b.palm - så fungerar en värmepump och så kan vi göra dem bättre
TRANSCRIPT
Björn Palm,
Avd. Tillämpad termodynamik och kylteknik,
Inst Energiteknik, KTH
Så fungerar en värmepump,
och så kan vi göra dem bättre
Så fungerar en värmepump,
Principen för ett
värmepumpande system
High temperature heat sink
Low temperature heat source
Refrigeration system
or
Heat pump
Q1
Q2
E
Värmesänka vid hög temp
Värmekälla vid låg temp
Värmepump eller
kylanläggning
”Värmepump” från 1834
Förångare Kondensor
Kompressor
Expansions
ventil
Ångtryckskurvor för några
vanliga köldmedier
• För varje tryck
finns en specifik
kokpunkt!
• När kompressorn
höjer trycket så
höjs även
kokpunkten.
Kylanläggning
high pressure side
low pressure side
d c
ba
q1
q2
k
p2
p1
condenser
compressorevaporator
refrigerated space
expansion
device
Högt tryck
Lågt tryck
Värmepump
high pressure side
low pressure side
d c
ba
q1
q2
k
p2
p1
condenser
compressorevaporator
refrigerated space
expansion
device
Högt tryck
Lågt tryck
high pressure side
low pressure side
d c
ba
q1
q2
k
p2
p1
condenser
compressorevaporator
refrigerated space
expansion
device
high pressure side
low pressure side
dc
b a
q1
q2
k
p2
p1
condenser
compressorevaporator
refrigerated space
expansion
device
high pressure side
low pressure side
dc
b a
q1
q2
k
p2
p1
condenser
compressorevaporator
refrigerated space
expansion
device
Heated space
Vad är möjligt?
Hur bra kan värmepumpen bli?
Termodynamikens lagar
• Ingen värmepump-process som arbetar
mellan två konstanta temperaturer kan ha en
värmefaktor högre än Carnotprocesses, för
vilken gäller:
21
1,1
TT
TCOP Carnot
Vilka temperaturer arbetar
värmepumpen med?
• Inomhustemperatur, +20°C
• Årsmedeltemp = bergtemp =+6°C
• => Högsta möjliga värmefaktor: 20,9 !
21
1,1
TT
TCOP Carnot
Vilka temperaturer arbetar
värmepumpen med?
• Varmvattentemperatur, +60°C
• Årsmedeltemp = bergtemp =+6°C
• => Högsta möjliga värmefaktor: 6,2 !
21
1,1
TT
TCOP Carnot
Carnotprocessens värmefaktors
temperaturberoende
0
5
10
15
20
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Värmekällans temperatur
Vä
rme
fak
tor,
Ca
rno
tCOP1_20
COP1_40
COP1_60
t1=+20
t1=+40
t1=+60
21
1,1
TT
TCOP Carnot
Jämförelse med ideal cykel
Kompressor-
kylprocessen
jämfört med
Carnot
processen ais
cisK
T
T1
T2
s0
p1
p2
a
q2
d
b fe
c
fig 9.13
Carnot
”Ideal” värmefaktor jämfört
med Carnot, t1=40°C, t2=0°C
R22 84%
R134a 83%
R290 (propan) 82%
R600a (isobutan) 84%
R717 (ammoniak) 87%
R407C 81%
R404A 75%
R410A 79%
Ideal värmefaktor för kompressor-processen, jämfört med Carnotprocessen
Ideala kompressor- processen är 15-20% sämre än Carnot.
20,9*0,85=18 (ca)
Köldfaktor jämfört med
Carnotprocessen 1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
-60 -40 -20 0 20°Ct2
t C1 30
t C1 50
NH 3
NH 3
R12
R12
R22
R22
R
a134
R
a134
Cd
Förluster i den verkliga processen
Ideal Carnot process EC
Ed effekt till köldmediet
Kompressor-process C
d
d
C
d
CCd
COP
COP
E
E
1
11,
Kompressor
Ek effekt till kompressorn
Et effekt till elmotor
Elmotor
~
d
k
k
d
k
dk
COP
COP
E
E
1
1
m
t
t
m
t
melm
COP
COP
E
E
1
1
Transmission Em effekt från elmotorn k
m
m
k
m
kmt
COP
COP
E
E
1
1
Verkningsgrader i
effektkedjan
CtCCdkelmC
Cdkelm
Ct
t
COPCOP
E
Q
E
QCOP
11
111
Där
21
11
TT
TCOPC
Ca 0,65 Ca 0,55
Förväntad värmefaktor, +20/+6: 20,9*0,55=11,5
1
10
100
150 250 350 450 550 650 750
h (kJ/kg)
Log(P
)
Temperaturdifferenser på kalla och varma
sidan – påverkar värmefaktorn
t2 –Förångningstemperatur
t1 – Kondenseringstemperatur
Värmekälla
Värmesänka
Slutsats
• För hög värmefaktor, konstruera för liten
temperaturskillnad mellan förångnings- och
kondenseringstemperatur.
• Dvs dimensionera för små
temperaturdifferenser i alla led.
Temperaturdifferenser i
systemet
• Temp
Berggrunden, +6
Brinekrets, -2
Förångningstemp, -8
Kondenseringstemp, +50
Vattenkrets, +40
Rumsluft, +20
Dt=14°C
COPCarnot=20,9
Dt=58°C
COPCarnot=5,6
Temperaturdifferenser i
systemet
• Temp
Berggrunden, +6
Brinekrets, -2
Förångningstemp, -8
Kondenseringstemp, +50
Vattenkrets, +40
Rumsluft, +20
Dt=14°C
COPCarnot=20,9
Dt=58°C
COPCarnot=5,6
Temperaturdifferens
värmesystem - rumsluft
Minskas med:
• Golvvärme
• Takvärme, vägg-värme
• Konvektorer
• Stora radiatorytor
Temperaturdifferenser i
systemet
• Temp
Berggrunden, +6
Brinekrets, -2
Förångningstemp, -8
Kondenseringstemp, +50
Vattenkrets, +40
Rumsluft, +20
Dt=14°C
COPCarnot=20,9
Dt=58°C
COPCarnot=5,6
Temperaturdifferens
kondensor - värmesystem
Minskas med:
• Större vvx ytor
• Nya effektiva värmeväxlare
Temperaturdifferenser i
systemet
• Temp
Berggrunden, +6
Brinekrets, -2
Förångningstemp, -8
Kondenseringstemp, +50
Vattenkrets, +40
Rumsluft, +20
Dt=14°C
COPCarnot=20,9
Dt=58°C
COPCarnot=5,6
Temperaturdifferens
berggrund - brinekrets
Minskas med:
• Längre/fler borrhål
• Effektiva värmeväxlare/kollektorer
• Termosifon?
• Återladdning
Temperaturdifferenser i
systemet
• Temp
Berggrunden, +6
Brinekrets, -2
Förångningstemp, -8
Kondenseringstemp, +50
Vattenkrets, +40
Rumsluft, +20
Dt=14°C
COPCarnot=20,9
Dt=58°C
COPCarnot=5,6
Temperaturdifferens
brinekrets - förångare
Minskas med:
• Större värmeväxlarytor
• Effektiva värmeväxlare
Vilken värmefaktor når
värmepumparna 2020?
Teoretiskt: 20,9
Vilken värmefaktor når
värmepumparna 2020?
Praktiskt:
Antag kondenseringstemp 27°C
förångningstemp 1°C
total Carnotverkningsgrad 0,65
Detta ger värmefaktorn 7,5
Working Group Renewable Energy Statistics 2008-10-29
Heat
sink
Performance of tested heat pumps
Vätska-/vattenvärmepumpar COP 35/0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
1990 1995 2000 2005 2010
År
Co
eff
icie
nt
of
Perf
orm
an
ce, C
OP
EN 14511
EN 255
Brine-water heat pumps 0/35
2015 2020
7.0
6,5
6,0
5,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
200
4
200
5
200
6
200
7
200
8
200
9
201
0
201
1
Års
vä
rmef
ak
tor
SP
F
Tidpunkt för prov
Luft-Luft värmepumpar
Årsvärmebehov 16600 kWh, i klimat med
+8°C årsmedeltemperatur
Årsvärmebehov 28000 kWh, i klimat med
+1,3°C årsmedeltemperatur
Linear (Årsvärmebehov 16600 kWh, i
klimat med +8°C årsmedeltemperatur)
Linear (Årsvärmebehov 28000 kWh, i
klimat med +1,3°C årsmedeltemperatur)
Miljöbelastning av värmepumpar
och kylanläggningar
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
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
Systemutformning
Styr/regler/övervakning
• Ny elektronik möjliggör:
– Mätdatainsamling
– Varvtalsreglering
– Driftsoptimering
– Fjärrstyrning
– Fjärrövervakning/diagnos
– Kombinationer av kyla/värme
– Systemoptimering
Tack för uppmärksamheten!
Värmeväxlare
Extruderade Al-rör
0.79 mm
0.43 mm
Förångare/kondensor
konstruerad vid KTH
Rör för AC-kondensor
Kanal diameter 0.38-1.02 mm
”Printed circuit board”-vvx
Diamant värmeväxlare
Fördelar med mikrokanals
värmeväxlare
• Mindre fyllnadsmängd
• Högre värmeövergångstal
• Lägre vikt, mindre volym
Kompressorer
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)
Sannolika trender,
kompressormotorer
• Mer koppar för högre verkningsgrad
• Permanentmagnetmotorer
Köldmedier
Köldmedier
• HCFC
– På väg ut
• HFC
– Kvar ett tag till, styrmedel för att begränsa
användningen
– Medier med stor glide bort på sikt
– 410A ökar
Köldmedier
• HC (kolväten)
– Ökad användning, i system med liten fyllning
– Användning över hela världen – så småningom
• CO2 (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.
Köldmedier
• NH3
– Bra köldmedium. Sannolikt ökad användning
• H2O
– 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.
Alternativa cykler
Alternativa cykler
Förångningskyl-
process
Stirling
Claude
Joule Thomson
Alternativa cykler
• Magnetiska
processer,
tänkbara i en
framtid
Alternativa cykler
• Termoelektriska (Peltier) processer förbättras
Alternativa cykler
Sammanfattning:
Inga alternativa processer kan inom överskådlig tid mäta sig med
kompressorkylprocessen
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 COP1 = 7,5