Adsorption heat pumps for space and domestic water heating

Abstract

Adsorption heating and cooling technologies can play an important role towards the achievement of a greener and sustainable future. Adsorption heat pumps (AHPs) and adsorption refrigerators (ARs) can work with natural refrigerants that have zero global warming potential (GWP) and can be driven by waste heat and/or renewable energy sources. AHPs can improve household’s energy efficiency and given their low environmental impact they have recently gathered increased academic and industrial attention. This thesis analyses and develops adsorption heating and cooling technologies, focusing mainly on AHPs systems suitable for central or domestic water heating applications, aiming to develop and improve their dynamic modelling and simulation, and thus contribute to increase its technology readiness level (TRL). A literature review and critical analysis of the AHPs is carried out, which includes the working principle, physical models, adsorption equilibrium and kinetics, adsorbent materials physical and thermodynamic properties, adsorbent-adsorbate pairs, adsorbent bed design and operating conditions. The physical models commonly used to simulate adsorption heating and cooling systems are identified and critically analysed. Detailed physical models of each component of an AHP are developed and implemented, the main objective being their integration for the accurate dynamic simulation of a complete AHP system. The adsorber is the core component of any adsorption system, which deserves major attention. Dimensional and grid independence analyses are conducted to identify their most suitable combinations for more accurate adsorber dynamic simulations. That allowed to conclude that multidimensional (distributed parameters) models are required to obtain more accurate results. A multidimensional model is used for the dynamic simulation and performance evaluation of a coated tube adsorber used in AHPs or ARs systems. The proposed novel model for the simulation of complete AHPs system includes validated numerical models for each of its main components, their interactions and dynamics within each time step being considered in an integrated way. The developed physical model capable of accurately simulating complete AHPs systems fulfils a major literature gap. Based on the results obtained from the dynamic simulations of the complete AHPs systems, a real scale prototype of an AHP system has been constructed. The developed and implemented model is used to investigate the performance of AHPs and ARs systems, more specifically by obtaining their coefficients of performance (COP) and specific heating power (SHP) or specific cooling power (SCP). The inverse behaviour of the COP and the specific (heating or cooling) powers is explored on the search of a criterion leading to their best combination. Such a novel criterion is proposed, based on the minimum cost of the unit of thermal useful effect of the AHP or AR: the cycle time that minimizes the cost of the unit of thermal useful effect provides the best balance between the COP and the SHP or SCP. This thesis provides better insights on how to more accurately model and simulate AHPs and ARs systems. Results from the proposed models and simulations allow improved performance prediction, control, and design of complete AHPs and ARs systems, thus contributing to their future performance and design improvements and manufacturing costs reduction. This work included the construction of an AHP prototype suitable for space and domestic water heating that can be used in the future for numerical models’ validation, as well as for design of control strategies and integration with other equipment.

As tecnologias de aquecimento e refrigeração por adsorção podem ter um papel importante para alcançar um futuro mais verde e sustentável. As bombas de calor por adsorção (BCA) e os refrigeradores por adsorção (RA) podem funcionar com refrigerantes naturais com um potencial de aquecimento global nulo, podendo funcionar com recurso a calor residual e/ou fontes de energia renováveis. As BCA podem melhorar a eficiência energética dos edifícios e das habitações, tendo vindo a suscitar o interesse acrescido dos meios académico e industrial devido ao seu baixo impacte ambiental. Esta tese analisa e desenvolve tecnologias de aquecimento e refrigeração por adsorção, com principal destaque para os sistemas de BCA para aquecimento central ou de águas domésticas, com o objetivo de desenvolver e melhorar os modelos e ferramentas de simulação dinâmica, aumentando assim o seu nível de maturidade tecnológica (TRL). É apresentada uma revisão da literatura e uma análise crítica do estado da arte das BCA, incluindo o seu princípio de funcionamento, modelos físicos, equilíbrio e cinétia de adsorção, propriedades físicas e termodinâmicas dos materiais adsorventes, pares adsorvente-adsorvato, configuração do leito adsorvente e condições de operação. São identificados e analisados os modelos físicos mais comumente usados para simulação de sistemas de aquecimento e refrigeração por adsorção. São desenvolvidos e implementados modelos físicos detalhados para cada componente de uma BCA, tendo como objetivo principal a sua integração para a simulação precisa de um sistema de BCA completo. O adsorsor é o componente principal de qualquer sistema de adsorção, requerendo por isso maior atenção. São efetuadas análises da dimensionalidade do modelo e de independência de malha para identificar as combinações que conduzem aos resultados numéricos de maior precisão. Por essa via é possível concluir que são necessários modelos multidimensionais (de parâmetros distribuídos) para obter resultados mais precisos. Recorre-se a um modelo multidimensional para a simulação dinâmica e análise da performance de um adsorsor de tubos revestidos por uma camada (coating) de material adsorvente, a ser utilizado em sistemas de BCA e de RA. O novo modelo proposto para a simulação de sistemas de BCA inclui modelos numéricos validados para cada um dos seus componentes principais, considerando as suas interações e dinâmicas de modo integrado dentro de cada passo de tempo. O modelo físico desenvolvido preenche uma lacuna importante na literatura, sendo capaz de simular sistemas de BCA completos com elevada precisão. Os resultados obtidos por simulação dinâmica de sistemas de BCA completos forneceram a informação necessária para a construção de um protótipo de um sistema de BCA à escala real. O modelo desenvolvido e implementado é utilizado para investigar a performance de sistemas de BCA e RA, mais concretamente através da obtenção dos seus coeficientes de performance (COP) e da potência específica de aquecimento (PEA) ou da potência específica de refrigeração (PER). O comportamento inverso do COP e da potência específica de aquecimento ou de refrigeração é explorado na procura de um critério que permita identificar a sua melhor combinação. O novo critério proposto baseia-se no mínimo custo da unidade do efeito térmico útil da BCA ou do RA: o tempo de ciclo que minimiza o custo da unidade do efeito térmico útil da BCA ou do RA conduz ao melhor balanço entre o COP e a potência específica de aquecimento ou de refrigeração. Esta tese fornece uma melhor perspetiva de como modelar e simular sistemas de BCA e de RA com precisão acrescida. Os resultados dos modelos propostos e das simulações realizadas levam a uma melhoria nas previsões da performance, controlo e projeto de sistemas completos de BCA e de RA, contribuindo assim para melhorias futuras da sua performance e projeto, bem como para a redução dos custos de produção. Este trabalho incluiu a construção do protótipo de uma BCA adequada para aquecimento central ou de águas domésticas, que poderá ser utilizado para validação de modelos numéricos, bem como para o estabelecimento de estratégias de controlo e de integração com outros equipamentos.