Fremtidssikring af dansk produktion af varmepumper,

Transkript

1 Fremtidssikring af dansk produktion af varmepumper, FORPROJEKT ELFORSK Subtitel: Udvikling af ny generation af varmepumper, som opfylder kriterierne for bedste energiklasse i kommende EU mærkningsordning: Best in Class Heat Pumps. Juli 2014 Per Henrik Pedersen Lasse Søe Jens Frandsen Teknologisk Institut Nilan A/S Danfoss

2 Indhold Baggrund:... 3 Formål:... 3 Projektbeskrivelse:... 3 Projektdeltagere:... 4 Nilans rolle:... 4 Teknologisk Instituts rolle:... 4 Danfoss rolle:... 5 Tidsplan:... 5 Teknologiens nuværende stadie... 5 Baseline... 7 Fremstilling og test af nye prototyper... 7 Første prototype... 8 Anden prototype Hvor god kan en fremtidig varmepumpe blive? Intern varmeveksler Skitse til udvikling af en ny generation af varmepumper Konklusion Appendiks: Testrapport for første prototype Appendiks: Testrapport for prototype Appendiks: Energimærkningsskala, gulvvarme Appendiks: DTU-studerendes rapport

3 Baggrund: EU har vedtaget forordninger for Ecodesign-krav og energimærkningsordning for varmepumper til private huse. Forslagene har været længe undervejs, og blev vedlaget på et møde i den Regulerende Komite i februar 2013 og kommer til at gælde fra den 26. september De to forordninger er altså endelig vedlaget undervejs i forprojektet, men forarbejdet har varet i flere år, og udsigten til en energimærkningsordning for varmepumper har været en væsentlig drivkraft for dette projekt. Teknologisk Institut har undervejs i processen været konsulent for Energistyrelsen og har fulgt forarbejdet på nært hold, og har blandt andet deltaget på møder i EU og udarbejdet diverse notater. Et af disse notater sammenlignede EU-forslagene med de eksisterende varmepumper på Energistyrelsen (og Go Energi s) liste for varmepumper. Resultatet viste, at de bedste varmepumper på det danske marked kom til at ligge i den næste-bedste energiklasse (A++), mens der (endnu) ikke var varmepumper i den bedste klasse (A+++). Formål: Formålet i projektet er sammen med en dansk producent (Nilan A/S) at skabe grundlaget for udvikling af en ny generation af jordvarmepumper (væske-vand-varmepumper), som opfylder kriterierne for at komme i den bedste EU energiklasse (A+++). Herved skal sikres, at danske producenter (også) i fremtiden er konkurrencedygtige og kan levere de bedste og mest effektive varmepumper. Det tilstræbes at benytte naturlige kølemidler eller kølemidler med lav GWP (Global Warming Potential), hvor det kan lade sig gøre med hensyn til sikkerhedsforhold og gældende regler. HFC-kølemidler er under hårdt pres i EU og på global plan, og det må forventes, at der kommer regulering, som også vil omfatte varmepumper, alternativt at benytte andre HFCkølemidler med mindre GWP (Global Warming Potential). Projektbeskrivelse: Forprojektet består at følgende faser: A) Analyser: Beskrivelser af teknologiens nuværende udviklingsstadie (state of the art), tilgængelige produkter, markedet for varmepumper og danske producenter. B) Der dimensioneres og fremstilles en state of the art HFC-baseret jordvarmepumpe med ca. 3-6 kw ydelse til centralvarme med frekvensreguleret kompressor. Varmepumpen testes i akkrediteret laboratorium på TI. Der udarbejdes testrapport efter SCOP-metoden, der udarbejdes en energiteknisk analyse af resultaterne. Analysen og testen skal tjene som benchmark for løsninger med naturlige kølemidler. C) Muligheder for forbedringspotentialet kortlægges. Hvor god kan en fremtidig varmepumpe blive? Der foretages analyser af de forskellige komponenter og kølemidler. Dette sker med henblik på lokalisering af begrænsende faktorer og dermed indsatsområder for videreudvikling af teknologien. Analyserne sker bl.a. med baggrund i energieffektivitet, miljøpåvirkning, priser og sikkerhed. Herunder undersøges både tilgængelige komponenter og komponenter som forventes på markedet inden for den nære fremtid. 3

4 D) Der udarbejdes skitser til en ny generation af varmepumper. Det kan måske forventes, at der skal benyttes ny kompressorteknologi, ny varmevekslerteknologi og måske ny teknologi til at styre kredsprocessen. E) Projektet rapporteres til Elforsk, og det forventes, at resultaterne fra forprojektet medfører udarbejdelse af et hovedprojekt med bygning og test af varmepumper i hhv. 3-6 kw-klassen og en varmepumpe med lidt større kapacitet. Projektdeltagere: Teknologisk Institut Lasse Søe Tage Petersen (indtil august 2013) Per Henrik Pedersen (projektleder) Nilan Henry Yndgaard Sørensen Jens Frandsen Lis Jacobsen Danfoss Asbjørn Vonsild Nilans rolle: Fase A: Medvirke til diskussion af state of the art og potentielle nye teknologier. Medvirke til diskussion om markedet og danske producenters rolle. Fase B: Nilan har dimensioneret og fremstillet to state of the art varmepumper til test. Nilan har hjulpet med at montere varmepumpene til test. Nilan har deltaget som sparringspartner til diskussion af testresultater og til resultater af den energitekniske analyse. Fase C: Nilan har fremskaffet specifikationer på relevante komponenter og medvirket til diskussion af analyseresultater. Nilan har medvirker til diskussion af kølemidler og sikkerhedsforhold. Nilan har medvirket til at diskutere med potentielle leverandører af komponenter. Fase D: Nilan har medvirket til udarbejdelse af skitse til den næste generation af varmepumper. Fase E: Nilan har medvirket til kommentering af udkast til rapporter og udkast til hovedprojekt med bygning og test af ny generation af varmepumpe. Teknologisk Instituts rolle: Teknologisk Institut (TI) er projektleder og har haft den direkte kontakt til Elforsk og projektpartnerne. Fase A: TI har analyseret og beskrevet state of the art. TI har udarbejdet notat om markedet for varmepumper og danske producenters rolle og andel af markedet. TI har ligeledes indgået med viden om Ecodesign og de aktiviteter, som foregår i EU-regi. 4

5 Fase B: TI har foretaget 2 test efter SCOP-metoden på de leverede varmepumper og har udarbejdet testrapport og notat med analyse. Fase C: TI har udarbejdet oplæg til diskussion af forbedringspotentiale: Hvor god kan fremtidens varmepumper blive?. I den sammenhæng har 4 DTU-studerende i faget Køleteknik været i minipraktik på TI og har arbejdet med denne problemstilling i forbindelse med projektet. TI har udarbejdet analyser af resultaterne. Fase D: TI har i dialog med Nilan og Danfoss udarbejdet en skitse til en ny generation af varmepumper. Fase E: TI har udarbejdet udkast til rapporter og til beskrivelse af indholdet af hovedprojekt. Danfoss rolle: Asbjørn Vonsild Leth fra Danfoss er involveret i udvikling af nye komponenter til nye kølemidler på globalt plan. Danfoss er en vigtig spiller på området og er en af verdens største producenter af komponenter til køle- og varmepumpeanlæg, og er langt fremme med komponenter til naturlige kølemidler og andre lav-gwp kølemidler. Danfoss har bidraget med den nyeste viden og har bl.a. præsenteret de nyeste trends inden for kølemidler på globalt plan; - samt kommet med ideer til hovedprojektet. Tanker om det senere hovedprojekt: I hovedprojektet forventes det, at der fremskaffes nye komponenter, og at der bygges prototyper, som testes og tunes, således at varmepumperne bliver mere effektive og bliver placeret i den bedste energiklasse (A+++). Varmepumperne forventes ligeledes at blive konkurrencedygtige, idet de godt nok bliver marginalt dyrere, men denne merpris vil blive udlignet af besparelse på elforbruget. Den gode energimærkning vil vejlede forbrugerne til at gå efter de effektive varmepumper. Tidsplan: Forprojektet blev startet i februar 2013 og færdiggjort i juni Teknologiens nuværende stadie Varmpumper benytter en termodynamisk proces, hvor der ved hjælp af tilført energi optages energi fra en varmekilde (ved en lav temperatur) og denne energi + den tilførte energi afgives ved en forholdsvis højere temperatur til f.eks. et centralvarmesystem. Langt de fleste varmepumper drives med elektricitet, men der findes også termisk drevne varmepumper. I dette projekt ses udelukkende på eldrevne varmepumper med en termodynamisk proces med en (eldreven) kompressor. Der findes mange typer og størrelser af varmepumper (se f.eks. Den lille Blå om Varmepumper, Dansk Energi, 2011), men i dette projekt ses udelukkende på jordvarmepumper (væske-vandvarmepumper) til rumopvarmning af godt isolerede én-familiehuse (lavenergihuse). Varmepumper til rumopvarmning i lavenergihuse bør installeres til at levere gulvvarme ved lav fremløbstemperatur (f.eks.+35 o C), idet dette giver en signifikant højere effektivitet (COP-værdi), 5

6 end hvis den skal levere varmt brugsvand og/eller højere fremløbstemperatur til radiatorsystemer (typisk +55 o C). Nilan har specialiseret sig i at fremstille og markedsføre varmepumper til lavenergihuse, og derfor er der også i dette projekt fokuseret på varmepumper til gulvvarme. Energien tages fra jorden igennem nedgravede jordslanger. Disse lægges i en dybde af ca. 0,9 1,0 m og optager den solenergi, som igennem sommeren er optaget i jorden og gemt til vinteren. Det er altså solenergi, som udnyttes af varmpumpen. Der er altså tale om vedvarende energi med en mindre bidrag af el fra nettet. Energien fra varmepumper bliver i Danmark derfor defineret som vedvarende energi. En jordvarmepumpe til produktion af gulvvarme er en mindre kompakt maskine (se senere foto af prototype), som er placeret i en isoleret kabinet. Foruden el tilslutning er der rørtilslutninger (væske ind og ud og centralvarmevand ind og ud. Figur: Skitse af jordvarmepumpe, som er tilsluttet et gulvvarmesystem (10). Der pumpes (8) en brine (en væske som er frostsikret og ofte er en blanding af vand og sprit) igennem jordslangen (3). Selve varmpumpen består af en kompressor (5) som komprimerer kølemiddel til et relativt højt tryk. Den varme kølemiddelgas afkøles og kondenseres ved det høje tryk i kondensatoren (6) og afgiver energi til centralvarmevandet. Det flydende kølemiddel ekspanderer igennem en termostatisk ekspansionsventil (7) til lav tryk før fordamperen (4), hvor kølemidlet fordamper under tilførsel af energi fra brine og jordslange. Centralvarmevandet pumpes fra kondensatoren til gulvvarmesystemet med en pumpe (8). Der er ofte monteret en elpatron (9), som kan levere varme til centralvarmevandet, hvis varmepumpen havarerer eller hvis det skulle blive ekstremt kold i en længere periode. Skitsen er fra en af Nilans installationsmanualer. 6

7 Kompressoren er oftest en rotationskompressor (for Nilans varmepumper). Tidligere var Nilans kompressorer af fixed speed typen med konstant hastighed. Varmevekslerne (fordamper og kondensator) er pladevarmevekslere. Ekspansionsventilen er mekanisk styret (termostatisk) af overhedningen efter fordamperen. Kølemidlet er R410A. Det er ikke så længe siden, at der kom energipumper på markedet til brine og siden da har alle Nilans brinepumper været i energiklasse A. Baseline I projektet blev valgt at fokusere på Nilans JVP 3 varmepumpe, som kunne levere ca. 3 kw varmeeffekt ved gulvvarmedrift. Denne blev i august 2011 godkendt af TI til optagelse på Energistyrelsens produktliste for varmepumper, og den var bestemt til at have en Normeffekfaktor på 3,71 for gulvvarmedrift. Normeffektfaktor er et dansk fænomen, som bestemmer en varmepumpes effektivitet efter danske forhold. Den fælleseuropæiske SCOP-metode til bestemmelse af en gennemsnitlig effektfaktor for et klima, som svarer til Strassburg er først fornyeligt blevet indført, og de første test blev foretaget i SCOP-metoden svarer i princippet til den danske Normeffektfaktor, som simulerer gennemsnitlig effektivitet for dansk klima. Hvis man ikke har sammenlignelige testdata kan man omregne fra det ene til det andet efter denne formel, som gælder for væske-vand-varmepumper til gulvvarme: SCOP*0,85 = Normeffektfaktor Det vil sige, at effektiviteten af vores baseline varmepumpe ( før-modellen ) er: SCOPfør-model = 3,71/0,85 = 4,36 Denne værdi vil senere blive benyttet ved sammenligning med testværdier for de to testede prototyper af state of the art -varmepumper. Fremstilling og test af nye prototyper I forbindelse med optakten til - og gennemførelse af projektet har Nilan udviklet deres egen inverter (frekvensomformer til styring af kompressorens hastighed) og indgået aftale om at benytte en ny type rotationskompressor, som kan køre med variable hastigheder inden for et større interval. Den nye kompressor er en to cylinder rotationskompressor, i modsætningen til den tidligere kompressor, som er én-cylinderet. De to cylindre komprimerer i parallel, og det giver en bedre balance i kompressoren, som dermed udsender mindre støj. Inverteren har en god virkningsgrad, og den er fremstillet og monteret, således at den afgivne varme fra tabet i inverteren udnyttes ved at opvarme sugegassen efter afgang fra fordamperen. Føleren til ekspansionsventilen er placeret efter denne varmeveksling med inverteren, og det sikrer en bedre udnyttelse af fordamperen, idet en termostatisk ekspansionsventil regulerer efter overhedningen. I test af første prototype er målt en overhedning på ca. 6K, hvoraf de ca. 1,5K stammer fra opvarmning med inverteren. Den nye varmepumpe hedder Geo3. 7

8 Første prototype Der blev i løbet af sommeren 2013 fremstillet en første prototype af state of the art -varmepumpe med disse nye teknologier. Varmepumpen blev instrumenteret i et samarbejde mellem Nilan og Teknologisk Institut og sendt til test i varmepumpelaboratoriet på Teknologisk Institut, hvor der blev foretaget en akkrediteret test efter SCOP-metoden. Prototypen er i sit ydre magen til den gamle model, det eneste der er ændret er kompressor og inverter/varmeveksling med inverter og følerplacering til termostatisk ekspansionsventil. Figur: Rørdiagram for første prototype med placering af ekstra målepunkter. 8

9 Foto: Foto af varmepumpen, monteret til test på Teknologisk Institut. Når varmepumpen er installeret hos brugeren vil den være indbygget i et kabinet sammen med en boligventilationsvarmepumpe, som producerer varmt brugsvand, og som sørger for ventilation af huset. Prototypen blev fragtet til Varmepumpe-testlaboratoriet på Teknologisk Institut i Aarhus, hvor den blev monteret på akkrediteret teststand og der blev foretaget en akkrediteret test af varmepumpen efter SCOP-metoden for gulvvarme. 9

10 Resultatet blev fint. SCOP blev bestemt til 5,17, og det betyder, at varmepumpen er i energiklasse A+++ til gulvvarmedrift. Dette er en forbedring ift. tidligere model, som havde en SCOP på 4,36, dvs. en stigning på ca. 19% på SCOP-værdien. Der er ingen tvivl om, at den fine kapacitetsregulering, - som inverteren i samspil med kompressoren sørger for, medvirker til det gode resultat. SCOP-testmetoden indeholder testpunkter med dellast, og varmepumper med god kapacitetsregulering klarer sig relativt bedre end varmepumper uden kapacitetsregulering. Som vi senere skal se, så ser varmevekslerne (kondensator og fordamper) også til at være gode. Analyse af målinger: I det følgende vises temperaturkurver fra målinger ved fuldlast. De viser, at varmepumpen kører rimelig godt: Overhedning ca. 4,5 K (egentlig ca. 6 K, da føleren til ekspansionsventilen er placeret efter varmvekslingen med inverteren, som opvarmer sugegassen ca. 1,5 K) Fordampningstemperatur: ca. -4,6 0 C Kondenseringstemperatur: ca. 34,6 0 C, det vil sige, at vandets udløbstemperatur (+35 C) er varmere end kondenseringstemperaturen, og det er godt. Det er energien i trykgassen, som sammen med god varmeveksling, som er anledningen til dette. Underkøling: ca. 2 K Det ser ud køre fint. Overhedningen af kølemiddel kan måske gøres lidt mindre ved at benytte en anden (elektronisk) ventil og måske en anden fordamper med bedre væskefordeling (Danfoss har et nyt koncept, som Nilan p.t. tester). En mindre overhedning vil medføre en bedre udnyttelse af fordamperen, højere fordampningstemperatur og højere effektivitet. Varmepumpen kører lidt ON/OFF-drift ved det laveste driftspunkt i testen. Der er mulighed for at udvide driftsområdet ned til ca. 800 RPM, hvis ikke kondenseringstemperaturen er for høj. Det kan man evt. sikre i softwaren til næste generation af styring og inverter. Man kan se, at temperaturerne på lavtrykssiden varierer lidt inden for et interval. Dette skyldes formentligt, at den termostatiske ekspansionsventil hele tiden regulerer, således at overhedningen ligger inden for et temperaturinterval (en hysterese). Dermed varierer fordampningstryk og temperatur og de andre temperaturer på lavtrykssiden af varmepumpen. Hvis der benyttes en elektronisk ekspansionsventil kan man måske reducerer overhedningen med et par grader, og hæve fordampningstrykket tilsvarende med bedre effektivitet som følge. Den elektroniske ekspansionsventil kan måske også sikre mere stabil drift. 10

11 t_s.sat, [ C] beregnet i EES SH, [K] t_c.o - [ C] t_c.i - [ C] SH_e, [K] t_2-t_1 [K] :12: :36: :00: :24: :48: :12:00 11

12 t_1 - [ C] t_s.sat, [ C] beregnet i EES t_c.o - [ C] t_c.i - [ C] :12: :36: :00: :24: :48: :12: t_3 - [ C] t_4 - [ C] t_d.sat, [ C] beregnet i EES SUB, [K] t_h.i - [ C] t_h.o - [ C] :12: :36: :00: :24: :48: :12:00 12

13 Anden prototype Det blev besluttet at udføre endnu en test med en ny udgave af inverteren. Nilan har fået udviklet en ny generation af denne inverter, og den skulle være mere effektiv (mindre tab). Den nye inverter blev monteret på den samme varmepumpe, som blev testet i første omgang. Varmepumpen blev tømt for kølemiddel og den nye inverter og varmeveksler (til kølemiddel) blev monteret i stedet for den gamle inverter. Der blev fyldt samme mængde kølemiddel på anlægget, som derefter blev sendt til Teknologis Institut til test. I modsætning til tidligere er der nu monteret en lavenergi-cirkulationspumpe på anlægget. I testen blev der målt bedre COP-værdier i de enkelte testpunkter, men på trods af dette gav testen en marginal dårligere SCOP-værdi. Det er på grund at korrektionsberegninger, som har med pumpearbejdet at gøre. Resultatet blev en SCOP på 5,11 (mod 5,17 for prototype 1). Testrapport for prototype 2 er gengivet i appendiks. Hvor god kan en fremtidig varmepumpe blive? En af opgaverne i forprojektet er at vurdere state of the art -varmepumpens effektivitet i forhold til det teoretisk muligt. Teknologisk Institut formulerede en lille opgave for 4 DTU-studerende i faget Køleteknik, som er et 3-ugers kursus med Brian Elmegaard, DTU som vejleder. De 4 studerende var på Teknologisk Institut i Taastrup i 4 dage i den sidste uge af projektet, hvorefter de fremlagde deres opgave for vejleder og censor på den 5. dag på DTU i Lyngby. De studerendes rapport er i appendiks 4. De studerende fik udleveret testrapport fra den første prototype og skulle selv arbejde med opgaven, - dog under vejledning af personale fra Teknologisk Institut. De startede med at tegne processen i et LogPh-diagram for test af varmepumpe ved fuldlast. Herefter har de studerende beregnet teoretiske virkningsgrader: a) For en (ideel) proces med R410A med isentropisk kompression og isenthalpisk ekspansion uden tryktab i komponenter (COPsyst) b) Sammenligning med en carnotmaskine, som arbejder mellem kondenseringstemperatur og fordampningstemperatur (COPCarnot, i) c) Sammenligning med carnot-maskine, som arbejder mellem temperaturen af varmekilde (brine) og temperaturen af varmetilførsel (centralvarmevand) (COPCarnot, y). 13

14 Figur: LogPh-diagram for processen. Fordampningstemperatur: -5 0 C, kondensatortemperatur: 34 0 C, Overhedning: 5 0 C, Underkøling: 2 0 C. Der er benyttet CoolPack-software til beregningerne og til generering af LopPh-diagrammet. Tabel Ud fra tabellen ovenfor ses at COPtest er 72 % af den maksimale COP for systemet med dette kølemiddel og konfiguration. For at få selve COPsyst tættere på COPcarnot.i, og dermed have mulighed for en større COP, skal systemets proces være anderledes eller tilføres flere/andre komponenter. COP Carnot indre og ydre COPCarnot,Y : Maximalt potentiale regnet ud fra brinens (jord) indløbstemperatur og centralvarmevandets fremløbstemperatur. Den ydre COPCarnot,Y viser det maximale potentiale i kredsprocessen defineret ud fra temperaturene i de sekundærer kredse dvs. indløbstemperaturen for brinen (Tc,i) og fremløbstemperaturen for vandet til gulvvarmen (Th,o). Temperaturene haves for alle de forskellige udetemperaturer (-10 C til 12 C) i en simuleret varmesæson. COP Carnot,Y = kredsene.) T h,o T h,o T c,i - (COP for en Carnotproces regnet med temperaturer fra sekundær COPCarnot,I : Maximalt potentiale regnet ud fra fordampnings og kondenseringstemperatur. Den indre COPCarnot,I viser det maximale potentiale i kredsprocessen defineret ud fra kondenseringstemperatur (TH) og fordampningstemperaturen (TL). Alle temperaturene i kredsen haves kun for forsøget med en udetemperatur på -7 C, med en brine temperatur på 0 C og en centralvarmetemperatur på 34 C. For de resterende udetemperaturer er den COPCarnot,I estimeret ved 14

15 at tage forholdet mellem COPCarnot,I og COPCarnot,Y og det er antaget at forholdet i mellem de 2 COP er er konstant for de andre udetemperaturer. COP Carnot,I = T Cond T Cond T Evap kondenseringstemperatur, er kun regnet sådan for -7 C) - (COP for en Carnot-proces regnet med fordampnings og ηcar: Carnotvirkningsgraden for varmepumpen, sammenligning mellem COPtest og COPCarnot,y. Carnotvirkningsgraden for anlægget viser i hvor højgrad det maximale potentiale udnyttes i varmepumpen. I Carnotvirkningsgraden tager alle bidrag med for hele kredsen og er derfor den samlede virkningsgrad for systemet. η Car = COP test COP Carnot,Y - Carnotvirkningsgraden for hele varmepumpen Figuren nedenfor viser Carnotvirkningsgraderne, både den indre (rød) og den ydre (blå) og her ses det at den er nedadgående efter udetemperaturen har nået 2 C. Det er vigtigt at holde for øje at den indre virkningsgrad er regnet ud fra antagelsen om at varmevekslerne virker lige effektivt ved alle temperaturene. 1 0,9 0,8 0,7 hcarnot.y hcarnot.i 1 0,9 0,8 0,7 hcarnot.y 0,6 0,5 0,4 0,6 0,5 0,4 hcarnot.i 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0, Outdoor temp [C] Figur Carnotvirkningsgrader Det ses, at carnotvirkningsgraden for hele varmepumpen (den ydre carnotvirkningsgrad) er af størrelsesordenen 50%. Ud fra et teoretisk synspunkt er der derfor et (stort) potentiale for at gøre fremtidens varmepumper endnu mere effektive. Det er klart, at man ikke kan nå op på 100 %, men der er et potentiale, som man kan udnytte i fremtiden. Af hjemmesiden for IEA/OECD Heat Pump Center ( fremgår, at carnotvirkningsgraden for mindre eldrevne varmepumper varierer fra 0,3 0,5. Dermed kan man sige, at Geo3-varmepumpen ligger ved den øvre grænse af dette. 15

16 COP Det fremgår ligeledes, at for større effektive varmepumper kan carnotvirkningsgraden variere mellem 0,5 0,7. Det burde også være muligt, at få mindre eldrevne varmepumper til at ligge inden for dette interval! Intern varmeveksler En intern varmeveksler er én af de komponenter, som kan tilføjes til systemet og kan ændre systemets COP. Det er simuleret i CoolPack. Ligeledes vil der blive set på, om det kan betale sig at skifte kølemiddel til propan. For at kunne tilføje en intern varmeveksler holdes massestrømmen af kølemiddel konstant. Derefter blev der testet både med og unden en intern varmeveksler, hvor varmeveksleren s virkningsgrad blev varieret fra 0,3 til 0,6, da dette tænkes at være et realistisk interval. På figuren nedenunder ses variationerne, både med en isentropvirkningsgrad på 1 og 0.83 for kompressoren: x-aksen angiver den interne varmevekslerens virkningsgrad og y-aksen angiver systemets COP. 7,000 6,800 6,600 6,400 6,200 6,000 5,800 5,600 5,400 5,200 5,000 R410a eta_is=1 R410a eta_is=0,83 R290 eta_is=1 R290 eta_is=0,83 0 0,2 0,4 0,6 Virkningsgrad for intern varmveklser Figur: COP med indførsel af intern varmeveksler Fra figur 8 kan det konkluderes, at en intern varmeveksler med kølemidlet R410a ikke kan betale sig idet systemets COP falder med øget varmeveksling. Derimod stiger systemets COP med øget varmeveksling, når der bruges propan (R290). Det ser ligeledes ud til, at COP for propan er lidt større end for R410A. Det kunne være interessant at foretage samme analyse for R32, som i udlandet er på vej ind i varmepumpeprodukter. R32 skulle være bedre end R410A. Det var ikke muligt for de studerende at foretage denne analyse, da CoolPack (endnu) ikke har kølemiddelrutiner for dette kølemiddel. Skitse til udvikling af en ny generation af varmepumper I PSO-projektet Fremtidssikring af dansk produktion af varmepumper, Forprojekt er der fremstillet og testet en state of the art -varmepumpe til at producere gulvvarme til lavenergihuse. Denne væske-vand-varmepumpe er af mindre størrelse og er blevet udstyret med en af Nilan nyudviklet inverter, hvor spildvarmen fra inverteren udnyttes. Forprojektet har været en stor succes, idet denne varmepumpe er i energiklasse A+++ for gulvvarme med en SCOP på 5,17. 16

17 EU's energimærkningsordning skal evalueres og revideres senest i 2018 (senest 5 år efter ikrafttræden), og det må forventes, at der sker en kraftig skærpelse af ordningen, da det tilsyneladende er for nemt, at komme i den gode energiklasse for væske-vand-varmepumper til gulvvarme. I forprojektet blev det belyst, at der stadig er et stort uudnyttet potentiale for at gøre fremtidens varmepumper endnu mere effektive. Den testede varmepumpe i energiklasse A+++ har en carnotvirkningsgrad på %. Det vil sige, at den har en virkningsgrad på 50-52% af den ideelle carnotmaskine, som arbejder ved de givne temperaturer for centralvarmevand til gulvvarme og brine-temperaturer i jordslangen. Varmepumpens effektivitet når aldrig op på 100 % carnotvirkningsgrad, men det bør kunne lade sig gøre, at nå et godt stykke længere op i carnotvirkningsgrad i fremtidens varmepumper. Selvom varmepumpen allerede i forprojektet er kommet i den bedste energiklasse vil Nilan og Teknologisk Institut anmode om Elforsk-støtte til at gøre varmepumpen endnu bedre i et hovedprojekt, hvor der testes yderligere tiltag og foretages laboratorietest. Det vides fra forprojektet, at varmepumpen kan gøres endnu bedre! Målsætning Udvikling af supereffektiv og konkurrencedygtig varmpumpe til energieffektive huse. Målsætningen er at komme op på en SCOP på mindst 6,0 Varmepumpen vil blive produktmodnet og markedsført af Nilan A/S. Projektbeskrivelse Nilan er en af de eneste større varmepumpeproducenter i Danmark. Nilan har specialiseret sig i at levere varmepumper og ventilationsaggregater til lavenergihuse og har stor succes med dette. I forprojektet har vi analyseret testdata fra varmepumpelaboratoriet på Teknologisk Institut, og vi kan se, at varmepumpen kan gøres endnu bedre ved følgende tiltag: Brug af en anden ekspansionsventil, som sikrer mindre overhedning og bedre udnyttelse af fordamper. Brug af en anden fordamper med bedre fordeling af kølemiddel Brug af intelligent styring af cirkulationspumper Brug af andet kølemiddel med mindre GWP og bedre effektivitet (f.eks. R32 eller evt. R290) Analyse og gennemgang af hele systemet og alle komponenter for at optimere energieffektiviteten. 1. Der opstilles en matematisk model af varmepumpen, og denne tunes til at passe med måledata fra forprojektet 2. Der indsamles informationer på forskellige nye komponenter, og der foretages beregninger af effekten af disse nye komponenter. 3. Test af prototype: Der bygges en prototype, som benyttes til en række test, hvor der foretages én ændring af gangen for at se den direkte effekt af hver af disse ændring. Test af 17

18 prototype på TI, udarbejdelse af testrapporter. Analyse af resultater. Test af endelig udgave. 4. Analyse af testresultater og rapportering. Kort beskrivelse af forbedringsforslag: Vi så i forprojektet, at overhedningen var ca. 6 K ved fuld last. Heraf var de 4,5 K reel overhedning i fordamperen og de sidste 1,5 K var overhedning ved varmeveksling med inverteren. Det er ønskeligt at få overhedningen længere ned, da det sikrer en bedre udnyttelse af fordamperen, højere fordampningstemperatur og højere effektivitet. Der benyttedes p.t. en termostatisk ekspansionsventil, og denne kan sandsynligvis ikke få overhedningen længere ned. Derfor vil vi i hovedprojektet benytte en elektronisk ekspansionsventil, som vil kunne få overhedningen længere ned og dermed opnå en højere fordampningstemperatur. Man kan som tommelfingerregel sige, at effektiviteten bliver ca. 3% bedre pr. grad højere fordampningstemperatur. For at få en fuld udnyttelse af den elektroniske ekspansionsventil er det vigtigt, at kølemidlet fordeles rigtigt i fordamperen. Der anvendes p.t. en traditionel pladevarmeveksler, og Nilan har modtaget prototyper af nye pladevarmevekslere, som skulle sikre bedre fordeling. Disse alternative varmevekslere vil blive testet i projektet. Der udarbejdes en intelligent styring af brine-cirkulationspumpen, således dens kapacitet matcher varmepumpens kapacitet. Det kan gøres ved, at kompressorens og pumpens hastighed kører parallelt (synkront). Andre måder vil blive undersøgt. Store japanske producenter af varmepumper begynder at markedsføre varmepumper med R32. Dette kølemiddel er kendt i forvejen, men ikke som et rent kølemiddel. R32 indgår i blandingskølemidlerne R407C og R410A, som også benyttes i varmepumper. R32 har et væsentligt lavere GWP (ca. en tredjedel) sammenlignet med R410A, som benyttes i state of the artvarmepumpen. R32 er svagt brandbart, men det japanske producenter kan håndteres. Det forventes endvidere, at anvendelse af R32 vil føre til højere effektivitet (ca. 5 % bedre effektivitet ifølge bl.a. Panasonic (personlig info)). Laboratorieforsøgene vil blive afsluttet med en test af kølemidlet R32 såfremt en kompressor, som er designet til R32 kan skaffes. Hvis det ikke kan lade sig gøre inden for projektforløbet, så testes der med R32 med eksisterende R410A-kompressor. Det kan ifølge Asbjørn Vonsild/Danfoss godt lade sig gøre! Der vil ligeledes blive udarbejdet kølemiddel-beregningsrutiner for dette kølemiddel, så det er muligt at beregne processen og sammenligne beregnede effektivitet af R410A, R32 og R290. Tidsplan: Opstart primo Afslutning medio Eventuel field-test afsluttes medio Projektdeltagere: Nilan Danfoss Teknologisk Institut (projektleder) 18

19 Budget: Vi søger økonomisk støtte fra Elforsk. Det totale budget er ca. 1,6 mill. kr. hvoraf ca. 50 % søges i støtte. Konklusion I forprojektet er der bygget og testet en state of the art -varmepumpe, som er meget effektivt og som i gulvvarmedrift har en SCOP på 5,17, og som kommer i den bedste energiklasse A+++ i EU s nye obligatoriske energiklassificeringsordning for varmpumper. Dette er ca. 19 % bedre end Nilans hidtidige væske-vand-varmepumpe i den størrelse. Det er fint, specielt når man tager i betragtning, at der er tale om en mindre varmepumpe med 1 3 kw varmeydelse, som er beregnet til lavenergihuse. Forprojektet har også vist, at varmepumpen kan gøres endnu bedre, idet carnotvirkningsgraden er lige godt 50 %. Det betyder at virkningsgraden er godt 50 % af det teoretisk opnåelige for de temperaturniveauer, som varmepumpen opererer ved. Man kan aldrig komme op i nærheden af 100% carnotvirkningsgrad, men det vurderes, at fremtidige varmepumper kan komme op på % carnotvirkningsgrad i fremtiden. Varmepumpen ligger i energiklasse A+++. I projektforløbet er der kommet andre (og større varmepumper) på markedet med denne energiklassificering, og det kunne tyde på, at det tilsyneladende er nemt at komme i den bedste energiklasse. Det er måske fordi, at energimærkningssystemet også gælder for gaskedler, oliefyr og andre rum-opvarmningsformer, som har meget sværere ved at opnå en rimelig energiklasse. Energimærkningssystemet skal evalueres og revideres om ca. 4 år, og så kan det komme på tale at ændre på systemet (i EU). På baggrund af projektet er der formuleret grundlag til hovedprojekt, hvor der skal gennemgå og teste varmepumpen for nye komponenter (en efter en), herunder nyt elektronisk ekspansionsventil, ny fordamper og (måske) nyt kølemiddel med mindre GWP. 19

20 Appendiks: Testrapport for første prototype 20

21 21

22 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 27

28 Appendiks: Testrapport for prototype 2. 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 38

39 Appendiks: Energimærkningsskala, gulvvarme A+++ SCOP > 4,38 A++ 3,75 SCOP < 4,38 A+ 3,08 SCOP < 3,75 A 2,88 SCOP < 3,08 B 2,68 SCOP < 2,88 C 2,50 SCOP < 2,68 D 1,55 SCOP < 2,50 E 1,48 SCOP < 1,55 F 1,38 SCOP < 1,48 G SCOP < 1,38 ηs > 175 % 150 % ηs < 175 % 123 % ηs < 150 % 115 % ηs < 123 % 107 % ηs < 115 % 100 % ηs < 107 % 62 % ηs < 100 % 59 % ηs < 62 % 55 % ηs < 59 % ηs < 55 % 39

40 Appendiks: DTU-studerendes rapport Teknologisk Institut VIRKSOMHEDSPROJEKT - DTI HVOR GOD KAN EN VARMEPUMPE BLIVE? Virksomhedsvejleder hos Teknologisk Institut: Per Henrik Pedersen Gruppe medlemmer Patrick K. Berg Christopher W. Murphy Stefan Nielsen Ari Lamhauge s s s s

41 Introduktion Opgaven stillet af Teknologisk Institut er at fremstille et Log(p)-h diagram for en god eksisterende varmepumpe fra Nilan A/S, opridse virkemåden for Nilan varmepumpen og beskrive hovedkomponenter. Test og udregningen af COP, samt carnotvirkningsgrader for både ydre og indre temperaturer og hvordan ændringen vil foregå ved ændring af driftbehov. Ud fra test data og analysen af disse skal der fremkomme bud på hvordan fremtidens varmepumper kan blive mere effektive. Test Ved modtagelse af opgavebeskrivelsen, blev der samtidig udleveret testresultater for Nilan s varmepumpe. Der fulgte ikke en beskrivelse af testresultaterne, derfor vil de blive forsøgt beskrevet: Da testen blev udført var det nødvendigt at holde nogle værdier konstante, som beksrevet i teststandarden, da det gør ændringer lettere at forholde sig til. I dette tilfælde er temperaturen af Brinen ind holdt konstant ved 0 C. Derimod er temperaturen af centralvarmevandet ud varieret, hvilket opnåes med at lade kompressoren køre på dellast (part load).ved dellast sænkes massestrømmen igennem primærkredsen, hvilket giver et relativt større areal set i forhold til massestrømmen og det øger effektivitet af varmevekslerne. Teoretisk COP Når en COP carnot regnes fortæller den hvor stort det teoretiske potentiale for processen er, ved de pågældende temperaturer. Problemet er at selve systemet som er valgt vil have en begrænsning, for hvor stor COP, der kan opnås i praksis. Der vil nu kigges på hvor god varmepumpen er, ved det bivalente punkt, som er punktet hvor varmepumpen yder varmebehovet ved 100 % kapacitet og sammenligne med den fundne COP for systemet. For at finde den teoretiske maksimale COP for systemet (COP syst) vil processen forgå som følgende: 1-2 isentropisk proces over kompressoren 2-3 Isobar proces over kondensatoren 3-4 Isenthalpisk proces over ekspansionsventil 4-1 Isobar proces over fordamper Samtidig antages det, at der ingen tryktab og varmetab sker i mellem komponenterne 41

42 Ved benyttelse af CoolPack samt opgivet data for det bivalente punkt, kan et log(p),h diagram fremstilles og en COP syst værdi findes. Figur 1 Fordampningstemperatur: -5 0 C, kondensatortemperatur: 34 0 C, Overhedning: 5 0 C, Underkøling: 2 0 C Den maksimale COP som systemet kan opnå, ud fra det bivalente punkt, udregnes vha. CoolPack til Tabel 1 Ud fra tabel 1 ses at COP test er 72 % af den maksimale COP for systemet og dermed er denne varmepumpe tæt på dens største yde evne. For at få selve COP syst tættere på COP carnot.i, og dermed have mulighed for en større COP, skal systemets proces være anderledes eller tilføres flere komponenter. Isentropisk virkningsgrad for kompressoren For at give en mere realistisk proces, regnes en isentropisk virkningsgrad for kompressoren. Dette gøres ved at benytte dataen for det bivalente punkt. For at finde kompressorens isentropvirkningsgrad ses der først på kompressoren som en isentrop proces, hvorefter dette bliver sammenlignet med den faktiske reelle proces: 42

43 η = h 2s h 1 h 2 h 1 For de givne tilstandsstørrelser giver dette en isentropvirkningsgrad på ca. 0.83, men er formentlig væsenligt lavere, da der ikke tages højde for varmetab. Dette er dog med en lille afvigelse, da udregningen er udarbejdet vha. temperaturene over kompressoren, men det giver et skøn på hvor effektiv kompressoren er. Ved at indtaste den isentropiske virkningsgrad i CoolPack kan en mere realistisk COP findes. Denne COP findes vha. Coolpack til 5.56 og dermed tættere på virkeligheden. Virkemåde for varmepumpen Varmepumpen er af typen, brine til vand - GEO3 af producenten Nilan A/S. Overordnet set benyttes en brine til sekundære side og udnytter varmemængden ophobet i jorden. Varmen fra brinen overføres via en varmeveksler til den primære side. I stedet for at varmen i primærkredsen afgives til inde luften, som i en traditionel luft/luft varmepumpe, anvendes det til gulvvarmen. Brine er en sprit/vandopløsning og har den fordel at saltindholdet sænker den temperatur, hvorpå væsken fryser. Den primære side benytter kølemidlet R410A som leverer varmemængden fra brinen via central kredsen til gulvvarmen. Varmevekslerne i varmepumpen er pladevarmevekslere, dette gælder både for kondensator og fordamper. Kompressoren er af typen, Panasonic rotationskompressor, og virker ved at kølemiddelet føres ind i et mellemrum imellem en kappe og en cylinder. Cylinderen roterer omkring en cirkulær akse, der gradvist mindsker det afgrænsede areal i takt med rotationen og dette skaber en trykstigningen. Ind og udgang deles af en skærm der slutter tæt til cylinderen. På figur 2 ses PI diagrammet for Nilan varmepumpen. Figur 2 PI Diagram af varmepumpen På figur 3 ses hvordan en enkelt kompression foregår. 43

44 Figur 3 Rotationskompressor 1 Inverteren er udviklet af Nilan og benytte til at frekvensstyre kompressoren. Når frekvensen sænkes, mindskes rotationshastigheden og det medfører en lavere massestrøm. Fordelen ved frekvensstyring er at varmepumpen får en dynamisk kuldeydelse, der ikke som on/off styring har udsving i temperaturen. Den termostatiske ekspansionsventil regulerer kølemiddelstrømmen, så den tilpasses det dynamiske behov og overhedningen holdes konstant. Regulering foregår ved at der er monteret en føler på sugesiden og sammenholdes med fordampningstemperaturen. Føleren indeholder en væske der ekspanderer i takt med at temperaturforskellen stiger og skaber et modtryk der åbner for den fjederstyrede lukkemekanisme. Receiveren er monteret efter kondensatoren og fungerer som lager for kølemiddel. Tørrefilteret optager det vand der måtte være i kølemidlet. COP Carnot indre og ydre COP Carnot,Y : Maximalt potentiale regnet ud fra Brinens (jord) indløbstemperatur og Vandets fremløbstemperatur. Den ydre COP Carnot,Y viser det maximale potentiale i kredsprocessen defineret ud fra temperaturene i de sekundærer kredse dvs. indløbstemperaturen for brinen (T c,i) og fremløbstemperaturen for vandet til gulvvarmen (T h,o). Temperaturene haves for alle de forskellige udetemperaturer (-10 C til 12 C). COP Carnot,Y = T h,o T h,o T c,i - COP for en Carnotproces regnet med temperaturer fra sekundær kredsene

45 COP Carnot,I : Maximalt potentiale regnet ud fra fordampnings og kondenseringstemperatur. Den indre COP Carnot,I viser det maximale potentiale i kredsprocessen defineret ud fra kondenseringstemperatur (T h) og fordampningstemperaturen (T L). I andre sammenhænge regnes denne ud fra den højeste og den laveste temperatur i kredsen, i denne opgave er det dog vurderet at det gav mere mening at kigge på fordampnings og kondenseringstemperatur da disse er gældende i længere tid end de ekstreme temperaturer. Alle temperaturene i kredsen haves kun for forsøget med en udetemperatur på -7 C, med en brine temperatur på 0 C og en centralvarmetemperatur på 34 C. For de resterende udetemperaturer er den COP Carnot,I estimeret ved at tage forholdet mellem COP Carnot,I og COP Carnot,Y og det er antaget at forholdet i mellem de 2 COP er er konstant for de andre udetemperaturer. COP Carnot,I = T Cond T Cond T Evap -COP for en Carnot proces regnet med fordampnings og kondenseringstemperatur, er kun regnet sådan for -7 C VV = COP Carnot,I COP Carnot,Y - Konstant som antages at fortælle noget om varmevekslernes effektivitet COP Carnot,I = VV COP Carnot,Y - Når varmevekslernes effektivitet antages konstant, kan den Indre virkningsgrad for de andre udetemperaturer bestemmes. η Komp+Eksp: Carnotvirkningsgrad for varmepumpen, sammenligning mellem COP test og COP Carnot,I. Ved at sammenligne disse 2 COP værdier holdes varmevekslernes bidrag udenfor og virkningsgraden der fremkommer antages derfor at vise hvor godt kompressor og ekspansionsventilen virker. Her er det vigtigt at holde for øje at COP Carnot,I for alle andre udetemperaturer end -7 C er estimeret. η Komp+Eksp = COP test COP Carnot,I - Virkningsgrad for Kompressor og Ekspansionsventil. η Car: Carnotvirkningsgraden for varmepumpen, sammenligning mellem COP test og COP Carnot,y. Carnotvirkningsgraden for anlægget viser i hvor højgrad det maximale potentiale udnyttes i varmepumpen. I Carnotvirkningsgraden tager alle bidrag med for hele kredsen og er derfor den samlede virkningsgrad for systemet. η Car = COP test COP Carnot,Y - Carnotvirkningsgraden for hele varmepumpen 45

46 I EES er data for Test Rapporten indtastet og COP for Carnot indre og ydre er udregnet, Carnotvirkningsgraderne er ligeledes udregnet. På figur 4 ses COP Carnot,Y (lilla) og COP test (blå) plottet med variabel udendørstemperatur. Forskellen imellem de 2 grafer illustrerer det ikke udnyttede potentiale, det kan hermed ses at det uudnyttede potentiale stiger ved dellast. 14 COP carnot.ydre 12 COP test COP carnot.ydre Outdoor temp [C] Figur 4 Uudnyttet potentiale illustreret med COP Figur 5 viser Carnotvirkningsgraderne, både den indre (Rød) og den ydre (blå) og her ses det at den er nedad gående efter udetemperaturen har nået 2 C. Når denne graf analyseret er det vigtigt at holde for øje at den indre virkningsgrad er regnet ud fra antagelsen om at varmevekslerne virker lige effektivt ved alle temperaturene. 46

47 1 0,9 0,8 0,7 hcarnot.y hcarnot.i 1 0,9 0,8 0,7 hcarnot.y 0,6 0,5 0,4 0,6 0,5 0,4 hcarnot.i 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0, Outdoor temp [C] Figur 5 Carnotvirkningsgrader Driftssituationers varmebehov, kapacitet & COP Figur 6 viser effekten som funktion af udendørstemperaturen, på venstre y-akse ses effekten. Både Kapaciteten og varmebehovet ses som funktioner af temperaturen, skæringspunktet kaldes det bivalente punkt, som beskriver hvornår varmepumpen kan levere behovet uden brug af indbygget elvarme. Ydermere er COP for samtlige testpunkter plottet, til tilhørende lastsituationer og kan aflæses på højre y- akse. P [kw] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, T [ C] COP Max Capacity Heat demand 3 Measured Capacity COP 5 x 10-1 Figur 6: Effekt og COP som funktion af udendørstemperaturen Figur 7 viser hvordan Carnotvirkningsgraden forløber under samme scenario, som vist i figur 6. Tendensen viser at Carnotvirkningsgraden ligger stabilt omkring de 50%, hvilket må siges at være rimeligt dog falder den fra 2 grader og frem, hvilket ikke er hensigtsmæssigt da en betydelig del af det årlige varmeforbrug 47

48 ligger i dette interval. Af samme grund kan det med fordel undersøges, hvilke komponenter der påvirker tendensen i disse driftsscenarier. 3,5 0,5 3 P [kw] 2,5 2 1,5 hcarnot Max Capacity Heat demand Measured Capacity 0,4 0,3 0,2 hcarnot 1 0,1 Intern varmeveksler 0, T outdoor [ C] Figur 7: Effekt & Carnotvirkningsgrad som funktion af udendørstemperaturen En intern varmeveksler er én af de komponenter, som kan tilføjes til systemet og kan ændre systemets COP. I det producenten ikke har set indvirkningen denne komponent kan have, vil det blive forsøgt simuleret i CoolPack. Ligeledes vil der blive set på, om det kan betale sig at skifte kølemiddel til propan. For at kunne tilføje en intern varmeveksler holdes massestrømmen af kølemiddel konstant. Derefter blev der testet både med og unden en intern varmeveksler, hvor varmeveksleren s virkningsgrad blev varieret fra 0,3 til 0,6, da dette tænkes at være et realistisk interval. På figur 8 ses variationerne, både med en isentropvirkningsgrad på 1 og 0.83 for kompressoren: x-aksen angiver den interne varmevekslerens virkningsgrad og y-aksen angiver systemets COP. 48

49 COP 7,000 6,800 6,600 6,400 6,200 6,000 5,800 5,600 5,400 5,200 5, ,2 0,4 0,6 Virkningsgrad for intern varmveklser R410a eta_is=1 R410a eta_is=0,83 R290 eta_is=1 R290 eta_is=0,83 Figur 8 COP med indførsel af intern varmeveksler Fra figur 8 kan det konkluderes, at en intern varmeveksler med kølemidlet R410a ikke kan betale sig idet systemets COP falder. Derimod stiger systemets COP når der bruges propan(r290). Problemet ved benyttelse af CoolPack er, at der ikke tages højde for muligheden for at sænke kondenseringstemperaturen, med en lavere kondenseringstemperatur fås et lavere kompressor arbjede. I virkeligheden vil der være både fordele og ulemper med en intern varmeveksler, derfor er beregninger med CoolPack ikke er optimalt. Fordele med intern varmeveksler Figur 9 viser hvordan temperaturerne varierer igennem kondensatoren for både systemets side og centralvarme siden. Det ses, at temperaturen efter kompressoren falder lineært ned til kondenseringstemperaturen og holdes der indtil faseskiftet er fuldført. Centralvarmevandet stiger derimod konstant lineært og temperaturen vil på det tætteste punkt være et given antal grader fra kondenseringstemperaturen, dette kaldes et pinch point. Ved at have en højere temperatur før kondensatoren kan pinch point flyttes og dermed sænke kondensator temperaturen. Ved at sænke kondensator temperaturen sænkes trykket og dermed giver det et lavere kompressor arbejde. 49

50 Figur 9 Skitse af T-Q diagram med og uden intern varmeveksler Efter fordamperen vil den forøgede overhedning fra varmeveksleren gøre det muligt at have en mindre overhedning over fordamperen. Der skal dog altid være lidt overhedning, så det sikrer at ekspansionsventilen har en overhedningstemperatur at regulere efter. Underkølingen gør at man reducerer risikoen for begyndene dampgas i væskeledningen, hvor overhedningen reducerer riskoen for væskeslag i kompressoren. Ulemper med intern varmeveksler Den største ulempe er omkostningen. Da en varmeveksler forøger den samlede pris af anlægget, skal der tages højde for dette. Dette kan gøres ved at sammenligne den samlede besparelse over f.eks. 5 år, med prisstigningen som brugeren skal betale. Med flere komponenter fås en større risiko for lækage eller lignende, som kommer til at foresage problemer for kunden. Samtidig vil en ekstra komponent gøre anlægget mindre kompakt og vil derfor kræve mere plads. 50

51 Opsummering Som udgangspunkt ses der på en Nilan væske/vand varmepumpe. Denne varmepumpe er en lille effektiv varmepumpe til lavenergi huse. Der blev ønsket at kigge på den maksimalt opnåelige COP og sammenligne med COP værdier fra test data. Derudover gives et estimat hvor der kan udarbejdes yderligere studier. Teoretisk COP. Ved at udregne den teoretisk maksimale COP for systemet og sammenholde denne med COP værdien fra test data, fås en indikation på hvor tæt på optimum varmepumpen befinder sig. Det viste sig at varmepumpen har en COP værdi på 72 % af den teoretiske. Virkemåde. Varmepumpens generelle formål og virkemåde er gennemgået. De enkelte komponenter i systemet er ligeledes beskrevet. COP Carnot ydre og indre. Den indre og ydre COP Carnot er beskrevet og udregnet, disse er sammenholdt med COP værdier for datasættet. Disse sammenligninger giver et praj om hvordan komponenternes virkningsgrader er ved forskellige last tilfælde. Det sås at der ved dellast kørsel er en tendens til en faldende carnotvirkningsgrad, dette er uhensigtsmæssigt da varmepumpen opererer ved dellast i mange timer årligt. Intern varmeveksler. I et forsøg på at hæve den maksimale COP er der eksperimenteret med indførslen af en intern varmeveksler. Coolpack blev anvendt til at beregne hvordan implementeringen af en varmeveksler ville påvirke COP, men muligheden for at sænke kondenseringstemperaturen indgår ikke som en faktor i Coolpack, derfor kunne en EES model med fordel udarbejdes. Ud fra studiet i Coolpack viste det sig at COP værdien blev lavere med en internvarmeveksler. Ved at skifte kølemiddel til R290 (Propan) fås en højere COP og en større positiv virkning ved indførslen af en intern varmeveksler. Fremtidigt arbejde Flere testdata/mere tilgængeligt data. For at kunne fastslå hvilke komponenter der er skyld i faldet af Carnotvirkningsgraden for dellast tilfældene, ønskes data for forsøg ved dellast. Data for de enkelte komponenter med virkningsgrader ved dellast, da disse typisk varierer ved forskellig last. Excel ark med målinger af bl.a. temperaturer ville gøre det nemmere at indtegne kredsprocessen og fremstille bedre estimater for denne. EES model. 51

52 Udarbejdelse af en EES model for varmepumpen giver mulighed for nemt at variere forskellige parametre og se konsekvenserne af disse. En anden fordel ved en EES model er at der er mulighed for at vælge hvilke antagelser der, til og fravælges. Coolpack kommer f.eks. til kort når vi forsøger at indfører en internvarmeveksler, i en EES model kunne kondenseringstrykket varieres ud fra den overhedede gas temperatur efter kompressoren, således at kompressor arbejdet mindskes. Ulempen er at det er tidskrævende at udarbejde EES modellen. Ændring af det bivalente punkt. Det ses at ved dellaster fra 2 C og opefter er der en faldende Carnotvirkningsgrad og varmepumpen arbejder ved disse driftsbetingelser en stor del af året. Det kunne derfor være interessant om den samme varmepumpe kunne opnå bedre COP er og dermed en bedre carnotvirkningsgrad, ved at øge værdien af P Design og dermed flytte det bivalente punkt til en højere temperatur. Trade off er at der bruges mere elvarme ved de lave temperaturer, men i stedet kan medføre højere COP ved lave laster, hvor en stor del af det årlige forbrug ligger. 52