Rendement van multifunctionele bodem gekoppelde warmtepompen

WA R M T E P O M P E N W E T E N S C H A P

RCCTotalEnergy RCC Total Energy – Schoon & zuinig koelen en verwarmen

Door Vasile Minea Hydro-Québec Research Institute, Canada

Simultaneous performance factors for combined multifunctional ground-source heat pumps

Rendement van multifunctionele bodemgekoppelde warmtepompen

Een bodemgekoppelde warmtepomp kan een woning op energiezuinige wijze verwarmen of koelen en een huishouden daarbij ook nog eens voorzien van warm water. De geleverde vermogens en de rendementsfactoren van bodemgekoppelde warmtepompen verschillen naargelang de bedrijfsomstandigheden. Het Hydro-Québec Research Institute heeft een multifunctionele bodemgekoppelde warmtepomp ontwikkeld die gebouwen kan verwarmen (met stralingswarmte via vloerverwarming of met condensatiewarmte via heteluchtverwarming) en koelen (met een luchtkoeler), en die (door een speciale warmtewisselaar) tegelijkertijd warm water kan leveren voor huishoudelijk gebruik (warm huishoudwater, WHW). Voor deze koudedrager/koudemiddel-luchtwarmtepomp, die speciaal werd ontworpen voor het kille klimaat van Oost-Canada, worden in dit artikel enkele vereenvoudigde testmethoden beschreven. Bovendien komen verschillende methoden aan bod om de gelijktijdige rendementsfactoren te berekenen op basis van de ASHRAE 137-norm. In Canada wordt in de winter nog veel gebruikgemaakt van heteluchtverwarming, hoewel vloerverwarmingssystemen zo hun eigen voordelen bieden, zoals een gelijkmatige luchttemperatuurverdeling en een hoge mate van thermisch comfort. Bovendien zijn de zomers in Canada dermate warm en vochtig, dat luchtkoeling en -ontvochtiging eigenlijk onmisbaar is. Anderzijds zorgt warmwatervoorziening met de warmtewisselaars van de warmtepomp (zowel tijdens verwarmen als koelen)

voor een energiekostenbesparing en voor een algehele prestatieverbetering. Al deze overwegingen hebben geleid tot de ontwikkeling van een 7 kWc (nominaal koelvermogen) multifunctionele bodemgekoppelde warmtepomp die gebruikmaakt van het koudemiddel R410A [1, 2, 3] (zie foto 1). Het systeem kent drie verschillende standen: ruimteverwarming door stralingsverwarming door de vloer (vloerverwarming&WHW), ruimteverwarming door een luchtverwarmer

13

Foto 1 – Prototype van multifunctionele bodemgekoppelde warmtepomp (GEOPAC-LTE)



Afbeelding 1 – Principeschema prototype bodemgekoppelde warmtepomp C: compressor; A: zuiggas/vloeistofafscheider; LR: vloeistofvat; DSH: warmtewisselaar; RV: omkeerklep; F/D: filter/ droger; P: koudedrager- of watercirculatiepomp; F: stromingsschakelaar; DHW: huishoudelijk warm water; E: elektrische energie; Q: warmte

(luchtverwarming&WHW) en ruimtekoeling of -ontvochtiging door een luchtkoeler (luchtkoeling&WHW). In al deze standen wordt – door de warmtewisselaar van de warmtepomp – tegelijkertijd water opgewarmd voor huishoudelijk gebruik. De warmtepomp is voorzien van een eenvoudig bedieningspaneel dat gemotoriseerde kleppen aanstuurt. Hiermee kan het systeem naar keuze worden ingeschakeld (zie afbeelding 1). De geothermale vloeistof (koudedrager) bevat (qua gewicht) 25% antivries en circuleert in een gesloten circuit tussen een (op 122 meter diepte gelegen) verticale U-buis warmtewisselaar. In deze warmtewisselaar wordt koude afgevoerd in de standen vloer- en luchtverwarming en warmte afgevoerd in de stand luchtkoeling. De stralingsvloer bestaat uit een betonnen plaat van 100 mm waarin de warmtepompcondensor horizontaal is ingebouwd. De luchtbehandelingsunit met ventilator en luchtkoeler kan, naargelang de behoefte van de gebruiker, op luchtverwarming of luchtkoeling worden ingesteld. De coaxiale warmtewisselaar van de warmtepomp is aangesloten op een warmwatersysteem dat bestaat uit een circulatiepomp, een opslagtank met een

inhoud van 151 liter en standaard regelapparatuur. Voor dit multifunctionele warmtepompsysteem werden enkele testprocedures voorgesteld, alsmede diverse methoden om het seizoenrendement te berekenen. Deze procedures en methoden zijn daarna getest in het laboratorium [2].

Achtergrondinformatie De efficiency van luchtwarmtepompen is sterk afhankelijk van de temperatuur en vochtigheid van de buitenlucht. Voor dit soort systemen kunnen bruikbare berekeningen met bepaalde vaste uitgangspunten tot positieve resultaten leiden inzake het jaarlijkse energiegebruik, mits verschillende temperatuurintervallen en tijdperioden afzonderlijk worden beoordeeld. Deze benadering wordt ook wel de BIN-methode genoemd, omdat het energiegebruik wordt berekend voor verschillende buitentemperaturen en vervolgens wordt vermenigvuldigd met het aantal uren in het temperatuurbereik (bin) dat rondom die temperatuur is gecentreerd. Voor lucht/lucht-warmtepompen moet krachtens de ASHRAE 137-norm voor elke bin het volgende worden opgegeven: de verwarmings- en koelcapaciteit van het hele gebouw, de

14

totale hoeveelheid energie die nodig is om WHW te leveren aan de consument, de hoeveelheid elektrische energie die wordt verbruikt door eventuele aanvullende elektrische verwarming en de hoeveelheid elektrische energie die door de warmtepomp wordt gebruikt [4]. De temperatuurgegevens moeten worden aangeleverd in de vorm van bins van 2,7°C, waarbij moet worden vermeld gedurende hoeveel uren elke bin zich voordoet. Bij dit onderzoek werd de BIN-methode toegepast op ruimteverwarming of -koeling met gelijktijdige warmwater verwarming door middel van een bodemgekoppelde warmtepomp. De methode gaat er vanuit dat de gebruiksomstandigheden gemiddeld zijn en zich in het midden van elke bin bevinden. De seizoensgebonden rendementsfactoren worden berekend voor vloer- en luchtverwarming (space floor/ air heating, SPFH) en voor luchtkoeling (space air cooling, SPFC), alle met inbegrip van gelijktijdige WHWverwarming. SPFH staat voor de som van het totale ruimteverwarmingsvermogen en het bruikbare deel van het totale waterverwarmingsvermogen, verdeeld over het totale energiegebruik (compressor, waterpompen en – indien



van toepassing – aanvullende elektrische waterverwarmer). SPFC is dan de som van de totaal geleverde ruimtekoeling en het bruikbare deel van het totale waterverwarmingsvermogen, verdeeld over het totale energiegebruik (compressor, waterpompen, ventilator en – indien van toepassing – elektrische waterverwarmer). De BIN-methode van IEA HPP Annex 28 is overigens in diverse Europese normen ingevoerd als ‘stapsgewijze’ rekenmethode [5].

Vereenvoudigde testmethode Voor bodemgekoppelde warmtepompen die tegelijkertijd verwarmen en WHW leveren, is een vereenvoudigde testmethode ontwikkeld die consistent is met de ASHRAE 137-norm (zie afbeelding 2). Er zijn in totaal 18 testwaarden nodig, waaronder de doorstroomsnelheid en temperatuur van de geothermale vloeistof (koudedrager), de doorstroomsnelheid, druk en temperatuur van het koudemiddel, het elektrisch opgenomen vermogen, en de temperatuur

van opgewarmde vloer, lucht en warm water. Er moet een continue waterdoorstroming zijn tussen de opslagtank en de warmtewisselaar bij een constante aan- en afvoertemperatuur. Alvorens te beginnen met het verzamelen van gegevens, moeten de warmtepomp en de waterpomp één uur draaien in de geselecteerde stand. De gegevens worden met intervallen van twee tot tien minuten geregistreerd. Dit gaat zo door totdat vier opeenvolgende gegevenssets zijn verzameld, waarbij aan alle testtoleranties is voldaan. De metingen en berekeningen van het vermogen voor luchtverwarming en luchtkoeling moeten voldoen aan de vereisten van de ASHRAE 116-norm [6]. Volgens deze norm moeten energieberekeningen worden uitgevoerd aan koudemiddelzijde (enthalpieberekeningsmethode) en aan luchtzijde voor respectievelijk de stralingsvloer en de luchtgekoelde condensor en voor de luchtkoeler. Het verwarmingsvermogen voor WHW wordt voor alle steekproefgegevens bepaald

Afbeelding 2 – Vereenvoudigde testmethode volgens ASHRAE 137-norm

15

aan de hand van de doorstroomsnelheid en de temperatuur van het water dat de warmtewisselaar binnenkomt en weer verlaat. De koudemiddel-enthalpieberekeningsmethode kan ook worden toegepast om het waterverwarmingsvermogen van de warmtewisselaar vast te stellen. Hiertoe moet de druk en de temperatuur worden gemeten van het koudemiddel dat de warmtewisselaar binnenkomt en weer verlaat.

Voorgestelde testcondities De energieprestaties van bodemgekoppelde warmtepompen worden vooral beïnvloed door de temperatuur en doorstroomsnelheid van de geothermale vloeistof (koudedrager), door de condensatietemperatuur van het koudemiddel en door het dagelijks verbruik en de temperatuur van WHW. Voor dit soort systemen zijn vier tests ontwikkeld: test A, B, C en D (zie tabel 1). Deze tests corresponderen met vier gelijkmatig verspreide werkgebieden (drie voor verwarming en één voor koeling). Deze werkgebieden beslaan (overeenkomstig de ASHRAE 137-norm) een buitentemperatuur van -30,5°C tot 38,8°C. Aangezien de schommelingen in de temperatuur van de koudedrager relatief gering zijn in vergelijking met de buitentemperaturen, wordt aan het middelpunt van elk geselecteerd interval een vaste invoertemperatuur voor de warmtepomp toegekend. Deze temperaturen vertegenwoordigen vier nieuwe bins (die we hier geo-bins zullen noemen) voor bodemgekoppelde warmtepompen (zie afbeelding 3). In de stand vloerverwarming&WHW of luchtverwarming&WHW kan de warmtepomp onder drie condities functioneren. Deze condities corresponderen met de voorgestelde geo-bins. De conditie ‘lage temperatuur’ treedt op in de winter bij een buitentemperatuur van -30,5°C tot -16,6°C. De koudedrager heeft dan een temperatuur van -5°C (geo-bin 1) als deze de warmtepomp



Tabel 1 – Voorgestelde testcondities voor multifunctionele bodemgekoppelde warmtepompen

binnenkomt. De winterconditie ‘standaard’ komt overeen met buitenlucht bintemperatuurintervallen van -13,8°C tot 0°C (geo-bin 2). De conditie ‘hoge temperatuur’ treedt op tijdens herfst en lente, bij een buitentemperatuur van 2,7°C tot 16,6°C, waarbij de koudedrager de warmtepomp binnentreedt met een temperatuur van +5°C (geo-bin 3). In de stand luchtkoeling&WHW, heeft de koudedrager bij aankomst in de warmtepomp een temperatuur van +10°C (geo-bin 4) en kan de buitentemperatuur oplopen tot 38,8°C. In de standen vloerverwarming en luchtverwarming heeft WHW dat door de warmtewisselaar wordt verwarmd, een minimumtemperatuur van 40°C bij een condensatietemperatuur van 45°C. In

de stand luchtkoeling is de minimumtemperatuur van WHW 30°C bij een condensatietemperatuur van 25°C.

Berekening van gelijktijdige rendementsfactoren De rekenkundige benadering is eigenlijk een uitbreiding van de ASHRAE 137norm. Hierbij worden de gelijktijdige rendementsfactoren berekend voor elk van de vier geo-bins die staan voor de verschillende temperaturen waarmee de koudedrager de bodemgekoppelde warmtepomp binnenkomt. Er zijn laboratoriumtesten uitgevoerd in de standen vloer- en luchtverwarming&WHW en luchtkoeling&WHW, waarbij de temperatuur van de binnenkomende koudedrager dicht bij de vier geo-bins lag. De

gegevens werden om de 15 seconden vastgelegd en om de twee minuten werd het gemiddelde berekend als de compressor in thermodynamisch opzicht een redelijk stabiele werking vertoonde.

Gelijktijdige vloerverwarming en WHW-verwarming In de stand met gelijktijdige vloerverwarming en WHW-verwarming werd de 43-uurs test (test 6) uitgevoerd (zie tabel 2). Hierbij werd de warmtepomp getest met een gemiddelde koudedrager intreedtemperatuur van circa 0°C, net als bij geo-bin 2 voor de winterconditie ‘standaard’. De temperatuur van de stralingsvloer varieerde van 28°C tot 32°C, waardoor de binnentemperatuur uitkwam op 20°C tot 25°C, terwijl de buitentemperatuur schommelde tussen 0°C en -10°C (zie afbeelding 4). Het verbruik van warm huishoudwater verliep exact volgens het Canadese gebruikspatroon, en kende een betrouwbaarheid van 95% [7]. De temperatuur

Afbeelding 3 – Samenhang tussen de buitenlucht bintemperatuurintervallen en de voorgestelde warmtepomp inlaattemperaturen voor de koudedrager (geo-bins) [2]

16



van de oververhitte damp van het koudemiddel in de warmtewisselaar varieerde van 15°C tot 20°C, terwijl de condensatietemperatuur binnenin de stralingsvloer gemiddeld 45°C bedroeg (zie afbeelding 5). Met deze variabelen liep de temperatuur van het WHW uit de opslagtank op tot ongeveer 41°C. Hierbij werd geen gebruik gemaakt van aanvullende elektrische verwarming. Tijdens test 6 gebruikte de compressor 78,1%, de koudedragerpomp 15,2% en de warmwater-circulatiepomp 6,7% van de totaal benodigde hoeveelheid energie (61 kWh) (zie afbeelding 6). Daarbij leverde de warmtepomp 82,1% van alle thermische energie aan de stralingsvloer en 17,1% aan de warmtewisselaar (zie afbeelding 7). Als de koudedrager de warmtepomp intreedt met een temperatuur van 0°C (test A, geo-bin 2), kunnen de rendementsfactoren voor gelijktijdige ruimteverwarming en WHW-verwarming worden berekend met de volgende formule [4]:

Tabel 2 – stand vloerverwarming&WHW – gemiddelde variabelen

Afbeelding 4 – Gemiddelde temperaturen van binnen- en buitenlucht en gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de stralingsvloer (in de stand vloerverwarming&WHW - test 6)

Voor de wateropslagtank van 151 liter werden de standby-verliezen op 69 Watt geschat (op basis van het temperatuurverschil tussen het opgeslagen warme

water en de gemiddelde ruimteluchttemperatuur). Aan de hand van al deze gegevens konden de rendementsfactoren voor gelijktijdige ruimte- of vloerver-

Afbeelding 5 – Grafiek met koudemiddeltemperaturen bij intrede (IN) en uittrede (OUT) van de warmtewisselaar en met condensatietemperaturen (in stand vloerverwarming&WHW - test 6)

Afbeelding 6 – Verdeling van energieverbruik (in stand vloerverwarming&WHW - test 6)

17

warming en WHW-verwarming worden berekend. Bij test 4 bedroeg de rendementsfactor 4,3 en bij test 6 was deze 4,4 bij een gemiddelde energiebalansafwijking van 6,2% (zie tabel 4). Voor de wateropslagtank van 151 liter werden de standby-verliezen op 69 Watt geschat (op basis van het temperatuurverschil tussen het opgeslagen warme water en de gemiddelde ruimteluchttemperatuur). Aan de hand van al deze gegevens konden de rendementsfactoren voor gelijktijdige ruimte- of vloerverwarming en WHW-verwarming worden berekend. Bij test 4 bedroeg de rendementsfactor 4,3 en bij test 6 was deze 4,4 bij een gemiddelde energiebalansafwijking van 6,2% (zie tabel 4).

Gelijktijdige luchtkoeling en WHW-verwarming De rendementsfactoren voor gelijktijdige ruimteluchtkoeling en WHW-verwarming werden berekend op basis van

Afbeelding 7 –Verdeling van totaal gegenereerde thermische energie (in stand vloerverwarming&WHW - test 6)



diverse 24-uurs testen. Het verbruik van warm huishoudwater verliep hierbij exact volgens het Canadese gebruikspatroon en kende een betrouwbaarheid van 95% (zie tabel 5). Bij test 13 had de koudedrager een temperatuur van 10°C bij intrede in de warmtepomp. Deze temperatuur is gelijk aan de zomerconditie ‘hoge temperatuur’ (zie tabel 1). Tijdens test 13 bedroeg de binnenluchttemperatuur in de testruimte circa 25°C. De gemiddelde temperatuur van het koudemiddel dat de warmtewisselaar binnenkwam, was bij gelijktijdige luchtkoeling en WHW-verwarming veel lager (46,3°C, zie afbeelding 8) dan bij vloerverwarming en WHW-verwarming (80°C, zie afbeelding 5). Bovendien condenseerde het gecomprimeerde gasvormige koudemiddel in de warmtewisselaar tijdens de eerste zeven uur van de test bij een temperatuur van 20°C. Als gevolg daarvan kwam de maximumtemperatuur van het voorverwarmde huishoudwater lager uit (op circa 33°C). De totale energie werd bij deze test gedeeld door de compressor van de warmtepomp (42,4%), de ventilator convector (26,1%), de koudedrager (23,5%) en de warmwater-circulatiepompen van de warmtewisselaar (8%) (zie afbeelding 9). Als de koudedrager de warmtepomp binnentreedt met een temperatuur van 10°C (test D, geo-bin 4), kunnen de rendementsfactoren voor gelijktijdige ruimtekoeling en WHW-verwarming worden berekend met de volgende formule:

De rendementsfactor bedroeg 5,62 (bij test 13) en 6,81 (bij test 10) met een energiebalans-afwijking van 4,5 tot 5% (zie tabel 6).

Conclusie De ASHRAE 137-norm voor lucht/ lucht-warmtepompen is nu ook van toepassing op bodemgekoppelde

Tabel 4 – Energiebalans en gelijktijdige rendementsfactoren in stand vloerverwarming&WHW warmtepompen die in koude weersomstandigheden worden ingezet en die gelijktijdig kunnen verwarmen en koelen en WHW kunnen verwarmen. Er werd een vereenvoudigde testprocedure ontwikkeld, alsmede een rekenmethode voor gelijktijdige rendementsfactoren, beide in overeenstemming met deze norm. De veronderstelde samenhang tussen buitenluchttemperaturen en grondtemperaturen brengt het aantal buitenluchtbins voor bodemgekoppelde warmtepompen terug tot vier. De vier werkgebieden (geo-bins) staan voor de verschillende temperaturen waarmee de koudedrager de bodemgekoppelde warmtepomp binnentreedt: -5°C, 0°C en +5°C in de standen vloerof luchtverwarming&WHW, en 10°C in de stand luchtkoeling&WHW. Deze werkgebieden corresponderen met vier buitentemperatuurintervallen, waarvan de boven- en ondergrens zijn vastgelegd. Experimentele tests toonden aan dat de

gelijktijdige rendementsfactor bij vloerof luchtverwarming&WHW circa 4,2 bedroeg. Bij luchtkoeling&WHW lag de rendementsfactor aanzienlijk hoger (5,6 tot 6,9). Dit komt door de lagere condensatietemperaturen en door het gelijktijdig verwarmen van WHW. Berekeningen van het verwarmingsvermogen voor WHW, afgezet tegen de totale warmte

18

Afbeelding 8 – Grafiek met koudemiddeltemperaturen bij intrede (IN) en uittrede (OUT) van de warmtewisselaar en met condensatietemperaturen (in stand luchtkoeling&WHW - test 13)

Afbeelding 9 – Verdeling van energieverbruik (in stand luchtkoeling&WHW test 13)



Tabel 5 – stand luchtkoeling&WHW – gemiddelde variabelen

die door de warmtepomp in de standen vloerof luchtverwarming&WHW werd geleverd, toonden aan dat de warmtewisselaar 17 tot 20% van het totale verwarmingsvermogen kan terugwinnen. In de stand met gelijktijdige luchtkoeling&WHW kwam dit percentage uit op 11 tot 18% van de totale warmteafvoer van de warmtepomp.

Bibliografie 1. Minea, V. – Mono-fluid Heat Pump with Desuperheater for Domestic Hot Water Heating, Experts Meeting of IEA HPP Annex 28, October 16-17, 2003, Lyon, France. 2. Minea, V. – North American Test Procedures and Calculations for Residential Heat Pumps with Combined Space and Domestic Hot Water Heating, IEA HPP Annex 28, Canada Interim Report, November 2003. 3. Minea, V. – Test Rig with GSHP for Space Heating, DHW and Cooling, International Workshop of IEA HPP Annex 28, June 2 - 4, 2004, Tokyo, Japan. 4. ASHRAE Standard 137-1995 – Methods of Testing for Efficiency of Space-Conditioning/Water-Heating Appliances that Include a Desuperheater Water Heater.

Tabel 6 – Energiebalans en gelijktijdige rendementsfactoren in stand luchtkoeling&WHW

5. Wemhöner, C., Afjei, T. – Test procedure and seasonal performance calculation for residential heat pumps with combined space and domestic hot water heating, Final report IEA HPP Annex 28, October 2005. 6. ASHRAE Standard 116-1995 – Methods of Testing Seasonal Efficiency of Unitary Air Conditioners and Heat Pumps. 7. 2005 ASHRAE Fundamentals, SI Edition.

Vasile Minea, Ph.D. Hydro-Québec Research Institute, Laboratoire des technologies de l’énergie (LTE), 600, avenue de la Montagne, Shawinigan, G9N 7N5, Canada [email protected] Tel: +1-819-539-1400 (1507) Fax: +1-819-539-1409

19

Rendement van multifunctionele bodem gekoppelde warmtepompen

Recommend Documents