Fredrik Karlsson SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Per Fahlén Chalmers Tekniska Högskola SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Driftoptimering av värmepumpssystem Integrerad styrning av kyl- och värmepumpsanläggningar (t.o.m.
Download ReportTranscript Fredrik Karlsson SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Per Fahlén Chalmers Tekniska Högskola SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Driftoptimering av värmepumpssystem Integrerad styrning av kyl- och värmepumpsanläggningar (t.o.m.
Fredrik Karlsson SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Per Fahlén Chalmers Tekniska Högskola SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Driftoptimering av värmepumpssystem Integrerad styrning av kyl- och värmepumpsanläggningar (t.o.m. 021231) Driftoptimering av värmepumpssystem – behovsstyrning av värme och varmvatten (03-01-01 till 04-02-29) SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Två projekt inom eff-Sys Integrerad styrning Driftoptimering Värmepumpsystem för optimal drift Optimerade värmesystem Optimal drift av värmepumpssystem kräver optimering av: Fas 3 –Värmekälla och värmesänka Fas 2 –Värmepumpens drift i förhållande till behovet Fas 1 –Värmepumpens interna drift SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Bakgrund Fas 1 – Integrerad styrning av kyl- och värmepumpsanläggningar Komfort Regulator Värmekälla IRM Varmvatten Värmepump Tillsatsvärme Värmesänka Uteklimat SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Systemgränser för arbetet Fas 2 – Driftoptimering av värmepumpssystem Komfort Regulator Värmekälla IRM Varmvatten Värmepump Tillsatsvärme Värmesänka Uteklimat SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Systemgränser för arbetet Fas 3 – Arbetet framöver Komfort Regulator Värmekälla IRM Varmvatten Värmepump Tillsatsvärme Värmesänka Uteklimat SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Systemgränser för arbetet Syftet är att undersöka förutsättningarna för att optimera värmepumpssystemets drift med hjälp av ett överordnat styrsystem och nya komponenter. Optimeringen omfattar det totala systemet, dvs värmepumpens interna drift och värmepumpens drift i förhållande till värmebehovet SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Syfte och mål Kyl-och värmepumpssystem förbrukar ca 12-15 TWh el per år En effektivitetsökning på 10 % skulle alltså ge en reduktion av elanvändningen med ca 1,5 TWh Den totala elproduktionen från vindkraft 2001 var 0,4 TWh Antal sålda värmepumpar i Sverige per år 45 000 40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1987 1986 0 SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Relevans • • • • • Litteraturstudie Laboratorieprov Bedömning av energibesparingspotential Optimeringsmetod undersökt genom simuleringar Varmvattenberedning undersökt genom laboratorieprov • Värmesystemets inverkan undersöks genom kunskapssammanställning SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Metodik Effektivare värmepumpar kan fås med • Varvtalsstyrda kompressorer • Varvtalsstyrda pumpar/fläktar • Elektroniskt styrda expansionsventiler Varvtalsstyrda kompressorer kan vara effektivare pga: • Bättre drift vid dellast • Färre cykler av/på • Minskat behov av avfrostning • Minskat behov av tillskottseffekt SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Litteraturstudie - resultat TEV t p p EEV p Komponent Kompressor Kondensor Förångare Expansionsventil (termostatisk) Expansionsventil (elektronisk) Cirkulationspump (värmebärare) Cirkulationspump (köldbärare) Frekvensomformare Köldmedium (mängd) p Beteckning Mitsubishi AEV60F (scroll) CP 415-50 (50 plattor) CP 415-60 (60 plattor) Danfoss AKV10-7 (regulator AKC 114A) Danfoss TCAE, 068U4325 frekvensomformare Grundfos UPE 25-80 180 Wilo Stratos 30/1-12 Danfoss VLT R407C (2,5 kg) t SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Laboratorieprov - experimentvärmepump t t Dellastprov enligt prCEN/TS 14825 • Varvtalsstyrning • Intermittent styrning • Driftpunkterna definieras av temperaturen på inkommande köld- och värmebärare • Full last definieras som drift med frekvensen 80 Hz • Dellasten definieras sedan utifrån värmeeffekten vid fullastprovet • Dellasten regleras med varvtalet för varvtalsstyrning och med tiden av/på vid intermittent styrning SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Laboratorieprov - provmetod Driftpunkt tbi/twi [ºC] Last [%] COPvp;varv/COPvp;interm COPvpa;varv/COPvpa;interm 5 / 26,6 50 1,22 1,16 0 / 27,7 0 / 27,7 5 / 42,1 75 50 50 varvtalsreglering/intermittent 1,13 1,20 1,17 1,10 1,14 1,13 0 / 43,1 75 0 / 43,1 50 1,08 1,07 1,10 1,06 Resultat från liknande prov med annan kompressor ej utvecklad för varvtalsstyrning Driftpunkt 5 / 26,5 0 / 27,7 0 / 27,7 5 / 42,7 0 / 44,0 0 / 44,0 tbi / twi (°C) 63 75 63 63 75 63 Last (%) varvtalsstyrning / intermittent styrning 1,04 0,99 1,01 0,97 0,96 0,95 COPhp 1,00 0,97 0,98 0,94 0,95 0,93 COPhps SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Laboratorieprov - resultat Detta kan delas upp i två delar: • Optimal reglering – Hitta det bästa sättet att hålla processparametrarna på önskade nivåer • Optimal driftpunkt – Hitta den bästa driftpunkten SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Optimering av värmepumpssystemet On-line • För processer utsatta för störningar och där processparametrarna förändras över tiden Off-line • Kan användas för processer med långsamma förändringar av processparametrar och få störningar SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Optimeringsmetoder Långsamma, ofrekventa störningar och snabb dynamik i processen Stationär optimering – Direkta metoder » Ingen matematisk modell av processen » Ofta enkel att implementera » Långsam metod – Indirekta metoder » Kräver matematisk modell av processen » Svårare att implementera » Snabbare metod Snabba, frekventa störningar Dynamisk optimering SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Optimering on-line Tryck, p t5 1 p1 t3 5 . Wcomp S=kon stant p 1 7 6 p 2 2 p2 t4 h3 h5 COPhp (1 f ) h3 h4 h5 4 SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Optimera – med avseende på vad? h4 Specifiken Variabel 1 Nelder-Meads Simplexmetod xe x0 xr xc x x1 x2 Variabel 2 SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Aktuell optimeringsmetod Optimering utan bivillkor g1 1 COPhps Optimering med bivillkor 1 g2 3 (Q1hps Q1hps; set ) 2 4 (t w t w; set ) 2 COPhps SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Optimering - målfunktion 28 3,12 24 20 COPhps 3,10 16 3,08 12 3,06 8 3,04 COPhps Antal testpunkter 3,02 0 2 4 6 8 Antal iterationer 10 12 14 4 0 SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut 3,14 Antal testpunkter Optimering utan bivillkor • Stor potential för ökad energieffektivitet genom att använda varvtalsstyrda kompressorer • Ytterligare förbättrad energieffektivitet kan uppnås genom att utveckla mer energieffektiva pumpar/fläktar • Den föreslagna optimeringsmetoden visar lovande resultat men kräver ytterligare utvärdering SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Sammanfattning / Slutsatser • En eller flera optimeringsmetoder tas fram • Optimeringsmetod(er) undersöks för olika värmesystem genom simuleringar • Den eller de mest lovande koncepten undersöks med fysisk värmepump+reglersystem mot realtidsimulerat hus+värmesystem • Effektivare komponenter och optimeringsmetod undersöks även för luftvärmepump bl.a för att få med avfrostningsfunktionen i analysen SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Fortsättning av projektet Energimyndigheten SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Installationsteknik, CTH Elforsk Nibe IVT Thermia Värme Danfoss JEFF Electronics Wilo Grundfos Uponor Wirsbo Carrier LK Lagerstedt & Krantz REHAU Thermopanel SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Projektdeltagare