Transcript Lataa esitys

MAALÄMPÖ TEORIASSA
JA KÄYTÄNNÖSSÄ
MAAPUTKISTON KERÄÄMÄ ENERGIA
maapiirin teho:
Pmaapiiri = C * qm * Δt
missä:
P = teho
C = ominaislämpökapasiteetti
qm = massavirta
Δt = lämpötilaero
(kW)
(kJ/kg* ͦC)
(kg/s)
(ͦC)
esim:
Pmaapiiri = 4,2 kJ/kg*Cº * 0,5 kg/s * 3 ͦC
Pmaapiiri = 6,3 kJ/s
Pmaapiiri = 6,3 kW
______________________
2. maapiirin energia:
Emaapiiri = P * t
missä:
E = energia
P = teho
t = aika
(kWh)
(kW)
(s)
esim:
Emaapiiri = 6,3 kW * 3600 s
Emaapiiri = 22680 kWs
Emaapiiri = 22680 kWs / 3600 s/h
Emaapiiri = 6,3 kWh
Yksikkö:
kWh/(m*vuosi)
PORAKAIVO: n. 40kWh/m*a (80 kWh/porausmetri*a)
Putkivirtaukselle Reynoldsin luku merkitään muotoon[4]:
Missä:
•D on putken halkaisija [m],
•v on fluidin keskimääräinen virtausnopeus [m/s],
•ρ on fluidin tiheys [kg/m3] ja
•μ on fluidin dynaaminen viskositeetti [Pa s].
Putkivirtauksessa Reynoldsin luku tulkitaan seuraavasti:
•alle 2300: laminaarinen virtaus
•2300–4000: siirtymäalue, jossa virtaus voi olla laminaarinen tai turbulenttinen
tai vaihdella näiden välillä
•yli noin 4000: turbulenttinen virtaus
Virtauksen muuttuminen täysin
turbulenttiseksi on vaikea ennustaa
tarkasti, ja vasta kun Re on noin
10 000 voidaan virtausta pitää
varmasti täysin turbulenttisena.
Yleisin lämpöpumppu perustuu ClausiusRankine kiertoprosessiin.
Koneistossa kiertävä matalapaineinen
kylmäaineneste höyrystyy ja kompressorin
jälkeen korkeapaineinen höyry lauhtuu.
Kylmäaineen höyrystyminen vaatii lämpöä ja
lauhtumisessa lämpöä vapautuu kylmäaineesta
lämmitettävään kohteeseen.
Höyrystymispaineeseen kuristettu
kylmäaineneste höyrystyy lämmönkeräysliuoksen luovuttamalla lämpöenergialla.
Yleensä kylmäaine myös tulistuu
jonkin verran höyrystimessä.
Syntyvä höyry puristetaan kompressorissa
korkeampaan paineeseen, jolloin se lämpiää
huomattavasti.
Lämpöpumppuprosessin korkein lämpötila on
kompressorin jälkeen, jolloin kylmäainetta nimitetään
kuumakaasuksi.
Korkeapaineinen lämmin kylmäainehöyry kiertää
kompressorin jälkeen lauhduttimeen, jossa
kylmäaineesta vapautuu lämpöä
HFC -kylmäaineiden alikriittisen perusprosessi
esitetään kuvassa 5.2.
1. Kompressoriin menevä höyry höyrystimestä
2. Kuumakaasu kompressorin jälkeen
2s. Isentrooppinen puristustila
3. Lauhtumispiste, tulistus poistunut
4. Lauhtunut neste
5. Neste höyrystimeen paisuntaventtiilin
jälkeen
6. Kylläinen höyry, dew point.
Tilapisteiden arvot saadaan NIST RefProp ohjelmasta. Lauhtumispiste (piste 3) on piste,
jossa tulistus on poistunut, mutta kylmäaine
on vielä täysin kylläistä höyryä. Lauhtumisen
loppulämpötila (4) saadaan kylläisen nesteen
arvoista, kun paine oletetaan vakioksi
lauhtumisessa ja alijäähtyminen oletetaan
nollaksi.
Höyrystymisen alkupiste (5) eli piste kuristusventtiilin
jälkeen ennen höyrystintä
saadaan olettamalla, että entalpia ei muutu
kuristusventtiilissä ja paine on sama kuin
höyrystymispaine.
Paine saadaan höyrystymislämpötilasta (6) höyrystimen
lopussa, jolloin
kylmäaineneste (5) on höyrystynyt kokonaan kylläiseksi
höyryksi (6), mutta se ei ole
vielä tulistunut yhtään.
Höyrystymispisteen (6) lämpötila saadaan valitun maasta tulevan
lämmönkeräysliuoksen lämpötilan ja höyrystimen lämpötilaeron avulla.
RefProp - ohjelmassa voidaan määrittää häviöttömän eli isentrooppisen
puristustilan entalpia h2s kompressorin jälkeiselle kuumakaasulle.
Se saadaan lauhduttimen paineen ja kompressoriin menevän tulistuneen
höyryn (1) entropiasta, kun oletetaan että entropia on vakio.
Kuumakaasun todellinen lämpötila (2) saadaan isentrooppisen
hyötysuhteen ηs avulla. Se
määritellään isentrooppisen puristuksen ja todellisen puristuksen
entalpioiden suhteena.
Kun kompressori oletetaan adiabaattiseksi eli lämpöeristetyksi, kuumakaasun
entalpia h2,ad saadaan kaavalla (5.3).
Kylmäaineseokset jaetaan faasinmuutoskäyttäytymisensä perusteella
atseotrooppisiin ja tseotrooppisiin seoksiin. Tseotrooppisilla kylmäaineilla on erilaiset
koostumukset kaasu- ja nestefaasissa faasimuutoksen aikana, koska seoskylmäaineen
eri komponentit höyrystyvät ja lauhtuvat puhtaina aineina eri lämpötiloissa.
Höyrystymisessä herkemmin höyrystyvät komponentit muuttuvat nopeammin, jolloin
lämpötilan on noustava höyrystymisen jatkumiseksi loppuun. Höyrystyminen ja
lauhtuminen tapahtuvat tietyllä lämpötilavälillä, vaikka paine pysyy vakiona.
Hiilidioksidi kylmäaineena
Hiilidioksidia (CO2) käytettiin kylmäaineena 1800 -luvun
loppupuolelta aina 1950 -luvulle asti, kunnes CFC -aineet
syrjäyttivät sen ja siitä luovuttiin.
Hiilidioksidin ongelmia olivat suuri höyrynpaine ja huono
hyötysuhde.
1980 -luvulla norjalainen professori Gustav
Lorentzen kehitti hiilidioksidijärjestelmien
prototyyppejä, joiden avulla hän esitteli
hiilidioksidin potentiaalia kylmäaineena.
Hiilidioksidia alettiin kehittää uudelleen
kylmäaineeksi 1990 -luvun alussa, koska
ympäristöasioiden rooli kasvoi yhä
suuremmaksi.
Hiilidioksidi poikkeaa ominaisuuksiltaan huomattavasti
muista kylmäaineista.
Taulukosta 4.3 nähdään, että hiilidioksidin kriittinen
lämpötila on huomattavasti alhaisempi ja paine korkeampi
kuin muilla kylmäaineilla. Hiilidioksidin kriittisen pisteen
lämpötila on noin 31 ºC ja paine 73,8 bar. Perinteisellä,
maalämpöpumpuissa yleisesti käytetyllä, HFC kylmäaineseoksella R407C kriittisen pisteen lämpötila on
noin 86 ºC ja paine 46,3 bar.
Hiilidioksidilämpöpumpun
transkriittisten prosessien korkeapainepuolen paineet ovat noin 5 – 10 kertaisia verrattuna perinteisten
alikriittisten prosessien lauhdutuspuolen
paineisiin. Höyrystimessä paine on 20 –
40 bar ja lämmön luovutus tapahtuu 80
– 130 barin paineessa
Hiilidioksidin transkriittinen prosessi on esitetty kuvassa 4.5. Transkriittinen
kiertoprosessi koostuu ylikriittisestä lämmönpoistosta ja höyrystimen alikriittisestä eli
subkriittisestä lämmöntuonnista. HFC -kylmäaineilla myös lämmönpoisto tapahtuu
subkriittisellä alueella eli höyry lauhtuu nesteeksi. Ylikriittisessä prosessissa ei tapahdu
faasin muutosta, vaan nesteen ja höyryn seos ainoastaan jäähtyy. Kaasun jäähtyessä
hiilidioksidinesteen ja -höyryn seoksen tiheys kasvaa ja samalla nopeus laskee.
Kuvasta 4.6 nähdään että hiilidioksidin isotermit ovat lähes
vaakasuorat, kun paine ja lämpötila ovat lähellä kriittistä
pistettä. Tällöin lämmönluovutuksen lämpötila on lähes vakio
tietyssä paineessa. Prosessi muistuttaa perinteisten
kylmäaineiden alikriittistä lauhtumista. Korkeammilla paine- ja
lämpötilatasoilla lämpötila muuttuu voimakkaasti
lämmönluovutuksessa. Hiilidioksidikaasun jäähtymisestä
seuraa huomattavasti suurempi lämpötilaero kuin
subkriittisessä prosessissa. Kaasu jäähtyy useita kymmeniä
asteita. Termodynaamiset häviöt kasvavat, kun lämmönpoiston
lämpötila ei ole vakio. Suurta lämpötilanmuutosta
hyödynnetään lämpöpumppujen käyttöveden lämmityksessä.
Kuva 4.7 Kaasun ulostulolämpötilan vaikutus
kylmäkertoimeen korkeapaineen funktiona
jäähdytysjärjestelmässä
Kaasunjäähdyttimen jälkeen virtaus paisuu kriittisen paineen alapuolelle
paisuntaventtiilissä. Tällöin neste- ja höyryfaasit erottuvat toisistaan ja kylmäaine
muuttuu kosteaksi höyryksi. Höyrypitoisuus riippuu paisunnan alku- ja loppupisteistä.
Hiilidioksidilämpöpumpun suunnittelu poikkeaa
perinteisen lämpöpumpun suunnittelusta, koska sen
ominaisuudet poikkeavat perinteisistä kylmäaineista.
Painetasot ovat huomattavasti korkeammat kuin muilla
kylmäaineilla, mikä asettaa omat vaatimuksensa
laitteistolle. Toisaalta hiilidioksidin vaadittu massavirta
on pienempi ja sen myötä komponentit sekä putkikoot
ovat pienemmät kuin perinteisillä kylmäaineilla.
Painelaitedirektiivin (PED, 97/23/EY) luokka määräytyy
tilavuudesta tai putkikoosta sekä suurimmasta sallitusta
käyttöpaineesta. Hiilidioksidilla putkikoot jäävät
normaalisti alle direktiivin alarajan, jolloin luokka on
yksi ja mitoitus ei aiheuta ongelmia.
Transkriittisessä prosessissa kaksiportainen
puristus kompressorissa vähentää korkean
lämmönpoistopaineen tuomia haittoja,
koska painesuhde pienenee ja lämpötilataso
laskee. Kaksiportaisella puristuksella voidaan
parantaa prosessin tehokkuutta
merkittävästi.
Puristuksen porrastus voidaan toteuttaa
laittamalla useampi kompressori sarjaan tai
järjestämällä yhteen kompressoriin
välijäähdytys.
4.8.5. Hiilidioksidi lämpöpumpuissa
Laaja kaupallisten hiilidioksidilämpöpumppujärjestelmien
kehitys asuinrakennuksiin alkoi Japanissa 1990 -luvun
puolivälissä.
Denson järjestelmä tuli markkinoille ensimmäisenä vuonna
2001, minkä jälkeen tulivat Sanyo ja Daikin vuonna 2002, ja
Mitsubishi vuonna 2003. Nyt yli 17 yritystä myyvät järjestelmiä.
Lämpökertoimet ovat parantuneet nopeasti yli arvon 4,0
kasvavan kilpailun myötä.
Japanissa huomattiin, että veden varastoiminen erittäin
korkeassa lämpötilassa pienentää tarvittavan varaajan kokoa.
Varaajan eristyksellä on myös parannettu energiatehokkuutta
vähentämällä lämmönhukkaa. Myös äänekkyyttä on
pienennetty aktiivisesti.
Euroopan Unioni on rahoittanut käyttöveden
lämmitykseen soveltuvien hiilidioksidilämpöpumppujen kehitysprojekteja ja
myöhemmin hankkeisiin on sisältynyt myös
vesikeskuslämmitysmahdollisuudet.
Monet yliopistot ja tutkimuslaitokset ovat
kehittäneet hiilidioksidilämpöpumpun
prototyyppejä, mutta kaupalliseen sarjatuotantoon ei ole vielä päästy järjestelmissä,
jotka soveltuisivat kokonaisvaltaisesti sekä
käyttö- että lämmitysveden tuottoon. (Sienel
2006, s. 41)
Kuva 4.8 Yksiportaisen transkriittisen hiilidioksidilämpöpumppuprosessin lämpökerroin
(COP) kaasunjäähdyttimen hiilidioksidin ulostulolämpötilan (CO2 Outlet Temperature)
ja korkeapaineen funktiona. Höyrystymislämpötila on -5 ºC, tulistus 5 ºC, isentrooppinen
hyötysuhde kompressorille on 0,6 ja lämmönhukka kompressorista oletetaan
olevan 10 %. Vaaka-akselilla on lämpötila ja käyrät kuvaavat eri paineita. Suluissa on
ilmoitettu hiilidioksidin sisäänmenolämpötila kaasunjäähdyttimeen
Maksimilämmitystehontarve on 10,5 kW. Taulukossa 6.2 esitetään käyttöveden
lämmitystarpeen jakautuminen ylä- ja alavaraajaan eri lauhtumislämpötiloissa.
Nähdään, että käyttöveteen menevä kokonaisteho tehdyillä oletuksilla on 0,5 kW.
Tällöin lämmityksen maksimitehontarpeeksi jää noin 10 kW. Kokonaislämmitysenergian tarve vuodessa lasketaan pysyvyyskäyrältä vuorokausien
energiantarpeiden summana ja arvoksi saadaan 23955 kWh, josta käyttöveden
lämmitysenergia on 4088 kWh vuodessa. Taulukko 6.2 Käyttöveden (200 l/vrk)
lämmitystarpeen jakautuminen alkulämmitykseen ja loppukuumennukseen eri
lauhtumislämpötilatasoissa.