Comparison of direct and indirect evaporators in an air-source heat pump

Abstract

Climate change requires the development of low-carbon emission heat production technologies. Heat pumps enable production of low-emission heat. A large-scale air-source heat pump using pentane as the refrigerant is studied in this thesis, and a model for dimensioning an evaporator for the heat pump using a direct or indirect connection method is developed. Evaporators using the two connection methods are dimensioned for a case study and they are compared based on the model. The results show that a direct evaporator provides higher coefficient of performance when there is no condensation of moisture, or the temperature difference of air and refrigerant is small. An indirect evaporator has an additional secondary fluid circuit and a pump, which increase controllability. The secondary fluid circuit allows adjusting of systems operation without altering flow in the refrigerant circuit. If the air heat collector’s heat transfer surface temperature is close to 0 ℃, the secondary fluid circuit can be used to control frosting. The results show the performance of an air heat collector system using pentane under various operating conditions and compare the two connection methods. The results provide a basis for design of a large-scale air-source heat pump utilizing a new refrigerant.

Ilmastonmuutos vaatii matalapäästöisten lämmöntuotantotekniikoiden kehittämistä. Lämpöpumput mahdollistavat matalapäästöisen lämmöntuottamisen. Tässä diplomityössä tutkitaan suuren kokoluokan ilmalämpöpumppua, joka käyttää pentaania kylmäaineena. Tässä diplomityössä kehitetään malli höyrystimen mitoitusta varten käyttäen joko suoraa tai epäsuoraa höyrystimen kytkentätapaa. Kytkentätapoja verrataan toisiinsa käyttäen mallia. Suoraa ja epäsuoraa höyrystintä vertaillaan toisiinsa mitoitustapauksen avulla. Suoralla kytkennällä on parempi tehokerroin, jos ilmankosteuden kondensoitumista ei tapahdu tai kylmäaineen ja ilman lämpötilaero on pieni. Epäsuoran kytkennän etuna on ylimääräinen sekundäärinestepiiri ja piirin pumppu, jotka lisäävät mahdollisuuksia lämpöpumpun säätöön. Sekundäärinestepiiri mahdollistaa systeemin toiminnan säätämisen ilman lämpöpumpun kylmäainepiirin säätämistä. Sekundäärinestepiiriä voi käyttää ilmalämpökeräimen huurtumisen hallintaan, kun ilmalämpökeräimen lämmönsiirtopinnan lämpötila on vähän alle 0 ℃. Tulokset näyttävät pentaania käyttävän ilmalämpökeräimen toiminnan eri olosuhteissa ja vertaavat suoraa ja epäsuoraa kytkentätapaa. Tulokset antavat lähtökohdan suuren kokoluokan ilmalämpöpumpun suunnitteluun uudella kylmäaineella.