Hőszivattyús fűtések egyes tervezési kérdései I. A hőszivattyús fűtési rendszerek hűtéstechnikai jellemzői
I/1.Hűtőkörfolyamanatok hőszivattyúkban
Alapfogalmak Hűtőközegek T-s diagrammja Fizikai mennyiségek: hőmérséklet - T [ºC] entrópia - s [kj/kgk] folyadék-tartalom - x [kg/kg] nyomás - p [bar] Folyadék Nedves gőz p=állandó V=állandó Túlhevített gőz fajtérfogat - V[m3/kg] entalpia - h [kj/kg] A hőmennyiségeket és a technikai munkát területek jelenítik meg. h=állandó x=állandó
Alapfogalmak Hűtőközegek log p/h diagrammja Fizikai mennyiségek: hőmérséklet - T[ºC] Folyadék T=állandó entrópia - s [kj/kgk] folyadék-tartalom - x [kg/kg] nyomás - p [bar] Nedves gőz V=állandó Túlhevített gőz fajtérfogat - V [m3/kg] entalpia - h [kj/kg] A hőmennyiségek és a technikai T=állandó x=állandó s=állandó munka (az entalpia-különbségek) egyenes szakaszokkal ábrázolhatók.
Alapfogalmak A hűtőkör-folyamat jellegzetes pontjai, és a hűtőközegekkel szemben támasztott főbb követelmények p kond p elp expanzió túlhűtés Folyadék T=állandó kondenzáció elpárolgás túlhevítés kompresszió A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar] Nagy párolgáshő az alacsony tömegáram érdekében Kis fajtérfogat gőz állapotban, a kis gépméretek miatt Minél kisebb kondenzációs nyomás a szilárdság miatt A kritikus hőmérséklet és a dermedéspont essen távol a körfolyamattól Az olajat kevéssé oldja x=állandó A hűtéssel elvont fajlagos hőmennyiség: h [kj/kg] s=állandó V=állandó Túlhevített gőz Vegyileg stabil legyen A szerkezeti anyagokat ne támadja meg Ne legyen tűzveszélyes, mérgező
I/2.Tipikus hőszivattyús hűtőkörök
Tipikus hőszivattyús hűtőkörök Egyfokozatú hűtőkörfolyamat Folyadék T=állandó w komp =461,91-415,01=46,9kJ/kg p kond p elp x=állandó 4 expanzió túlhűtés 5 4 kondenzáció elpárolgás A hűtéssel elvont fajlagos hőmennyiség: q hűt = h [kj/kg] s=állandó V=állandó túlhevítés 3 6-1 6 kompresszió 2 Kompressziós munka - w [kj/kg] A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar] Túlhevített gőz q hűt +w komp =q kond JÓSÁGFOK= q hősziv /w komp (Q = q x m)
Tipikus hőszivattyús hűtőkörök Kétfokozatú hűtőkör folyamat, folyadék befecskendezéssel 6 7 8 6 2-3 szakasz: Izobár hűtés 9 5 9-1 A hűtéssel elvont fajlagos Kompressziós hőmennyiség: q hűt = h [kj/kg] munka 1 és 2, w [kj/kg] 3 4 2 A kompresszor által előállított nyomáskülönbség [bar] w komp1 =433,3-415,01=18,29kJ/kg w komp2 =438,11-416,32=21,79kJ/kg w=w komp1+ w komp2 =40,08kJ/kg (az egyfok.-nál w komp =46.9 kj/kg) ~15% kisebb kompresszor munka, és itt 22ºC-al alacsonyabb túlhevítési hőmérséklet! Ezáltal a hűtőközeg hűtéstechnikai határa jobban megközelíthető, T kond magasabb lehet. A túlhűtés a COP és a hűtési jóságfok ε= q hűt /w komp nő.
Folyadék befecskendezéses technológia Hőleadó Beltéri egység Water heat exchanger A kompresszió közbeni folyadék befecskendezéssel nagy nyomást érhetünk el anélkül, hogy emelkedne a nyomó oldali hőmérséklet. 2 Folyadék befecskendezés Kültéri egység Bypass kör Folyadék befecskendezés 1 Elpárologtató Magas kondenzációs hőmérsékletet eredményez 1 2 Folyadék befecskendezés Hagyományos hűtőkör Hűtőkör Nyomás-entalpia diagram 11
Folyadék befecskendezéses technológia A hűtőköri folyamatok optimalizálása Hőleadó Megfelelő folyadék hőmérséklet tartása az iker szenzorok jelei alapján Beltéri egység Water heat exchanger Nyomás érzékelő Optimalizálja a hűtőköri folyamatokat Kültéri egység Hőm. érzékelő Folyadék befecskendezés Hőmérséklet érzékelő Nyomás érzékelő Elpárologtató Hűtőkör Molier diagram 17
Folyadék befecskendezéses technológia Befecskendezéses kompresszorok összehasonlítása Gyártó FG M H (EVI kompresszor) Típus Lineáris befecskendezés Löketszerű befecsk. Gáz befecskendezés Befecskendezés módja Heating unit Water heat exchanger Linear injection Evaporator Heating unit Water heat exchanger Flash injection Internal heat exchanger Evaporator Heating unit Water heat exchanger Gas injection Separator Evaporator Víz hőm. Alacsony körny. hőm.-nél Fűtő telj. Alacsony körny. hőm.-nél Magas Közepes kondenzációs hőm. Közepes Nagy hűtőközeg áram kondenzációs hőm. hűtőközeg áram Alacsony kondenzációs hőm. Alacsony hűtőközeg áram 9
Folyadék befecskendezéses technológia
I/3.Kompresszorok
Kompresszorok Dugattyús kompresszorok Szabályozás Fordulatszám szabályozás: egyszerű, de hajtógép függő, a ford. szám nem csökkenthető sokkal Állandó fordulatszám melletti szabályozások: ki-be kapcsolás (nagy gyűjtőtartály) lökettérfogat szabályozásával (bolygótárcsás komp.-nál) szívószelep kitámasztása szívóvezeték fojtása szívóvezeték lezárása (teljes fojtás) by-pass pót káros-tér beiktatása
Kompresszorok Dugattyús kompresszorok 1. öntött állvány (csapággyal) 2. Főtengely 3. motor forgórész 4. Henger 5. dugattyú a csúszkavezetékkel 6. Csúszka 7. motor állórész 8. közdarab (munkaszelepekkel) 9. Hengerfedél 10. felfüggesztő rugó 11. Nyomócső 12. burkolat alsórész 13. burkolat felsőrész
Kompresszorok Kompresszorok hatásfoka Dugattyús kompresszorok λ, η i jelleggörbe-tartománya
Kompresszorok Kompresszorok hatásfoka Volumetrikus hatásfok és a COP értékének változása
Kompresszorok Scroll kompresszorok Jellemzők: - magas hatásfok - egyszerű felépítés, kevés alkatrész - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincs káros tér - nincsenek rezgések, nincs zaj - kis méret és tömeg - fordulatszám szabályozással, és tárcsa kiemeléssel szabályozható
Inverter technologia: előnyök VOLTS 240 280 130 306080 FREQUENCY 120 A frekvencia és a feszültség koordinálja hogy a nyomatékot és a szállítást fenntartsa a szabályzás során Pressure Low Fixed Scroll Pressure Pressure High Low Orbiting Scroll Before operation During operation
Kompresszorok Csavar kompresszorok - kenéses (olaj és víz) és kenésmentes változatok - nagy axiális terhelés - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincs károstér - nincsenek rezgések - fordulatszám: 6000-25000 1/perc Szabályozás: - fordulatszám szabályozás - szívóvezeték elzárása - szívóvezeték fojtása - ki-be kapcsolás - csúszó- vagy forgószelepes megoldás
Kompresszorok Rotációs - gördülődugattyús kompresszor - kenéses és kenésmentes változatok - nincs axiális terhelés - egyenletes (nem lüktető) gázszállítás - nincsenek rezgések - hosszú élettartam, kis karbantartásigény - magas, konstans vagy növekvő volumetrikus hatásfok a teljes szabályozott tartományban - fordulatszám: 1450-2200 1/perc - szállítás: 40-2100 m3/h
I/4. Különböző hőszivattyús hőnyerő közegek elpárolgási hőmérséklet szintjei
Hűtőköri méretezések
Víz-víz hőszivattyúk hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Víz-víz hőszivattyú (elfolyó termálvíz):t prim.víz.köz =17ºC, (20/14ºC) T elpár =12ºC, T kond =50ºC R134A - COP=4,93 R410A - COP=4,43 R407C - COP=4,75
Víz-víz hőszivattyúk hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Víz-víz hőszivattyú (kutas):t prim.víz.köz =8ºC, (11/5ºC) T elpár =6ºC, T kond =50ºC R134A - COP=4,01 R410A - COP=3,6 R407C - COP=3,87
Víz-víz hőszivattyúk hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Víz-víz hőszivattyú (felszíni vizek):t víz.köz =1ºC, T glikol.köz =-9ºC(-12/-6ºC) T elpár =-15ºC, T kond =50ºC R134A - COP=2,27 R410A - COP=2,07 R407C - COP=2,21
Talaj-víz hőszivattyúk (talajszondás) hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Talaj-víz hőszivattyú:t talaj =12ºC, T glikol.köz =3ºC(6/0ºC) T elpár =1ºC, T kond =50ºC R134A - COP=3,49 R410A - COP=3,15 R407C - COP=3,37
Talaj-víz hőszivattyúk (talajkollektoros) hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Talaj-víz hőszivattyú:t talaj =5ºC, T glikol.köz =-3ºC(0/-6ºC) T elpár =-5ºC, T kond =50ºC R134A - COP=2,95 R410A - COP=2,67 R407C - COP=2,85
Levegő-víz szezonon belüli hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Levegő-víz hőszivattyú: T levegő =-15ºC, T elpár =-20ºC, T kond =50ºC R134A - COP=2,01 R410A - COP=1,84 R407C - COP=1,96
Levegő-víz szezonon belüli hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Két fokozatú levegő-víz hőszivattyú: T levegő =-15ºC, T elpár =-20ºC, T kond =50ºC R134A - COP=1,96 R410A - COP=1,80 R407C - COP=1,91
Levegő-víz szezonon belüli hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Levegő-víz hőszivattyú: T levegő =-5ºC, T elpár =-10ºC, T kond =50ºC R134A - COP=2,58 R410A - COP=2,34 R407C - COP=2,5
Levegő-víz szezonon belüli hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Levegő-víz hőszivattyú:t levegő =0ºC, T elpár =-5ºC, T kond =50ºC R134A - COP=2,95 R410A - COP=2,67 R407C - COP=2,85
Levegő-víz szezonon belüli hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Levegő-víz hőszivattyú:t levegő =4ºC, T elpár =-1ºC, T kond =50ºC R134A - COP=3,29 R410A - COP=2,98 R407C - COP=3,18
Levegő-víz szezonon belüli hőforrás oldali hőmérséklet értékei, tervezési szempontok R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén. Levegő-víz hőszivattyú:t levegő =12ºC, T elpár =7ºC, T kond =50ºC R134A - COP=4,18 R410A - COP=3,77 R407C - COP=4,03
I/5. A különböző hőleadók szerinti kondenzációs hőmérséklet szintek hőszivattyúkban
Padlófűtés, falfűtés, szerkezet temperálás, lehetséges fűtővíz hőmérsékleteihez tartozó kondenzációs hőmérsékletek, R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén T előremenő =30ºC, T elpár =-1ºC, T kond =35ºC R134A - COP=5,17 R410A - COP=4,85 R407C - COP=5,03
Direkt hűtőközeg-kondenzációs fűtés, lehetséges kifújt léghőmérsékleteihez tartozó kondenzációs hőmérsékletek, R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén T kifújt =30ºC, T elpár =-1ºC, T kond =35ºC R134A - COP=5,17 R410A - COP=4,85 R407C - COP=5,03
Padlófűtés, és fan-coilos kombinált fűtővíz hőmérsékleteihez tartozó kondenzációs hőmérsékletek, R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén T előremenő =35ºC, T elpár =-1ºC, T kond =40ºC R134A - COP=4,4 R410A - COP=4,09 R407C - COP=4,27
Fan-coilos, légfűtések fűtővíz hőmérsékleteihez tartozó kondenzációs hőmérsékletek, R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén T előremenő =40ºC, T elpár =-1ºC, T kond =45ºC R134A - COP=3,79 R410A - COP=3,48 R407C - COP=3,67
Radiátoros fűtések fűtővíz hőmérsékleteihez tartozó kondenzációs hőmérsékletek, R407C, R410A és R134A hűtőközegek esetén T előremenő =50ºC, T elpár =-1ºC, T kond =55ºC R134A - COP=2,88 R410A - COP=2,55 R407C - COP=2,77
I/6. Hővisszanyerés a hűtéstechnikában
MIRŐL BESZÉLÜNK? Szivárgásvizsgálatra kötelezett hűtőberendezések (Q hűtő <10kW) hozzávetőleges száma Magyarországon: 35.000 db (HKVSZ). Az átlag 25 kw hűtőteljesítménnyel rendelkező géppark becsült energiafelhasználása: ~700 GWh/év (PAKS ~ 15427 GWh/2009) A reálisan visszanyerhető hőenergia kb.: a fenti 30%. ~210 GWh/év ~3.000.000.000,- Ft/év megtakarítás Oka: a hűtés és a hőtermelés (fűtés, HMV) energia igényének korlátozott időbeni átfedése.
REÁLIS CÉLOK 1. MelegVíz előállítás, illetve előfűtés: óvodák, iskolák, kórházak, rendelőintézetek, konyhák, szociális létesítmények, HMV ellátása 2. Technológiai melegvíz előállítás, illetve előfűtés: ipari fogyasztók 3. Nagy belső hőfejlődésű és/vagy kis hőtehetettlenségű üveghomlokzatos épületek hűtése-fűtése: irodaház, könnyűszerkezetes épületek 4. 4 csöves fan-coilos rendszerek hűtése-fűtése: irodaházak, kórházak 5. Légtechnikai rendszerek elő- illetve utófűtőinek hőellátása: légkezelők kultúrházak, mozik, színházak, sportlétesítmények
A TELJES VISSZANYERHETŐ HŐMENNYISÉG=KONDENZÁCIÓS+TÚLHEVÍTÉSI kj/kg A KONDENZÁCIÓS HŐMENNYISÉG kj/kg A TÚLHEVÍTÉS MIATT VISSZANYERHETŐ FAJLAGOS HŐMENNYISÉG kj/kg A kompresszió kváziizentróp folyamat, ezért a gőz túlhevítetté válik A HŰTÉSSEL ELVONT FAJLAGOS HŐMENNYISÉG kj/kg q hűt +w komp =q kond =q visszanyert =(q hősziv ) JÓSÁGFOK= q hősziv /w komp (Q = q x m) EGY KIS TERMODINAMIKA
COP - COP - COP EGY KIS TERMODINAMIKA COP és EER = Q hasznos / E befektetett EER = Q hűtés / W komp. + E segédenergia COP = Q hősziv. / W komp. + E segédenergia COP hővisszanyer. = Q hősziv + Q hűtés / W komp. + E segédenergia COP hővisszanyer. = Q hűtés + W komp. + Q hűtés / W komp. + E segédenergia COP hővisszanyeréssel»» COP Példa a Galletti MCP 009 multifunkciós hőszivattyúval: EER hűtés = 9.5kW / 2,885 + 0,135 = 3,36 COP hővisszanyer. = 9.5kW + 2,885kW + 9,5kW / 2,885 + 0,135 = =7,24! COP hővisszanyer. = 2,15 X EER COP hővisszanyer. = 2,08 X COP
TÚLHEVÍTÉSI HŐVISSZANYERÉS VÍZ: 50/60ºC R410A 80ºC 50/60ºC R410A 50ºC 25-30% nyerhető vissza Magas fűtővíz hőmérséklet Legjobb az R410A
TELJES HŐVISSZANYERÉS VÁLTÓSZELEP ELPÁROLOGTATÓ 45/40ºC KONDENZÁTOR 100% visszanyerhető Alacsonyabb fűtővíz hőmérséklet Minden hűtőközegnél ideális
TÚLHEVÍTÉSI HŐVISSZANYERÉS 25-30% nyerhető vissza Magas fűtővíz hőmérséklet, HMV-hez is alkalmas Egyszerű kialakítás, vezérlés Gazdaságos üzemeltetés: melegvíz kvázi ingyen, a hűtés jóval gazdaságosabb HCS primer old.: R410A túlhevített gőz: 78/49ºC Thcs Thmv Hőcserélő szekunder oldal: 55/45 45ºC glikol-víz keverék
Egy kuriózum levegő-víz hőszivattyúk teljes hővisszanyeréssel
MULTIFUNKCIÓS HŐSZIVATTYÚ Hűtő és/vagy fűtő rendszer HMV vagy egyéb hőfelhasználó rendszer Általános elrendezés A hűtőkör különbözőképpen működik az egyes mágnes-szelepek nyitott vagy zárt állapotától függően az szerint, hogy mi az adott funkcióhoz szükséges szelepállás. A berendezés 2 expanziós illetve 3 a (2 a bypass) vezetékbe szerelt visszacsapó szeleppel, valamint 5 mágnes-szeleppel van ellátva. 50
MULTIFUNKCIÓS HŐSZIVATTYÚ > HŰTÉSI MÓD Working V2 V1 S1 S2 ACS V3 Status Status Status Status Status mode V1 V2 V3 V4 V5 Chiller mode 0 0 1 1 0 Chiller mode 0 1 0 1 0 + sanitary hot water Heat pump 1 0 0 0 1 mode Heat pump + 0 1 0 0 1 sanitary hot water 0 = closed 1 = open S3 V4 V5 51
MULTIFUNKCIÓS HŐSZIVATTYÚ > HŰTÉSI MÓD HŐVISSZANYERÉSEL Working mode Status V1 Status V2 Status V3 Status V4 Status V5 Chiller mode 0 0 1 1 0 S1 V1 V2 Chiller mode + service hot water 0 1 0 1 0 V3 S2 ACS Heat pump mode Heat pump + sanitary hot water 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 = closed 1 = open S3 V4 V5 52
MULTIFUNKCIÓS HŐSZIVATTYÚ > FŰTÉS Working mode Status V1 Status V2 Status V3 Status V4 Status V5 S1 V1 V2 Chiller mode 0 0 1 1 0 Chiller mode + sanitary hot water 0 1 0 1 0 S2 ACS Heat pump mode 1 0 0 0 1 V3 Heat pump + sanitary hot water 0 1 0 0 1 0 = closed 1 = open S3 V4 V5 53
MULTIFUNKCIÓS HŐSZIVATTYÚ > HMV KÉSZÍTÉS (ÁTMENETI IDŐBEN) Working mode Status V1 Status V2 Status V3 Status V4 Status V5 Chiller mode 0 0 1 1 0 S1 V1 V2 Chiller mode + sanitary hot water 0 1 0 1 0 V3 S2 ACS Heat pump mode Heat pump + service hot water 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 = closed 1 = open S3 V4 V5 54
GALLETTI MCP 009 MULTIFUNKCIÓS HŐSZIVATTYÚ COP=7,24 (PER=2,896): 55
Légtechnikai rendszerek hővisszanyerése osztott levegő-levegő hőszivattyúkkal I. Elpárologtató T elp =30ºC Külső: T=-13ºC; φ=95% 1.Befúvó ventilátor 2.Elszívó ventilátor 3.Rekuperatív hővisszanyerő η=67% Elszívott: T=20ºC; φ=15% Kondenzátor T kond =30ºC Befújt: T=20ºC; φ=8% Kidobott: T=-8ºC; φ=99% T=-2ºC; φ=82% Expanziós szelep T=9ºC; φ=17% Kompresszor
Példa: V=1.000 m 3 /h Légtechnikai rendszerek hővisszanyerése osztott levegő-levegő hőszivattyúkkal II. Kondenzátor 0,9 kw Rekuperatív Hővissz: 1,9kW Friss levegő η=67% P vent =0,15 kw Rekuperatív Hővisszanyerő:1,9 kw Elszívás, η=67% P ventilátor =0,15 kw Elpárologtató 0,8 kw P HSZel =0,21 kw Méretezési állapotban: A rekuperatív hővisszanyerő jóságfoka: 1,9/0,3=6,3 A teljes hővisszanyerésre vonatkoztatott jóságfok: 2,8/0,51= 5,5 Méretezési állapotban a COP=3,79 +4ºC-ban a COP=6,21
Galletti REKO CF hőszivattyús szellőztető berendezés
COP-mátrix a hőnyerő közeg hőmérséklete a hőleadó(k) hőmérséklete, illetve a hővisszanyerés tekintetében I: A sorrend Hőforrás oldal és hőmérséklete (elp./hőnyerő) Hőleadók és hőmérsékletük (kondenzáció/fűtővíz vagy levegő) Kompr. hőm. 65ºC konden. Szerkezet Padló és Direkt Padló és fan- Túlm. Rad. Rad. és temperálás falfűtés kondenzációs coilosfűtés Fan-coilos (HMV) HMV 65/ 30/25ºC 35/30ºC 35/30ºC 40/35ºC 45/40ºC 55/50ºC 60ºC Levegő-30/-25ºC 2,38 2,12 2,12 1,89 1,68 1,33 1,02 119ºC! Levegő-30/-25ºC l.i. kompresszorral 2,5 2,22 2,22 1,99 1,78 1,42 1,11 87ºC Levegő-20/-15ºC 3,17 2,79 2,79 2,46 2,18 1,71 1,32 111ºC! Levegő-20/-15ºC l.i. kompresszorral 3,28 2,89 2,89 2,55 2,26 1,78 1,38 84ºC Talajkollektor-5/5ºC 5,13 4,35 4,35 3,74 3,24 2,46 1,87 Levegő-1/4ºC (Mo. átlag) 5,97 4,99 4,99 4,24 3,64 2,73 2,06 99ºC! Levegő-1/4ºC (Mo. átlag) l.i. kompresszorral 6,2 5,18 5,18 4,4 3,79 2,86 2,17 79ºC Talajszonda 1/12ºC 6,48 5,36 5,36 4,52 3,87 2,88 2,16 Kútvíz 6/12ºC 8,13 6,53 6,53 5,4 4,54 3,32 2,46 Elfolyótermálvíz 12/20ºC 11,32 8,61 8,61 6,86 5,62 3,97 2,88
COP-mátrix a hőnyerő közeg hőmérséklete a hőleadó(k) hőmérséklete, illetve a hővisszanyerés tekintetében II. ELMÉLETI COP MÁTRIX 12 COP 10 8 6 4 2 25ºC előremenő 30ºC előremenő 30ºC befújt lev. 35ºC előremenő 40ºC előremenő 50ºC előremenő 60ºC előremenő 0 ELPÁROLGÁSI / HŐFORRÁS HŐMÉRSÉKLET
COP-mátrix a hőnyerő közeg hőmérséklete a hőleadó(k) hőmérséklete, illetve a hővisszanyerés tekintetében III. Összegzés: 1. Minden egyes ºC elpárolgási hőfok emeléssel körülbelül 2-3 %, és 2. minden egyes ºC kondenzációs hőfok csökkentéssel körülbelül 3-4 % energiamegtakarítás érhető el.