Upload
others
View
11
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Aarhus Maskinmesterskole
Reducering af overhedning i varmepumper Bachelorprojekt
Martin Koudal Fisker (v13885) 22-12-2017
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
1
Projekttitel:
Opgave:
Fagområde:
Af:
Uddannelsesinstitution:
Hold:
Placering i uddannelses forløb:
Vejleder:
Dato for aflevering:
Omfang af anslag:
Antal sider:
Forside illustration:
Reducering af overhedning i varmepumper
Bachelorprojekt
Køleteknik
_________________________
Martin Koudal Fisker (v13885)
Aarhus Maskinmesterskole
Aarhus School of Marine and Technical Engineering
15-1 Bachelor efterår 2017
9. semester
John Kristensen, JHK
Den 22. december 2017
67500 tegn - 28 normalsider
54 sider
HBX vapro quality sensor og Carel E2V
indsprøjtningsventil på fordamper. (Eget arkiv,
2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
2
Abstract
The climate change is a disputed subject in the international and national society. In countries similar to
Denmark the private oil-fired boiler is a typical heating source for buildings, where the district heating isn´t
represented. This source of heating appears to conflict with the recommended way of heating: the
electrical heat pump.
The Danish state aided organization information center for energy-saving in buildings, recommends
exchanging older oil-fired boilers with an electrical heat pump.
The company HB Products A/S produces sensors and switches for industrial refrigeration systems and
heating pumps. For testing a new sensor type at HB Products, three new heating pumps have been installed
for discarding an older oil-fired boiler. The new heating pumps are installed whit a Carel EVD evolution
superheat control system and the new HBX vapor quality sensor for HFC refrigerants.
This paper investigates the difference between the superheat controller and the HBX vapor quality sensor,
by the functional structure and how these difference types of controllers are installed in a heating pump
system.
By investigating the operation of the superheat controller and HBX vapor quality sensor by a data logging
system, it appears by using the HBX sensor increases the operation efficiency with 6,3%. Beside the
economic benefit, the paper investigates the environmental consequences. It appears by using HBX vapor
quality sensor, the emission is reduced whit 0,7ton carbon dioxide a year.
The paper concludes HBX vapor quality sensors can be used as a rational replacement to the superheat
controller.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
3
1 Indhold 1 Indhold ....................................................................................................................................................... 3
2 Forord ........................................................................................................................................................ 5
3 Læsevejledning .......................................................................................................................................... 5
4 Indledning .................................................................................................................................................. 6
5 Problembeskrivelse ................................................................................................................................... 7
5.1 Problemstilling ................................................................................................................................... 7
5.2 Problemformulering .......................................................................................................................... 7
6 Afgrænsning............................................................................................................................................... 7
7 Metode ...................................................................................................................................................... 8
8 Undersøgelse af varmekilder ................................................................................................................... 11
8.1 Oliefyr eller varmepumpe som varmekilde ..................................................................................... 11
8.1.1 Oliefyr som varmekilde ............................................................................................................ 11
8.1.2 Varmepumpe som varmkilde .................................................................................................. 12
8.2 Energiforbrugere i en varmepumpe ................................................................................................ 12
8.2.1 Varmepumper, en samfundsmæssig interesse ....................................................................... 12
8.2.2 Generelle energiforbrugere i varmepumpen .......................................................................... 13
8.2.3 Argumentering for optimeringsområder ................................................................................. 14
8.3 Opsummering af optimeringsområder af varmepumpe ................................................................. 17
9 Virkemåde af Carel EVD evolution og HBX vapor quality sensor ............................................................ 18
9.1 Princippet bag Carel EVD evolution ................................................................................................. 18
9.2 Princippet bag HBX vapor quality sensor ........................................................................................ 19
10 Opbygning af varmepumper................................................................................................................ 22
10.1 Systemdesign - Varmepumpe #1 ..................................................................................................... 24
10.2 Systemdesign - Varmepumpe #3 ..................................................................................................... 25
10.3 Datalogger system ........................................................................................................................... 26
11 Analyse af drift ..................................................................................................................................... 28
11.1 Drift af varmepumpe #3 .................................................................................................................. 28
11.1.1 Drift af varmepumpe #3 kontrolleret af Carel EVD – Standard indstillinger ........................... 28
11.1.2 Drift af varmepumpe #3 kontrolleret af Carel EVD – Optimerede indstillinger ...................... 29
11.1.3 Drift af varmepumpe #3 kontrolleret af HBX vapor quality sensor ......................................... 32
11.1.4 Udfordringer ved brug af HBX vapor quality sensor ............................................................... 36
11.1.5 Sammenligning af Carel og HBX .............................................................................................. 37
11.1.6 Teoretisk forbedret COP-faktor ............................................................................................... 38
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
4
11.1.7 Korrekt forbedret COP-faktor .................................................................................................. 39
11.1.8 Opsummering af drift ved varmepumpe #3 ............................................................................ 39
11.2 Drift varmepumpe #1 ...................................................................................................................... 40
11.2.1 Sammenligning af Carel EVD og HBX ....................................................................................... 43
11.3 Delkonklusion .................................................................................................................................. 44
12 Investering ........................................................................................................................................... 45
12.1 Risiko ved investering i HBX vapor quality sensor ........................................................................... 48
12.2 Opsummering .................................................................................................................................. 48
13 Diskussion af validitet .......................................................................................................................... 49
14 Konklusion ........................................................................................................................................... 50
15 Perspektivering .................................................................................................................................... 51
16 Bibliografi ............................................................................................................................................. 53
17 Figurliste .............................................................................................................................................. 54
18 Bilagsoversigt ...........................................................................................................................................
18.1 Bilag – Oliefyr .......................................................................................................................................
18.2 HBX vapor quality sensor .....................................................................................................................
18.3 Forsøgsopstilling ..................................................................................................................................
18.4 Bilag - Væskefordeling .........................................................................................................................
18.4.1 Varmepumpe #1 ..........................................................................................................................
18.4.2 Varmepumpe #3 ..........................................................................................................................
18.5 Forhold mellem tryk og temperatur ....................................................................................................
18.6 Bilag - Sammenligning af Carel og HBX ................................................................................................
18.7 Bilag - Cost benefit ...............................................................................................................................
18.8 HBX vapor quality sensor .....................................................................................................................
18.9 Væsketilstrømning ...............................................................................................................................
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
5
2 Forord
Som en afsluttende del af uddannelsen ved Aarhus Maskinmesterskole, udføres denne opgave på baggrund
af et afsluttet bachelorforløb ved virksomheden HB Products A/S. Bacheloropgaven omhandler reducering
af overhedningen i en varmepumpe og hvilke fordele samt ulemper, der vil være forbundet med dette. Ved
en reducering af overhedning, forventes der gennem opgaven, at øge varmepumpers virkningsgrad og
derved mindske strømforbruget. Foruden det økonomiske aspekt, vil dette også medvirker til en
formindskelse af CO2-udledning i en dagligdag, hvor den globale opvarmning påvirker jorden i stigende
grad.
Gennem opgaven tages der udgangspunkt i to varmepumper, hvorudfra driften analyseres ved henholdsvis
en overhedningsstyring og en HBX vapor quality sensor. Ved en sammenligning af disse, findes den
optimale driftsform.
3 Læsevejledning Opgaven henvender sig til personer med fagteknisk indsigt i den termodynamiske proces, som er forbundet
med varmepumper og køleanlæg. Opgaven kan med fordel læses i kronologisk rækkefølge, da der gennem
opgaven refereres til de foregående afsnit. Bilag findes ved et separat dokument.
For overblik, kan opgaven betragtes i fire hoveddele:
• En indledende del: Afsnit 4 til 7. Her præsenteres opgaven, problemstillingen og den metodiske
tilgang.
• En forklarende del: Afsnit 8 til 10. Her præsenteres virkemåder og teori bag det undersøgte, hvilket
udgør en hypotese med afsæt i den undersøgte teori.
▪ En analyserende del: Afsnit 11 til 13. Analysen af driften, samt vurderinger af hvilken
reguleringsform der bør benyttes.
▪ En konkluderende og perspektiverende del: Afsnit 14 til 15. Her opsummeres opgavens resultater,
samt perspektiveres til fortsættende undersøgelser.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
6
4 Indledning
Mennesket påvirker i større og større grad vores klima og jordens temperatur ved at brænde fossile brændstoffer, (…). Dermed tilføjes der store mængder drivhusgasser (…) hvilket øger drivhusgaseffekten og den globale opvarmning. (European Commission, 2017)
Klimaforandringerne omtales i stigende grad. Videre har den engelske avis The Guardian fremlagt en
artikel, der fremhæver det voksende energiforbrug ved brug af kompressoreffekt, dette er blandt andet
tilfældet ved de store internationale kølebehov til fødevarer, medicin, komfort og de voksende datacentre
m.m. Dette voksende effektforbrug til kompressorer i køleanlæg og varmepumper øges altså hvert år,
hvilket medfører at virksomheder forsøger at finde nye måder til energireducering af køleanlæg og
varmepumper. (Henley, 2015)
For at opnå en reducering af energiforbruget til opvarmning af bygninger, har det danske Videncenter for
Energibesparelser i Bygninger, der er underlagt Teknologisk Institut ved Energistyrelsen, fremlagt en
anbefaling til konvertering fra ældre oliefyr til en frekvensreguleret varmepumper, for reducering af
emission og muliggørelse af en økonomisk besparelse. (Videncenter for Energibesparelse i Bygninger, 2017)
Behovet for energioptimering af køleanlæg, såvel som varmepumper, kan altså betragtes som en væsentlig
national såvel som international mærkesag.
Virksomheden HB Products A/S har siden 1989 udviklet og produceret elektroniske sensorer til special-
formål, blandt andet indenfor køleindustrien. En af de sensorer der udvikles og produceres ved HB Products
er HBX vapor quality sensoren. Denne sensor har til formål at måle tørhedsgraden, "x-værdien", af
kølemidler i et køleanlæg såvel som i varmepumper. HBX sensorens udgangssignal forventes at kunne
bruges til anlægsoptimering, og derved energibesparelse af køleanlæg eller i varmepumper.
Gennem projektet vil det blive undersøgt om HB Products´ HBX vapro quality sensorer, kan bruges til
driftsstyring af varmepumper samt til reducering af energiforbruget, i stedet for den udbredte
overhedningsstyring. Dette sker ved en analyse af nyinstallerede varmepumper, til opvarmning af
bygningerne herunder kontorer- og produktionslokaler hos HB Products i Hasselager, Danmark.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
7
5 Problembeskrivelse
5.1 Problemstilling Virksomheden HB Products A/S har på baggrund af miljømæssige og økonomiske anbefalinger, valgt at
udskifte virksomhedens ældre oliefyr til tre elektriske luft til vand varmepumper. Det ønskes, at disse tre
varmepumper skal forsyne produktions- og kontorlokalerne med varme. Foruden den ønskede opvarmning,
skal varmepumperne udstyres med traditionelle overhedningsstyringer, samt HB Products egen HBX vapor
quality sensorer.
Varmepumpeinstallationen skal derved eftervise om HB Products´ HBX sensor kan bruges til regulering af
væsketilstrømningen i varmepumpernes fordampere, i et DX-system med HFC-kølemidlet R407C, og derved
bruges som et alternativ til traditionelle overhedningsstyringer.
Eventuelle energimæssige optimeringer vil løbende blive undersøgt.
5.2 Problemformulering • Hvilke driftsmæssige ændringer vil der forekomme ved installation af HB Products HBX vapor
quality sensor i modsætning til en traditionel overhedningsstyring.
• Hvilke energimæssige ændringer ses der ved installation af HBX vapor quality sensor.
6 Afgrænsning
Ved undersøgelses af driften af de nyligt installeret varmepumper, foretages der afgrænsninger af
forskellige områder. Der laves følgende afgrænsninger:
Afgrænsning fra de elektriske installationer. Opgaven afgrænser sig fra de elektriske installationer,
herunder forsyningskabler og styrestrømskredse. De elektriske kommunikationsveje vil dog kort blive
illustreret. En egentlig dimensionering af kabler og føringsveje vil altså blive undladt.
Rapporten vil derforuden afgrænse sig fra dimensionering og videre undersøgelse af de varmemæssige
installationer. Det vil altså ikke blive undersøgt, om de nuværende radiatorer, rørføringer m.m. har en
sådanne kapacitet, at de er i stand til en distribuering af den leverede varme fra varmepumperne. Dog vil
forbindelserne mellem varmepumper og radiatorer blive illustreret ved brug af et PI-diagram, dette med
henblik på bedre forståelse af anlægsopbygningen.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
8
Afgrænsning for driftsundersøgelse af varmepumpe anlæg #2. Opgaven vil afgrænse sig fra en
driftsundersøgelse af varmepumpe anlæg #2, da driftsmæssige problemer har medført, at denne ikke har
været funktionel under perioden for indsamling af data.
Rapporten vil afgrænse sig i forhold til længde af målinger. Gennem rapportens analyse af varmepumpe-
driften, afgrænses der i forhold til længden af målinger. Målingerne foretages over en periode svarende til
ti minutter, af hensyn til mængden af behandlet data.
7 Metode
Til besvarelse af problemformuleringen, vil der gennem opgaven blive taget udgangspunkt i den
naturvidenskabelige metode. Denne metode bruges for sikre en korrekt og struktureret fremgangsmåde,
og derved fastholde den interne validitet af alle projektets faser ud fra et naturvidenskabeligt perspektiv.
Endvidere vil metoden sikre en sammenholdning mellem den indsamlede empiri og data med den gyldige
teori.
Foruden den interne validitet, gennem den naturvidenskabelige metode, betragtes den eksterne validitet
også, for sikring af gyldigheden og relevans over for det samfundsmæssige perspektiv. Dette vil gennem
opgaven blive præsenteret kort via samfundsfaglige artikler udlagt af blandt andet Energistyrelsen og
interesseorganisationen Dansk Energi. Netop denne samfundsfaglige synsvinkel står i væsentlig kontrast til
den naturvidenskabelige metode. Dog medtages denne kort grundet den store samfundsfaglig interesse;
taget den omdiskuteret klimaudvikling i betragtning.
For undersøgelse af reliabiliteten af opgaven, gennem den naturvidenskabelige metode, vil det slutvis blive
diskuteret, hvorvidt de indsamlede data og målinger er korrekte, samt om disse står i overensstemmelse
med producentens påstand.
For bedre forståelse, samt konkret beskrivelse af, hvorledes den naturvidenskabelige metode vil benyttes
gennem opgaven, vil der ud fra omstående figur kommenteres på de enkelte punkter af metoden som
benyttes.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
9
Definer spørgsmålet efter problemet. Problemet fremlægges i opgaven gennem problemformuleringen.
Derved er anses første skridt gennem rapporten, som værende de driftsmæssige ændringer der ses ved
benyttelse af HBX vapor quality sensorer ved varmepumpedrift.
Indsamling af information. Efter definering af problemformulering, og derved retningslinjer, arbejder
opgaven indledningsvis med anlægsopbygning, af det ældre oliefyr og nye varmepumper.
Foruden informationssøgning omkring de enkelte anlæg, samt empirien vedrørende den samfundsfaglige
interesse, der også ligger til grund for udskiftningen af oliefyr, vil der i rapporten også foreligge beskrivende
afsnit af enkelte komponenter. Disse komponenter som Carel EVD evolution overhedningsstyring og HBX
vapor quality sensoren undersøges for senere analyse.
Formulering af hypotese. Med afsæt i problemformuleringen og den indsamlede data omkring anlæggene
og komponenter, opstilles der en hypotese som opridser, hvilke resultater rapporten forventes at møde.
Figur 1 - Metodisk tilgang - Eget arkiv
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
10
Udførelse af driftsundersøgelse. Der vil efter opsætning og argumentering for hypotese, blive fortaget
driftsmæssige målinger, til analyse af de to reguleringsformer:
• Overhedningsstyring
• HBX vapor quality sensor
Observation ud fra dataloggersystem. Ud fra målingerne fortages en analyse af resultaterne, ved drift af
de to reguleringsmetoder. Analysen af reguleringsmetoderne sættes slutvis op mod hinanden.
Undersøgelse af cost-benefit. Der vil ud fra analysen af driften, blive udført en undersøgelse af cost-benefit
ved drift med HBX vapor quality sensoren.
Konklusion. Slutvis opsummeres rapporten, ved en konklusion der præsenterer resultaterne der er fundet
gennem rapporten samt svarer på problemstillingerne.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
11
8 Undersøgelse af varmekilder
8.1 Oliefyr eller varmepumpe som varmekilde I nedstående afsnit vil varmepumpen kontra oliefyret blive kommenteret, efter kort beskrivelse af de
enkelte varmekilder.
8.1.1 Oliefyr som varmekilde Virksomheden HB Products har som et led i udvikling og energibesparelse, valgt at installere tre nye og
mere effektive varmepumper end det allerede installeret oliefyr. Det ældre oliefyr af mærket HS Kedler
Tarm, udført i samarbejde med Foreningen af danse Kedelfabrikanter, er produceret i 1984, og har en
nominel effekt på 45Mcal/h svarende til 52,4kW, fundet ved nedenstående udregning.
𝑄[𝑘𝑊] =𝑄 [
𝑀𝑐𝑎𝑙ℎ ]
0,859 ⇒
45𝑀𝑐𝑎𝑙
ℎ0,859
= 52,4𝑘𝑊 (1)
Olieforbruget til opvarmning af bygningernes 1100m2, har tidligere været mellem 6.000-7.500l olie pr. år.
Sidenhen har oliefyret haft flere driftsmæssige problemer, hvor blandt andet brugsvandet i kedlen er blevet
frakoblet. Efter denne frakobling, har kedlen stadig en fremløbstemperatur på 84 grader, hvilket anses for
værende langt over det nødvendige til opvarmning af bygningen gennem radiatorer. Andre driftsmæssige
problemer har ofte været indtruffet i vinterperioderne, hvor varmebehovet har haft en høj prioritet. Ved
reparation har de ansvarlighavende håndværkere, udtrykt skepsis vedrørende en fortsat stabil drift med
oliefyret.
Oliefyrets stand samt ønsket om etablering af varmepumper til rumopvarmning, understøtter anbefalingen
fra Videncenteret for Energibesparelser i Bygninger, om konvertering fra ældre oliefyr til frekvensreguleret
varmepumper. (Videncenter for Energibesparelse i Bygninger, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
12
8.1.2 Varmepumpe som varmkilde Varmepumper forklares oftest som et ”omvendt” køleanlæg. Modsat køleanlægget har varmepumpen ikke
til funktion at fjerne varmen fra inder delen, men derimod indhente varme til opvarmning af bygninger
m.m. s.4 (Nielsen, 2010) Varmepumperne kan udføres på forskellige måder, hvor der i dette tilfælde
betragtes en luft til vand varmepumpe. Som nedenstående billede viser, indhenter denne varmepumpe
varmen fra dens omgivelserne, ind til bygningens varmtvandssystem som forsyner bygningens varmekilder
f.eks. udformet ved radiatorer.
De valgte varmepumper til opvarmning af lokalerne ved HB Products, er blevet produceret og installeret i
samarbejde med virksomheden SVK Energi. For bedre at kunne udføre forskellige tests, herunder af
forskellige afrimningsmetoder, er selve varmepumpen udført i tre separate varmepumper. Her er samtlige
varmepumper udført med samme hovedkomponenter, dog med undtagelse af fordampere og
afrimningsmetoder.
8.2 Energiforbrugere i en varmepumpe I afsnittet betragtes den samfundsmæssige interesse af installation af varmepumper, samt mulige
optimeringsområder af varmpumper.
8.2.1 Varmepumper, en samfundsmæssig interesse Foruden den tidligere nævnte organisation: Videncenter for Energibesparelse i Bygninger beskriver også
erhvervs- og interesseorganisation Dansk Energi, at varmepumper er et godt alternativ, i deres analyse af
reduktionspotentialer og omkostninger ved forskellige tiltag inden for energi- og transportsektoren:
Figur 2- Luft til vand varmepumpe s.210 (Nielsen, 2006)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
13
Luft-vand-varmepumper er forventeligt samfundsøkonomisk billigere end eksisterende
oliefyr samt træpillefyr i 2020, og forskellen forventes at øges frem mod 2030. Det er særligt
besparelsen i brændselsomkostning til el frem for olie og træpiller, der er årsag til
besparelsen. CO2-skyggeprisen er hermed negativ for luft-vand-varmepumper ift. oliefyr,
fordi der både spares penge og CO2 ved udskiftning med eldrevne varmepumper. s.32
(Dansk Energi, 2017)
Derudover slår Dansk Energi fast, at de samfundsøkonomiske priser på boligopvarmning i husstande med
eksisterende oliefyr, ses markant større ved brug af oliefyr og træpille fyr end ved brug af luft til vand
varmepumper. Hvilket er skematiseret nedenfor.
Figur 3 - Samfundsøkonomiske priser på boligopvarmning s.30 (Dansk Energi, 2017)
8.2.2 Generelle energiforbrugere i varmepumpen Ved betragtning af figur 3 i foregående afsnit, ses det tydeligt at der ved etablering at ny varmepumpe, er
en forventet udgift på 150kr/GJ i 2020. Hovedudgifterne er derved:
• Investeringsomkostninger
• Brændselsomkostninger – elektricitet til kompressorer, blæser, cirkulationspumper m.m.
• Tarif – skat på importeret varer f.eks. kølemidler
• Drift og vedligehold – Lovpligtigt årligt eftersyn samt generelt vedligehold
Ved betragtning af grafen kan de opdeles i to hoveddele:
• Investeringsomkostninger og tarif
• Drift, vedligehold og brændselsomkostninger.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
14
Netop drift, vedligehold og brændselsomkostningerne ses som værende punkter brugeren af
varmepumpen bør betragte, ved interesse for nedbringelse af de driftsmæssige omkostninger. Ved en
mulighed for nedbringelse af både vedligeholdsudgifterne samt reducering af elektriske forbrug, vil der
kunne forventes en økonomisk gevinst.
8.2.3 Argumentering for optimeringsområder Ved undersøgelse af optimeringsområder af en vilkårlig varmepumpe, er det indledningsvis vigtigt at
undersøge, hvor den tilførte energi bliver anvendt i systemet.
Ved betragtning af selve driften på figur 3, ses drift- og vedligeholdsomkostninger lige så store som
brændselsomkostninger. Derved vil en nedsættelse af begge punkter muliggøre en væsentlig reducering af
udgifter.
På nedenstående bilede, figur 4 ses den køletekniske kredsproces, udtrykt ved et simpelt log(p)-h diagram. I
kredsprocessen ses en kompression af kølemidlet, en kondensering, en drøvling og slutvis en fordampning.
Ved optimering af den pågældende varmepumpe, betragtes fordampningen og endvidere kompressionen.
En korrekt fordampning, vil kunne medføre at fordamperen udnytter hele sin fordamper-flade, og derved
vil mere af kompressorens effekt blive overført til selve fordampningen. Det kan blandt andet ske ved en
reducering af overhedningen, da en ”stor overhedning betyder en dårlig flydning af fordamperen med
kølemiddel, hvilket videregiver at fordamperen ikke kan overføre så meget varme til kølemidlet, som hvis
overhedningen var mindre.” s. 179 (Nielsen, 2010).
Altså bør der ved en reducering af overhedningen, ske en energioptimering. Dette undersøges ved
betragtning af figur 5.
Anskueliggørelse af køleproces:
1-2: Kompression af kølemiddel
2-3: Kondensering af kølemiddel
3-4: Drøvling af kølemiddel
4-1: fordampning af kølemiddel
1´-1: Overhedning Figur 4 - Log(p)-h diagram s. 59 (Nielsen, 2010)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
15
8.2.3.1 Teoretisk begrundelse optimering med fokus overhedning
Ved brug af computerprogrammet Coolpack (Refrigeration Utilites version 2,84, DTU), er er det muligt at
betragte en reducering af overhedningen ved kølemidlet R407C. For at forstå ovenstående billede, kræves
det at dimensioneringen af fordamper samt den mulige trykændring i fordamperen undlades. Altså
betragtes et eksempel, hvor der benyttes samme tryk og temperatur i fordamperen blot ved en reduceret
overhedning.
På ovenstående figur, ses det hvordan samme køle/varme-proces har forskellig overhedning. Grundet den
ændrede overhedning, ændres hældningsgraden af kompressionen, hvilket giver en ændring af
anlæggets ”Coefficient Of Performance”: COP-faktor.
Ud fra programmet, findes COP-faktorerne:
𝐶𝑂𝑃8 = 2,7 (𝑂𝑡𝑡𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒𝑟𝑠 𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔)
𝐶𝑂𝑃1 = 2,68 (É𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑠 𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔)
Forøgelse a COP ved reducering af overhedning:
𝐶𝑂𝑃8 − 𝐶𝑂𝑃1
𝐶𝑂𝑃8∗ 100 ⇒
2,7 − 2,68
2,7∗ 100 ≈ 1% (2)
Altså vil der i dette tilfælde ske en energimæssig optimering med 1%, ved at sænke overhedningen med 7
grader. Dette skyldes at selve kølemidlets fysiske volumen forøges ved en større overhedning, hvilket
fremgår på log(p)-h diagrammet for det pågældende kølemiddel, R407C. Desto mere kølemidlet fylder,
Figur 5 - Log(p)-h diagram - Ændring af overhedning (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
16
desto længere tid skal kompressoren køre for at komprimere den samme kølemiddelsvolumen. Derfor vil
COP-faktoren stige ved reducering af overhedning.
En anden argumentering for minimering af varmepumpens COP, og derved opnå en bedre COP-værdi,
findes ved en reducering af fremløbstemperaturen på anlægget. Det ses blandt andet ud fra log(p)-h
diagrammet, at en lavere kondenseringstemperatur, vil medføre en lavere kompressor effekt. Der er i
rapporten lavet en afgrænsning for ændring af fremløbstemperaturen. Ved installation af varmepumper i
bygninger med gulvvarme, vil der kunne forekomme væsentligt højere COP-faktorer, da gulvvarme ikke
kræver sammen fremløbstemperatur som radiatorer.
8.2.3.2 Teoretisk begrundelse for optimering ved bedre udnyttelse af fordamperflade Som nævnt, tager udregningen fra afsnit 8.2.3.1 udelukkende hensyn til optimeringen ved ændring af
overhedning. Dog anses en faktisk større økonomiskgevinst, ved reducering af overhedningen ved en
fordamper der allerede er idriftsat:
Det forventes, at der ved reducering af overhedning, muliggøres en reducering af sugetrykket, på
kompressorens lavtryksside.
Dette forventes, da en del af fordamperarealet går ”tabt” til den egentlige overhedning. Selve
overhedningsområdet optager altså ikke varmen fra omgivelserne, men sikrer blot at alt kølemiddlet er på
gasform. På nedenstående billeder, ses én fordamper udformet som ét rør, med to forskellige størrelser
overhedning.
Det ses altså tydeligt at arealet, af den sorte trekant (fordampningen), er væsentligt mindre ved figur 6 end
ved figur 7.
Altså vil det fysiske fordampningsareal blive forstørret i takt med en formindskelse af overhedning. Ved et
mindre fordampningsareal i fordamperrøret, kan det være nødvendigt at sænke
fordampningstemperaturen for at opnå samme fordampningseffekt som ved en lille overhedning.
Figur 6 - For stor overhedning - s. 369 (Nielsen, 2010)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
17
Figur 7 - For lille overhedning s. 369 (Nielsen, 2010)
8.3 Opsummering af optimeringsområder af varmepumpe
Ud fra afsnit 8.2.3.1: Det er blevet undersøgt hvordan COP-faktoren vil ændres, hvis kølemidlets
overhedning betragtes som alene. Som det fremgår i afsnit 8.2.3.1 vil en reducering overhedningen fra otte
til en grad ved kølemidlet R407C, kunne give en forbedret COP-faktor med ca. 1%.
Ud fra afsnit 8.2.3.2. Det er blevet undersøgt, at en reducering af overhedningen muliggør en reducering af
fordampningstemperaturen, da fordamperen bør kunne udnytte et større fordampningsareal ved en lavere
overhedning.
Ud fra de to ovenstående påstande om muligheden for en bedre virkningsgrad ved ændring af
overhedningstemperaturen, samt muligheden for at hæve fordampningstemperaturen, kan nedenstående
figur tegnes. Den røde linje illustrer den ”normale” drift, og den grønne den optimerede ved ovenstående
påstande.
Ved Log(p)-h diagrammet ses det hvordan en reducering af overhedningen vil ændre kompressorens
effektforbrug.
Figur 8 - Mulig anlægs optimering (HB Products, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
18
9 Virkemåde af Carel EVD evolution og HBX vapor quality sensor I de følgende afsnit, vil de reguleringsstyringer for indsprøjtning af kølemiddel i fordampere, blive
undersøgt.
9.1 Princippet bag Carel EVD evolution Som tidligere nævnt i opgaven, vil de pågældende varmepumper være udstyret med to forskellige
styringsformer for at muliggøre en driftsmæssig sammenligning mellem disse. Som nævnt i problem-
formuleringen ønskes den ene styring som værende overhedningsstyringen: Carels EVD Evolution Twin
superheat controller. Denne styring er valgt på baggrund af pålidelighed og erfaring fra virksomheden SVK
Energi, der har stået for installationen af de pågældende varmepumper.
Carel EVD Evolution Twin er ”den nye version, der selvstændigt kan kontrollere to elektriske
ekspansionsventiler og repræsentere den ideelle løsning.” (Carel, 2009)
Carels EVD evolution overhedningsstyrings virkemåde findes ved styringsovervågning af fordamperens
suggasrør. Dette sker ved måling af tryk og temperatur. I takt med ændringen af tryk såvel som temperatur,
registreres det af overhedningsstyringen, som videregiver et analogt signal til ekspansionsventilen: Carel
E2V. Ekspantionsventilen er udformet som en step-motor, der afhængig af overhedningsstyringens
udgangssignal, gradvist kan åbne og lukke for væsketilførslen til fordamperen. Sammenkoblingen se på
nedenstående figur.
Figur 9 - Oversigt for installation af Superheat controller (Carel, 2009)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
19
Målingerne af temperatur og tryk på fordamperens afgangsside, fungerer derved som styringens
referencepunkter. Der kan dog kan argumenteres for at disse to målinger ikke konsekvent fremgår helt
præcist. Det ses ud fra damptrykstabeller, hvordan tryk og temperatur, for det enkelte kølemiddel, hænger
sammen. Dog kan der ved drift forekomme mindre uoverensstemmelser mellem det teoretiske forhold
mellemtemperatur og tryk med pludselige trykændringer.
Trods der benyttes to inputsignaler som reference til styringen, kan signalerne fra at de målte værdier
fortsat give et forvrænget øjebliksbillede. Det skyldes blandt andet at temperaturmåleren er monteret på
ydersiden af suggasrøret, og trykmåleren sidder monteret 80mm væk, adskilt af et skueglas. Målingerne ses
derfor som værende mindre afvigende fra det præcise øjebliksbillede af kølemidlets tilstand inde i røret.
9.2 Princippet bag HBX vapor quality sensor En anden metode til regulering af ekspansionsventilens åbningsgrad kan findes ved HB Products´ egen HBX
vapor quality sensor. Denne sensor måler modsat den tidligere nævnte overhedningsstyring Carel EVD,
direkte tørhedsgraden af kølemidlet, i stedet for en tryk- og temperaturmåling.
Sensorens opbygning bygger på det kapacitetsmæssige måleprincip. Princippet tager udgangspunkt i
sensorens inderleder som agerer elektrode, yderlederen ses som det omkringværende rør som indkapsler
kølemidlet i systemet. De to lederes elektriske polaritet står i kontrast til hinanden og adskilles af
dielektrikummet. Billeder af sensoren ses ved bilag 18.2.
I nedenstående forklaring, tages der udgangspunkt i kølemidlet ammoniak.
Ammoniakken, afbilledet med blå pile på figur 10, strømmer gennem dielektrikummet E, hvorved det
elektriske felts styrke ændres, grundet materialets dielektricitetskonstant også kaldet permittivitet: 𝜀.
Figur 10 - Kondensator opbygning s.52 (Petersen, 2006)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
20
𝐸 =𝑄
𝐴 ∗ 𝜀 (3)
Ændringen af det elektriske felt videregiver derved, som nedenstående formel viser, en ændring af
sensorens kapacitans, C.
𝐶 =𝐴 ∗ ε
𝑎 (4)
Ved ændring af ammoniakkens temperatur/tryk ændres dets dielektricitetskonstant ligeledes. Hvilket ses
på nedenstående tabel.
Ud fra det gennemstrømmende kølemiddels tørhedsgrad, også kaldet x-værdi, ændres kølemidles
dielektricitetskonstant, og dermed kondensatorstørrelsen mellem ydre- og inderleder. Denne ændring af
kondensatorstørrelse aflæses af HBX sensorens mikroprocessor, og videregives dernæst til et udgangssignal
f.eks. ved en modulerende motorventil eller et analogt udgangssignal til anlæggets styring. (HB Products,
2017)
På næste side ses et tværsnitsbillede af en HBX sensor. Her illustreres kølemidlets vandring ved blå pile,
samt opbygningen af sensoren. Sensorens elektroniske del, som er aftagelige, fremstilles med forskellige
design, hvor modeltypen UNICAP her er fremvist.
Figur 11 – Dielektricitetskonstanter (Kabusa, u.d.)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
21
Figur 12 – HBX vapro quality sensor – tværsnit - Eget arkiv.
Ved installation af HBX sensoren, betragtes opstillingen illustreret på ovenstående billede. På billedet
fremgår det, hvordan HBX sensoren sammenkobles direkte med en modulerende ekspansionsventil. Til
kontrol af driften, føres et kabel fra varmepumpens styring til sensoren, hvilket blandt andet muliggør at
åbne og lukke for væsketilførelsen under en afrimning af fordamperen m.m.
1. Ydreleder
2. Inderleder
3. Mikroprocessor
4. Udgangssignal
Figur 13 - Oversigt for installation af HBX vapor quality sensor – Eget arkiv
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
22
10 Opbygning af varmepumper
Som tidligere nævnt, skal varmepumperne levere rumvarme til HB Products´ produktions- og kontor
lokaler.
Etableringen af varmepumperne sker ved tre separate varmepumper. Disse varmepumper er udført med
ens komponenter, dog med udtagelse af afrimningsmetoderne, hvor der både benyttes elektrisk- og hotgas
afrimning. Derudover har varmepumperne forskellige fordampere. Varmepumperne er installeret parallelt
med varmvandskredsen i bygningen.
Varmepumperne er monteret i samarbejde med varmepumpevirksomheden SVK-energi, der siden 1985 har
produceret jordvarmeanlæg og varmepumper til store såvel som mindre bygninger. (Gravesgaard, 2017)
Derforuden er anlægget designet af Teknologisk institut i et samarbejde gennem den offentlige
tilskudsordning Energiteknologisk Udviklings- og demonstrationsprogram (EUPD). Dette giver projektet et
samarbejde mellem tre parter som fælles har til formål fremme ny teknologi, der kan bidrage til Danmarks
målsætning inde for energi og klima. (EUDP, 2017)
Varmepumperne installeres i én tyve fods container ved siden af HB Products´ bygning. Selve fordamperne
monteres på taget af containeren. Varmtvandsrørene, der skal overføre varmen fra varmepumperne til
bygningens radiatorer, trækkes gennem containeren, og ind i bygningen ned til fyrrummet. Billeder af
opstillingen findes ved bilag: 18.3
På figur 14 ses et PI-diagram over varmepumperne, der parallelt er sammenkoblet til distribuering af
varmtvand til bygningens radiatorer.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
23
Figur 14 - Anlægsopbygning (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
24
10.1 Systemdesign - Varmepumpe #1
Den første varmepumpe, kan betragtes som den simpleste af de pågældende varmepumper. Dette skyldes
blandt andet at denne kun benytter elektrisk afrimning.
I nedenstående skema ses en komponentoversigt samt en kort forklaring til disse.
Nr. Komponent Specifikation
1 Kølemiddel R407C, fyldning 7kg – Kølemiddelstypen er valgt ud fra SVK Energis
positive erfaring med netop dette kølemiddel til luft- vand
varmepumper.
2 Kompressor Mitsubishi Siam compressor Industry Co Ltd med inverter (20-120Hz)
3 Kondensator Alfa Laval pladevarmeveksler
4 Receiver Bitzer Kühlmaschinenbau GMBH. Overvågning af kølemiddels
fyldning: HBLC-sensor.
5 Suge akkumulator Ahlsell. Sugegasveksler
6 Væsketilførsel/
ekspansionsventil
Carekl E2V ventil.
7 Styring til væsketilførsel • Carels Superheat controller EVD evolution
• HBX Vapor Quality Sensor
8 Fordamper Küba SGAE 50-F61A (V6.01+V1.33) (side feed, 10mm fordamperrør,
Küba værskefordeler, 4,5mm finneafstand). Elektrisk afrimning.
9 Afrimning Elektrisk afrimning. Styring: HBDF-sensor.
Forklaring og vurdering:
1. Kølemidlet R407C betragtes som et fast emne, der langsomt løber frem i kredsprocessen, med
afsæt i kompressionen i kompressoren.
2. Scroll kompressoren komprimerer kølemidlet.
3. Kondensatoren, udformet ved en pladevarmeveksler fr Alfa Laval, kondenserer kølemidlet.
4. Kølemidlet lageres i receiveren. Hvor væskestanden konstant overvåges, ved brug af en HBLC-
sensor.
5. Kølemidlet strømmer gennem en spiral i suge akkumulatoren.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
25
6. Væsketilførslen/ekspansionsventilen åbner ved modulerende åbningsgrader, for at sikre at
fordamperens tilføjede kølemiddel er optimalt i forhold til driften. Denne ekspansionsventils
åbningsgrad ændres på baggrund af ventilens input fra henholdsvis fra styringen til væsketilførslen.
7. Styringen til væsketilførslen
o Carels Superheat controller EVD evolution
o HBX Vapor Quality Sensor
8. Küba fordamperen, som er udstyret med et væskefordeler system, fordeler kølemidlet jævnt i
fordamperen. Væskefordelingen kan ses ved bilag: 18.4.1
Vurdering:
Væskefordelingen forventes effektiv, da væsken ligger sig jævnt i de enkelte fordamperrør ved
tyngdekraftens kraft.
9. Ved afrimning, lukkes der for væsketilførslen og den elektriske afrimning påbegyndes.
10.2 Systemdesign - Varmepumpe #3
Den tredje varmepumpe, er udført i samme type komponenter som foregående anlæg. Dog udskiller denne
sig, da den benytter en ombygget kondensator som fordamper. Derudover afrimer denne kun ved brug af
hotgas. I nedenstående komponentoversigt, vil ændringerne fra anlæg #1 blive præsenteret:
Nr. Komponent Specifikation
8 Fordamper Luve, top feed.
9 Afrimning Hotgas afrimning der ved brug af en firevejsventil muliggørereversibel
drift under afrimning.
Forklaring og vurdering:
8. Fordamperen er en ombygget kondensator, hvilket gør den unik i forhold til de to andre fordampere.
Væskefordelingen sker ved en kapillarrørsfordeling, der fører kølemidlet ind i toppen af fordamperfladen.
Vurdering:
Der kan argumenteres for at distribueringsmetoden til fordeling af kølemiddel i fordamperen er meget
effektiv, da kølemidlet har en lang vandring med få bøjninger, grundet fysisk stort fordamperareal.
Væskefordelingen kan ses ved bilag: 18.4.2
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
26
9. Afrimningen sker ved brug af en firevejs ventil, der overordnet vender hele kredsprocessen. I det fremgår
fordamperen som kondensator, og kondensator som fordamper, hvor den dertilhørende ekspansionsventil
er udført ved en termostatisk ekspansionsventil.
Vurdering:
Afrimningen vurderes som en meget god og fuldendt afrimning. Den anses som effektiv og billigere end
elektriskafrimning. Det vurderes at der ved firevejs ventilen kan forekomme trykfald. Dette vurderes på
baggrund af ventilens opbygning, hvor selve omdirigering af kølemiddel sker ved krumme ind- og udgange i
ventilen.
10.3 Datalogger system Til undersøgelse af driften af varmepumper, benyttes der et dataloggersystem, som er lavet hos HB
Products. Dataloggersystemet bygger på et simpelt måleprincip, til monitorer de valgte sensorers
udgangssignaler. Samtlige sensorer der er anvendt i projektet, har et analogt udgangssignal der varierer
med et span mellem 4mA – 20mA. Signalerne opfanges efterfølgende af dataloggeren der videregiver
efterfølgende signalerne gennem en USB-forbindelse til en computer, hvor programmet DAQami logger
inputtene. Slutvis behandles loggen i Microsoft Excel.
10.3.1.1 Oversigt over sensorer til monitorering af resultater: MC measurement computing, USB-230, Datalogger - Styrestrømskab
• Produktnummer: 19BA7D6 - Anlæg #1
• Produktnummer: 1C95C4A - Anlæg #3
Gaskvalitets sensor, HBCP compresor protection – Kompressorens indsugning
Gaskvalitets sensor, HBX vapor quality sensor – Fordamperens afgangsrør
HBPS, Tryktransmitter – Kompressorens lavtryksside
HBPS, Tryktransmitter – Kompressorens højtryksside
De-frost sensor, Afrimningssensor – Fordamperflade
HBTS-TR, Temperatur sensor – Kompressorens trykgasrør
HBLC, Kølemiddel niveausensor - Receiver
Landis Gyr T550, Vandvarmemåler – Fremløb på vandkreds
ABB B23 111-100, elmåler – Kompressorens gruppe i hovedtavle
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
27
Logitech camera, overvågningskamera til monitorering af overhedning ift. Carel EVD evolution
Samtlige sensorer er installeret på alle tre varmepumper. Grafisk overblik findes på nedenstående PI-
diagram.
Figur 15 - PI-diagram (Eget arkiv)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
28
11 Analyse af drift I afsnittet vil driften af varmepumperne ved henholdsvis Carels EVD evolution overhedningsstyring og HBX
vapor quality sensor blive analyseret.
11.1 Drift af varmepumpe #3 I de næste afsnit, vil varmepumpedriften blive undersøgt ved to forskellige driftsformer.
11.1.1 Drift af varmepumpe #3 kontrolleret af Carel EVD – Standard indstillinger Ved undersøgelse af driften af varmepumpe #3, ved Carel EVD overhedningsstyring, fastlåses
kompressoren til frekvensen til en maksimal frekvens på 90Hz.
Resultaterne er skematiseret i graferne nedenfor. Graferne er lavet ud fra en driftsperiode på ca.
14minutter, svarende til 1700 halve sekunder.
Figur 16 - HBPS - Lavtryk (Eget arkiv, 2017)
Under driften med Carels EVD overhedningsstyring, ses det tydeligt, hvordan den elektrisk
ekspansionsventil gradvist åbner og lukker, ved regulering af indsprøjtningen af kølemiddel i fordamperen.
Denne påstand tager afsæt i niveaumålingerne fra varmepumpens receiver. Idet tryktransmitteren er på sit
laveste punkt, og ekspansionsventilen derved har størst åbningsgrad, forekommer der umiddelbart efter,
det laveste niveau af kølemiddel i receiveren. Forsinkelsen ses som kølemidlets vandring i anlægget.
Det ses ud fra tryktransmitteren HBPS LT, vist ved figur 16, at trykket på kompressorens lavtryksside ændre
sig kontinuerligt ved nominel drift. Som beskrevet i afsnit 8.2.3, bør sugetrykket i kredsprocessen være så
høj som muligt for bedre udnyttelse af kompressoreffekt. Dele af det svingende lavtryk, anses derfor som
værende spildt energi i anlægget, modsat et helt lineært lavtryk.
Figur 17 - HBLC niveaumåler (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
29
Figur 18 - HBX sensor (Eget arkiv, 2017)
Foruden det svingende lavtryk, ses det ud fra anlæggets HBX sensor, at der ved tryktransmitterens
amplitude forekommer et udsving af tørhedsgraden i anlægget. Dette medfører at mindre mængder ikke
fordampet kølemiddel, ledes til kompressoren. Dog anses udslaget ikke for en størrelse, at denne kan
medføre driftsmæssige problemer for kompressoren.
11.1.2 Drift af varmepumpe #3 kontrolleret af Carel EVD – Optimerede indstillinger Ved gennemgang af flere driftstimer på anlæg, blev det fastslået at standardindstillingerne, udført af
varmepumpevirksomheden SVK-Energi ikke fremstod optimalt, da især sugetrykket havde en stor
pendling. ”Hvis man oplever pendlinger i temperaturen (…) skyldes det, at overhedningen er for lille.” s. 366
(Nielsen, 2010)
Derfor hæves overhedningen til 7,5K, for at hindre dette. Derudover blev indstillingerne for fordamperen i
Carel EVD overhedningsstyrigen ligeledes ændret, indtil en optimal drift var opnået. Det bør fastslås at
standardindstillingerne kun blev ændret, på baggrund af resultaterne fra dataloggersystemet samt
resultaterne fra HBLC i receiveren og HBX vapor quality sensoren. Denne ændring af driften, har væsentlig
betydning for udfaldet af sammenligningen mellem overhedningsstyring og HBX sensoren. Optimeringen
udføres på baggrund af problemformuleringen; der søger sammenligning mellem overhedningsstyring og
HBX vapor quality sensoren, ved en god og stabil drift, for bedre sammenligning af resultater. Dog vidner
dette om potentialet, for optimering af varmepumper, der blot er installeret med standardindstillinger,
uden videre undersøgelse af driften.
Ved de nyere indstillinger, kan analysen af driften i foregående afsnit forsat benyttes, da pendlingen af
sugetryk, receiver og tørhedsgrad stadig fremstår, blot i markant mindre grad. Indsprøjtningen af
kølemiddel i fordamperen, sker fortsat på samme måde.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
30
Ved den nu optimerede drift ved overhedningsstyringen, ses det på nedenstående grafer, hvordan den
generelle pendling af målinger er faldet. Ved drift forekommer der et sugetryk på 2,7𝑏𝑎𝑟 svarende til
−6°𝐶, en overhedning på 7,5𝐾 og en forholdsvis jævn niveaustand i reciveren. Det ses også at HBX
sensoren måler en tørhedsgrad der svarer til fuldt mættet gas; dermed forekommer der intet flydende
kølemiddel efter fordamperen. Dette skyldes, at der ved den optimerede drift er en så høj overhedning, at
dette ikke er muligt. I tråd med afsnit 8.2.3.2 kan der argumenters for, at den store overhedning minimere
fordamperens fordampningsareal, og derved gør køleanlægget mindre effektivt.
Figur 20 - HBLC Niveaumåler (Eget arkiv, 2017)
Figur 19 - Temperaturer (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
31
Figur 21 - HBPS trykgas (Eget arkiv, 2017)
Figur 22 - HBX sensor (Eget arkiv, 2017)
Ved betragtning af grafen for udslaget på kompressorbeskyttelsen, som på lige fod med HBX vapor quality
sensoren måler tørhedsgraden af kølemidlet, med udgangspunktet 4mA, fremgår der små udslag selv ved
den høje overhedning. Dette betragtes som værende resultat af oliedråber, der langsomt ophobes i
sugepotten, og periodevis suges ind i kompressoren. Der ses bort fra muligheden af kølemiddelsdråber, da
den foran siddende HBX sensor ikke opfanger væske efter fordampningen.
Figur 23 - HBCP kompressorbeskyttelse (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
32
Vurdering
Det vurderes ud fra graferne, at den optimerede overhedningsstyring, ses som en god og sikker måde at
styrer varmepumper. Dette tager afsæt i beviset for, at der kun forlader mættet kølemiddel på gasform fra
fordamperen; undersøgt ved brug af HBX sensoren, figur 22.
Der kan dog argumenteres for, at en stor del af fordamper arealet ikke udnyttes optimalt. Som nævnt i
afsnit 8.2.3.2.
Ud fra den givende drift, er der sideløbende med målingerne ved dataloggersystemet, noteret
effektforbruget på varmepumpen samt den overførte effekt i varmvandskredsen. Denne måling er udført
ud fra en periode på 30 minutter.
Elforbrug:
Δ𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 ⇒ 450,47𝑘𝑊ℎ − 448,22𝑘𝑊ℎ = 2,75 (5)
Leverede varmeeffekt:
Δ𝑄 = 𝑄2 − 𝑄1 ⇒ 696𝑊ℎ − 689𝑘𝑊ℎ = 7𝑘𝑊ℎ (6)
Derved findes anlæggets Coefficient Of Performance, COP:
𝐶𝑂𝑃 =Δ𝑄
Δ𝑃 ⇒
7𝑘𝑊ℎ
2,75𝑘𝑊ℎ= 2,54 (7)
Dermed er varmepumpe #3´s virkningsgrad fundet, ved en maksimal frekvens på 90Hz, og ved en
regulering af kølemiddels indsprøjtning ved Carel EVD overhedningsstyring. Virkningsgraden findes, for
senere sammenligningen af resultater.
11.1.3 Drift af varmepumpe #3 kontrolleret af HBX vapor quality sensor Foruden driftsundersøgelsen af varmepumpen ved overhedningsstyring, undersøges HBX sensoren
ligeledes som styring til væskeindsprøjtningen i fordamperen. Det forventes som nævnt i afsnit 8.2.3.2, at
der ved brug af HBX sensoren, udnyttes et større fordamper areal og derved opnå en bedre overført effekt.
Derudover vil en større åbningsgrad resultere i et mindre trykfald, som muliggør, at kompressoren ikke bør
levere den samme effekt, for at suge kølemidlet retur, hvilket øger anlæggets COP.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
33
Ved dataindsamling fastlåses kompressoren til en maksimal frekvens på 90Hz. Resultaterne er skematiseret
i graferne på omstående side. Graferne er derforuden lavet ud fra nomineldrift ved en driftsperiode på ca.
10minutter, svarende til 1200 halve sekunder.
Det ses ud fra driftsundersøgelserne, at varmepumpen under disse driftsmæssige omstændigheder, har en
reduceret overhedning til ca. 2,5K. Overhedningen betragtes ud fra nedenstående:
Overhedningen er som afsnit 8.2.3.2 forklarer et udtryk for temperaturen differencen der
bruges til at sikre, at alt kølemiddel er på gasform. For at finde overhedningen, bruges
nedenstående ligning, med afsæt i forholdet mellem tryk og temperatur for R407C, ved
driftstryk mellem: 1,5bar til 5bar (bilag 18.5):
𝑦 = 0,0967𝑥3 − 1,5779𝑥2 + 13,816𝑥 − 33,656 (8)
Derved beregnes temperaturen af kølemidlet ved trykket 3bar:
𝑦 = 0,0967 ∗ 3𝑏𝑎𝑟3 − 1,5779 ∗ 3𝑏𝑎𝑟2 + 13,816 ∗ 3𝑏𝑎𝑟 − 33,656 ⇒ 𝑦 = −3,9°𝐶 (9)
Ujævnhederne i udregningen af overhedningen, anses derfor at skyldes ”støjen” fra tryktransmitteren, da
der forekommer små udsving af lavtrykket i systemet.
Det reducerede sugetryk udgør en markant ændring: Sugetrykket er ikke alene et udtryk for temperaturen i
systemet, men ses også som en væsentlig faktor ud fra kompressorens effektforbrug. I tråd med påstanden
om et lavere sugetryk, ved en større væsketilførelse, genfindes dette ved en betragtning af resultaterne.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
34
Figur 24 - Temperaturer (Eget arkiv, 2017)
Ved sammenligning af niveaustanden i receiveren, fremgår der kontinuerligt mere kølemiddel i for-
damperen ved brug af HBX sensoren. På samme tid ses et lavere sugetryk, og derved kan disse målinger
eftervise at derved den sænket overhedning, forekommer mere kølemiddel i fordamperne, hvilket
bekræfter figur 7.
Figur 25 - HBLC niveaumåler (Eget arkiv, 2017)
HBX sensorens målinger, vidner om en let strøm af ikke fordampet kølemiddel. Umiddelbart ses der et
konstant udslag, der vidner om en for lav overhedning. Grafen sammenlignes med HBX sensorens udslag
ved brug af overhedningsstyringen figur 22. Ved sammenligning af disse, vurderes det, at udslaget er af
sådan en størrelse, at dette ikke har negative driftsmæssige konsekvenser. Denne påstand kan blandt andet
bekræftes ved grafen til illustrering af udslaget på kompressorbeskyttelsen figur 27. Denne viser hvordan
udslaget på kompressoren findes meget lavt. Derved bekræfter grafen, at der ikke suges flydende
kølemiddel ind i kompressoren.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
35
Figur 26 - HBX sensor (Eget arkiv, 2017)
Figur 27 - HBCP kompressorbeskyttelse (Eget arkiv, 2017)
Målingerne på højtrykssiden af køleanlægget, står i stor kontrast til driften ved brug af overhednings-
styringen. Det ses, at højtrykssiden ved brug af HBX sensoren som regulering, har et højtryk svarende til ca.
68°𝐶. Altså et højtryk der er 22𝐾 lavere end overhedningsstyringens 90°𝐶. Dette vurderes som værende
den reducerede overhedning, der medfører en lavere højtrykstemperatur. Årsagen til at der stadig
overføres en stabil varme til vandkredsen, skyldes formentligt at pladevarmeveksleren, der benyttes som
kondensator, har et tilstrækkeligt overfladeareal, så varmetransmissionen stadig er mulig.
Figur 28 - HBPS trykgas (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
36
Vurdering
Det vurderes at HBX vapor quality sensoren fungerer som en udmærket substitut for overhednings-
styringen, hvilket skyldes, at der kun forekommer mindre udslag i kølemidlet tørhedsgrad, ved
fordamperens afgangsside. Ved betragtning af kompressorbeskyttelsen, ses alt kølemidlet som mættet gas,
når dette suges ind i kompressoren. Dette kan skyldes sugepotten. Udslaget på kompressorbeskyttelsen ses
ikke større end ved brug af overhedningsstyringen, og betragtes derfor også her, som olie der ophobes i
sugepotten, og periodevis suges ind i kompressoren.
Ud fra den givende drift, er der sideløbende med målingerne ved dataloggersystemet, noteret
effektforbruget på varmepumpen samt den leverede effekt til vandet. Målingerne er udført over en
periode på ca. 35minutter.
Elforbrug:
Δ𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 ⇒ 453,94𝑘𝑊ℎ − 451,16𝑘𝑊ℎ = 2,78𝑘𝑊ℎ (10)
Leverede varmeeffekt:
Δ𝑄 = 𝑄2 − 𝑄1 ⇒ 705𝑘𝑊ℎ − 697𝑘𝑊ℎ = 8𝑘𝑊ℎ (11)
Derved findes anlæggets Coefficient Of Performance, COP:
𝐶𝑂𝑃 =Δ𝑄
Δ𝑃 ⇒
8𝑘𝑊ℎ
2,78𝑘𝑊ℎ= 2,7 (12)
Dermed er varmepumpe #3´s virkningsgrad fundet, ved nominel drift og maksfrekvens på 90Hz, og
regulering afkølemiddels indsprøjtning med HBX vapor quality sensor. Virkningsgraden findes, for
sammenligningen af resultater.
11.1.4 Udfordringer ved brug af HBX vapor quality sensor Gennem dataindsamlingen til regulering ved HBX sensoren, har der været flere udfordringer. Idet, nye
sensortyper som HBX vapor quality sensoren til R407C skal testes, lider anlæg ofte af ”børnesygdomme”,
altså mindre fejl som dog kræver handling. Et af problemerne anlæg #1 mødte under drift med HBX
sensoren, medførte en defekt kompressor. Under opstarten, blev høj- og lavtrykspressostaten ikke
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
37
afprøvet, selvom dette er påkrævet. Ved regulering af væskeindsprøjtning med HBX sensoren, blev der
udført tests, hvor én af disse medførte en lav åbningsgrad af ekspansionsventilen. Dette blev gjort af
sikkerhedsmæssige grunde, for at sikre anlægget ikke ville blive udsat for væskeslag. Dog forekom
indsprøjtningen i et så lille omfang, at kompressorens lavtryksside blev udsat for et så lavt tryk, at
lavtrykspressostaten burde have slukket for kompressoren. Men da denne ikke var testet, og ikke var
styringsmæssig funktionel, endte kompressoren med en overhedning, som resulterede i at kompressorens
spole blev så varm, at der opstod overgang mellem viklingerne.
Med det i mente, vurderes det at man ved installering af andre nye komponenter i et køleanlæg, bør være
ekstra sikker på at alle sikkerhedsmæssige foranstaltninger er fuldt ud funktionelle. I det HBX sensoren
bygger på et andet måleprincip end overhedningsstyringen, er denne ikke udstyret med hverken
tryktransmitter eller temperaturføler. Derved står den uden indflydelse, ved f.eks. en defekt eller ikke
funktionel lavtrykspressostat.
11.1.5 Sammenligning af Carel EVD og HBX Overhedningen benyttes, som tidligere nævnt, blandt andet som en sikkerhed for kompressor, da denne
sikre at der kun er kølemiddel på gasform, som forlader fordamperen. Overhedningsstørrelsen er indstillet
ud fra ”normalindstillingerne” af varmepumpe virksomheden SVK-energi til 7,5𝐾.
Trods den umiddelbar høje overhedning, ses det tydeligt ved figur 22, at der stadig forekommer udslag på
HBX sensoren, hvilket vidner om få mængder kølemiddels dråber. Som forklaret i afsnit 11.1, hænger netop
dette udslag sammen med indsprøjtningsventilens åbningsgrad. Derved fremstår denne reguleringsform
som værende for langsom og upræcis. Optimalt, burde der ved en overhedning på 7,5𝐾, ikke forekomme
noget udslag på HBX sensoren.
Endvidere ses det ud fra en sammenligning af lavtrykstransmitteren, at der ved regulering med Carel EVD
forekommer et lavere tryk end ved HBX vapor quality sensoren. Netop denne trykdifferens ses, i tråd med
afsnit 8.2.3.2, som værende en væsentlig faktor ved en sammenligning af driftsformernes energiforbrug.
Dette sammen med reduceringen af overhedningen, ses skematiseret i omstående figur.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
38
Figur 29 - Drift ved Carel EVD evolution og HBX vapor quality sensor (Eget arkiv, 2017)
Ved drift af varmepumpe #3, kan det konkluderes at reguleringen af indsprøjtningsmængde af kølemiddel i
fordamperen, kan ske ved HBX vapor quality sensor såvel som ved Carel EVD overhedningsstyring.
11.1.6 Teoretisk forbedret COP-faktor Den reducerede trykændring sammen med den reducerede overhedning kan benyttes til en teoretisk
energibesparelse gennem computerprogrammet Coolpack (Refrigeration Utilites version 2,84, DTU).
Middeltrykket findes ud fra Microsoft Excel.
Carel EVD:
𝑀𝑖𝑑𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎𝑙 𝐿𝑇 = 𝑀𝑖𝑑𝑑𝑒𝑙(𝐸8: 𝐸10000) = 2,67𝑏𝑎𝑟 = −6,3°𝐶 (13)
𝑂𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔: 7,5𝐾
HBX vapor quality sensor:
𝑀𝑖𝑑𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎𝑙 𝐿𝑇 = 𝑀𝑖𝑑𝑑𝑒𝑙(𝐷8: 𝐷10000) = 3𝑏𝑎𝑟 = −3,9°𝐶 (14)
𝑂𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔: 2,5𝐾
Ud fra disse tal kan en teoretisk udregning for den ændrede COP findes. Til dette benyttes underkølingen
på 3𝐾 og en kondenseringstemperatur på 40°𝐶. Den teoretiske undersøgelse tager afsæt i en isentropisk
virkningsgrad på 1.
Det ses ud fra bilag 18.6, at der ved Carel EVD findes en COP-faktor på: 3,6. Ligeledes findes der ved COP-
faktor på 3,84 ved brug af HBX vapor quality sensoren.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
39
Dermed er der en teoretisk øget COP-faktor:
𝐶𝑂𝑃𝐻𝐵𝑋 − 𝐶𝑂𝑃𝐶𝑎𝑟𝑒𝑙
𝐶𝑂𝑃𝐻𝐵𝑋∗ 100 ⇒
3,84 − 3,6
3,84∗ 100 ≈ 6,25% (15)
Dermed er der ved den beskrevne drift i ovenstående dataindsamling, en teoretisk forøgelse af anlæggets
COP-faktor på 6,25% ved brug af HBX vapor quality sensor, kontra Carels EVD overhedningsstyring.
11.1.7 Korrekt forbedret COP-faktor Ved undersøgelse af den korrekte forbedring af COP-faktoren, benyttes COP-værdierne fra henholdsvis:
Carel EVD: 2,54 - Ligning 7
HBX vapor quality sensor: 2,7 - Ligning 12
𝐶𝑂𝑃𝐻𝐵𝑋 − 𝐶𝑂𝑃𝐶𝑎𝑟𝑒𝑙
𝐶𝑂𝑃𝐻𝐵𝑋∗ 100 ⇒
2,7 − 2,54
2,7∗ 100 ≈ 6,3% (16)
Derudfra kan det udledes, at den forbedrede effekt stemmer overens med den teoretiske udregning af
COP´en.
11.1.8 Opsummering af drift ved varmepumpe #3 I tidligere afsnit er ændring af anlæggets virkningsgrad blevet undersøgt, og det kan derfor konkluderes, at
der ved brug af HBX vapor quality sensoren er en øget COP-faktor med: 6,3%, hvilket stemmer overens med
den teoretiske undersøgelse af forbedringen af COP-faktoren på: 6,25%.
Driftsmæssigt kan det konkluderes, at der ved begge reguleringsformer forekommer mindre svingninger i
sugetrykket og mindre udslag ved HBX sensoren. Det kan ud fra figur 26 ses, at der ikke forekommer
væskedråber ved kompressorens indsugning
Det kan ud fra målingerne af kompressorens tryksgas ses, at der sker en væsentlig reducering af trykgas
temperaturen, ved kompressorens afgangsside. Der kan argumenteres for, at dette skyldes, at
kompressoren suger flydende kølemiddel ind ved regulering med HBX sensoren. Modsat vidner
resultaterne om, at der ved brug af HBX sensoren som regulering forekommer mindre udsving på
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
40
kompressorbeskyttelsen end ved brug af overhedningsstyringen. Derfor ses der forsat grundlag for
optimering af indstilling af HBX sensoren.
Der kan argumenteres for, at der ved brug af Carel EVD evolution overhedningsstyring kan opnås samme
resultat, blot ved en ændring af styringens sætpunkt. Der kan argumenteres for, at denne måde ikke vil give
samme resultat, da en reducering i overhedningen videre giver et ikke liniært flow, der ses som pendling i
anlæget. "Hvis man oplever pendlinger i temperaturen (…) skyldes det, at overhedningen er for lille.” s.366
(Nielsen, 2010) Endvidere kan det ud fra afsnit 11.1.1 ses at denne pendling findes, men fjernes ved en
forhøjet overhedning i afsnit 11.1.2.
HBX vapor quality sensoren, er derfor en bedre styring til regulering af væskeindsprøjtningen i
fordamperen; ved en lav overhedning.
11.2 Drift varmepumpe #1 Nedenstående afsnit vil kort analysere driften af henholdsvis Carel EVD evolution overhedningsstyring og
HBX vapor quality sensoren. Anlæggets resultater gennemgås kort, for at bekræfte konklusionen fra driften
af varmpumpe #3.
Kompressorens frekvens fastlåses til en maksimal frekvens på 90Hz.
Resultaterne er skematiseret i graferne på omstående side. Graferne er lavet ud fra en driftsperiode på ca.
10minutter, svarende til 1200 halve sekunder.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
41
Ud fra grafterne fremgår sugetrykket og overhedning, hvor der ved brug af overhedningstyringen,
forekommer et markant lavere sugetryk, end ved brug af HBX sensoren. Hvilket stemmer overens med
resultaterne fra analysen af anlæg #3.
Ved betragtning af udslaget på HBX vapor quality sensoren, fremgår det tydeligt, at der ved brug af
overhedningsstyringen, forekommer en tilstrækkelig stor overhedning til at intet flydende kølemiddel
forlader fordamperen. Derimod er der ved brug af HBX sensoren et mindre udslag, som vidner om få
væskedråber der forlader fordamperen. Der kan argumenteres for at dette fremgår som et for stort udslag,
men anses ikke for havende en skadende effekt, grundet det lave udslag på kompressorbeskyttelsen.
Figur 30 - Temperaturer - HBX vapor quality sensor (Eget arkiv, 2017)
Figur 31 - Temperaturer - Carel EVD evolution (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
42
Figur 32 - HBX sensor - Carel EVD evolution (Eget arkiv, 2017)
Figur 33 - HBX sensor - HBX vapor quality sensor (Eget arkiv, 2017)
Ud fra driftsundersøgelserne, er der sideløbende noteret målinger af effektforbruget af kompressoren samt
den leverede effekt til vandet. Målingerne er udført over to perioder:
Carel EVD evolution:
Elforbrug:
Δ𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 ⇒ 760,34𝑘𝑊ℎ − 753,70𝑘𝑊ℎ = 6,64𝑘𝑊ℎ (17)
Leverede varmeeffekt:
Δ𝑄 = 𝑄2 − 𝑄1 ⇒ 835𝑘𝑊ℎ − 849𝑘𝑊ℎ = 14𝑘𝑊ℎ (18)
Derved findes anlæggets Coefficient Of Performance, COP:
𝐶𝑂𝑃 =Δ𝑄
Δ𝑃 ⇒
14𝑘𝑊ℎ
6,64𝑘𝑊ℎ= 2,10 (19)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
43
HBX vapor quality sensor:
Elforbrug:
Δ𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 ⇒ 775,62𝑘𝑊ℎ − 767,66𝑘𝑊ℎ = 7,96𝑘𝑊ℎ (20)
Leverede varmeeffekt:
Δ𝑄 = 𝑄2 − 𝑄1 ⇒ 884𝑘𝑊ℎ − 866𝑘𝑊ℎ = 18𝑘𝑊ℎ (21)
Derved findes anlæggets Coefficient Of Performance, COP:
𝐶𝑂𝑃 =Δ𝑄
Δ𝑃 ⇒
18𝑘𝑊ℎ
7,96𝑘𝑊ℎ= 2,26 (22)
11.2.1 Sammenligning af Carel EVD og HBX Ved undersøgelse af den korrekte forbedring af COP-faktoren, benyttes værdierne fra ovenstående
udregninger.
Carel EVD evolution: 2,1 - Ligning 19.
HBX vapor quality sensor: 2,26 - Ligning 22.
𝐶𝑂𝑃𝐻𝐵𝑋 − 𝐶𝑂𝑃𝐶𝑎𝑟𝑒𝑙
𝐶𝑂𝑃𝐻𝐵𝑋∗ 100 ⇒
2,26 − 2,1
2,26∗ 100 ≈ 6,1% (23)
Ved en forkortet analyse af varmpumpe #1, kan det konkluderes, at der også her er opnået en forbedret
COP på over 6%, ved brug af HBX vapor quality sensoren, samt at driftsforholdene stemmer overens med
resultaterne fra analysen af varmpepumpe #3.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
44
11.3 Delkonklusion Ud fra analysen af driften af varmepumpe #3 og varmepumpe #1, kan det konkluderes at der ved brug af
HBX vapor quality sensoren, kan opnås en øget COP på over 6%. Begge undersøgelser har givet ens
resultater, hvilket styrker validiteten af opgaven.
Der kan sættes spørgsmål tegn ved, om samme forbedrede COP ville være opnået blot ved ændring af
sætpunktet på overhedningsstyringen: Carel EVD evolution. Ud fra resultaterne kan der argumenteres for,
at en reducering ved brug af overhedningsstyringen, vil medføre slug i systemet, hvilket vil skabe stor
pendling. Dette ses ud fra resultaterne fra afsnit 11.1.1, og kan underbygges af: "Hvis man oplever
pendlinger i temperaturen (…) skyldes det, at overhedningen er for lille. s.366 (Nielsen, 2010)
Som nævnt, er det blevet belyst fra erhvervs- og interesseorganisation Dansk Energi, at der ved etablering
af nye varmekilder i bygninger anbefales varmepumper frem for installering af nyt oliefyr. Ved betragtning
af resultaterne fra anlæg #3 og #1, kan det derfor anbefales, at HBX vapor quality sensoren anvendes til
væskeregulering i fordamperfladen ved installering af ny varmepumpe.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
45
12 Investering Investeringsgrundlaget for valg af HBX vapor quality sensor fremfor Carel EVD overhedningsstyring, vil i
følgende afsnit blive undersøgt.
På baggrund af delkonklusionen i foregående afsnit, vides det nu, at HBX sensoren er at foretrække rent
driftsmæssigt. Dermed sagt vil en eventuel udskiftning af Carel EVD evolution, ikke nødvendigvis være at
foretrække. Selvom der ikke er særlig stor pris forskel på henholdsvis Carel EVD overhedningsstyring og
HBX vapor quality sensoren, undersøges de fremadrettet besparelse, for anskueliggørelse af miljømæssige
konsekvenser.
Investeringssummen for HBX sensoren: 2625kr. Prisen ved overhedningsstyringen: 2000kr. Derved fremgår
prisdifferencen ved markedsskøn, uden mængderabatter:
2625𝑘𝑟 − 2000𝑘𝑟 = 625𝑘𝑟 (24)
Ved installation af HBX sensoren i varmepumpe, forventes der at skulle bruges to timer ekstra til
varmepumpeinstallatøren, for kalibrering af HBX sensor til den enkelte varmepumpe kreds.
2 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑟 𝑎𝑓 500𝑘𝑟 = 1000𝑘𝑟. (25)
For at finde tilbagebetalingstiden og den ændrede CO2 belastning, benyttes nedenstående udregning til at
finde det forventet strømforbrug, fremgangsmåden for forventet strømbesparelse er udført ved hjælp fra
SVK-Energi.
Ved undersøgelse af middelforbruget af olie, kan et tilnærmet strømforbrug for varmepumperne findes.
Som nævnt i afsnit 8.1.1 , fremgår olieforbruget mellem: 6000 - 7500l olie pr. år. Middelforbruget svarer
derved til:
�̇�𝑜𝑙𝑖𝑒 = �̇�1 + (
�̇�2 − �̇�1
2) ⇒ 6000𝑙 + (
7500𝑙 − 6000𝑙
2) = 6750𝑙 𝑜𝑙𝑖𝑒 𝑝𝑟. å𝑟.
(26)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
46
Strømforbruget pr. år:
𝑃𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑 . =𝑜𝑙𝑖𝑒𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 ∗ 𝑄𝑜𝑚𝑟𝑒𝑔𝑛
𝐶𝑂𝑃 ⇒
6750𝑙 ∗ 8,5
2,7= 21250𝑘𝑊ℎ (27)
Pris pr. kWh: 2𝑘𝑟
Prisen for ét års varmepumpedrift ved brug af Carel EVD overhedningsstyring:
𝑃𝑟𝑖𝑠 𝑎𝑓 𝑠𝑡𝑟ø𝑚𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 = 𝑃𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑 ∗ 𝑝𝑟𝑖𝑠 𝑝𝑟. 𝑘𝑊ℎ ⇒
21250𝑘𝑊ℎ ∗ 1,7𝑘𝑟 = 36125𝑘𝑟 (28)
Prisen for ét års varmepumpedrift, ve brug af HBX vapro quality sensor:
𝑃𝐻𝐵𝑋 = 𝑃𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑 − (𝐶𝑂𝑃𝑓𝑜𝑟𝑏𝑒𝑑𝑟𝑒𝑡 ∗ 𝑃𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑
100) ⇒
21250𝑘𝑊ℎ − (6,3% ∗ 21250𝑘𝑊ℎ
100) = 19911,25𝑘𝑊ℎ (29)
𝑃𝑟𝑖𝑠 𝑎𝑓 𝑠𝑡𝑟ø𝑚𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 = 𝑃𝐻𝐵𝑋 ∗ 𝑝𝑟𝑖𝑠 𝑝𝑟. 𝑘𝑊ℎ ⇒ 19911,25𝑘𝑊ℎ ∗ 2𝑘𝑟 = 33849𝑘𝑟 (30)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
47
For anskueliggørelse af den fremadrettet tilbagebetaling, ved brug af HBX sensoren, sættes strømforbruget
ind i et skema for undersøgelse af tilbagebetaling, ved brug af kapitalværdimetoden. Der tilføjes en
indkøring af HBX sensoren på to timer, svarende til en løn på 1000kr.
I det nettoindbetalingen er fundet, kan denne overføres til en investeringskalkule, udtrykt ved
nedenstående skema.
Diskonteringsfaktoren er fundet ud fra Rentetabel 2 (Waarst & Bang, 2007) ved en kalkulationsrente på
10%.
Det ses altså ud fra ovenstående skema, at HBX sensoren teoretisk set er tilbagebetalt inden ultimo det
forløbende år. Og ved en femårig periode, vil være en tilbagebetaling på 6911kr.
Ud fra det reduceret strømforbrug, kan det foruden tilbagebetalingen, undersøges hvilken
samfundsmæssig gevinst, der vil forekomme ved brug af HBX vapor quality sensoren, fremfor
overhedningsstyringen, med henblik på miljøbelastningen. Dette betragtes ud fra et reduceret elektrisk
forbrug på varmepumpe, samt den gennemsnitlige emission belastning af CO2 pr. kWh. Ifølge den
kommunale organisation Økolariet i Vejle, ”udledes der i Danmark 0,5 kg CO2 for hver kWh” elektricitet.
(Økolariet, 2017)
Den ændrede CO2 udledning kan derved findes:
𝑈𝑑𝑙𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔 =𝑃𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑 − 𝑃𝐻𝐵𝑋
𝑢𝑑𝑙𝑒𝑑𝑡 𝐶𝑂2 𝑝𝑟. 𝑘𝑊ℎ ⇒
21250𝑘𝑊ℎ − 19911,25𝑘𝑊ℎ
0,5𝑘𝑔
𝑘𝑊ℎ
≈ 0,7𝑡𝑜𝑛 𝐶𝑂2 (31)
Ud fra udregningerne ses det, at der ved brug af HBX vapor quality sensoren, vil være en reducering af 𝐶𝑂2
udledningen på 0,7𝑡𝑜𝑛 pr. år.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
48
12.1 Risiko ved investering i HBX vapor quality sensor Den lave investering af HBX sensoren anses ikke for værende et produkt der er forbundet med en betydelig
risikovurdering, hvilket betragtes ud fra den lave prisdifference af de to omtalte produkttyper. I tilfælde af
at rapportens resultater, ikke vil være gældende på andre anlæg, anses muligheden for at benytte HBX
sensoren, i en driftform med en høj overhedningsstørrelse, som værende mulig. Derved anses sensoren for
som minimum at kunne levere samme effekt som en traditionel overhedningsstyring.
12.2 Opsummering Med afsæt i en udregning af et tilnærmet strømforbrug til varmepumpedrift, er det ved en
kapitalværdimetode blevet belyst, at HBX sensoren er tilbagebetalt ved ultimo af installationsåret.
Derforuden fremgår det ud fra udregningerne, at der ved brug af HBX sensoren vil ske en reducering af 𝐶𝑂2
udledningen svarende til 0,7ton pr. år.
Tilbagebetalingen er videre skematiseret ved nedenstående graf, der viser tilbagebetalingen som funktion
af de fremadrettede år.
Set fra det økonomiske perspektiv, anbefales det ligeledes at benytte HBX vapor qulaity sensoren i stedet
for en overhedningsstyring, da udbyttet af sensoren er væsentligt større end prisen. Dette er blandt andet
undersøgt ved bilag 18.7.
Figur 34 - Tilbagebetaling (Eget arkiv, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
49
13 Diskussion af validitet Ved betragtning af opgaven vælges det at undersøge, om hvorvidt metodetilgangen har været optimal. Den
metodiske tilgang har taget udgangspunkt i en kort anlægsundersøgelse, princippet og virkemåde bag de
enkelte sensorer, samt indsamling af resultater af driften. Ved en metodekritisk tilgang, kan der
argumenteres for, at indsamlingen af de præsenteret resultater i rapporten er øjebliksværdier, taget et
døgns drift i betragtning. Optimalt ville resultater, der var logget over et døgn være at foretrække. Set fra
modsatte perspektiv findes fordelen ved brugen af ti minutters målinger, at driftsbelastningen er ens ved
henholdsvis HBX sensoren og overhedningsstyringen. Dette skyldes den omgivende temperaturen og
luftfugtigheden ved fordamperen er ens, bygningen har samme effektforbrug samt en ikke ændret
tilrimning af fordamperen.
Ved en længere tidsperiode, kvantitet i rapporten, kan der argumenteres for at et mere overbevisende
resultat ville findes, det dog undladt som anført i afgrænsninger.
Måleusikkerheden gennem rapportens dataindsamling, betragtes ikke som en væsentlig faktor, da måle-
udstyret som er benyttet til målinger ved begge reguleringsformer sidder fastmonteret. Derved vil en
afvigelse af måleusikkerhed være lige afvigende ved begge målinger, hvilket forventes at give det samme
resultat.
Endvidere kan det ud fra driftsanalyserne ses, at resultaterne fremstår i overensstemmelse med
producentens påstande om reducering af overhedning samt en muliggørelse for at hæve sugtrykket, ved
brug af HBX vapor quality sensorer, for en forøgelse af anlægget COP. (HB Products, 2017)
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
50
14 Konklusion I opgaven er det blevet undersøgt, hvilke driftsmæssige ændringer der vil forekomme ved regulering af
væskeindsprøjtning i fordamperen, ved brug af HB Products´ HBX vapor qulaity sensor kontra den
traditionelle overhedningsstyring: Carel EVD evolution. Analysen af de to reguleringstyper er sket på
baggrund af en anlægsundersøgelse og dataindsamling. Ved brug af de indsamlede målinger, har opgaven
holdt HBX sensoren op mod overhedningsstyringen, for at kunne fastslå, hvordan de to adskiller sig fra
hinanden driftsmæssigt.
Undersøgelserne har taget udgangspunkt i virkemåden bag de to styringer, for præsentation af hvordan
disse adskiller sig fra hinanden. Efterfølgende er der udført tests ved brug af henholdsvis Carel EVD
evolution overhedningsstyring og HBX vapor quality sensor. De udførte tests, er blevet behandlet og vist
ved grafer i opgaven.
Det ses gennem analysen af driften ved varmepumpe #3, at HBX vapor quality sensoren kan benyttes som
styring til væskeindsprøjtningen i fordamperen, såvel som overhedningsstyringen, og at der ved brug af
HBX sensoren vil være en forbedre COP på 6,3%, hvilket stemmer overens med den teoretisk undersøgte
forbedring på 6,25%.
Endvidere viser rapporten at der ved brug af HBX-sensoren er en tilbagebetalingstid på under ét år.
Efterfølgende er det fundet, at der teoretisk er et reduceret elforbrug svarende til 6911kr ved en femårig
driftsperiode. Besparelsen på elektriske udgifter videregiver ikke blot en økonomisk gevinst, men også en
reducering af CO2-udledningen på 0,7tons pr. år. Med afsæt i anbefalinger fra erhvervs- og interesse-
organisation Dansk Energi, anses HBX vapor quality sensoren også som et produkt, der kan medvirke til en
reducering af emission.
Rapporten vurderer, at HBX vapor quality sensoren fungerer, som en udmærket substitut for overhednings-
styringen. Rapporten fastslår, at der fortsat er behov for optimering af indstillingerne af HBX sensoren, da
det ud fra målingerne af kompressorens tryksgas ses, at der sker en reducering af trykgastemperaturen,
ved kompressorens afgangsside.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
51
15 Perspektivering På baggrund af rapporten, vides det at HBX vapor quality sensoren kan benyttes i stedet for en
overhedningsstyring, til regulering af væskeindsprøjtningen i en fordamper, og at denne økonomisk er at
foretrække. Ved videre undersøgelse af driftsmæssige konsekvenser ved brug af HBX sensoren, fremstår
følgende emner som oplagte undersøgelsesområder:
Færre afrimninger
Som rapporten beskriver, muliggøre en reduceret overhedning et lavere sugetryk i fordamperens
afgangsrør. Rapporten viser blandt andet, ved varmepumpe #3, at reduceringen af overhedningen, i dette
tilfælde, medfører en formindsket fordampertemperatur med 2,4°𝐶. Dermed sagt fremgår
fordamperfladen varmere ved brug af HBX sensoren.
Derved kan der argumenteres for, at fordamperfladen ikke vil binde fugten, i den omkringværende luft, i
samme omfang, og derved vil fordamperen ikke tilrime i samme grad, som ved brug af overhednings-
styringen. Ved en senere tilrimning sandsynliggøres det, at anlægget ikke behøver at afrime i samme
omfang, hvilket forventes at give en økonomisk gevinst, da varmestave har er stort effektforbrug.
Korrekt væsketilstrømning i fordamperen
Ved brug af ammoniak som kølemiddel, har andre undersøgelser vist, at HBX vapor quality sensoren kan
opfange en ujævn væsketilstrømning i fordampere (bilag 18.8). Ved brug af overhedningsstyringen, kan det
ses ved bilag 18.9, at tilrimningen af fordamperen sker ujævnt. Det vidner om, at overhedningsstyringen
sammen med fordelingssystemet ikke formår at fylde fordamperen optimalt, men kølemidlet inde i
fordamperen ses som ”propstrømning”, også kaldet slug flow.
Ved videre undersøgelse af HBX vapor quality sensoren, kan det være interessant at undersøge, om
overhedningsstyringen fordeler væsketilstrømningen anderledes end HBX sensoren, eller om væske-
fordelingen primært sker på baggrund af fordamperens væskefordeler.
Konsekvenser af rapportens resultater
Ud fra opgavens resultater kan det undersøges, hvilken fremtid HBX vapor quality sensoren har ved HFC-
kølemidler i varmepumper og køleanlæg. Rapportens konklusion vidner om et potentiale, i form af
økonomiske besparelser. Som nævnt i rapporten, er standardindstillingerne for overhedningsstyringen ikke
optimale indstillinger. Den økonomiske besparelse HBX sensoren vil kunne medføre, har altså et teoretisk
større potentiale, da andre anlæg med overhedningsstyring, forventes at være i drift med
”standardindstillinger”.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
52
Rapporten konkluderer ved afsnit 11.1.3 at der kontinuerligt befinder sig mere kølemiddel i fordamperen
ved brug af HBX sensoren. Samtidig fortæller HBX sensoren, at der sker en fuld fordampning, inden
kølemidlet forlader fordamperen. Derved bør fordamperen kunne fjerne mere varme fra dens omgivelser,
hvilket forventes at kunne forstørre fordamperens effekten ved brug af HBX sensoren i et køleanlæg.
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
53
16 Bibliografi Carel, 2009. Carel. [Online]
Available at: http://www.carel.com/documents/10191/0/+302240521/7536b4d4-ef5b-4f03-ac48-
42bf90e1345d?version=1.0
[Senest hentet eller vist den 11 09 2017].
Dansk Energi, 2017. Lad energisektoren løfte Danmarks klimaindsats, Frederiksberg: Dansk Energi.
Eget arkiv, 2017. Hasselager: Coolpack.
EUDP, 2017. Energi-, Forsynings- og Klimaministeriet. [Online]
Available at: https://ens.dk/ansvarsomraader/forskning-udvikling/eudp
[Senest hentet eller vist den 14 11 2017].
European Commission, 2017. European Commission. [Online]
Available at: https://ec.europa.eu/clima/change/causes_da
[Senest hentet eller vist den 06 12 2917].
Gravesgaard, L., 2017. SVK Energi. [Online]
Available at: http://svk-energi.dk/p/om-os
[Senest hentet eller vist den 14 11 2017].
HB Products, 2017. HB Products. [Online]
Available at: http://www.hbproducts.dk/da/produkter/hfc-sensorer/hfc-gaskvalitetssensor-dx
[Senest hentet eller vist den 26 10 2017].
Henley, J., 2015. The Guardian. [Online]
Available at: https://www.theguardian.com/environment/2015/oct/26/cold-economy-cop21-global-
warming-carbon-emissions
[Senest hentet eller vist den 25 10 2017].
Kabusa, u.d. Kabusa. [Online]
Available at: https://www.kabusa.com/Dilectric-Constants.pdf
[Senest hentet eller vist den 26 10 2017].
Nielsen, E., 2006. Noget om Køleteknik - Bind II. 3. Udgave - Bind 2 - 1. oplæg red. s.l.:Forlaget Teknikdata.
Nielsen, E., 2010. Noget om Køleteknik - Bind I (2010). 4. Udgave, 1. oplag 2010 red. s.l.:Forlaget Eigil.dk.
Petersen, P. E., 2006. Elektroteknik 1. 5. Udgave red. København: Bogfondens Forlag A/S.
SVK Energi, 2017. Tanker og Idéer bag skitse systemopbygning. Hasselager: SVK Energi.
Videncenter for Energibesparelse i Bygninger, 2017. Byggeri og energi. [Online]
Available at: http://www.byggeriogenergi.dk/media/1725/konvertering-til-luft-vandvarmepumpe_ok.pdf
[Senest hentet eller vist den 24 10 2017].
Waarst, J. & Bang, K. E., 2007. Erhvervsøkonomi - Videregående uddannelser. Aarhus: Academica.
Økolariet, 2017. Viden gennem oplevelser. [Online]
Available at: http://www.okolariet.dk/viden-om/klima/ideer-til-skolen-klima/inspirationsmateriale-niveau-
2/co2-i-hjemmet/el-og-co2-udledning#.WjD2tEriaUk
Bachelorprojekt Aarhus Maskinmesterskole Martin Koudal Fisker v13885
54
17 Figurliste Figur 1 - Metodisk tilgang - Eget arkiv ............................................................................................................... 9
Figur 2- Luft til vand varmepumpe s.210 (Nielsen, 2006) ............................................................................... 12
Figur 3 - Samfundsøkonomiske priser på boligopvarmning s.30 (Dansk Energi, 2017) .................................. 13
Figur 4 - Log(p)-h diagram s. 59 (Nielsen, 2010) .............................................................................................. 14
Figur 5 - Log(p)-h diagram - Ændring af overhedning (Eget arkiv, 2017) ........................................................ 15
Figur 6 - For stor overhedning - s. 369 (Nielsen, 2010) ................................................................................... 16
Figur 7 - For lille overhedning s. 369 (Nielsen, 2010) ...................................................................................... 17
Figur 8 - Mulig anlægs optimering (HB Products, 2017) ................................................................................. 17
Figur 9 - Oversigt for installation af Superheat controller (Carel, 2009) ......................................................... 18
Figur 10 - Kondensator opbygning s.52 (Petersen, 2006) ............................................................................... 19
Figur 11 – Dielektricitetskonstanter (Kabusa, u.d.) ......................................................................................... 20
Figur 12 – HBX vapro quality sensor – tværsnit - Eget arkiv............................................................................ 21
Figur 13 - Oversigt for installation af HBX vapor quality sensor – Eget arkiv .................................................. 21
Figur 14 - Anlægsopbygning (Eget arkiv, 2017) ............................................................................................... 23
Figur 15 - PI-diagram (Eget arkiv) .................................................................................................................... 27
Figur 16 - HBPS - Lavtryk (Eget arkiv, 2017) .................................................................................................... 28
Figur 17 - HBLC niveaumåler (Eget arkiv, 2017) .............................................................................................. 28
Figur 18 - HBX sensor (Eget arkiv, 2017) ......................................................................................................... 29
Figur 19 - Temperaturer (Eget arkiv, 2017) ..................................................................................................... 30
Figur 20 - HBLC Niveaumåler (Eget arkiv, 2017) .............................................................................................. 30
Figur 21 - HBPS trykgas (Eget arkiv, 2017) ....................................................................................................... 31
Figur 22 - HBX sensor (Eget arkiv, 2017) ......................................................................................................... 31
Figur 23 - HBCP kompressorbeskyttelse (Eget arkiv, 2017) ............................................................................ 31
Figur 24 - Temperaturer (Eget arkiv, 2017) ..................................................................................................... 34
Figur 25 - HBLC niveaumåler (Eget arkiv, 2017) .............................................................................................. 34
Figur 26 - HBX sensor (Eget arkiv, 2017) ......................................................................................................... 35
Figur 27 - HBCP kompressorbeskyttelse (Eget arkiv, 2017) ............................................................................ 35
Figur 28 - HBPS trykgas (Eget arkiv, 2017) ....................................................................................................... 35
Figur 29 - Drift ved Carel EVD evolution og HBX vapor quality sensor (Eget arkiv, 2017) .............................. 38
Figur 30 - Temperaturer - HBX vapor quality sensor (Eget arkiv, 2017) .......................................................... 41
Figur 31 - Temperaturer - Carel EVD evolution (Eget arkiv, 2017) .................................................................. 41
Figur 32 - HBX sensor - Carel EVD evolution (Eget arkiv, 2017) ...................................................................... 42
Figur 33 - HBX sensor - HBX vapor quality sensor (Eget arkiv, 2017) .............................................................. 42
Figur 34 - Tilbagebetaling (Eget arkiv, 2017) ................................................................................................... 48