Varmepumper: 16 % stigning i COP giver branchepris til Refra og Siemens

Udfordringen med høje energipriser presser varmepumpeproducenterne til at skabe mere innovative porteføljer og mere effektive løsninger. Varmepumper efterspørges i stigende grad i hele Europa, er et mere miljøvenligt alternativ til traditionelle kedler og giver brugerne mulighed for betydelige besparelser, men kun hvis de vælger deres varmepumpe med omtanke.

Refra er en litauisk producent af HVACR-udstyr, og de har fundet en metode til at øge effektiviteten af deres reversible propanvarmepumper ved at integrere Siemens' magnetiske MVL702-ekspansionsventil. Ventilen justerer hurtigt og præcist mængden af flydende kølemiddel i fordamperen, hvilket gør det muligt for Refras varmepumper at opnå en betydeligt større varme-/køleeffekt end dem med stepventil. Siemens siger, at deres MVL702 kun bruger 1 sekund på at skifte fra lukket til helt åben, og at den er 10 gange hurtigere end konventionelle stepventilløsninger. Denne funktion skyldes den lineære bevægelse tilvejebragt af den magnetiske kraft, og ikke den meget langsommere teknologi med drejende spindel, som anvendes i en stepventil. Det mekaniske slør, der er udbredt i teknologi med drejende spindel, fører til mindre nøjagtige ventilåbningspositioner.

Langsigtede omkostningsbesparelser med nøjagtig overhedningskontrol
Nøglen til succesen med MVL702 er dens evne til at reducere overhedningsværdien med omkring 30 %, fra f.eks. 9K til 6K, da den reagerer meget hurtigt på belastningsændringer. Sammenlignet med stepventilteknologi kan denne reduktion i overhedning være endnu større i specifikke applikationer. Lav overhedning fører til effektiv fordamperdrift. Dette reducerer temperaturforskellen på tværs af varmeveksleren, hvilket resulterer i mindre temperaturstigning i kølecyklussen.

Hurtig og præcis ventilrespons er særligt nyttig, hvis der under anvendelsen sker mange belastningsændringer, f.eks. når kommercielle eller industrielle bygninger oplever store ændringer i den udendørs temperatur fra nat til dag, og ved anvendelse med variable belastningsprofiler. Det gælder f.eks. konferencerum, hvor der pludseligt kommer mange personer ind på én gang, hvilket kan nødvendiggøre køling, hvorefter behovet ændres til opvarmning, når folk så forlader lokalet igen. Den magnetiske ekspansionsventil gør det muligt for varmepumpen at reagere effektivt på specifikke klimastyringsbehov.

Disse termodynamiske forbedringer er ikke kun teoretiske, men har også praktiske implikationer, hvilket svarer til en betydelig økonomisk værdi. Den samme varmepumpe med det forbedrede overhedningskredsløb kan potentielt give op til 14 % mindre energiforbrug, samtidig med at den genererer en stigning på 21 % i varmekapaciteten. Disse resultater understreger de praktiske og økonomiske fordele ved den nye Siemens-ventil, der forbedrer den samlede ydeevne af Refras varmepumper, hvilket giver den bedste effektivitet i klassen.

Refras kunder kan forvente en mere miljøvenlig og bæredygtig løsning, der ikke blot er i overensstemmelse med målene for energieffektivitet, men som også reducerer omkostningerne uden at gå på kompromis med ydeevnen. Det betyder, at kunderne kan nyde godt af forbedret komfort, samtidig med at de potentielt kan reducere det samlede energiforbrug.

De faktiske energibesparelser afhænger naturligvis meget af anvendelsen, men Siemens er parat til at komme med et estimat over, hvad slutbrugerne kan forvente.

"Hvis det drejer sig om et 300 kW-system med vores magnetiske ekspansionsventil, vil energibesparelsen sandsynligvis ligge i omegnen af 300 EUR om måneden," anslår Richard Bork, der er Product Manager Refrigeration Valves hos Siemens. "Disse beregninger er baseret på 3500 driftstimer ved fuld belastning om året, en elpris på 0,20 EUR pr. kWh og overhedningsværdier, der er 3K lavere. Besparelserne kan naturligvis være større eller mindre, alt efter faktorer som f.eks. kontrolkvaliteten af den eksisterende stepventilløsning, de præcise driftsforhold, belastningsprofilen og afrimningsbehovene, men det giver en meget god idé om besparelsespotentialet."

Felttest under forhold med reel omgivelsestemperatur
At påstå, at et produkt er effektivt, og at dokumentere det, er to forskellige ting. Derfor har Refra i Litauen udført en omfattende realtidstest under reelle forhold, der involverede en reversibel Refra IGNIS-varmepumpe med to kredsløb; et med Siemens-ventilen og et andet med en topolet stepventil af andet mærke. Kredsløbets kølekapacitet er 21,9 kW ved -6/50°C, mens varmekapaciteten er 31,1 kW. Begge kredsløb har et identisk/symmetrisk design.

Testen fandt sted under specifikke forhold: 50°C varmeindstillingsværdi, 30-32°C for forsyningsvandets temperatur og -6°C for udetemperatur. Begge kredsløb kørte med 100 % kapacitet på grund af manglende evne til at nå indstillingsværdien, hvilket muliggjorde vurdering af ventilens ydeevne i scenarier med udfordrende forhold.

De registrerede data fra testen blev analyseret ved tilfældigt at opdele den undersøgte tidsperiode i 7-8 identiske tidsrammer. Denne tilgang havde til formål at udligne afvigelser i svingende procesværdier og dermed sikre pålidelige middelværdier med henblik på vurdering. Til beregningsmæssige formål var det nødvendigt at lave nogle antagelser og forenklinger for at muliggøre en omfattende analyse af varmepumpens ydeevne og effektivitet under kontrollerede forhold: isentropisk effektivitet på 0,8; trykfald antaget som 0 bar i fordamper-, kondensator-, suge- og udløbsledninger; sensortolerance ikke taget i betragtning; og karakteristika for kompressoren i hvert enkelt af kredsløbene opretholdt et konstant volumenflow på 35,5 m³/t med konstant volumetrisk effektivitet.

Sammenligning af ventiler viser klare ydelsesfordele
Analyseresultaterne viser tydeligt den betydelige indflydelse af overhedningskontrollen på varmepumpens effektivitet. Lavere overhedningsværdier, hvilket er påvirket af SH-regulering, fører til en højere fordampningstemperatur, hvilket medfører forhøjede COP-værdier og reducerede afrimningscyklusser.

Især når man vurderer Refras varmepumpekredsløb med den nye Siemens-ventil i sammenligning med stepventilkredsløbet, ser man en bemærkelsesværdig stigning i COP på op til 8,3 % i opvarmningstilstand. Derudover viser en direkte sammenligning af hele opvarmningscyklussen (inklusive afrimningstilstand) en endnu større stigning i COP. På grund af den længere opvarmningstilstand i kredsløbet med magnetisk ekspansionsventil stiger COP med op til 16,4 % sammenlignet med stepventilkredsløbet.

Dataregistreringen og -analysen for stepventilkredsløbet er vist nedenfor:

Efter afrimningsovergangen starter indstillingsværdien for overhedning (2) fra 7 K, før den stiger (på grund af højt udsving) til 10 K. Den bedst opnåede kontrolafvigelse for overhedningsværdien er +0,3/-0,6 K, mens fordampningstemperaturen (1) ændres fra -16 °C ned til -20 °C og udløser afrimningsovergang. Det gennemsnitlige udsving i sugegastemperaturen er ±0,5 K (3). Det er værd at bemærke, at den samlede opvarmningsperiode for stepventilkredsløbet er 1:01:12 timer.

Dataregistrering og -analyse for kredsløbet med den magnetiske MVL702-ekspansionsventil, som har et helt andet driftsprincip end en stepventil, er vist til sammenligning nedenfor:

Dette kredsløb når meget hurtigere stabile forhold efter afrimningsovergangen, hvilket er indikeret af de ensartede (snarere end bølgede) graflinjer. Indstillingsværdien for overhedning (2) begynder ved 6 K, før den stiger inden for få minutter til 6,2 K med en maksimal overskridelse på 0,4 K. Den gennemsnitlige reguleringsafvigelse for overhedningsværdien forbliver konstant på +0,0/-0,2 K, mens fordampningstemperaturen (1) ændres på grund af frost fra -13,8 °C ned til -20 °C og udløser afrimningsovergang. Det gennemsnitlige udsving i sugegastemperaturen er igen ±0,5 K (3). Som følge af denne ydeevne mere end fordobles den samlede opvarmningsperiode (uden afrimning), der tilvejebringes af Refras varmepumpe med Siemens-ventil til 2:11:00 timer.

Kortere afrimningstid giver større energibesparelse
En anden væsentlig fordel ved at bruge teknologien med magnetisk ekspansionsventil i Refras A2W-varmepumper involverer afrimningsfunktionen. Mindre overhedning gør det muligt at køre systemet ved højere fordampningstemperaturer, især ved kun delvis belastning, og man kan derved udnytte varmeoverførslen fra fordamperen. Resultatet? Markant mindre isdannelse på fordamperen ved lufttemperaturer ≤0°C. Mindre isdannelse betyder mindre afrimning. Alle varmepumper bruger energi til afrimning, så det er en stor fordel for kommercielle og industrielle brugere at reducere den tid, der er nødvendig for afrimning – og antallet af afrimningscyklusser.

I testen kunne varmepumpekredsløbet med stepventilen køre sin opvarmningscyklus i 3.787 sekunder (ca. 63 minutter) uden at køre en afrimningscyklus. I modsætning hertil kunne kredsløbet med den magnetiske MVL702-ekspansionsventil køre i 7.961 sekunder (ca. 133 minutter). Det viser potentialet med at kunne spare lidt over 50 % i energiforbruget. I stedet for at afrime kan systemet desuden bruge den sparede afrimningstid til at udføre opvarmning. Denne funktion kan fordoble varmepumpens energieffektivitet.

National pris er udtryk for Refras gennembrud på det britiske marked
Anerkendelsen af potentialet i det banebrydende fremskridt med Refras reversible varmepumper kombineret med Siemens teknologi med magnetiske ekspansionsventiler har ført til en prestigefyldt pris. Absolutely Chilled Ltd, der har været den eksklusive britiske distributør af Refras varmepumper siden 2018, er blevet kåret som vinder i kategorien for kommercielle varmepumpeprodukter ved National ACR & Heat Pump Awards (uddelt af ACR Journal og sponsoreret af Heat Pumps Today).

Prisen, der blev overrakt ved en fornem ceremoni i Manchester, Storbritannien, afspejler Refras langvarige engagement i miljøansvarlige løsninger, der strækker sig tilbage til 2011. Virksomheden har været den første felttestpartner og en tidlig bruger af Siemens magnetiske ekspansionsventil til naturlige kølemidler og er med til at bane vejen for en mere miljøvenlig fremtid. Hele standardserien af Refras reversible A2W-varmepumper og køleanlæg med propan har nu MVL702-ventilen.

Shane McKenzie, der er Business Development Director hos Absolutely Chilled, siger: "Det er en fantastisk præstation at vinde prisen, da det giver os en god platform til at introducere Refra til mange nye kunder, da vi nu bakkes op af en prestigefyldt branchepris angående effektivitet. Det giver os en af de vigtigste faktorer, når vi markedsfører Refra: troværdighed. Med denne pris og de håndgribelige effektivitetsgevinster, der er blevet dokumenteret af omfattende test, hvorfor skulle man så overveje noget andet? Alle andre varmepumpeproducenter er først nu ved at prøve at indhente det forsømte."

Storbritannien forventes at blive et stort marked for Refras varmepumpeteknologi, efter at landets regering har afsat op til 20 mia. GBP til at støtte den tidlige implementering af opsamling, anvendelse og lagring af CO2 (CCUS). Den offentlige sektors dekarboniseringsordning (PSDS) er en del af dette initiativ, der har til formål at reducere CO2-udledningen fra offentlige bygninger med 75 % inden 2037 (sammenlignet med en reference fra 2017). Faktisk er der allerede installeret ti DSEAR-kompatible Refra-propanvarmepumper med Siemens MVL702-ventil og inverterdrevne stempelkompressorer på fire skoler i landet (DSEAR svarer til den europæiske EN378-standard).

"Jeg vil kalde det en selvfølge, at projektingeniører, konsulenter og entreprenører anvender Refras varmepumper i nye bygninger eller ved udskiftning af traditionelle kedler i eksisterende faciliteter," siger Shane McKenzie. "De ubestridelige data fra Refra og Siemens taler for sig selv, og der er et yderligere overbevisende argument i form af et naturligt kølemiddel, som Refra har arbejdet med i over et årti."

Richard Bork får det sidste ord: "Vi besluttede at samarbejde med Refra som en af vores første partnere inden for felttest og den første implementerende bruger af den serielle MVL702 på grund af vores langvarige og succesfulde brancherelation, som er baseret på tillid. Refra er også meget fleksibel i sine udviklingsprogrammer, reagerer hurtigt og kommer med feedback, hvilket er med til at fremskynde processen med at bringe et nyt produkt som MVL702 ud på markedet. Refra var den perfekte partner til tidlig implementering, og vi sætter stor pris på samarbejdet."