Flödesoptimering av bergvärmepumpar: Experimentell studie av köldbärarflödetsinverkan på systemets värmefaktor

Flödesoptimering av bergvärmepumpar

Experimentell studie av köldbärarflödets inverkan på systemets värmefaktor

M A T T I A S E R I C S S O N

H a n d l e d a r e : J o s é A c u ñ a

Sammanfattning

Denna studie har gått ut på att undersöka hur köldbärarödet påverkar värme- pumpens och systemets värmefaktor samt föreslå hur ödet kan optimeras. En kopp- lingsprincip som tillåter att ödet genom värmepumpens förångare är lägre än ödet genom borrhålen har utvärderats. Köldbärarödet fanns ha en avgörande betydelse för värmepumpens värmefaktor och vid de utförda experimenten ökade värmefaktorn näst intill linjärt med ödet. Tidigare forskning visar samma sak men att kurvan för värmefaktorn planar ut vid ytterligare höjning av köldbärarödet. Beräknas istället systemets värmefaktor, där eekt för cirkulationspumpar räknas med, så existerar en punkt där en ytterligare höjning av köldbärarödet ger en försämring av värmefak- torn på grund av ökad pumpeekt. Inga resultat i studien tyder på att det skulle

nnas en nytta av att ha lägre öde genom förångaren än genom borrhålen. Istället

ökade systemets värmefaktor vid sänkning av borrhålsödena eftersom pumpeekten

kraftigt reducerades. Frågeställningen kommer att fortsätta utredas med en utförlig

experimentserie.

Abstract

The aim of this study has been to investigate the impact of the secondary uid

ow(the brine) on the coecient of performance for both the heat pump unit and the entire system. A by-pass on the evaporator side that enables the ow through the evaporator to be lower than the ow through the boreholes has been evaluated.

Increasing the secondary uid ow through the evaporator was found to increase the

heat pump units coecient of performance and the relation was found to be almost

linear. Previous research has shown the same result but the rate of increase in the

coecient of performance is decreasing with higher uid ow. If the systems coecient

of performance is calculated instead, which means taking power for the brine pump

into account, a maximum point exists from where a further increasing of the brine ow

would decrease the systems coecient of performance because of increased pumping

power. No results in this study shows any benet of running the system with a

lower ow through the evaporator than through the boreholes. Instead the systems

coecient of performance was found to increase with a lower borehole ow because

of reduced pumping power. This study will be followed by an extensive series of

experiments.

Förkortningar

C p−1 Värmebärarens specika värmekapacitet. [kJ/(kg·K)]

COP 1 Coecient Of Performance. Värmepumpens värmefaktor [-]

COP 1 _sys Coecient Of Performance. Systemets värmefaktor [-]

d Rördiameter. [m]

E ˙ K Värmepumpens kompressoreekt. [W]

E ˙ P 2 Förbrukad eekt av köldbärarpumpen. [W]

˙

m Massöde. [kg/s]

µ Dynamisk viskositet. [Pa·s]

Q ˙ 1 Avgiven värmeeekt i värmepumpens kondensor. [W]

Re Reynolds tal. [-]

ρ Densitet [kg/m ³ ]

ρ ₁ Värmebärarens densitet. [kg/m ³ ] ρ ₂ Köldbärarens densitet. [kg/m ³ ]

T ₁₋₁ Värmebärarens temperatur in i kondensorn. [ ^◦ C]

T 1−2 Värmebärarens temperatur ut ur kondensorn. [ ^◦ C]

T 2−1 Köldbärarens temperatur in i förångaren. [ ^◦ C]

T 2−2 Köldbärarens temperatur ut ur förångaren. [ ^◦ C]

T ₁ BH1 Köldbärarens temperatur till borrhål 1. [ ^◦ C]

T ₂ BH1 Köldbärarens temperatur från borrhål 1. [ ^◦ C]

T 1 BH2 Köldbärarens temperatur till borrhål 2. [ ^◦ C]

T 2 BH2 Köldbärarens temperatur från borrhål 2. [ ^◦ C]

V ˙ ₁ Värmebärarens volymöde genom kondensorn. [m ³ /s]

V ˙ ₂ Köldbärarens volymöde genom förångaren. [m ³ /s]

V ˙ BH1 Köldbärarens volymöde genom borrhål 1. [m ³ /s]

V ˙ _BH2 Köldbärarens volymöde genom borrhål 2. [m ³ /s]

v Flödeshastighet. [m/s]

Figurer

1 Principskiss för Laborationsuppställning 1 . . . . 6

2 Principskiss för Laborationsuppställning 2 . . . . 7

3 Värmepumpens och systemets värmefaktor som funktion av köldbärarödet 9 4 Avgiven kondensoreekt som funktion av köldbärarödet . . . 10

5 Pumpeekt som funktion av köldbärarödet . . . 10

6 Systemets värmefaktor under Test 0 . . . 11

7 Värmebärarens returtemperatur under Test 0 . . . 12

8 Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Test 1 . . . 13

9 Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Test 2 . . . 14

10 Systemets värmefaktor vid de olika ödeskongurationerna under Test 1 och 2 14 11 Avgiven eekt i kondensorn ( ˙Q 1 ) under Test 1 och 2 . . . 15

12 Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Driftfall 1 . . . 16

13 Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Driftfall 2 . . . 16

14 Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Driftfall 3 . . . 17

15 Temperaturhöjning över respektive borrhål för Driftfall 1-3 . . . 17

16 Avgiven eekt i kondensorn ( ˙Q 1 ) under Driftfall 1-3 . . . 18

17 Systemets värmefaktor vid Driftfall 1-3 . . . 18

18 Eektuttag ur BH1 och BH2 under Driftfall 1 . . . 19

19 Eektuttag ur BH1 och BH2 under Driftfall 2 . . . 19

20 Eektuttag ur BH1 och BH2 under Driftfall 3 . . . 20

21 Värmebärarens temperatur in i kondensorn för Driftfall 1-3 . . . 24

22 Värmebärarens öde för Driftfall 1-3 . . . 25

Innehåll

1 Introduktion 1

1.1 Relevans . . . . 1

1.2 Tidigare arbete . . . . 2

1.3 Syfte och mål . . . . 2

1.3.1 Delmål . . . . 3

2 Metodik 4 2.1 Systemgräns . . . . 4

2.2 Grundläggande ekvationer . . . . 4

2.2.1 Överförd eekt i kondensor . . . . 4

2.2.2 Denition av COP 1 . . . . 5

2.2.3 Reynolds tal . . . . 5

2.3 Utrustning och tester . . . . 6

2.3.1 Värmepumpens värmefaktor . . . . 6

2.3.2 Systemets värmefaktor och utvärdering av by-pass . . . . 7

2.4 Tester laborationsuppställning 2 . . . . 8

2.5 Sammanställning och databehandling . . . . 8

3 Resultat 9 3.1 Värmepumpens värmefaktor . . . . 9

3.2 Systemets värmefaktor och utvärdering av by-pass . . . 11

3.2.1 Test 0 . . . 11

3.2.2 Test 1 och 2 . . . 13

3.2.3 Driftfall 1,2 och 3 . . . 15

4 Diskussion 21 4.1 Resultat . . . 21

4.1.1 Delmål 1 . . . 21

4.1.2 Delmål 2 . . . 21

4.1.3 Delmål 3 . . . 22

4.1.4 Delmål 4 . . . 22

4.2 Felkällor . . . 22

4.2.1 Laborationsuppställning 1 . . . 23

4.2.2 Laborationsuppställning 2 . . . 23

4.2.3 Köldbärarens temperatur . . . 23

4.2.4 Värmebärarens temperatur . . . 24

4.2.5 Värmebärarens öde . . . 25

5 Slutsatser 26

6 Fortsatt arbete 27

1 Introduktion

I strävan efter mer eektiva sätt att värma våra hus har bergvärmepumpen gjort ett stort intåg. Ofta innebär ett byte till bergvärmepump en stor ekonomisk besparing för använ- daren eftersom mängden köpt energi kraftigt kan reduceras. Ur ett samhällsperspektiv blir konsekvensen att en lägre andel fossila bränslen behöver användas för uppvärmning eftersom bergvärme till stor del utnyttjar förnyelsebar energi i form av termisk energi som är lagrad i marken. Besparingen för samhället är dock inte alltid så enkel att kvantiera eftersom den till stor del beror på hur den av värmepumpen använda elen produceras.

Ett byte från fjärrvärme till bergvärme är i de esta fall en given ekonomisk besparing för användaren men om fjärrvärmen producerades genom till exempel spillvärme från ett kraftverk men elen istället produceras med hjälp av fossila bränslen kommer nettoutsläp- pen att öka. En bergvärmepump behöver därmed inte innebära en given förbättring ur ett samhällsperspektiv varför det är av yttersta vikt att driften optimeras så lång det är möjligt.

Projektet går ut på att utvärdera nyttan av att driva en bergvärmepump med lägre

öde över förångare än över borrhålet. Detta åstadkommes genom att bygga en by-pass på värmepumpens förångarsida och låta en del av köldbäraren från borrhålet recirkulera utan att passera förångaren. Flödet i by-passledningen justeras med hjälp av en manuell injusteringsventil.

Nyttan av ett lägre förångaröde är att man då sparar pumpenergi för cirkulation av köldbäraren. En förutsättning är dock att tryckfallet över förångaren dominerar över tryck- fallet över borrhålet. Ett ökat köldbäraröde kommer att öka värmepumpens värmefaktor men samtidigt kommer pumpenergin att öka. Rimligtvis nns ett max i systemets vär- mefaktor då en ytterligare ökning av köldbärarödet kräver mer pumpeekt än vad som erhålls i ökad kondensoreekt.

1.1 Relevans

Fokus i studien ligger på optimering av bergvärmepumpar främst i villor och erbostads- hus. Trenderna som kommer visas i hur värmepumpen fungerar rent tekniskt är dock inte beroende av storleken på värmepumpen.

Frågeställningen är intressant eftersom bergvärmeanläggningar idag nästan uteslutande byggs med en kopplingsprincip som innebär lika köldbäraröde genom borrhål och förånga- re. Det nns tiotusentals anläggningar på svenska marknaden idag så om det är möjligt att optimera bentliga anläggningar kan det innebära en betydande nationell energibesparing.

En anläggning kan enkelt byggas om med en by-pass för att möjliggöra olika öden över borrhål och förångare.

Studien är också relevant eftersom artiklar med köldbärarödet i fokus är få och sällan

behandlar ett system med borrhål. Om köldbärarödet undersöks är det ofta bara själva

värmepumpens värmefaktor som studeras och inte vad som händer med pumpeekt och

borrhålets prestanda. Att undersöka köldbärarödet ur ett systemperspektiv är begränsat

utfört.

1.2 Tidigare arbete

Granryd (2010) undersöker sekundära ödet ¹ i förångare och kondensor och dess inverkan på systemets verkningsgrad. Rapporten behandlar direkta system, dvs. system utan en sekundär vätska där istället förångare är luftvärmd med en äkt. Simuleringar presenteras där systemets verkningsgrad undersöks som funktion av ödeshastigheten genom förånga- ren. Resultaten visar tydligt att det nns ett maximum där en ökning av ödeshastigheten ger en lägre värmefaktor för systemet. Samma sak visas av Granryd (2007) där istället in- direkta system undersöks och köldbärarens inverkan på systemets värmefaktor presenteras.

Samtidigt visas att högre köldbäraröde ger en högre förångningstemperatur vilket alltså ger högre värmeöverföring i förångaren.

Det nns ertalet rapporter som undersöker systemets värmefaktor ur längre tidsper- spektiv, bland andra Bakirci (2010) och Ozyurt och Ekinci (2011). Dessa har dock med fokus på hur framförallt bergets temperatur påverkar värmefaktorn för både värmepumpen och systemet. Bakirci (2010) utför körningar med en värmepump över cykler på 16 timmar och visar att värmefaktorn sjunker under hela körningen. Samtidigt visas att markens tem- peratur(i borrhålet) fortsätter att minska under hela körningen där minskningens hastighet avtar med körningens längd. Olika köldbäraröden testas ej. Det nns ertalet artiklar i likhet med Bakirci (2010) där ingen driftparameter egentligen isoleras utan tester utförs i syfte att utreda systemets prestanda under vanliga driftförhållanden. Artikeln säger ingenting om optimering av systemet.

Ozyurt och Ekinci (2011) utför tester vid två olika köldbäraröden där det högre ödet ger en högre värmefaktor för både värmepumpen och systemet. Artikeln drar slutsatsen att man måste ta hela systemet i beaktande vid optimering av värmepumpar och inte fokusera på enbart värmepumpen. Designfaktorer som framförallt cirkulationspumpar och tryckfall i systemet är av största vikt för att erhålla en värmefaktor för systemet som är accepterbar.

Chung och Choi (2012) studerar värmepumpens värmefaktor vid förändrat köldbärar-

öde i en testrigg med konstant temperatur för värme- och köldbärare in i kondensor respektive förångare. Studien visar tydligt att värmepumpens värmefaktor ökar med ökat köldbäraröde och att ökningens hastighet minskar med ökat köldbäraröde. Även ef- fektförbrukning för cirkulationspumpar räknas med och det visas att det nns ett max i systemets värmefaktor då en ökning av ödet sänker värmefaktorn på grund av ökad pum- peekt. Resultaten är i enlighet med Granryd (2007). Kongurationen med en by-pass på köldbäraren förekommer inte i någon av de studerade artiklarna.

1.3 Syfte och mål

Syftet med denna studie är att undersöka nyttan av att driva en bergvärmeanläggning med olika öden genom borrhål och värmepumpens förångare. För att erhålla vetenskapligt säkra resultat krävs dock en mycket omfattande experimentserie vilken inte ryms inom ramen för ett kandidatexamensarbete. Denna studie fyller därför även ett syfte att ligga till grund för vidare experiment. Fokus har legat på att utföra experiment med hög kvalitet även om det får som konsekvens att antalet testade driftfall är för få för att dra några denitiva slutsatser om det övergripande syftet.

1

Sekundär refererar till värme- och köldbärare. Primär vätska är köldmediet i värmepumpen

1.3.1 Delmål

Delmål har formulerats i form av frågorna nedan. Även om delmål 4 är det som är kärnan i studien fyller alla delmål en funktion i att ge en övergripande bild av köldbärarödets inverkan på systemet.

1. Hur påverkas värmepumpens COP 1 av förändrat köldbäraröde?

2. Hur påverkas eektuttaget ur ett borrhål av köldbärarödet?

3. Hur påverkas den nödvändiga pumpenergin för att cirkulera köldbäraren när ödet förändras?

4. Hur påverkas systemets värmefaktor (COP sys ) av att köldbärarödet optimeras för

både borrhål och förångare?

2 Metodik

Studien är huvudsakligen experimentellt utförd med en begränsad litteraturstudie för att sätta detta arbete i ett perspektiv.

De utförda experimenten är relativt tidskrävande eftersom de termodynamiska proces- serna i systemet är relativt tröga och lång tid krävs för att erhålla stabila förhållanden.

Systemets beteende under långa värmepumpscykler är också intressant att studera var- för experimentserien avslutades med att testa endast ett enskilt driftfall vid varje tillfälle.

Fokus har legat på att få hög kvalitet på få mätpunkter istället för att mäta vid många olika driftfall med större osäkerhet som konsekvens. Frågeställningen kommer att fortsätta undersökas i senare studier efter denna varför det är viktigt att ta fram och tillämpa en mätmetodik som ger högkvalitativa mätdata. På så sätt ligger denna studie till grund för vidare experiment.

2.1 Systemgräns

Studien undersöker bergvärmeanläggningar med ett eller era borrhål samt en värmepump.

I kapitel 2.3.2 beskrivs den specika testanläggningen i detalj. För att jämföra systemets värmefaktor vid olika driftförhållanden krävs att drivenergi för cirkulationspumpar räknas med samt att öde och temperaturfall över värmepumpens kondensor mäts. Därför om- sluter systemgränsen hela köldbärarsidan samt hela värmepumpen. Systemgränsen nns ritad i gur 2.

Värmebärare och pumpeekt för att cirkulera denna är ej med inom systemgränsen.

Anledningen till detta är att värmebärarödet hålls konstant under alla tester varför inte pumpeekten kommer att förändras. Att räkna med den skulle bara leda till ytterligare en felkälla som inte är nödvändig för att undersöka frågeställningen. Trender som kommer visas i studie kan bestämmas oberoende av pumpeekt för cirkulation av värmebäraren.

Värmebärarens öde och temperaturer in och ut ur kondensorn måste dock mätas för att beräkna avgiven eekt från värmepumpen. Detta beskrivs i kapitel 2.2.1.

2.2 Grundläggande ekvationer 2.2.1 Överförd eekt i kondensor

För att beräkna överförd eekt i värmepumpens kondensor mäts värmebärarens öde samt in- och utgående temperaturer. Den värme som tillförts värmebäraren är samma som över- förts i kondensorn. Överförd eekt beräknas enligt följande ekvation (Ekroth och Granryd, 2010).

Q ˙ 1 = ˙ V 1 · ρ ₁ · C _p−1 · (T ₁₋₂ − T ₁₋₁ ) (1) där

Q ˙ 1 är värmepumpens överförda eekt i kondensorn. [W]

V ˙ ₁ är värmebärarens volymöde. [m ³ /s ] ρ ₁ är värmebärarens densitet. [kg/m ³ ]

C _p−1 är värmebärarens specika värmekapacitet. [kJ/(kg · K)]

T 1−1 är värmebärarens temperatur in i kondensorn. [ ^◦ C]

T 1−2 är värmebärarens temperatur ut ur kondensorn. [ ^◦ C]

Ekvation 1 används även för beräkning av utvunnen eekt ur borrhålen. Då används istället köldbärarens densitet, volymöde och specik värmekapacitet samt temperaturhöjningen över borrhålet.

2.2.2 Denition av COP 1

COP 1 är förkortningen av engelskans Coecient Of Performance och avser värmepumpens värmefaktor(Verkningsgrad i kylfallet brukar betecknas COP 2).

COP 1 = Q ˙ 1

E ˙ _K (2)

där

E ˙ K är värmepumpens kompressoreekt. [W]

I denna rapport är dock systemets värmefaktor av intresse varför istället COP 1 sys denie- ras enligt

COP 1 sys =

Q ˙ ₁ E ˙ K + ˙ E P 2

(3) Där

E ˙ P 2 är pumpeekt för cirkulationspump P2(köldbärarpumpen) (Se gur 2 för vilken pump som avses). [W]

2.2.3 Reynolds tal

Reynolds tal är en dimensionslös konstant som beskriver huruvida en uids strömning är laminär eller turbulent. För strömning i rör denieras Reynolds tal som

Re = ρvd

µ (4)

där

ρ är uidens densitet. [kg/m ³ ] v är uidens hastighet i röret. [m/s]

d är rörets diameter. [m]

µ är uidens dynamiska viskositet. [Pa·s]

För rörströmning med normal ytråhet är kritiskt värde för omslag till turbulent strömning

Re ≈ 2000 och vid Re >2300 råder fullt utvecklad turbulens (Ekroth och Granryd, 2010).

2.3 Utrustning och tester

För att besvara frågeställningen användes två olika laborationsuppställningar. En testrigg för värmepumpar ² användes för att studera värmepumpens värmefaktor vid förändrat köld- bäraröde. Även pumpeekt mättes för att ge en indikation på hur stor påverkan den har på systemets totala värmefaktor. Riggen är belägen i Norsholm söder om Norrköping och är beskriven i detalj i kapitel 2.3.1.

Den andra laborationsuppställningen ³ är belägen i Vallentuna norr om Stockholm och användes för att utvärdera kopplingsprincipen med en by-pass samt för att studera syste- mets värmefaktor vid förändrat köldbäraröde. Laborationsuppställningen är en bentlig bergvärmeanläggning belägen i en enplansvilla och är beskriven i detalj i kapitel 2.3.2.

2.3.1 Värmepumpens värmefaktor

Principen för Laborationsuppställning 1 visas i gur 1. Värmepumpen som använts är en Rydell & Lembke EC Multi 903P med R407C som köldmedie och en märkt kondensoreekt på 35 kW. I testriggen ansluts värmare och kylare på värmepumpens förångar- respektive kondensorsida. Temperaturerna in på respektive sida(T1-1 och T2-1) kan därmed hållas konstanta. Flöden för både värmebärare och köldbärare är möjliga att reglera genom att förändra respektive cirkulationspumps varvtal. Testriggen är likvärdig med den som an- vänds av Chung och Choi (2012).

Figur 1: Principskiss för Laborationsuppställning 1

Köldbärarödets inverkan på värmepumpens värmefaktor studerades genom att låta köldbärarödet variera samtidigt som temperatur på ingående köldbärare och värmebära- re samt värmebärarens öde hölls konstant. Testerna syftade till att besvara delmål 1 och 3. Köldbärarödet förändrades genom att ändra cirkulationspumpens varvtal. För varje varvtal hos cirkulationspumpen mättes öde och temperaturdierenser för både värmebä- rare och köldbärare samt kompressorns och köldbärarpumpens förbrukade eleekt. Med hjälp av dessa mätningar bestämdes COP 1 och COP 1 sys vid varje köldbäraröde enligt ekvationerna 2 och 3.

Varje driftfall testades under minst 30 minuter eller tills uktuationer hos de mätta parametrarna verkade ha nått ett minimum. Mätvärden loggades var 30:e sekund under hela mätperioden och de presenterade mätpunkterna är beräknade som medelvärden av mätvärdena under de sista 16 minuterna av mätningen.

2

I fortsättningen benämnes denna laborationsuppställning 1

3

I fortsättningen benämnes denna laborationsuppställning 2

2.3.2 Systemets värmefaktor och utvärdering av by-pass

Figur 2 visar Laborationsuppställning 2 som användes för mätningar i Vallentuna. På radi- atorkretsens returledning monterades en värmeväxlare för att kyla returvattnet och på så sätt simulera ett värmebehov i huset även om utetemperaturen var hög. På så sätt kan vär- mepumpen vara i drift kontinuerligt istället för att stanna när framledningstemperaturen på värmesystemet är tillräcklig. Värmeväxlaren kyls med kallvatten och kallvattenödet regleras med en tappkran. Genom att justera kallvattenödet kan stabila temperaturer erhållas på värmebärarens retur vilket ger värmepumpen stabila driftförutsättningar.

Figur 2: Principskiss för Laborationsuppställning 2

Systemet har två borrhhål, BH1 och BH2, samt en värmepump. Värmepumpen är en

IVT PremiumLine EQ E10 med R410A som köldmedie och en märkt kondensoreekt på

2.4 Tester laborationsuppställning 2

De specika driftfallen som utfördes i laborationsuppställning 2 är beskrivna i kapitel 3.2.

Initialt var idén att testa många driftfall där borrhålsödet varieras för olika öden över förångare. Det skulle dock visa sig att problem uppstod med testanläggningen vilket gjorde att några stabila förhållanden ej kunde erhållas. Därför är de presenterade resultaten lika mycket en förklaring till varför de första testerna inte gav några tillförlitliga resultat som en undersökning av den faktiska frågeställningen. När anläggningen till slut var utformad på ett sätt som tillät högkvalitativa tester och en mätmetodik var utformad fanns endast tid kvar för att testa 3 driftfall.

Den metodik som till slut användes var att köra varje driftfall under lång tid och se- dan låta systemet återhämta sig under minst en natt. På så sätt får varje driftfall så lika förutsättningar som det är möjligt. Mätvärden antecknades under hela körningen med ca 3 minuters intervall under körningens början till ca 10 minuters intervall under körning- ens senare del. Under fortsatta tester kommer loggningsutrustning att installeras för att möjliggöra tester under längre tid och med högre precision.

De slutliga driftfallen valdes för att testa både olika borrhålsöden vid samma förång- aröde samt högre öden över förångare. Intentionen var att testa borrhålsöden vid både laminära och turbulenta strömningsförhållanden men vid den tidpunkt då testerna utför- des var borrhålskollektorns dimensioner okända varför en uppskattning utfördes. Det skulle visa sig att samtliga driftfall utfördes vid turbulenta förhållanden så den undersökningen återstår att göra.

2.5 Sammanställning och databehandling

Resultaten från laborationsuppställning 1 loggades under hela körningen och de presente- rade mätpunkterna är beräknade som medelvärden av mätvärdena under körningens sista 16 minuter. Fluktuationerna under körningen var mycket små och avvikelsen från de pre- senterade punkterna är mycket låg, dock är den inte kvantierad i denna studie.

Resultaten från laborationsuppställning 2 visade på mycket högre uktuationer varför

mätdatan är presenterad direkt i diagram utan vidare behandling. Undantaget är resul-

taten från Test 1 och 2 där era driftfall testades under samma körning. Där presenteras

systemets värmefaktor som funktion av sammanlagt öde i borrhålen i gur 10. Punkterna

i den guren är beräknade som medelvärdet av de sista 5 mätvärdena under respektive

driftfall. Detta gjordes för att få en indikation på resultaten från Test 1 och 2 eftersom

presentationen av ren mätdata hade varit svårtolkad. Under driftfallen 1-3 där endast ett

driftfall testades vid varje körning är det dock lätt att tolka resultaten utan vidare behand-

ling av mätdatan.

3 Resultat

Nedan presenteras resultaten från de utförda experimenten. Resultaten är uppdelade i vil- ken ordning de erhölls under projektet och i kapitel 3.1 presenteras resultaten från den förstudie som syftade till att förstå hur värmepumpen i sig reagerar på förändrat köldbä- raröde. I kapitel 3.2 utreds projektets kärnfråga om nyttan av olika öden över förångare och borrhål varför även denna del fått betydligt mer utrymme i rapporten. Resultaten presenterade i kapitel 3.1 får anses vara allmänt kända sen tidigare och inga nya insikter presenteras.

3.1 Värmepumpens värmefaktor

Figur 3 visar värmefaktorn för den testade värmepumpen vid olika köldbäraröden. För experimenten användes laborationsuppställning 1. Testerna utfördes 14:e och 15:e februari 2013.

0.5 1 1.5 2

3 3.5 4 4.5

K¨oldb¨ararfl¨ode [l/s]

C O P 1

C OP 1 C OP 1

Figur 3: Värmepumpens och systemets värmefaktor som funktion av köldbärarödet

Upp till köldbärarödet 1,4 l/s ökar COP 1 system men vid 1,6 l/s planar kurvan ut och

visar tendens att sjunka. En ökning av köldbärarödet från 1,4 l/s till 1,6 l/s ger alltså

inte någon höjning av systemets värmefaktor. Dock kan en höjning av köldbärarödet vara

motiverad så länge inte värmefaktorn minskar eftersom kondensoreekten ökar. Värme-

pumpens värmefaktor fortsätter öka med ökat köldbäraröde och visar inga tendenser att

plana ut. Ökningen är näst intill linjär från ca 1 l/s och uppåt.

0.5 1 1.5 2 24

26 28 30 32 34 36 38

K¨oldb¨ararfl¨ode [l/s]

E ff ek t [k W ]

Q ˙

Figur 4: Avgiven kondensoreekt som funktion av köldbärarödet

Figur 4 visar att värmepumpens avgivna eekt i kondensorn ökar näst intill linjärt med köldbärarödet. Hur denna kurva ser ut är rimligtvis specikt för varje värmepump och är beroende av ertalet designfaktorer hos värmepumpen. Den frågeställningen ligger dock utanför denna studie. Det viktiga resultatet här är att kondensoreekten ökar med ökat köldbäraröde vilket är en förutsättning för att värmefaktorn ska öka.

0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5

K¨oldb¨ararfl¨ode [l/s]

E ff ek t [k W ]

E ˙

E ˙

- tredjegradspolynom

Figur 5: Pumpeekt som funktion av köldbärarödet

Figur 5 visar förbrukad eleekt av köldbärarpumpen vid förändrat öde genom förång-

aren. Pumpeekt har enligt grundläggande strömningsmekanisk teori ett kubiskt förhål-

lande (E p ∼ ˙ V ³ ) mot öde vilket stämmer väl överens med dessa resultat. I guren är

ett interpolerat tredjegradspolynom inlagt för jämförelse och polynomet passar väl med de

uppmätta punkterna.

3.2 Systemets värmefaktor och utvärdering av by-pass

Med laborationsuppställning 2 utfördes tester för att utvärdera nyttan av ett lägre öde genom förångaren än genom borrhålen. Testerna utfördes vid sex olika tillfällen och re- sultaten är alla beskrivna i detalj nedan. Mätmetoden ändrades efter tillfällena 2 och 3 eftersom det var svårt att få stabilitet i mätningarna med den metod som först användes.

Dessa två mätningar är därför benämnda Test 1 respektive Test 2 emedan de tre avslutan- de mätningarna, vid då tre olika driftfall, är benämnda Driftfall 1,2 och 3. Resultaten från Test 1 och 2 redovisas mest för att visa på varför de inte ger säkra resultat. Det skulle dock visa sig att de slutsatser som kan dras av Test 1 och 2 inte strider mot de som Driftfall 1,2 och 3 ger. Den första mätningen är benämnd Test 0 och utfördes innan värmeväxlaren på värmebäraren installerades.

3.2.1 Test 0

V ˙ ₂ [l/s] V ˙ _BH1 [l/s] V ˙ _BH2 [l/s]

Test 0 0,645 0 0,555

Tabell 1: Flöden genom förångare och borrhål under Test 0

Den första körningen utfördes 26 mars 2013 med ett borrhål öppet. Det specika syf- tet med mätningen var att köra ett och samma driftfall tills dess att alla temperaturer ställt in sig och stabilitet rådde i systemet. På så sätt skulle en lämplig testlängd kunna bestämmas. Ett problem uppstod dock med att värmebärarens returtemperatur kontinu- erligt ökade under testet eftersom utetemperaturen var hög och inget värmebehov rådde i huset som värmepumpen betjänar. Värmepumpens producerade värme kyldes således inte bort vilket ck till följd att inga stabila förhållanden kunde erhållas. Figur 6 visar systemets värmefaktor under testet. Värmepumpen stannade efter 21 minuter på grund av tillräcklig framledningstemperatur på värmesystemet. 56 minuter senare startade den igen för att gå i 19 minuter.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

2.6 2.8 3 3.2 3.4

Tid [h]

C O P 1

Test 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 38

40 42 44 46 48 50

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

Test 0

Figur 7: Värmebärarens returtemperatur under Test 0

På grund av problematiken med värmebärarens returtemperatur installerades en kall-

vattenkyld värmeväxlare på returledningen. På så sätt simulerades ett värmebehov och

värmebärarens temperatur in i kondensorn kunde hållas konstant. Inkopplingen är beskri-

ven i kapitel 2.3.2.

3.2.2 Test 1 och 2

V ˙ 2 [l/s] V ˙ BH1 [l/s] V ˙ BH2 [l/s]

Test 1a ⁵ 0,725 0,405 0,374

Test 1b 0,719 0,499 0,462

Test 1c 0,721 0,600 0,556

Test 1d 0,719 0,637 0,590

Test 2a 0,599 0,664 0,615

Test 2b 0,600 0,462 0,426

Tabell 2: Flöden genom förångare och borrhål under Test 1 och 2

Idén med testerna var att förändra ödet över borrhålet samtidigt som förångarödet hölls konstant. Detta kan åstadkommas genom att förändra köldbärarpumpens varvtal och sedan justera balanseringsventilen på by-passledningen för att erhålla rätt öde över förångaren. Varje ödeskonguration skulle köras tills dess att stabilitet hos de mätta parametrarna rådde. Eftersom Test 0 inte gav något svar på hur lång en körning bör vara var huvudsyftet med Test 1 och 2 att besvara just detta.

Test 1 utfördes den 10 april 2013 och påbörjades 11:36 för att avslutas 16:10.Testet utfördes vid fyra olika borrhålsöden(beskrivna ovan som Test 1a-d). Det lägsta ödet testades först och ödet ökades sedan under dagen. Test 2 utfördes den 12 april 2013 och påbörjades 10:34 för att avslutas 13:36. Detta test utfördes vid 2 olika borrhålsöden(Test 2a och 2b)där borrhålsödena sänktes från Test 2a till 2b.

Den viktigaste lärdomen av dessa tester var att köldbärarens temperatur från borr- hålen fortsätter att minska under hela körningarna eftersom det råder ett nära konstant eektuttag ur borrhålen. Borrhålen får alltså ingen möjlighet att återhämta sig mellan de olika testerna. Det får som konsekvens att varje ödeskonguration får olika driftförutsätt- ningar eftersom köldbärartemperaturen hela tiden förändras. Figur 8 visar temperatur till och från borrhålen under Test 1.

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

T

BH1

T

BH1

T

BH2

T

BH2

när ödet ändras vilket indikerar att ödet har väldigt liten, eller ingen, påverkan på köldbärarens temperaturer. Det som kan ses är att temperaturskillnaden över borrhålet är större i början och minskar under testet vilket är en följd av att ödet ökas.

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

T

BH1 T

BH1 T

BH2 T

BH2

Figur 9: Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Test 2

Figur 9 visar motsvarande kurvor för Test 2. Under testet stängdes inte kylningen av under uppehållet vilket kan ses genom att köldbärartemperaturen fortsätter sjunka under hela testet. Även här kan ödesförändringarna tydas av en förändrad temperaturhöjning över borrhålen.

Systemets värmefaktor för Test 1a-2b visas i gur 10. Värdena är beräknade som me- delvärdet av de 5 sista mätpunkterna som registrerats under varje ödeskonguration. En trend kan tydas i att värmefaktorn minskar med ökat borrhålsöde. Det högre förångar-

ödet i Test 1 tycks också leda till en högre värmefaktor.

0.5 1 1.5

4.5 5 5.5

Sammanlagt fl¨ode i BH1 och BH2 [l/s]

C O P 1

Test 1 Test 2

Figur 10: Systemets värmefaktor vid de olika ödeskongurationerna under Test 1 och 2

Trenderna som visas i gur 10 kan dock inte enbart antas bero av ödena eftersom alla

punkter är mätta vid olika köldbärartemperaturer. I gur 11 visas värmepumpens avgivna

kondensoreekt under testerna. Avgiven eekt tycks sjunka under hela körningen från runt

12 till 11 kW för Test 1 och runt 11,5 till 10,5 kW för Test 2. Den sjunkande eekten kan rimligtvis förklaras med den sjunkande köldbärartemperaturen vilket gör att en mätpunkt från körningens start inte är jämförbar med en från körningens senare del. Denna slutsats leder fram till mätmetoden för Driftfall 1,2 och 3 där endast en ödeskonguration testades vid varje körning.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

4 6 8 10 12 14

Tid [h]

E ff ek t [k W ]

Test 1 Test 2

Figur 11: Avgiven eekt i kondensorn ( ˙Q 1 ) under Test 1 och 2

3.2.3 Driftfall 1,2 och 3

V ˙ ₂ [l/s] V ˙ _BH1 [l/s] V ˙ _BH2 [l/s] Re BH1 Re _BH2

Driftfall 1 0,700 0,645 0,598 4791 4441

Driftfall 2* 0,694 0,386 0,357 2865 2652 Driftfall 3* 1,003 0,556 0,515 4134 3825

Tabell 3: Flöden genom förångare och borrhål under Driftfall 1,2 och 3 samt Reynolds tal för de respektive borrhålen.

Slutligen testades tre stycken driftfall i syfte att ge en indikation på eekten av olika

öden över borrhål och förångare. Driftfall 1 kördes med ett högre öde över borrhålen

än över förångaren emedan Driftall 2 och 3 båda kördes med stängd by-pass. I Driftfall 3

höjdes förångarödet för att se eekten av ett lägre temperaturfall över förångaren(vilket

leder till högre förångningstemperatur). Driftfall 1 genomfördes den 17 april 2013 kl. 10:52-

15:59, Driftfall 2 den 18 april 2013 10:29-14:51 och Driftall 3 genomfördes den 23 april 2013

med start 10:36 och avslutande 15:37. Målet var i alla tre fallen att ha en testtid uppåt

fem timmar. Driftfall 2 var dock tvunget att avbrytas eftersom värmepumpen stannade på

grund av för lågt inställd framledningskurva för värmebäraren. Reynolds tal i borrhålen

för de olika driftfallen är presenterade i tabell 3. Köldbärarvätskans egenskaper är använda

på Reynolds tal vara laminär (Ekroth och Granryd, 2010). Det är dock orimligt att det är så i detta fall.

Köldbärarens temperatur för de tre driftfallen mättes under hela körningarna och är presenterade i gurerna 12, 13 och 14.

Under Driftfall 1 gjordes två uppehåll i mätningarna, det första för lunch, och det andra för att värmepumpen växlade över för att producera varmvatten. Värmepumpen jobbar vid varmvattenproduktion under helt andra förutsättningar under en period på ca 20 minuter (framförallt med kraftigt höjd värmebärartemperatur) vilket förklarar att de första mätpunkterna efter uppehållet har en högre köldbärartemperatur. Temperaturhöj- ning var ca 1,6-1,7 ^◦ C för BH1 och 1,7-1,8 ^◦ C för BH2 under hela körningen (de lägre värdena registrerades under körningens andra halva).

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

T

BH1 T

BH1 T

BH2 T

BH2

Figur 12: Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Driftfall 1

Under Driftfall 2 gjordes ett längre uppehåll för lunch samt för att värmepumpen väx- lade över till varmvattenproduktion. Samma tendens med en högre köldbärartemperatur efter varmvattenproduktionen som kan ses under Driftfall 1 kan tydas även här. Tempera- turhöjningarna låg på 2,8 - 2,9 ^◦ C för BH1 och 2,9-3,0 ^◦ C för BH2 där även här det lägre värdet registrerades i körningens slutskede.

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

T

BH1 T

BH1 T

BH2 T

BH2

Figur 13: Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Driftfall 2

Även under Driftfall 3 gjordes två uppehåll, det första för lunch och det andra för att värmepumpen växlade över till varmvattenproduktion. Köldbärartemperaturen beter sig på samma sätt som under både Driftfall 1 och 2 efter varmvattenproduktionen. Tempera- turhöjningar var 1,9-2,0 ^◦ C för BH1 och 2,0-2,1 för BH2 där det lägre värdet, i likhet med tidigare körningar, registrerades i körningens slutskede.

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

T

BH1 T

BH1 T

BH2 T

BH2

Figur 14: Köldbärarens temperatur till och från borrhålen under Driftfall 3

Figur 15 visar en sammanställning av temperaturhöjningen för respektive borrhål under de tre Driftfallen. Tydligt är att temperaturhöjningen är beroende av borrhålsödet vilket är ett förväntat resultat. Ett högre öde ger en lägre temperaturhöjning och vice versa.

0 1 2 3 4 5 6

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Tid [h]

∆ T [

C ]

BH1 - Driftfall 1 BH2 - Driftfall 1 BH1 - Driftfall 2 BH2 - Driftfall 2 BH1 - Driftfall 3 BH2 - Driftfall 3

Figur 15: Temperaturhöjning över respektive borrhål för Driftfall 1-3

Under alla tre körningarna sjönk den avgivna eekten i värmepumpens kondensor precis som under Test 1 och 2. Figur 16 visar den avgivna kondensoreekten för de tre driftfallen.

Driftall 3 tycks ha en något högre avgiven eekt framförallt mot körningens senare del vilket rimligtvis kan förklaras med det högre ödet genom förångaren, i enlighet med resultaten som presenteras i gur 4.

0 1 2 3 4 5 6

10 10.5 11 11.5 12 12.5

Tid [h]

˙ Q

[k W ]

Driftfall 1 Driftfall 2 Driftfall 3

Figur 16: Avgiven eekt i kondensorn ( ˙Q 1 ) under Driftfall 1-3

Figur 17 visar systemets värmefaktor under hela körningen vid Driftfall 1,2 och 3.

Tydligt är att det lägre borrhålsödet i Driftfall 2 ger en högre värmefaktor under hela körningen. Under körningens senare del stabiliserar sig värmefaktorn kring 5,1 vilket kan jämföras med 4,6 och 4,7 för Driftfall 1 respektive 3. Skillnaden i värmefaktor kan till störst del härledas till skillnaden i pumpeekt mellan de tre driftfallen. I Driftall 1 uppmättes en pumpeekt för cirkulation av köldbäraren till 0,304 kW, i Driftfall 2 uppmättes 0,112 kW och i Driftfall 3 uppmättes 0,281 kW.

0 1 2 3 4 5 6

4.5 5 5.5 6 6.5

Tid [h]

C O P 1

Driftfall 1 Driftfall 2 Driftfall 3

Figur 17: Systemets värmefaktor vid Driftfall 1-3

Figur 18 visar utvunnen eekt ur borrhålen vid Driftfall 1. I körningens inledning är eektuttaget betydligt högre eftersom det då är energi som är lagrad i köldbäraren som utvinns. Detta kan också ses i gurerna 12, 13 och 14 som visar köldbärarens temperaturer under de respektive körningarna. Där kan man tydligt se att temperaturerna från borrhålen är betydligt högre i början av körningen än då köldbäraren har fått cirkulera ett tag.

Eektuttaget är sedan relativt konstant under körningens senare del. De uktuationer som kan tydas beror till stor del på att temperaturer till och från borrhålen endast kunde läsas av med en decimals noggrannhet varför temperaturhöjningen över borrhålet kan uktuera 0.1 ^◦ C mellan mätpunkterna. Fluktuationerna hos köldbärarens temperaturhöjning över borrhålen kan tydligt ses i gur 15.

0 1 2 3 4 5 6

4 4.5 5 5.5 6

Tid [h]

E ff ek t [k W ]

Effektuttag BH1 Effektuttag BH2

Figur 18: Eektuttag ur BH1 och BH2 under Driftfall 1

Figur 19 visar eektuttaget ur borrhålen vid Driftfall 2. Samma tendenser som under Driftfall 1 kan tydas och anmärkningsvärt är att de förändrade borrhålsödet inte leder till någon uppenbar förändring i utvunnen eekt. Flödet verkar således ha liten inverkan på eektuttaget ur borrhålet.

0 1 2 3 4 5 6

4 4.5 5 5.5 6

Tid [h]

E ff ek t [k W ]

Effektuttag BH1

Effektuttag BH2

Figur 20 visar eektuttaget ur borrhålen vid Driftfall 3. Kurvorna har samma utseende som de för Driftfall 1 och 2. Eektuttaget är något högre än under de andra två driftfallen framförallt under körningens senare del.

0 1 2 3 4 5 6

4 4.5 5 5.5 6

Tid [h]

E ff ek t [k W ]

Effektuttag BH1 Effektuttag BH2

Figur 20: Eektuttag ur BH1 och BH2 under Driftfall 3

4 Diskussion

Studiens resultat har inte givit motstridiga resultat vilket gör att indikationer på slutsat- ser kan dras. Det krävs dock en betydligt större experimentell studie med veriering av resultaten i ytterligare anläggningar för att klara slutsatser ska kunna dras.

4.1 Resultat

Nedan diskuteras resultaten uppdelat på de olika delmålen.

4.1.1 Delmål 1

Experimenten som utfördes för att studera hur värmepumpens värmefaktor förändras med köldbärarödet gav mycket tydliga och stabila resultat. Chung och Choi (2012) utför sam- ma experiment med en likvärdig laborationsuppställning och kommer fram till samma resultat. Värmepumpens värmefaktor ökar med köldbärarödet och kurvans lutning mins- kar ju högre öde som matas till förångaren. Resultaten som visas i denna studie visar dock på större skillnad mellan värmepumpens värmefaktor och systemets värmefaktor än vad Chung och Choi (2012) visar. Detta kan rimligtvis förklaras med att laborationsuppställ- ningarnas utformning skiljer sig i fråga om tryckfall. Entydigt är dock att värmepumpens värmefaktor ökar med ökat köldbäraröde vilket även är i enlighet med grundläggande teori om värmeväxlare där ett högre öde genom förångaren höjer medeltemperaturen på köldbärarsidan vilket leder till högre värmeöverföring i förångaren.

Granryd (2007) och Granryd (2010) plottar analytiska uttryck för ett systems värme- faktor vid antingen förändrat köldbäraröde eller förändrat luftöde genom förångaren i fall med luftvärmd förångare. Båda visar tydligt att systemets värmefaktor initialt ökar med ödet men sedan minskar då tryckfallet blir för högt och pumpenergin dominerar över den ökade avgivna eekten i kondensorn. Alla kurvor visar på ett tydligt max. Resultaten från denna studie och de som visas av Chung och Choi (2012) visar dock på att denna minskning i systemets värmefaktor vid högre öden genom förångare inte är så tydlig som de analytiska uttryck som Granryd (2007) och Granryd (2010) visar.

4.1.2 Delmål 2

Frågan om hur eektuttaget ur ett borrhål förändras av förändrat köldbäraröde är väl- digt begränsat utredd i denna studie. Det har endast funnits tid för tre olika driftfall där två har i princip samma borrhålsöde. Den begränsade tiden för studien tvingade fram en kompromiss eftersom det även var intressant att testa olika öden genom förångaren.

Intentionen var att testa borrhålsöden vid både turbulenta och laminära strömningsför-

hållanden eftersom det troligtvis är vid det omslaget som en skillnad, om den nns, borde

kunna upptäckas. Vid experimenten var dock u-rörskollektorns dimensioner fortfarande

okända varför inte Reynolds tal kunde beräknas. Detta medförde att en uppskattning av

vilka driftfall som var intressanta var tvungen att göras. Det lägsta ödet som testades skul-

le dock visas sig ligga över den gräns på 2300 för Reynolds tal som brukar används för att

4.1.3 Delmål 3

De experimentella data som erhållits strider ej mot grundläggande teori. Resultatet om pumpeektens relation till öde är förväntat.

4.1.4 Delmål 4

Detta delmål behandlar kärnfrågan i studien om hur systemets värmefaktor påverkas av att ödet optimeras för både borrhål och förångare. Studien har inte givit något klart svar på detta eftersom inte tillräckligt många försök är utförda för att besvara vad som faktiskt är optimalt. Vad studien visat är att vad som kan vara ett optimalt öde för systemet inte nödvändigtvis är ett optimalt öde för respektive ingående komponent.

Tillverkare av värmepumpar anger nominella öden vid vilka värmepumpen ska arbeta.

Hur dessa bestäms är dock inte utrett och eftersom denna studie visat att värmepumpen får bättre värmefaktor desto högre öde den har kan det ifrågasättas om inte ödet över förångaren faktiskt ska bestämmas av hur systemet i övrigt är designat. Om ödet kan höjas utan att systemets värmefaktor minskar är höjningen motiverad eftersom då högre eekt avges i värmepumpens kondensor.

Om man istället betraktar borrhålet så har denna studie inte visat på någon märkbar skillnad i borrhålets prestanda vid förändrat öde. Acuña (2013) undersöker ödets in- verkan på en U-rörskollektors prestanda. Vid mycket låga öden blir temperaturskillnaden mellan nedåt- och uppåtgående köldbärarvätska hög vilket leder till att värme överförs från den uppåtgående vätskan till den nedåtgående vilket inte är önskvärt.

Delmålet handlar om att besvara hur systemets värmefaktor påverkas av att ödet genom förångare respektive borrhål optimeras. Eftersom för få driftfall har kunnat testas

nns inget klart svar på den frågan. Dock visar resultaten att Driftfall 2 ger betydligt högre värmefaktor än både Driftfall 1 och 3. Det som skiljer ut Driftfall 2 från de övriga är att borrhålsödet är betydligt lägre vilket ger en avgörande lägre pumpeekt och därmed högre värmefaktor för systemet. Det lägre borrhålsödet tyckas ha liten eller ingen påverkan på borrhålets eektuttag vilket redan är diskuterat ovan. Studien har hittills inte visat på någon nytta att ha ett lägre öde genom förångaren än genom borrhålet. Däremot visas att ett högre förångaröde tycks ge en högre värmefaktor för systemet.

4.2 Felkällor

Eftersom den utförda studien är experimentell nns en mängd källor till möjliga fel. Varje mätare som använts har en viss upplösning och kan visa värden med en viss noggrannhet.

För att i ett senare skede kunna presentera resultaten från dessa och fortsatta experiment måste en omfattande genomgång av alla mätare och deras respektive felmarginal utföras.

I denna rapport begränsas dock denna undersökning till ett mer generellt resonemang om

mätare och de största felkällorna som upptäckts vid experimentet lyfts fram tydligare.

4.2.1 Laborationsuppställning 1

Begränsad information om laborationsuppställning 1 nns eftersom den är belägen på ett företag och är permanent uppställd sen en lång tid tillbaka. Experimenten utfördes un- der två dagar och då fokuserades på att hinna med de tester som skulle utföras. Alla data loggades via en dator så avläsningsfel är en helt eliminerad felkälla. Laborationsupp- ställningens utformning med både värmare och kylare på köld- respektive värmebärare säkerställde stabila temperaturer under alla tester. Ytterst små uktuationer observerades under mätningarna.

4.2.2 Laborationsuppställning 2

Laborationsuppställning 2 är inte utrustad med utrustning för loggning av mätdata varför avläsningsfel är en möjlig felkälla. Det är dessutom så att de olika parametrarna inte kan läsas av samtidigt utan en mätpunkt kan sträcka sig över ca 1 minut från avläsning av första mätaren till avläsning av den sista.

Vid mätningarna konstaterades att ödesmätarna för respektive borrhål inte tillsam- mans ger det öde som mätaren till förångaren ger i de fall då by-passledningen var helt stängd. Det skiljer sig alltså i avläsningen av dessa mätare. En felkälla mellan ödesmätarna är också att mätaren till förångaren visade i enheten l/s medan mätarna i borrhålen visade m ³ /h och mätaren till värmebäraren visade l/h. Därmed nns även en risk för avrund- ningsfel vid omvandling av ödena till jämförbara värden. För fortsatt arbete ska mätarna försöka ställas om (det är ej utrett om det är möjligt) till samma enheter. Flödesmätaren på värmebäraren tycktes också inte visa sina värden momentant utan ändrades med ca 30 s intervall. Det tyder på att mätaren själv beräknar något form av medelvärde under en kort tidsperiod som den sedan visar.

Temperaturgivarna i respektive borrhål visade temperaturer med endast 0,1 ^◦ C upplös- ning vilket inte är tillräckligt. I de presenterade resultaten kan uktuationer i framförallt temperaturhöjningen över hålet tydas. Dessa uktuationer är i realiteten inte så stora som presenteras utan är en konsekvens av mätarnas upplösning.

4.2.3 Köldbärarens temperatur

Som beskrivet under resultaten från Test 1,2 samt Driftfall 1-3 så sjunker köldbärarens

temperatur under en körning. För att kunna jämföra resultaten är det därför viktigt att

varje körning har samma utgångsläge, det vill säga att köldbärarens temperatur är den-

samma vid varje påbörjad körning. Detta är dock en omöjlighet att åstadkomma eftersom

bergets temperatur varierar över tiden och ej går att styra. Temperaturkurvorna som visas

i gurerna 12, 13 och 14 visar på att bergets temperatur inte skiljde sig nämnvärt mellan

de olika testade driftfallen. Dock kommer framtida experiment att föregås av en cirkula-

tion av köldbärarvätskan under en tid, utan värmepumpsdrift, för att bestämma bergets

temperatur exakt. En metod för att normalisera mätvärdena mot bergets temperatur ska

också utformas. På så sätt ska mätvärden som är tagna vid olika tillfällen gå att jämföra.

4.2.4 Värmebärarens temperatur

Figur 21 visar värmebärarens temperatur in i kondensorn för Driftfall 1-3.

0 1 2 3 4 5 6

22 24 26 28

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

Driftfall 1

0 1 2 3 4 5 6

22 24 26 28

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

Driftfall 2

0 1 2 3 4 5 6

22 24 26 28

Tid [h]

T em p er a tu r [

C ]

Driftfall 3

Figur 21: Värmebärarens temperatur in i kondensorn för Driftfall 1-3

Eftersom styrningen av temperaturen in i kondensorn sker genom att manuellt reglera kallvattenödet till värmeväxlaren på värmebärarens retur är det svårt att erhålla stabil temperatur. Den kran som vattnet reglerades genom har också relativt dålig upplösning vil- ket gör att en liten justering av kranen ger en stor påverkan på värmebärarens temperatur.

Det faktum att styrningen är manuell kräver också konstant övervakning av temperatu-

ren. Om utomhustemperaturen förändras så ändras husets eektbehov vilket gör att den

värmeeekt som värmeväxlaren behöver kyla bort förändras. Därför medförde längre up-

pehåll i mätningarna för till exempel lunch att värmebärarens temperatur kunde ha stigit

eller sjunkit uppåt 1-2 ^◦ C efter uppehållet. Eftersom värmebärarens temperatur i högsta

grad påverkar värmepumpens värmefaktor är det av stor vikt att denna felkälla elimine-

ras i framtida experiment. För framtiden ska någon form av automatiserad styrning av

kallvattenödet installeras.

4.2.5 Värmebärarens öde

Figur 22 visar värmebärarens öde under Driftall 1-3.

0 1 2 3 4 5 6

0.3 0.4

Tid [h]

F l¨o d e [l / s]

Driftfall 1

0 1 2 3 4 5 6

0.3 0.4

Tid [h]

F l¨o d e [l / s]

Driftfall 2

0 1 2 3 4 5 6

0.3 0.4

Tid [h]

F l¨o d e [l / s]

Driftfall 3

Figur 22: Värmebärarens öde för Driftfall 1-3

En intressant observation här är att ödet tycks förändras under körningen och jämför

man kurvorna för ödet med de för värmebärarens temperatur som presenteras i gur

21 kan en viss likhet tydas. Flödet verkar följa temperaturen åt så tillvida att en låg

värmebärartemperatur även ger ett lågt öde. Detta är tydligast i körningens början innan

temperaturerna nått någon form av stabilitet. Cirkulationspumpen för värmebäraren är

monterad inne i värmepumpen vilket gör att dess dess inställning och styrning har varit

svår att kontrollera. Likheten mellan kurvorna kan dock inte vara någon tillfällighet och

den bör undersökas närmre för framtida experiment. Det är viktigt att värmebärarens öde

genom kondensorn hålls konstant under körningen för att kunna dra slutsatser utifrån

resultaten. Under Driftfall 1-3 är ödet relativt konstant under körningens senare del men

under uppstartsperioden förändras ödet för mycket för att resultaten därifrån ska vara

tillförlitliga.

5 Slutsatser

Följande slutsatser kan dras av resultaten från denna experimentella studie.

i) Köldbärarödet påverkar värmepumpens värmefaktor så att ökat öde ger ökad vär- mefaktor. Det nns ett maximum i systemets värmefaktor när den ökade pumpeekten är högre än den ökade avgivna kondensoreekten. Vid maximum blir systemets vär- mefaktor lägre av en ytterligare höjning av köldbärarödet.

ii) Det går att med köldbärarödet optimera en bergvärmeanläggning så att systemets värmefaktor blir högre. Studien har visat att köldbärarödet i hög grad påverkar sy- stemets värmefaktor.

iii) Värmepumpens och systemets värmefaktor minskar kontinuerligt under värmepum- pens drift och under de första minuterna av körningen har systemet avsevärt högre värmefaktor.

iv) Köldbärarödet har liten påverkan på eektuttaget ur ett borrhål.

v) Pumpeekten för cirkulation av köldbäraren ökar kubiskt med köldbärarödet i en-

lighet med grundläggande teori.

6 Fortsatt arbete

Denna studie kommer direkt att följas av en extensiv experimentserie. Studien har legat till grund för att de fortsatta experimenten ska ge högkvalitativa mätdata utifrån vilka man kan dra vetenskapligt korrekta slutsatser. En grov metodik för tester har utformats och den kommer troligtvis att förnas vid fortsatta experiment. En god överblick över vilka felkällor som nns har också erhållits och vissa felkällor kan och måste elimineras innan fortsatta experiment tar vid. Det kommande arbetet kommer att fokusera på följande punkter.

i) Värmebärarens öde måste hållas konstant och eventuella funktioner i värmepumpen som styr ödet måste förbigås.

ii) Värmebärarens temperatur in i kondensorn måste hållas konstant och en automatise- rad styrning av kallvattenödet till värmeväxlaren ska installeras.

iii) En utredning av alla mätares noggrannhet och felmarginaler ska utföras. De mätare som kan ställas om ska göras det för att minimera omvandlingsfel mellan enheter för att få jämförbara mätdata.

iv) Loggningsutrustning ska installeras för att möjliggöra längre körningar och eliminera risken för avläsningsfel.

v) Metod för normalisering av mätdata mot bergets temperatur ska utformas. Bergets temperatur ska mätas genom att låta köldbäraren cirkulera under en tid utan värme- pumpsdrift och samtidigt mäta köldbärarens temperatur.

vi) Fler driftfall ska testas och köldbäraröden vid både turbulent och laminär strömning i borrhålen ska köras.

vii) Alla experiment ska återskapas i en likvärdig testanläggning för att jämföra resultaten.

Referenser

Acuña, José. Distributed thermal response tests - New insights on U-pipe and coaxial heat exchangers in groundwater-lled boreholes. Doktorsavhandling, Kungliga Tekniska Högskolan, 2013.

Bakirci, Kadir. Evaluation of the performance of a ground-source heat-pump system with series GHE (ground heat exchanger) in the cold climate region. Energy, 35(7):3088  3096, 2010. ISSN 0360-5442.

Chung, Jin Taek och Choi, Jong Min. Design and performance study of the ground-coupled heat pump system with an operating parameter. Renewable Energy, 42(0):118  124, 2012. ISSN 0960-1481.

Ekroth, Ingvar och Granryd, Eric. Tillämpad termodynamik. Studentlitteratur, 1:3 utgå- van, 2010.

Granryd, Eric. Optimum ow rates in indirect systems. International congress of refrige- ration, Beijing, 2007.

Granryd, Eric. Analytical expressions for optimum ow rates in evaporators and condensers of heat pumping systems. International Journal of Refrigeration, 33(7):1211  1220, 2010.

ISSN 0140-7007.

Ozyurt, Omer och Ekinci, Dundar Arif. Experimental study of vertical ground-source heat

pump performance evaluation for cold climate in Turkey. Applied Energy, 88(4):1257 

1265, 2011. ISSN 0306-2619.