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

CO₂ som kølemiddel i varmepumper

3. Projektets gennemførelse

3.1 Kravspecifikationer

I det følgende beskrives de kravspecifikationer, der har ligget til grund for undersøgelse/udvælgelse af de enkelte komponenter. Kravspecifikationen er opdelt på de enkelte hovedområder, der menes at have størst betydning, når anvendelse af CO₂ som kølemiddel kommer på tale.

Der kan opstilles følgende overordnede krav til en brugsvandsvarmepumpe, der indeholder CO₂:

Disse krav menes alle at kunne opfyldes, såfremt der tages højde for nogle vigtige forhold. Disse forhold forsøges beskrevet i følgende afsnit.

I bilag C ses en nærmere beskrivelse af de opstillede kravspecifikationer.

3.1.1 Generelle krav

Ved produktion af varmt brugsvand findes der to generelle metoder til at udføre denne opgave:

Ses på den førstnævnte metode er varmepumpens effekt altså tilstrækkelig til at opvarme det kolde brugsvand i ønsket mængde til den ønskede temperatur. Herved kan der i princippet spares udgifterne til en beholder, men det kræver en meget stor effekt (>30kW), hvilket ikke er at foretrække set ud fra et teknisk og økonomisk synspunkt. Den sidstnævnte metode er den, der normalt anvendes i brugsvandsvarmepumper og også den metode, der vil blive behandlet i nærværende rapport.

Der findes i dag en række danske og europæiske normer, der beskriver produktion af varmt brugsvand. Disse er naturligvis nødvendige at kende til, inden der tages hul på det egentlige udviklingsarbejde. I bilag B findes en nærmere beskrivelse af disse krav, men her skal fremhæves et par enkelte væsentlige punkter ifølge DS 439.3:

Netop det sidstnævnte forhold er yderst interessant set i lyset af CO₂’s egenskaber. Ved høje fremløbstemperaturer vil anlæg indeholdende HFC-kølemiddel få et betragteligt fald i effektiviteten. Dette fald i effektiviteten er ikke nær så udpræget, når der anvendes CO₂. Dette forhold har også en anden umiddelbar fordel:

Der har den seneste tid været en del presseomtale af den frygtede legionella bakterie, som kan resultere i en, for udsatte personer, dødelig infektion. Ved anvendelse af CO₂ som kølemiddel vil det være muligt at tilintetgøre denne bakterie på en energieffektiv måde. Som det ses i afsnittet "Resultater af beregninger", kan man for CO₂ forvente en forbedring af varmepumpens effektivitet på 48-54% ved fremløbstemperaturer på 65°C, sammenlignet med R134a. Og netop de 65°C skulle være tilstrækkeligt til at fjerne risikoen for legionella.

3.1.2 Myndighedskrav

Der findes en række yderligere krav til apparater af denne type, som skal overholdes. I det følgende gennemgås en række af de myndighedskrav, der er gældende på området.

Da produktet skal kunne CE mærkes, skal det opfylde kravene hørende under Maskindirektivet, Trykbeholderdirektivet og Lavspændingsdirektivet.

Maskindirektivet er indført i dansk lovgivning ved AT bekendtgørelse nr. 561 af 24. juni 1994:Bekendtgørelse om indretning af tekniske hjælpemidler (Maskindirektivet).

Denne er ændret ved AT bekendtgørelse nr. 669 af 7. august 1995 og nr. 831 af 27. november 1998.

I Maskindirektivet er de overordnede krav til sikkerhed beskrevet samt dokumentationsgrundlaget for CE-mærkning. Konstruktionens udførelse er beskrevet i trykbeholderdirektivet samt Lavspændingsdirektivet.

Trykbeholderdirektivet er implementeret i dansk lovgivning ved bekendtgørelse nr. 743 af 23. september 1999, Bekendtgørelse om indretning af trykbærende udstyr.

I Trykbeholderdirektivet er kravene til konstruktion og fremstilling af det trykbærende anlæg beskrevet. Konstruktionen skal opfylde "De væsentlige sikkerhedskrav" i dette direktiv. For at kunne CE mærke produktet skal kontrol, kvalitets- og dokumentationskrav beskrevet i dette direktiv opfyldes.

Lavspændingsdirektivet er dansk lovgivning og beskrevet i AT-Bekendtgørelse nr. 797 af 30. august 1994: Bekendtgørelse om ikrafttræden af EF-direktiv om tilnærmelse af medlemsstaternes lovgivning om elektrisk materiel bestemt til anvendelse inden for visse spændingsgrænser, som ændret ved EF-direktiv om ændring af bl.a. EF-direktiv om elektrisk materiel bestemt til anvendelse inden for visse spændingsgrænser.

Varmepumper skal opfylde følgende standarder indenfor det køletekniske område.

DS/EN 378-del 1 til 4 :2000:

Kølesystemer og varmepumper - Sikkerheds- og miljøkrav.

DS/EN 60335-2-40: 1998 :

Sikkerhed af elektriske apparater til husholdningsbrug o.l. Del 2: Særlige bestemmelser for elektriske varmepumper, luftkonditioneringsapparater og luftaffugtere.

3.1.3 CO₂ som kølemiddel

CO₂ er et gammelt kølemiddel, der har være anvendt siden ca. år 1900. Kølemidlet blev i 30’erne og 40’erne udkonkurreret af CFC’erne, der fungerede mere effektivt og ved meget lavere tryk.

CO₂ har følgende egenskaber som kølemiddel:

3.1.4 Kredsprocessen med CO₂

Anvendes CO₂ som kølemiddel i køleanlæg eller varmepumper, vil processen være væsentlig forskellig afhængigt af temperaturen på kondensatorsiden. Ved lav temperatur af det medie, der skal køle kondensatoren, vil processen forløbe som for andre kølemidler (Carnot-proces). Imidlertid vil processen ved højere temperaturer forløbe lidt anderledes, da CO₂ ikke kan kondensere ved temperaturer over 31°C. Dette betyder ikke, at processen ikke kan levere køling eller varme, men blot at systemet skal designes efter den anderledes kredsproces (Lorentz-proces). Kondensatoren anvendes nu ikke længere til at kondensere kølemidlet, men til at køle den transkritiske fluid – og benævnes derfor ofte som "gaskøleren".

Figur 1:
Kredsprocesser for R134a og CO₂

På figur 1 ses den transkritiske kredsproces sammenlignet med den konventionelle kredsproces med R134a indtegnet i et log(p), h-diagram (tryk- enthalpi diagram).

På figuren er indtegnet de to isothermer (40°C) for hhv. R134a og CO₂. Begge processer arbejder ved en fordampertempertur på –10°C og op mod en udetemperatur/ eller vandtempearur på ca. 40°C.

Som det ses, arbejder kredsprocessen med CO₂ ved langt højere tryk end R134a. Dette betyder, at rørsystemer, beholdere og komponenter skal designes til dette. Endvidere ses, at ekspansionsventilen har transkritisk fluid på tilgangen mod normalt væske (R134a). Dette betyder, at væskedannelsen for den transkritiske proces sker i ventilen under ekspansionen gennem dysen, hvilket normalt ikke er noget problem. Skematisk ser rørdiagrammet for en varmepumpeproces (eller køleproces) med CO₂ ud som traditionelt.

Figur 2:
Simpelt varmepumpesystem

Anlægget er opbygget med en kompressor, fordamper, kondensator (gaskøler) og en ventil. Anlægget indeholder således de samme komponenter som traditionelle systemer, hvor man dog er nødt til at modificere anlægget på visse punkter for at få det til at fungere i praksis (herom senere).

For at analysere processsen for varmepumpen bedre tegnes processen i et temperatur/ entropi-diagram (T,S-diagram).

Figur 3:
Simpel CO₂-proces tegnes i T-S – diagram, hvor T_e=5°C

I diagrammet er kompressionen tegnet isentropisk (ideel) og drøvlingen gennem ekspansionsventilen er isenthalpisk. Endvidere er tryktab i rørstrækninger og varmevekslere ikke medregnet.

Processen tegnet i figur 3 viser, hvorledes varmepumpen forventes at køre. Fordampertemperaturen vil ligge omkring 5°C (-10 – 15°C), mens gastemperaturen (CO₂) ud af gaskøleren vil ligge omkring 20°C (15-30°C). Afhængigt af hvilket tryk, der vælges i gaskøleren, kan kompressorens afgangstemperatur varieres (50-120°C). Højtrykkket styres vha. ekspansionsventilen, hvilket netop er muligt, da der ved overkritisk drift ikke er afhængighed mellem tryk og temperatur i gaskøleren. Disse tilstande kan således styres uafhængigt.

Processen fra punkt 2 til 3 sker i gaskøleren, hvor brugsvandet opvarmes. Som det ses, svarer temperaturglidet på kølemiddelsiden til temperaturglidet på vandsiden, hvilket netop kan udnyttes i en modstrømsvarmeveksler i en varmepumpe. Det er således muligt f.eks. at opvarme vandet fra ca. 10°C til 65°C ved en meget høj COP relativt til et R134a-system, hvor man skulle holde en kondenseringstemperatur oppe omkring 70°C. En så høj kondenseringstemperatur ville for et R134a anlæg medføre et markant fald i COP’en og det ville i praksis heller ikke være muligt.

3.1.5 Kølesystemet

Ved dimensionering af kølesystemer med CO₂ er der en række vigtige forhold, man skal være opmærksom på. De væsentligste problemstillinger ved dimensionering af transkritiske CO₂-systemer er følgende:

Med baggrund i disse erfaringer er et antal systemkoncepter blevet vurderet, hvor de mest interessante er simple systemer, hvor beholdere, der er til gene for olieretur, er undgået.

Det mest simple system, der kan opbygges er et system med lavtryksreceiver og én ekspansionsventil.

Figur 4:
Simpel CO₂-system med lavtryksreceiver

Som udgangspunkt er dette system meget attraktivt, da det er simpelt, og kun indeholder én ventil. Kompressoren er samtidig sikret mod væskeslag pga. lavtryksreceiveren placering. Ventilen regulerer efter et ønsket højt tryk foran ventilen, således at kapacitet og COP kan kontrolleres.

Imidlertid viser der sig praktiske problemer med at retunere olien fra lavtryksreceiveren til kompressoren. Dette betyder, at receiveren skal placeres anderledes, f.eks. som traditionelt på højtrykssiden. Endvidere viser det sig, at en intern varmeveksler er interessant i forbindelse med optimering af kapacitet og COP.

Figur 5:
Simpel CO₂-system med højtryksreceiver

Systemet på figur 5 indeholder to ventiler, da en traditionel termostatisk ekspansionsventil nu skal sikre overhedning efter fordamperen, således at der undgås væskeslag i kompressoren. Ved underkritisk drift, hvor anlægget arbejder som en konventionel varmepumpe, er højtryksventilen (ventilen efter kondensatoren/ gaskøleren) fuldt åben og receiveren og det resterende anlæg fungerer på traditionel vis. Arbejder anlægget overkritisk, hvilket vil være det typiske som varmepumpe, vil højtryksventilen sikre en drøvling af den transkritiske fluid fra det høje tryk til et tryk i to-fase området. Imidlertid vurderes det dog, at der kan opstå "kommunikationsproblemer" mellem drøvleventilen (højtryk) og ekspansionsventilen. Der kan opstå kølemiddelmangel til ekspansionsventilen, hvis drøvleventilen lukker og termoventilen åbner. De to ventilers ydelse vil sikkert ikke være identiske. Endvidere vil det ikke være muligt at undgå flashgas i væskeledningen før ekspansionsventilen.

Et andet problem med systemet skitseret på figur 5 er, at placeringen af receiveren på højtrykssiden vil forstærke kølemiddel-svingningerne i anlægget. Ved overkritisk drift (100 bar/ 35°C) vil der stå en stor kølemiddelmængde på højtrykssiden som overkritisk fluid. Ved skift til lavere temperaturer, hvor anlægget kører underkritisk skal en stor mængde af fyldningen overgå på væskeform og opbevares. Dette kræver en meget stor receiver for ikke at "stukke" væske op i receiveren.

Med baggrund i ovenstående er systemet vist på figur 6 valgt som udgangspunkt. Konceptet vurderes at indeholde nogle fordele fremfor de øvrige.

1. receiveren sidder placeret ved mellemtryk
2. receiveren mellem de to ventiler giver den frihedsgrad der gør det muligt at regulere de to ventiler uafhængigt

Receiveren kan på trods af ovenstående kommentarer muligvis udelades, men dette skal undersøges ved forsøg.

Figur 6:
Simpel CO₂-system med mellemtryksreceiver (endeligt system)

3.2 Komponenter

I det følgende beskrives de komponenter, der anses for anvendelige i øjeblikket i varmepumper indeholdende CO₂. Der vil desuden mere generelt blive berørt komponenter, der er anvendelige i anlæg, der anvendes til køleformål.

Der lægges i beskrivelsen vægt på en række internationale projekter omhandlende CO₂. Disse projekter blev præsenteret på en konference om naturlige kølemidler (4^th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids i Purdue University, Indiana, USA – juli 2000). Endvidere foregår der i øjeblikket et internationalt samarbejde under IEA, Annex 27, hvor der arbejdes med systemer og komponenter til CO₂.

F&U aktiviteterne omkring kompressorer til transkritiske CO₂-systemer foregår primært i Japan, USA og Europa. Under IEA (Det Internationale Energi Agentur) forløber i øjeblikket et samarbejde omkring anvendelsen af CO₂ i transkritiske systemer.

For at hæve systemets energieffektivitet er det vigtigt at optimere systemet og dets komponenter. Mht. til hovedkomponenterne i CO₂ systemer, er kompressoren den vigtigste komponent, og adskillige kompressortyper er i øjeblikket ved at blive testet til forskellige anvendelser. Status på systemevalueringen vedrørende driftssikkerhed og fremstillingsomkostninger er, på nær nogle få producenter, stort set på begyndelsesstadiet.

3.2.1 Kompressorer

Der arbejdes i øjeblikket meget med udviklingen af kompressorer til CO₂, blandt andet til større køleanlæg, men det går især stærkt indenfor aircondition til biler, samt til små airconditionanlæg og varmepumpeanlæg.

De hidtidige F&U aktiviteter kan henføres til følgende anvendelser, systemer og kompressortyper:

3.2.1.1 Mobil aircondition

HFC-134a bliver i øjeblikket brugt til mobile airconditionanlæg overalt i verden. Det er velkendt, at CO₂ som kølemiddel har 7 gange højere kompressorafgangstryk sammenlignet med HFC-134a systemer og kræver et modstandsdygtigt design.

Mht. CO₂ som kølemiddel er det største problem, der skal løses, den teoretiske energieffektivitet, som tilsyneladende er dårligere end den for HFC-134a. Det er nødvendigt at løse problemerne vedrørende effektivitet, kvalitet, ustabilitet og omkostninger for at kunne blive et potentielt alternativ til erstatning for HFC-134a i airconditionanlæg. Systemet bag mobile airconditionanlæg er typisk et direkte ekspansionssystem. Og kompressoren bag mobile airconditionanlæg er en åben kompressor.

For de mobile airconditionanlæg er flere fabrikanter på banen. DENSO (tabel 1), ZEXEL (tabel 1) og Mitsubishi Heavy Industries (tabel 1) er i gang med at udvikle mobile airconditionanlæg, der bruger CO₂ som kølemiddel. Bock har udviklet en åben stempel kompressor til AC-anlæg i busser. Kompressorerne er alle åbne typer, da de bliver trukket direkte af bilens motor.

Tabel 1:
Kompressorer til mobile airconditionanlæg

CFC-12, HCFC-22 og HFC-134a er næsten altid blevet anvendt i brugsvandsvarmepumper. Mht. brugsvandsvarmepumper er CO₂ som kølemiddel lovende pga. den transkritiske CO₂ -proces. Det største problem, der skal løses, er at udvikle hermetiske kompressorer til CO₂, som opererer under højt tryk, sammenlignet med trykkene for R22 og R134a. Systemet bag brugsvandsvarmepumper er typisk et direkte ekspansionssystem.

Til varmepumper har SANYO udviklet en hermetisk roterende kompressor med CO₂ som kølemiddel og er i gang med at udvikle en brugsvandsvarmepumpe, der bruger CO₂ som kølemiddel. SANYO’s kompressor har en kuldeydelse på minimum 750 W og kompressoren kan omdrejningsreguleres i området 20 til 120 Hz, hvilket betyder, at ydelsen kan tilpasses til det aktuelle behov. Den isentropiske virkningsgrad for denne kompressor ligger over 70% og dette må siges at være på niveau med de hermetiske kompressorer, som er tilgængelige på markedet, og som leveres til traditionelle kølemidler. Ved test af denne kompressor i forbindelse med en varmepumpe ved en lufttemperaturen til fordamperen på 7°C og med fremløbstemperaturer varierende fra fra 60°C til 90°C, er der opnået effektfaktorer for denne varmepumpe fra 2,8 til 3,8. Sammenlignet med traditionelle varmepumper er dette høje værdier for disse driftsforhold.

Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI) i Japan har udført de grundlæggende undersøgelser til at evaluere anvendelsen af CO₂ som kølemiddel. TEPCO, DENSO og CRIEPI er i gang med at udvikle en brugsvandsvarmepumpe, som bruger CO₂ som kølemiddel.

Endvidere arbejder DAIKIN og Matsushita (Panasonic) med en hermetisk to-trins scroll kompressor primært til små AC-units.

Dorin i Italien har i en årrække arbejdet med større semihermetiske kompressor, men vil i 2001 udvikle 2 nye mindre kompressor-serier af hermetiske typer.

Tabel 2:
Kompressorer til varmepumper og airconditionanlæg

3.2.1.3 Store systemer

Til større anlæg er det primært R410A, R407c og R404A, der anvendes til varmepumper og køleanlæg.

MAYEKAWA (MYCOM) har udviklet et airconditionanlæg til CO₂. Kompressoren er en skruekompressor, der er designet til 100 bar. Anlæggene er store, med kuldeydelser over 100 kW.

Bitzer arbejder også med kompressorer (både skrue og stempel) til CO₂, men primært ved lavtemperatur, hvor trykkene ikke overstiger ca. 40 bar. På laboratorieniveau arbejder Bitzer med en stempel kompressor til transkritiske processer.

Dorin har gennem de seneste 3 år leveret semihermetiske kompressorer primært til forsøg ved universiteter og institutter. Kompressorerne er efterhånden gennemprøvet og vil i den nære fremtid kunne leveres på almindelige kommercielle vilkår. Kompressorernes ydelse ligger fra ca. 4-30 kW.

Endvidere kan York i Danmark levere 40 bars kompressorer fra ydelser omkring 100 kW.

Til brugsvands varmepumper vurderes det, at kompressorer fra SANYO eller Dorin vil være de mest attraktive, da disse kompressorer er velafprøvede og tæt på kommercialisering.

På Teknologisk Institut er der blandet andet kørt langvarige test med kompressorer fra Dorin.

3.2.2 Ventil

Højtryksventilen og ekspansionsventilens funktion er at opretholde den korrekte trykdifferens mellem fordampningstrykket og kondenseringstrykket. Dette er af meget stor vigtighed da valget af kondenseringstryk har direkte indflydelse på varmepumpens effektivitet.

Som ekspansionsventil benyttes der i dag både elektronisk styrede og selvvirkende (termostatisk) ventiler. Opgaven for denne ventil er primært at opretholde en overhedningen af gassen ved afgangen fra fordamperen. Flere forskellige leverandører kan levere disse ventiler.

Højtryksventilen vil være en elektronisk styret ventil, hvor den optimale styringsfunktionen er programmeret ind i en regulator. Ventilen vil være en proportionalventil enten med motor eller kontinuert magnet som aktuator. Status for ventiler til CO₂ er, at de stadig er på prototypestadiet, men der forventes inden for nærmeste fremtid én måske to modeller på markedet.

3.2.3 Varmevekslere

Under IEAīs Heat Pump Programīs Annex 27, "Selected Issueus on CO₂ as Working Fluid in Compression Systems" kører der en række projekter som omhandler emnet varmeveksling jf. Artikel 1.

Normalt benyttes kobberrør eller aluminiumsrør dækket med finner som varmevekslere ved veksling med luft. På grund af det højere driftstryk, kræver varmevekslerne til CO₂, at der benyttes mindre rørdiametre og tykkere rørvægge. Derfor eksperimenterer man i øjeblikket med de såkaldte microkanalvarmevekslere med specielt designede tilslutninger, som kan modstå det høje tryk, men der findes intet kommercielt tilgængeligt materiale på nuværende tidspunkt, som kan benyttes til opstilling af beregningsmodeller. I øjeblikket udføres tests med runde rør samt ovale rør og korrelationer til udregning af varmetransmissionen er udviklet jf. Artikel 3; artikel 4. Derfor er der i øjeblikket en del erfaring, som kan bruges ved udviklingen af forskellige varmeveksler løsninger.

Generelt kan det siges at varmeovergangstallene med CO₂ for hhv. fordampning/ kondensering eller gaskøling ligger ca. 50% højere end for HFC-kølemidlerne.

Kondensatoren, som ønskes benyttet til brugsvandsvarmepumper skal udføre en varmeveksling mod vand. Traditionelt ville man benytte en koaksial- eller en pladevarmeveksler til dette formål, men da kondensatoren ved brugen af CO₂ skal operere transkritisk, er det på nuværende tidspunkt kun muligt at fremskaffe koaksialvekslere, som er egnede.

Af mulige leverandører kan nævnes ECO eller Hydroaluminium.

Fordamperen skal udføre en varmeveksling mod luften. Det ville være meget oplagt at benytte en fordamper opbygget af microkanaler med tynde aluminiumsstrimler påklistret som finner. Men da der endnu ikke er tilgængeligt materiale på dette område, og denne type veksler stadig kun forefindes til laboratorietests, vil det foreløbig ikke være muligt at benytte denne nye type veksler kommercielt. Derfor kan fordamperen opbygges som en traditionel fordamper med rør påmonteret finner, dog skal rørtykkelsen ændres således at fordamperen kan klare det høje tryk som er krævet for CO₂. Trykket i fordamperen kan komme op på mindst 70 bar.

Af mulige leverandører kan nævnes ECO (se tabel 3).

Tabel 3:
Varmeveksler – typer og fabrikanter

3.2.4 Beholdere til brugsvand

Ved udvælgelse af varmtvands beholder til varmepumper, der indeholder CO₂ skal der først træffes beslutning om, hvorvidt der ønskes direkte eller indirekte varmeveksling i beholderen. Ved direkte varmeveksling forstås, at kølemidlet cirkulerer i enten rør eller kappe i eller uden på beholderen. Ved indirekte forstås, at varmevekslingen mellem kølemiddel og varmt vand er forbundet via en mellemkreds (typisk indeholdende vand).

Mange af de på markedet forekomne varmepumper er udstyret med beholdere, hvor der på ydersiden er monteret en række rør, som indeholder kølemiddel (kølesystemets kondensator). Herved fjernes risikoen for at kølemidlet kan trænge ind i brugsvandet.

Ved anvendelse af CO₂ vil en indirekte varmeoverføring mellem kølesystem og brugsvand være at fortrække, da der ikke umiddelbart findes beholdere på markedet, der kan tilgodese de krav til tryk, der er gældende med dette kølemiddel. Desuden vil den indirekte varmeoverføring nedsætte fyldningen (mængden af kølemiddel), men til gengæld resultere i en dårligere nyttevirkning, da enhver varmeveksling indebærer et tab.

Der findes i dag et utal af beholdertyper på markedet. Prøvestationen for Solvarmeanlæg udgiver en oversigt over de beholdere, der i Danmark er godkendt til solvarmeanlæg. Denne oversigt kan findes på følgende web-adresse: http://www.solenergi.dk/center/oversigt/index.htm.

Netop beholdere til solvarme er interessante i denne forbindelse. Dette skyldes, at der i solvarmeanlæg ønskes en så stor temperaturforskel mellem frem og retur som muligt. Netop det samme er tilfældet med varmepumper, der indeholder CO₂. Derfor er der inden for solvarmebeholderne rig mulighed for at finde en type, der passer til netop det anlæg, man ønsker at producere (passer med hensyn til ydelse, størrelse etc.).

En anden lignende mulighed er fjernvarmebeholdere, der ligesom solvarmebeholderne mere og mere går efter den store temperaturforskel mellem frem og retur. Dette skyldes at fjernvarmeværkerne er interesseret i en så lav returtemperatur som muligt, for at sikre en høj nyttevirkning på deres værker.

Mere generelt kan det forgående beskrives ved at beholderen skal have en god lagdeling (stratificering).

3.2.5 Rørsystemet

I dag anvendes primært kobberrør i diverse installationer til køleanlæg/ varmepumper. Kobberrør vil også være velegnede til CO₂. De høje tryk med CO₂ kan dog være et problem for kobber.

Ved dimensionering af rørsystemet skal man være opmærksom på grænserne for volumener og indvendig rørdiameter, som er fastsat i trykbeholder bekendtgørelsen og de beskrevne P x V grænser, skal overholdes. Dette er beskrevet i Arbejdstilsynets bekendtgørelse nr. 743.

Benyttes kobber SF-Cu F20 DIN 1767, fremkommer følgende resultater:

Tabel 3:
Designtryk for kobberrør (¹ Beregningsgrundlag: ANSI B 16.22 – 1989)

De fleste CO₂ anlæg til transkritiske varmepumper vil have designtryk på ca. 140 bar, hvilket gør det vanskeligt at anvende almindelige kobberrør med standard godstykkelser. Endvidere kan der ved tilstedeværelse af vand i anlægget dannes kulsyre (CO₂ + H₂O ® H₂CO₃ (kulsyre)). Kulsyre er en svag syre, der kan være korroderende over for kobber. Imidlertid har det desværre ikke være muligt hverken at af- eller bekræfte ovenstående. Samtidig kan det nævnes, at der ikke må være vand i køleanlægget, og hvis det endelig findes pga. diffusion, vil det kun være i meget små mængder og sandsynligvis være optaget i esterolien, som er meget hygroskopisk eller være optaget i tørrefilteret.

I figur 7 er vist dimensioner for hhv. sugerør og væskerør for køleanlæg. Ydelsen (kulde) er 3 kW, tryktab i suge- / væskerør er sat til hhv. 1 og 0,5K, længde af suge- og væskerør er 20 m.

Figur 7:
Rørdimensioner for væske- og sugerør

3.3 Styringsstrategi

Ved overkritisk drift findes der ikke i kondensatoren sammenhæng (afhængighed) mellem tryk og temperatur. Dette betyder, at systemet nu er blevet tilføjet endnu en frihedsgrad, således at det er muligt at styre trykket og temperaturen i gaskøleren uafhængigt.

Figur 8:
Ydelsens (Q₀/ Q_c) afhængighed af gastemperaturen ud af gaskøleren for fastholdt tryk

Figur 8 ovenfor viser hvorledes varmeydelsen (Q_c) drastisk forøges ved at temperaturen af CO₂’en ud af gaskøleren sænkes (større køling).

Kompressorens arbejde (W_k) er det samme. Under normale forhold kan temperaturen af CO₂’en ud af gaskøleren ikke vælges vilkårlig, den vil afhænge af konditionerne, hvorunder anlægget kører. Dette kan være lufttemperaturen ved køling af gaskøleren med luft eller vandtemperaturen ved køling af gaskøleren med vand (vandkølet gaskøler). Dette betyder, at man ikke kan styre temperaturen ud af gaskøleren, men at man i stedet kan vælge et tryk i gaskøleren, der er optimal for en ønsket drift (høj/ lav kapacitet) eller blot for givne konditioner at maksimere COP for anlægget.

Kapacitetsregulering kan på baggrund af ovenstående for et transkritisk CO₂-anlæg, udover de normale metoder, opnås ved at styre trykket i gaskøleren. For en given temperatur af CO₂ ud af gaskøleren (bestemt af ydre konditioner) er det således muligt at kapacitetsregulere anlægget indenfor meget vide grænser.

Princippet er vist på figur 9.

Figur 9:
Ydelsens (Q₀) afhængighed af trykket i gaskøleren for fastholdt gastemperatur

Det antages at CO₂’ens temperatur ud af gaskøleren er bestemt af de ydre konditioner og ligger på 35°C. Som det ses, er det muligt at forøge anlæggets kapacitet væsentligt blot ved at hæve trykket i gaskøleren en smule. Omvendt er det også muligt er reduceret kapaciteten, hvis dette er ønsket, hvorved der samtidig opnås en energibesparelse på kompressoren. Dette aspekt er meget vigtigt i forståelsen af mulighederne i den transkritiske CO₂-proces.

Der vil således ofte ikke være behov for traditionelle metoder til kapacitetsregulering (hotgas eller bypass), men det vil stadig være en fordel energimæssigt at kunne kapacitetsregulere systemet ved at styre kompressorens omdrejninger. I denne situation vil det være oplagt at styre efter den maksimale COP af processen. Det er nemlig således, at der netop findes et optimalt tryk mht. COP for en given afgangstemperatur fra gaskøleren.

Figur 10 viser det optimale valg af trykket i gaskøleren afhængigt af gassens temperatur ud af gaskøleren. 

Figur 10:
Tryk i gaskøleren for optimal COP afhængig af fordampertemperaturen og gastemperaturen ud af gaskøleren (T_g,2)

Som det ses af figur 10 afhænger det optimale højtryk både af gastemperaturen ud af gaskøleren, men også af fordampertemperaturen. Endvidere vil det optimale tryk afhænge af:

Betydningen af disse elementer er ikke undersøgt endnu, men det vurderes, at disse ting ikke vil ændre billedet markant.

På baggrund af en analyse, kan det optimale højtryk nu findes som funktion af varierende fordampertemperaturer (T_e) og temperaturer ud af gaskøleren (T_g,2). Den isentropiske kompressorvirkningsgrad er holdt konstant på 0,6 mens effektiviteten for den interne varmeveksler er fastholdt på 0,5.

Figur 11:
Tryk i gaskøleren for optimal COP afhængig af Ydelses (Q₀) afhængighed af gastemperaturen ud af gaskøleren

Det er således lykkedes at generere et meget simpelt udtryk, som angiver det optimale højtryk (for optimal COP) på baggrund af T_e og T_g,2.

P_g,2 (optimal) = 0,7244 -0.275 * T_e + 2.275 * T_g,2

På figur 12 ses følsomheden for korrekt valgt højtryk. Som det ses kan det være dyrt at "skyde under" det optimale tryk, da COP her falder kraftigt. Imidlertid er kurverne relative flade ved højere tryk.

Figur 12:
Følsomhed for korrekt valg tryk i gaskøleren for optimal COP

3.4 Beregninger på anlæg indeholdende CO₂

Der er i projektet udarbejdet et simuleringsprogram til bestemmelse af køletekniske nøgledata for varmepumper indeholdende CO₂. Der er desuden udarbejdet en statisk model for varmtvandsbeholdere, men denne vil ikke blive beskrevet nærmere her.

Det udarbejdede simuleringsprogram består af to hoveddele, én for CO₂ og én for R134a. Det er med programmet muligt at sammenligne nøgledata for anlæg indeholdende disse to kølemidler

3.4.1 Simuleringsprogrammets opbygning

Simuleringsprogrammet er opbygget i programmet Engineering Equation Solver (EES)

Dette program er en ligningsløser, der kan løse et vilkårligt antal ligninger med tilsvarende antal ubekendte. Det udviklede simuleringsprogram er rå EES-kode, som kræver at brugeren har EES installeret på sin egen computer.

Der er udviklet to versioner af simuleringsprogrammet, en med CO2 som kølemiddel og en med R134a som kølemiddel. De to programmers hovedopbygning er identisk af hensyn til overskueligheden i programmerne og for at der skal være sammenlignelighed mellem beregningerne i de to versioner. Der er ud fra disse to programmer udarbejdet to eksekverbare filer, der kan køres, uden at brugeren er i besiddelse af programmet EES.

Programmerne er opbygget af en række "delmodeller", som derefter er koblet sammen til en komplet kredsprocesmodel. Mellem de enkelte "delmodeller" beregnes tilstanden af kølemidlet i et antal state points (State points er nøglepunkter i kredsprocessen, hvor kølemidlets tilstand er kendt). Hvis to tilstandsstørrelser for kølemidlet er kendt i et state point kan alle andre tilstandsstørrelser i det samme punkt bestemmes udfra de to kendte størrelser.

De enkelte delmodeller er:

Kompressormodel bestående af:
	Kompressorspecifikke karakteristika
	Kompressorligninger
Gaskøler / Kondensatormodel bestående af:
	Vandside
	Kølemiddelside
	Vandkreds
Intern varmeveksler model bestående af:
	Væskeside med tilgang og afgang
	Sugegasside med tilgang og afgang
Fordampermodel bestående af:
	Kølemiddelside
	Luftside
	Fugtberegning

Modellerne er "koblet" sammen i følgende state points:

Figur 13:
state points for model

På figur 13 refererer de viste state points til følgende punkter i systemet:

1. Kompressorens sugeside
2. Kompressorens trykside
3. Kondensatorens afgangsside
4. Væskeafgangen ved den interne varmeveksler
5. Fordamperens tilgang (efter drøvleorgan)
6. Fordamperens afgang
7. Gasafgangen ved den interne varmeveksler

3.4.2 Programmets interface

Programmets interface er det såkaldte diagramvindue.

I dette vindue kan indtastes forskellige driftsparametre.

De vigtigste parametre er:

	Returløbstemperaturen til varmepumpen
	Vandflowet ind i varmepumpen
	Udeluftens temperatur
	Luftfugtighede af udeluften
	Procentdel af fuld kompressorlast
	Nominel volumenstrøm af luft over fordamperen
	Procentdel af fuld blæserlast på fordamperen

I vinduet vises resultatet af hver beregning. Der vises bl.a. temperaturer udvalgte steder i varmepumpen, fremløbstemperatur i vandkredsen, varmepumpens ydelse samt dens COP.

3.4.3 Beskrivelse af delmodellerne

De enkelte delmodeller er i flere tilfælde opbygget udfra kendte data for de anvendte komponenter.

Hvis en komponent i varmepumpen udskiftes skal de pågældende delmodeller derfor også modelleres igen.

Kompressormodellen tager udgangspunkt i kompressorens ønskede ydelser, der er altså ikke tale om data fra aktuelle kompressorer. Der er dog i R134a modellens kompressordel skelet til data for en Danfoss SC18G twin kompressor med en ydelse, der ligger tæt på den ønskede ydelse for en brugsvands varmepumpe.

Den volumetriske og den isentropiske virkningsgrad for kompressoren er sammen med oplysninger om kompressorens geometri rygraden i kompressormodellen i simuleringsprogrammet.

Det er disse værdier, der bestemmer faktorer såsom cirkuleret mængde kølemiddel, trykgastemperatur og optagen effekt.

Ved kendt sugetilstand af kølemidlet kan tilstanden ved trykstudsen beregnes udfra den isentropiske og volumetriske virkningsgrad af kompressoren. Kondenseringstrykket beregnes i kondensatormodellen for R134a modellens vedkommende. For CO₂ modellens vedkommende kondenseres kølemidlet ikke. Derimod vælges et højt tryk manuelt. Dette svarer til virkelighedens verden, hvor der ikke er nogen fast sammenhæng mellem tryk og temperatur for CO₂ i en transkritisk tilstand. Der er derimod en sammenhæng mellem tryk, temperatur og maksimal ydelse/COP for varmepumpen, jfr. kapitel 3.3 "Styringsstrategi", men denne sammenhæng er ikke indbygget i simuleringsprogrammet.

Kondensatormodellen er modelleret på basis af en TAU pladevarmeveksler type PHE M25 med 24 plader for R134a modellens vedkommende.

Modellen er delt op i en kølemiddelside, en vandside, samt den eksterne vandkreds.

Modellen beregner kondenseringstemperaturen og dermed også kondenseringstrykket vha. NTU-metoden (Number of Transfer Units). Kondenseringstrykket giver sammen med trykgastemperaturen fra kompressormodellen tilstanden af kølemidlet i state point 2 (kompressorens afgang), og dermed kendes alle tilstandsstørrelser i dette punkt.

I vandkredsen beregnes afgivet effekt samt fremløbstemperaturen af vandet.

Ved hjælp af en manuelt indtastet underkøling beregnes kølemidlets temperatur ved afgangen af kondensatoren. Da trykket er kendt, kendes dermed også alle andre tilstandsstørrelser i State point 3.

Gaskøler (CO₂-modellen)

Gaskøleren er modelleret udfra oplysninger om en koaksial kondensator type Wieland WKK-4.

Gaskølerens UA-værdi er beregnet udfra de foreliggende oplysninger, og denne UA-værdi er benyttet i simuleringsprogrammet. Der er valgt denne type varmeveksler, da det er den eneste type der kan holde til de meget store tryk der opstår på højtrykssiden af kompressoren. Bortset fra det manuelt indtastede tryk i gaskøleren er princippet for opbygningen af gaskølermodellen identisk med modellen af kondensatoren.

Den interne varmeveksler er opbygget i to dele, en væskeside og en gasside. Veksleren er modelleret udfra en "termisk" virkningsgrad. Denne virkningsgrad er ret lav i varmevekslere af tube-in-tube typen, som der i den modellerede varmepumpe er tale om. Vekslerens funktion er dels at sikre underkøling af kølemidlet frem til ekspansionsventilen, dels at sikre at al kølemiddel er fordampet ved indsugningen til kompressoren. Den termiske virkningsgrad er den eneste variabel, det manuelt kan ændres i denne komponent. Højere værdier af virkningsgraden forøger underkøling af væske og overhedning af sugegassen.

Den interne varmeveksler beregner temperatur og tryk af væske efter veksleren samt temperatur og tryk af sugegassen efter veksleren. Dette gøres udfra oplysninger om temperatur og tryk af væske og sugegas før veksleren.

Vekslermodellen returnerer således tilstanden af kølemidlet i state point 4 og 7 (og dermed også i state point 1, som er identisk med state point 7.)

Fordampermodellen er opbygget på grundlag af beregninger på en 3T fordamper med en nominel fordamperydelse på 5 kW.

Modellen er delt op i en kølemiddelside og en luftside. Luftsiden indeholder oplysninger om blæserkapacitet samt lufttemperatur og luftfugtighed. Denne del beregner den udkondenserede mængde vand på fordamperen og kan dermed bruges til at forudsige behovet for afrimning i forskellige driftstilstande.

Kølemiddelsiden beregner fordampningstemperaturen og fordampningstrykket samt lufttemperaturen ud af fordamperen. Der er mulighed for manuelt at indtaste en ønsket overhedning af sugegassen ud af fordamperen. Hvis den ønskede overhedning resulterer i en afgangstemperatur fra fordamperen, der er højere end omgivelsestemperaturen reagerer modellen ved at sænke fordampningstemperaturen, så termodynamikkens 2. hovedsætning ikke overtrædes.

Med afgangstemperaturen og fordampningstrykket kendes også alle andre tilstandsstørrelser af kølemidlet i state point 6.

3.4.4 Resultater af beregninger

I det følgende vises resultaterne af beregninger gennemført vha. det statiske simuleringsprogram.

Figur 14 - 16: Se her!
Sammenligning af R134a og CO₂ i brugsvandsvarmepumpe (1)

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