Design of an Air Source Heat Pump System Having High Defrost Efficiency and Natural Refrigerant

Abstract

Climate change and environmental pollution are among the most important issues facing humanity nowadays. The importance of the selection of refrigerants used in energy systems and the use of eco-friendly refrigerants are increasing day by day. The selection of refrigerants with low global warming potential (GWP) and ozone depletion potential (ODP) imposes an important mission on researchers in terms of environmental awareness. In this study, efficiency analysis of a heat pump system designed by using hydrocarbon refrigerant propane (R290) was carried out. In this system, which is designed differently from traditional heat pumps; heat is recovered and efficiency analyzes are made for the case in which heat of the high temperature refrigerant at the compressor outlet is stored and for the case in which heat of the refrigerant at the condenser outlet is stored, when necessary. In the analyzes made, the coefficient of performance (COP) value of the heat pump was calculated as 2.75. In the developed model, the amount of energy consumed during the defrost process has been reduced by 63.6% as compared to the electric heater defrost method. It has been assessed that the efficiency of system can be even more by utilizing solar energy.

Keywords

• Defrost
• defrost efficiency
• energy efficiency
• heat pump

Hava Kaynaklı Yüksek Defrost Verimine Sahip ve Doğal Soğutucu Akışkanlı Bir Isı Pompası Sisteminin Tasarımı

Öz

İklim değişikliği ve çevre kirliliği günümüzde insanlığın karşılaştığı en önemli sorunlar arasında yer almaktadır. Enerji sistemlerinde kullanılan soğutucu akışkanların seçimi ve çevre dostu soğutucu akışkanların kullanımının önemi gün geçtikçe artmaktadır. Düşük küresel ısınma potansiyeline (KIP) ve ozon delme potansiyeline (ODP) sahip soğutucu akışkan seçimi çevre duyarlılığı açısından araştırmacılara önemli bir misyon yüklemektedir. Bu çalışmada, hidrokarbon soğutucu akışkan propan (R290) kullanılarak tasarlanmış bir ısı pompası sisteminin verimlilik analizi gerçekleştirilmiştir. Geleneksel ısı pompalarından farklı olarak tasarlanan bu sistemde; ısı geri kazanımı yapılarak, hem gerektiğinde kompresör çıkışındaki yüksek sıcaklıktaki soğutkanın hem de kondenser çıkışındaki soğutucu akışkanın ısısının depolanması ile bu durumlardaki verimlilik analizleri yapılmıştır. Yapılan analizlerde, ısı pompasının performans katsayısı (COP) değeri 2,75 olarak hesaplanmıştır. Geliştirilen modelde, defrost sürecince harcanan enerji miktarı elektrikli ısıtıcılı defrost yöntemine göre %63,6 oranında azaltılmıştır. Sistemin güneş enerjisinden de yararlanılarak daha da veriminin artırılabileceği öngörülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Defrost
• defrost verimi
• enerji verimliliği
• ısı pompası

Kaynakça

1. [1] P. Maison, D. Tapero, “Rational Use of Energy in Buildings”, ADEME Janvier (2009).
2. [2] Türkiye Cumhuriyeti Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, https://www.csb.gov.tr/
3. [3] https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/01/20180104-2.htm
4. [4] Mengjie S., Shiming D., Chaobin D., Ning M., Zhihua W., Review on Improvement for Air Source Heat Pump Units During Frosting and Defrosting, Applied Energy, 211(1150-1170), (2018). https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.12.022
5. [5] Park, K.J., Jung, D., Thermodynamic Performance of R502 Alternative Refrigerant Mixtures for Low Temperature and Transport Applications, Energy Converseion and Management, 48(3084–3089), (2007). doi: 10.1016/j.enconman.2007.05.003.
6. [6] Shen J., Qian Z., Xing Z., Yu Y., Ge M., A Review of the Defrosting Methods of Air Source Heat Pumps Using Heat Exchanger with Phase Change Material, Energy Procedia, 160(491-498), (2019). https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.197.
7. [7] Moallem, E., Hong, T., Cremaschi, L., Fisher, D.E., Effects of Surface Coating and Water Retention on Frost Formation in Microchannel Evaporators (ASHRAE RP-1589), HVAC&R Research, 19(347–362), (2014).
8. [8] Erten, S., Uludağ, K. ‘Soğutma sistemlerinde R404a ve R290 soğutucu akışkan kullanımının termodinamik analizi: Deneysel karşılaştırma. VII. Uluslararası Fen, Mühendislik ve Mimarlık Bilimlerinde Akademik Çalışmalar Sempozyumu, 254-267, (2019).

9. [9] Arslan E., Kosan M., Aktas M., Erten S., Experimental Assessment of Comparative R290 vs. R449a Refrigerants by Using 3E (Energy, Exergy And Environment) Analysis: A Supermarket Application, Journal of Thermal Engineering, 7(595-607), (2021).
10. [10] Çengel, Y. A., Boles, M. A. (2008). Termodinamik, Mühendislik Yaklaşımıyla (Beşinci Baskı). İzmir: Güven Kitabevi, 946.
11. [11] Hepbaşlı, A., Kalıncı Y., A Review of Heat Pump Water Heating Systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(1211–1229), (2009). https://doi.org/10.1016/j.rser.2008.08.002
12. [12] Liang, J., Sun, L., Li, T., A Novel Defrosting Method in Gasoline Vapor Recovery Application, Energy, 163(751-765), (2018). https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.08.172