Driftoptimering av värmepumpssystem Fredrik Karlsson SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Per Fahlén Chalmers Tekniska Högskola Fredrik Karlsson eff-Sys 2004-03-04

Två projekt inom eff-Sys Integrerad styrning av kyl- och värmepumps-anläggningar (t.o.m. 021231) Driftoptimering av värmepumpssystem – behovsstyrning av värme och varmvatten (03-01-01 till 04-02-29)

Bakgrund Optimal drift av värmepumpssystem kräver optimering av: Värmekälla och värmesänka Värmepumpens drift i förhållande till behovet Värmepumpens interna drift Fas 3 Fas 2 Fas 1

Systemgränser för arbetet Fas 1 – Integrerad styrning av kyl- och värmepumpsanläggningar

Systemgränser för arbetet Fas 2 – Driftoptimering av värmepumpssystem

Systemgränser för arbetet Fas 3 – Arbetet framöver

Syfte och mål Syftet är att undersöka förutsättningarna för att optimera värmepumpssystemets drift med hjälp av ett överordnat styrsystem och nya komponenter. Optimeringen omfattar det totala systemet, dvs värmepumpens interna drift och värmepumpens drift i förhållande till värmebehovet

Antal sålda värmepumpar i Sverige per år Relevans Kyl-och värmepumpssystem förbrukar ca 12-15 TWh el per år En effektivitetsökning på 10 % skulle alltså ge en reduktion av elanvändningen med ca 1,5 TWh Den totala elproduktionen från vindkraft 2001 var 0,4 TWh Antal sålda värmepumpar i Sverige per år

Metodik Litteraturstudie Laboratorieprov Bedömning av energibesparingspotential Optimeringsmetod undersökt genom simuleringar Varmvattenberedning undersökt genom laboratorieprov Värmesystemets inverkan undersöks genom kunskapssammanställning

Litteraturstudie - resultat Effektivare värmepumpar kan fås med Varvtalsstyrda kompressorer Varvtalsstyrda pumpar/fläktar Elektroniskt styrda expansionsventiler Varvtalsstyrda kompressorer kan vara effektivare pga: Bättre drift vid dellast Färre cykler av/på Minskat behov av avfrostning Minskat behov av tillskottseffekt

Laboratorieprov - experimentvärmepump Fredrik Karlsson eff-Sys 2004-03-04

Laboratorieprov - provmetod Dellastprov enligt prCEN/TS 14825 Varvtalsstyrning Intermittent styrning Driftpunkterna definieras av temperaturen på inkommande köld- och värmebärare Full last definieras som drift med frekvensen 80 Hz Dellasten definieras sedan utifrån värmeeffekten vid fullastprovet Dellasten regleras med varvtalet för varvtalsstyrning och med tiden av/på vid intermittent styrning

Laboratorieprov - resultat Resultat från liknande prov med annan kompressor ej utvecklad för varvtalsstyrning

Optimering av värmepumpssystemet Detta kan delas upp i två delar: Optimal reglering Hitta det bästa sättet att hålla processparametrarna på önskade nivåer Optimal driftpunkt Hitta den bästa driftpunkten

Optimeringsmetoder On-line Off-line För processer utsatta för störningar och där processparametrarna förändras över tiden Off-line Kan användas för processer med långsamma förändringar av processparametrar och få störningar

Optimering on-line Långsamma, ofrekventa störningar och snabb dynamik i processen Stationär optimering Direkta metoder Ingen matematisk modell av processen Ofta enkel att implementera Långsam metod Indirekta metoder Kräver matematisk modell av processen Svårare att implementera Snabbare metod Snabba, frekventa störningar Dynamisk optimering

Optimera – med avseende på vad?

Aktuell optimeringsmetod Nelder-Meads Simplexmetod

Optimering - målfunktion Optimering utan bivillkor Optimering med bivillkor

Optimering utan bivillkor

Sammanfattning / Slutsatser Stor potential för ökad energieffektivitet genom att använda varvtalsstyrda kompressorer Ytterligare förbättrad energieffektivitet kan uppnås genom att utveckla mer energieffektiva pumpar/fläktar Den föreslagna optimeringsmetoden visar lovande resultat men kräver ytterligare utvärdering

Fortsättning av projektet En eller flera optimeringsmetoder tas fram Optimeringsmetod(er) undersöks för olika värmesystem genom simuleringar Den eller de mest lovande koncepten undersöks med fysisk värmepump+reglersystem mot realtidsimulerat hus+värmesystem Effektivare komponenter och optimeringsmetod undersöks även för luftvärmepump bl.a för att få med avfrostningsfunktionen i analysen

Projektdeltagare Energimyndigheten SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Installationsteknik, CTH Elforsk Nibe IVT Thermia Värme Danfoss JEFF Electronics Wilo Grundfos Uponor Wirsbo Carrier LK Lagerstedt & Krantz REHAU Thermopanel Energimyndigheten