Høj effektivitet med CO2 varmegenvinding Køleanlæg med transkritisk CO 2 har taget markedsandele de seneste år. Siden 2007 har markedet i Danmark vendt sig fra konventionelle køleanlæg med HFC eller kaskade systemer med CO 2 og HFC til rent transkritiske CO 2 -systemer. På nuværende tidspunkt er transkritiske systemer en del af den daglige forretning og teknologien har vist sig at være moden. Feltstudier, der kun ser på kølemidler, viser, at det årlige energiforbrug er på samme niveau som HFC DX-systemer. Denne artikel indeholder en kort baggrund om teorien bag varmegenvinding i transkritiske systemer, og effektiviteten vil blive sammenlignet med effektiviteten i HFC-systemer. Baggrunden bag transkritiske systemer I traditionelle kølesystemer med kondenserende kølemidler er tryk og temperatur tæt forbundet, men på transkritiske systemer kan tryk og temperatur styres individuelt. Det giver nogle interessante muligheder med hensyn til varmegenvinding. Under normal drift uden varmegenvinding holdes højtrykket på et niveau, hvor den optimale COP opnås. Dette sker automatisk ved hjælp af en elektronisk styring. I kolde perioder holdes trykket normalt på minimum 40 bar ~ 5 C eller højere. Ved dette tryk er der næsten ingen varme at genindvinde. Hvis trykket øges vil varme mængden, der kan genindvindes, ligeledes stige. Eksempel Vand ønskes opvarmet fra 15 C til 55 C. Den omgivende temperatur er -5 C og varmebelastning på systemet skal genvindes med det mindst mulige energiforbrug. Temperaturforskellen mellem indløb vand og udløb CO 2 på varmegenvindingsveksleren, er sat til 5 K. Temperaturen ud af gaskøleren holdes på 4 C i de tilfælde, hvor gaskøleren er aktiv. Det anvendte system består af en eller flere kompressorer, varmegenvindingsveksleren med pumpe, 2 stk. 3-vejs ventiler, luftkølet gaskøler og en højtryksventil med elektronisk styring.
Under disse betingelser er afgangstemperaturen fra kompressorerne ca. 35 C og det er derfor ikke muligt at lave 55 C varmt vand. For at systemet kan lave 55 C varmt vand, skal afgangstemperaturen fra kompressoren være højere end 55 C og derfor skal højtryks trykket øges.
Ved et tryk på 50 bar er afgangstemperaturen 55 C, og det er derfor muligt at begynde at genvinde varmen fra systemet, men der er ingen temperaturforskel ud af varmeveksleren. Ved at øge trykket yderligere stiger den mængde varme, der kan tages ud af systemet. 80% heat reclaim Ved 80 bar bliver ca. 80% af varmen genvundet ved en køle COP på 3,13. For at øge udnyttelsen til mere end 80% kan trykket øges og gaskøleren bypasses. Ved at gøre dette, vil forholdet blive 100%, idet der ikke er noget varmetab til omgivelserne, og alt varme udnyttes. Dette vil kræve flere kompressorer, for at kompensere for den lavere varme overførsel.
100 % heat reclaim W heat W ref Under disse betingelser bliver al varme genvundet, og systemets COP er ca. 2,6. Da varmemængden fra systemet varierer med trykket, er det interessant at se på opvarmnings COP for systemet. Systemet forbruger energi under de forhold, hvor det kører med optimeret tryk (i dette eksempel 40 bar). Det betyder, at lige meget hvor meget varme vi trækker ud af systemet, vil det altid forbruge energi. Derfor beregnes opvarmnings COP for systemet som opvarmningskapaciteten divideret med den ekstra energi, der forbruges af kompressorerne. Ved at bruge denne beregningsmetode er det muligt, at sammenligne opvarmnings COP for alternative varmekilder. P_gc [bar] COP ref [-] Forhold* Opvarmnings COP [-] 40 8,8 0% - 50 5,7 0% - 60 4,3 25% 2,6 70 3,6 40% 3,1 80 3,1 80% 5,1 80 3,1 100%** 5,1 * Forhold defineres som forholdet mellem den maksimale mængdevarme til rådighed og varmen, der anvendes. ** By-pass af luftkølet gaskøler Opvarmnings COP varierer med den omgivende temperatur. Ved høje omgivelsestemperaturer er kompressorens belastning for at levere den ønskede kølekapacitet højere, og derfor er kompressorbelastningen til opvarmning mindre. Ved lavere omgivelsestemperaturer kan trykket ikke sættes ned, og derfor vil dette ikke påvirke opvarmnings COP. Hvis den omgivende temperatur var valgt til 3 C i stedet for -5 C vil resultatet være som vist i tabellen nedenfor.
P_gc [bar] COP ref [-] Forhold* Opvarmnings COP [-] 50 5,7 0% - 60 4,3 25% 5,6 70 3,6 40% 5,0 80 3,1 80% 7,3 80 3,1 100%** 7,3 * Forhold defineres som forholdet mellem den maksimale mængde varme til rådighed og varmen, der anvendes. ** By-pass af luftkølet gaskøler Resultaterne viser, at den omgivende temperatur har en betydelig indvirkning på opvarmnings COP og opvarmnings COP er størst ved fuld belastning. Hvis en høj COP ønskes ved delbelastning kan køleanlægget med fordel udbygges med en CO 2 varmepumpe. Sammenligning af CO2 transkritisk med andre varmekilder I afsnittet ovenfor er opvarmnings COP beregnet, men den interessante del er, om CO 2 varmepumper er billigere eller dyrere i forhold til andre varmegenindvindingssystemer og andre energikilder. Andre varmegenvindingssystemer For at kunne sammenligne COP for CO 2 og andre kølemidler, skal det gøres på en fair måde. For øvrige kølemidler er det valgt at køre ved -10 C fordampning og kondensering ved 55 C for at kunne levere 55 C varmt vand. Sub-køling er indstillet til 2K. Den laveste kondenseringstemperatur er sat til 15 C. CO 2 VS R134A in heat reclaim applications 6 5 4 COP heating 3 COP HP CO2 - - COP HP R134A 2 1 0 25% 50% 75% 100% Ratio
Fra diagrammet ovenfor ses det, at opvarmnings COP for CO 2 er fra ca. 25% til 150% bedre end R134A og bedst ved delbelastning, hvilket er den største del af året. Varmepumpesystemer For at omgå problemet med dellast kan en varmepumpe blive installeret sammen med systemet. Dette gør COP for systemet så godt som muligt uanset belastningen på systemet. COP i varmedrift er blevet beregnet for 5 C fordampningstemperatur (svarende til den lavest mulige kondenseringstemperatur for det transkritiske CO 2 -system), 55 C kondensering og 2 K subkøling. Beregningen er lavet for de mest anvendte konventionelle kølemidler på markedet. Kølemiddel Opvarmnings COP [-] R134A 3,7 R290 3,7 R404A 3,3 R410A 3,4 CO 2 transkritisk varmepumpe 5,1 Ovenstående tabel viser COP for forskellige kølemidler. Dataene viser, at CO 2 har en COP, der er fra 38% til 55% højere end de konventionelle kølemidler. Andre energikilder Et alternativ til et CO 2 -varmegenvindingssystem kunne være en olie- eller gasbrænder. Spørgsmålet er, hvad der er det mest økonomiske valg? COP beregningen i dette eksempel for et CO 2 varmegenindvindingssystem er mellem 2,6 og 7,3. Den nøjagtige COP er et spørgsmål om, hvilket type systemer det er (varmepumpe eller varmegenvinding), belastningsprofilen for varmegenvindingen og den omgivende temperatur. Dette kan sammenlignes med andre energikilder ud fra følgende ligning. Pris alternativ energi Kr kwt Forhold Pris elektrisitetkr kwt COPVarme Hvis forholdet er mindre end 1, er CO 2 løsningen den mest økonomiske løsning. I de fleste tilfælde er varmegenvinding eller varmepumpeløsninger økonomisk attraktive løsninger. I mange tilfælde vil en varmegenvindingsløsning være attraktiv, hvis COP er højere end 2 eller 3, men dette er afhængig af energipriser og lokale skatter. Konklusion Eksemplet ovenfor viser Varme COP i et transkritisk varmegenvindingssystem fra 2,6 til 7,3 er afhængig af belastningen og omgivelsestemperaturen.
CO 2 er fra 25% til 150% bedre end R134A i et varmegenvindingssystem afhængig af belastningen. Et CO 2 varmepumpesystem er fra 38% til 55% bedre i sammenligning med HFC-kølemidler. COP i varmepumpesystemer er højere end i et varmegenvindingssystem ved dellast, men ved fuld belastning er forskellen meget lille. Om det er rentabelt at installere en varmepumpe afhænger af belastningsprofilen og investeringsomkostningerne. Meget ofte er CO 2 varmepumper eller varmegenvindingssystemer et meget attraktivt alternativ til en olie eller gas brænder. Konklusionen i eksemplet er lavet på baggrund af indsamlet datamaterialet. Hvis temperaturforholdene havde været anderledes, ville konklusionen også kunne være en anden, men der er nogle retningslinjer. CO 2 varmepumper er rentable ved høje temperaturforøgelser. Jo lavere temperatur indgangsvandet eller mediet har, des bedre effektivitet vil CO 2 have. Afgangstemperatur er ikke så vigtigt. Op til 80 C er realistisk med en god virkningsgrad. CO 2 er ikke kølemidlet man bør vælge, hvis afgangstemperaturen er lav, og temperaturforskellen mellem ind- og udløb er lav. Der er på dette tidspunkt systemer i drift med kapaciteter på mellem 5 kw op til 1,5 MW varmegenindvinding. Der findes mere end 500 installationer med transkritisk CO 2 verden over, ikke alle er med varmegenindvinding. Dette er ikke raketvidenskab, men daglig forretning! Denne artikel er skrevet af Kenneth Bank Madsen