Development and Comparison of Compressor Models for Heat Pump Applications in TRNSYS

Abstract

Heat pump systems may serve as a replacement for many heating systems using fossil fuels for heating purposes. Heat pumps are widely used in Norway where electric energy is abundant and inexpensive. Research and development of heat pump components are important to further improve component and system performance. The introduction of alternative refrigerants set new demands to heat pump components and the compressor especially. The compressor is the driving component of the heat pump cycle and requires work input. Improving compressor performance is of great interest, as the system performance is highly affected by the compressor power demand. In addition, the proper choice of compressor for the given system and operational conditions are of great importance. The Transient System Simulation Tool (TRNSYS) is used for simulations of the vapor compression cycle in this project. Components for heat pump simulations on component level are not available in the component library included in the software. The source codes of TRNSYS components are available to the user, and components may be changed or created. The available components in TRNSYS are written in the Fortran90 programming language. The aim of this project is to create models of variable speed compressors and other heat pump components for use in TRNSYS simulations. The compressor models are integrated into simple vapor compression refrigeration cycles, which work in heat pump mode. The behavior and properties of the heat pumps implemented with different compressor models are investigated as function of the time dependent heat demand of a simple building located in Bergen, Norway. Two compressor components are created. The compressor models differentiate in the method of calculating the compressor power input. One compressor model is based on a 10-coefficient polynomial for the compressor power input, the other compressor model is based on a polytropic compression process. In addition, an evaporator and condenser component, a throttling device component and a simplified building load component are created. Various simulations are conducted in order to verify that the models and components are consistent with theoretical predictions and published data. The report provides an extensive description of TRNSYS and the process of creating and implementing new components. The components perform as expected in terms of calculating compressor power input and heat transfer rates of the condenser and evaporator. These results are consistent with the energy balance for heat pump systems. The total energy consumption of the polytropic compressor is 21 % lower than the total energy consumption of the polynomial based compressor at standard conditions. The components and models have certain limitations in terms of simulations of the heat pump and compressor performance at varying operational conditions. This is due to the calculations and simplifications of the various components. The components are considered a good starting point for further development, making the components and TRSNYS models better reflect the varying operational conditions of a real heat pump system.

Varmepumper kan erstatte mange oppvarmingssystemer basert på fossile brensler. Varmepumper er i utstrakt bruk i Norge, mye grunnet god tilgjengelighet på rimelig elektrisitet. Forskning på og videreutvikling av varmepumpekomponenter er viktig for å forbedre virkningsgrader og ytelse for både komponenter og system. Nye kjølemidler setter andre krav til varmepumpekomponenter, og spesielt kompressoren. Kompressoren krever et tilført arbeid, og er den drivende komponenten i varmepumpesyklusen. Utvikling og forbedring av kompressorytelse er viktig fordi systemets ytelse i stor grad er avhengig av det nødvendige tilførte arbeidet til kompressoren. I tillegg er valg av kompressor til det bestemte system og driftsforhold viktig. Til simuleringer av damp-kompresjonssyklusene i prosjektet brukes Programmet Transient System Simulation Tool (TRNSYS). De nødvendige komponenter til å utføre simuleringer av en varmepumpe på komponentnivå er ikke tilgjengelig i komponentbiblioteket som medfølger TRNSYS. Kodene til alle komponentene i TRNSYS er tilgjengelig for brukeren. Brukeren kan da selv modifisere ekstisterende komponenter eller lage nye komponenter. Komponentkodene er skrevet i programmeringsspråket Fortran90. Målet med dette prosjektet er å lage modeller av frekvensregulerte kompressorer og andre varmepumpekomponenter til å bruke i TRNSYS simuleringer. Kompressorkomponentene settes inn i enkle damp-kompresjonssykluser som opererer i varmepumpemodus. Egenskapene til disse varmepumpene med ulike kompressorkomponenter undersøkes som funksjon av det varierende varmebehovet til en enkel bygning i Bergen, Norge. To ulike kompressorkomponenter er laget. De to kompressorkomponentene benytter ulike metoder for å beregne kompressorens effektbehov. Kompressorens effektbehov beregnes ved et polynom i den ene modellen, og basert på en polytropisk kompresjonsprosess i den andre. I tillegg er en fordamper- og kondensatorkomponent, en ekspasjonsventil-komponent og en forenklet komponent for bygningslasten laget. Ulike simuleringer er utført for å verifisere modellene opp mot teoretiske betraktninger og tidligere publiserte data og resultater. En utfyllende beskrivelse av TRNSYS og fremgangsmåte for å lage og implementere nye komponenter er også inkludert. Beregning av effektforbruket til kompressoren og varmeoverføringsratene i fordamper og kondensator er som forventet basert på en energibalanse for varmepumper. Det totale energiforbruket til de to kompressormodellene er ikke konsistent. Den polytropiske kompressoren krever 21 % mindre energi enn den polynom-baserte kompressoren. Komponentene og modellene har noen begrensninger når det gjelder simulering av ytelsen til både kompressor og varmepumpe ved varierende driftsforhold. Dette kan skyldes de valgte beregningsmetodene og forenklingene som er gjort i de ulike komponentene. Komponentene er ansett å være et godt utgangspunkt for videre utvikling, for å bedre kunne representere de varierende driftsforholdene til et virkelig varmepumpesystem.