|
Kombineret brugsvands- og rumvarmepumpe med CO2 som kølemiddel 3 Projektets gennemførelse
3.1 Systemanalyse og valg af komponenterDer er i projektet opstillet følgende overordnede krav til en brugsvandsvarmepumpe, der indeholder CO2 :
Der er desuden opstillet krav til den del af varmepumpen, der skal levere rumvarme:
I det følgende gives nogle eksempler på de systemløsninger, der kan anvendes til det pågældende apparat. 3.1.1 Løsningsforslag 1: Kombivarmepumpe – uden luftvarmefladeDen første løsningsmulighed er principielt en traditionel løsning, hvor al varmen leveres til brugsvandsbeholderen – indvendigt i beholderen er placeret en veksler (spiral) til gulvvarmekredsen. Varmen afgives til brugsvandet gennem intern spiralveksler (gaskøler) med indløb i toppen af beholderen og afgang i bund. Umiddelbart efter beholderen veksler gaskøleren med returvandet fra gulvvarmesystemet for at sikre kølemidlet en så lav afgangstemperatur som muligt fra gaskøleren. Det vurderes, at det hermed er muligt at sikre afgangstemperatur fra gaskøleren på omkring 30 °C i store dele af fyringssæsonen. I sommermånederne, hvor der ikke er rumvarmebehov, vil afgangstemperaturen være bestemt af temperaturen i bunden af beholderen.
Figur 1: Løsningsforslag 1 Den her beskrevne løsning er umiddelbart den mest simple og "ligner" på næsten alle måder en traditionel varmepumpeløsning. Gaskøleren skal gerne placeres over så stor en del af beholderen som muligt for at sikre lagdeling i beholderen, og spiralveksleren til gulvvarmesystemet skal placeres, således at der sikres en tilstrækkelig høj temperatur til fremløbet, men gerne således at opblanding ikke er nødvendig (altså uden shuntventil). Den nævnte veksling mellem gaskøler og returvand fra gulvvarmesystem kan ske enten via en koaksialveksler eller mere simpelt ved at påsvejse gaskøleren på gulvvarmesystemets indløbsrør (returrør). 3.1.2 Løsningsforslag 2: Kombivarmepumpe – med luftvarmefladeDen anden løsningsmulighed ligner umiddelbart på mange punkter den første – her er gaskøleren dog delt i to zoner. Én varm, der befinder sig i beholderens øverste del, samt to "kolde" zoner, hvoraf den ene befinder sig i beholderens nederste del, mens den anden befinder sig uden for beholderen og er en luftvarmeflade. Kølemidlet ledes gennem den varme gaskøler i toppen af beholderen, og afgangen herfra kan så via trevejsventil ledes enten videre i beholderen eller alternativt ud i luftvarmefladen. Ideen er naturligvis udsprunget af et ønske om at sænke afgangstemperaturen fra gaskøleren så meget som muligt. Hvis der er rumvarmebehov, og kølemidlet derfor ledes ud i luftvarmefladen, vil afgangstemperaturen være bestemt af rumluftens temperatur, mens det i perioder, uden rumvarmebehov, vil være vandtemperaturen i bunden af beholderen, der bestemmer gaskølerens afgangstemperatur. Løsningen er interessant bl.a. af reguleringshensyn. I varmesystemer, hvor varmen leveres via gulvvarme, er det næsten umuligt at regulere varmen i perioder med store temperatursvingninger (f.eks. i foråret, hvor nætterne kan være kolde og dagene lune). Dette skyldes gulvvarmens store træghed, og det er derfor ønskeligt at have mulighed for at tilføre ekstra varme i perioder, f.eks. ved hjælp af et luftvarmesystem. Hermed kan grundbelastningen på gulvvarmen reduceres, og det samlede energiforbrug reduceres hermed samtidig med at komfortniveauet hæves. Der kan ligeledes som i løsning 1 monteres en spiralveksler til gulvvarmesystem. Placeringen af denne spiral er naturligvis kritisk, da det skal sikres, at den optimale temperaturfordeling i beholderen opretholdes, således at temperaturen ved gaskølerens afgang altid er lavest mulig. Løsningen med en veksling mellem gaskølerafgang og vandets returrør fra gulvvarmesystemet er naturligvis også relevant her.
Figur 2: Løsningsforslag 2 Luftvarmefladen kan enten være en kanalmonteret "lamel-på-rør-veksler" eller en separat monteret flade svarende til inderdelen af en splitunit. 3.1.3 Mulige systemløsninger – KølesystemI de to beskrevne løsninger er forskellige gaskølerudformninger beskrevet. I begge tilfælde er der beskrevet yderligere vedrørende kølesystemets udformning. I det følgende er det forsøgt at give forslag til, hvorledes kølesystemet kan designes på den mest optimale vis. Fordamperen i systemet skal naturligvis designes til den nødvendige ydelse og tryk, men vil ellers være lig traditionelle fordampere. Kompressoren er, som tidligere nævnt, Danfoss' nyudviklede hermetiske CO2 -kompressor til transkritisk drift. Gaskøleren viklet inde i beholderen kan eksempelvis være mikrokanaler for at sikre optimal varmeoverføring. Den luftkølede gaskøler (luftvarmefladen) bør være en "lamel-på-rør-veksler", hvor rørene med fordel kan være mikrokanaler. Drøvlingen kan foretages enten ved hjælp af Danfoss' nyudviklede konstanttryksventil, en TBR ventil (se senere beskrivelse) eller alternativt kan kapillarrør anvendes. Teknologisk Institut har gennem den seneste periode arbejdet med udvikling og opstilling af modeller for kapillarrør i transkritiske CO2 -systemer, og det første transkritiske CO2 -anlæg med kapillarrør er under indkøring. De her beskrevne anlægsløsninger vurderes som oplagte til at anvende kapillarrør, da fordampningstemperaturen samt gaskølerens afgangstemperatur er så godt som konstante. Netop dette forhold gør ligeledes, at det ikke vurderes nødvendigt at anvende receiver i systemet, da det vil være muligt at køre med afstemt fyldning. 3.1.4 Opbygning af kølekredsløb – den valgte løsningI det følgende afsnit følger en kort beskrivelse af systemopbygningen samt en beskrivelse af hovedkomponenterne. 3.1.4.1 Den valgte systemløsningDet er i projektet valgt at arbejde med en løsning, der i princippet ligner den før beskrevne løsning 2, nemlig en løsning, hvor der anvendes en traditionel veksler i beholderen (gaskølerspiral) samt muligheden for at montere en ekstra veksler til rumopvarmning i forlængelse af gaskøleren i beholderen. Denne løsning gør systemet universelt, således at apparatet eventuelt kan leveres både med og uden den ekstra veksler. Kølesystemet opbygges på traditionel vis med en kompressor, en fordamper, en gaskøler (spiral i beholder) samt en såkaldt TBR-ventil (se efterfølgende beskrivelse af de enkelte komponenter). 3.1.4.2 KompressorKompressoren som vist på følgende figur er en Danfoss TN1416 prototype CO2 -kompressor til transkritisk anvendelse. Det er en én-cylindret stempelkompressor med et driftsområde, som angivet i følgende tabel.
Figur 3: Danfoss TN1416 kompressor til CO2 Kompressoren anvender 230 V, 50 Hz og har et nominelt effektforbrug på 530 W ved 0 °C fordampning, 30 °C gaskøler udgangstemperatur og 30 °C sugetemperatur ved et højtryk på 74 bar (Maximal COP ved denne betingelse).
3.1.4.3 VentilDen anvendte ventil er en Danfoss prototype højtryksekspansionsventil, ligeledes udviklet til brug i en transkritisk CO2 -proces. Ventilen består af en fjederbelastet membran, der åbner for en dyse, når indløbstrykket overstiger fjederkraften. Trykket på tilløbssiden kan således justeres ved at ændre fjederkraften via en justering af forspændingen på fjederen. Ventilen er designet til at levere tryk op til 120 bar. Vil man undgå manuel regulering af ventilen, kan en Danfoss prototype TBR (Thermal Backpressure Regulator) ventil anvendes. Her er membranen belastet af et termostatelement med føler. Temperaturen i føleren sætter åbningstrykket for ventilen. Føleren placeres ved gaskølerudgangen og giver en trykkarakteristik, som vist efterfølgende. Ventilen er designet for gaskølerudgangstemperatur op til 50 °C med resulterende tryk på 120 bar.
Figur 4: Højtryksekspansionsventil til CO2
Figur 5: TBR ventil til CO2 - fra Danfoss
Figur 6: TBR ventilens karakteristik 3.1.4.4 Design af gaskølerDer er blevet gennemført transiente beregninger på opvarmningsforløbet af varmtvandsbeholdere med forskellig udformning af varmeveksleren. Der er taget udgangspunkt i de medsendte tegninger med deres dimensioner, og det er primært valg at variere med følgende: (a) Jævnt fordelt coil (b) Coil med flest vindinger i bunden af beholderen (c) Jævnt fordelt coil med horisontale bafler (d) Fordelt coil med horisontale bafler (e) Koncentreret coil i bund (f) Effektafsættelse på beholdervæg. Disse er skitserede på følgende figur:
Figur 7 Modellerede geometrier De enkelte geometrier er blevet modelleret numerisk i CFX5.7 med omkring 300.000 elementer for hver model i et ustruktureret net med en enkel symmetriplan. Der er løst transient for opvarmningen af beholderen, hvor siderne er holdt adiabatiske, og der er ikke flow ind og ud af beholderen. Der varmes med 2 kW i coilen, og som initialbetingelse er tanken antaget at have linier temperaturfordeling mellem top og bund mellem 10 °C og 65 °C. For forsimpling af beregningen er det antaget, at opvarmningen foregår ved en konstant heatflux, der er jævnt fordelt fra coilen. Dermed undgås at beregne CO2 -delen af systemet. Det må samtidig bemærkes, at dette vil være en idealtilstand, da hele coilen udnyttes optimalt. Opvarmningsforløbet er løst indtil en time real time. Dette svarer i parentes bemærket til 18-20 timers beregningstid for hver model. Ved adiabatisk opvarmning af beholderen, vil det generelle temperaturniveau efter en vis tid stige liniert, mens temperaturgradienterne vil være fastholdt. Strømningen vil stabiliseres, således at opdriftskræfterne i systemet svarer til strømningsmodstanden over rør og beholder. Denne tilstand indfinder sig først sent for en beholder af denne type, hvilket vil sige, at det ikke er sikkert at en times tid real time er nok til at identificere dette billede præcist. Beregningerne viser, at det er relativt nemt at opnå den ønskede lagdeling i beholderen (f.eks. vha. vandretliggende bafler eller opvarmning fra beholdervæggen) samt at en simpel gaskølergeometri jævnt fordelt i beholderen er at foretrække. Se Figur 8.
Figur 8: Temperatur og strømningsbillede efter 1 times opvarmning En tilstræbt tilstand vil være en høj grad af lagdeling samtidig med hastigheder af en vis størrelse omkring coilen. Dette er specielt vigtigt omkring coilens udgang, da dette sikrer god køling af gassen. Imidlertid viser beregningerne, at kombinationen af rimelige hastigheder i beholderens kolde del er meget vanskelige at frembringe. 3.1.5 Det samlede systemHer følger en principbeskrivelse af prototypeanlægget. Ud over de skitserede komponenter er der monteret adskillige udtag til trykmålinger under testmålingerne. Se også punktet "Billeder af prototypen" for indsigt i systemopbygningen.
Figur 9: Systemskitse Da der arbejdes med væsentlig højere systemtryk end traditionelt, skal der benyttes komponenter, designet specielt til dette driftsforhold. Hvor ikke andet er beskrevet, er der benyttet standard 6 mm CU rør til opbygningen af kølekredsen. Rørsystemet er isoleret for at minimere varmetabet i anlægget. Anlæggets fyldemængde er ca. 600 gram. Styring: Fordamper: Gaskøler/kondensator: Beholder: Kompressor: Regulering: Pressostat: 3.1.6 Billeder af system og varmepumpePå de efterfølgende billeder ses varmepumpe og kølesystemets opbygning.
Figur 10: Billede af varmepumpe efter endt prøvning
Figur 11: Kølesystem, med fordamper, kompressor og ventil 3.1.7 Vurdering/analyse af rumvarmeproduktion med CO2 -varmepumpeSom tidligere nævnt er den opbyggede prototype konstrueret uden rumvarmedel. Der er i stedet gennemført en række analyser af det kombinerede system. Forudsætninger for analyserne er følgende:
Umiddelbart vil tilslutning af ekstra varmeflade i serie med den eksisterende gaskøler kunne fordoble kapacitet og effektivitet på anlægget. Dette forudsætter dog, at varmen kan afsættes i fladen, og at det øvrige kølesystem forbliver uændret. Systemer med rumvarmeproduktion kan ligeledes udformes som et vandbårent system, hvor varmen hentes fra en ekstra spiral placeret i nederste halvdel af beholderen. Dette systems egenskaber vil være meget lig egenskaberne for det beskrevne system. Der er gennemført en række beregninger på systemet med ekstra varmeflade (gaskøler i serie med den i beholderen monterede) og med førnævnte forudsætninger fås følgende: Trykforhold: 105 bar / 45 bar = 2,3 (bar/bar) Isentropisk virkningsgrad ~ 0,58 (-) Volumetrisk virkningsgrad ~ 0,85 (-) T afgang gaskøler efter beholder = 45°C T afgang gaskøler efter flade 2 = 30°C Teoretisk COP for varmepumpe uden ekstra varmeflade = 2,7 Teoretisk COP for varmepumpe med ekstra varmeflade = 4,6 Altså en forøgelse af varmepumpens COP på ca. 70%.
|
