Projektnr. Sökande KTH, Kungliga Tekniska Högskolan Postnummer Ort Länskod Kommunkod Land Stockholm Sverige

Transkript

1 ANSÖKAN OM FORSKNINGSSTÖD Datum Dnr 1 (14) Projektnr Sökande Företag/organisation Organisationsnummer KTH, Kungliga Tekniska Högskolan Institution/avdelning Postgiro/Bankgiro/Bankkonto Energiteknik, Avd. Tillämpad Termodynamik och Kylteknik PG: , BG: Postadress Brinellvägen 68 Postnummer Ort Länskod Kommunkod Land Stockholm Sverige Projektledare (förnamn, efternamn) Professor Björn Palm Telefon E-postadress bpalm@energy.kth.se Fax Webbplats Eventuell medsökande (ange organisation) Dr Rahmat Khodabandeh, KTH/Energiteknik/Tillämpad Termodynamik och Kylteknik Professor Per Lundqvist, KTH/Energiteknik/Tillämpad Termodynamik och Kylteknik Dr Sad Jarall, KTH/Energiteknik/Tillämpad Termodynamik och Kylteknik Danfoss A/S, Lars Finn Sloth Larsen Projektet X Ansökan avser nytt projekt Fortsättning på tidigare projekt, ange projektnummer: Projekttitel (på svenska) Köldmedier med låg GWP samt kost- och energioptimering av värmepumpsystem Projekttitel (på engelska) Refrigerants with low GWP and cost and energy efficiency optimization of vapor compression systems Sammanfattning (på svenska). Sammanfattningen skall omfatta max 250 ord och skall skrivas både på svenska och på engelska. Sammanfattningen skall skrivas så att den i ämnet oinvigde med lätthet förstår projektets innehåll och syfte. Detta projekt har två delar med gemensamt syfte att bidra till utvecklingen av framtidens värmepumpar och kylsystem, både vad gäller optimering av utformningen, ur såväl teknisk som ekonomisk synpunkt, och vad gäller val av köldmedium. Det presenteras här i form av två delprojekt: Delprojekt 1 syftar till att ta fram underlag och förutsättningar för alternativa köldmedier med låg GWP vid utfasning av HFC köldmedier för befintliga och nya värmepumpar/kylanläggningar. Fokus kommer att ligga på nya köldmediers egenskaper, krav som ställs på säkerhetsutrustning, komponenter och anläggningens energiprestanda. Flera olika aspekter kommer att behandlas: STEM038 ver.n-1.1, Kartläggning av potentiella nya köldmedier i befintliga och nya kyl- och värmepumpanläggningar Kartläggning av villkoren för utfasning av HFC köldmedier och bedömning av energieffektiviteten vid användning av nya köldmedier Kartläggning av termiska egenskaper och säkerhetsaspekter för nya låg GWP köldmedier Kartläggning av inverkan på system-prestanda och -pris av utfasning av HFC köldmedier och införande av nya köldmedier Sekretariatet EFFSYS+ Institutionen för Energiteknik Avdelningen Tillämpad termodynamik och kylteknik Kungliga Tekniska Högskolan Stockholm Besöksadress Brinellvägen 68 Telefax E-post Effsysplus@energy.kth.se

2 2 (14) Experimentell bestämning av värmeövergång och tryckfall vid förångning och kondensation med nya köldmedier med låg GWP Kartläggning av kompatibilitet med polymerer, metaller mm samt stabilitet i och utanför systemet och experimentell bestämning av prestanda för kompressorer och expansionsventiler med olika oljor. Ett huvudsyfte med detta delprojekt är också att sprida dessa kunskaper till den svenska kyl- och värmepumpbranschen på ett korrekt, lättförståeligt och neutralt sätt. Dessa kunskaper är av väsentlig betydelse för branschen för val av köldmedium och utformning av nya anläggningar, samt för bedömning av möjligheter till, och konsekvenser av, konvertering av befintliga anläggningar till nya medier. Projektets resultat bör vara till stor nytta för branschen som helhet. Delprojekt 2 avser utveckling av en metod att systematiskt analysera tänkbara utföringsformer av kyloch värmepumpsystem för att finna bästa balans mellan kostnad och energieffektivitet. Detta ska uppnås genom att använda ett i projektet utvecklat beräkningsverktyg, vilket kan uppskatta skillnader i kostnad och prestanda för systemet vid val av olika systemlösningar och olika komponenter. I första hand kommer värmepumpar för enfamiljshus att studeras, men metoden ska kunna tillämpas även för andra typer av värmepumpande system. Sammanfattning på engelska enligt ovan (max 250 ord). This project has two parts with the common goal of contributing to the development of the heat pumps and refrigeration systems of the future, both regarding optimum design, from technical and economical point of view, and regarding the choice of refrigerant. The two parts of the project are each presented in the following: The first part of the project aims to provide data, support and prerequisite information of alternative refrigerants with low GWP at the phasing out of HFC refrigerants for existing and new heating / cooling systems. The focus will be on the new refrigerant thermal properties, requirements for safety of components and energy efficiency. Several aspects will be addressed: Mapping of potential new refrigerants in new and existing refrigeration/ heat pumps systems Identification of conditions for the phasing out of HFC refrigerants and assessment of new refrigerants in term of energy efficiency Investigation of the thermal properties and safety of new low-gwp refrigerants Identification and consequence analysis of phasing out of HFC refrigerants and the introduction of new refrigerants on system performance and price Experimental determination of heat transfer and pressure drop for evaporation and condensation with new low GWP refrigerants Experimental study of compatibility with polymers, metals and also stability in and outside the system and performance of compressors, heat exchangers and expansion valve with different oils A main objective is to disseminate this knowledge to the Swedish refrigeration and heat pump industry in an accurate, easily understandable and neutral manner. Such knowledge is essential to the heat pump/refrigeration industry for selection of refrigerant in case of phasing out HFC fluids in existing plants and also in design of new plants. The project results should be of great benefit to the industry as a whole. The second part of the project is focussing on development of a method to systematically analyze refrigeration and heat pumping tasks to find the Pareto front of cost and energy optimal system solutions. This being achieved by utilizing the system layout and the individual component efficiency as optimization variables. Focus application is residential heat pumps, emphasizing low refrigerant charge

3 3 (14) technology. Enskilt projekt Datum för projektstart Forskningsprogram, ange vilket: EFFSYS+ Preliminärt: Totalt sökt belopp 4 M SEK Tidpunkt då projektet beräknas vara genomfört

4 4 (14) Motivering; Energi-/miljö-/näringslivsrelevans, max 250 ord. Ange koppling till resultat från tidigare genomfört program eller projekt. Kyotoprotokollet från 1997 rekommenderar minskning av utsläpp av gaser som påverkar den globala uppvärmningen, och energieffektivisering i alla utrustning där energiomvandling sker så som kylanläggningar och värmepumpar. Som en konsekvens av detta protokoll bör även relativt nyutvecklade köldmedier som R-134a fasas ut på grund av deras höga globala uppvärmningspotential (GWP). För att uppfylla det globala miljömålet bör de nu använda HFC köldmedierna ersättas av mer miljövänliga samtidigt som energieffektiviteten förbättras. Med tanke på att många äldre anläggningar är på väg att bytas ut (HCFC) är det viktigt att valet av köldmedium i de nya anläggningarna baseras på bred, vetenskapligt fastställd information. Inom en snar framtid kan förutses en hårdare reglering av HFC köldmedier, t.ex. genom högre beskattning. Generellt kan tre grupper av köldmedier ersätta konventionella köldmedier. Naturliga köldmedier såsom koldioxid, CO 2 (R-744), ammoniak, NH 3 (R-717), propan (R-290), isobutan (R600a), och propen (R1270) används redan, men i mindre omfattning på grund av risker för närmiljön, och för CO 2 att detta medium inte passar för alla applikationer. Den andra gruppen är nya blandningar av mestadels naturliga köldmedier och HFC. ASHRAE publicerade en lista av blandningar med låga GWP (R-430A, R431A, R432A, R433A, R-435A, R436A, R436B, R433B, R433C, R510A). Tanken är att utnyttja fördelar av båda typer för att nå fördelaktiga termodynamiska egenskaper samt uppnå en låg GWP. Den tredje gruppen är den nya generationer av syntetiska köldmedier så som HFO-1234yf, HFO- 1234ze(E). Nyligen lanserades en ny serie med namnet Opteon som skall ersätta R134a i befintliga anläggningar. Utbudet av komponenter som passar dessa köldmedier för olika applikationer från små värmepumpar till stora industrianläggningar är fortfarande begränsat. Det kommer att krävas omfattande kunskapsuppbyggnad vad gäller användning av olika typer av kompressorer, expansionsventiler, oljor och värmeväxlare för att branschen ska kunna göra rätt val av köldmedium för nya anläggningar. EUs direktiv för mobila kylanläggningar (MAC-direktivet) sätter en gräns på GWP=150. Det är inte otroligt att även andra kylanläggningar kommer att omfattas av lika låga eller ännu lägre gränsvärden. Ett större antal alternativa köldmedier kommer då sannolikt att finnas tillgängliga på marknaden och detta ställer högre krav på kunskap om dessa alternativ hos tillverkare av komponenter och kyl- och värmepumpsanläggningar. Kunskaper om termodynamiska egenskaper av olika köldmedier och deras beteende vid olika driftfall ställer högre krav på tillverkare av komponenter och värmepumpssystem. Tidigare kunskaper gällande HFC köldmedier kommer att behöva kompletteras med motsvarande för nya köldmedier. Krav på säkerhetsutrustning och behov av utveckling av nya komponenter måste också beaktas vid införandet av nya köldmedier. Kunskaper om nya köldmediers beteende och prestanda i kyloch värmepumpssystem, är nödvändiga för att beräkna energiprestanda och COP för anläggningen, och för utformningen av anläggningen i stort. Projektet bidrar till att stötta den svenska industrin i dessa frågor och innebär att kompetensen inom högskolan fortsätter att utvecklas och den starka internationella positionen bibehålls och ytterligare stärks. Projektet syftar inte till att ta fram nya kommersialiserbara produkter utan till att skapa förutsättningar för branschen att göra rätt val vad gäller köldmedier i framtiden. Vi är övertygade om att det finns ett starkt intresse från branschen att kunna följa utvecklingen på köldmediefronten på ett enkelt och informativt sätt. Inom projektets tidsspann kan nya direktiv för användning av köldmedier förväntas fastställas. Det är då av stor vikt för branschen att få tillgång till adekvat information om de alternativ som finns tillgängliga för att kunna göra rätt val vid utformning av nya anläggningar. Projektet kommer att bedrivas i nära samverkan med industrin och resultatet har potentialen att bli direkt kommersiell användbart. Viljan att minska inverkan på mijön från värmepumpar och kylanläggningar har drivit utvecklingen mot

5 5 (14) allt mer energieffektiva lösningar. Detta utmanar också det traditionella sättet att bygga anläggningar, bland annat därför att nya konstruktioner bör byggas för minsta möjliga köldmedievolym. Minskning av köldmedievolymen är viktig vid användning av halogensubstituerade kolväten (HFC), eftersom det minskar de totala utsläppen då läckor upptäcks snabbare, och mängden utsläppt medium blir mindre vid t.ex. rörbrott. Minskning av köldmediemängden möjliggör också en bredare användning av kolväten och ammoniak, dvs ämnen som har mycket liten miljöinverkan globalt, men som kan innebära risker lokalt på grund av brännbarhet och/eller giftighet. Dagen kyl- och värmepumpsystem är inte utvecklade för minimering av fyllningen och dessa nya krav kommer att leda till märkbara förändringar av systemutformningen. Dessa ändringar måste göras under hänsyntagande av ekonomiska faktorer, och på sådant sätt att energieffektiviteten kan bibehållas eller helst ökas. Fokus i denna del av projektet kommer att ligga på värmepumpsystem, men de metoder som ska utvecklas för att finna optimala utföringsformer kan även användas på andra produkttyper. Bakgrund; vad har gjorts tidigare?, vad är nytt i detta projekt?, forskargruppens verksamhet?, samarbeten? etc, max 1 A4-sida Projektet föreslås av KTH/Institutionen Energiteknik/Avdelningen Tillämpad Termodynamik och kylteknik som har en lång erfarenhet av undervisning och forskning inom området köldmedier och kyloch värmepumpteknik. Projektet genomförs i samarbete med Danfoss AB. Institutionen för Energiteknik, Avdelningen Tillämpad Termodynamik och Kylteknik har en lång erfarenhet av forskning kring köldmedier och deras applikationer i kyl- och värmepumpssystem. Vid avdelningen har flera doktorsexamina avlagts med direkt koppling till olika arbetsmedier. Ingvar Ekroths, Anders Johanssons, Olivier Pelletiers, Primal Fernandos och Samer Sawalhas avhandlingar handlade alla om egenskaper, eller systemutformning, för olika köldmedier. Medsökande till ansökan (Prof. Per Lundqvist) är bl.a. medförfattare till en av IPCCs rapporter. Utöver detta har avdelningen deltagit i flera EU-projekt som handlat om köldmedier, framförallt naturliga, i värmepumpar och kylanläggningar. I ett tidigare projekt (EFFSYS 2) har termodynamiska egenskaper och transportegenskaper av ett av de nya medierna, HFO-1234yf sammanställts och jämförts med R22 och R134a. Teoretiska cykeldata, tryckfall och värmeöverföringstal för HFO-1234yf har beräknats och jämförts med motsvarande för R134a. Drop-in tester utfördes också i två olika kylsystem med plattvärmeväxlare; ett för R22 och R290 samt ett för R134a. Studien visade att HFO-1234yf ger högre tryckfall och lägre värmegenomgångstal än beräknat, speciellt vid lägre förångningstemperaturer. Vid kondensation visade experimentella resultat att värmeövergångstalet för HFO-1234yf var mindre än R134a speciellt vid högre effekter. Detta projekt kan ses som en utvidgning och fortsättning av tidigare undersökningar angående de syntetiska (tillgängliga på marknaden och kommande) och naturliga köldmedier, och köldmedieblandningar med låg GWP som har föreslagits som ersättare till HFC köldmedier. Mål; Ange enkla, tydliga och mätbara mål i exempelvis kwh, max 250 ord. Målet med delprojekt 1 är kompetensförsörjning till kyl- och värmepumpbranschen och kompetensuppbyggnad vid Institutionen för Energiteknik rörande nya köldmedier. Detta innebär att kunskapssammanställningar och informationsspridning är centrala delmål i det här projektet. Arbetet kommer att fokusera på såväl ersättningsmedier för befintliga anläggningar med HFC köldmedier som på val av köldmedium och komponenter till nya anläggningar. I punktform är målen enligt följande: Kontinuerlig informationsspridning om utvecklingen på köldmediefronten, inkluderande HFC köldmedier, naturliga medier, blandningar och nya syntetiska köldmedier. Informationsspridningen ska rikta sig främst till branschen i Sverige. Rapport med termodynamiska samt transportegenskaper för ovan nämnda kölmedier, baserat på

6 6 (14) litteraturdata och mätningar på eget labb. Rapport över de olika alternativens kända inverkan på närmiljö och global miljö, hälsoaspekter, kompatibilitet med polymerer, metaller, stabilitet i och utanför systemet, etcetra. Rapport med tabeller för cykeldata (teoretisk värmefaktor, volymetrisk köldalstring, volymetriskt energibehov, Carnotverkningsgrad, inverkan av underkylning och överhettning) för process med isentropisk kompression för ovan nämnda köldmedietyper. Rapport över jämförelseberäkning av förväntade värmeövergångstal och tryckfall för ovan nämnda köldmedietyper. Rapport över resultat från experimentell bestämning av värmeövergång och tryckfall vid förångning och kondensation för ett urval av de köldmedier som är tillgängliga. Rapport över resultat från experimentell bestämning av kompressorprestanda med ett urval av de köldmedier som är tillgängliga. Erfarenheter från försök avseende andra komponenter såsom expansionsventiler, oljor etcetera kommer också att rapporteras. Ett huvudsyfte är att sprida dessa kunskaper till den svenska kyl- och värmepumpbranschen på ett korrekt, lättförståeligt och neutralt sätt. Dessa kunskaper är av väsentlig betydelse för branschen för val av köldmedium och utformning av nya anläggningar, samt för bedömning av möjligheter till, och konsekvenser av, konvertering av befintliga anläggningar till nya medier. Projektets resultat bör vara till stor nytta för branschen som helhet. För delprojekt 2 har följande mål formulerats Vetenskapligt mål Att utforma optimeringsmetoder som tar hänsyn till såväl tekniska som ekonomiska faktorer och kan användas för att välja ut bästa lösning från ett stort antal möjliga utformningar. Att bidra till nya systemlösningar och komponenter som ger ökad energieffektivitet och låg köldmediemängd Att ta fram nya matematiska modeller som beskriver funktionen hos system med låg fyllning, t.ex. med minikanalsvärmeväxlare. Dessa modeller kommer att användas för att studera sådana värmeväxlares inverkan på hela systemet. Utvecklingsmål Att bidra med detaljerad kunskap och förståelse av villavärmepumpar Att bidra med detaljerad förståelse för system med låg fyllnadsgrad Att ge en överblick av tekniska möjligheter och utmaningar och identifiera goda lösningar. Att utveckla en metod som kan utnyttjas för att systematiskt optimera värmepump- eller kylsystem. På lång sikt kan detta tänkas resultera i ett verktyg (datorprogram) som kan användas som hjälp i produktutveckling, marknadsföring och försäljning. Kommersiella mål Danfoss, som deltar i, och finansierar projektet, tillverkar komponenter till kyl- värmepump och luftkonditioneringssystem, med rykte och ambition att vara en innovative kraft i utvecklingen mot mer energieffektiva system. I en alltmer complex värld ökar kraven på att kunna analysera och utvärdera stora mängder tekniska idéer och lösningar för att finna de som ger största marknadsfördelarna. En strukturerad metod för beslutsfattande är nödvändig för effektivt utnyttjande av företagets resurser. Det långsiktiga målet är därmed för företaget att utveckla hjälpmedel för denna process.

7 7 (14) Genomförande, max 250 ord. Projektet kommer att genomföras som ett doktorandprojekt under ledning av flera seniora forskare på institutionen. En handledargrupp bestående av dr. Rahmatollah Khodabandeh, dr. Sad Jarall och professorerna Per Lundqvist och Björn Palm ansvarar för arbetets kvalitet. Vad gäller delprojekt 1 kan nämnas följande: Införande av nya köldmedier innebär alltid ett visst risktagande, såväl vad gäller miljö och säkerhet som ekonomiska risker kopplade till oförutsedda problem som kan leda till haverier. Många av oss minns de problem som uppstod vid övergången från CFC och HCFC till HFC-medier, med ett ökat antal kompressorhaverier orsakade av dålig smörjning. Liknande problem förekom i vissa fall vid introduktion av propan som köldmedium. Dessa problem har kunnat lösas genom rätt val av olja för varje applikation, vevhusvärme och krav på överhettning etc.. Vi vill med detta peka på vikten av erfarenhetsåterföring och spridning för att minimera riskerna för att nya köldmedier används på ett olämpligt sätt. Effektiv erfarenhetsåterföring kräver ett brett internationellt kontaktnät, och tillgång till vetenskapliga och tekniska tidskrifter och konferens-rapporter. KTH/Energiteknik har ett för Sverige unikt sådant informationsnät, genom forskarnas regelbundna deltagande i internationella konferenser, EU-projekt och projekt inom internationella organisationer som till exempel International Institute of Refrigeration (IIR). Utnyttjande av detta nät kommer att vara en viktig del i detta projekt, och kommer att möjliggöra överföring av information från hela världen till den svenska kylbranschen. Inom projektet kommer en kontinuerlig informationssammanställning att genomföras. Sammanställningen kommer att omfatta nya köldmedier och köldmedieblandningar som föreslås under programtiden, eller som föreslagits under de senaste åren, dvs alla köldmedier som kan tänkas bli vanliga i framtiden, och vars egenskaper inte redan är väl kända. Informationen kommer att omfatta: köldmediers termodynamiska egenskaper och transportegenskaper, t.ex. ångtryck, densitet, värmekapacitet, värmeledningstal och viskositet köldmediers (ideala) cykelegenskaper vid olika kombinationer av förångnings- och kondenseringstemperaturer, dvs. teoretisk köld- och värmefaktor, inverkan av överhettning och underkylning på teoretisk köldfaktor, volymetrisk köldalstring och (kompressor-) energibehov, hetgastemperatur vid isentropisk kompression mm. värmeöverföringsegenskaper, dvs. stöd för dimensionering av värmeväxlare av olika typer tryckfallsegenskaper, dvs stöd för dimensionering av rörledningar och värmeväxlarkanaler praktiska erfarenheter från användning av nya köldmedier, t.ex. val av olja, materialkompatibilitet, stabilitet, löslighet av olika typer av oljor, läckagebenägenhet, metoder för läcksökning, praktiskt uppmätta prestanda vad gäller energieffektivitet säkerhetsaspekter, t.ex. hygieniska gränsvärden, brännbarhet, ev giftighet för sönderdelningsprodukter efter brand etc. miljöaspekter, dvs. inverkan på lokal och global miljö, såväl vid framställning som vid användning och destruktion kostnadsaspekter, dvs. pris för köldmediet och för system anpassade för köldmediet, samt driftskostnader (energieffektivitet) Informationen kommer att samlas i en litteraturrapport som kontinuerligt kommer att uppdateras och finnas tillgänglig för branschen. Nyhetsrapporter om utvecklingen på köldmediefronten kommer regelbundet att presenteras på ett lättillgängligt sätt i branschens medier. Stor vikt kommer att läggas på att utforma informationen så att den är användbar för branschen. I dagsläget är antalet artiklar som redogör för praktiska erfarenheter av de nya syntetiska medierna begränsat. Laboratorieförsök kommer därför att genomföras för att närmare bestämma egenskaper för,

8 8 (14) och samla erfarenheter av användningen av nya medier där sådan information inte finns att tillgå. Dessa prov kan uppdelas i följande: Kompressortester: Olika typer av kompressorer testas med rekommenderade oljor, dels för att bestämma kompressorernas volymetriska och isentropiska verkningsgrad, dels i form av forcerade långtidstester vid stressade förhållanden. Efter långtidstest studeras lagerytor för spår av slitage. Värmeväxlartester: Värmeövergångstal och tryckfall bestäms vid kokning och kondensation i typiska värmeväxlare. Kompatibilitetstester: För polymerer mäts svällning och viktändring samt strukturförändring efter exponering för köldmediet. För metaller studeras tendens till färgförändring och viktändring efter exponering vid förhöjd temperatur (sealed tube tests). Oljelöslighet: Löslighet av köldmedium i olika typer av oljor bestäms med vedertagna metoder Test av sammansättning och stabilitet: Köldmediernas renhet och, för blandningar, deras sammansättning, kontrolleras i gaskromatograf före och efter forcerade kompressortester för att undersöka tendens till instabilitet (sönderfall). Lämplig testutrustning för detta finns redan tillgänglig på KTHs labb. Utrustningen har tidigare utnyttjats för test av mindre kompressorer med bland annat naturliga köldmedier. Många köldmedier som presenterats på senare tid har varit blandningar, ofta azeotropa, dvs med glidande förångningstemperatur. För sådana medier är det av vikt att veta hur blandningens komponenter fördelar sig i systemet. Finns risk för koncentrationsskiftningar mellan systemets olika delar? Det är också möjligt att koncentrationsskiftningar inträffar i samband med läckage. Sådana frågeställningar kommer att undersökas genom datorsimulering av processer i system av olika utformning. En preliminär fördelning av arbetets olika steg i tiden framgår av bifogat Gantt schema. Resultatet från litteraturstudien kommer att uppdateras kontinuerligt under projektets gång. I övrigt planeras publikationer av delrapporter varje halvår. Som framgår av Gantt schemat är planen att fokusera det experimentella arbetet på ett köldmedium i taget. Tillgången på köldmedier, och marknadsutvecklingen under projektets gång kommer att styra valet av studerade köldmedier. Genomförandet av delprojekt 2 har formulerats i samarbete med Danfoss. Följande är saxat ur det dokument som ligger till grund för samarbetet: Method & Scientific Content The framework should be able to efficiently sort out infeasible solutions from a vast space of possible cycle layouts, and subsequently enable a detailed comparison of a small number of relevant system solutions. The framework is expected to consist of four major steps. The explanations and examples given below are based on the task of residential heat pumps. 1) Characterization of the task Basis of the analysis is a description of the extrinsic and intrinsic characteristics. To determine the extrinsic characteristics information regarding the heating requirements and the ambient conditions under which the system operates must be understood. Therefore information like load profiles, ambient conditions i.e. temperature and humidity should be at hand. This information can be found in standards for indoor climate, in application qualification standards and in metrological databases. The intrinsic characteristics, i.e. maldistribution and pressure drop, are determined by the cycle layout, the control strategy, the technical design of the system and its components. Many of these intrinsic characteristics are already understood and can be found in the literature referred to in the state of art.

9 9 (14) 2) Constraining the solution space There exists a vast number of ways to layout the vapor compression cycle, from simple to multi stage cycles with arbitrary many stages and hence arbitrary many components. In the literature is presented a matrix of known cycles that can be used as base of this investigation. The reason for making the cycle more complex is typically to achieve higher energy efficiency. However for all applications there exist limits for the price the customers are willing to pay even if the performance would be extremely high. From a commercial point of view it is therefore uninteresting to investigate solutions which exceed a certain complexity/cost level. By developing a cost index which roughly represents the cost range of a given cycle, it is possible to prune a large number of commercially uninteresting solution away at an early stage. 3) Optimization of cycle layout In order to provide a first estimate of the potential system energy efficiency for the selected cycles, simulations at a high abstraction level must be performed. Examples are presented in the literature where a basic thermodynamic cycle computation is performed to evaluate the system performance at fixed conditions. This approach can be extended by taking into account the dominating extrinsic and intrinsic characteristics. These characteristics need to be implemented in the model in a formalized way, possibly as a range for the parameters of components and operating conditions. For all cycle layouts the efficiency range can then be computed at the extreme points of the parameter range. Mapping the cost index over this efficiency range allows identifying the front of potentially best cycle layouts. 4) Optimization of component selection Based on the result of the previous step, the most promising set of cycle layouts are selected for a detailed study of the trade-off between the system efficiency versus the component efficiency. For this purpose a more precise and detailed description of the Cost Solution 1 Fig. 2: Pareto optimal front of different system solutions. Solution 2 Figure 2 Solution 3 Energy efficiency intrinsic and extrinsic characteristics is needed. Besides a suitable measure for the energy performance must be defined, e.g. according to the standards or as the annual energy consumptionerror! Reference source not found.. Models with an appropriate complexity level must be derived for the system and components, such that the necessary characteristics can be represented. Examples can be found in the literature where the complexity level of heat exchanger models is discussed. Dimensional parameters, such as size and efficiency of the components, can be used as optimization variables. Utilizing these in optimization procedures, as discussed in the state of the art, the cheapest way of reaching a certain efficiency can be computed. The modeling and optimization process should result in a diagram which allows identifying optimal system solutions for different regions of efficiency, this front of optimal solution is known as the Pareto front, indicated by the red curve in Fig. 2. Complete plan for the course of the education and project, divided into phases (See also Gantt chart) The following plan is divided into project phases of approximately half years 1) Characterization of the task & Constraining the solution space (7 months) - Detailed problem formulation and study plan. - Comprehensive state of the art analysis for the heat pumping task. - Gaining practical experience and collecting cost information resulting in solution matrix. PhD Courses:

10 10 (14) - Business course for Industrial PhD Program, starting 20th September - Heat pumps, systems and heat sources, KTH Technical Report 1: Survey of low charge in residential heat pumps 2) Optimization of cycle layout I - Modeling & Simulation (6 months) - Formalizing intrinsic characteristics. - Thermodynamic cycle modeling resulting in cost / energy efficiency plot. PhD Courses: - Energy Systems and models, KTH - Theory and Practice in System Analysis, KTH Conference Paper 1: Cycle analysis with regard to system-intrinsic characteristics 3) Optimization of cycle layout II Validation (4 months) - Experimental validation by comparison of simulations with existing solutions. PhD Courses: - Problems of Advanced Optimization, AAU Conference Paper 2: Residential heat pumps: Cost and performance assessment of various cycle layouts 4) Optimization of component selection I Component and system modeling (7 months) - Establishing of significant performance and cost criteria. - Development of numerical models. - Validation of component models. Journal Paper 1: Challenges & potential of low-charge heat pump systems 5) Optimization of component selection II Optimization (6 months) - Formulation of optimization problem & method selection. - Simulation and optimization resulting in Pareto front of optimal solutions. Conference Paper 3: Cost and energy efficiency optimization of heat pump systems 6) Methodology verification (6 months) - Experimental validation of selected results. - Evaluation of methodology. - Writing of the PhD thesis Journal Paper 2: A top-down approach for system analysis and optimization

11 11 (14) Kostnader Projektets totala kostnad Projektets totala kostnader per år % av heltid KALENDERÅR Lönekostnader Laboratoriekostnad Datorkostnad Utrustning Material Resor Övriga kostnader Ev förvaltningskostnader SUMMA Finansiering inkl. samfinansiärer Andel i kronor och procent av projektets totala kostnader/år FINANSIÄR År 2011 År 2012 År 2013 År 2014 År Total (%) Danfoss AB Energimyndigheten SUMMA Detta projekt är i sin helhet i vissa delar lika med ansökan till annan myndighet, ange vilken: Sökt stöd för dyr utrustning (Vetenskapsrådet, Wallenbergsstiftelsen e.d.) Gäller endast högskola. Nej Namn på doktorand Doktoranden anställs efter tilldelad finansiering Namn på doktorand Namn på doktorand Gunda Mader Namn på doktorand Övriga samarbetspartners (ange organisation och namn) Danfoss A/S, Lars Finn Sloth Larsen, Nordborgvej 81, DK Nordborg, , Lars.Larsen@danfoss.com, Danfoss bekostar en doktorand med samtliga kringkostnader

12 12 (14) Projektet kommeratt redovisas genom rapportering till Effsys+. Det kommer också att redovisas genom artiklar i fackpressen, i vetenskapliga artiklar samt i form av en doktorsavhandling. Följande publikationer och informationsaktiviteter planeras: Kontinuerlig informationsspridning om utvecklingen på köldmediefronten, inkluderande HFC köldmedier, naturliga medier, blandningar och nya syntetiska köldmedier. Informationsspridningen ska rikta sig främst till branschen i Sverige. Detta planeras ske genom en stående kolumn i tidningen Kyla+ Värmepumpar. Kontakter om detta har tagits med Johan Tegnelius på Kyla+. Rapporter med o termodynamiska samt transportegenskaper, baserat på litteraturdata och mätningar på eget labb. o tabeller för cykeldata (teoretisk värmefaktor, volymetrisk köldalstring, volymetriskt energibehov, Carnotverkningsgrad, inverkan av underkylning och överhettning, hetgastemperatur) för ideal process med isentropisk kompression. o kända miljöeffekter, lokalt och globalt, hälsoeffekter etc. o jämförelseberäkning av förväntade värmeövergångstal och tryckfall vid förångning, kondensation och enfasströmning. Rapporterna kommer att presenteras halvårsvis och även sammanställas till en huvudrapport som uppdateras med ny information halvårsvis. Internationell publicering: o Minst tre tidskriftsartiklar eller konferensbidrag med resultat från experimentell bestämning av värmeövergång och tryckfall vid förångning och kondensation för ett urval av köldmedier. o Minst två tidskriftsartiklar eller konferensbidrag med resultat från experimentell bestämning av kompressorprestanda med ett urval av de köldmedier. o Minst tre tidskriftsartiklar eller konferensbidrag med erfarenheter från försök avseende andra komponenter såsom expansionsventiler, oljor, kompatibilitet etc. Nationell publicering: o Var och en av de ovan nämnda internationella publikationerna kommer även att presenteras på svenska i omarbetad form i svensk fackpress. En hemsida kommer att finnas tillgänglig där information och kontakt kan sökas. Den primära målgruppen för informationen från projektet är kyl- och värmepumpindustri i Sverige. Vi räknar dock med att resultaten kommer att vara av stort intresse även internationellt. Resultat av delprojekt 2 kommer även att redovisas internt på Danfoss, i vetenskapliga publikationer etc. och också i en doktorsavhandling. Bilagor Ganttscheman med planerade aktiviteter och rapportering Datum Behörig firmatecknares (prefekt motsv.) underskrift Datum Projektledarens underskrift Namnförtydligande, titel och telefon Namnförtydligande och titel Björn Palm

13 Bilaga, delprojekt 1 Aktivitet 1 jan juli jan juli jan juli jan juli 2014 Uppstart, anställning av doktorand, iordningställande av rigg, inköp av resterande utrustning Litteraturstudier och litteratursammanställning Experimentellt arbete med köldmedium 1 Experimentellt arbete med köldmedium 2 Experimentellt arbete med köldmedium 3 Experimentellt arbete med köldmedium 4 Experimentellt arbete med köldmedium 5 Experimentellt arbete med köldmedium 6 Experimentellt arbete med köldmedium 7 Simulering, blandningar Slutrapport, avhandling 6-mån rapport Slutrapport, avhandlingsarbete

14 14 (14) Gantt schema, delprojekt 2 (Se Genomförande) Fas 1 Fas 2 Fas 3 Fas 4 Fas 5 Fas