Så fungerar en värmepump,

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Så fungerar en värmepump,"

Joakim Ek
för 8 år sedan
Visningar:

1 Så fungerar en värmepump, och så kan vi göra dem bättre Björn Palm, Avd. Tillämpad termodynamik och kylteknik, Inst Energiteknik, KTH

2 Så fungerar en värmepump,

3 Principen för ett värmepumpande system Värmesänka vid hög temp High temperature heat sink Q 1 Värmepump eller kylanläggning Refrigeration system or Heat pump E Q 2 Low temperature heat source Värmekälla vid låg temp

eller kylanläggning Refrigeration system or Heat pump

4 Värmepump från 1834 Kompressor Kondensor Förångare Expansions ventil

5 Ångtryckskurvor för några För varje tryck finns en specifik kokpunkt! När kompressorn höjer trycket så höjs även kokpunkten. vanliga köldmedier

6 Kylanläggning q 1 d p 1 condenser c Högt tryck high pressure side Lågt tryck low pressure side a expansion device evaporator b k compressor p 2 q 2 refrigerated space

7 1 1 b d a d a expansion device expansion device q 1 p 21 q 2 p 1 condenser evaporator condenser refrigerated space evaporator p 2 d c b 2 p p2 p 1 Heated space condenser device refrigerated space expansion a q 2 space expansion refrigerated device d c p1 evaporator a c Värmepump b c b k compressor k compressor high pressure side low pressure side Högt tryck high pressure side Lågt tryck low pressure side q1 q2 evaporator condenser q 2 refrigerated space

refrigerated device d c p1 evaporator a c Värmepump b c b k compressor k compressor high pressure side low

9 Vad är möjligt? Hur bra kan värmepumpen bli?

10 Termodynamikens lagar Ingen värmepump-process som arbetar mellan två konstanta temperaturer kan ha en värmefaktor högre än Carnotprocesses, för vilken gäller: COP1, Carnot T 1 T 1 T 2

11 Vilka temperaturer arbetar värmepumpen med? Inomhustemperatur, +20 C Årsmedeltemp = bergtemp =+6 C COP1, Carnot T 1 T1 T 2 => Högsta möjliga värmefaktor: 20,9!

12 Vilka temperaturer arbetar värmepumpen med? Varmvattentemperatur, +60 C Årsmedeltemp = bergtemp =+6 C T1 COP1, Carnot T T 1 2 => Högsta möjliga värmefaktor: 6,2!

13 Värmefaktor, Carnot Carnotprocessens värmefaktors temperaturberoende COP1_20 COP1_40 COP1_60 COP1, Carnot T1 T T 1 2 t 1 =+20 t 1 =+40 5 t 1 = Värmekällans temperatur

COP1, Carnot T1 T T 1 2 t 1 =+20 t 1 =+40 5 t 1 =+60

14 Jämförelse med ideal cykel Kompressorkylprocessen jämfört med Carnot processen T T 1 T 2 b a is a K c Carnot f c is d e p 1 p 2 q 2 0 s

15 Ideal värmefaktor jämfört med Carnot, t 1 =40 C, t 2 =0 C Ideal värmefaktor för kompressorprocessen, jämfört med Carnotprocessen R22 84% R134a 83% R290 (propan) 82% R600a (isobutan) 84% R717 (ammoniak) 87% Ideala kompressorprocessen är 15-20% sämre än Carnot. 20,9*0,85=18 (ca) R407C 81% R404A 75% R410A 79%

(propan) 82% R600a (isobutan) 84% R717 (ammoniak) 87% Ideala

16 Köldfaktor jämfört med 1,0 Carnotprocessen Cd NH 3 0,9 t1 30 C R 12 NH 3 0,8 0,7 0,6 R 134a R 134a R 22 t1 50 C C t 2 R 22 R 12

17 Förluster i den verkliga processen E C C Cd 1 d Kompressor-process Ideal Carnot process E E C, d COP COP 1d 1C E d effekt till köldmediet Kompressor k d k E E d k COP COP 1k 1d ~ E k effekt till kompressorn Transmission E m effekt från elmotorn Elmotor E t effekt till elmotor elm m t mt E E m t k m E E k m COP COP 1t 1m COP COP 1m 1k

COP COP 1k 1d ~ E k effekt till kompressorn Transmission E m effekt från elmotorn

18 Verkningsgrader i effektkedjan COP t E t E C COP 1C Q elm Q k elm Cd Där k Cd COP 1C COP1 C Ct Ca 0,65 Ca 0,55 Förväntad värmefaktor, +20/+6: 20,9*0,55=11,5 T 1 T1 T 2

19 Log(P) 100 Temperaturdifferenser på kalla och varma sidan påverkar värmefaktorn t1 Kondenseringstemperatur 10 Värmesänka Värmekälla t2 Förångningstemperatur h (kj/kg)

20 Slutsats För hög värmefaktor, konstruera för liten temperaturskillnad mellan förångnings- och kondenseringstemperatur. Dvs dimensionera för små temperaturdifferenser i alla led.

21 Temperaturdifferenser i systemet Temp Kondenseringstemp, +50 Vattenkrets, +40 Rumsluft, +20 Dt=58 C COP Carnot =5,6 Dt=14 C COP Carnot =20,9 Berggrunden, +6 Brinekrets, -2 Förångningstemp, -8

22 Temperaturdifferenser i systemet Temp Kondenseringstemp, +50 Vattenkrets, +40 Rumsluft, +20 Dt=58 C COP Carnot =5,6 Dt=14 C COP Carnot =20,9 Berggrunden, +6 Brinekrets, -2 Förångningstemp, -8

23 Temperaturdifferens värmesystem - rumsluft Minskas med: Golvvärme Takvärme, vägg-värme Konvektorer Stora radiatorytor

24 Temperaturdifferenser i systemet Temp Kondenseringstemp, +50 Vattenkrets, +40 Rumsluft, +20 Dt=58 C COP Carnot =5,6 Dt=14 C COP Carnot =20,9 Berggrunden, +6 Brinekrets, -2 Förångningstemp, -8

25 Temperaturdifferens kondensor - värmesystem Minskas med: Större vvx ytor Nya effektiva värmeväxlare

26 Temperaturdifferenser i systemet Temp Kondenseringstemp, +50 Vattenkrets, +40 Rumsluft, +20 Dt=58 C COP Carnot =5,6 Dt=14 C COP Carnot =20,9 Berggrunden, +6 Brinekrets, -2 Förångningstemp, -8

27 Temperaturdifferens berggrund - brinekrets Minskas med: Längre/fler borrhål Effektiva värmeväxlare/kollektorer Termosifon? Återladdning

28 Temperaturdifferenser i systemet Temp Kondenseringstemp, +50 Vattenkrets, +40 Rumsluft, +20 Dt=58 C COP Carnot =5,6 Dt=14 C COP Carnot =20,9 Berggrunden, +6 Brinekrets, -2 Förångningstemp, -8

29 Temperaturdifferens brinekrets - förångare Minskas med: Större värmeväxlarytor Effektiva värmeväxlare

30 Vilken värmefaktor når värmepumparna 2020? Teoretiskt: 20,9

31 Vilken värmefaktor når värmepumparna 2020? Praktiskt: Antag kondenseringstemp 27 C förångningstemp 1 C total Carnotverkningsgrad 0,65 Detta ger värmefaktorn 7,5

32 Coefficient of Performance, COP Performance of tested heat pumps 7.0 Brine-water heat pumps 0/35 6,5 6,0 5,5 Heat Vätska-/vattenvärmepumpar COP 35/0 sink EN EN Working Group Renewable Energy Statistics År

33 Årsvärmefaktor SPF Luft-Luft värmepumpar 3,5 3 Årsvärmebehov kwh, i klimat med +8 C årsmedeltemperatur 2,5 2 Årsvärmebehov kwh, i klimat med +1,3 C årsmedeltemperatur Linear (Årsvärmebehov kwh, i klimat med +8 C årsmedeltemperatur) 1,5 Linear (Årsvärmebehov kwh, i klimat med +1,3 C årsmedeltemperatur) 1 0,5 0 Tidpunkt för prov

34 Miljöbelastning av värmepumpar och kylanläggningar

35 Miljöbelastning av värmepumpar och kylanläggningar ODP (Ozone Depleting Potential) Direkt inverkan på ozonskiktet vid utsläpp GWP (Global Warming Impact) Direkt bidrag till växthuseffekten vid utsläpp TEWI (Total Equivalent Warming Impact) Direkt och indirekt bidrag till växthuseffekten LCCP (Life Cycle Climate Performance) Direkt och indirekt bidrag till växthuseffekten, även vid tillverkning och skrotning

36 Framtidens krav Liten miljöinverkan vid Tillverkning (av t.ex. köldmediet) Normal drift (dvs. hög värmefaktor) Driftstörningar (t.ex. vid läckage) Skrotning Högre energipriser motiverar större investering Statliga styrmedel är troliga

37 Systemutformning

38 Styr/regler/övervakning Ny elektronik möjliggör: Mätdatainsamling Varvtalsreglering Driftsoptimering Fjärrstyrning Fjärrövervakning/diagnos Kombinationer av kyla/värme Systemoptimering

39 Tack för uppmärksamheten!

41 Värmeväxlare

42 Extruderade Al-rör 0.79 mm 0.43 mm

43 Förångare/kondensor konstruerad vid KTH

44 Rör för AC-kondensor Kanal diameter mm

45 Printed circuit board -vvx

46 Diamant värmeväxlare

47 Fördelar med mikrokanals värmeväxlare Mindre fyllnadsmängd Högre värmeövergångstal Lägre vikt, mindre volym

48 Kompressorer

49 Sannolika trender, kompressorer Reglerbar effekt med bibehållen verkningsgrad Fler och större scroll-kompressorer Möjlighet till economizerkoppling (mellantryck) Mindre volym i höljet för minskad köldmediemängd (jfr bil-ac kompressorer)

50 Sannolika trender, kompressormotorer Mer koppar för högre verkningsgrad Permanentmagnetmotorer

51 Köldmedier

52 Köldmedier HCFC På väg ut HFC Kvar ett tag till, styrmedel för att begränsa användningen Medier med stor glide bort på sikt 410A ökar

53 Köldmedier HC (kolväten) Ökad användning, i system med liten fyllning Användning över hela världen så småningom CO 2 (koldioxid) Breddad användning som köldbärare Nästa steg: I LT-steget i kaskadsystem Bil-AC?? För hög temp (VP): höga tryck och låg värmefaktor utom i vissa applikationer.

54 Köldmedier NH 3 Bra köldmedium. Sannolikt ökad användning H 2 O Ger för stora system pga låg densitet Nya medier?? Ev användning av brännbara HFC eller av HFC med högre tryck, t.ex. R152a eller R32 Ev nya syntetiska medier, t.ex. HFO1234yf Föreslaget för mobil AC.

55 Alternativa cykler

56 Förångningskylprocess Stirling Claude Joule Thomson Alternativa cykler

57 Magnetiska processer, tänkbara i en framtid Alternativa cykler

58 Alternativa cykler Termoelektriska (Peltier) processer förbättras

59 Alternativa cykler Sammanfattning: Inga alternativa processer kan inom överskådlig tid mäta sig med kompressorkylprocessen

60 Sammanfattning Högre energipriser kommer att motivera värempumpsystem med högre COP Detta nås genom: Lågtemp distributionssystem Stora, effektiva värmeväxlare i alla led Effektivare motorer, med varvtalsstyrning Mätning/styrning (mer elektronik) för optimering av driften Ett rimligt mål för 2020 är COP 1 = 7,5

Relevanta dokument

Vilka alternativ finns och varför har vi de lösningar som vi har? Vilka faktorer påverkar energibehovet?

HUR KAN KYLA ALSTRAS? Eric Granryd Professor emeritus, KTH. Vilka alternativ finns och varför har vi de lösningar som vi har? Vilka faktorer påverkar energibehovet? Det första patentet på en metod att