Fagpresentasjon om varmepumper - IV - NTNU · 2011. 3. 8. · Kondensator Arbeidsmediet (gass) avgir varme ved at det avkjøles og deretter kondenserer ved høyt trykk og høy temp

Fagpresentasjon om

varmepumper

Jørn Stene

Utarbeidet av Jørn Stene – [email protected] – 2011 1NTNUDet skapende universitetet

Jørn Stene

NTNU, Institutt for energi- og prosessteknikk

COWI AS, Trondheim

Varmepumper i bygninger og industri

� Hvorfor bruker vi varmepumper

� Hvordan virker en varmepumpe

� Hvor kan en varmepumper hente varme fra


� Hvor kan en varmepumper hente varme fra

� Hvor mye energi sparer en varmepumpe

� Hvor bruker vi varmepumper

� Hvilken betydning har varmepumper i Norge

Varmepumpen flytter varme

TILFØRTELEKTRISITET (P)20–50%


VARMEKILDE50–80%

VARME-PUMPE

• Romoppvarming• Ettervarming av ventilasjonsluft• Varmtvannsberedning• Kjøling (frikjøling, mekanisk kjøling)

VARME-LEVERANSE

100% (Q)

=PQ

COP

Varmepumper brukes i ...

� Boliger og større bygninger� Romoppvarming

� Oppvarming av ventilasjonsluft

� Varmtvannsberedning

� Klimakjøling og dataromskjøling

45% av total energibruk til drift av bygninger inkl.

oppvarming og kjøling


� Klimakjøling og dataromskjøling

� Industri� Oppvarming av prosessvann

� Tørking

� Inndampning

� Destillasjon

� Dampproduksjon

Varmepumper henter varme fra ...

� Uteluft

� Sjøvann

� Grunnvann

� Fjell

� Jord

Omgivelsesvarme (fornybar energi)Omgivelsesvarme (fornybar energi)Omgivelsesvarme (fornybar energi)


� Jord

� Ferskvann (elver/innsjøer)

Overskuddsvarme (spillvarme)

� Ventilasjonsluft

� Avløpsvann/kloakk

� Spillvann (gråvann)

� Kjølevann (industri)

Slik virker en varmepumpe

ELEKTRISITETELEKTRISITETVARMEBEHOVVARMEBEHOV+30 til +90+30 til +90°°CC


VARMEKILDEVARMEKILDE--20 til +1020 til +10°°CC

Sirkulerende arbeidsmediumSirkulerende arbeidsmedium

Varmetransport med et arbeidsmediumEksempel – fordampning og kondensasjon av vann

oppvarming av damp (overhetning)

fordampning / kondensasjon

Temperatur [°C]

100°C

2258 kJ/kg

B

C


1 kW = 1 kJ/sekund

1 kWh = 1 kJ/s • 3600 s

= 3600 kJ

Trykk = 1 bar (atm.)

oppvarming av vann

smelting av is

nedkjøling av is entalpi [kJ/kg]0°C

419 kJ/kg

335 kJ/kg

A

Koking av vann ved ulike lufttrykkJo lavere trykk, desto lavere kokepunkt og vice versa

70°C

Galdhøpiggen

2469 moh

Mount Everest

8848 moh


100°C

92°C

70°C

Ved sjøen

0 moh

120°C

Høytrykkskoker

Arbeidsmedier – trykk og temperaturEksempel på metningskurver for utvalgte medier

CO2CO2

R717R717

CO2

R717


R134aR134a

R407CR407C

R290R290R410AR410A

R134a

R407C

R290R410ATrykk A

Temperatur ATrykk BTemperatur B

Hva skjer inne i en varmepumpe?

sirkulerendearbeidsmedium

Kondensator (pk, tk)

Varmestrøm Qk

Elektrisitet W

INN

UT

f.eks. radiatorvann

Høyt trykk

Høy temperatur


INN

UT

Fordamper (pf, tf)

Varmestrøm Qo

Kompressor

Strupeventil

motor

W

f.eks. sjøvann

Lavt trykk

Lav temperatur

1. Fordamper = varmeveksler

� Arbeidsmediet (væske) tar opp varme fra varme-kilden ved at det koker ved lavt trykk og lav temp.





Slik virker en varmepumpe (1)

Figur Einar Oterholm


2. Kompressor = trykkøkende komponent

� Kompressoren øker trykket på arbeidsmediet (gass), og temperaturen øker








(gass), og temperaturen øker(gass), og temperaturen øker(gass), og temperaturen øker




3. Kondensator = varmeveksler

� Arbeidsmediet (gass) avgir varme ved at det avkjøles og kondenserer ved høyt trykk og høy temperatur








4. Strupeventil = trykksenkende komponent

� Strupeventilen senker trykket på arbeidsmediet (væske), og temperaturen avtar





1. Fordamper


2. Kompressor


Slik virker en varmepumpeFigurer Einar Oterholm

Animasjon


(gass), og temperaturen øker

3. Kondensator� Arbeidsmediet (gass) avgir varme ved at det avkjøles

og deretter kondenserer ved høyt trykk og høy temp.

4. Strupeventil


qkqk

qq

qk

q

Slik er varmepumpeprosessen

CBA

Trykk, p (bar)

pk


4-1 Fordampning 1-2 Kompresjon 2-3 Kondensasjon 3-4 Struping4-1 Fordampning 1-2 Kompresjon 2-3 Kondensasjon 3-4 Struping

qo + w = q k + qvtqo + w = q k + qvtqfqf

qvtqvt

ww

4-1 Fordampning 1-2 Kompresjon 2-3 Kondensasjon 3-4 Struping

qo + w = q k + qvtqf

qvt

w

CBA

pf

Entalpi, h (kJ/kg)

Så effektiv er en varmepumpeCOP* (effektfaktoren) avtar med økende temperaturløft

( )TTT

WQ

WQQ

0k

kkC

0k

−==ε

+≈


( )

5til2COP

WQ

COP

TTW

kCC

0k

=

=η⋅ε=

−

* COP = Coefficient of Performance

Så mye energi sparer en varmepumpeEnergisparing = fornybar varme (og kjøling)

%100COP

11E

COPQ

QQ kk0 ⋅

−=∆−=

50% 33% 25% 20%


50%

COP=2

50%

67%

COP=3

33%

75%

COP=4

25%

80%

COP=5

20%

Varmepumpe = fornybar varmeEksempel – sammenlikning med solvarmesystem

Elektrisk system

Varme-pumpe

Sol-varme

COP=3


65%

35%Tilført elektrisitet

Fornybar varme

100%

system pumpe

40-50%

50-60%

varme

VarmepumperFornybar varme og kjøling – fra ”Energi 21, 2008”

Fornybar varme


Fornybar kjøling

CO2 som arbeidsmedium i varmepumperMiljøvennlig – gode termofysikalske egenskaper

� Karbondioksid (R744, CO2) er 100% miljøvennlig� ODP = 0, GWP=0� Ugiftig (TLV 5000 ppm), ubrennbar

� Varmeavgivelse ved overkritisk trykk� Avkjøling av mediet, ikke kondensasjon� Kan levere varme ved høye temperaturer (90°C +)


� Kan levere varme ved høye temperaturer (90°C +)

� Høye systemtrykk (25 – 150 bar)

� Høy gasstetthet og moderat molekylvekt� Høy volumetrisk varmeytelse – små kompressorer� Små dimensjonerer på rør, ventiler osv.

� Gunstige termofysikalske egenskaper kan gi høy COP� Meget god varmeovergang i varmevekslere� Lavt trykkforhold gir høy kompressorvirkningsgrad

Varmepumpeprosess med CO2Eksempel på prosessforløp i p-h diagram


CO2 som arbeidsmedium i varmepumperBest ved varmeavgivelse over stort temperaturområde

� Konvensjonell varmepumpe

� Varmeavgivelse ved konstant temperatur og konstant trykk

� COP i stor grad bestemt av kondenseringstemperaturen tkond

tkond

tK-UT

tK-INNtH-INN


kondenseringstemperaturen tkond dvs. utgående vanntemperatur tK-UT

� CO2-varmepumpe

� Varmeavgivelse ved glidende temperatur og konstant trykk

� COP i stor grad bestemt av CO2-temperaturen fra gasskjøleren tH-UTdvs. inngående vanntemperatur tK-INN

tH-UT

tK-INN

tK-UT

CO2-varmepumpe – laboratorieoppgaveProsessforløp i et temperatur/entalpi-diagram


CO2-varmepumpe – laboratorieoppgaveVerdens første serieproduserte CO2-varmepumpe


� 4,5 kW CO2-varmepumpe fra Japan for varmtvannsberedning – oppgaver:

� Få kjennskap til anleggsoppbygging og komponenter� Måle temperaturer, trykk og termisk energi – beregne varmeytelse og COP

Salg av varmepumper i NorgeAntall solgte anlegg per år – stabilisert på høyt nivå

50 000

60 000

70 000

80 000

90 000

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (-

)

50 000

60 000

70 000

80 000

90 000

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (-

)


� 8-9 TWh varmeleveranse derav 5 TWh netto energisparing (fornybar energi)

0

10 000

20 000

30 000

40 000

19

87

19

88

19

89

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (

0

10 000

20 000

30 000

40 000

19

87

19

88

19

89

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (

Kilde: Norsk varmepumpeforening

Salg av varmepumper i EuropaAntall solgte anlegg per år i perioden 2003 til 2009

300 000

400 000

500 000

600 000

700 000

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (-

)

300 000

400 000

500 000

600 000

700 000

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (-

)


0

100 000

200 000

300 000

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (

0

100 000

200 000

300 000

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

An

tall

Inst

all

asj

on

er

pe

r å

r (

Kilde: European Heat Pump Association (EHPA)

� Statistikken omfatter – AU, CH, DE, FR, GB, IT, NO, SE og SF

� 2,5-3 mill. varmepumper i Europa fra 2003 – netto energisparing 30 TWh/år

Varmepumper i bygninger

� Romoppvarming



� Klimakjøling, dataromskjøling


Luft/luft-varmepumpe5 kW

Kompakt-aggregat2 kW

Berg-varmepumpe8 kW

Sjøvanns-varmepumpe900 kW

Kloakk-varmepumpe28.000 kW

Uteluft/luft-varmepumperAnlegg for boliger

� Utnytter uteluften som varmekilde

� Oppvarming og kjøling� Varmer inneluften ved hjelp av én eller

to kondensatorer (inne-enheter)

� Varmer ikke varmtvann

� Kan brukes til klimakjøling ved at anlegget reverseres (4-veis ventil)


anlegget reverseres (4-veis ventil)

� Ytelses- og COP-karakteristikk� Varmeytelsen og effektfaktoren (COP)

avtar med synkende utelufttemperatur

� Behov for tilleggsvarme (spisslast)

� Teknologisk status – marked i Norge

� Betydelig marked i Norge

� Store kvalitetsforskjeller på aggregater

Uteluft/vann-varmepumperAnlegg for alle typer bygninger

� Utnytter uteluften som varmekilde

� Basisteknologi og egenskaper i stor grad som for uteluft/luft-varmepumper

� Oppvarming og kjøling� Varmtvannsberedning – ulike metoder

for forvarming eller full oppvarming


for forvarming eller full oppvarming

� Romoppvarming via vannbårent varme-distribusjonssystem (ulike systemer)

� Noen anlegg kan levere klimakjøling

� Økende salg i Norge/Europa� Billigere enn bergvarmepumper

� Har begrenset leveringstemperatur

� Introdusert anlegg som kan leverevarme ved høyere temperatur

CO2-varmepumpe (Japan)

CO2-varmepumperVarmtvannsberedning eller kombidrift www.R744.com

� Anlegg for kun varmtvannsberedning� Japan – solgt mer enn 2 million enheter for boliger

� Japan – solgt mange tusen større anlegg (10-35 kW)

� Økende antall Europeiske produsenter av større anlegg,uteluft eller vann som varmekilde – 20 kW til 1 MW ytelse

� Anlegg for varmtvanns -/romoppvarming i boliger


� Anlegg for varmtvanns -/romoppvarming i boliger� Japan – solgt flere hundre tusen enheter

� Kun et fåtalls Europeiske produsenter

Avtrekksluft-varmepumperAnlegg for lavenergiboliger og passivhus

� Varmekilde(r)� Avtrekksluft – før/etter varmegjenvinneren

� Eventuelt uteluft (evt. forvarmet)

� Oppvarming og kjøling� Varmtvannsberedning

� Ettervarming av tilluft i ventilasjonsanlegget


� Ettervarming av tilluft i ventilasjonsanlegget

� Romoppvarming – oppvarming av tilluft

� Evt. kjøling av tilluften

� COP – varmeopptak – marked i Norge� Anlegg med kun avtrekksluft som varme-

kilde har begrenset varmeytelse

� Anlegg med to varmekilder oppnår høyere varmeleveranse men lavere COP

� Begynnende salg i Norge Kompakt-varmepumpe (CHVD)

Sjøvanns-varmepumperAnlegg for større bygninger og fjernvarmeanlegg

� Varmekilde� Sjøvann (Golfstrømmen) – direkte eller

indirekte systemløsning

� Oppvarming og kjøling� Romoppvarming





� Kjøling – frikjøling, evt. kjøledrift

� COP – varmeopptak – marked i Norge� Relativ konstant temperatur på varmekilden

gir høy energidekning og høy COP

� Krever godt varmeopptakssystem for å unngå begroing, frost og korrosjon

� Flere hundre større anlegg installert i Norge

Royal Garden Hotel, Tr.heim – 700 kW

Fornebu – 12 (25) MW

Grunnvanns-varmepumperAnlegg for større bygninger og fjernvarmeanlegg

� Varmekilde� Oppumpet grunnvann fra 15-40 meter

dype brønner i løsmasser eller fjell







� COP – varmeopptak – marked i Norge� Relativ konstant temperatur på varme-

kilden gir høy energidekning og høy COP

� Fordrer rent grunnvann for å unngå avsetninger i varmevekslere og pumper

� Relativt få anlegg installert i Norge

Lena Terrasse, Melhus – 260 kW

Oslo Lufthavn Gardermoen – 7 MW

Berg-varmepumperAnlegg for større bygninger og fjernvarmeanlegg

� Varmekilde� 150-200 meter vertikale borehull i fast fjell,

indirekte system med kollektorslanger


� VarmtvannsberedningUllevoll Stadion – 4,5 MW




� COP – varmeopptak – marked i Norge� Relativ konstant temperatur på varmekilden

gir høy energidekning og høy COP

� Indirekte systemløsning gir sikker drift og minimalt med vedlikehold

� Flere hundre større anlegg installert i Norge i tillegg til mange tusen boliginstallasjoner

Alnafossen kontorpark – 1200 kW54 brønner á 200 meter

Ullevoll Stadion – 4,5 MW120 brønner á 250 meter

Kloakk-varmepumperAnlegg for fjernvarme- og fjernkjølenett

� Varmekilde� Urenset eller renset kloakk/avløpsvann






� Kjøling – via eget fjernkjølenett

� COP – varmeopptak – marked i Norge� Relativ konstant temperatur på varme-

kilden gir høy energidekning og høy COP

� Krevende utforming av varmeopptaks-systemet pga. kloakkens ”egenskaper”

� 4 store anlegg installert i NorgeSkøyen Vest, Oslo – 28 MWNorges største varmepumpe!

Varmepumper i industrien

� Romoppvarming� Alle industrisektorer

� Oppvarming av forbruksvann� Alle industrisektorer

� Oppvarming av prosessvann� Settefiskanlegg, næringsmiddel-

� Tørking� Trelast-, møbel- og fiskeindustri

� Inndampning og destillasjon� Meierier, papirindustri osv.

� Varmegjenvinning fra kuldeanlegg� Næringsmiddelindustri osv.


� Settefiskanlegg, næringsmiddel-industri osv.

� Næringsmiddelindustri osv.

Konvensjonell varmepumpeprosess

Mekaniskrekompresjon (MVR)

Termiskrekompresjon

Absorpsjons-varmepumpe

Oppsummering

� Varmepumper – Norges 3. største fornybare energikilde i 2010� Ca. 450.000 anlegg

� 8 til 9 TWh årlig varmeleveranse

� Ca. 5 TWh årlig energisparing

� Stort potensial for varmepumper i Norge og resten av verden� Fornybar varme – 16-22 TWh ny varmeleveranse innen 2020


Varmepumpe

� Fornybar varme – 16-22 TWh ny varmeleveranse innen 2020

� Fornybar kjøling – stort potensial for frikjøling i større bygninger

� Svært viktig å fokusere på kvalitet� Påvirker energisparing og reduksjon av CO2-utslipp i stor grad

� Omfatter komponentvalg, dimensjonering, aggregatoppbygging, systemløsninger, styring/regulering, systemintegrasjon osv.

� Utdanning av Masteringeniører i varmepumpeteknikk ved NTNU, Institutt for energi- og prosessteknikk

Energi- og prosessteknikk

� Instituttets hjemmeside

� www.ntnu.no/ept

� Varmepumpefag ved instituttet

NTNUDet skapende universitetet


� Varmepumpefag ved instituttet

� TEP4260 – vårfag – “Varmepumper for bygningsklimatisering”� www.ntnu.no/studier/emner/TEP4260/2010

� TEP16 – høstfag (fordypning) – “Heat Pump Technology”� www.ivt.ntnu.no/ept/fag/fordypn/tep16.htm

Documents

Fagpresentasjon om varmepumper - IV - NTNU · 2011. 3. 8. · Kondensator Arbeidsmediet (gass) avgir varme ved at det avkjøles og deretter kondenserer ved høyt trykk og høy temp