eff - S ys Effektivare kyl- och värmepumpssystem

eff - S ys Effektivare kyl- och värmepumpssystem Integrerad styrning av kyloch värmepumpsanläggningar - Slutrapport Fredrik Karlsson SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Energiteknik Box 857 501 15 Borås

Sammanfattning Dagens värmepumpar och kylmaskiner är utrustade med en kompressor med konstant varvtal samt kontantvarviga pumpar och fläktar och termostatiska expansionsventiler. Dessa komponenter styrs ofta i separata loopar. Det har under en längre tid pågått forskning gällande möjligheterna att styra värmepumpar och dess ingående komponenter elektroniskt. Målet för detta projekt har varit att sammanställa denna kunskap och utreda ifall dessa nya elektroniska styrningar innebär några fördelar ur energibesparingssynpunkt. Även möjligheterna för driftoptimering med hjälp av ett lämpligt mätsystem och en övergripande optimeringsmetod utgör en huvuddel av projektet. Information om tidigare genomförda arbeten har sammanställts genom en databasundersökning. Resultaten visar på att det finns möjligheter för ökad energieffektivitet på värmepumpar om kompressorn kapacitetsregleras genom varvtalsstyrning. Detta innebär den största energibesparingsmöjligheten i systemet men även varvtalsstyrning av pumpar och/eller fläktar samt elektronisk styrning av överhettningen, dvs expansionsventilen, kan leda till ökad effektivitet jämfört med traditionella styrningar. För att utreda detta i praktiken byggdes och provades en vätska/vatten-värmepump med varvtalsstyrd kompressor och elektroniskt styrd expansionsventil. Resultaten från laboratorieproven visar på att vinsterna med den elektroniska ventilen är väldigt små för den här applikationen. Kompressorns verkningsgrad försämrades istället för att som förväntat förbättras vid en sänkning av kompressorvarvtalet. Detta beror troligen på att kompressormotorn tappar i verkningsgrad pga frekvensomformningen. Beräkningar av årsvärmefaktorn visar ändå på en vinst sett på årsbasis pga minskat behov av tillskottseffekt. Denna möjlighet för att dimensionera värmepumpar som heltäckande utan de negativa konsekvenserna med höga kondenseringstemperaturer och hög intermittensgrad kommer troligtvis att få en ökad betydelse framöver då den stora antalet värmepumpar som installerats i Sverige bidrar till en hög toppeffekt med kort varaktighet. Denna korta effekttopp börjar ses som ett problem av elproducenterna och bl a förs det diskussioner om effekttariffer etc. Vidare redovisas det i rapporten vilken optimeringsmetod som använts och resultaten från simuleringar av denna.

Summary Heat pumps and refrigerating machines are most commonly equipped with constant-speed compressors, fans and pump as well as thermostatic expansion valves. These components are controlled in their own, local, control-loops. Research addressing the issue of controlling heat pumps and the individual components electronically has been conducted for several years. The aim for the project presented in this report was to compile this knowledge and analyse whether these new controls offer opportunities for increased energy efficiency. Possibilities for on-line optimization of the total heat pump operation by means of a suitable measuring system and an overall optimization method was also investigated. The information about previous research was put together by means of database information search. The results from this show that there are possibilities for increased energy efficiency of heat pumps and refrigerating machines if the capacity of the compressor is controlled by variable-speed control. This constitutes the largest opportunity for increased energy efficiency but also variable-speed control of pumps and fans as well as electronic control of the superheat may lead to increased efficiency when compared to conventional controls. These topics was further investigated by constructing and testing a brineto-water heat pump with variable-speed controlled compressor and electronically controlled expansion valve. The results show that the electronic valve showed very small increases in efficiency compared to a conventional thermostatic expansion valve. The efficiency of the compressor degraded due to losses in the electric motor. Still, the variable-speed control showed to be more efficient than conventional on/off control on an annual basis since the need for supplementary heat was reduced. This opportunity of designing heat pumps to cover the full load will probably get a lot more attention in the future since the large amount of heat pumps installed in Sweden contributes to a large power peak with a short duration, which is considered as a problem by the power producing companies. This report also shows which optimization method that was chosen and the results from the computer simulations made.

Innehåll Bakgrund och motiv 5 Syfte och mål 6 Forskare och industrirepresentanter som deltagit i projektet 7 Projektets genomförande 7 Resultat 8 Litteraturstudie...8 Laboratorieprov...9 Beräkning av årsvärmefaktor...10 Optimeringsmetod...11 Energi-, miljö- och industriell relevans 12 Examina 12 Internationell samverkan 12 Slutsatser och diskussion 12 Spridning av resultat 13 Bilaga 1: Nya styrningar leder till energibesparingar, Nordiska kyl- och värmepumpsdagarna, 2001 Bilaga 2: Integrerad styrning av kyl- och värmepumpsanläggningar, 1:a eff-sys-dagen, 2002 Bilaga 3: Parametric study of energy saving potential for capacity controlled heat pumps - optimal condensation temperature, 7 th IEA HPC Conference, 2002. Bilaga 4: Integrerad styrning av kyl- och värmepumpsanläggningar, 2:a eff-sys-dagen, 2003

Bakgrund och motiv Ett viktigt led i arbetet med att utveckla effektiva kyl- och värmepumpanläggningar är att optimera hela systemfunktionen så långt som är tekniskt och ekonomiskt möjligt. Detta innefattar bl a optimering av kombinationen system-värmepump, optimering av värmepumpdriften i förhållande till behovet samt optimering av värmepumpens egen drift medan den går (integrerad värmepumps-styrning). Vid utformningen av värmepumpsystem för optimal drift (figur 1) måste man optimera: Värmekälla och värmesänka (optimerade värmesystem), Värmepumpens drift i förhållande till behovet (driftoptimering), Värmepumpens drift internt medan den går (integrerad styrning). Integrerad styrning Driftoptimering Värmepumpsystem för optimal drift Optimerade värmesystem Figur 1. Värmepumpsystem för optimal drift med beaktande av kombinationen värmepump -värmesystem och dess styrning. Kyl- och värmepumpanläggningar påverkas ofta av ett flertal styr- och/eller reglersystem. Dels finns yttre system som styr anläggningen med hänsyn till kyleller värmebehov och dels finns en inre reglering av flödet i köldmediekretsen. Utöver dessa grundläggande funktioner finns ett antal drifts- och säkerhetsfunktioner som t ex avfrostning, drifts- och säkerhetstermostater eller pressostater. I moderna anläggningar introduceras i allt högre grad elektroniska styrningar som exempelvis frekvensstyrda kompressorer, pumpar och fläktar eller elektroniskt styrda expansionsventiler. Genom en intelligent utformning av ett överordnat styrsystem skulle det vara möjligt att samordna all insamlad information för att direkt optimera processen med avseende på köld- eller värmefaktor, kyl- eller värmeeffekt eller något annat. Dessutom kan drifts- och säkerhetsfunktioner, t ex optimering av avfrostningsfunktionen, samt information om anläggningsstatus integreras i ett sådant system. Genom ett integrerat styrsystem och ett systemtänkande för hela uppvärmningssystemet kan energibesparingar erhållas. 5

Syfte och mål Syftet med projektet var att sammanställa och öka den befintliga kunskapen om hur värmepumpars interna styrning (se figur 2 för systemgränsen för projektet) kan optimeras med hjälp av en integrerad värmepumpstyrning (IRM; styrning av värmepumpens interna funktioner). Projektet avsåg att analysera förutsättningarna för att integrera styrning, reglering och övervakning för samtliga viktiga funktioner i kyl- och värmepumpsanläggningar. En viktig del i detta arbete är att utnyttja givare som redan finns i anläggningarna, t ex för säkerhetsfunktioner, till överordnad diagnostik och statusbestämning. Exempelvis finns ofta hög- och lågtryckspressostater för driftstyrning eller säkerhet, temperaturgivare för bevakning av tryckrörstemperaturen, i vissa system temperaturgivare som mäter underkylningen för att styra avfrostning och givare för elektroniska expansionsventiler som mäter överhettningen för att reglera köldmedieflödet. Komfort Regulator Värmepump Uteklimat IRM Värmesänka Värmekälla Figur 2. Värmepumpsystem med optimerande styrsystem för interna och externa funktioner. Samtidigt ger kännedom om dessa två tryck och tre temperaturer en möjlighet att kartlägga hela kylprocessen och därmed också möjlighet att indikera om processen är normal och dessutom direkt visa t ex köldfaktor. I många anläggningar finns även kännare för att begränsa strömmen till kompressorns elmotor och dessa ger ett indirekt mått på kompressoreffekten. Med hjälp av köld/värmefaktor kan detta utnyttjas till att bestämma kyl/värmeeffekt. Således finns därmed information till att optimera processen genom att maximera den nytta man för tillfället efterfrågar. Optimeringen blir olika beroende på om kyleller värmeeffekten skall maximeras eller om det är verkningsgraden som prioriteras. Avsikten med systemet påminner i viss mån om bilmotorernas Engine Management System. 6

Forskare och industrirepresentanter som deltagit i projektet Organisation Adress Tel/fax/e-post Kontaktperson SP, Energiteknik (Sveriges Provningsoch Forskningsinstitut AB) CTH, Installationsteknik Box 857 501 15 Borås T: 033-16 55 29 F: 033-13 19 79 fredrik.karlsson@sp.se 412 96 Göteborg T: 031-772 11 42 F: 031-772 11 52 per.fahlen@hvac.chalmers.se Fredrik Karlsson Per Fahlén Elforsk Öresundskraft AB Box 642 25106 Helsingborg T: 042-490 31 00 jesper.baaring@oresundskraft.se Jesper Baaring JEFF Electronics AB Box 43 435 21 Mölnlycke Danfoss A/S Building Controls Division DK-6430 Nordborg Danmark IVT Box 1012 573 28 Tranås Nibe Box 14 285 21 Markaryd Thermia Värme Box 950 671 29 Arvika T: 031-88 60 20 F: 031-88 64 80 jan@jeff.se T: 0045 74 884 491 F: 0045 74 882 222 Bjarne_Schultz@DANFOSS.com T: 0140-38 41 00 F: 0140-178 90 hakan.persson@ivt.se T: 0433-73 000 F: 0433-73 190 roger.johnsson@nibe.se mats.fehrm@nibe.se T: 0570-813 00 F: 0570-144 10 patrik.olsson@thermia.se Jan Fröberg Bjarne Schultz Ole Stenderup Håkan Persson Roger Johnsson Mats Fehrm Patrik Olsson Projektets genomförande Projektet delades upp i ett antal punkter enligt följande: Litteratursammanställning Potential för integrerad styrning Kartläggning av givare 7

Utveckling av teoretisk modell för utvärdering av värmepumpens funktion Utveckling av modell för att styra värmepumpen Realisering och utvärdering av värmepump med nya styrningar och integrerat styrsystem Underlaget för litteratursammanställningen samlades till största delen in genom sökningar i databaser, framförallt FRIDOC och COMPENDEX. Även kontakter med branschfolk gav en del, oftast väldigt bra, referenser. Resultaten från denna litteraturundersökning utgjorde bakgrundsmaterial till utformningen av en experimentvärmepump. Värmepumpen byggdes av IVT i samråd med Danfoss och SP. Denna provades och utvärderades på SP. Parallellt med detta arbete utvecklades en modell för att kunna beräkna årsvärmefaktorn för en kapacitetsreglerad värmepump, vilket är en del i att uppskatta potentialen för integrerad styrning. Resultaten från provningarna utgjorde bakgrundsdata för beräkningarna. Resultat Resultaten från projektet finns redovisade i de publikationer som redovisas under rubriken Redovisning av resultat. En kort sammanfattning ges i denna rapport. Litteraturstudie Resultaten från litteraturundersökningen visar att det finns klara möjligheter att öka energieffektiviteten hos kylmaskiner och värmepumpar om kompressorns kapacitet anpassas till den aktuella lasten genom varvtalsstyrning. Vid nedreglering av varvtalet sänks kondenserings-temperaturen och förångningstemperaturen höjs vilket leder till en ökad effektivitet. Den högre förångningstemperaturen leder även till minskad påfrysning för system med luftberörd förångare. Möjligheterna att variera kompressorns kapacitet med varvtalet gör också att den tillsatseffekt som ofta finns installerad i värmepumpar i Sverige kan minskas eller helt tas bort. Om kompressorn kan arbeta inom ett stort varvtalsområde kan värmepumpen göras heltäckande utan de negativa konsekvenserna med hög kondenseringstemperatur och hög intermittensgrad. Med en heltäckande värmepump försvinner problemet med en hög effekttopp med kort varaktighet, vilket idag börjar anses som ett problem av elproducenterna pga det stora antalet installerade värmepumpar. Varvtalsstyrda pumpar och fläktar ger möjligheter för att anpassa köld- och värmebärarflöde till det aktuella köldmedieflödet utan att använda shuntar etc som skapar extra tryckfall i systemet. Det går att finna en kombination av flöden som minimerar den totala energianvändningen. Om värmebärarflödet över kondensorn ökar, minskas medeltemperaturen i kondensorn och därmed sänks 8

kondenseringstemperaturen, vilket leder till en minskad driveffekt till kompressorn. Å andra sidan ökar driveffekten till pumpen eller fläkten som cirkulerar flödet. Sammanlagras båda dessa effekter fås en kurva enligt figur 3, där det framgår att det finns en kombination som leder till minimal driveffekt. Ett liknande resonemang kan föras gällande förångaren. Effekt Total Kompressor Hjälputrustning (pumpar och fläktar) Kondenseringstemperatur Figur 3. Det går att finna en kombination av värmebärarflöde och köldmedieflöde som minimierar den totala driveffekten. För expansionsventilen finns det ett samband mellan upptagen effekt i förångaren och aktuell överhettning som beskriver den minsta stabila överhettningen, dvs den minsta överhettning som fortfarande ger stabil drift. Denna minsta stabila överhettning ger även högsta värmefaktorn. Med en elektroniskt styrd expansionsventil går det att införa regleralgoritmer som kan följa denna stabilitetslinje. Dessa tre ovan nämnda delprocesser kan styras var för sig, oberoende av varandra. Dock är det så att dessa processer påverkar varandra och det finns förutsättningar för ytterligare ökad effektivitet ifall de koordineras på ett bra sätt med en övergripande optimeringsmetod, mer om detta längre fram i rapporten. Detta var en kort sammanfattning av litteraturstudien, mer information finns i bilaga 1-3. Laboratorieprov Med litteraturstudien som bas byggdes en vätska/vatten-värmepump med varvtalsstyrd kompressor och elektroniskt styrd expansionsventil. Denna provades i laboratorium både i kontinuerlig drift enligt SS-EN 255-2 och vid dellast både med intermittent styrning och med varvtalsstyrning. Jämförelsen med intermittent styrning gjordes pga att intermittent styrning är den idag dominerande kapacitetsstyrningen för små värmepumpar. Resultaten visade att värmepumpen faktiskt blev mindre energieffektiv med varvtalsstyrning än med intermittent styrning. Efter analys visade det sig att detta troligen beror på att verkningsgraden 9

på kompressorns elmotor försämrades vid frekvenser som avvek från den frekvens den designats för (50 Hz). Proven visade även att den elektroniska expansionsventilen gav inga eller väldigt små ökningar i energieffektivitet jämfört med den traditionella termostatiska ventilen. Utförligare resonemang angående dessa resultat förs i bilaga 4. Beräkning av årsvärmefaktor Resultaten från laboratorieproven var till viss del tvärtemot de förväntade och för att analysera dessa och för att beräkna årsvärmefaktorn, gjordes en beräkningsmodell av en kapacitetsreglerad värmepump. Modellen finns beskriven i licentiatavhandlingen Integrated control of heat pumps. Beräkningarna gjordes för ett hus med ett värmebehov av 17 000 kwh/år (exklusive varmvatten) på en ort med årsmedeltemperaturen +6 C. Värmepumpen var ansluten till ett vattenburet radiatorsystem av typen 55/45. Beräkningarna utfördes för tre olika fall: 1. Intermittent styrd värmepump med verkningsgrader enligt prov 2. Varvtalsstyrd värmepump med verkningsgrader enligt prov 3. Varvtalsstyrd värmepump med förbättrade verkningsgrader För det sista fallet har verkningsgraderna (isentrop, volymetrisk och Carnot) ansetts vara oberoende av frekvensen och varierar enbart med tryckförhållandet mellan hög- och lågtryckssidan. För dessa tre fall utfördes beräkningarna för tre olika effektstorlekar: 50, 75 och 100 % effekttäckning vid DUT. Det innebär att värmepumpens storlek (dvs kompressorns slagvolym) anpassades så att den täckte 50, 75 respektive 100 % av effektbehovet vid den dimensionerande utetemperaturen. Storleken definieras vid frekvensen 50 Hz. Vid varvtalsstyrning varierar frekvensen mellan 30-75 Hz. När värmepumpen inte kan täcka hela effektbehovet går en elpatron in som extra värmekälla. Resultaten från beräkningarna visas i tabell 1 nedan. Det fall som ger högst årsvärmefaktor är fall 3 med en storlek på 50 % vilket inte är speciellt överraskande, med tanke på de bättre verkningsgraderna. Det som är mest intressant är att även den varvtalsstyrda värmepumpen med verkningsgrader enligt proven ger en högre årsvärmefaktor än den intermittent styrda. Trots att den var sämre i enskilda provpunkter. Detta beror på att den täcker en större del av lasten och därmed behövs inte en lika stor del tillsatseffekt. För större storlekar får varvtalsstyrningens fördelar ingen eller liten effekt pga att värmepumpen täcker en stor del av behovet utan att gå över 50 Hz. Tabell 1. Resultat från beräkning av årsvärmefaktor Fall 1 2 3 Storlek (%) 100 75 50 100 75 50 100 75 50 SPF hs 2,97 3,17 3,07 2,72 2,99 3,22 2,85 3,11 3,38 10

Resultaten ovan visar på endast en liten vinst med varvtalsstyrning men detta beror på den dåliga verkningsgraden på kompressorn. Det finns idag kompressorer utvecklade för varvtalsstyrning där verkningsgraden förbättras då kompressorn regleras ner i varvtal. Dessa fanns då projektet började endast tillgängliga för små värmepumpar < 3 kw och för stora > 20 kw och alltså inte i det för Sverige vanligaste segmentet 4-18 kw (för villaapplikationer). Optimeringsmetod Som tidigare beskrevs i avsnittet om litteraturstudien finns det möjligheter för en förbättrad effektivitet på värmepumpar om en övergripande optimeringsstrategi används för att samordna de olika delprocesserna. Det finns olika strategier och metoder som kan vara aktuella för att optimera driften utav en värmepump. Det angreppssätt som använts i detta arbete har varit att använda en lättförståelig, modelloberoende optimeringsstrategi. Den optimeringsmetod som valdes ut var Nelder-Meads simplexmetod, vars främsta fördel är dess enkelhet samt att den inte är lika känslig för mätbrus som metoder baserade på derivator. Denna metod kräver ingen modell av systemet, istället letar sig metoden fram till den optimala punkten. Det som krävs är naturligtvis en funktion som beskriver vad det är som ska optimeras. I detta fall, där energieffektiviteten ska optimera är följande ekvation en lämplig målfunktion: g 1 & & 2 2 1 = + ρ 1 ( Q1 Q1; set ) + ρ2 ( tw tw; set ) COPhp COP hp Värmefaktor w radiatorsystemet Q & 1 Avgiven värmeeffekt t w ; önskad medeltemperatur i set radiatorsystemet & Önskad värmeeffekt ρ, ρ 1 2 viktningskoefficienter Q 1;set där Optimeringsmetoden söker efter ett minimum, därav utformningen av ekvationen. I ekvationen har det även inkluderats straff på avvikelserna från önskade värden på avgiven värmeeffekt och medeltemperatur på värmebäraren. Metoden har utvärderats med datorsimuleringar och visar lovande resultat. För mer detaljer hänvisas till licentiatavhandlingen. 11

Energi-, miljö- och industriell relevans Svenska kyl- och värmepumpanläggningar förbrukar sannolikt mer än 10 TWh el per år. Redan en så måttlig förbättring av verkningsgraden som 10 % skulle därmed kunna spara över 1 TWh el per år. I den mån detta leder till minskad användning av bränslen för elproduktion kommer även motsvarande miljövinster att göras. Möjligheten till diagnostiska funktioner och direktvisning av anläggningens status har stor potential för att minska antalet anläggningar som går med dålig verkningsgrad och kan ge miljövinster genom att larma om sannolikt köldmedieläckage. T ex har omfattande fältmätningar på små- och medelstora kyl- och värmepumpanläggningar visat att verkningsgraden skulle kunna förbättras avsevärt utan alltför stora insatser för ett mycket stort antal enheter (t ex genom justering av köldmediemängd och stryporgan, rengöring av värmeväxlare, modifiering av avfrostning, styrning av tillsatsvärme, injustering av flöden m m). Denna typ av projekt torde ligga väl till för svensk industri, som har starka traditioner såväl inom styr- och reglerteknik som inom kyl- och värmepumpteknik. Den industriella relevansen säkras huvudsakligen genom industrins egen medverkan i projektet. Examina Fredrik Karlsson avlade licentiatexamen den 10 April 2003. Internationell samverkan Ett visst utbyte har skett med Danmarks Tekniska Universitet, institutionen för mekanik, avdelningen för energiteknik. Bland annat tillbringade Fredrik Karlsson tre veckor på DTU och arbetade då med detta forskningsprojekt. Slutsatser och diskussion Projektet har uppnått målet med att sammanställa och öka kunskapen om hur värmepumpars energieffektivitet kan ökas genom användandet av nya komponenter och styrningar. En metod för att optimera driften, on-line, har börjat studeras men är inte klar. Ytterligare undersökningar krävs, bl a av vilka krav olika värmesystem ställer på optimeringsmetoden (dvs vilka krav ställer det externa systemet). Detta är något som kommer att undersökas i det beviljade projektet H22. 12

Spridning av resultat 1. Karlsson, F, 2003. Integrated control of heat pumps.(chalmers University of Technology) Licentiate thesis D2003:03, Göteborg. 2. Karlsson, F, Fahlén, P and Lidbom, P, 2003. Integrated control of refrigeration and heat pump systems - test results (in Swedish).(SP Swedish National Testing and Research Institute) SP AR 2002:16, Borås, Sweden. 3. Karlsson, F and Fahlén, P, 2003. Integrated control of refrigeration and heat pump systems - a literature survey.(sp Swedish National Testing and Research Institute) SP AR 2002:15, Borås, Sweden. 4. Karlsson, F and Fahlén, P, 2003. Integrated control of refrigeration and heat pump systems (in Swedish). 2:a eff-sys-dagen, CTH, Göteborg. 5. Karlsson, F and Fahlén, P, 2002. Parametric study of energy saving potential for capacity controlled heat pumps - optimal condensation temperature. 7th IEA Conference on Heat Pumping Technologies - Heat Pumps Better by Nature, Beijing, China 6. Karlsson, F and Fahlén, P, 2002. Integrated control of refrigeration and heat pump systems (in Swedish). 1:a eff-sys-dagen, Stockholm. 7. Karlsson, F and Fahlén, P, 2001. New equipment and control strategies will lead to energy savings (in Swedish). 16 Nordiske Kølemøde og 9 Nordiske Varmepumpdage, Copenhagen, Denmark. 8. Karlsson, F and Fahlén, P, 2001. Integrated control of refrigeration and heat pump systems (in Swedish). 3:e klimat 21-dagen 2001, Eskilstuna, Sweden. 9. Karlsson, F and Fahlén, P, 2000. Integrated control of refrigeration and heat pump systems (in Swedish). Avslutningsseminarium Klimat 21, Eskilstuna, Sweden. 13