Energeticky efektivní budovy sympozium Společnosti pro techniku prostředí. října, Buštěhrad TEPELNÁ ČERPADLA SE ZVÝŠENOU EFEKTIVITOU Michal Broum ), Jan Sedlář ) ) Regulus, s.r.o. ) Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Příspěvek popisuje více-výměníková tepelná čerpadla jako jednu z možností zapojení tepelného čerpadla se zvýšenou energetickou efektivitou. V textu je uveden rozdíl v zapojení okruhu chladiva oproti standardnímu tepelnému čerpadlu s kondenzátorem a výparníkem. Dále je popsán princip modelu použitého pro predikci výkonu více-výměníkového tepelného čerpadla v různých zapojeních. Model byl ověřován na prototypu. Relativní odchylky mezi modelem a tepelným čerpadlem jsou maximálně %. Na základě modelu byla vytvořena komponenta simulačního prostředí TRNSYS, kterou lze použít pro simulace více-výměníkových tepelných čerpadel v různých zapojeních reálných systémů vytápění a přípravy teplé vody. SUMMARY The article describes the heat pumps with three heat exchangers on the high pressure side of refrigerant cycle as one of the options of heat pump with higher energy efficiency. The difference between standard heat pump with evaporator and condenser and multi-heat exchanger heat pump in their refrigerant cycle is described and the mathematical model presented. The model has been validated on the fabricated prototype. The relative deviation between model and measurement is max. %. The new component of TRNSYS simulation environment was developed in accordance with validated model. It can be used in various simulations of multi-heat exchanger heat pumps in real systems of water and space heating. ÚVOD Princip tepelného čerpadla je znám od. pol. 9 stol. V dnešní době se pro tepelná čerpadla používají dvě základní uspořádání podle typu kompresoru, a to s klasickým jednostupňovým objemovým kompresorem a kompresorem EVI. Ve většině aplikací najdeme jednostupňový objemový kompresor. Tepelná čerpadla s těmito kompresory mají principiální uspořádání chladivového okruhu podle obr. vlevo. Průběh procesů zde znázorňuje v log(p)-h diagram podle obr. vpravo. Chladivo vystupuje z výparníku ve formě přehřáté páry. Přes sací potrubí se dostává do kompresoru, kde je stlačeno na tlak kondenzační do bodu. Pára prochází přes výtlačné potrubí a postupuje do kondenzátoru, kde je nejprve ochlazena a poté zkondenzuje. Z kondenzátoru odchází jako mírně podchlazená kapalina. V expanzním ventilu je chladivo dále seškrceno na tlak vypařovací a nastříknuto do výparníku. Ve výparníku se odpaří kapalná složka chladiva a pára se mírně přehřeje.
log(p) log(p).......9.8. Entalpie Obr. Schéma chladicího oběhu (vlevo). Zobrazení v diagramu log(p)-h chladiva (vpravo). Standardní tepelná čerpadla jsou velice efektivní zdroje tepla při nízkých teplotách ohřevu, typických při vytápění. Při ohřevu teplé vody na teplotu kolem C jejich efektivita vyjádřená topným faktorem COP [-] významně klesá, což je vidět především v aplikacích přípravy teplé vody. Zatímco u tepelného čerpadla pro vytápění lze na energetickém štítku očekávat energetickou třídu A++ pro nízkoteplotní systémy, v případě přípravy teplé vody to je pouze třída A, což je stejná úroveň jako u kondenzačních kotlů. Jednou z možností, jak zvýšit efektivitu přípravy teplé vody, je použití tepelného čerpadla s odvodem tepla na více úrovních. Z okruhu chladiva je možné z přehřátých par odvést část energie o nejvyšší teplotě v chladiči par. Dominantní část energie se odvede v kondenzátoru, za kterým je zařazen dochlazovač, jenž je schopen využít zbytkové citelné teplo z kapalného chladiva. Schéma zapojení tohoto tepelného čerpadla a log(p)-h diagram jsou na obr...... Entalpie Obr. Třívýměníkové tepelné čerpadlo: schéma chladicího oběhu (vlevo), diagram log(p)-h chladiva (vpravo). Pro vyčíslení přínosu jednotlivých výměníků byl vytvořen matematický model celého tepelného čerpadla []. Na základě výsledků modelu byl následně postaven a proměřen prototyp. Srovnáním výsledků modelu a měření byl model upraven a vytvořena nová komponenta Type simulačního prostředí TRNSYS []. Model tepelného čerpadla je složen ze submodelů jednotlivých výměníků a modelu kompresoru. Model kompresoru je popsán v článku []. Submodel výměníků tepla je založen na rovnosti mezi teplem odvedeným, přivedeným a sděleným přes teplosměnnou plochu..9 8
PROTOTYP TŘÍVÝMĚNÍKOVÉHO TEPELNÉHO ČERPADLA V laboratořích UCEEB ČVUT v Praze byl postaven prototyp třívýměníkového tepelného čerpadla kapalina-voda z následujících hlavních komponent: chladivo RA kompresor Copeland ZHKP-TFM [] o Vt = m h- o λd =,, σ o ηie = -,89 +,8 σ, σ +,9 σ -, σ deskový kondenzátor SWEP BTx [] o UA = W.K - deskový výparník SWEP BTx [] o UA = W K - deskový chladič par SWEP B8Tx [] o UA = 8 W K - deskový dochlazovač SWEP B8Tx [] o UA = W K - Okrajové podmínky modelu byly o přehřátí na výparníku K o podchlazení v kondenzátoru K Při měřeních nebyl tento výměník zapojen. Prototyp tepelného čerpadla je znázorněn na obr. vlevo. Experimentální měření na prototypu bylo provedeno na měřicí trati s pěti měřicími smyčkami. Na výparník byl napojen okruh s roztokem glykolu. Nemrznoucí směs byla ohřívána vodou přes deskový výměník tepla napojený na vytápěnou akumulační nádobu. Všechny výměníky tepla na kondenzační straně chladivového okruhu byly napojeny přes regulační uzly přímo na chlazenou akumulační nádobu. Měřicí trať v laboratoři je zobrazena na obr. vpravo. Obr. Prototyp měřeného tepelného čerpadla (vlevo), zapojení měřicích smyček (vpravo). OVĚŘENÍ MODELU TŘÍVÝMĚNÍKOVÉHO TEPELNÉHO ČERPADLA Prototyp tepelného čerpadla byl podroben zkouškám pro ověření modelu. Samotné testování neprobíhalo v souladu s normou ČSN EN [], ale bylo upraveno pro potřeby modelu. Průtoky na kondenzátoru a výparníku byly nastavovány pro každý stav individuálně, tak aby teplotní diference byla přibližně K. Jako nemrznoucí kapalina byla použita směs glykolu a vody s teplotou tuhnutí - C (cca %). Model byl ověřován při zapojení standardním (pouze výparník s kondenzátorem), standardním + chladič par, standardním + dochlazovač a jako třívýměníkové tepelné čerpadlo. 9
Výkony a příkon - model [kw] Výkony a příkon - model [kw] Výsledky ověření nejistoty modelu tepelného čerpadla vůči prototypu jsou na obr. a. Ve standardním zapojení dokázal model predikovat v jednotlivých měřených bodech výkony s nepřesností maximálně do ± % proti naměřeným hodnotám (viz obr. vlevo). Průměrná relativní odchylka výsledků modelu od naměřených hodnot je %. V zapojení s dochlazovačem dosahuje model opět poměrně vysoké přesnosti (viz obr. vpravo). Relativní odchylka modelu od naměřených údajů je do %. Odchylka mezi výkonem dochlazovače získaného z modelu a z měření je větší pro malé hodnoty výkonu, naopak nízká pro vyšší (což je dáno i přesností měření). Pro uživatele je nejzajímavější porovnání topného faktoru tepelného čerpadla s dochlazovačem a bez něj při přípravě teplé vody. Nejvyšší potenciál má dochlazovač při vysoké kondenzační teplotě, proto je vhodné jej používat pro předehřev teplé vody při současné přípravě teplé vody v kondenzátoru. Naměřený topný faktor standardního tepelného čerpadla na experimentálním měřicím zařízení při / se zvýší až o %, pokud je na jeho vstupu voda o teplotě C a současně se připravuje teplá voda o teplotě C. 8 + % Výkon výparníku - % 8 Výkony a příkon měření [kw] Obr. Porovnání výkonů a příkonu modelu s prototypem standardního tepelného čerpadla (vlevo) a v zapojení s dochlazovačem (vpravo). V zapojení s dochlazovačem model vykazuje dobrou shodu s naměřenými hodnotami (viz obr. vlevo). Ve většině provozních stavů model přesně popisuje příkon tepelného čerpadla i jednotlivé výkony (s odchylkou maximálně do %), pro topný faktor je velikost relativní odchylky do %. Zlepšení shody bude předmětem dalšího vývoje modelu. Výpočtový model vykazuje proti měření v nejkomplikovanějším hodnoceném uspořádání s dochlazovačem i chladičem par nejvyšší relativní odchylky (do %, viz obr. vpravo). Vysokou relativní odchylku má především výkon výparníku, který není při správném dimenzování zdroje tepla pro uživatele rozhodující. Model vykazoval ve většině měřených stavů vyšší topný i chladicí výkon, než bylo změřeno, což je v souladu se zjednodušením modelu (pracuje bez tepelných a tlakových ztrát). + % Výkon výparníku Výkon dochlazovače - % Výkony a příkon - měření [kw]
Výkony a příkon - model [kw] Výkony a příkon - model [kw] + % + % - % - % Výkon chladiče par Výkony a příkon - měření [kw] Výkon výparníku Výkon dochlazovače Výkon chladiče par Výkony a příkon - měření [kw] Obr. Porovnání výkonů a příkonu modelu s prototypem tepelného čerpadla a chladičem par (vlevo) a třívýměníkovém zapojení s chladičem par a dochlazovačem (vpravo). MOŽNOSTI POUŽITÍ MODELU Model lze použít pro optimalizaci konstrukce tepelných čerpadel, při návrhu výměníků tepla, výměně kompresoru a přepočtech na jiné chladivo. Zároveň byl model naprogramován jako samostatná komponenta (type) v simulačním prostředí TRNSYS, v němž lze modelovat celoroční provoz tepelného čerpadla v tepelné soustavě budovy s reálnou spotřebou teplé vody a tepla pro vytápění. Tepelné čerpadlo lze tedy přímo přizpůsobit spotřebě tepla a dále optimalizovat pro dosažení vysokého celoročního topného faktoru SPF [-] při zachování investičních nákladů i ve spojení s akumulační nádobou, oběhovými čerpadly, atd. MOŽNOSTI DALŠÍHO ZLEPŠENÍ MODELU Základní omezení modelu tkví v předpokladu konstantní hodnoty UA výměníků. Teplosměnná plocha je pro různé provozní podmínky konstantní, ale součinitel prostupu tepla se mění v závislosti na mnoha vstupních podmínkách. Za hlavní lze označit průtok chladiva, průtok teplonosné látky a jejich teplotu. U chladiva hraje významnou roli tlak. Parametrizace součinitele prostupu tepla je obtížný problém, kterému se věnuje řada vědeckých prací, přesto doposud neexistuje komplexní teorie parametrizace výměníků tepla s fázovou změnou, kterou by bylo možné aplikovat obecně a bez nutnosti jejich proměření a validace. Přesto nelze očekávat dramatické zvýšení přesnosti modelu. ZÁVĚR Byl vytvořen obecný model více-výměníkového tepelného čerpadla s kondenzátorem, výparníkem, chladičem par, dochlazovačem, expanzním ventilem a kompresorem, který byl modifikován pro konkrétní výměníky tepla a kompresor, a následně ověřen na reálně postaveném zařízení. Přesnost modelu standardního tepelného čerpadla v predikci výkonů na straně nemrznoucí směsi i vody je průměrně %. Přesnost určení příkonu kompresoru je průměrně %. Jedná se tedy o velice přesný model. Byly ověřeny rozdíly mezi teplotami na některých místech chladivového okruhu a modelem, který rovněž vykazuje dobrou shodu do, K. Model tepelného čerpadla s chladičem par a dochlazovačem má také vysokou shodu s naměřenými daty. Většina měřených bodů vykazuje odchylku do %. Topný faktor COP pak vykazuje shodu ještě vyšší do %.
Model tepelného čerpadla je v současnosti implementován jako modelová komponenta pro použití v simulačním prostředí TRNSYS a bude dále používán pro modelování a optimalizaci výměníků, kompresoru a chladiva v tepelných čerpadlech. Aplikaci modelu lze hledat v simulacích, optimalizaci výměníků, přepočtech výkonnosti tepelných čerpadel při použití jiných chladiv, případně při jejich konstrukčním návrhu. Samotné tepelné čerpadlo s odvodem tepla na třech úrovních má potenciální uplatnění především při přípravě teplé vody. Chladič par umožňuje připravit teplou vodu o relativně vysoké teplotě při udržení nižší kondenzační teploty. Výhodou dochlazovače při je možnost využít zbytkové citelné teplo chladiva a zvýšit tím teplo užitečně odvedené z tepelného čerpadla při nezvýšeném příkonu tepelného čerpadla. Předcházející výhody lze uplatnit, pokud máme v systému přípravy teplé vody speciální akumulační nádobu nebo sérii akumulačních nádob, které umožní toto výhodné zapojení realizovat. LITERATURA [] BROUM M., MATUŠKA T., SEDLÁŘ J., ŠOUREK B., Model tepelného čerpadla s odvodem tepla na třech úrovních Praha: VVI, /. s. 8-. [] KLEIN, S. A., aj. TRNSYS : A Transient System Simulation Program, Solar Energy Laboratory, Universita Wisconsin, Madison, USA,. [] software SELECT Copeland selection software, Emerson Climate Technologies, verze. (/). [] software SSP G, SWEP, verze... [] ČSN EN. Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví,. PODĚKOVÁNÍ Výzkum, který vedl k těmto výsledkům, získal finanční prostředky ze sedmého rámcového programu RP/- Evropské unie na základě grantové dohody č. 88 MacSheep a projektu OP VaVpI č. CZ../../.9 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.