ENE-C3001 Energiasysteemit 11.9.2015 Kari Alanne Oppimistehtävä 3: Katri Valan lämpöpumppulaitos Sisällysluettelo 1 Johdanto... 1 2 Kompressorilämpöpumpun toimintaperiaate ja tunnusluvut... 2 3 Osakuorma-ajo... 4 4 Katri Valan lämpöpumppulaitos... 5 5 Tehtävänanto... 6 Kirjallisuutta... 6 1 Johdanto Rakennetun ympäristön ja siihen liittyvän teknologian kehittyessä vaatimukset olosuhteiden hallinnalle ovat kasvaneet. Esimerkiksi yhdyskuntien osalta tämä merkitsee, että osaa rakennuksista on kyettävä lämmittämään ja osaa jäähdyttämään samanaikaisesti. Tarvitaan siis sekä lämmitys- että jäähdytysenergiaa. Energian varastointimahdollisuuksien rajallisuuden vuoksi eri energiamuotojen tuotannon ja kulutuksen on oltava jatkuvasti tasapainossa, joten tuotantokapasiteettia on kyettävä sopeuttamaan kulutuksen mukaiseksi. Sopeutus voi tapahtua ajamalla osa tuotantolaitoksista alas tai ajamalla yksittäistä tuotantolaitosta osakuormalla eli säätämällä sen tuottamaa lämpö- tai jäähdytystehoa. Säätö puolestaan vaikuttaa kaikkiin tuotantolaitoksen yksikköprosesseihin, joten säätöongelma on relevantti systeemiajattelun näkökulmasta. Oppimistehtävän aiheena on Katri Valan lämpöpumppulaitos, joka tuottaa sekä lämpöä että jäähdytysenergiaa lämpöpumppuprosessin avulla. Tehtävänä on tutkia lämpöpumppuprosessia osakuormatilanteessa. Työssä selvitetään energiataseiden avulla, miten laitoksen tila- ja toimintapisteet sekä COP muuttuvat. Lisäksi pohditaan eri säätötapojen toteutuskelpoisuutta. Työ raportoidaan kirjallisesti erikseen annetun ohjeen mukaisesti ja palautetaan MyCourses-järjestelmän kautta 14.10.2015 klo 12 mennessä.
2 Kompressorilämpöpumpun toimintaperiaate ja tunnusluvut 11.9.2015 Kari Alanne Kompressorin tuottamaan mekaaniseen työhön perustuvan lämpöpumppuprosessin yksikköprosessit ovat höyrystin, lauhdutin, kompressori ja paisuntaventtiili. Työaine (kylmäaine) käy vastaavasti läpi seuraavat vaiheet: 1. Höyrystimessä työaine höyrystyy matalassa paineessa ja lämpötilassa sitoen lämpöenergiaa höyrystymislämmön eli latenttilämmön verran kylmävarastosta (esim. kaukojäähdytysverkosta). Höyrystymislämpötilan tulee olla alhaisempi kuin kylmävaraston lämpötilan. 2. Kompressori puristaa työainehöyryn pieneen tilavuuteen, jolloin sen paine ja lämpötila kasvavat. 3. Lauhduttimessa työainehöyry luovuttaa lämpöenergiaa lauhtumislämmön eli latenttilämmön verran) korkeassa lämpötilassa ja paineessa lämpövarastoon (esim. kaukolämpöverkkoon). Lauhtumislämpötilan tulee olla korkeampi kuin lämpövaraston lämpötilan. 4. Jäähtynyt lauhde virtaa paisuntaventtiilin läpi, jolloin sen paine putoaa niin alas, että höyrystyminen alhaisessa lämpötilassa tulee mahdolliseksi. Esimerkki kuvatunlaisesta kiertoprosessista kylmäaineen R22 termodynaamisia ominaisuuksia vastaavissa lämpötiloissa on esitetty kuvassa 1 ja vastaava kiertoprosessi h, log p- diagrammissa kuvassa 2. Kuva 1. Kompressorilämpöpumpun toteutus ja lämpötase kylmäaineella R22.
11.9.2015 Kari Alanne Kuva 2. Kompressorilämpöpumpun kiertoprosessi h, log p- diagrammissa kylmäaineella R22. Lämpöpumpun suorituskykyä kuvaava tunnusluku on tehokerroin (engl. Coefficient of Performance, COP). Se ilmaisee, kuinka suuri lämpö- ja/tai jäähdytysteho suhteessa kompressorin vaatimaan sähkötehoon (P) saadaan hyödyksi. Näin muodoin kuvan 1 merkintöjä käyttäen prosessin tehokerroin silloin, kun jäähdytysteho (Q in ) lasketaan hyödyksi saatavaksi tehoksi, määriteltäisiin yhtälöllä (1) Käytännön sovelluksissa tehokerroin COP määritellään yleensä kokonaiselle järjestelmälle (järjestelmän tehokerroin). Jälkimmäisessä tapauksessa sähkötehoon (P) lasketaan kompressorin lisäksi kaikki kokonaisen järjestelmän taserajan sisään luettavien apulaitteiden (taserajasta riippuen pumput, lisälämmitysvastukset jne.) vaatimat sähkötehot. Lämpöpumpun suorituskyky on riippuvainen työaineen painetasoista ja lämpötiloista. Jos lämpöpumppua käytetään esimerkiksi rakennuksen lämmönlähteenä, sen toimintapistettä joudutaan muuttamaan vuoden aikana sääolosuhteista ja lämpimän veden kulutuksesta riippuen. Tällöin myöskään COP ei ole vakio. Systeemitarkasteluissa käyttökelpoisempi tunnusluku olisikin vuotuinen lämpökerroin (Seasonal Coefficient of Performance, SCOP), joka saadaan jakamalla lämpöpumppujärjestelmästä vuoden aikana hyödyksi saatu lämmitysenergia [kwh] vuotuisella järjestelmään syötetyllä sähköenergialla [kwh].
3 Osakuorma-ajo 11.9.2015 Kari Alanne Kaukolämmityksen (kuten myös talokohtaisen lämmityksen) tehonsäätö perustuu verkostoon menevän veden lämpötilan asetusarvon muuttamiseen ulkolämpötilan mukaan siten, että kylmillä ilmoilla verkostoon syötetään kuumaa vettä isolla virtaamalla, kun taas leudoilla säillä riittää matalampi lämpötila ja pienempi virtaama. Lämpöpumppujärjestelmän kannalta osakuorma-ajossa on siis pystyttävä muuttamaan lämpövaraston (ts. lauhduttimen) lämpötilaa ja sen kautta kulkevia kylmäaineen ja kaukolämpöveden massavirtoja. Lämmönsiirto varmistetaan siten, että ylläpidetään jatkuvasti verkoston menoveden lämpötilaa korkeampi kylmäaineen lämpötila. Valittua lämpötilaeroa kylmäaineen ja kaukolämpöveden välillä kutsutaan asteisuudeksi. Säädön kannalta keskeisin yksikköprosessi on kompressori, joka ylläpitää lämpötilavaatimuksen mukaiset lauhduttimen ja höyrystimen painetasot sekä työainekierron. Käytössä on tyypillisesti radiaali- eli keskipakokompressori, jonka energiatehokkain säätötapa on kompressorin juoksupyörän pyörimisnopeuden muuttaminen. Pumppujen tapaan keskipakokompressorille pätevät ns. affiniteettilait, jotka kertovat pyörimisnopeuden (n), paineenkorotuksen (Δp = paine kompressorin painepuolella paine kompressorin imupuolella) ja virtaaman (q) väliset riippuvuudet. Lähtökohtaisesti virtaama on suoraan verrannollinen pyörimisnopeuteen (q n) ja paineenkorotus pyörimisnopeuden neliöön (Δp n 2 ). Lämpöpumppujen yhteydessä virtaavana aineena on kokoonpuristuva kaasu, joka käyttäytyy termodynaamisesti reaalikaasun tavoin. Sekaannusten välttämiseksi onkin affiniteettilakeja sovellettaessa perusteltua ilmoittaa virtaama massavirtana ja käyttää suhteellista mitta-asteikkoa siten, että tunnettu toimintatila (nimellistila) vastaa 100 % massavirtaa/paineenkorotusta ja osakuormatilanteet massavirran/pyörimisnopeuden murto-osia. Tätä murto-osaa nimellistilan virtaamasta/pyörimisnopeudesta kutsutaan myös osakuormakertoimeksi (r). Kompressorin tuottama paine alennetaan paisuntaventtiilin avulla takaisin höyrystimen tasoon. Tässä mielessä kylmäainekiertoa voi verrata pumppulaitokseen, jossa pumppu nostaa vettä laaksossa sijaitsevasta järvestä kukkulan huipulle rakennettuun altaaseen. Sieltä vesi noruu edelleen takaisin järveen, josta se pumpataan uudelleen kukkulan huipulle ja niin edelleen. Paisuntaventtiilin (ja kylmäaineputkiston) paineenpudotus Δp on verrannollinen virtaaman neliöön (Δp q 2 ). Toisin sanoen on olemassa verrannollisuuskerroin K, jolle pätee Δp = Kq 2 (2) Jotta kiertoprosessi voi toimia, kompressorin tuottaman paineenkorotuksen on oltava yhtä suuri kuin järjestelmän paineenpudotus. Kun kompressorin pyörimisnopeutta muutetaan, virtaama ja paineenkorotus (ja näiden mukana työaineen tila) muuttuvat, järjestelmän rakenne ja esimerkiksi työainekierron venttiilien asennot eivät. Näin muodoin voidaan kullekin osakuormalle määritellä toimintapiste, joka sovittaa yhteen kompressorin tuottaman paineenkorotuksen ja järjestelmän paineenpudotuksen siten, että kompressorin pyörimisnopeuden muuttuessa liikutaan muutoksen vaatimaan suuntaan yhtälön (2) kuvaajalla. Kuvassa 3 havainnollistetaan, kuinka laitoksen toimintapiste täydellä kuormalla ja osakuormalla sijoittuvat kuvaajalle.
11.9.2015 Kari Alanne 100% Δp Toimintapiste täydellä kuormalla Toimintapiste osakuormalla 0 100% q Kuva 3. Kompressorin toimintapiste täydellä ja osakuormalla. Höyrystimen ja lauhduttimen välinen paine-ero on toisinaan niin suuri, että puristus on tarkoituksenmukaista toteuttaa kaksivaiheisella kompressorilla. Kaksivaiheinen kompressori tarkoittaa virtausteknisesti kahden kompressorin kytkemistä sarjaan. Tällöin sama massavirta kulkee molempien kompressorien kautta, mutta paineenkorotus on kompressorien yhteenlaskettu paineenkorotus. Analogia on sama kuin sähköopissa, jossa kaksi virtalähdettä kytketään sarjaan. Lämpöpumppuprosessissa sähkövirtaa vastaa työaineen massavirta ja jännitettä paineenkorotus. Mikäli työaineen massavirta jakautuu useammalle eri reitille (esimerkiksi yksikköprosessien ohitusten vuoksi), jakautuminen tapahtuu muutostilanteessa (osakuorma-ajossa) alkuperäisten massavirtojen suhteessa, ellei järjestelmän rakenne (venttiilien asento) muutu. Virtauksen suunta on aina kohti kompressorien imupuolta ja poispäin kompressorien painepuolesta. Kun prosessi on paineiden ja lämpötilojen kannalta asianmukaisella alueella eli lähellä työaineen neste-höyry-faasinmuutosaluetta (kuten on suotavaa lämpöpumppuprosessin tapauksessa), työaineen termodynaamiset tilat ikään kuin napsahtavat tietyissä kohdin tiettyihin arvoihin. Erityisesti on hyvä tiedostaa, että 1) höyrystimen jälkeen, 2) lauhduttimen jälkeen ja 3) mahdollisen välisäiliön jälkeen (2-vaiheinen puristus) vallitsee oikein toimivassa prosessissa aina kylläinen tila (joko neste- tai höyryfaasin puolella). 4 Katri Valan lämpöpumppulaitos Katri Valan lämpöpumppulaitos koostuu kaksivaiheisesta kompressorista, höyrystimestä, välijäähdyttimestä, välisäiliöstä ja lauhduttimesta. Kompressorin jälkeinen tulistettu höyry (tilapiste 3, kuvan toimintatilanteessa 100 C) johdetaan lauhduttimelle, jossa tapahtuu faasimuutos (3-4). Korkeapaineinen lauhde alijäähtyy välijäähdyttimessä (4-5) luovuttaen lämpöä kaukolämpöverkoston paluuveden esilämmitykseen. Paisuntaventtiilin (5-6) jälkeen lauhde johdetaan välisäiliöön, josta valtaosa siirtyy paisunnan (7-8) kautta höyrystimelle ja (pieni) osa suoraan puristuksen toiseen vaiheeseen (2). Kuten kuva 4 osoittaa, osa työaineesta voitaisiin johtaa välijäähdyttimen ja säiliön ohitse, mutta tätä mahdollisuutta ei ole käytetty.
11.9.2015 Kari Alanne Kuva 4. Katri Valan lämpöpumppulaitoksen periaatekaavio. 5 Tehtävänanto Tarkastellaan Katri Valan lämpöpumppulaitoksen kiertoprosessia ja oletetaan, että osakuorma-ajo on toteutettavissa 2-vaiheisen kompressorin pyörimisnopeutta muuttamalla. Osakuormatilanteessa kaukolämpöverkon meno- ja paluuveden lämpötilat ovat 65/25 C. Kaukojäähdytysverkon menoveden lämpötila on myös osakuormatilanteessa sama kuin alkuperäisessä toimintatilassa eli 5.1 C. Lauhduttimen ja välijäähdyttimen asteisuudeksi voidaan olettaa 3 C. 1. Määrittäkää laitoksen toiminta- ja tilapisteet sekä massavirrat ja arvioikaa laitoksen COP alkutilanteessa (kuva 4) ja osakuormalla. 2. Pohtikaa säätötavan toteutettavuutta. Millä muilla tavoin kompressoria voitaisiin säätää? Kompressorien sähköhyötysuhde on 0.91 ja isentrooppihyötysuhde voidaan laskea korrelaatiosta η s = 0.8 [1 (0.191 0.409 r + 0.218 r 2 )] (3) missä r on osakuormakerroin. Kirjallisuutta Helsingin Energia Oy:n verkkosivu Katri Valan voimalaitoksesta: https://www.helen.fi/kotitalouksille/neuvoa-ja-tietoa/tietoameista/energiantuotanto/voimalaitokset/katri-vala/ Höyrytaulukoita: http://www.peacesoftware.de/einigewerte/