Högeffektiv värmeåtervinning med CO2 Marknadsandelen för kylsystem med transkritiskt CO 2 har ökat på senare år. Sedan 2007 har marknaden i Danmark rört sig bort från konventionella kylsystem med HFC eller kaskadsystem med CO 2 och HFC och mot transkritiska CO 2 system. Transkritiska system är nu standard och teknologin mogen. De studier som genomförts där man tittat enbart på kylning visar att den årliga energiförbrukningen ligger på samma nivå som för HFC DX system. Artikeln innehåller en kort bakgrundsbeskrivning av teorin bakom värmeåtervinning i transkritiska system, och effektiviteten kommer att jämföras med effektiviteten i HFC system. Transkritiska system - bakgrund I normala system med kondenserande köldmedier är temperaturen och trycket sammanknutna, men vid transkritiska system kan tryck och temperatur regleras individuellt. Detta ger större möjligheter vad gäller värmeåtervinning. Under normal drift utan värmeåtervinning hålls högtrycket på en nivå där optimal COP uppnås. Detta utförs automatiskt av en elektronisk regulator. Under kalla perioder hålls trycket normalt på minimum 40 bar ~ 5 ºC eller högre. Vid detta tryck finns nästan ingen värmeåtervinning. Höjs trycket ökar mängden värme som kan återvinnas. Exempel Vatten värms upp från 15 C till 55 C. Omgivningstemperaturen är -5 C och värmebelastningen på systemet behöver återvinnas med lägsta möjliga energiförbrukning. Temperaturskillnaden på värmeåtervinningen HX är inställd på 5 K vid in- eller utgång. Temperaturen ur gaskylaren hålls på 4 C i samtliga fall där gaskylaren är aktiv. Systemet som används består av en eller flera kompressorer, värmeåtervinnings värme-exchanger med pump, två 3-vägs ventiler, luftkyld gaskylare och en högtrycksreglerings ventil med elektronisk regulator.
Under dessa förhållanden är hetgastemperaturen från kompressorerna ungefär 35 C och det är därför inte möjligt att göra 55 C hett vatten. För att systemet ska kunna uppnå 55 C måste hetgasen vara minst 55 C och trycket behöver därför drivas uppåt.
Vid 50 bar högt tryck är hetgastemperaturen 55 C och man kan sålunda börja återvinna värme från systemet men ingen temperaturskillnad föreligger för värmeväxlaren. Genom att höja trycket ytterligare ökar mängden värme som tas ur systemet. 80% heat reclaim Vid 80 bar återvinns cirka 80% av värmen vid en kylnings COP på 3,13. För att man ska kunna höja förhållandet till över 80% så kan trycket drivas uppåt och gaskylaren kan förbigås. På detta sätt kan förhållandet gå upp till 100% då ingen värme förloras till omgivningen, all värme återvinns. Detta kommer att sätta in fler kompressorer för att kompensera för den minskade värmeavvisningen.
100 % heat reclaim W heat W ref Under dessa förhållanden återvinns all värme och systemets COP är cirka 2.6. Då värmeutgången från systemet varierar med trycket är det intressant att se vad systemets värmnings COP ligger på. Systemet konsumerar energi i förhållandet där det drivs med optimerat tryck (i detta exempel 40 bar). Det innebär att oavsett hur mycket värme vi tar ur systemet kommer det att konsumera energi. Systemets värmnings COP är uträknad som värmekapaciteten delat med den extra energi som konsumeras av kompressorerna. Detta görs för att det då är möjligt värmnings COP med alternativa värmekällor. P_gc [bar] COP ref [-] Förhållande COP Värme[-] 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 *Förbigår luftkyld gaskylare Förhållandet avser förhållandet mellan maximal värme tillgänglig och värme som används. Värmnings COP varierar med omgivningstemperaturen. Vid höga omgivningstemperaturer krävs högre kompressorinsats för kylning och följaktligen blir kompressorinsatsen för uppvärmning mindre. Vid lägre omgivningstemperaturer kan inte trycket minskas, och därför påverkas inte värmnings COP av denna faktor. Om omgivningstemperaturen hade satts till 3 ºC istället för -5 ºC hade resultatet blivit så som visas i tabellen nedan.
P_gc [bar] COP ref [-] Förhållande COP Värme [-] 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 * Förbigår luftkyld gaskylare Resultaten visar att omgivningstemperaturen har en betydande påverkan på värmnings COP och värmnings COP är som högst vid full belastning. Om högsta COP önskas vid delbelastning kan systemet byggas som en CO 2 pump ovanpå kylsystemet. JÄMFÖRELSE AV TRANSKRITISKT CO2 MED ANDRA VÄRMEKÄLLOR I sektionen ovan beräknas värmnings COP, men det intressanta är huruvida det blir billigare eller kostsammare i jämförelse med andra värmeåtervinningssystem och andra energikällor. Andra värmeåtervinningssystem En jämförelse mellan COP från CO 2 till motsvarande COP för andra köldmedier måste kunna genomföras på rättvist sätt för att ha något värde. För de andra köldmedierna har valts drift vid 10 C förångning och kondensering vid 55 C för att kunna leverera 55 C varmt vatten. Subkylning är ställd till 2K. Minimum kondenseringstemperaturen är ställd till 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 I diagrammet ovan ses hur värme COP för CO 2 är ungefär 25 % till 150 % bättre än R134A och som bäst vid delbelastning, vilket gäller under huvuddelen av året.
Värmepumpsystem För att kringgå problemet med delbelastning kan en värmepump placeras ovanpå systemet. Detta optimerar systemets COP oavsett belastning på systemet. COP i värmedrift har beräknats till 5 C förångning (likvärdigt med lägsta möjliga kondensering för transkritiska CO 2 system), 55 C kondensering och 2 K subkylning. Beräkningen har gjorts för de flesta av de mest använda köldmedierna på marknaden. Köldmedia COP värmning R134A 3,7 R290 3,7 R404A 3,3 R410A 3,4 CO 2 transkritisk 5,1 värmepump Tabellen ovan visar COP för olika köldmedier. Datan visar att CO 2 har en COP på mellan 38 % till 55 % högre än den för konventionella köldmedel. Andra energikällor Ett alternativ till CO 2 värmeåtervinningssystem skulle kunna vara en olje- eller gasbrännare. Frågan är vilket som är det mest ekonomiska alternativet. COP som beräknats i exemplet för ett CO 2 värmeåtervinningssystem ligger mellan 2.6 och 7.3. Exakt COP är en fråga om vad för slags system det är (Värmepump eller värmeåtervinning), belastningsprofilen för värmeåtervinningen och omgivningstemperaturen. Detta kan matchas mot andra energikällor genom följande ekvation. Price Alternative Energy[ kwhr] Ratio = Price Electricity[ kwhr] COPHeat Om ratio (förhållande) är mindre än 1 så är CO 2 lösningen den mest ekonomiska lösningen. I många fall kan värmeåtervinning eller värmepumpslösning vara ekonomiskt fördelaktig. I många fall är en värmeåtervinningslösning attraktiv om COP är högre än 2 eller 3, men detta är förståss beroende på energipriser och lokala skattenivåer. Slutsats Exemplet ovan visar Värmnings COP i transkritiska värmesystem från 2.6 till 7.3 beroende på belastning och omgivningstemperatur. CO 2 är mellan 25% till 150% bättre än R134A i värmeåtervinningssystem, beroende på belastningen. I ett värmepumpssystem är CO 2 mellan 38 % till 55 % bättre än de HFC köldmedier det jämförts med.
COP i värmepumpssystem är högre än i värmeåtervinningssystem vid delbelastning, men skillnaden är mycket liten vid full belastning. It is feasible to install a heat pump system relays on the load profile and investment costs. CO 2 värmepumpar eller värmeåtervinningssystem är ofta ett attraktivt alternativ till oljeeller gasförbrännare. Slutsatsen baserar sig på datan i exemplet. Vid annan data blir även slutsatsen en annan, men det finns vissa riktlinjer. CO 2 kan användas vid höga temperaturhöjningar. Desto lägre temperatur på ingångsvatten eller media, desto högre effektivitet på CO 2. Utgångstemperaturen är inte så viktig. Upp till 80 C är realistiskt med god effektivitet. CO 2 är inte bästa val av köldmedia om the outlet media temperature är låg och temperaturskillnaden mellan ingång och utgång är låg. Det finns för närvarande värmeåtervinningssystem i drift från 5 kw till 1.5 MW. Det finns runt om i världen mer än 500 installationer med transkritiskt CO2, både med och utan värmeåtervinning. Det här är inte raketvetenskap, det är daglig affärsverksamhet!