Udvikling af decentral varmepumpe til luftvarme / luftkøl Fase 2 - Notat
2014-08-08
Revision Revisionsdato Sagsnr. Projektleder Udarbejdet af
: : : : :
LNI MW og LNI
OPI-AFTALE 2B
Udvikling af decentral varmepumpe
Indholdsfortegnelse 1
Resumé............................................................................................................ 3
2
Baggrund ......................................................................................................... 3
3
Omfang og metode........................................................................................... 4
4
Udleveret materiale ......................................................................................... 5
5
Fase 2 leverancer.............................................................................................. 6
5.1 5.2
5.3
Konceptdesign........................................................................................... 6 Detaljeret design af prototype .................................................................. 7 5.2.1 Komponter.................................................................................... 7 5.2.2 Eltavle ........................................................................................... 8 Evaluering af design for prototype............................................................ 9 5.3.1 Energieffektivitet på varmepumpe............................................... 9 5.3.2 Energieffektivitet på ventilatorer ............................................... 10 5.3.3 Energieffektivitet på roterende sorptiv varmeveksler................ 11 5.3.4 Regulering................................................................................... 11
6
Fremstilling af prototype ................................................................................ 12
7
Anvendelsesmuligheder ................................................................................. 12
7.1 7.2
8
Generelt................................................................................................... 12 Anvendelsesmuligheder / Markedspotentiale........................................ 13 7.2.1 Egnethedstabel........................................................................... 13 7.2.2 Markedsområde 2014-2017 ....................................................... 14
Bilag............................................................................................................... 14
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 2 af 14
OPI-AFTALE 2B
1
Udvikling af decentral varmepumpe
Resumé
Med udgangspunkt i de foreliggende beregninger i afsnit 5. Anser vi Fase 2, som består i at gennemgå følgende aktiviteter: ” Prototype-design af ny varmepumpe-prototype” − Konceptdesign − Detaljeret design af prototype − Evaluering af design for prototype − Fremstilling af prototype for gennemført. Vores anbefaling er at der når der foreligger tilfredsstillende test resultater fra HEEDS prøveopstilling ”Fase 3”, at der straks iværksættes initiativer til at afprøve testmodel ”Live” i mockup evt. på OUH, eller andet sted.
Bilag a: Viser krav og forventet opfyldelse af disse med den nyudviklede varmepumpe Som det fremgår af bilag a. har de gennemførte beregninger resulteret i, at vi forventer en betydeligt bedre funktion og energibesparelsespotentiale af den designede varmepumpe. Af væsentlige data skal det nævnes: - Reguleringsnøjagtighed på ca. +/- 1,7 °C – Krav er +/- 2,0 °C (OUH mockup viste +/- 8 °C) - Energi til lufttransport (SEL) på 1,4 kW/m3/s – Krav BKS2020 er 1,5 kW/m3/s - Energieffektivitet (COP) på 4,6 – Krav er på 3.6 2
Baggrund
Gennemført Fase 1, hvor viden fra gennemført mockup i Odense og testrapport fra Teknologisk institut er blevet analyseret, og primære problemstillinger opstillet. De primære udfordringer ved den decentrale varmepumpe på prøveopstillingen var følgende: - Regulerings-nøjagtighed, temperaturudsving var på mere end +/- 8 °C Dette er ikke acceptabelt krav er maksimalt +/- 2 °C - Varmepumpe virkningsgrad COP (Coefficient of performance) var på 2,4 Dette er ikke acceptabelt krav er minimum 3,6
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 3 af 14
OPI-AFTALE 2B
Udvikling af decentral varmepumpe
Fase 2’s formål er teoretisk at gennemregne et prototypedesign og opbygge en prototype når beregninger af de enkelte komponenter er udført med tilfredsstillende resultater. Tilfredsstilende resultater er at ovenstående krav kan opfyldes. 3
Omfang og metode
Formålet med den reversible varmepumpe er med udgangspunkt i en Dansk varm og kold sommer og varm og kold vinter samt DRY (Design Reference Year - Fig. 1.) kunne teoretisk leve op og gerne være bedre end de krav der er opstillet i afsnit 3, i forbindelse med at varmepumpen skal køle og opvarme. 30
20
10
Udetemperatur i C
0
-10
-20 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Timer pr. år, hele døgnet
Fig. 1. DRY kurve viser antallet af timer på et år, der er over eller under en given udetemperatur. Med udgangspunkt i ovenstående har der været gennemgået forskellige drifts senarier. Som vist på fig.2. hvor de dimensionerende driftsforhold og dermed samlet krav til den nye VP er beskrevet. Der er arbejdet med forskellige kapaciteter, afhængigt af hvilket område den decentrale varmepumpe skal indbygges. Disse kapaciteter er: 1: 300 m³/h - Typisk maksimal størrelse for en sengestue eller lignede. 2: 600 m³/h - Typisk størrelse for kontorer eller lignede. 3: 900 m³/h - Typisk størrelse for mødelokaler eller lignede. 4: 1.200 m³/h - Typisk størrelse for et behandlingsrum eller lignede. En væsentlig parameter er at de komponenter der skal sammensættes til en VP unit, er ”hylde” varer hos de enkelte leverandører.
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 4 af 14
OPI-AFTALE 2B
Udvikling af decentral varmepumpe
Med udgangspunkt i ovenstående parametre er det valgt at der arbejdes videre med en unit der har en kapacitet på 600 til 1200 m³/h. En af de primære årsager til valget af denne kapacitetsstørrelse er, at vi har den største tro på at vi vil kunne leve op til de stillede krav til regulering. Efterfølgende beregninger der er vist i afsnit 5, viste at det var en korrekt antagelse.
Fig. 2. Regneark med forskellige kapaciteter og typiske ude- og rumtemperaturer/fugt mv.
4
Udleveret materiale
Nyt OUH, Region Syddanmark besigtigelse af mockup og udlevering af ATR 13.4 Måleprogram - Teknisk mockup – Dateret 04-07-2013 Notat om ”estimering af varmepumpes COP” – Dateret 25-07-2013 OPI-Aftale 2B dateret 14-03-2014
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 5 af 14
OPI-AFTALE 2B
Udvikling af decentral varmepumpe
5
Fase 2 leverancer
5.1
Konceptdesign
I forbindelse med konceptdesign har det været væsentligt af følgende principper kan efterleves: Konstrueret med komponenter beregnet for serieproduktion Komponenter der er tilgængelige for alle Ovenfor angivne principper har medført at der i designfase på prototype har været komponenter, der ikke kan anvendes. Her tænkes specifikt på varmeveksler valget: 1. Ønsket veksler 5 mm kobberrør Optimal areal udnyttelse ved flerkreds drift God olie tilbageføring Ikke i serie produktion 2. Valgt veksler 7 mm kobberrør I serie produktion ☺ Større udfordring til styring Måske olie tilbageføringsprogram Vekslere havde skal have samme ydelse/virkningsgrad – større udfordring idet veksler har: +2,4% finne areal +14% Rør areal I forbindelse med valg af kompressor, her der også været udfordringer. En meget væsentlig detalje er at HEEDS kan komme ind bag om programmeringen af kompressoren. Således at vi kan styre kompressoren på alle parametre. Der blev i starten arbejdet med Danfoss kompressor, men her løb vi ind i: -
Manglende control mulighed i elektronik del Uhensigtsmæssig kapacitetsstørrelse
Hvilket betød at denne fabrikant blev fravalgt. Efterfølgende blev markedet af kendte kompressor leverandører screenet og valget faldt på Tecumseh Masterflux kompressor, kendetegnende for denne kompressorer er: - Det er en BLDC kompressor - De har optimale kapacitets størrelser - De har godt reguleringsområde 30-100% Efterfølgende er der etableret kommercielt forhold.
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 6 af 14
OPI-AFTALE 2B
5.2
Udvikling af decentral varmepumpe
Detaljeret design af prototype
Ventilationsaggregat Med roterende varmeveksler og integreret reversibel varmepumpe
Aggregatet er opbygget med friskluft/indblæsnings sektion øverst og udsugning/afkast sektion nederst. Luftstrømningen er modsat rettet i de to sektionen, således der kan ske modstrømsveksling i den roterende varmeveksler. Se i øvrigt principopbygning på fig. 3 Alle komponenter til den integrerede varmepumpe er indeholdt i aggregatet, således også elektroniske power moduler for kompressorer, hvorved aggregatets samlede virkningsgrad kan øges ved at genvinde elektroniske tab.
Fig. 3: Principopbygning af ventilationsaggregat med integreret reversibel varmepumpe.
5.2.1
Komponter
Filtrering: Til både indblæsning og udsugning anvendes der posefiltre, idet de giver den optimale volumenudnyttelse. Det store aktive filterareal sikrer det lavest mulige filter tryktab, og giver samtidig længst mulig driftsperiode mellem filterskift. Der anvendes filterklasse F7. Roterende varmeveksler: Der anvendes en sorptions-rotorveksler, der kendetegnes ved både at genvinde varme og fugt. Idet fugten indeholder megen energi, opnås en samlet høj energigenvinding. Den roterende varmeveksler har variabel rotationshastighed, så genvindingen fuldstændig tilpasses det øjeblikkelig behov. Varme-/køle varmevekslere: De anvendte varmevekslere i den reversible varmepumpe skal kunne fungere som både kondensator og fordamper. Varmevekslernes kredsløbslayout er designet således, at der kan opnås en jævn og ensartet overophedning og underkøling ved alle driftstilstande. Varmevekslernes primære og sekundære overflader er optimeret, således både COP og SEL tilgodeses. Elvarme: I indblæsningskanalen er placeret elvarmelegemer. Elvarmelegemernes primære funktion er suppleringsvarme ved afrimning, men de kan også assistere varmepumpen ved
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 7 af 14
OPI-AFTALE 2B
Udvikling af decentral varmepumpe
meget kolde udendørstemperaturer. Sekundært kan elvarmen anvendes som boosterfunktion ved ønske om en særlig hurtig rumopvarmning eller til eventuel nøddrift ved funktionsfejl på varmepumpen. Ventilator: Der anvendes den samme centrifugal-ventilator med EC-motor til både indblæsning og udsugning. Denne ventilatortype giver både optimale reguleringsmuligheder og bedst mulig virkningsgrad. Ventilatoren overholder alle gældende krav og de kommende ErP-krav, der er kendt på nuværende tidspunkt. Kompressorer: Varmepumpen er udstyret med to børsteløse jævnspændingskompressorer, som er tilsluttet i hver sin kølekreds. Kompressorerne er placeret så den bagudstrålede lyd minimeres og således den afgivne varme kan genanvendes. Elektronik: Elektronikken er placeret således den sikres de mest stabile temperaturforhold at arbejde under og samtidig således at overskudsvarmen kan genanvendes. Montering af F9/HEPA filter: Der kan opnås mulighed for installering af ekstra indblæsningsfiltrering, hvor der er særligt høje krav til luftkvaliteten, idet der er ledig plads i aggregatet. Det er dog ikke endeligt afklaret om den ekstra filtrering alternativt skal placeres uden for aggregatet. 5.2.2
Eltavle
Sammen med aggregatet hører en eltavle med indbygget styring. Tavlen tilsluttes aggregatet med kabler/stik og monteres i nærheden. Eltavlen indeholder aggregatets forsyning, styring og kommunikation med det centrale system. Reguleringsparameter: Aggregatet kører fuldautomatisk og reguleringer løbende efter: - Rumtemperatur [°C] - Overtryk [Pa] - Luftmængde [m3/h] Eksempelvis gives den ønskede rumtemperatur, sætværdien, som et input fra det centrale system, hvorefter styringen regulerer aggregatet således sætværdien opnås og opretholdes stabilt.
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 8 af 14
OPI-AFTALE 2B
5.3
Udvikling af decentral varmepumpe
Evaluering af design for prototype
Med udgangspunkt i de 2 foregående afsnit og beregninger af teoretisk opnåelige effektivitet som fremgår nedenfor, blev foreløbigt design vedtaget og de enkelte komponenter indkøbt således at der kan opstarte en fremstilling af en prototype. 5.3.1
Energieffektivitet på varmepumpe
Beregninger på performance i forbindelse med varmedrift fremgår af fig. 4. Figuren viser at vi med den valgte sammensætning af komponenter, kan opnå en vægtet COP i forbindelse varmedrift på 4.58, hvilket er noget bedre en krav der er i glædende reglement på 3.6
Fig. 4 viser beregninger på performance i forbindelse med varmedrift Beregninger på performance i forbindelse med kuldedrift fremgår af fig. 5. Figuren viser at vi med den valgte sammensætning af komponenter, kan opnå en vægtet COP i forbindelse kuldedrift på 4.59, hvilket er noget bedre en krav der er i glædende reglement på 3.6
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 9 af 14
OPI-AFTALE 2B
Udvikling af decentral varmepumpe
Fig. 5 viser beregninger på performance i forbindelse med kuldedrift
5.3.2
Energieffektivitet på ventilatorer
Der vælges effektive ventilatorer med lang levetid og EC-motor, den samlede komponent lever op til ErP15 kravet omkring energieffektivitet. Fordelen ved at vælge en EC-motor er at de bibeholder stort set deres virkningsgrad når der nedreguleres på luftmængden. Nedenfor er beregnet forventet elforbrug ved maksimal luftmængde. Tryktab er sat til samlet 500 Pa på indblæsning og 400 Pa på udsugning Luftmængden er 1.200 m³/h = 0.33 m³/s Samlet virkningsgrad på: ventilator, motor og omdrejningsregulering = 0,55 Elforbrug til ventilatorer fremgår nedenfor:
Pel =
(500 Pa + 400 Pa ) ⋅ 0,33 m 3 0,65
s
= 0,456 kW
Herefter beregnes det forventede specifikke elforbrug [SEL] enkelt:
SEL =
0,456 kW = 1,38 kJ m s s 0,33 m s
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 10 af 14
OPI-AFTALE 2B
Udvikling af decentral varmepumpe
Vi forventer at kunne forbedre ind-og udløbsforhold betydeligt i vores model, dette vil resultere i at tryktab bliver reduceret og vi derved forbedre vores SEL værdi. Kravet med BKS 2020 er på 1,5 kJ/m³, hvilket ikke bliver et problem i den angivne konfiguration at nå. 5.3.3
Energieffektivitet på roterende sorptiv varmeveksler
Vi har valgt at arbejde videre med en sorptiv roterende varmeveksler, da den om sommeren affugter udeluften med ca. 2-4 g/m³ luft og om vinteren befugter udeluften med ca. 1-3 g/m³ luft. Dette hjælper os til bedre at kunne køle en fugtig varm sommer med vores valgte varmepumpe, og om vinteren sikrer, at udeluften ikke bliver for tør. Vi har valgt en roterende veksler med høj energieffektivitet, hvilket vil sige at den har en termisk virkningsgrad på mere end 80% Kravet i BKS 2020 er at den termiske virkningsgrad ikke kommer under 75%. Dette krav lever vi således også op til. 5.3.4
Regulering
En væsentlig parameter er at vi kan regulere de ovenfor angivne komponenter så effektivt at der ikke vil forekomme større udsving end de maksimalt krævede 2 °C. Der er fra HEEDS side foretaget en række simuleringer med den valgte konfiguration og de beskrevne komponenter. Disse simuleringer viser at vi kommer under de 2 °C. Der har været værdier fra 1,3 °C. til 1,9 °C. Vi har valgt at oplyse vores mål til 1,7 °C. Hvilket vil være bedre end noget produkt på markedet i skrivende stund.
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 11 af 14
OPI-AFTALE 2B
6
Udvikling af decentral varmepumpe
Fremstilling af prototype
Fremstilling af prototype er påbegyndt på nedenfor viste billede er vist nogle af de indkøbte hovedkomponenter
Billede 1: Indkøbte hovedkomponenter til prototype, billede taget hos HEEDS
7
Anvendelsesmuligheder
7.1
Generelt
Vi har i dette afsnit vurderet på, hvor vi tror at der er et marked for en færdigudviklet reversibel varmepumpe med data som angivet ovenfor. I første omgang har målet været de store kvalitetsfonds projekter, men vi mener, at der ud over disse muligheder foreligger et betydeligt antal andre muligheder. Her kan vi blot nævne renovering af indeklima på skoler mv. Vi har i næste afsnit lavet en lille tabel der viser et lille udpluk af muligheder. Denne liste skal bearbejdes i fase 3. Der kan med udgangspunkt i en liste som denne og vores kendskab til markedstendenser laves et skøn på et samlet markedspotentiale.
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 12 af 14
OPI-AFTALE 2B
7.2
Udvikling af decentral varmepumpe
Anvendelsesmuligheder / Markedspotentiale
7.2.1
Egnethedstabel
Nedenfor er tabel med et lille pluk af anvendelsessteder. I tabellen er der lavet en overordnet grov vurdering på vores varmepumpes egnethed, denne egnethed er en kombination af efterspørgsel efter primært kombinationen varme- og kølekrav samt aggregat størrelse/volumenstrøm. Bygningstype ---
Varmekrav Kølekrav Ja/nej Ja/nej
Ventilationskrav Ja/nej
Forsyning E-VE- FJV - FJK E-VE- FJV - FJK
Egnet ¤ -> ¤¤¤¤¤ ¤¤¤¤
Sengestue (HOSP)
Ja
(ja)
Ja
Kontor (HOSP)
Ja
(Ja)
Kontor (Erhverv) BKS 2020 Møderum
Ja
Ja
E-(VE)FJV -
¤¤¤¤¤
Ja
Ja
E-(VE)FJV -
¤¤¤¤¤
Varmebehov dækkes sjældent af vent. Ikke altid krav til køl Flere forsyninger til rådighed Opvarmning og køling mulig i en enhed Passer perfekt
Ja
Ja
Ja
¤¤¤¤¤
Passer perfekt
Børnehave
Ja
(Ja)
Ja
¤¤¤¤
Passer godt
Skole
Ja
(Ja)
Ja
¤¤¤¤
Passer godt
Villa BKS 2020
Ja
(Ja)
Ja
E-VE- FJV - FJK E-(VE)FJV E-(VE)FJV E-(VE)FJV -
¤¤¤
Etagebolig BKS 2020
Ja
(Ja)
Ja
E-(VE)FJV -
¤¤¤
Luftvarme må IKKE udgøre eneste varmekilde Luftvarme må IKKE udgøre eneste varmekilde
Forklaring: Varmekrav: Kræves der via BR10 eller lignende en minimumstemperatur Kølekrav: Kræves der via BR10 eller lignende en maksimumstemperatur Ventilationskrav: Kræves der via BR10 eller lignende et maksimalt CO2 niveau Forsyning: Hvilken hovedforsyning er til rådighed
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 13 af 14
Bemærkning ---
OPI-AFTALE 2B
7.2.2
Udvikling af decentral varmepumpe
Markedsområde 2014-2017
Der er netop udarbejdet en rapport omkring de 98 kommuners bygge- og anlægsinvesteringer 2014 – 2017 af CRM Byggefakta og pb parabyg. Fra denne rapport har jeg valgt at vise graf der viser projektfordeling.
Graf der viser kommunernes anlægsinvesteringer de kommende år.
Som det fremgår af graf er der store investeringer på området ”Skoler, uddannelse & forskning” samt ”Sport, fritid, kultur og hotel” de kommende år. De store kvalitetsfondsprojekter er IKKE indeholdt i ovenstående. Vores ventilationsaggregat vil kunne anvendes de pågældende steder, som det også fremgår af egnethedstabellen
8
Bilag
Følgende bilag er vedlagt nærværende rapport: - Ingen
HEEDS & Søren Jensen A/S
Side 14 af 14
