Aalto-yliopisto. Rengasjohtokytkentään ja massavirtasäättöön kytketyn talon lämmönvaihtimen mittaus laboratoriossa

Transkriptio

1 Rengasjohtokytkentään ja massavirtasäättöön kytketyn talon lämmönvaihtimen mittaus laboratoriossa Jon Iturralde, Pyry Jantunen, Maunu Kuosa, Tapio Mäkilä, Markku Lampinen, Risto Lahdelma Aalto-yliopisto RICES (Realignment of Industrial and Community Energy Systems to meet climate policy targets)

2 Johdanto Tausta Massavirtasäädön ja rengasjohtokytkennän perusteet tutkittu Verkon energiatehokkuutta tarkasteltu case-tapaksen avulla HKI:n aluelämmitysverkossa Mallinnettu kuluttajan levylämmönvaihtimen toimintaa ja hyötysuhdetta, kun se kytkettiin rengasjohtokytkentään ja massavirtasäätöön Sisältö Rengasjohtokytkennän esimerkki ja massavirtasäädön periaate Kuluttajan lämmönvaihtimen demonstrointi laboratoriossa Keskitytään energiatehokkaisiin matalalämpötila verkkoihin (50-80 C), ei perinteisiin korkealämpötila verkkoihin ( C)

3 Esimerkki kl-verkoista, jotka on toteutettu perinteisellä ja rengasjohtoteknologialla HS = Lämpökeskus DH = Omakotitalo AB = Kerrostalo --- = menolinja = paluulinja Perinteinen topologia Rengasjohtokytkentä

4 Massavirtasäädön periaate (ohjaus ehdotus) Invertteriohjatut pumput korvaavat kuluttajapisteissä kuristusventtiilit Pumput on sijoitettu sekä ensiö- että sekundääripuolille Ensiöpuolen pumppua ohjataan sekundääripuolen lämmitysveden menolämpötilan mukaan Sekundääripuolen pumppua ohjataan perustuen radiaattorien paluulämpötilaan DH HW TI Heating heat exchanger FC FC TI Radiators DHW heat exchanger CW TI DH FC Inverter controlled pump

5 Massavirtasäädön periaate (esimerkki meno- ja paluulämpötiloista)

6 Mittaus laboratoriossa Lämmönsiirtimien mittausasema / kerrostalon lämmönjakokeskus kytkentä (Sovelletun termodynamiikan laboratoriossa) Lämpölaitoksen korvasi höyrynkehitin ja lämminvesivaraaja, josta otettiin kuuma vesi tajuusohjatulla pumpulla ensiöpuolelle (T in ) Lämmönjakokeskuksen yksinkertaisetettu kytkentä: Siirrin 1: lämmityslämmönvaihdin, Siirrin 2: radiaattorit Lämpötiloja T in, T out, t in, t out, d in, ja d out mitattiin TE TE TE T in t out d out Siirrin 1 Siirrin 2 TE T out TE TE t in Lämmönvaihdin d in Jäähdytyspiiri

7 Koelaitteiston pääkomponentit Komponentti Tyyppi/tietoja Höyrynkehitin Clayton Steam Generator, maakaasupoltin Varaaja Lämmityssiirrin 1 Funke Plate & Frame Heat Exchanger, FP NH, 52 kw Pumppu Lowara Pump 8V414F30, 3 kw, m3/h, ensiöpuoli Pumppu Kolmeks, Type P-20/4, 0.08 kw, toisiopuoli Invertterit Vacon IP21/NEMA1, 2 kpl Lämpötilan mittaus Termoelementit k-tyyppiä, 3 kpl; Termistorit TAC EGWS 120, 3 kpl Massavirtamittari Micronics Portaflow300 Ultrasonic Flowmeter Dataloggeri HP BenchLink Datalogger 1.1

8 Koelaitteisto Toisiopiiri siirrin 2 toisiopiirin pumppu siirrin 1 pumpuissa invertteriohjaus käsin säätäen

9 Massavirran mittaus ultraäänimittarilla Virtausnopeudet mitattiin ultraäänimittarilla (virtaamien säätäminen) Toisiopuolen mittausputki Portaflow 300-ultraäänimittarin mitta-anturi

10 Tulokset 1/5 Mitatut kl-veden lämpötilat, virtausnopeus putkissa ja invertterien taajuudet (pumpun pyörimisnopeus) eri ulkolämpötiloissa. Ulkolämpötila Lämpötilat ( C) Virtausnopeus (m/s) Taajuus (Hz) ( C ) T in T out t in t out d in d out Ensiö Toisio Jäähdytys Ensiö Toisio

11 Tulokset 2/5 60 Laskettu Mitattu 50 Lämmitysteho, kw Ulkolämpötila, o C Rakennuksen lämmitysteho eri ulkolämpötiloissa Mitattu teho ensiö- ja toisiopuolien keskiarvona

12 Tulokset 3/5 Tavoite, meno Tavoite, paluu Mitattu, meno Mitattu, paluu T, o C Ulkolämpötila, o C Ensiöpuolen meno- ja paluulämpötilat Mitatut lämpötilat verrattuna tavoitearvoihin

13 Tulokset 4/5 Tavoite, meno Tavoite, paluu Mitattu, meno Mitattu, paluu T, o C Ulkolämpötila, o C Toisiopuolen meno- ja paluulämpötilat Mitatut lämpötilat verrattuna tavoitearvoihin

14 Tulokset 5/5 ensiö_l toisio_l ensiö_m toisio_m Massavirta, kg/s Ulkolämpötila, o C Ensiö- ja toisiopuolien massavirrat Mitatut (M) massavirrat verrattuna laskettuihin (L)

15 Johtopäätökset 1/3 Ulkolämpötilan noustessa Virtausnopeudet (massavirrat) ja pumppujen pyörimisnopeudet laskevat Ensiö- ja toisiopuolen lämpötiloja (jäähtymiä) verrattiin tavoitearvoihin Kaikissa pisteissä päästiin tavoitearvoihin muutaman asteen tarkuudella Höyrynkehittimen automatiikka piti ensiöpuolen menolämpötilat hyvin kohdillaan mutta paluulämpötilat jäivät keskimäärin kaksi astetta tavoitetta korkeammiksi Toisiopuolella paluulämpötilat olivat vain asteen päässä tavoitearvoistaan mutta lämpimämmällä säällä, pienemmillä kuormilla, menolämpötilat jäivät tavoitetta matalammiksi

16 Johtopäätökset 2/3 Molemmilla puolille, jokaisessa pisteessä, saatiin hyvät jäähtymät Toisiopuolen paluulämpötilojen tarkkuutta selittää se, että jäähdytystä voitiin helposti säätää välittämättä vaikutuksista jäähdytyspiiriin Toisiopiirin meno- ja ensiöpiirin paluulämpötilat sen sijaan vaikuttivat toisiinsa, joten niiden tavoitearvojen saavuttaminen oli vaikeampaa Jäähtymien ollessa yhtäsuuret, olivat virtausmittausten mukaan ensiö- ja toisiopiireissä erilaiset massavirrat Todennäköisesti mitattujen lämpötilojen virhe oli paljon pienempi kuin virtausnopeuden, joten massavirrat olivat todellisuudessa yhtäsuuria

17 Johtopäätökset 3/3 Siirtynyt lämmitysteho Jokaisen piirin teho laskettiin kaavalla = q m c p T Näin saatiin vaihtelevia tuloksia, sillä laskettu teho riippui mitatusta virtausnopeudesta Ensiö- ja toisiopiirien tehojen keskiarvot olivat lähellä tavoitetehoja Talon lämmitysvaihtimen demonstrointi osoittaa, että Massavirtasäädön vaatimat jäähtymät ovat mahdollisia toteuttaa, kun virtausta ohjataan taajuusohjattavalla pumpulla ulkolämpötilan muuttuessa Mitattu 52 kw levylämmönsiirrin toimii laskentamallin mukaisesti sekä mitoituspisteessä että osakuormilla

18