Sammenfatning og konklusioner, Miljøstyrelsen

CO₂ som kølemiddel i varmepumper

Sammenfatning og konklusioner

Der er i nærværende rapport beskrevet mulighederne for anvendelse af CO₂ som kølemiddel i brugsvands varmepumper. Projektets mål har bl.a. været, at opstille en status for udviklingen af komponenter til CO₂, samt beskrive de specielle driftsforhold, der er til stede, når dette kølemiddel anvendes.

I Danmark er der installeret 15-20.000 brugsvands varmepumper. De seneste års udvikling i den danske energisektor har bevirket, at antallet af solgte brugsvands varmepumper er stagneret og ligger på ca. 600 stk. pr. år. En meget stor del af de dansk fremstillede brugsvands varmepumper eksporteres til lande inden for EU. Den samlede produktion i Danmark af brugsvands varmepumper udgør i dag ca. 3.000 stk. Det forventes, at antallet af dansk producerede brugsvands varmepumper når ca. 5.000 stk. om året i 2002.

Det i nærværende rapport beskrevne projekt er inddelt i to hovedfaser, hvoraf den første hovedfase er beskrevet i rapporten. Denne hovedfase er inddelt i fire underfaser, hvori de vigtigste elementer, såsom undersøgelse af komponenter og styringsstrategi, er gennemført.

Projektet er indledt med en beskrivelse af de krav, der er til anlæg indeholdende CO₂ og en beskrivelse af de generelle krav til brugsvands varmepumper. 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.

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 brugsvands varmepumper, hvor det store temperaturglid i gaskøleren kan udnyttes. Eksempelvis er der for en udeluftstemperatur 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 udeluftstemperatur 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 udeluftstemperatur på 2°C og en fremløbstemperatur på vandet fra varmepumpen på 55°C fås for CO₂ et 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 (4^th 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. Varmevekslere (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 brugsvands varmepumper benyttes koaksial vekslere, og som fordamper kan der anvendes traditionelle komponenter (finner monteret på rør).

De øvrige komponenter til brugsvands varmepumper indeholdende CO₂ er ligeledes berørt i rapporten. Bl.a. er der undersøgt en række varmtvandsbeholdere, og der er beskrevet, hvorledes disse bør være udformet, for at udnytte CO₂’s egenskaber optimalt.

Da CO₂’s egenskaber gør det muligt at regulere anlægget på en noget anderledes måde end traditionelle kølesystemer, er der i afsnittet om styringsstrategi beskrevet, hvorledes det er 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 hotgas 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 brugsvands varmepumpe, 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.

På baggrund af den gennemførte analyse konkluderes der følgende:

CO₂ er et interessant alternativ til HFC-kølemidlerne, specielt i brugsvands varmepumper. Dog er der pt 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.