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 Report

Transcript 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  (Q1hps  Q1hps; 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