B.Palm - Så fungerar en värmepump och så kan vi göra dem bättre

Björn Palm,

Avd. Tillämpad termodynamik och kylteknik,

Inst Energiteknik, KTH

Så fungerar en värmepump,

och så kan vi göra dem bättre

Så fungerar en värmepump,

Principen för ett

värmepumpande system

High temperature heat sink

Low temperature heat source

Refrigeration system

or

Heat pump

Q1

Q2

E

Värmesänka vid hög temp

Värmekälla vid låg temp

Värmepump eller

kylanläggning

”Värmepump” från 1834

Förångare Kondensor

Kompressor

Expansions

ventil

Ångtryckskurvor för några

vanliga köldmedier

• För varje tryck

finns en specifik

kokpunkt!

• När kompressorn

höjer trycket så

höjs även

kokpunkten.

Kylanläggning

high pressure side

low pressure side

d c

ba

q1

q2

k

p2

p1

condenser

compressorevaporator

refrigerated space

expansion

device

Högt tryck

Lågt tryck

Värmepump

high pressure side

low pressure side

d c

ba

q1

q2

k

p2

p1

condenser

compressorevaporator

refrigerated space

expansion

device

Högt tryck

Lågt tryck

high pressure side

low pressure side

d c

ba

q1

q2

k

p2

p1

condenser

compressorevaporator

refrigerated space

expansion

device

high pressure side

low pressure side

dc

b a

q1

q2

k

p2

p1

condenser

compressorevaporator

refrigerated space

expansion

device

high pressure side

low pressure side

dc

b a

q1

q2

k

p2

p1

condenser

compressorevaporator

refrigerated space

expansion

device

Heated space

Vad är möjligt?

Hur bra kan värmepumpen bli?

Termodynamikens lagar

• Ingen värmepump-process som arbetar

mellan två konstanta temperaturer kan ha en

värmefaktor högre än Carnotprocesses, för

vilken gäller:

21

1,1

TT

TCOP Carnot

Vilka temperaturer arbetar

värmepumpen med?

• Inomhustemperatur, +20°C

• Årsmedeltemp = bergtemp =+6°C

• => Högsta möjliga värmefaktor: 20,9 !

21

1,1

TT

TCOP Carnot

Vilka temperaturer arbetar

värmepumpen med?

• Varmvattentemperatur, +60°C

• Årsmedeltemp = bergtemp =+6°C

• => Högsta möjliga värmefaktor: 6,2 !

21

1,1

TT

TCOP Carnot

Carnotprocessens värmefaktors

temperaturberoende

0

5

10

15

20

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

Värmekällans temperatur

Vä

rme

fak

tor,

Ca

rno

tCOP1_20

COP1_40

COP1_60

t1=+20

t1=+40

t1=+60

21

1,1

TT

TCOP Carnot

Jämförelse med ideal cykel

Kompressor-

kylprocessen

jämfört med

Carnot

processen ais

cisK

T

T1

T2

s0

p1

p2

a

q2

d

b fe

c

fig 9.13

Carnot

”Ideal” värmefaktor jämfört

med Carnot, t1=40°C, t2=0°C

R22 84%

R134a 83%

R290 (propan) 82%

R600a (isobutan) 84%

R717 (ammoniak) 87%

R407C 81%

R404A 75%

R410A 79%

Ideal värmefaktor för kompressor-processen, jämfört med Carnotprocessen

Ideala kompressor- processen är 15-20% sämre än Carnot.

20,9*0,85=18 (ca)

Köldfaktor jämfört med

Carnotprocessen 1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

-60 -40 -20 0 20°Ct2

t C1 30

t C1 50

NH 3

NH 3

R12

R12

R22

R22

R

a134

R

a134

Cd

Förluster i den verkliga processen

Ideal Carnot process EC

Ed effekt till köldmediet

Kompressor-process C

d

d

C

d

CCd

COP

COP

E

E

1

11,

Kompressor

Ek effekt till kompressorn

Et effekt till elmotor

Elmotor

~

d

k

k

d

k

dk

COP

COP

E

E

1

1

m

t

t

m

t

melm

COP

COP

E

E

1

1

Transmission Em effekt från elmotorn k

m

m

k

m

kmt

COP

COP

E

E

1

1

Verkningsgrader i

effektkedjan

CtCCdkelmC

Cdkelm

Ct

t

COPCOP

E

Q

E

QCOP

11

111

Där

21

11

TT

TCOPC

Ca 0,65 Ca 0,55

Förväntad värmefaktor, +20/+6: 20,9*0,55=11,5

1

10

100

150 250 350 450 550 650 750

h (kJ/kg)

Log(P

)

Temperaturdifferenser på kalla och varma

sidan – påverkar värmefaktorn

t2 –Förångningstemperatur

t1 – Kondenseringstemperatur

Värmekälla

Värmesänka

Slutsats

• För hög värmefaktor, konstruera för liten

temperaturskillnad mellan förångnings- och

kondenseringstemperatur.

• Dvs dimensionera för små

temperaturdifferenser i alla led.

Temperaturdifferenser i

systemet

• Temp

Berggrunden, +6

Brinekrets, -2

Förångningstemp, -8

Kondenseringstemp, +50

Vattenkrets, +40

Rumsluft, +20

Dt=14°C

COPCarnot=20,9

Dt=58°C

COPCarnot=5,6

Temperaturdifferenser i

systemet

• Temp

Berggrunden, +6

Brinekrets, -2

Förångningstemp, -8

Kondenseringstemp, +50

Vattenkrets, +40

Rumsluft, +20

Dt=14°C

COPCarnot=20,9

Dt=58°C

COPCarnot=5,6

Temperaturdifferens

värmesystem - rumsluft

Minskas med:

• Golvvärme

• Takvärme, vägg-värme

• Konvektorer

• Stora radiatorytor

Temperaturdifferenser i

systemet

• Temp

Berggrunden, +6

Brinekrets, -2

Förångningstemp, -8

Kondenseringstemp, +50

Vattenkrets, +40

Rumsluft, +20

Dt=14°C

COPCarnot=20,9

Dt=58°C

COPCarnot=5,6

Temperaturdifferens

kondensor - värmesystem

Minskas med:

• Större vvx ytor

• Nya effektiva värmeväxlare

Temperaturdifferenser i

systemet

• Temp

Berggrunden, +6

Brinekrets, -2

Förångningstemp, -8

Kondenseringstemp, +50

Vattenkrets, +40

Rumsluft, +20

Dt=14°C

COPCarnot=20,9

Dt=58°C

COPCarnot=5,6

Temperaturdifferens

berggrund - brinekrets

Minskas med:

• Längre/fler borrhål

• Effektiva värmeväxlare/kollektorer

• Termosifon?

• Återladdning

Temperaturdifferenser i

systemet

• Temp

Berggrunden, +6

Brinekrets, -2

Förångningstemp, -8

Kondenseringstemp, +50

Vattenkrets, +40

Rumsluft, +20

Dt=14°C

COPCarnot=20,9

Dt=58°C

COPCarnot=5,6

Temperaturdifferens

brinekrets - förångare

Minskas med:

• Större värmeväxlarytor

• Effektiva värmeväxlare

Vilken värmefaktor når

värmepumparna 2020?

Teoretiskt: 20,9

Vilken värmefaktor når

värmepumparna 2020?

Praktiskt:

Antag kondenseringstemp 27°C

förångningstemp 1°C

total Carnotverkningsgrad 0,65

Detta ger värmefaktorn 7,5

Working Group Renewable Energy Statistics 2008-10-29

Heat

sink

Performance of tested heat pumps

Vätska-/vattenvärmepumpar COP 35/0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

1990 1995 2000 2005 2010

År

Co

eff

icie

nt

of

Perf

orm

an

ce, C

OP

EN 14511

EN 255

Brine-water heat pumps 0/35

2015 2020

7.0

6,5

6,0

5,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

200

4

200

5

200

6

200

7

200

8

200

9

201

0

201

1

Års

vä

rmef

ak

tor

SP

F

Tidpunkt för prov

Luft-Luft värmepumpar

Årsvärmebehov 16600 kWh, i klimat med

+8°C årsmedeltemperatur

Årsvärmebehov 28000 kWh, i klimat med

+1,3°C årsmedeltemperatur

Linear (Årsvärmebehov 16600 kWh, i

klimat med +8°C årsmedeltemperatur)

Linear (Årsvärmebehov 28000 kWh, i

klimat med +1,3°C årsmedeltemperatur)

Miljöbelastning av värmepumpar

och kylanläggningar

Miljöbelastning av värmepumpar

och kylanläggningar

• ODP (Ozone Depleting Potential)

– Direkt inverkan på ozonskiktet vid utsläpp

• GWP (Global Warming Impact)

– Direkt bidrag till växthuseffekten vid utsläpp

• TEWI (Total Equivalent Warming Impact)

– Direkt och indirekt bidrag till växthuseffekten

• LCCP (Life Cycle Climate Performance)

– Direkt och indirekt bidrag till växthuseffekten, även vid tillverkning och skrotning

Framtidens krav

• Liten miljöinverkan vid

– Tillverkning (av t.ex. köldmediet)

– Normal drift (dvs. hög värmefaktor)

– Driftstörningar (t.ex. vid läckage)

– Skrotning

• Högre energipriser motiverar större investering

• Statliga styrmedel är troliga

Systemutformning

Styr/regler/övervakning

• Ny elektronik möjliggör:

– Mätdatainsamling

– Varvtalsreglering

– Driftsoptimering

– Fjärrstyrning

– Fjärrövervakning/diagnos

– Kombinationer av kyla/värme

– Systemoptimering

Tack för uppmärksamheten!

Värmeväxlare

Extruderade Al-rör

0.79 mm

0.43 mm

Förångare/kondensor

konstruerad vid KTH

Rör för AC-kondensor

Kanal diameter 0.38-1.02 mm

”Printed circuit board”-vvx

Diamant värmeväxlare

Fördelar med mikrokanals

värmeväxlare

• Mindre fyllnadsmängd

• Högre värmeövergångstal

• Lägre vikt, mindre volym

Kompressorer

Sannolika trender,

kompressorer

• Reglerbar effekt med bibehållen

verkningsgrad

• Fler och större scroll-kompressorer

• Möjlighet till economizerkoppling

(mellantryck)

• Mindre volym i höljet för minskad

köldmediemängd (jfr bil-AC kompressorer)

Sannolika trender,

kompressormotorer

• Mer koppar för högre verkningsgrad

• Permanentmagnetmotorer

Köldmedier

Köldmedier

• HCFC

– På väg ut

• HFC

– Kvar ett tag till, styrmedel för att begränsa

användningen

– Medier med stor glide bort på sikt

– 410A ökar

Köldmedier

• HC (kolväten)

– Ökad användning, i system med liten fyllning

– Användning över hela världen – så småningom

• CO2 (koldioxid)

– Breddad användning som köldbärare

– Nästa steg: I LT-steget i kaskadsystem

– Bil-AC ??

– För hög temp (VP): höga tryck och låg värmefaktor

utom i vissa applikationer.

Köldmedier

• NH3

– Bra köldmedium. Sannolikt ökad användning

• H2O

– Ger för stora system pga låg densitet

• Nya medier??

– Ev användning av brännbara HFC eller av HFC

med högre tryck, t.ex. R152a eller R32

– Ev “nya” syntetiska medier, t.ex. HFO1234yf

• Föreslaget för mobil AC.

Alternativa cykler

Alternativa cykler

Förångningskyl-

process

Stirling

Claude

Joule Thomson

Alternativa cykler

• Magnetiska

processer,

tänkbara i en

framtid

Alternativa cykler

• Termoelektriska (Peltier) processer förbättras

Alternativa cykler

Sammanfattning:

Inga alternativa processer kan inom överskådlig tid mäta sig med

kompressorkylprocessen

Sammanfattning

• Högre energipriser kommer att motivera värempumpsystem med högre COP

• Detta nås genom:

– Lågtemp distributionssystem

– Stora, effektiva värmeväxlare i alla led

– Effektivare motorer, med varvtalsstyrning

– Mätning/styrning (mer elektronik) för optimering av driften

• Ett rimligt mål för 2020 är COP1 = 7,5