido pelo compressor para produzir a mesma quantidade de calor em comparação com outras misturas. Além disso, este estudo identificou dois fatores opostos relacionados à operação de bomba de calor com temperaturas de evaporação reduzidas: a adição de CO2, que reduz o tamanho da planta, e a adição de refrigerante que melhora o desempenho (COP).

Abstract: The residential sector accounts for a considerable share of energy consumption worldwide. An alternative to meet the technical and environmental requirements of space heating and hot water demanded by this sector uses CO2 mixtures as a refrigerant in compressionbased cycles. However, while CO2 is not flammable and has low environmental impact, it performs poorly due to its low specific refrigerating effect and large throttling losses. Differently, mixtures with low-GWP refrigerant and CO2 could enhance the performance of these cycles while meeting environmental requirements. Therefore, this study evaluates the performance of a combined heat pump system that provides both space heating and hot water in cold climates using binary mixtures of CO2 and other refrigerants. Through an in-house routine, three cycle configurations were tested, with different ratios of space heating to hot water demands and CO2 mass fractions. The heat pump configuration with the best performance range had three gas coolers, where the low-temperature gas cooler preheated the water, the intermediate equipment heated the space, and the hightemperature gas cooler heated the already preheated water to the operating temperature. Heat pumps primarily dedicated to space heating benefit from mixtures with low mass fractions of CO2 (?10%), whereas heat pumps primarily dedicated to water heating perform better for high mass fractions of CO2 (?90%). In this combined configuration, about 87% of the mixtures analyzed had a higher coefficient of performance than pure fluids, indicating an improvement in CO2 heat pumps. The impact of the heat source was also considered, and a computational model was used to evaluate the performance of the heat pump at different ratios of space heating to domestic hot water and heat source temperatures. The R32 mixture offered the best coefficient of performance (COP) values throughout the range of reduced heat source temperatures compared to other mixtures. Adding CO2 to mixtures reduces COP, particularly when the temperature of the heat source is low. A scale analysis was performed by normalizing the heat pump capacity per unit of specific volume at the compressor inlet and the total UA of the cycle. CO2-rich mixtures exhibited the best volumetric heating capacity due to the higher densities of the natural fluid at low temperatures. This indicates that refrigerant mixtures with CO2 require less compressor swept volume to produce the same amount of heat compared to other fluid alternatives. In addition, this study has identified two opposing factors when dealing with the operation of a heat pump with reduced evaporating temperatures: the addition of CO2, which reduces the size of the site, and the addition of refrigerant, which improves the performance (COP).