UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Janez JELEN OPTIMIRANJE TOPLOTNE ČRPALKE ZRAK- VODA Z ZUNANJIM TOPLOTNIM PRENOSNIKOM Visokošolskega strokovnega študijskega programa Strojništvo Maribor, September 2011
Fakulteta za strojništvo OPTIMIRANJE TOPLOTNE ČRPALKE ZRAK- VODA Z ZUNANJIM TOPLOTNIM PRENOSNIKOM Študent: Študijski program: Smer: Janez Jelen Visokošolski strokovni; Strojništvo Energetika in procesno strojništvo Mentor: Somentor: Dr. Milan Marčič Dr. Jurij Avsec Maribor, 2011
II
I Z J A V A Podpisani Janez JELEN izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno in pod mentorstvom dr.milana MARČIČA in somentorstvom izr. prof. dr. Jurija AVSECA, predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi, soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Velenje, september 2011 Podpis: III
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, dr. Milanu MARČIČU, in somentorju, izr. prof. dr. Juriju AVSECU, za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi mentorju v podjetju Gorenje d. d., Zvonko VIŠNJIČU, za vodenje in pomoč pri izdelavi diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. IV
OPTIMIRANJE TOPLOTNE ČRPALKE ZRAK-VODA Z ZUNANJIM TOPLOTNIM PRENOSNIKOM Ključne besede: Toplotna črpalka, Toplotni prenosnik, Grelno število UDK: 621.57:536.7(043.2) POVZETEK V diplomski nalogi sem najprej predstavil splošno delovanje toplotne črpalke. Na kratko so opisane vse najpomembnejše komponente posamezne toplotne črpalke. Prav tako so na kratko opisane tudi vsi tipi kompresorskih toplotnih črpalk. Kasneje sem predstavil tudi izračun grelnega števila po standardu EN 255 in po uredbi EHPA (European Heat Pump Association V nadaljevanju sem na podlagi testiranja posameznih zunanjih toplotnih prenosnikov za toplotno črpalko predstavil ugotovitve in posamezne izračune grelnega števila. Pri tem se je upoštevalo zanesljivo delovanje toplotne črpalke pri vseh pogojih testiranja in dovolj visoko grelno število toplotne črpalke. Namen diplomskega dela je torej predstaviti različne tipe toplotnih prenosnikov in vpliv toplotnega prenosnika na delovanje toplotne črpalke. Tako so v tej diplomski nalogi predstavljeni štirje toplotni prenosniki, ki so se testirali pod standardnimi pogoji testiranja. Na koncu je na podlagi dobljenih rezultatov, predvsem dobro grelno število toplotne črpalke in zanesljivega delovanja, bil izbran najprimernejši in najučinkovitejši zunanji toplotni prenosnik za toplotno črpalko. V
OPTIMIZATION OF AIR-WATER HEAT PUMP WITH AN EXTERNAL HEAT EXCHANGER Key words: Heat pump, Heat exchanger, Coefficient of performance UDK: 621.57:536.7(043.2) ABSTRACT The diploma work starts with the presentation of the overall performance of a heat pump. All major components of the individual heat pumps and all types of compression heat pumps are briefly described and followed by the presentation of the COP calculation according to EN 255 and EHPA Regulation (European Heat Pump Association). Further on, findings and COP calculations tested on the basis of individual external heat exchangers for heat pump are presented. Reliable operation of heat pumps in all test conditions and sufficiently high heat pump COP were considered most important parameters. The purpose of the diploma work is therefore to present the different types of heat exchangers and the impact a heat exchanger has on a heat pump. Thus, the diploma work presents the four heat exchangers, which were tested under standard test conditions. Finally, the most appropriate and effective external heat exchanger for the heat pump was selected according to the obtained results, main criteria being high heat pump COP and reliable operation. VI
Kazalo 1. Uvod... 1 2. Splošno o toplotnih črpalk... 2 2.1 Krožni proces... 2 2.2 Delovanje toplotne črpalke... 3 2.3 Kompresor... 6 2.4 Kondenzator... 8 2.5 Termoekspanzijski ventil... 9 2.6 Uparjalnik... 10 3. Vrste toplotnih črpalk... 11 3.1 Toplotna črpalka voda/voda... 14 3.2 Toplotna črpalka zemlja/voda... 15 3.3 Toplotna črpalka zrak/voda... 16 4. Merjenje COP-ja po EHPA uredbi... 17 4.1 Opis meritve... 17 4.2 Pogoji za izračun pri 35 min (steady test)... 18 4.3 Pogoj za izračun pri 3 urah (Transient test)... 19 4.4 Izračun COP-ja po EHPA-DACH testing regulation... 20 4.4.1 Izračun toplotne moči... 20 4.4.2 Izračun porabe električne energije... 21 4.4.3 Upoštevanje obtočne črpalke... 22 4.4.4 Izračun COP-ja... 23 5. Analiza zunanjega prenosnika toplote pri toplotni črpalki Gorenje zrak/voda... 24 5.1 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V1... 25 5.1.1 Opis... 25 5.1.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V1... 25 5.1.3 Ugotovitve... 28 5.2 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2 H1180mm... 33 5.2.1 Opis... 33 5.2.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V2 H1180mm... 33 5.2.3 Ugotovitve... 34 5.3 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2... 37 5.3.1 Opis... 37 VII
5.3.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V2... 37 5.3.3 Ugotovitve... 38 5.4 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V3-vzorec1... 44 5.4.1 Opis... 44 5.4.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V3-vzorec1... 44 5.4.3 Ugotovitve... 45 5.5 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V4-vzorec1... 48 5.5.1 Opis... 48 5.5.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V4-vzorec1... 48 5.5.3 Ugotovitve... 49 6. Primerjava toplotnih prenosnikov... 52 7. Sklep... 54 8. Literatura... 55 9. Priloge... 56 VIII
UPORABLJENE KRATICE TČ - Toplotna črpalka COP - Grelno število (ang. Coefficient of performance) IX
1. UVOD Sonce je praktično neizčrpen vir obnovljive energije. Čist in donosen vir, ki nam lahko zagotovi pomemben del energije za naše potrebe. Energija, ki jo sonce seva na zemljo, je 15000-krat večja od energije, ki jo porabi človek. To je energija, ki se obnavlja, ne onesnažuje okolja in je hkrati brezplačna. Zato mora biti cilj izkoriščati to energijo v največjem možnem obsegu. Sončno energijo lahko uporabljamo za ogrevanje prostorov, vode, ogrevanje bazenov in za proizvodnjo elektrike za osvetljevanje in hišne porabnike. Pri tem pa se pojavijo določeni tehnični in investicijski problemi. Sončna energija je energija prihodnosti, njeno uveljavitev pa ovira le visoka cena v primerjavi z konvencionalnimi viri energije. Celoten potencial sončnega sevanja za Slovenijo znaša približno 23000 TWh, kar je nad 300- krat več kot znaša raba energije. Novejše študije kažejo, da je razpoložljivo pri obstoječih tehnologijah približno 960 GWh letno, kar je enako približno polovici slovenskega deleža proizvodnje električne energije iz Nuklearne elektrarne Krško. Danes izkoriščamo le približno 28 GWh, kar je le 3 % ocenjenega tehničnega potenciala. V zimskem času, ko je potreba po ogrevalni energiji največja, dobimo pa žal le približno 10-15 % celotne letne količine sončne energije. Podatki o letnem številu ur sončnega obsevanja za nekatere slovenske kraje za leto 2010 kažejo, da bistvenih razlik v trajanju osončenosti ni, razen seveda v primorskem delu. Povprečna temperatura ozračja na področju Slovenije znaša med 2-8 C. 1
2. SPLOŠNO O TOPLOTNIH ČRPALK 2.1 Krožni proces Krožni proces je vrstni red sprememb v nekem sistemu, ki se na koncu zaključi v termodinamičnem krogu. V primeru toplotnih črpalk imamo zaprti termodinamični sistem in se lahko ponavlja. Idealni krožni proces je Carnotov proces, ki se uporablja samo za referenčno oceno realnega krožnega procesa. V Carnotovem krožnem procesu se izvajajo naslednje spremembe stanja snovi: Izentropne kompresije, izotermne kompresije (pri temperaturi hladilnega hranilnika toplote), izentropne ekspanzije, izotermne ekspanzije (pri temperaturi hladilnega hranilnika toplote). Slika 2-1: Carnotov proces v p-v diagramu Pri tem procesu se hladilu dovaja toplota od toplotnega vira na nižjem energetskem nivoju (uparjanje) in s pomočjo kompresorja, ki hladivu poveča tlak, odda to toploto na višjem energetskem nivoju (kondenzacija). Da hladivu zmanjšamo tlak, se uporablja termoekspanzijski ventil in hladivo lahko zopet zajema toploto na nižjem energetskem nivoju. 2
2.2 Delovanje toplotne črpalke Toplotne črpalke so naprave, ki z uporabo moči kompresorja črpajo toploto z nižjega na višji energetski nivo. Pridobljena toplota je rezultat termodinamičnega procesa. Črpalke toploto pridobivajo iz okolice in sicer iz zraka, vode, zemlje ali odpadnih toplotnih virov. To toploto s pomočjo toplotne črpalke prenesemo na višji energetski nivo za ogrevanje vode. Slika 2-2: Sankeyev diagram delovanja toplotne črpalke Toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, ki odvzema toploto okolice (vode, zraka, tal). V njem se pri nizki temperaturi uplini hladivo, ki nato potuje v kompresor. Kompresor paro stisne in jo dvigne na višji tlačni in temperaturni nivo. Ta vroča para nato kondenzira v kondenzatorju in s tem odda toploto ogrevalnemu sistemu. Hladivo se v kondenzatorju utekočini in potuje do termoekspanzijskega ventila, kjer mu znižamo tlak. Nato se ta proces zopet ponovi. Za obratovanje toplotne črpalke je potrebna električna energija za pogon kompresorja in ostalih električnih naprav. Pri toplotni črpalki potrebujemo neki del vložene 3
električne energije, ki jo moramo zagotoviti preko omrežja električne energije, ostalo energijo pa pridobimo iz vira. Poenostavljen princip delovanja toplotne črpalke vidimo na spodnjem diagramu log p-h. Iz njega lahko določimo pregretje, podhladitev in temperature delovanja enega procesa. Pomembno je tudi to, da ima vsako hladivo svoj p-h diagram. Slika 2-3: Delovanje toplotne črpalke v log p-h diagramu Termo dinamični krožni proces v kompresorskih toplotnih črpalkah delimo na štiri faze: Uparjanje hladivo uparjamo pri nizkem tlaku in temperaturi, kompresija paro hladiva komprimiramo na višji tlak z mehanskim kompresorjem in s tem povečamo tlak in temperaturo hladiva, kondenzacija paro hladiva pri visokem tlaku z odvodom toplote iz kondenzatorja ohladimo in utekočinimo, ekspanzija hladivo v kapljevitem stanju ekspandiramo z visokega na nižji tlak in dobimo padec temperature. Iz entalpijskih razlik, odčitanih iz diagrama, lahko izračunamo grelno število ε (COP) procesa v toplotni črpalki. ε = Q g P el = h 2 h 3 h 2 h 1 (2.1) 4
Kjer pomenijo: h 1 [kj/kg] h 2 [kj/kg] h 3 [kj/kg] - specifična entalpija na vstopu v kompresor, - specifična entalpija na izstopu iz kompresorja, - specifična entalpija na koncu kondenzacije. Za preračun procesa so potrebne naslednje entalpijske razlike: h 2 h 1 [kj/kg] - specifična entalpija, potrebna za pogon kompresorja, h 2 h 3 [kj/kg] - specifična entalpija, potrebna za kondenzacijo, h 1 h 4 [kj/kg] - specifična entalpija, potrebna za uparjanj Grelno število: Grelno število je osnovni pokazatelj učinkovitosti delovanja toplotne črpalke. Enak je razmerju toplotne energije, ki jo toplotna črpalka dovedla prostoru ali mediju in porabljeni električni energiji (kompresorja, ventilatorja ), s katero poteka krožni proces. ε TČ = Q dov E pog = P TČ P el = 1 1 T sr T d (2.2) Kjer pomenijo: ε TČ Q dov [J] E pog [J] P TČ [W] P el [W] T sr [K] T d [K] - grelno število toplotne črpalke, - toplota, ki je dovedena sistemu, - električna energija, - toplotna moč toplotne črpalke, - električna moč toplotne črpalke, - srednja temperatura toplotnega vira, - temperatura dvižnega voda ogrevalnega medija. Dejansko grelno število toplotne črpalke upošteva še izgube v celotnem termodinamičnem procesu (npr. kompresorja, obtočne črpalke, ventilator). 5
2.3 Kompresor V sistemih toplotnih črpalk se lahko uporabljajo naslednje vrste kompresorjev: Batni kompresorji, vijačni kompresorji, rotacijski kompresorji, turbo kompresorji, spiralni kompresorji. V zadnjem času je opazen velik porast spiralnih kompresorjev v območju moči 200W do 20 kw zaradi tišjega delovanja, manjših vibracij, večjih COP-jev samega kompresorja. Naloga kompresorja je, da sesa paro hladiva iz uparjalnika pri nizkem tlaku in jo komplimira na tlak potreben za kondenzacijo v kondenzatorju. Običajno mora kompresor dajati hladivu tudi potrebno tlačno razliko za premagovanje pretočnih uporov v sistemu toplotne črpalke. Batni kompresor opisuje spodnja enačba: Φ komp = Φ up = m HL h 1 h 4 = m HL q i = ρ 1 V komp q i = V komp q i,v = ρ 1 A bat s f i λ q i (2.3) A bat = d2 π 4 Kjer pomenijo: (2.4) Φ komp [W] m HL [kg/s] h 1 [kj/kg] h 4 [kj/kg] q i [J/kg] ρ 1 [kg/m 3 ] V komp [m 3 /s] q i,v [J/m 3 ] A bat [m 2 ] -grelna moč kompresorja, -masni tok hladiva v hladilnem procesu, -specifična entalpija hladiva na vstopu v kompresor oz. na izstopu iz uparjalnika, -specifična entalpija hladiva na izstopu iz termoekspanzijskega ventila oz. na vstopu v uparjalnik, -specifična toplotna moč uparjalnika, -gostota hladiva na vstopu v kompresor oz. na izhodu iz uparjalnika pri nekem tlaku in temperaturi izparevanja, -dobava kompresorja, -specifična prostorninska hladilna moč, -ploščina valja (batnega) kompresorja, 6
s -prostornina batnega kompresorja, f [Hz] - frekvenca vrtljajev gredi batnega kompresorja, i λ d [m] -število valjev kompresorja, -prostorninski izkoristek delovanja (odvisen od temperature kondenzacije in uparjanja ter lastnosti hladiva), -premer valja kompresorja. Slika 2-4: Spiralni kompresor 7
2.4 Kondenzator Kondenzator kot toplotni prenosnik, ima nalogo, da odvaja toploto hladiva na drugi medij in pri tem utekočinja plinasto hladivo. Pri toplotni črpalki kondenzator odda toploto na ogrevalnemu mediju sistema, ki je v večini primerov voda. Prenos toplote v kondenzatorju se poda po spodnji enačbi: Φ kond = Φ TČ = m HL h 2 h 3 = m GM C GM ΔT GM = m HL q k = U kond A kond T k T SR (2.5) T SR = T GM,vst +T GM,izs 2 (2.6) Kjer pomenijo: Φ kond [W] h 2 [kj/kg] h 3 [kj/kg] m GM [kg/s] -grelna moč kondenzatorja, -specifična entalpija hladiva na vstopu v kondenzator oz. na izstopu iz kompresorja, -specifična entalpija hladiva na izstopu iz kondenzatorja oz. na vstopu v termoekspanzijski ventil, - masni tok hladiva posrednega medija skozi kondenzator, C GM [J/(kgK)] -specifična grelna kapaciteta posrednega medija, ΔT GM [ C] q k [J/kg] -razlika temperatur grelnega medija na vstopu in izstopu iz kondenzatorja, -specifična grelna moč kondenzatorja, U kond [W/(m 2 K] -koeficient prehoda toplote kondenzatorja, A kond [m 2 ] T k [ C] T SR [ C] -površina za prenos toplote, -temperatura kondenzacije hladiva, -srednja temperatura posrednega medija skozi kondenzator, T GM,vst [ C] -temperatura posrednega medija na vstopu v kondenzator, T GM,izs [ C] -temperatura posrednega medija na izstopu iz kondenzatorja. V kondenzatorju se plinasto hladivo utekočinja in pri tem oddaja toploto posrednemu mediju, ki je na primer voda za ogrevanje. Ta proces poteka pri konstantni temperaturi in tlaku. Zaradi večjega izkoristka kondenzatorja hladivo podhladimo in s tem oddamo še več toplote na posredni medij. 8
2.5 Termoekspanzijski ventil Ker toplotne črpalke ne delujejo v stacionarnem območju delovanja moramo v sistem vgraditi termoekspanzijski ventil. Termoekspanzijski ventil zmanjšuje tlak tekočega hladiva, ki izstopa iz kondenzatorja na tlak uparjanja pri dani temperaturi. Naloga termoekspanzijskih ventilov je tudi regulacija pretoka hladiva v sistemu toplotne črpalke. Termo ekspanzijski ventil upošteva pri regulaciji pretoka hladiva tudi temperaturo pare v uparjalniku. Slika 2-5: Termoekspanzijski ventil Proces v ekspanzijskem ventilu se začne z vstopom hladiva, ki je povsem v kapljevitem stanju in pogosto tudi podhlajeno. Hladivo potem ekspandira ob zniževanju temperature in tlaka do vrednosti do vrednosti temperature in tlaka izparevanja, s katerima vstopa v uparjalnik, pri čemer delno izpareva. Istočasno je omogočena prilagoditev prostorninskega toka hladiva potrebni hladilni moči uparjalnika. Tako se v praksi najpogosteje uporabljajo tri izvedbe ekspanzijskih ventilov: Enostavna kapilarna cev, Termostatski ekspanzijski (termoekspanzijski) ventil (Slika 2-5), Ekspanzijski ventil z elektronskim upravljanjem (elektronski ekspanzijski ventil). 9
2.6 Uparjalnik Uparjalnik ima v sistemu toplotne črpalke to nalogo, da s pomočjo hladiva odvzema toploto iz okolice (zraka) ali iz drugega vira (vode, zemlje). Prenos toplote v uparjalniku se poda po spodnji enačbi: Φ up = Φ TČ,up = m HL h 1 h 4 = m PM C PM Δϑ PM = m HL q i = U up A up ϑ PM,sr ϑ i (2.7) T SR = T PM,vst +T PM,izs 2 (2.8) Kjer pomenijo: Φ up [W] h 1 [kj/kg] h 4 [kj/kg] m PM [kg/s] -grelna moč kondenzatorja, -specifična entalpija hladiva na vstopu v kompresor oz. na izstopu iz uparjalnika, -specifična entalpija hladiva na izstopu iz termoekspanzijskega ventila oz. na vstopu v uparjalnik, -masni tok hladiva posrednega medija skozi uparjalnik, C PM [J/(kgK)] -specifična toplotna kapaciteta posrednega medija, ΔT PM [ C] q i [J/Kg] U up [W/m 2 K] A up [m 2 ] T i [ C] T PM,sr [ C] T PM,vst [ C] T PM,izs [ C] -razlika temperatur grelnega medija na vstopu in izstopu iz uparjalnika, -specifična grelna moč uparjalnika, -koeficient prehoda toplote uparjalnika, -površina za prenos toplote, -temperatura kondenzacije hladiva, -srednja temperatura posrednega medija skozi uparjalnik, -temperatura posrednega medija na vstopu v uparjalnik, -temperatura posrednega medija na izstopu iz uparjalnik. V uparjalniku poteka uparjanje hladiva pri dani temperaturi in posledično danem tlaku, ki sta odvisna od temperature okolice oziroma temperature vira toplote. Nižje temperature vira pomenijo tudi nižje tlake uparjanja. Ker imamo za ogrevanje stalno temperaturo ogrevalnega medija, se tlak kondenzacije ne spreminja. Ker pa z nižanjem tlaka uparjanja delamo večjo razliko tlakov, pomeni, da potrebujemo večjo moč kompresorja in s tem večjo električno porabo kompresorja. Za večji izkoristek uparjalnika hladivo še pregrejemo. 10
3. VRSTE TOPLOTNIH ČRPALK Glede na medij, ki ga hladimo in medij, ki ga ogrevamo, poznamo tri osnovne izvedbe toplotnih črpalk: Toplotna črpalka voda/voda, toplotna črpalka zemlja/voda, toplotna črpalka zrak/voda. Za ogrevanje zgradb potrebujemo poleg zadostne količine toplote tudi zadosten temperaturni nivo grelnega medija. Najprimernejše za toplotno črpalko je talno ogrevanje, kjer zadostuje režim delovanja 35/30 C. V primeru stenskega in radiatorskega ogrevanja pa moramo nastaviti režim delovanja na 45/40 C oziroma 55/50 C. S tem se tudi grelno število nekoliko zmanjša, saj je temperaturna razlika med virom in ogrevanem mediju večja (večji ΔT). Toplotna črpalka je lahko edini vir ogrevanja. Takrat je njeno obratovanje monovalentno, kar pomeni, da toplotna črpalka pokrije vse potrebe po toploti zgradbe. V primeru, da toplotna črpalka pokriva toplotne izgube le do določene zunanje temperature, pri nižjih temperaturi pa vključi drugi vir ogrevanja, je takšno obratovanje bivalentno alternativno. V primeru bivalentno vzporednega obratovanja TČ deluje neprekinjeno, pri nižjih zunanjih temperaturah, ko ne pokriva vseh toplotnih potreb zgradbe, se vključijo dodatni viri toplote. Slika 3-1: Način obratovanja toplotnih črpalk 11
Če bi TČ dimenzionirali na najvišje toplotne potrebe, je zagotovo, da bo njena toplotna moč previsoka za večino časa med letom. Zato je pomemben podatek pri izbiri TČ, da določimo bivalentno točko, ki predstavlja zunanjo temperaturo, do katere TČ pokrije potrebe po toploti zgradbe. Pri nižjih temperaturah pa se vključi dodatni vir toplote za ogrevanje zgradbe. Slika 3-2: Letno pokritje toplotnih izgub Pri izbiri TČ je najprej pomembno izbrati vir toplote. Pri izkoriščanju virov toplote moramo upoštevati naslednje kriterije: Zadostna razpoložljivost vira, velika akumulacija toplote, dovolj visok temperaturni nivo. Pri izbiri vira toplote je prav tako pomembno vedeti naslednje: Je novogradnja ali je obstoječi objekt, letne energijske potreba objekta, temperaturni režim ogrevanja, delež kritja energetskih potreb s toplotno črpalko. Na spodnji sliki je prikazana primerjava grelne moči toplotne črpalke v odvisnosti od različnih virov toplote. Razvidno je, da je krivulja za zunanji zrak najbolj strma, ostale krivulje pa bolj položne, medtem ko je za krivulja za odpadni zrak praktično ravna. Iz tega 12
lahko zaključimo, da toplotno črpalko z zunanjim zrakom kot virom toplote ne moremo dosegati dovolj toplotne energije v najbolj hladnih dneh. Slika 3-3: Primerjava različnih virov toplote 13
3.1 Toplotna črpalka voda/voda Vir toplote pri tej toplotni črpalki je voda. Vodo lahko črpamo iz podtalnice, lahko pa uporabljamo tudi rečno vodo. Za 1kW toplotne moči je potrebno zagotoviti približno 240l vode na sekundo, temperature med 8-10 C. Ker ima podtalnica konstantno temperaturo, lahko to črpalko uporabljamo skozi celotno ogrevalno sezono. Pazljivi moramo biti zaradi smeri toka podtalnice, zaradi odvzema toplote vodi, da ne zajemamo v vrtini že ohlajene vode. Zaradi visokega in konstantnega temperaturnega nivoja je grelno število visoko. Slika 3-4: Toplotna črpalka voda/voda 14
3.2 Toplotna črpalka zemlja/voda Zemlja shranjuje sončno toploto preko celega leta. Torej toplotne črpalke zemlja/voda izkoriščajo toplotno energijo zemlje. Toplotna energija zemlje je odvisna od sestave tal in moči toplotne črpalke in načina odvzema energije. V večini primerov se uporablja vodoravni kolektor, predvsem zaradi cene. V zemlji skladiščena toplotna energija se prevaja iz vrha proti globini zemlje. Najvažnejši podatek za toplotno energijo je sončno sevanje in količina padavin. Dovod toplote je zelo odvisno od vlažnosti zemeljske skorje, saj v primeru vlažne zemlje se toplota shranjuje s pomočjo vlage. Večja je vlažnost zemlje, več toplote lahko shrani zemlja. Glede na vrsto zemlje lahko iz tal odvzamemo naslednjo količino toplote: Peščena tla (suha) Ilovnata tla (suha) Ilovnata tla (vlažna) Ilovnata tla (nasičena z vodo) q = 10 W/m q = 20 W/m q = 25 W/m q = 35 W/m Prav tako je zelo pomembna površina (A) zemeljskega kolektorja, ki je pa odvisna od dolžine (L) vseh cevi in pa razmik med posameznim vodom (d) Slika 3-5: Toplotna črpalka zemlja/voda 15
3.3 Toplotna črpalka zrak/voda Zrak je neizčrpen vir toplote. S pomočjo toplotne črpalke lahko to toploto izkoristimo za ogrevanje stavbe ali sanitarno vodo. Ta črpalka deluje zelo neenakomerno, saj se temperatura in vlažnost zraka v okolju zelo spreminja. Tako se moč toplotne črpalke zmanjšuje s temperaturo okolice. Pri sistemu toplotne črpalke zrak/voda za sanitarno vodo uporabimo zrak iz prostora, kjer je nameščena ta toplotna črpalka in s tem zagotovimo enakomernejše temperaturne pogoje za delovanje toplotne črpalke. Pri ogrevalni toplotni črpalki je pretok zraka skozi zunanji prenosnik zelo velik in je potrebno toplotni prenosnik postaviti zunaj ogrevalne zgradbe. Pri uparjanju začne na uparjalniku kondenzirati vlaga, ki je problematična pri nizkih temperaturah okoliškega zraka, saj te kapljice zmrzujejo in tako nastaja srež. Nastali srež tako ovira pretok zraka skozi uparjalnik in s tem zmanjšuje grelno število toplotne črpalke. Tako morajo imeti te toplotne črpalke funkcijo odtaljevanja, kjer s toploto odtalimo uparjalnik zunanjega prenosnika. Slika 3-6: Toplotna črpalka zrak/voda 16
4. MERJENJE COP-JA PO EHPA UREDBI 4.1 Opis meritve Meritve se začnejo izvajati z pripravljalno periodo (Pretreatment period), kjer so vsaj deset minut vsi parametri v tolerancah (Slika 4-1). Slika 4-1: Testni parametri v funkciji ogrevanja z toplotno črpalko Sledi odtaljevalna perioda (Defrost with recovery phase) z desetimi minutami okrevanja. Ta odtaljevalna perioda se lahko začne avtomatsko ali pa jo sprožimo ročno. V odtaljevalni periodi morajo biti merjeni parametri v tolerancah (Slika 4-2). Slika 4-2: Testni parametri v funkciji odtaljevanja toplotne črpalke 17
Ko se okrevalna perioda konča, morajo merjeni parametri biti zopet v tolerancah kot prikazuje slika 4-1. Sledi 60 minut delovanja toplotne črpalke v ogrevalnem načinu (Equilibrium period). Po tej periodi sledi merilna perioda (Measurement period), kjer beležimo podatke za izračun COP-ja. Ta perioda traja 35 minut (steady state) ali 3 ure (tansient test), odvisno od merilnih pogojih. 4.2 Pogoji za izračun pri 35 min (steady test) COP po tej metodi merjenja lahko izračunamo takrat, ko v periodi 60 minut (Equilibrium periodi) in nadaljnjih 35 minut ne pride do avtomatskega ponovnega odtaljevanja (Slika 4-3). Samo v tem primeru računamo po tej metodi. Slika 4-3: Izračun COP-ja po 35minutah merjenja 18
4.3 Pogoj za izračun pri 3 urah (Transient test) Pri tem pogoju se pojavi odtaljevanje tekom delovanja toplotne črpalke. Takrat se mora podaljšati čas merilne periode na tri ure. Tako se merilni podatki beležijo v času treh ur. Če pride do odtaljevanja v teh treh urah samo enkrat, potem se vzamejo podatki za izračun COP-ja skozi celotne tri ure merjenja. Prikaz je na sliki 4-4, pod oznako E. Slika 4-4: Izračun COP-ja po 3 urah merjenja Na naslednji sliki 4-5 lahko pri delovanju toplotne črpalke pride v merilni periodi do dveh odtaljevanj. Potem se vzame za izračun COP-ja samo podatki med začetkom odtaljevanja in začetkom naslednjega odtaljevanja (Pod oznako E). To je tako imenovani en delovni cikel toplotne črpalke. 19
Slika 4-5: Izračun COP-ja po 3 urah merjenja v primeru dveh odtaljevanj 4.4 Izračun COP-ja po EHPA-DACH testing regulation 4.4.1 Izračun toplotne moči Q WP.total = Q WP t c (4.1) Q WP = n 1 Q H.i +Q H.i+1 2 i=1 Δt (4.2) Q WP = q W φ W T R C p (T V T R ) (4.3) Kjer pomenijo: Q WP.total [W] Q WP [J] t c [s] - Povprečna dobljena toplotna moč, - toplotna energija skozi cikel merjenja, - čas trajanja testa, Q H.i [W] - toplotna moč za i-to meritev, Q WP [W] Δt [s] - toplotna moč enega intervala, - merilni interval, 20
q W [m 3 /s] φ W T R [kg/m 3 ] Cp [J/kgK] T v [K] T R [K] n - volumenski pretok prenosnega medija na topli strani, - gostota prenosnega medija na povratni temperaturi, - specifična toplota vode na izstopu iz kondenzatorja, - temperatura na izstopu iz kondenzatorja, - temperatura na vstopu v kondenzator, - število merilnih intervalov. 4.4.2 Izračun porabe električne energije Poraba električne moči se lahko izračunava z seštevanjem porabe električne moči ventilatorja, kompresorja in vso porabo električne moči za delovanje toplotne črpalke. Porabljeno moč preprosto merimo na merilnem sistemu. Tako skupno porabo električne energije preprosto izračunamo: P WP.total = E el t c (4.4) E el = n 1 P EL.i +P EL.i+1 2 i=1 Δt (4.5) P total = P komp. + P vent. + P OP (4.6) Kjer pomenijo: P WP.total [W] E el [J] t c [s] P EL.i [W] Δt [s] P total [W] P komp. [W] P vent. [W] P OP. [W] - Povprečna poraba električne moči, - porabljena električna energija skozi cikel merjenja, - čas trajanja testa, - efektivna moč, ki se upošteva pri COP, za i-ti interval, - merilni interval, - poraba električne energije enega intervala, - poraba električne moči kompresorja, - poraba električne moči ventilatorja, - poraba električne moči ostalih porabnikov na toplotni črpalki. 21
4.4.3 Upoštevanje obtočne črpalke Ker obtočna črpalka ni del toplotne črpalke, je potrebno korigirati energijo, ki jo daje obtočna črpalka: Ko se testira toplotna črpalka, izmerimo skupno dovedeno električno moč na merjenec, ki pa v tem primeru ne vsebuje deleža moči obtočne črpalke, ki je potreben za premagovanje internih uporov v toplotni črpalki. Zaradi tega je potrebno izmerjeni oz. preračunani dovedeni moči prišteti delež, ki je potreben za premagovanje internih uporov ko izračunavamo porabo električne in toplotne energije. Delež dovedene moči obtočne črpalke zaradi internih uporov v toplotni črpalki je: P int. = q Δp int. η (4.7) Kjer pomenijo: P int. [W] q [m 3 /s] Δp int. [Pa] η - Delež moči obtočne črpalke, - pretok vode na topli strani, - razlika tlakov na vstopu in izstopu iz kondenzatorja, - izkoristek obtočne črpalke: Po standardu EN 14511 je η=0,3. Torej je efektivna porabljena električna moč, ki se upošteva pri izračunu COP je: P EL = P total + P int. = P komp. + P vent. + P OP + P int. (4.8) Kjer pomeni: P EL [W] - Električna moč, ki se upošteva pri izračunu COP-ja. Zaradi internih uporov, ki jih mora premagovati toplotna črpalka, se toplotni medij na obtočni črpalki dodatno segreje. Ker pa ta delež, pri meritvah toplotne moči toplotne črpalke ni vsebovan (merimo ΔT na vstopu in izstopu kondenzatorja), ga moramo prišteti k izmerjeni toplotni moči toplotne črpalke, ko vrednotimo toploto moč in izračunavamo COP. P H = P int. (4.9) 22
Kjer pomeni: P H [W] - Delež moči obtočne črpalke. Torej moramo pri preračunu toplotne moči in COP-ja upoštevati še ta del moči: Q H = Q WP + P H = q W φ W T R C p T V T R + P H (4.10) Kjer pomeni: Q H [W] - Efektivni delež toplotne moči. 4.4.4 Izračun COP-ja COP = Q WP.total P WP.total (4.11) Kjer pomeni: COP - Grelno število toplotne črpalke. 23
5. ANALIZA ZUNANJEGA PRENOSNIKA TOPLOTE PRI TOPLOTNI ČRPALKI GORENJE ZRAK/VODA Uparjalnik uparja tekočo hladilno snov v plinasto fazo. Ta sprememba agregatnega stanja porablja toploto, ki jo odvzemamo okolici, v tem primeru toploto zunanjega zraka. Uparjalnik ima nalogo, da odvzema toploto iz zraka in jo prenaša na hladivo, ki kroži v sistemu toplotne črpalke in to toploto odda v kondenzatorju vodi, ki kroži v ogrevalnem sistemu. Zaradi boljšega izkoristka samega uparjalnika se hladivo pred vstopom v uparjalnik porazdeli na več zank (vbrizgov hladiva). Poleg tega je pomembna tudi površina samega uparjalnika in njegova medlamelna razdalja. Testiranih je bilo več različnih vrst zunanjih enot od proizvajalca Hidria. Osnovne razlike so v spodnji tabeli: Tip prenosnika Površina prenosa toplote Razmik med lamelami Število vbrizgov na uparjalniku Projektna hladilna moč pri temperaturi okolice 2 C Hidria V1 86,0 m 2 3,0 mm 8 11,00 kw Hidria V2 H1180 mm 65,8 m 2 4,0 mm 8 11,05 kw Hidria V2 65,8 m 2 4,0 mm 8 11,05 kw Hidria V3 80,9 m 2 3,5 mm 8 11,36 kw Hidria V4 80,9 m 2 3,5 mm 6 11,36 kw Tabela 1: Tabela tipov zunanjih prenosnikov Vsak prenosnik ima nekaj svojih značilnosti in so opisane pod posameznimi poglavji. 24
5.1 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V1 5.1.1 Opis Zunanji toplotni prenosnik Hidria V1 je bil prvi prototip, ki smo ga merili skupaj z notranjo enoto Gorenje. Material same konstrukcije je iz pocinkane pločevine. Kot je s slike 5-1 razvidno, ima visoko ustje, kar je zelo dobro iz termodinamičnega področja. Konstrukcija tega toplotnega prenosnika je robustna in neestetskega videza. Dobljeni rezultati tega toplotnega prenosnika so zelo dobri, kar je razvidno iz spodaj pridobljenih rezultatov. 5.1.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V1 Zunanja enota Hidria V1 Površina prenosa toplote 86 m 2 Zmnožek koeficienta prenosa toplote in površine 3,58 Dimenzije uparjalnika: Širina uparjalnika 1150 mm Dolžina uparjalnika 1100 mm Višina uparjalnika (lamele) 210 mm Razmik med lamelami 3,0 mm Število nivojev cevi na prenosniku 5 Število vbrizgov na prenosniku 8 Material cevi Baker- Cu Material lamel Aluminij- Al Material ohišja Pocinkana površina Ventilator Hidria R11P-50LPS-ECM-3501 Tabela 2:Tabela značilnosti toplotnega prenosnika Hidria V1 25
Slika 5-1: Zunanji prenosnik Hidria verzija 1 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V1 smo testirali z notranjo enoto toplotne črpalke Gorenje 14 kw-prototip. Notranja enota je bila sestavljena iz komponent v spodnji tabeli 3: Vzorec TČ ZV Gorenje 14kW- Prototip Kompresor Copeland ZH38 Kondenzator SWEP B25TH-X40 Elektronski ekspanzijski ventil Emerson Receiver FRIGOMEC Filter Danfoss Tabela 3: Komponente notranje enote Gorenje 14kW-Prototip Pri izbiri komponent za notranjo enoto je bilo upoštevano zanesljivost delovanja same toplotne črpalke pri vseh pogojih delovanja. V prvi vrsti je bil izbran kompresor Copeland ZH38, ker je namenjen prav toplotni črpalki za ogrevanje vode. Prav tako je ta kompresor zelo tih in zanesljiv, kar je pomembno pri toplotni črpalki, saj je notranja enota postavljena v kletni prostor stavbe. Velikost kondenzatorja je prilagojen na podlagi izbire kompresorja in izkoristka kondenzatorja pri prestopu toplote iz hladiva na toplo vodo. V notranjo enoto toplotne črpalke je dodan tako imenovani»receiver«, ki ima dvojno nalogo. Prva naloga te 26
komponente je, da vrši prenos toplote iz tekočega hladiva na plinasto hladivo, ki je na drugi strani te posode. Druga naloga je pa ta, da z samo obliko konstrukcije v tej posodi preprečuje vstop morebitnega tekočega hladiva v sesalno cev od kompresorja. Ostale komponente notranje enote so bile izbrane na podlagi samih karakteristik posamezne komponente, ki so jih podajali proizvajalci. Slika 5-2: Notranja enota toplotne črpalke Gorenje 14kW-Prototip 27
5.1.3 Ugotovitve Rezultate testiranja toplotne črpalke z zunanjo enoto Hidria V1 so v prilogi 1. Toplotno črpalko in ta toplotni prenosnik je bil testiran pod standardnimi pogoji, kot jih navaja standard EN 14511 in uredbi EHPA organizacije. Pri izvajanju standardnih meritvah je bil merjen tudi tlak uparjanja in tlak kondenzacije. V spodnji tabeli so zbrani povprečni tlaki in preračunane temperature s programom Solkane 7.0.0 pri vsakem merjenem pogoju. Meritve Pogoj Zrak/Voda Tlak kondenzacije [bar] Temperatura kondenzacije [ C] Tlak uparjanja [bar] Temperatura uparjanja [ C] 1 A15/W35 14,5 37,7 4,5-0,7 2 A2/W35 14,0 36,4 3,7-6,1 3 A2/W35 13,8 35,8 3,8-5,4 4 A-2/W35 14,0 36,4 3,2-10,0 5 A-7/W35 14,0 36,4 2,9-12,5 6 A-7/W45 18,0 46,0 2,9-12,5 7 A-7/W50 18,0 46,0 2,9-12,5 8 A-7/W55 22,5 55,1 3,0-11,7 9 A-15/W35 13,5 35,0 2,2-19,4 10 A-15/W45 17,4 44,7 2,3-18,3 11 A20/W55 23,9 57,6 5,5-1,0 Tabela 4: Tabela tlakov in temperatur uparjanja in kondenzacije Proizvajalci toplotnih črpalk največkrat podajajo rezultate COP pri pogoju A2/W35. Ta pogoj je z vidika meritve tudi najbolj zanimiv zaradi nizke temperature okolice in visoke vlage v zraku. Ta standardni pogoj predpisuje temperaturo okolice 2 C in relativno vlago v zraku 84%. Zaradi visoke vlage v zraku in nizke temperature uparjanja se še hitreje nabira srež in led na zunanjem prenosniku toplote (uparjalniku). Pri toplotnem prenosniku Hidria V1je bil ta problem še posebej izrazit, kar se je videlo iz grafa 1pri delovanju toplotne črpalke in pa vizualno na samem prenosniku toplote (Slika 5-3 in Slika 5-4). Na spodnjem grafu 1 je vidno kako neenakomerno prihaja do odtaljevanj. Posledica tega je prav ta led, ki se je nabiral skozi delovanje toplotne črpalke in s tem onemogočal učinkovito toplotno prestopnost iz zraka na hladivo. 28
Graf 1: Graf delovanja TČ Gorenje z Hidria V1 Slika 5-3:Pred odtaljevanju Hidria V1 29
Slika 5-4: Med odtaljevanju z spodnje strani Z grafa 1 se tudi opazi, da merjeni parametri po določenem času postajajo nestabilni. To nihanje parametrom se stopnjuje do naslednjega odtaljevanja. Ugotovljeno je bilo, da je ta nestabilnost parametrov posledica prevelikega in neenakomernega nabiranja ledu na toplotnem prenosniku Hidra V1. Nestabilnost parametrov je povezano z premajhnim lamelnim razmikom, ki v tem primeru znaša 3mm. Dobljeni rezultati COP so zelo dobri, vendar se zaradi samega nestabilnega delovanja toplotne črpalke nadaljevali testiranje z drugem toplotnem prenosniku. 30
Testiranje s tem toplotnem prenosniku je bil tudi pri ekstremnem pogoju A-15/W45. in sicer pri Graf 2: Delovanje TČ Gorenje z Hidra V1 pri pogoju A-15/W45 Iz grafa 2 je razvidno, da so parametri nestabilni, vendar pa se ta nestabilnost parametrov ne stopnjuje do ponovnega odtaljevanja, kar je dokaj ugodno za delovanje toplotne črpalke. Tlak kondenzacije bistveno bolj niha kot tlak uparjanja, kar je posledica nekonstantnega pretoka vode skozi kondenzator. Tlak uparjanja niha manj kot tlak kondenzacije, kar je bilo povezano s tem, da na zunanjem toplotnem prenosniku še ni prišlo do prevelikega nabiranja ledu. Z dobljenimi rezultati dobimo karakteristiko toplotne črpalke Gorenje 14kW z zunanjim toplotnim prenosnikom Hidria V1. Karakteristika toplotne črpalke se nanaša na izstopno temperaturo tople vode 35 C. Kot vidimo na grafu 3, toplotna moč strmo narašča z večanjem temperature zraka. Prav tako se veča tudi potrebna električna moč za delovanje toplotne črpalke, vendar bistveno manj izrazito. Ravno ta razlika med tema krivuljama nam daje izkoristek toplotne črpalke ali COP. 31
Graf 3: Karakteristika TČ Gorenje-Prototip z Hidrio V1 ZAKLJUČEK Z zunanjim toplotnim prenosnikom Hidria V1 smo dobili zelo dobre rezultate COP-ja. Pomembno je povedati, da je pri tem tipu prenosnika velika površina prenosa toplote, ki znaša 86m 2 in število vbrizgov, ki jih ima prenosnik (8). Prav tako je konstrukcija celotnega toplotnega prenosnika primerna s stališča zračnih tokovnih razmer, saj se konstrukcija proti ventilatorju zmanjšuje in s tem zagotovi manj turbulentni tok na vstopu v ventilator. Slaba stran tega tipa prenosnika je v neestetskem videzu, saj je pričakovana postavitev toplotnega prenosnika zunaj zgradbe in je tako viden. Prav tako so bile pri testiranju težave z lamelnim razmikom, ker se je na uparjalniku močno nabiral led in tako povzročil nestabilno delovanje toplotne črpalke. 32
5.2 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2 H1180mm 5.2.1 Opis Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2 višine H1180mm je konstrukcijsko narejen tako, da ga lahko opremimo z določenimi paneli, kjer izboljšamo estetski videz. Predvidevati je bilo, da je termodinamično nekoliko manj učinkovit saj ima nižje ustje. To bi lahko pomenilo, da so lahko nekateri deli, še posebej v vogalih uparjalnika, neizkoriščeni. 5.2.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V2 H1180mm Zunanja enota Hidria V2 H1180mm, vzorec 1 Površina prenosa toplote 65,8 m 2 Zmnožek koeficienta prenosa toplote in površine 3,50 Dimenzije uparjalnika: Širina prenosnika 1150 mm Dolžina prenosnika 1100 mm Višina prenosnika (lamele) 210 mm Razmik med lamelami 4,0 mm Število nivojev cevi na prenosniku 5 Število vbrizgov na prenosniku 8 Material cevi Baker- Cu Material lamel Aluminij- Al Material ohišja Ventilator Hidria R11P-50LPS-ECM-35.. Tabela 5: Tabela značilnosti toplotnega prenosnika Hidria V2 H1180mm 33
Slika 5-5: Zunanji prenosnik Hidria V2H1180mm Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2 H1180mm je bil testiran z notranjo enoto toplotne črpalke Gorenje 14 kw-prototip. Notranja enota je bila sestavljena iz komponent v spodnji tabeli 5: Vzorec TČ ZV Gorenje 14kW- Prototip Kompresor Copeland ZH38 Kondenzator SWEP B25TH-X40 Elektronski ekspanzijski ventil Emerson Kapilara za odtaljevanje L=200 mm Receiver FRIGOMEC Filter Danfoss Tabela 6: Komponente notranje enote Gorenje 14kW-Prototip 5.2.3 Ugotovitve Pri toplotnem prenosniku Hidria V2 H1180mm je bil namen poleg samega izkoristka toplotne črpalke testirati še vpliv ventilatorja na izkoristek toplote črpalke. Tako je bil toplotni prenosnik Hidria V2 H1180mm najprej testiran z novim ventilatorjem Hidria ECM R11P- 50LPS-ECM-35..(prototip). Premer ventilatorja je Ø500mm. Dobljeni rezultati testiranja so v prilogi 1. 34
Zabeleženi tlaki kondenzacije in uparjanja in posledično tudi temperature so v spodnji tabeli 7: Meritev Pogoj Zrak/Voda Tlak kondenzacije [bar] Temperatura kondenzacije [ C] Tlak uparjanja [bar] Temperatura uparjanja [ C] 1 A15/W35 15,80 40,95 5,10 2,94 2 A7/W35 15,50 40,21 4,40-1,31 3 A7/W55 15,07 59,63 4,55-0,36 4 A2/W35 15,20 39,47 3,80-5,38 5 A2/W45 19,70 49,69 3,80-5,38 6 A2/W45, 50% rpm 19,64 49,51 3,76-5,76 7 A2/W55 24,90 59,34 3,80-5,38 8 A-7/W35 15,00 38,97 2,70-14,36 9 A-7/W45 19,30 48,81 2,80-13,44 Tabela 7: Tabela tlakov kondenzacije in uparjanja pri zunanji enoti Hidria V2 H1180mm z ventilatorjem ECM R11P-50LPS-ECM-35.. Kot je razvidno iz zgornje tabele 7, je tlak in s tem tudi temperatura kondenzacije dovolj visoka za prenos toplote pri vseh merjenjih pogojih. Tako pri tem toplotnem prenosniku ni več problem dosegati zadostne temperature za ogrevalni krog pri toplotni črpalki. Graf 4: Graf delovanja TČ Gorenje z Hidria V2 H1180mm z ventilatorjem ECM R11P- 50LPS-ECM-35.. 35
Toplotna črpalka je s tem toplotnem prenosniku delovala stabilno in zanesljivo. Problem se je pojavil v nihanju temperature hladiva na izstopu iz uparjalnika. Posledica tega nihanja je, da se je na uparjalniku že nabralo preveč ledu. Pod tem pogoju bi morali prisilno skrajšati cikel delovanja toplotne črpalke s tem pa bi izgubili dokaj velik COP toplotne črpalke. Graf 5: Karakteristika TČ Gorenje-Prototip z Hidrio V2 H1180mm z ventilatorjem ECM R11P-50LPS-ECM-35.. ZAKLJUČEK Pri testiranju toplotne črpalke Gorenje-Prototip z zunanjim prenosnikom Hidria V2 H1180mm so bili doseženi dobri rezultati COP-ja, ampak delovanje toplotne črpalke pri posameznih pogojih je bilo zelo neenakomerno in nezanesljivo. Zaradi problema nihanja temperature na izstopu iz uparjalnika, bi bilo potrebno skrajševati cikle delovanja toplotne črpalke, kar bi pa pomenilo znižanje COP-ja toplotne črpalke. 36
5.3 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2 5.3.1 Opis Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2 je tokrat višine H1080 mm in prav tako konstrukcijsko narejen tako, da ga lahko opremimo z določenimi paneli, kjer izboljšamo estetski videz. Predvidevati je bilo, da je termodinamično nekoliko še manj učinkovit, saj ima še nižje ustje. To bi lahko pomenilo, da so lahko nekateri deli, še posebej v vogalih uparjalnika, neizkoriščeni. 5.3.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V2 Zunanja enota Hidria V2 Površina prenosa toplote 65,8 m 2 Zmnožek koeficienta prenosa toplote in površine 3,50 Dimenzije uparjalnika: Širina prenosnika 1150 mm Dolžina prenosnika 1100 mm Višina prenosnika (lamele) 210 mm Razmik med lamelami 4,0 mm Število nivojev cevi na prenosniku 5 Število vbrizgov na prenosniku 8 Material cevi Baker- Cu Material lamel Aluminij- Al Material ohišja Ventilator Hidria R11P-50LPS-ECM-35.. Hidria AC Ø 630mm Tabela 8: Tabela značilnosti toplotnega prenosnika Hidria V2 37
Slika 5-6: Zunanji toplotni prenosnik Hidria V2 5.3.3 Ugotovitve 5.3.3.1 Testiranje z ventilatorjem AC 630mm S testiranjem toplotne črpalke s to zunanjo enoto in širšim ventilatorjem Ø630mm, je bilo namenjeno več časa za merjenje vpliva hitrosti ventilatorja na COP toplotne črpalke. Meritev Pogoj Zrak/Voda Tlak kondenzacije [bar] Temperatura kondenzacije [ C] Tlak uparjanja [bar] Temperatura uparjanja [ C] 1 A7/W35, 510rpm 15,68 40,66 4,46-0,92 2 A7/W55, 650rpm 15,70 40,17 4,40-1,31 3 A2/W35, 510rpm 14,51 37,71 3,85-5,02 4 A2/W35, 650rpm 15,42 40,02 3,91-4,60 6 A-7/W35, 510rpm 15,00 38,97 2,80-13,44 7 A-7/W35, 650rpm 15,00 38,97 2,90-12,54 8 A-7/W45, 510rpm 19,44 49,10 2,92-12,36 9 A-15/W45, 510rpm 18,51 47,14 2,20-19,41 Tabela 9: Tabela tlakov kondenzacije in uparjanja pri zunanji enoti Hidria V2 z ventilatorjem AC 630mm 38
Iz tabele 8 razberemo pri pogoju A2/W35 (meritev 4), da pri povečani hitrosti ventilatorja dobimo višjo temperaturo kondenzacije kot pri nižjih vrtljajih. Prav tako dosežemo pri temperaturi uparjanja višji temperaturni nivo, kar pomeni, da pri tem pogoju pridobimo dovolj energije za izboljšanje COP-ja toplotne črpalke. Graf 6: Delovanje TČ pri pogoju A2/W35 z hitrostjo ventilatorja 510rpm Delovanje toplotne črpalke z ventilatorjem Ø 630mm in z hitrostjo 510rpm je stabilno in brez prevelikih nihanj na tlaku kondenzacije. Problem opazimo pri dokaj kratkem ciklu delovanja toplotne črpalke. 39
Graf 7: Delovanje TČ pri pogoju A2/W35 z hitrostjo ventilatorja 650rpm Pri delovanju toplotne črpalke z ventilatorjem Ø 630mm in vrtilno hitrostjo 610rpm opazimo majhno nihanje tlakov, kar je še spremenljivo pri delovanju toplotne črpalke. Problem se pojavi zaradi različnih ciklov delovanja toplotne črpalke, kar bi lahko pomenilo, da bi lahko v nadaljevanju testiranja pod tem pogojem pojavilo še večja nihanja. 40
Graf 8: Vpliv vrtilne hitrosti ventilatorja na COP toplotne črpalke Na podlagi treh meritvah se je izdelal grobi primerjalni graf vpliv hitrosti ventilatorja na COP toplotne črpalke. Lahko je opaziti, da med temperaturo okolice -5 C in 5 C povečana hitrost ventilatorja pripore k izboljšavi želenega COP-ja, medtem ko pri višjih ali nižjih temperaturah porabi ventilator več moči kot bi bilo potrebno. 5.3.3.2 Testiranjem z ventilatorjem Hidria R11P-50LPS-ECM-3501 Ventilator Hidria R11P-50LPS-ECM-3501 je predhodno bil montiran na zunanjo enoto Hidria V1. Ker se pri predhodnih testiranj zunanjih enot ugotovilo velik vpliv ventilatorja na COP toplotne črpalke in velike porabe moči ventilatorja AC Ø630mm, je bilo zanimivo preveriti COP toplotne črpalke še s tem ventilatorjem: Meritev Pogoj Zrak/Voda Tlak kondenzacije [bar] Temperatura kondenzacije [ C] Tlak uparjanja [bar] Temperatura uparjanja [ C] 1 A7/W35 15,62 40,51 4,39-1,37 2 A2/W35 15,47 40,14 3,85-5,02 3 A2/W35 15,49 40,19 3,81-5,21 4 A2/W35 14,94 38,81 3,51-7,35 5 A2/W35 14,44 37,35 3,41-8,30 6 A-7/W35 15,11 39,24 2,89-12,63 Tabela 10: Tabela tlakov kondenzacije in uparjanja pri zunanji enoti Hidria V2 z ventilatorjem Hidria R11P-50LPS-ECM-3501 Iz tabele 9 je opaziti, da je temperatura uparjanja pri pogoju A2/W35 nekje pod -5 C. V primerjavi testiranja z ventilatorjem Ø630mm je ta temperatura nižja. Pri enakem pogoju je opaziti še, da pri večih zaporednih meritvah pod istimi pogoji dobimo različne temperature uparjanja in kondenzacije. To pomeni, da toplotna črpalka ne deluje s tem uparjalnikom enakomerno in je vprašanje, kaj se bi dogajalo v nadaljevanju testiranja. 41
Graf 9: Delovanje TČ pri pogoju A2/W35 Iz grafa 9 je opaziti veliko nihanje tako tlaka kondenzacije kot tlaka uparjanja. Zaradi teh nihanj, ki se stopnjuje do ponovnega odtaljevanja, je problem neenakomernega in nezanesljivega delovanja toplotne črpalke. V nadaljevanju testiranja pod istim pogojem A2/W35, se je prisilno skrajšalo cikle delovanja toplotne črpalke. Tako je bilo predvideno, da do teh nihanj parametrov tlaka nebi več prišlo. 42
Graf 10: Delovanje TČ pri pogoju A2/W35, prisilno skrajšani cikli Kot je vidno z grafa 10, se tlačne razmere niso spremenile in še vedno zelo nihajo. Problem nihanja z skrajševanjem cikla je torej nemogoče, prav tako pa je COP toplotne črpalke nekoliko padel. 43
5.4 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V3-vzorec1 5.4.1 Opis Zunanji toplotni prenosnik Hidria V3 je konstrukcijsko narejen tako, da ga lahko opremimo z določenimi paneli, kjer izboljšamo estetski videz. Prav tako je spremenjena tudi višina toplotnega prenosnika, ki pri tem toplotnem prenosniku znaša 1080mm. Pomembna sprememba je tudi medlamelni razmik, ki je pri tem vzorcu 3,5mm. Tako se je povečala tudi površina za prenos toplote na 80,9m 2. Zaradi povečane površine prenosa toplote so se obetali boljši COP-ji toplotne črpalke. 5.4.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V3-vzorec1 Zunanja enota Hidria Verzija 3-vzorec 1 Površina prenosa toplote 80,9 m 2 Zmnožek koeficienta prenosa toplote in / površine Dimenzije uparjalnika: Širina uparjalnika 1150 mm Dolžina uparjalnika 1100 mm Višina uparjalnika (lamele) 210 mm Razmik med lamelami 3,5 mm Število nivojev cevi na prenosniku 5 Število vbrizgov na prenosniku 8 Material cevi Baker- Cu Material lamel Aluminij- Al Material ohišja Ventilator Hidria R11P-50LPS-ECM-35.. Tabela 11: Tabela značilnosti toplotnega prenosnika Hidria V3 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V3-vzorec1 se je testiral z notranjo enoto toplotne črpalke Gorenje 14 kw-vzorec1. Notranja enota je bila sestavljena iz komponent v spodnji tabeli 12: Vzorec TČ ZV Gorenje 14kW- vzorec1 Kompresor Copeland ZH38 Kondenzator SWEP B25TH-X60 Elektronski ekspanzijski ventil Emerson Receiver FRIGOMEC Filter ALCO Tabela 12: Komponente notranje enote Gorenje 14kW-vzorec1 44
Komponente v tej enoti so bile preizkušene iz prejšnjih testiranj. Razlika je tokrat samo v tipu kondenzatorja in sicer v število plošč za prenos toplote na ogrevalni sistem, ki ima sedaj 60. Pri tem vzorcu je bil dodan še TEV za odtaljevanje in filter hladiva je bil zamenjan z ALCO filtrom. Slika 5-7: Zunanji prenosnik Hidria V3-vzorec 1 5.4.3 Ugotovitve Meritev Pogoj Zrak/Voda Tlak kondenzacije [bar] Temperatura kondenzacije [ C] Tlak uparjanja [bar] Temperatura uparjanja [ C] 1 A7/W35 19,49 37,66 4,17-2,82 2 A7/W55 22,75 55,54 4,05-3,63 3 A2/W35 14,18 36,85 3,63-6,62 4 A2/W35 13,80 35,84 3,39-8,46 5 A-7/W35 13,68 35,51 2,60-15,31 6 A-7/W55 22,49 55,43 2,96-12,01 7 A-15/W35 14,72 38,25 2,23-19,09 8 A-20/W35 14,25 37,03 1,67-25,86 Tabela 13: Tabela tlakov kondenzacije in uparjanja pri zunanji enoti Hidria V3-vzorec1 Pri pogoju A2/W35 je bilo doseženo dokaj nizke temperature uparjanja in kondenzacije. Predvidevati je bilo, da je pri tem toplotnem prenosniku premajhen pretok zraka skozi 45
uparjalnik in s tem ne zagotavlja zadostnega prenosa toplote. Ta problem je pri tem toplotnem prenosniku še bolj izrazit zaradi manjšega lamelnega razmika. Tako prihaja do prejšnjega nabiranja ledu oziroma zabitja uparjalnika, ki še dodatno povzroča oviro pri pretoku zraka skozi uparjalnik. Graf 11: Delovanje TČ Gorenje-vzorec1 z zunanjo enoto Hidria V3-vzorec1 pri pogoju A2/W35 Iz grafa 11 vidimo, da tlačne razmere nihajo, vendar se ne stopnjujejo do ponovnega odtaljevanja. To je za to kombinacijo toplotne črpalke dobro, kar pomeni, da toplotna črpalka deluje stabilno. 46
Graf 12: Karakteristika TČ Gorenje-vzorec1 z Hidrio V3-vzorec1 ZAKLJUČEK: Z zunanjim toplotnim prenosnikom Hidria V3-vzorec 1 se je dosegel dober COP toplotne črpalke. Problem pri tej zunanji enoti je bil ta, da so temperaturni nivoji uparjanja nižji kot pri predhodnih toplotnih prenosnikih, kar pomeni, da se tukaj izgublja nek delež moči. 47
5.5 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V4-vzorec1 5.5.1 Opis Zunanji toplotni prenosnik Hidria V4-vzorec1 je konstrukcijsko narejen tako, da ga lahko opremimo s paneli, kjer izboljšamo estetski videz. Lamelni razmik pri tem vzorcu je prav tako 3,5mm. Površina za prenos toplote tudi 80,9m 2. Pri tem vzorcu je potrebno še omeniti, da ima 6 vbrizgov hladiva v uparjalnik. 5.5.2 Značilnost toplotnega prenosnika Hidria V4-vzorec1 Zunanja enota Hidria Verzija 4-vzorec 1 Površina prenosa toplote 80,9 m 2 Zmnožek koeficienta prenosa toplote in / površine Dimenzije uparjalnika: Širina uparjalnika 1150 mm Dolžina uparjalnika 1100 mm Višina uparjalnika (lamele) 210 mm Razmik med lamelami 3,5 mm Število nivojev cevi na prenosniku 5 Število vbrizgov na prenosniku 6 Material cevi Baker- Cu Material lamel Aluminij- Al Material ohišja Ventilator Hidria R11P-50LPS-ECM-35..(Prototip) Tabela 14: Tabela značilnosti toplotnega prenosnika Hidria V4-vzorec1 48
Slika 5-8: Zunanji prenosnik Hidria V4-vzorec1 Zunanji toplotni prenosnik Hidria V4-vzorec1 se je testiral z notranjo enoto toplotne črpalke sestavljena Gorenje 14 kw-vzorec1. Notranja enota je bila iz komponent v spodnji tabeli 18: Vzorec TČ ZV Gorenje 14kW- vzorec1 Kompresor Copeland ZH38 Kondenzator SWEP B25TH-X60 Elektro ekspanzijski ventil Emerson Receiver FRIGOMEC Filter ALCO Tabela 15: Komponente notranje enote Gorenje 14kW-vzorec1 5.5.3 Ugotovitve Zaradi okvare na sistemu merjenja za nastavitve točno določene temperature v komori (okolici), je bilo potrebno nastaviti pravilne korekcije na merilni progi. Tako je bilo pri pogoju A2/W35 potrebno izmerili kar štiri meritve, da je bila korekcija pravilna in tako dosežen natančen rezultat COP-ja. 49