| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Teknisk udvikling af chiller med CO2 som kølemiddel

5 Modelbaseret analyse

• 5.1 Gaskølertrykstyring
• 5.2 Designspecifikationer
• 5.3 Inddragelse af vejrdata i designovervejelserne

Chillere i Danmark anvendes både til luftkonditionering og til proceskøling. Luftkonditionering af bygninger i Danmark starter typisk ved udetemperaturer over 12°C (i moderne bygning dog væsentlig ved lavere udetemperatur), mens behovet for proceskøling er mere uafhængigt af udetemperaturen.

5.1 Gaskølertrykstyring

I modsætning til andre kølemidler er styringen af trykket i gaskøleren en væsentlig forudsætning for at opnå maksimal COP under varierende driftsforhold forårsaget af udekonditioner.

Højtryksiden i CO₂-anlægget skal være underkritisk, i det omfang det er muligt, da energiforbruget herved er mindst muligt. Ved almindelige kondenserende drift er det kondenseringstemperaturen, som bestemmer trykket på højtryksiden.

Når anlægget skal køre overkritisk, er det nødvendigt at regulere trykket på højtryksiden.

Trykket (p_ht) på højtrykssiden er bestemt af sammenhængen mellem massen af kølemiddel (M), det indvendige volumen (V) og temperaturen (T):

p_ht=p(v,T)=p(V/M,T).

Denne tilstandsligning angiver, at der findes 3 principielle metoder til at regulere trykket på højtrykssiden, nemlig:

a)      ved at afstemme massen (M) af kølemiddel på ht-siden til det ønskede tryk

b)     ved at afstemme det indvendige volumen (V) på ht-siden til det ønskede tryk

c)      ved at afstemme temperaturen (T) af kølemiddel på ht-siden til det ønskede tryk

Af de 3 muligheder er det tilpasning af massen (M) den hyppigst anvendte og bedst egnede. Metoden er relativ simpel og princippet består i momentan styring af massen af CO₂ som findes mellem kompressorens trykport og et ekspansionsorgan.

Idet massen af kølemiddel er konstant i anlægget, er det nødvendigt med en buffer, som kan optage de variationer, der opstår i massen på højtrykssiden, når trykket reguleres. Det kan praktisk foranstaltes med en lavtryksreceiver efter fordamperen, som vist i nedenstående figur 5.1.

Den nødvendige buffervolumen afhænger af driftskonditionerne (p,T) samt volumen på ht-siden. Kompakte anlæg kræver mindre buffervolumen – men stiller større krav til reguleringsorganets responstid og nøjagtighed.

LT-receiveren kan også installeres før fordamperen, som dermed kan fungere som oversvømmet fordamper. Oversvømmet fordampning giver bedre kølemiddelfordeling i fordamperen og derfor bedre ydelse.

Alle kompressorer på markedet til CO₂ har olie carry-over på mellem 2-5% og anlægsudformning med LT-receiver kræver en anordning for olietilbageførelse, da olien ellers vil opkoncentreres i receiveren med nedsat ydelse til følge og eventuelt kompressorhavari.

Figur 5.1: Transkritisk anlæg med LT-receiver

Der findes også systemer med mellemtryksreceiver, som er relevante, idet de tillader brug af ekspansionsventil til styring af væsketilførelsen til fordamperen. To forskellige varianter er vist på figur 5.2 nedenfor.

Figur 5.2: Transkritiske anlæg med MT-receiver

Der er gennemført og rapporteret en lang række danske og internationale undersøgelser af, hvorledes COP-værdien i transkritiske CO₂-anlæg udover fordampningstemperaturen afhænger af trykket i gaskøleren, afgangstemperaturen fra gaskøleren, den interne varmeveksler og kompressorvirkningsgraden. Disse forhold er i høj grad relevante at forholde sig til, når et køleanlæg skal virke i et bredt og varieret driftsområde. Konklusion er entydigt at:

Der findes et optimalt gaskølertryk for ethvert transkritisk driftspunkt

Det er derfor nødvendigt, at kunne styre trykket på højtryksiden. Afhængigheden af gaskølertrykket skal derfor undersøges i forhold til de aktuelle driftskonditioner for en chiller.

5.2 Designspecifikationer

Chilleren skal levere koldt vand til air conditioning og til proceskøling ved de typisk anvendte driftsparameter 7 °C frem/12 °C retur.  Der anvendes for alle analyser, hvis ikke andet er nævnt, en fast fordampningstemperatur på 3 °C svarende en fordampertryk 37,7 bar samt en intern varmeveksler med en termisk effektivitet 0,1.

Anvendelsesområdet til komfort- og proceskøling fastlåser fordampningstemperaturen som parameter, og dermed reduceres kompleksiteten af reguleringen samtidig. Af analyserne fremgår, at effektiviteten af den interne varmeveksler stort set er neutral i forhold til det optimale gaskølertryk og har neutral indflydelse på COP-værdien.

Figur 5.3: Betydning af intern varmeveksler for chillerens energiforbrug

Hvis man betragter gaskøleren som vist nedenfor i figur 5.4, ses det at CO₂-temperaturen (Texit) ud af gaskøleren - for et givet transkritisk design – afhænger af udeluftstemperaturen.

Figur 5.4: Udetemperaturens indflydelse på afgangstemperaturen fra gaskøleren

Det optimal gaskølertryk kan således for en given varmevekslerudformning henføres til udeluftstemperaturen og skal i en chillerapplikation varieres mellem 75 bar og 100 bar for at sikre optimal COP i det transkritiske område.

Det fremgår af figur 5.5 og 5.6, at COP værdien reduceres kraftigt ved tryk lavere end optimum, mens moderat højere tryk end optimumtrykket påvirker COP mindre signifikant. Sagt med andre ord er det bedre at ligge trykket lidt for højt end for lavt – især ved varme udekonditioner.

Dette er nødvendigt at inkludere i anlæggets styring af COP. Samtidig fremgår det ikke overraskende, at der i alle tilfælde skal tilstræbes en maksimal afkøling af trykgassen, og gaskølerens udformning skal nøje designes i forhold til at sikre denne afkøling.

Figur 5.5: COP værdiens afhængighed af gaskølertrykket

Der ligger hermed også en reel mulighed for at udøve aktiv kapacitetsregulering – både op og ned - ved at styre højtrykket, når anlægget kører transkritisk. Ved underkritisk (kondenserende) drift er man hensat til traditionelle former for tabsgivende kapacitetsregulering i form af eksempelvis varmgas-bypass eller aflastning af kompressorer.

Figur 5.6: COP-værdiens relative afhængighed af gaskølertrykket

I praksis er den resulterende køleydelse mindst lige så vigtig som COP-værdien for anlæg der producerer koldt vand til proces eller luftkonditionering. I modsætning til COP-værdien stiger køleydelsen ensidigt med højere tryk i gaskøleren, se figur 5.7.

Det betyder, at anlægget kraftigt mister ydelse ved driftstryk under set-punktet for COP optimum – et forhold som i øvrigt var velkendt blandt sejlende maskinmestre i 1930’erne, som øgede trykket ved at lukke lidt for højtryksventilen, når et skib sejlede ind i varme vande.

Figur 5.7: Kølekapacitetens (Q_o) relative afhængighed af gaskølertrykket

5.3 Inddragelse af vejrdata i designovervejelserne

Til vurdering af udendørskonditioners indflydelse i relation til figur 5.4 er der taget udgangspunkt i klimadata fra DRY^[8] for København. Materialet indeholder time for time oplysninger om sammenhørende temperatur- og luftfugtighedsdata.

Materialet er således anvendeligt til:

-          fastlæggelse af det årlige antal timer med behov for komfortkøling

-          beregning af års-COP og driftsomkostning (cost/benefit) for alternative anlægsudformninger og alternative kølemidler

-          vurdering af anordninger til regulering (begrænsning) af stilstandstryk

Figur 5.8: Transkritiske CO₂-chillere, 2 principielle anlægsudformninger for varmeafkast 

I alle anlægsudførelserne vil chillerdriften og energiforbruget være afhængig af udeluftstemperaturen. Da energiforbruget er stærkt afhængig af luftens tilgangstemperatur vil der være god fornuft i at vælge en løsning som sikrer den lavest mulige afgangstemperatur for CO₂ ud af gaskøleren.

Tabel 5.1: DRY data for udetemperaturen i København

Det antages normalt, at komfortkøling anvendes ved temperaturer højere end 12 °C, hvilket forekommer 2723 timer om året.

Det er almindeligt at lægge den højest forekommende udelufttemperatur til grund for dimensionering og design af anlægget.  I så fald er den dimensionerende tilstand 32°C – i praksis vil de fleste acceptere en dimensionerende tilstand omkring 28°C under hensyn til de få timer, hvor temperaturen reelt er højere.

Til sammenligning af energiforbruget i forskellige designpunkter er vist 3 kredsprocesser (figur 5.12):

A:

Ved anvendelse af standard-design baseret med en luftkølet gaskøler og en dimensionerende udelufttemperatur 32°C og ΔT=8K ud af gaskøleren fremkommer grønne kredsproces.

Anvendes enten en lavere dimensionerende udelufttemperatur end 32°C eller en fuldt optimeret gaskøler med ΔT=3K kan processen angivet med rød opnås. Den røde kredsproces er sammenfaldende med den grønne kredsproces – bortset fra afgangstemperaturen. Ved faldende udetemperatur fremgår, at køleydelsen øges med faldende exit-temperatur fra gaskøleren, mens kompressorarbejdet kun øges i begrænset omfang. COP-værdien stiger derfor med faldende exit-temperatur.

B:

Den blå kurve viser kredsprocessen ved kondenserende drift ved lave udetemperaturer. Det fremgår, at kompressorarbejdet er langt lavere end for de to transkritiske kredsprocesser. Beregnet er kompressorarbejdet ca. det halve og COP er således dobbelt så høj. Det er således værd at fastslå, at det er optimalt i videst muligt omfang, at henlægge driften til det subkritiske område.

C:

Driftsmæssigt ligner den case A, blot med den forskel, at der indgå en ekstra varmeveksling med omgivelserne (tørkøler) og heraf følger højere exit-temperatur fra gaskøleren. Her er regnet med 8K temperaturdifferens på tørkøleren og 4K i selve den vandkølede gaskøler – i praksis er dog påvist mulighed for lav temperaturdifferens mellem 2K og 3K mellem vand og CO₂.

Figur 5.12: Kredsproces (i designpunkt) for case A, B og C.

Der er i projektet udviklet et optimeret gaskølerdesign som muliggør udnyttelse af luft maksimale afkølingspotentiale, hvor lavest mulige afgangstemperaturer ud af gaskøleren, ved udetemperaturer højere end 12-15°C, giver den optimale COP.

Det er værd at bemærke, at man med dette design kan opnå bedre årsmiddel COP (COSP^[9], vægtet for alle året driftstimer) for CO₂-chilleren sammenlignet med R134a (”Optimeret chiller”, blå kurve på figur 5.13).

Figur 5.13: COP’s afhængighed af udelufttemperatur for forskellige design af CO₂-chilleren

Fodnoter

^[8] Design Reference Year

^[9] Coefficient of Seasonal Performance

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Januar 2007, © Miljøstyrelsen.