Warmtepomp COP

1

Warmtepomp-C.O.P. van definitie tot verkoopargument;

Inleiding;De oliecrisis begin jaren zeventig initieerde een energiekosten gedreven interesse voor warmtepompen. De lage energieprij-zen en het afschaffen van subsidies in de jaren tachtig liet de warmtepomp in vergetelheid wegzakken. Voor het opwekken van elektriciteit, warmte en kracht worden grote hoeveelheden fossiele brandstoffen verbrand. De daarbij vrijkomende CO2 heeft een grote invloed op het broeikaseffect en uiteindelijk ons klimaat. Dat laatste is dan ook waarom de EU haar beleid heeft aangescherpt en de bijdrage van duurzame energie aan het energieverbruik in 2010 wil zien verdubbelen. Het grote aandeel van warmtepompen in dit beleid heeft voor een wederopstanding, zeg maar gerust hype gezorgd.

Een nadelige bijwerking van een hype is dat de markt over-spoeld wordt met onvolledige informatie ten dienste van hogere verkoopcijfers. Het rendement van een warmtepomp, verpakt in het Engelse C.O.P. (coefficient of performance) verwordt van definitie tot verkoopargument. In principe is daar niets mis mee, maar wel als het te pas en onpas gebruikt wordt, zonder enige relatie met het gebruiksdoel, de toepassing en wijze van bedrijfsvoeren. Dit artikel heeft als doel de spreekwoordelijke appels en peren in de C.O.P. communicatie te scheiden.

Net zoals water niet bergopwaarts stroomt, zal warmte ook niet vanzelf van een lagere temperatuur Tb(K) (b voor warmte-bron) naar een hogere Ta (K) (a voor warmte-afgifte) stromen. Daarvoor is energie nodig. De theoretisch haalbare COP, Carnot rendement genoemd, betrokken op de bron en afgifte is dan

COPcarnotbron+afgifte

=Ta

(Ta-Tb

In de grafiek 1 is voor de meeste toepassingen, de theoretische COP te vinden.Het Carnot rendement daalt net zo hard als het te overwinnen temperatuur-verschil stijgt!

De werkelijke COP ligt een stuk lager. De verhou-ding tussen de werkelijke- en theoretische COP noemen we het totale rendement.COP

werkelijk = η

totaal x COPcarnot

bron+afgifte

Ter indicatie dienen volgende maximum waardes voor de huidige op de markt aanwezige warmtepompen incl. randapparatuur met variabele temperatuur van warmte-bron en warmteafgifte over het gehele jaar.

Warmtebron ηtotaal

Omgevingslucht 0.40

Aardwarmte (sondes) 0.45

Grond-, rivier- en meerwater 0.50*Ausbildungsmodul Geothermei Waermepumpen Dr.Martin Zogg

In dit totaal rendement zijn de volgende zaken verdis-conteerd;

1. Dat de temperatuur van de warmtebron meestal niet constant is zie grafiek 2, bepaald door de seizoensinvloe-den maar ook door dat er warmte onttrokken cq. toegevoerd wordt.

2. Dat de warmteafgifte temperatuur meestal niet constant is. Zie grafiek 3

3. Dat er randapparatuur zoals pompen en andere hulpapperatuur nodig zijn om de warmte te transporte-ren en te verdelen.

4. Dat de warmte via warmtewisselaars moet worden overgedragen. Voor de hoogst moge-lijke COP moet het temperatuurverschil zo klein mogelijk zijn tussen warmtebron-retourtempe-ratuur en verdampingstemperatuur c.q. warmteafgif-tetemperatuur en condensatietemperatuur.

a. Bij de condensor is een temperatuurverschil van <3K commercieel en technisch haalbaar.

b. Bij de verdamper ligt het aan de wijze van verdam-pen . Wordt gekozen voor een bad- of sproeiverdamper(FX) is de ondergrens ca. 1K. Bij vollast wordt meestal op een temperatuurverschil ontworpen van <3K. Bij een verdamper waar de koudemiddelhoeveelheid geregeld wordt op basis van de uittredeoververhitting (DX) zal het tempera-

door:Titus M.C. Bartholomeus,Senior Development Engineer, Grasso Products b.v.

3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90

Temperatuursverschil ta-tb

CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3

COP en Qc toename door gebruikZWW (rend.=0,6) to=0'C dTov=15K

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20

Buitentemperatuur oC(Bron; VDI-2067)

War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%

R407C met ZWW rend=0,6R717 2-traps zonder ZWWR600 met ZWW rend=0,6R717 zonder ZWW met warmteafgifte op TD

R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)

GrondwaterOppervlakte waterLuchtBereik

Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20

Buitentemperatuur oC

Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C

Warmteafgifte 45/950C

COP carnot to/tc=0/55'C

3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

Pto/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

Pto/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



2

tuurverschil tenminste moeten overeenkomen met de minimaal stabiele oververhitting. Zie ook grafiek 7. Gebruikelijk ca. 7 á 8K, vandaar dat DX daarmee altijd een slechtere COP (4 tot 9%) heeft als FX.

c. Het gekozen koudemiddel heeft een grote invloed op de warmteoverdracht. Ammoniak (R717) heeft een veel betere warmte overdracht bij condenseren en verdampen als de synthetische koudemiddelen. Bij gelijk warmtewisselend oppervlak kan dat gemakke-lijk 1 graad schelen.

Het Carnot rendement voor de warmtepomp, waarin de warmtewisselaartemperatuurverschillen verwerkt zijn is;

COPcarnotwarmtepomp

=Tc

(Tc-To)

Tc en To zijn de condensatie- respectievelijk verdam-pings temperatuur.

5. Het rendament van de warmtepomp zelf heeft natuurlijk de grootste invloed. Reden om er dan ook de rest van dit artikel aan te wijden.

De warmtepomp bestaat er in diverse technische uitvoe-ringen. De technisch en commercieel meest uitgerijpte concepten zijn de compressie- en absorptie warmte-pomp. De compressie warmtepompen hebben een veelvoud hogere COP als de absorptieversies. De aanweziogheid van voldoende afvalwarmte van hoogni-veau maakt het gebruik van absorptie pompen zeker interessant. Dit artikel gaat over C.O.P. als verkoopargu-ment zodat we de compressie warmtepomp als hoogst haalbare verder zullen gaan uitdiepen.

Bekijken we het theoretische proces, zie grafiek 4, zien we dat;• van 1 naar 2 de isentropische compressie P,• van 2 naar 3 de isobare en deels isotherme warmteaf-

gifte in de condensor Qc,• van 3 naar 4 de isenthalpe smoring,• Van 4 naar 1 de isobare en deels isotherme warmte

opname Qo, plaats vindt.

De verhouding van de theoretische condensorwarmte gedeeld door de theoretische compressiearbeid is de theoretische COP van de warmtepomp;

COPthwarmtepomp

=Qc

P

In enthalpie uitgedrukt;

COPthwarmtepomp

=(h2-h3)

(h2-h1)

Voor de conditie to=0oC oververhitting=15K en tc=55oC zien de rendementen voor een aantal bekende industri-ele koudemiddelen er als volgt uit; * COPth kJ/m3 NKP t25 t50 tcrit ODP GWP

R507 3,95 3553 -47,3 54,1 68 72,8 0 3900

R404A 4,01 3506 -46,7 55,1 69,4 72 0 3800

R410A 4,17 5150 -51,7 42,9 67,4 69,6 0 2000

R407C 4,45 3410 -43,9 57,1 82,9 86 0 1700

R134A 4,6 2265 -26,2 79,3 98,6 101 0 1300

R22 4,62 3677 -40,9 63,1 93,4 96 0,05 1700

R717 4,82 4241 -33,5 59,6 89,7 132,3 0 0

R600 4,89 898 -0,5 129,1 148,7 152 0 20

* Berekend met ASEREP32

kJ/m3 condensorcapaciteit per m3 verplaatst slagvolume

NKP kookpunt bij atmosferische druk

t25, t50 condensatietemperatuur bij 25 resp. 50 bar werkdruk

tcrit kritische temperatuur van het koudemiddel.

De afstand van het werkpunt tot de kritische tempera-tuur heeft een significante invloed op de COP, zie grafiek 5, en de volumetrische condensorcapaciteit, zie grafiek 6.

3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



3

Hoe hoger de kritische temperatuur, hoe dichter COPthwarmtepomp in de buurt komt van COPcarnotwarmtepomp maar des te minder condensorcapaciteit geleverd wordt bij gelijk slagvolume. Ammoniak wijkt daar in zeer positieve zin vanaf!

Welke middelen zijn er nu om het rendement op te vijzelen? Omdat in het carnot-rendement de condensor-warmte in de teller staat en de compressiearbeid in de noemer, is het antwoord op deze vraag eenvoudig en wel; - verhoog de condensorwarmte en/of - verlaag de compressiearbeid

Een vermindering van de compressiearbeid zal weliswaar de condensorwarmte verminderen, maar de COP zal toch toenemen. Ga maar na, uitgaand van bijv. een COP van 4, zal een 25% verbetering op de compressiearbeid de COP laten toenemen naar (4-0,25)/(1-0,25)=5!

1. Het verhogen van de condensorwarmte kan door;a. De warmtedrager aan de afgiftekant het condensaat te laten onderkoelen. Het optimum wordt dus bereikt bij een oneindig grote onderkoeler en lage retourtempera-tuur van het op te warmen medium. Een groot tempera-tuurverschil van het op te warmen medium is dan gunstig.

Gebruik maken van andere mogelijkheden om het condensaat te onderkoelen is een veelgemaakte fout, ingegeven door een koeltechnisch denken. Ga maar na; de compressor blijft dezelfde hoeveelheid gas verplaatsen, immers de drukverhouding en aanzuigconditie verandert niet (h1 blijft gelijk). De enthalpie van het persgas neemt ook niet toe (h2 blijft gelijk). Er verandert dus niets.

b. de persgastemperatuur te verhogen door;• de nuttige oververhitting in de verdamper te laten

toenemen. Dit is een contradictie, namelijk des te hoger de oververhitting bij gelijke aanvoertempera-tuur van de warmtebron, des te lager de verdam-pingstemperatuur moet zijn. Dat laatste zal dan een daling van de COP betekenen, zie grafiek 7.

• gebruik te maken van een warmtewisselaar die het condensaat onderkoelt door opwarming van het zuiggas. De dichtheid van het zuiggas neemt hiermee af, daarmee de hoeveelheid circulerend koudemiddel en dus de capaciteit. Nemen we een zuiggaswarmte-wisselaar (ZWW) met een rendement van 0,6 dan blijkt de COP en dus condensatiewarmte fors toe te nemen bij stijgende condensatie-temperatuur, Zie grafiek 8. Bij ammoniak is het resultaat ook positief (+17% bij tc=45C) maar belemmert een te hoge persgastemperatuur het praktisch gebruik.

• Het condensor-massadebiet verhogen door gebruik te maken van 2-traps compressie met koude-middelinjectie op de tussendruk resulteert in een marginale C.O.P. verhoging bij ammo-niak en verlaging bij de synthetisch koudemid-delen. Gaan we de tusseninspuiting gebruiken om het condensaat te onder-koelen is het resultaat voor alle koudemiddelen negatief (R717 <10%, R134A en R407C >>10%)

2. Het verlagen van de compressiearbeid door:a. meertrapscompressie haalt niets uit bij de systemen

met tusseninspuiting. b. Warmteafvoer tijdens de compressie is bij zuigercom-

pressoren geen optie, er is eenvoudig geen tijd en oppervlak om voldoende warmte te kunnen afvoe-ren. Bij schroeven wordt de voor de afdichting gebruikte olie als afkoelmiddel gebruikt.

c. Als de retourtemperatur van het op te warmen water voldoende laag ligt, bestaat er de mogelijkheid om bij ammoniak op de tussendruk warmte uit het persgas te halen. Deze extra warmte verhoogt daardoor de COP.

3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



4

Zetten we al deze effecten uit in een grafiek, en vergelijken we dit t.o.v. R134A T0 = 0OC dTov=15K.(Zie grafiek 9)

Conclusie; Koudemiddelen met een hoge kritische tempera-tuur geven de beste COP, de natuurlijke koudemiddelen zijn wat dat betreft superieur. Om water van 70’C te maken heeft R134A bijna twee keer zo veel slagvolume nodig als ammoniak (HD+LD) en ca. 1,5x zoveel als R407C.

Bij ammoniak zullen de hoge druk cilinders wel tegen een hogere druk bestand moeten zijn als de gebruikelijke 25bar(e). Voor R407C geld hetzelfde voor het gehele persdeel. De Grasso 5-HP serie is bestand tegen een persdruk van 50bar(e). Het uiterst brandbare butaan(R600) heeft ca. 2,5x het slagvolume nodig van R134A dus 5x dat van ammoniak en lijkt daarom commercieel oninteressant.

Hoe zit het nu met het in de praktijk haalbare rendement?Daar we op zoek zijn naar de hoogst haalbare COP, zullen we de energetisch op de zuigercompressor in het nadeel zijnde schroefcompressor buiten beschouwing laten. De te behalen energiebesparing is blijkbaar zo hoog, dat een collega producent er een volledige uitgave van hun HVAC&R ENGINEERING update aan wijdt. De conclusie van dat rapport zullen we volledigheidshalve letterlijk citeren; “For air-conditioning or heat-pump duty, the energy-cost savings of reciprocating chillers can exceed the maintenance-cost savings of screw chillers by 100 to 300%!”

De dichtheid van het gas heeft een grote invloed op het compressorrendement. Een zwaar gas heeft een posi-tieve uitwerking op de compressorkoeling en resulteert in een hoger isentropisch rendement. Hoe zwaarder het gas des te hoger de drukverliezen wat het volumetrisch rendement drukt. Hoe zwaar deze invloed is wordt dagelijks gemeten in de compressor-laboratoria van de diverse compressorfabrikanten. Voor toetsing aan de praktijk nemen we een Grasso-10 compressor, die getest is op de koudemiddelen R717, R22, R134A, R507, R404A enR407C. Als uitgangspunten nemen we;• een aanzuigverzadigingtemperatuur van 0oC, • nuttige oververhitting synthetische koudemiddelen

van 15K (ammoniak=0K)• bij de synthetische koudemiddelen 1-traps compres-

sie

• bij ammoniak 2-traps compressie als de max. persgas-temperatuur overschreden wordt.

• bij de synthetische koudemiddelen een ZWW met een rendement van 0,6 (rendement van 1 betekent dat het zuiggas eruit komt met dezelfde temperatuur als het binnenkomende condensaat).

• bij ammoniak tevens warmteafgifte op de tussendruk• temperatuurverschil tussen de verdampings- en

bronretourtemperatuur van 3K,• temperatuurverschil warmtebronmedium over de

verdamper van 5K, dus de jaargemiddelde brontem-peratuur wordt dan 8oC

• 3 verschillende condensatietemperaturen 45, 60 en 75oC

• temperatuurverschil tussen de condensatietempera-tuur en jaargemiddelde afgiftetemperatuur van 3K, worden de jaargemiddelde afgiftetemperaturen resp. 42, 57 en 72oC

• temperatuurverschil warmteafgiftemedium 20K• gebruik van lage warmteafgifte temperatuur voor

onderkoeling. Temperatuurverschil uittrede conden-saat en retourtemperatuur 3K, daarmee is de extra onderkoeling 20K

De maximaal bereikbare warmtepomp vollast COP’s worden dan;tc/KM Carnot* R717 R134A R407C

45 9.27 5.52 4.66 5.02

60 6.74 4.40 3.68 3.88

75 5.39 3.68 3.07 3.11

* op bron afgifte

Kan de koeling nuttig gebruikt worden dan wordt in de teller bij het condensorvermogen het koelvermogen opgeteld en krijgen we onderstaande getallen.

tc/KM R717 R134A R407C

45 10,04 8,32 9,04

60 7,8 6,36 6,76

75 6,36 5,14 5,22

Deze waardes overstijgen zelfs het Carnot rendement van de bronafgifte. Allemaal een kwestie van defini-tie dus!!!

Mocht u reacties en/of vragen hebben over dit artikel of een van de vorige dan kunt u contact opnemen met: Grasso Products b.v. [email protected]. Alle artike-len kunt u terugvinden op de www.grasso-global.com, News & Events, Latest News.

3

4

5

6

7

8

9

40 50 60 70 80 90


CO

P C

arn

ot

+/-5

%

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 40 60 80 100 120

Tcrit-Tc K

CO

P

to/tc=0/55C

10

100

1.000

10.000

10 100 1.000Tcrit-Tc

Qo

/m3

kJ/m

3


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

40 50 60 70 80 90tc

R134AR407CR600NH3

-10

-5

5

10

20

15

0

-10 -5 0 5 1510 20


War

mte

bro

nte

mp

erat

uu

r o

C

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

45,00 60,00 75,00

tc 'C

CO

P in

%


R507/404AR410AR407CR134AR22R717R600

R507/404AR410AR407CR134AR22R717(NH

3)

R600R718(H

2O)


Entropie S

Qo

Tc

To

Qc

P

Tem

per

atu

ur

10

20

40

50

70

60

30

-10 100 20


Aan

voer

tem

per

atu

ur

oC

Enthalpie h

log

p

1

1

1Q

0

Qc

P

2

2

2

3

3

3

4

4

2‘

TBin

TBuit

T0

dTuit

dToververhitting

2‘

Grafiek 1 Grafiek 7

Grafiek 5

Grafiek 4

Grafiek 4

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 6

Grafiek 8

Grafiek 9

Warmtebron -5/300C



Warmtepomp COP

Documents

Transcript of Warmtepomp COP