Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση και η ενεργειακή αξιολόγηση διβάθμιων αντλιών θερμότητας που χρησιμοποιούν σαν ψυκτικό μέσο το διοξείδιο του άνθρακα . Το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο φυσικό ψυκτικό μέσο, καθώς δεν έχει περιβαλλοντικό αντίκτυπο διαθέτοντας μηδενικό ODP και GWP ίσο με τη μονάδα και είναι εναρμονισμένο με την διεθνή νομοθεσία. Η διπλωματική επικεντρώνεται στην σύγκριση τριών διαφορετικών συστημάτων με χρήση των θερμοφυσικών ιδιοτήτων του διοξειδίου του άνθρακα.

Η έρευνα βασίζεται στην ανάλυση του συστήματος Booster, του συστήματος παράλληλης συμπίεσης και του συστήματος πολλαπλών ακροφυσίων, που αποτελούν τα εμπορικά διαθέσιμα συστήματα ψύξης με CO₂. Για κάθε σύστημα μελετήθηκαν τρία σενάρια λειτουργίας. Το πρώτο σενάριο αφορά την μεταβολή της κατανομής του ψυκτικού φορτίου μεταξύ των ατμοποιητών χαμηλής πίεσης και μέσης πίεσης. Το δεύτερο σενάριο αφορά την επίδρασης της αύξησης της θερμοκρασίας εισόδου στους ατμοποιητές, ενώ το τρίτο σενάριο μελετά την επίδραση της μεταβολής της θερμοκρασίας της βαθιάς κατάψυξης.

Τα ευρήματα απέδειξαν ότι το σύστημα πολλαπλών ακροφυσίων υπερέχει σημαντικά με μέγιστη τιμή συντελεστή συμπεριφοράς 3,142. Ακόμη και σε ακραίες μεταβολές της θερμοκρασίας όπως το σενάριο με θερμοκρασία κατάψυξης  στους -30˚C το σύστημα πολλαπλών ακροφυσίων διατήρησε υψηλή τιμή συντελεστή συμπεριφοράς αποδεικνύοντας ότι η αποφυγή μέρους της συμπίεσης μέσω των ακροφύσιων αποτελεί σημαντική βελτίωση . Η υιοθέτηση του συστήματος πολλαπλών ακροφυσίων κρίνεται απαραίτητη για τα συστήματα που τοποθετούνται σε θερμά κλίματα προσφέροντας μείωση του λειτουργικού κόστους και του περιβαλλοντικού αντίκτυπου των εγκαταστάσεων.

The subject of this master’s thesis is the modeling and energy evaluation of two-stage heat pumps that use carbon dioxide as a refrigerant. Carbon dioxide is a promising natural refrigerant as it has no environmental impact, possessing zero ODP and GWP, and is in compliance with international legislation. The thesis focuses on the comparison of three different systems, addressing the challenges of the thermophysical properties of carbon dioxide.

The research is based on the analysis of the Booster system, the parallel compression system, and the multi-ejector system. Three operating scenarios were studied for each system. The first scenario concerns the variation of the cooling load distribution between the low-pressure and medium-pressure evaporators. The second scenario concerns the effect of increasing the inlet temperature to the evaporators. The third scenario concerns the effect of varying the deep-freezing temperature.

The findings demonstrated that the multi-ejector system significantly outperforms the others, with a maximum coefficient of performance (COP) value of 3.142. Even in extreme temperature variations, such as the scenario with a freezing temperature of -30°C, the multi-ejector system maintained a high coefficient of performance, proving that the avoided consumption work by the introduction of the multi-ejectors results in a significant improvement. The adoption of the multi-ejector system is considered essential for systems installed in warm climates, offering a reduction in operating costs and the environmental impact of the facilities..Π