Kombinált és kiegészítő hőcserélős hőszivattyúkkal elérhető jóságfok növekedés
2023. május 9. |
Urbán Dávid, Lami Tamás, Eördöghné dr. Miklós Mária, dr. Nyers Árpád |
|
0 |
Az emelkedő energiaárak és az energiahatékonyságra való törekvés mellett szükség van a nagyobb hatékonyságú hőszivattyús berendezések használatára. A cikkben bemutatásra kerülnek a kombinált rendszerű magas kondenzációs, egyszerre fűtő és melegvizet előállító hőszivattyúk és azok a lehetőségek, amelyekkel a levegő-víz hőszivattyúk magasabb jósági fokot érhetnek el.
Az extra hőcserélővel rendelkező hőszivattyús rendszerrel kapcsolatban végzett irodalomkutatás keretén belül 3 külföldi témájú tanulmányt ismertetünk a következőkben röviden. Ezek mind a COP-értékét vizsgálják egy extra hőcserélő alkalmazásával a kondenzátor elé beépítve. Általános elnevezése elsődleges hőcserélő, extra hőcserélő, desuperheater.
1. tanulmány: Monovalens rendszerű, inverteres vízvíz hőszivattyú vizsgálata extra hőcserélő használatával alacsony energiaigényű családi házaknál
A rendszerben a használati melegvíz előállítása állandó hőmérsékleten, szabályozható, különböző térfogatárammal ment végbe. Három fűtési esetet vizsgáltak változó időjárási viszonyok és két felületfűtési célhőmérséklet tekintetében:
felületfűtés (1. mód),
használati melegvíz előállítás (2. mód),
mindkettő kombinációja (3. mód).
A felületfűtési célhőmérséklet mindkét üzemmódot erősen befolyásolta, átlagosan 29%-os különbséget mutatott a COP 35 °C és 45 °C között. A kompresszió arány kulcsfontosságú paraméterként jelenik meg, amely alacsony értékek mellett segíthet a COP növelésében.
Minden kiértékelt éghajlati körülmény esetén a különbség a csak fűtés (1. mód) és a kombinált fűtés és használati melegvíz előállítás (3. mód) közötti COP 5% alatti volt. A használati melegvíz előállítás (2. mód) azonban sokkal kisebb teljesítményt mutatott 35 °C-os fűtési célhőmérsékletnél és a talaj 5 °C-os hőmérsékleténél. A legnagyobb COP 4,75 volt az 1. mód esetén. A 3. módban a használati melegvíz aránya a teljes hőáramhoz képest állandó maradt a kompresszor frekvenciájától függetlenül, ami erősen összefügg a helyiség fűtési célhőmérsékletével. A log p-h diagramok elemzése az egyes üzemmódoknál hasonló kompressziós lefolyást, kondenzációs nyomást és entalpiaváltozást mutatott az 1. és a 3. mód esetén. [1]
2. tanulmány: Hőszivattyú teljesítmény elemzése különböző szabályozási módokkal kiegészítő hőcserélő alkalmazása esetén
A vizsgálatban öt különböző szabályozási mód fordult elő extra hőcserélőt felhasználva. A vizsgálatot TRNSYS programmal végezték. A rendszer egy puffertárolót, egy napkollektort, a hőelosztót és a hőleadókat tartalmazta. Az eredmények igazolják az energia megtakarítást extra hőcserélő alkalmazásával. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy a hőszivattyú „közvetlen” használati melegvíz készítéséhez kisebb hőmennyiséget biztosít.
5 kísérletet hajtottak végre:
esetben háromjáratú szelep szabályozza a tömegáramot a hőcserélőnél, hogy elérje a beállított melegvíz hőmérsékletet.
esetben háromjáratú szeleppel állítanak be egy meghatározott hőmérsékletet a kompresszorból kilépő közeg hőmérsékletének és a víz hőcserélőből kilépő közeg hőmérséklet szabályozásával.
esetben a háromjáratú szelepet állandó értéken tartják állandó tömegáramot feltételezve.
esetben a tömegáramot változtatják a hőáram állandó értéken tartásáért.
esetben a cső átmérőjét és hosszát csökkentették, ami kisebb hőveszteséget és emiatt további energia megtakarítást eredményezett.
A 4. kísérlet eredményezte a legnagyobb COP értéket legalacsonyabb kondenzációs hőmérséklet miatt. A vizsgálatok nagyobb COP értéket és teljesítménytényezőt okoztak minden esetben, amikor extra hőcserélőt alkalmaztak. [2]
3. Tanulmány: R407C hűtőközegű folyadék-víz hőszivattyú teljesítményelemzése, folyadék-gőz hőcserélő használatának hatása és használati melegvíz előállításának a vizsgálata
A tanulmányban fűtési üzemmódban vizsgált esetre ismertetik az eredményeket. Üzemi feltétel: egyidejű HMV előállítás különböző térfogatáramokkal és hőmérsékleti értékekkel. Az eredmények azt mutatják, hogy a COP érték általában nagyobb egyidejű felületfűtés és HMV termelés mellett, mint önmagában csak fűtés esetén. Ezenkívül folyadék-gőz hőcserélő használata kisebb fűtési és kompressziós teljesítményt és minimálisan nagyobb COP értékeket eredményezett. A HMV hőmérséklet megemelése alacsonyabb fűtési hőmérséklettel járt, emellett a HMV termelés a kondenzátor kimeneténél jelentősen csökkentette a túlhűtés mértékét. A kondenzátor vízhőmérsékletének emelése kisebb teljes fűtési teljesítményt és COP értéket eredményezett, viszont a teljes fűtési teljesítmény nagyobb hányadát lehetett felhasználni HMV előállítására. A folyadék-gőz hőcserélő alkalmazása a kondenzáció mértékének csökkenését eredményezte. [3]
Elméleti levegő-víz hőszivattyú jóságfok növelése
A hőszivattyúk jósági fokát megadja, hogy a kompresszorba betáplált elektromos energiával mekkora hasznos teljesítményt érhetünk el. Ezek az értékek függnek az előállítandó fűtő-/hűtővíz és a külső környezeti levegő hőmérsékletétől. Levegő-víz hőszivattyú fűtési (COP) és hűtési (EER) jóságfokának növelésére különböző módszerek vizsgálatára került sor:
Eltérő hűtőközegek
A különböző hűtőközegek eltérő nyomás-hőmérséklet-entalpia pontokkal rendelkeznek. Másik fajta hűtőközeg alkalmazásakor elképzelhető, hogy ugyanazon igények kielégítéséhez kisebb kompresszor-munka elegendő, esetleg az állapotváltozás során nagyobb mértékű entalpia eltérés alakul ki, így a jóságfok magasabb lesz. A vizsgálat során olyan hűtőközegek kerültek kiválasztásra, amelyek az általános felhasználás mellett elméletileg fűtésre, hűtésre, melegvíz készítésre alkalmasak lennének.
Az 1. ábrában bemutatott táblázatban látható, hogy a különféle hűtőközegek milyen COP-t érnek el 35/30 °C-os fűtővíz és 5 °C-os kültéri hőmérséklet mellett, illetve milyen EER-t 15/18 °C-os hűtővíz hőmérséklet és 35 °C-os kültéri hőmérséklet mellett, továbbá a hűtőközegek környezetkárosító hatásait is feltüntettük.
1. ábra. Különböző hűtőközegekkel elérhető jóságfokok
Elsődleges hőcserélős hőszivattyú
Az utóbb bemutatott tanulmányhoz hasonlóan egy elméleti számítás keretében megvizsgáltuk, hogy az elsődleges hőcserélővel ellátott kombinált üzemű hőszivattyúval milyen hatásfokjavulás érhető el. A 2. ábra mutatja a hőszivattyús körfolyamatban szereplő rendszerelemeket és a log p-h diagramot, hogy miként tér el egy általános esettől.
2. ábra. Desuperheaterrel ellátott levegő-víz hőszivattyú
A 3. ábrán látható diagram mutatja, hogy amennyiben az elméleti R32 hűtőközeggel működő levegő-víz hőszivattyúba beépítünk egy elsődleges hőcserélőt, miként változik meg a jóságfok, az előző példában vett hőmérsékleti értékek mellett.
Megfigyelhető, hogy egyidejű fűtéssel és melegvíz készítéssel javul a COP érték ~3,87%-kal, azonban, amennyiben csak melegvizet készítünk, jelentősen kisebb értékű lesz a jóságfok.
3. ábra. Fűtés és/vagy melegvíz készítés mellett elérhető COP
A javulás annak következtében jön létre, hogy a felkomprimált hűtőközeg elér egy olyan hőmérsékletet, amellyel 65 °C-os melegvíz is előállítható. A melegvíz készítése során rövid időn belül telített gőz állapotból túlhevítetté alakul át a hűtőközeg, ezért a kondenzátorba kerülve kisebb nyomásveszteség fog fellépni és a kompressziós munka csökkenhet. Vele együtt minimálisan nagyobb kondenzáció érhető el.
Belső hőcserélős hőszivattyú
A hőszivattyúban a lekondenzált és az elpárologtatott hűtőközeg között hőcserét létesíthetünk egy lemezes hőcserélővel. A 4. ábrán látható körfolyamat eredményeképpen a log p-h diagramon látható, hogy belső hőcsere segítségével megnöveljük a kondenzáció és az elpárologtatás mértékét, enyhe túlhevítéssel.
4. ábra. Belső hőcserélővel ellátott levegő-víz hőszivattyú
A belső hőcserélővel elért nagyobb mértékű elpárologtatásból adódóan csökkenthetjük a ventilátor vagy a kompresszor által felvett teljesítményt, azonban, ha ezen mégsem változtatnánk, az elpárologtatott hűtőközeget túlhevíthetjük, amiből adódóan a felkomprimált gáz nagyon magas hőmérsékletű lesz, elérheti a 130-140 °C-ot, ami a kompresszor kenésének határhőmérséklete. [4]
Termodinamikai szempontból mindenképpen meg kell vizsgálni, hogy a belső hőcserélővel kialakított túlhevítés hatékonyabb megoldást jelent-e a kompresszorba történő száraz telített gőzbeszívásnál.
A csőköteges hőcserélő kialakítása és a ventilátor által megmozgatott, adott kültéri hőmérsékletű levegő megadja, hogy a sikeres elpárologtatás eléréséhez mennyivel legyen alacsonyabb az elpárologtatandó hűtőközeg hőmérséklete, tehát mekkora legyen az elpárologtatási nyomás. A kültérben található elpárologtatóhoz tartozó ventilátor munkáját csökkenthetjük, ami nagyobb mértékű energiamegtakarítást jelent.
Az 5. és 6. ábrákon látható diagramok mutatják, hogy egy R32 hűtőközeggel üzemelő levegő- víz hőszivattyúba beépített 500W/1000W/1500W teljesítményű belső hőcserélővel, ha a ventilátorunk teljesítményét csökkentjünk vagy inkább túlhevítést végzünk, milyen jóságfokokat érhetünk el, az előző példákban vett hőmérsékleti értékek mellett. A rendszer teljes energiaigényének szemléltetésére egy módosított jóságfokkal számolunk (COPm/EERm), ami a kompresszor+ventilátor által felvett teljesítmény és a leadott teljesítmény arányát adja.
Túlhevítés esetén kivizsgálandó, hogy mekkora teljesítményű hőcsere fog javulást jelenteni, tudatában annak, hogy fűtés esetében –5-10 °C külső hőmérséklet mellett komprimálást követően elérjük a kenőanyag határhőmérsékletét.
A legjobb megoldás, ha a ventilátoros munkát csökkentjük, az így elért COPm növekedés +8,18%/+16,03%/+23,60%, az EERm növekedés pedig +13,42%/+19,69%/25,50%.
5. ábra. Adott teljesítményű belső hőcserével magvalósuló fűtési jóságfok javulás túlhevítés/ventilátor teljesítménycsökkentés hatására
6. ábra. Adott teljesítményű belső hőcserével magvalósuló hűtési jóságfok javulás túlhevítés/ventilátor teljesítménycsökkentés hatására
Összefoglalás
A cikkben bemutattuk a kombinált rendszerű hőszivattyúkat, amelyek magas kondenzáció révén nagyobb COP-t érnek el működésük során. Levegő-víz hőszivattyúk kiegészítő hőcserélővel történő ellátásával energiamegtakarítást lehet elérni, ami abból származik, hogy a csőköteges hőcserélőnél megtalálható ventilátor teljesítménye csökkenthető, köszönhetően a pluszba beépített hőcserélő elpárologtatásra/kondenzáltatásra történő rásegítése miatt.
Irodalomjegyzék
David L. Blanco, Katsunori Nagano, Masahiro Morimoto, 2012.07.05, elsevier.com/locate/apthermeng
F. Hengel, A. Heinz, R. Rieberer, 2016.05.18, elsevier.com/locate/apthermeng
Ignacio Ortega, Jaime Sieres, Fernando Cerdeira, Estrella Álvarez, Juan Rodríguez, 2019.02.20, elsevier.com/locate/ijrefrig
Branimir Pavković Ph.D., Alkalmazott hőszivattyús rendszerek új és felújított épületeknél, 2012. június, HUHR/1001/2.2.1/0009, 22. oldal
