CO2 som kølemiddel i varmepumper
Sammenfattende artikel
CO2 som kølemiddel i varmepumperManchet:
I forbindelse med Miljøstyrelsens plan for udfasning af kraftige drivhusgasser, herunder HFC-kølemidlerne, søger køle- og varmepumpebranchen i øjeblikket alternativer til de kølemidler, man i dag anvender. Et af de kølemidler, der i fremtiden forventes at kunne erstatte HFC’erne, er CO2 (R744). CO2 har dog helt anderledes egenskaber end de kølemidler, man i dag anvender. I projektet er der ved beregninger vist, at det er muligt at opnå forbedringer i effektiviteten på op mod 50% for brugsvandsvarmepumper indeholdende CO2 frem for det traditionelle kølemiddel R134a. Der er dog stadig en del arbejde, der skal gøres bl.a. omkring udvikling af komponenter til CO2.
Baggrund og formål:
Overordnet er målet med projektet at fremme udbredelsen af CO2 som substitution for de kraftige drivhusgasser HFC’er i køle- og varmepumpeanlæg og dermed reducere udledningen af potentielle drivhusgasser.
Specielt i indendørsopstillede anlæg såsom brugsvandsvarmepumper vil anvendelsen af CO2 som kølemiddel være en fremragende erstatning for de tidligere anvendte kølemidler, HCFC og HFC. Projektet vil opstille generelle systemkrav til anlæg med CO2 som kølemiddel, og fokus vil specielt være rettet mod varmepumper til opvarmning af varmt brugsvand. Desuden vil de systemkrav, der opstilles i projektet, være direkte anvendelige inden for tilsvarende anlæg, der anvendes til køleformål.
Undersøgelsen:
Det samlede projekt er opdelt i to hovedfaser, hvoraf første hovedfase er afrapporteret til Miljøstyrelsen. Første hovedfase indeholder følgende delelementer:
- Opstilling af kravspecifikationer
- Undersøgelse af komponenter
- Undersøgelse af styringsstrategi
- Rapportering og videnformidling
Hovedkonklusioner:
CO2 er et interessant alternativ til HFC-kølemidlerne, specielt i brugsvandsvarmepumper. Dog er der p.t. ikke noget større udvalg af komponenter, der er kommercielt tilgængelige på markedet til dette kølemiddel, således at fabrikanten kan gennemføre en traditionel produktudvikling. Det forventes, at der inden for meget kort tid (2-5 år) vil kunne ses en kraftig stigning i udvalget af kompressorer og ventiler til CO2. Indtil da vil meget af udviklingsarbejdet inden for dette område være koncentreret på universiteter og institutter, men allerede nu anbefales det køle- og varmepumpebranchen at igangsætte en egentlig produktudvikling af anlæg til CO2. Med de informationer, der er givet i nærværende rapport, vil det være muligt at kontakte leverandører af komponenter til CO2 med henblik på et egentligt samarbejde. Og det vurderes, at netop sådanne kontakter vil forcere udviklingen af komponenter til CO2. Dette begrundes med, at fabrikanterne normalt ikke vil udvikle og markedsføre komponenter, inden der er en efterspørgsel fra kunderne. Og netop her spiller branchen en vigtig rolle.
Projektresultater:
I Danmark er der installeret 15 - 20.000 brugsvandsvarmepumper. De seneste års udvikling i den danske energisektor har bevirket, at antallet af solgte brugsvandsvarmepumper er stagneret og ligger på ca. 600 stk. pr. år. En meget stor del af de dansk fremstillede brugsvandsvarmepumper eksporteres til lande inden for EU. Den samlede produktion i Danmark af brugsvandsvarmepumper udgør i dag ca. 3.000 stk. Det forventes, at antallet af dansk producerede brugsvandsvarmepumper når ca. 5.000 stk. om året i 2002.
Projektet er indledt med en beskrivelse af de krav, der er til anlæg indeholdende CO2, og en beskrivelse af de generelle krav til brugsvandsvarmepumper. Et af de forhold, der er vigtigst at være opmærksom på ved anvendelse af CO2 som kølemiddel, er systemtrykket. F.eks. vil man i fordamperen nå tryk på op mod 70 bar. På nedenstående figur ses kredsprocessen for henholdsvis CO2 og R134a optegnet i et log p,h-diagram:
Figur 1:
Kredsprocesser for R134a og CO2
Til undersøgelse af gevinsten ved anvendelse af CO2 som kølemiddel frem for R134a er der i projektet blevet udarbejdet et statisk simuleringsprogram. Med dette program er det umiddelbart muligt at foretage en sammenligning af energieffektiviteten for en varmepumpe med henholdsvis CO2 og R134a. Disse sammenligninger viser utvetydigt, at CO2 er et godt alternativ til HFC’erne i varmepumper og specielt i brugsvandsvarmepumper, hvor det store temperaturglid i gaskøleren kan udnyttes. Eksempelvis er der for en udelufttemperatur på 2°C og en fremløbstemperatur på vandet fra varmepumpen på 65°C for CO2 beregnet en forbedring i kølesystemets virkningsgrad (COP) på ca. 48% sammenlignet med R134a.
For varmepumper, der alene anvendes til rumopvarmning, er gevinsten en del mindre, men også her betragtes CO2 som et interessant alternativ til HFC-kølemidlerne. Beregningerne viser, at ved udelufttemperatur på 2°C og en fremløbstemperatur på vandet fra varmepumpen på 35°C fås for CO2 et fald i kølesystemets virkningsgrad (COP) på ca. 12% sammenlignet med R134a. Beregnes tilsvarende for en udelufttemperatur på 2°C og en fremløbstemperatur på vandet fra varmepumpen på 55°C fås for CO2 en forbedring i kølesystemets virkningsgrad (COP) på ca. 27% sammenlignet med R134a. Netop sidstnævnte driftstilstand er interessant ved rumopvarmning, da mange driftstimer i fyringssæsonen er ved disse forhold.
Der er i undersøgelsen af egnede komponenter til CO2 fokuseret en del på en netop afholdt konference om naturlige kølemidler (4th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids i Purdue University, Indiana, USA – juli 2000). På denne konference blev der præsenteret en række af de projekter, der i øjeblikket kører internationalt. Hovedvægten af denne undersøgelse har været lagt på status for kompressorer til CO2. Undersøgelsen viser, at der inden for specielt mobil aircondition og små aircondition- og varmepumpeanlæg findes en række kompressorer, der er anvendelige. For de større anlægs vedkommende findes der i dag ligeledes en række anvendelige kompressorer. Fælles for alle kompressorerne er dog, at disse stadig er på prototype stadiet og kun enkelte kompressorer, alle til underkritisk drift, er kommercialiseret.
Som for kompressorerne gælder det for ventiler (højttryks- og ekspansionsventiler) til CO2, at disse stadig er på prototypestadiet. Varmevekslerer (fordamper og gaskøler/kondensator) til CO2 er mulige at fremskaffe på markedet eller alternativt fremstille selv. Udbuddet er dog relativt begrænset, men der kan som gaskøler til brugsvandsvarmepumper benyttes koaksial vekslere, og som fordamper kan der anvendes traditionelle komponenter (finner monteret på rør).
De øvrige komponenter til brugsvandsvarmepumper indeholdende CO2 er ligeledes berørt i projektet. Bl.a. er der undersøgt en række varmtvandsbeholdere, og det er beskrevet, hvorledes disse bør være udformet for at udnytte CO2’s egenskaber optimalt.
CO2’s egenskaber gør det muligt at regulere anlægget på en noget anderledes måde end traditionelle kølesystemer, bl.a. er det muligt at styre trykket og temperaturen i gaskøleren uafhængigt. Denne mulighed kan anvendes, hvis der ønskes en vidtspændende kapacitetsregulering af anlægget (under betingelse af, at der er transkritisk fluid i gaskøleren). Dermed er det muligt at undgå de traditionelt anvendte metoder til kapacitetsregulering såsom hot gas eller bypass. Der vil dog stadig med fordel kunne anvendes en kapacitetsregulering vha. regulering af kompressorens omdrejningstal (frekvensregulering/behovsstyring).
Til beskrivelse af mulige systemopbygninger for en brugsvandsvarmepumpe, der indeholder CO2, er der gennemgået en række koncepter. Disse koncepter er alle mulige og udvælgelsen af den korrekte er overladt til læseren, da denne afhænger af flere forhold bl.a. produktionsmetoder, leverandørforbindelser samt hvorvidt der ønskes flere anvendelsesmuligheder indbygget i anlægget.