Store Varmepumper Virkningsgrader, COP m.m.

Transkript

1

2 Store Varmepumper Virkningsgrader, COP m.m. IDA, København d. 25/ Bjarke Paaske Center for køle- og varmepumpeteknik

3 Teknologisk Instituts rolle i vidensystemet Videnudvikling Vi udvikler ny viden gennem forskningsog udviklingsaktiviteter på linje med universiteter og andre forskningsinstitutioner Videnanvendelse Vi anvender ny og eksisterende viden i serviceydelser på kommercielle vilkår fx laboratorietests, prøvning og certificering Videnoverførsel Vi overfører ny viden gennem rådgivning, uddannelse og fx operatøropgaver på kommercielle vilkår og i fri konkurrence ENERGI OG KLIMA-DIVISIONEN KØLE- OG VARMEPUMPETEKNIK

4 Viden udvikling Optimering af ammoniak varmepumpe til fjernvarmesystemer ENERGI OG KLIMA-DIVISIONEN KØLE- OG VARMEPUMPETEKNIK

5 Viden anvendelse Demonstrationsprojekter ENERGI OG KLIMA-DIVISIONEN KØLE- OG VARMEPUMPETEKNIK

6 Viden overførsel 1-dags kursus - Store varmepumper til industri og fjernvarme Generelt om varmepumpeteknik Teori og kølemidler De forskellige varmepumpetyper Mekaniske, varmedrevne og hybrid, komponenter, muligheder/begrænsninger Energiforbrug og anvendelsesområder Carnot, Lorentz, T,s-diagram, energioptimering, el-regulering Systemintegration Eksisterende system, produktionsenheder, driftsstrategi, faldgruber Økonomi og afgifter Forhold ved enkeltstående anlæg, kombinationer, industriel overskudsvarme Eksempler på anvendelser Erfaringer og forhold ved etablerede anlæg ENERGI OG KLIMA-DIVISIONEN KØLE- OG VARMEPUMPETEKNIK

7 Mekaniske varmepumper (el) Selvstændige enheder / kombination

8 Absorptionsvarmepumper (varmedrevne) Når der anvendes brændsler

9 Varmepumpers effektfaktor (COP) El-drevne: Temperaturforskellen har stor betydning - Kompressorens arbejde afhænger af temperaturløftet

10 Det teoretiske energiforbrug Kompressionsvarmepumper: Det teoretiske arbejde afhænger udelukkende af temperaturerne COP Carnot (konstante temperature) COP C = T H T H T L T H = Temperature afgiver (K), T L = Temperature kilde (K) COP Lorenz (afgiver og kilde med glid ) COP L = T lmh T lmh T lml T lmh = log mid. temp. sink (K), T lml = log mid. temp. source (K) T lm = T max T min ln T max T min

11 Varmekilder til varmepumper Luft Jord Havvand Sø/Å-vand Drikkevand Grundvand Spildevand Overskudsvarme Sæsonlagre Køling af røggas Geotermi Lav energidensitet Umiddelbart ikke interessant i store anlæg - Stort potentiale (koldt) - Potentiale i nogle områder (koldt) % af varmebehovet - genopvarmning? - Kræver store flowmængder - Konstant flow, rimelig temperatur - Høj temperatur tilgængelighed? - Solvarme / overskudsvarme - Affald, flis m.m. - Høj temperatur - tilgængelighed?

12 Varmepumpers effektfaktor (COP) El-drevne: teoretisk COP afhænger af temperaturniveau er Grundvand køles fra 9-2 grader Fjernvarmevand opvarmes fra grader COP = 6,7 Overskudsvarme køles fra grader COP = 31 Fjernvarmevand forvarmes fra grader - Bedste systemer ligger i dag på 60 % af det teoretisk opnåelige - Bedste systemer ligger i dag på 60 % af det teoretisk opnåelige - Forskel mellem teori og praksis - Kompressor/Motor - Ekspansionsenergi Mekaniske tab - Systemopbygning - Kølemidlets temperaturforløb Termiske tab

13 Dansk lovgivning udelukker syntetiske kølemidler i større anlæg Mekaniske varmepumper Ammoniak (NH 3 ): Kuldioxid (CO 2 ): Store anlæg > 300 kw Mellemstore anlæg < kw Kulbrinter (Isobutan, propan m.m.): Mellemstore anlæg kw Vanddamp (H 2 O): Kun lav temp. PT udvikles i øjeblikket Hybridvarmepumpe (mekanisk absorptionsvarmepumpe) H 2 O/NH 3 (NH 3 er kølemidlet): Særligt høje temp. og glid på varm/kold side

14 Ammoniak Op til ca. 55 C med standard kølekomponenter (25 Bar) - LT Op til ca. 70 C med standard varmepumpekomponenter (40 Bar) - MT Op til C med specialkomponenter (50-60 Bar) - HT Standard VP ca. 75 C Højtryksanlæg ca. 90 C

15 CO 2 Stempel eller skruekompressor ca. 90 C (et trin pga. lavt trykforhold) Temperaturglid i gaskøler kan udnyttes Kan løfte fra kilde med meget lav temperatur Meget afhængig af lav indgangstemp. for medie som skal opvarmes

16 Propan Traditionel skrue ca C (et trin pga. lavt trykforhold) Kommercielle kompressorer op til ca kw

17 Isobutan Traditionel skrue ca C (et trin pga. lavt trykforhold) Kræver flere varmevekslere Kommercielle kompressorer til ca. 500 kw

18 Vand som kølemiddel Ny aksial kompressor udviklet til komfortkøl Meget stort volumenflow pga. lav temp. Kan udvinde energi fra havvand ved 0 C Forventes demonstreret i Augustenborg i 2016

19 Hybridanlæg Op til 110 C med standard NH 3 komponenter (lavt tryk) Højere temperature er formentlig mulige Kræver temp.glid på både varmeoptager og varmekilde (varm og kold side)

20 Varmepumpers energiforbrug COP vokser ikke ind i himlen - Carnot eller Lorenz er grænsen - Forskellen mellem teori og praksis afhænger af: - Mekaniske tab (kompressor og ekspansion) - Termiske tab (temperaturtab i varmevekslere og kølemiddel) - Fra udredningsprojekt - Mekaniske tab i kompressorer % - Mekaniske tab i ekspansionsenergi 5-40 % - Termiske tab i kølemidlets temperaturforløb 5-25 % - Termiske tab i varmevekslere %

21 Mekaniske tab kompressor/el-motor Stempelkompressor Skruekompressor 200 kw IE3 motor: η > 96 % Samlet virkningsgrad < %

22 Mekanisk tab - ekspansionsenergi Pga. højt tryk er tabet størst ved CO 2 anlæg Køleeffekt 120 kj/kg Mekanisk Energi 45 kj/kg COP = 3,7

23 Mekanisk tab - ekspansionsenergi Udnyttelse af ekspansionsenergi medfører væsentlig bedre COP Mekanisk Energi 15 kj/kg Mekanisk Energi 45 kj/kg COP = 5,5 (30 % tab)

24 Termiske tab store temp.diff. pga. kølemiddel t = 37,5 C COP = 3,47 t = 22,5 C COP = 4,67 Gns. t = 26 C COP = 4, C v. t = 5 C COP = 5,45 Medfører tab på 20 %

25 Termiske tab store temp.diff. pga. kølemiddel Temperaturglid i fx CO 2 betyder mindre forskelle - Kan give højere virkningsgrad hvis vandtemperaturen passer

26 Termiske tab tab i varmevekslere I fx jordvarme skal energien veksles flere gange Temperatur i varmepumpe -7 C Temperatur i jordslange -2 til -5 C Temperatur i jord omkring slangen 0 C Temperatur i jord 8 C Typisk falder COP 2-3 % pr. grad temperaturen reduceres Temperaturforskel på 11 K tab på %

27 Optimeringspotentiale - Fra udredningsprojekt om store varmepumper - Superoptimering af: - Kompressor/Motor - Ekspansionsenergi - Kølemidlets temperaturforløb COP for de bedste anlæg kan øges 15 % - Ændringer i: - Systemopbygning COP kan øges med 50 % - Afhænger naturligvis af udgangspunktet, men ofte udgør systemet det største potentiale eller begrænsning

28 Optimeringspotentiale - Betydning af lavere temperaturbehov - Små temperaturforskelle = billig varmeproduktion

29 Tak for opmærksomheden! Bjarke Paaske, tlf , Center for køle- og varmepumpeteknik