Överhettning och nedkylning

Överhettning och nedkylning påverkar verkningsgraden. I köldmedierna R410A och R407C märks det att överhettningen har en negativ inverkan på COP-värdet och nedkyl-ningen en positiv inverkan. I köldmediet R600a har överhettnedkyl-ningen och nedkylnedkyl-ningen en positiv inverkan på verkningsgraden. I beräkningarna höjs överhettningstemperaturen

3 4 5 6 7 8 9

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

COP-värde

Förångningstemperaturen

Förångningstemperaturens inverkan

R410A R600a R407C

60

och nedkylningstemperaturen med 5°C graders mellanrum. I figurerna finns även en be-räkning med 5°C graders mellanrum, med både överhettnings- och nedkylningstempera-turs förändring. I köldmedierna R410A och R407C blir beräkningen med både överhett-ning och nedkylöverhett-ning sämre än vad de endast blir med en nedkylöverhett-ning. I köldmediet R600a fås den bästa verkningsgraden då beräkningen innehåller även nedkylning och överhett-ning. Överhettningen och nedkylningen beräknas med hjälp av formlerna i kapitel 5 och sätts in i ett log p-h diagram i programmet Coolpack. Resultaten på överhettningen och nedkylningen visas nedan i figurerna 23, 24 och 25:

Figur 23. Överhettningens inverkan på COP-värdet.

5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6 6,1 6,2

0 5 10 15

COP

Förändring i grader

Överhettning

R410A R600a R407C

61 Figur 24. Nedkylningens inverkan på COP-värdet.

Figur 25. Överhettningens och nedkylningens inverkan på COP-värdet.

5

62 6.1.6 Tekniska egenskaper

Värmepumpsprocessens tekniska egenskaper som hör till flödesegenskaperna påverkar inte direkt verkningsgraden. Massflödet som produceras av kompressorn och regleras av expansionsventilen har ett samband med den värme- eller kyleffekt som produceras och överförs i systemet. Därför behövs inte massflödet iakttas i beräkningarna. Köldmediets volymproduktion beror på köldmediets egenskaper och därför iakttas inte volymprodukt-ionen i beräkningarna.

Tryckförluster sker i alla system, även i värmepumpsprocessen. Köldmedierna som an-vänds i beräkningarna påverkas negativt när tryckförlusterna ökar i systemet. Figur 26 bevisar att det miljövänligaste ämnets R600a verkningsgrad sjunker snabbt till samma nivå som hos de andra köldmedierna. I beräkningarna där tryckförlusterna beaktas an-vänds tillsammans 50 kPa över hela värmepumpsprocessen. Det som även syns i figur 26 är att köldmediets R600a verkningsgrad sjunker snabbast när tryckförlusterna ökar i sy-stemet. Köldmediet R600a jobbar nära atmosfärstrycket 1 bar och därför påverkas köld-mediet mera av förluster i processen. Detta beror på att när köldmedierna jobbar i ett lågt tryck är tryckförhållandena högre mellan varje steg i bar än vad de är i högre tryck. Köld-medierna R410A och R407C är egenskapsmässigt bra för en låg förångningstemperatur och därför jobbar de i högre tryck under den här cirkulationsprocessen. Tryckförlusterna i systemet i figur 26 är beräknade med hjälp av formlerna 13, 14 och 15. De har placerats i ett log p-h diagram för respektive köldmedium i programmet Coolpack.

63

Figur 26. Tryckförlusternas inverkan på värmepumpsprocessens COP-värde.

6.2 Andra delens resultat

I andra delen av beräkningarna jämförs olika konfigurationer som går att förbättra i en verklig värmepumpsprocess. Tabell 4 anger värdena som används till beräkningarna. Till alla beräkningar har formlerna 13, 14 och 15 använts. Resultaten av beräkningarna har placerats i ett log p-h diagram för respektive köldmedium.

Tabell 4. Värden som används i beräkningarna.

4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50

0 25 50 75 100 125 150 175 200

COP

Tryckförlust (kPa)

Tryckförluster i systemet

R410A R600a R407C

64

I beräkning 1 jämförs olika köldmediers verkningsgrader med en förändring i nedkyl-ningens temperatur. Beräkningen har en förångningstemperatur på 0°C och en konden-sationstemperatur på 35°C. Det som figur 27 visar är att alla köldmediers COP-värde stiger när nedkylningen ökar. En nedkylning mellan 0-10K är möjligt utan en överlopps-värmeväxlare efter kondensorn. Medan en nedkylning mellan 15K-30K kräver redan mycket låga temperaturer för att kunna ske och därför är det inte nödvändigt att sänka temperaturen så mycket före expansionsventilen.

Figur 27. Nedkylningens inverkan på COP-värdet.

I beräkning 2 jämförs olika köldmediers verkningsgrader med en förändring i nedkyl-nings temperaturen. Beräkningen har en förångnedkyl-ningstemperatur på 0°C och en konden-sationstemperatur på 50°C. Det som figur 28 visar är att alla köldmediers COP-värde stiger när nedkylningen ökar. En nedkylning mellan 0-20K är möjligt utan en överlopps-värmeväxlare efter kondensorn. Det här beror på att den inkommande temperaturen i ett värmesystem som kräver 50 °C graders utgående temperatur till värmesystemet oftast har en tillräckligt låg inkommande temperatur på 25 - 30°C. En nedkylning mellan 20K-30K kräver redan mycket låga temperaturer för att kunna ske. För att kunna sänka nedkyl-ningen till 20K-30K, kunde man utnyttja en överloppsvärmeväxlare som förvärmer

0K 5K 10K 15K 20K 25K 30K

R410A 5,48 5,73 5,97 6,2 6,43 6,65 6,86

R600a 5,64 5,84 6,04 6,24 6,43 6,62 6,81

R407C 5,64 5,86 6,07 6,28 6,49 6,69 6,88

5

65

tappvattnet. Den inkommande temperaturen till värmeväxlaren är då ca. 10 °C och då går det lätt att sänka temperaturen till ungefär 15 – 20 °C före expansionsventilen. Det är oftast då varmvattnet värms som kondensationstemperaturen är högre och därför kunde det här utnyttjas för att sänka på kompressionsförhållandet. När figur 27 jämförs med figur 28 visar det att när kompressionsförhållandet ökar försämras verkningsgraden. I en verklig värmepumpsprocess blir skillnaden ännu större för att i den här beräkningen är den volymetriska verkningsgraden och isentropiska verkningsgraden konstant, medan de minskar i en riktig process när kompressionsförhållandet ökar.

Figur 28. Nedkylningens inverkan på COP-värdet.

I beräkning 3 jämförs olika köldmediers verkningsgrad med en förändring i förångnings-temperaturen. Beräkningen har en förångningstemperatur på 0°C och en kondensations-temperatur på 35°C. Det som figur 29 visar är att alla köldmediers COP-värde stiger när förångningstemperaturen ökar. Även om förångningstemperaturen ökar med några grader Celsius, har den en större inverkan på verkningsgraden än vad en lika stor nedkylning har.

0K 5K 10K 15K 20K 25K 30K

R410A 3,65 3,87 4,07 4,27 4,45 4,63 4,8

R600a 4,02 4,17 4,33 4,48 4,64 4,79 4,93

R407C 3,87 4,05 4,22 4,39 4,56 4,72 4,87

3,23

66

Figur 29. Förångningstemperaturens inverkan på COP-värdet.

I beräkning 4 jämförs olika köldmediers verkningsgrad med en förändring i förångnings-temperaturen. Beräkningen har en förångningstemperatur på 0°C och en kondensations-temperatur på 50°C. Det som figur 30 visar är att alla köldmediers COP-värde stiger när förångningstemperaturen ökar. Även om förångningstemperaturen ökar med några grader Celsius, har den en större inverkan på verkningsgraden än vad en lika stor nedkylning har.

0°C 2°C 4°C 6°C 8°C 10°C

R410A 5,48 5,82 6,21 6,66 7,17 7,76

R600a 5,64 6 6,4 6,86 7,38 7,97

R407C 5,64 5,99 6,4 6,86 7,38 7,99

5,25,4 5,65,86 6,26,4 6,66,87 7,27,4 7,67,88 8,2

COP

Höjning av förångningstemperaturen (°C )

Beräkning 3:

R410A R600a R407C

67

Figur 30. Förångningstemperaturens inverkan på COP-värdet.

Nedkylningen och förhöjningen på förångningstemperaturen ökar verkningsgraden. När figurerna 27–30 jämförs, har en varmare förångningstemperatur en större inverkan på verkningsgraden. Problemet med en förbättring av en högre förångningstemperatur är att det krävs en överloppsvärmekälla. Den här värmekällan är oftast spillvärme från ett annat värmesystem. I värmepumpsprocesser där kondensationstemperaturen är hög är det klokt att investera i utnyttjandet av spillvärmen.

Nedkylningen och förhöjningen på förångningstemperaturen påverkar även värmeväxla-rens dimensioner. När temperaturskillnaden i värmeväxlarna minskar blir dimensionerna på värmeväxlaren större och det här påverkar i sin tur investeringskostnaderna. Om tem-peraturskillnaden däremot ökar, minskar dimensionerna på värmeväxlaren och investe-ringskostnaderna sjunker. I en optimering av värmepumpen påverkar en ändring av någon komponent eller teknisk egenskap någon annan faktor i värmepumpen. Då en optimering sker höjs dimensioneringen och investeringskostnaden för någon annan del i värmepum-pen. Därför är det svårt att optimera en värmepump med tanke på alla olika utfall och aspekter.

I beräkningarna 5 och 6 utnyttjas både nedkylning och förhöjning av förångningstempe-raturen. Resultaten av beräkningarna 5 och 6 visas i tabellerna 5 och 6. Det finns

0°C 2°C 4°C 6°C 8°C 10°C

R410A 3,65 3,81 3,98 4,17 4,38 4,6

R600a 4,02 4,2 4,4 4,62 4,86 5,12

R407C 3,87 4,04 4,23 4,43 4,66 4,91

3,23

68

sammanlagt sex olika utfall för vardera kondensationstemperaturen. I beräkning 5 är kon-densationstemperaturen 35 °C och i beräkning 6 är konkon-densationstemperaturen 50°C. Re-sultaten visar hur COP-värdet höjs relativt mycket då en förhöjning på förångningstem-peraturen och en nedkylning sker i cirkulationsprocessen. Jämfört med utfall 1 där ingen förändring i förångningstemperaturen och nedkylningen sker, blir COP-värdet betydligt lägre, när utfall 1 jämförs med den andra utfallen i beräkningarna.

Tabell 5. Beräkning 5 med nedkylning och förhöjning på förångningstemperaturen.

Tabell 6. Beräkning 6 med nedkylning och förhöjning på förångningstemperaturen.

69

7 DISKUSSION

I detta kapitel diskuteras resultaten från undersökningen i examensarbetet av en optime-ring av jordvärmepumpens verkningsgrad. På grundval av teorin som presenteras i exa-mensarbetet och resultaten i undersökningen finns det flera faktorer som går att förbättras.

Som beräkningarna i jämförelsen av COP-värdet för cirkulationsprocesserna visar finns det en stor potential att höja COP-värdet, fastän Carnot värmepumps COP-värde inte går att nå med samma kompressionsförhållanden. Genom att höja tillräckligt på förångnings-temperaturen och ha en tillräckligt stor nedkylning i kondensationen går COP-värdet att höjas märkbart.

Resultaten visar att förbättringarna av de centralaste komponenterna inverkar varierande på verkningsgraden. Komponenter där inverkan är liten är till exempel kondensorn, för-ångaren och expansionsventilen. Som resultaten visar sker det endast små förluster i ex-pansionsventilen och det sker ingen entalpiförändring i expansionsdelen. Därför inverkar inte expansionsventilen så mycket på verkningsgraden. Förångaren och kondensorn på-verkar endast tryckförlusterna i cirkulationsprocessen. Tryckförlusterna i hela processen är kring 50 kPa och de ändrar beroende på massflödet i cirkulationsprocessen. Som resul-taten visar förbättras verkningsgraden endast lite när tryckförlusterna sjunker.

De komponenter som innehåller det största förbättringspotentialet är kompressorn och köldmediet.

I undersökningen av kompressorns isentropiska verkningsgrad blir COP-värdet betydligt bättre då den isentropiska verkningsgraden är nära 1. Fastän det finns potential att höja kompressorns isentropiska verkningsgrad krävs det djupare undersökningar av det som påverkar den isentropiska verkningsgraden. Detta har inte undersökts närmare i examens-arbetet. Som det har beskrivits i arbetet, går det inte att skapa en process där det inte sker en ändring i entropin och därför kan inte den isentropiska verkningsgraden bli 1. Resul-tatet av den isentropiska verkningsgraden ändrar när kompressionsförhållandet ökar i cir-kulationsprocessen och när kompressionsförhållandet är lägre blir verkningsgraden bättre. Isentropiska verkningsgraden påverkas även av köldmediernas egenskaper såsom viskositeten, överhettningen efter kompressorn och ett lågt tryckförhållande i

70

cirkulationsprocessen. Alla de här egenskaperna går inte att optimera för ett köldmedium, vilket begränsar ytterligare den isentropiska verkningsgraden i kompressorn.

Ett köldmedium innehåller flera andra egenskaper som också bör iakttas när köldmediet optimeras till användningsändamålet. I alla köldmedier finns det ämnen som begränsar de viktigaste egenskaperna för ett idealt köldmedium. Därför blir köldmediets egenskaper en ”kompromiss” av de egenskaper som optimeras enligt den värmepumpsprocess som används. På basen av undersökningen där det har jämförts tre olika köldmedier med varandra, kan det konstateras att de köldmedier som används i dagens jordvärmepumpar och det miljövänligaste köldmediet har ungefär samma COP-värden. Det miljövänligaste köldmediet R600a används inte i dagens värmepumpar. Därför har R600a används endast till jämförelse på vilket sätt ett miljövänligt köldmedium påverkar COP-värdet. När dessa köldmedier läggs till en verklig cirkulationsprocess med förluster och onödig värmeöver-föring blir COP-värdets resultat väldigt nära varandra. Det är svårt att optimera ett köld-medium som kan höja COP-värdet betydligt. Det beror på att framtidens köldmedier an-passas för strängare miljökrav, vilket begränsar användningen av ämnen som kan för-bättra köldmediets egenskaper. Köldmediet är den komponent som inverkar mest på öv-riga komponenter i värmepumpen. Som det beskrivits i examensarbetet leder dessa fak-torer till mindre och billigare komponenter: Hög volymproduktion och hög förångnings-temperatur minskar på kompressorns storlek och bra värmeöverföringsegenskaper mins-kar på kondensorns och förångarens storlek. När de här faktorerna tas i beaktande blir investeringskostnaderna lägre för värmepumpen.

När cirkulationsprocessen sker med en ordentlig nedkylning i kondensationen höjs COP-värdet mycket. Alla cirkulationsprocesser innehåller åtminstone några graders nedkyl-ning. Nedkylningen ökar då temperaturskillnaden på värmesystemet är större och retur-temperaturen från värmesystemet till kondensorn är så lågt som möjligt. Det betyder att ett högvärmesystem med en stor temperaturskillnad uppnår en större nedkylning och den minskar på de verkningsgradsförluster som ett högt kompressionsförhållande har. För-bättringen av system som höjer på nedkylningen kan till exempel ske genom en över-loppsvärmeväxlare i värmepumpen efter kondensorn. Systemen som utnyttjas kräver dju-pare undersökning och de har inte undersökts i detta examensarbete. På basen av resulta-ten finns det poresulta-tential att höja på COP-värdet genom en stor nedkylning. Där finns ett

71

område som borde beaktas bättre i nutidens värmepumpar, om målet är att nå ett högt COP-värde.

I tätt isolerade nybyggnader börjar varmvattenproduktionen utgöra närmare 50 % av to-tala energiförbrukningen. Detta leder i sin tur till ett stort kompressionsförhållande i vär-mepumpsprocessen när varmvattnets temperatur är kring 58 °C. Det leder till att värme-systemet som används bör vara ett lågvärmesystem, vilket kompenserar den dåliga verk-ningsgraden för produktionen av varmvattnet.

I undersökningen är förångningstemperaturen baserad på en jordvärmepumps värme-källa. Resultaten visar att när förångningstemperaturen höjs blir COP-värdet bättre. Det finns flera värmekällor som går att utnyttja för upphöjningen av förångningstemperaturen och enligt min åsikt är det ypperligt viktigt att använda spillvärme då det finns tillgängligt.

I högvärmesystem blir det ännu viktigare att använda sig av spillvärmesystem för att minska på kompressionsförhållandet, men även i lågvärmesystem är det viktigt att ta till-vara all spillvärme som finns.

Summa summarum kan det konstateras att värmepumpens COP-värde går att förbättras med hjälp av det som beskrivits i examensarbetet. Det som alla produkter har gemensamt är att när produkternas komponenter förbättras blir kostnaderna högre. Så är det även med värmepumpen. Då värmepumpens delar optimeras till det maximipotential de kan ha, le-der det till högre investeringskostnale-der och i något skede blir återbetalningstiden så hög att den relativa förbättringen inte lönar sig. Det som jag anser att bör utnyttjas i framtiden är spillvärmen från värmeanläggningar och eftersom jordvärmepumpen blir allt vanligare i större anläggningar bör också energibrunnsfältet beaktas. För att värmepumpen ska fun-gerar optimalt med ett högt COP-värde är en optimering av värmekällan, en optimering av värmepumpen och ett lågvärmesystem viktigt.

72

8 SLUTSATS

I detta examensarbete har gjorts en undersökning av förbättringspotentialen på värme-pumpens COP-värde. Det finns möjligheter att förbättra värmevärme-pumpens verkningsgrad med de förbättringsförslag som har presenterats i examensarbetet. Genom förbättringar av COP-värdet blir förbrukningen på driftenergin lägre och därmed minskas världens kol-dioxidutsläpp.

Sammanfattningsvis är värmepumpens optimalaste användningsområde värmedistribut-ioner med lågvärmesystem, där kompressionsförhållandet är så lågt som möjligt. Om vär-mepumpen används till högvärmesystem är det viktigt att optimera nedkylningen och ut-nyttja all överloppsenergi som finns tillgänglig till förhöjning av förångningsprocessen för att minska på kompressionsförhållandet.

Det är i praktiken svårt att uppnå en perfekt optimerad cirkulationsprocess i en värme-pump. Det beror på att varje cirkulationsprocess är unik och därför begränsas valet av komponenterna av den värmekälla och det värmesystem som används.

73

KÄLLOR

Akademiskahus.se., 2018, Faktablad: F-gasförordningen och val av köldmedium. Till-gänlig: https://www.akademiskahus.se/globalassets/dokument/tekniska-publikationer--bilder/faktablad-f-gasforordningen.pdf Hämtad: 26.3.2021

Coolpack- Simulation tools for refrigeration systems. 1999. Jacobsen, A., Rasmussen, B.

D. & Anderssen SE.

Ekocoil., 2016, Lämmönvaihtimien perusteet Tillgänglig: https://ekocoil.word-press.com/2016/02/28/lammonvaihtimien-perusteet/ Hämtad: 22.4.2021

Helda.helsinki.fi., 2013. Energiakaivo maalämmön hyödyntäminen pientaloissa. Till-gänglig: https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/YO_2013.pdf Hämtad:

22.4.2021

Gebwell.fi., a. Kerrostalon kaivokentän suunnittelu. Tillgänglig: https://gebwell.fi/maa-lampo/kerrostalojen-maalampojarjestelmiin-tehokkuutta-kaivokentan-suunnittelulla/

Hämtad: 22.4.2021

Gebwell.fi., b. Maalämpösanasto. Tillgänglig: https://gebwell.fi/maalampo/maalam-posanasto/ Hämtad: 29.03.2021

Ias.ac.in., 2012, Refrigerants for Vapour Compression Refrigation Systems, Tillgänglig:

https://www.ias.ac.in/article/fulltext/reso/017/02/0139-0162 Hämtad: 26.3.2021

Schiffmann. J. & Favrat. D., 2009. Experimental investigation of a direct driven radial compressor for domestic heat pumps. International Journal of Refrigeration.

Kylmätekniikan perusteet., 2021. Kaappola, E., Hirvelä, A., Jokela, J. & Kianta, J., Ope-tushallitus.

Kylmätekniikka., 1992. Aittomäki, A & Aalto, E., Suomen kylmäyhdistys ry.

74

Lappalainen. M., 2010, Energia- ja ekologiakäsikirja- Suunnittelu ja rakentaminen, Ra-kennustieto Oy.

Miljöförbundet Blekinge Väst., 2010, Vad är köldmedier? Tillgänglig: http://www.mil-jovast.se/1365 Hämtad: 07.04.2021

Motiva.fi., 2016, Energiatehokas lämmönsiirto. Tillgänglig: https://www.mo-tiva.fi/files/11106/Energiatehokas_lammonsiirto.pdf Hämtad: 22.4.2021

Mårtensson, H., 2007, Värmepump i villan, Ica Bokförlag.

NE.se a Carnotprocess. Tillgänglig: https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklo-pedi/l%C3%A5ng/carnotprocess Hämtad: 22.3.2021

NE.se b. Sadi Carnot. Tillgänglig: https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklo-pedi/l%C3%A5ng/sadi-carnot Hämtad: 22.3.2021

NE.se c. Termodynamikens andra huvudsats. Tillgänglig: https://www.ne.se/uppslags- verk/encyklopedi/l%C3%A5ng/termodynamik/termodynamikens-grunder/termodyna-mikens-andra-huvudsats Hämtad: 22.3.2021

NE.se d. Värmepump. Tillgänglig: https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklo-pedi/l%C3%A5ng/v%C3%A4rmepump Hämtad: 21.4.2021

Peda.net., Lämpöopin pääsäännöt. Tillgänglig: https://peda.net/siikalatva/siikalatvan-

lukio/oppiaineet/fysiikka/fy2/mappi/lp:file/down-load/85ded58fc486b5223ae500b75e3eba2b77d39647/L%C3%A4mp%C3%B6opin%20 p%C3%A4%C3%A4s%C3%A4%C3%A4nn%C3%B6t.pdf Hämtad: 21.4.2021

Perttula, J., 2000, Energiatekniikka, Sanoma Pro Oy.

75

Polarpumpen.se.,2017, Hur fungerar en värmepump. Tillgänglig: https://www.polar-pumpen.se/varmepumpar/kunskapsbank/sa-fungerar-en-varmepump Hämtad: 26.3.2021

Poratek.fi. Maalämpö on luontoa säästävä lämmitysmuoto. Tillgänglig: https://www.po-ratek.fi/energiakaivot/ Hämtad: 23.4.2021

Suomen Kylmäyhdistys ry.,2008, Kylmätilanne 2008. Tillgänglig: https://iisoy.fi/wp-content/uploads/2019/05/kylmaainetilanne.pdf Hämtad: 29.3.2021

Wiksten. R., 1996, Lämpövoimaprosessit. Otatieto Helsinki, 1996.

Vattenfall.se. Välj rätt värmekälla-expertens tips. Tillgänglig: https://www.vatten-fall.se/fokus/hus-hem/olika-varmekallor/ Hämtad: 22.4.202

In document Optimering av verkningsgraden i jordvärmepumpsprocessen (Page 59-0)