Lämpöpumput: 16 prosentin COP-hyötysuhde tuo Refralle ja Siemensille teollisuuspalkinnon

Absolutely Chilled ja Refra voittavat kaupallisten lämpöpumppujen palkinnon National ACR & Heat Pump Awards -gaalassa © ACR Journal.

Liettualainen LVI-laitevalmistaja Refra löysi tavan parantaa yrityksen kaksitoimisten propaanikäyttöisten lämpöpumppujen hyötysuhdetta käyttämällä Siemensin omaa magneettista MVL702-paisuntaventtiiliä. Venttiili säätää nopeasti ja tarkasti nestemäisen kylmäaineen määrää höyrystimessä. Tämän ansiosta Refran lämpöpumput tarjoavat huomattavasti korkeamman lämmitys/jäähdytystehon kuin askelventtiiliä käyttävät mallit. Venttiili voi aueta suljetusta täysin avoimeksi 1 sekunnissa ja Siemens sanookin, että sen MVL702 on 10 kertaa nopeampi kuin konventionaaliset askelventtiiliä käyttävät ratkaisut. Tämä nopeus on mahdollista magneettisen voiman tarjoaman lineaarisen liikkeen ansiosta, askelventtiilissä käytettävä karan kiertoon perustuva teknologia on huomattavasti hitaampi. Karan kiertoon perustuvaan teknologiaan kuuluvat mekaaniset välykset johtavat heikompaan tarkkuuteen venttiilin avauksessa.

Pitkäkestoiset kustannussäästöt tarkalla tulistuslämmön säädöllä
Avain menestykseen on MVL702-venttiilin kyky vähentää tulistuslämpöä esimerkiksi noin 30 prosentilla arvosta 9K arvoon 6K ja se pystyy reagoimaan kuormitusmuutoksiin erittäin nopeasti. Askelventtiiliteknologiaan verrattuna tämä tulistuslämmön vähennys voi olla eräissä sovelluksissa suurempikin. Alhainen tulistuslämpö tehostaa höyrystimen toimintaa. Se vähentää lämmönvaihtimen ylitse vaikuttavaa lämpötilaeroa ja vähentää jäähdytyssyklin lämpötilaliikettä.

Venttiilin nopea ja tarkka vaste on erityisen hyödyllinen kun sovelluksen kuormitukseen kohdistuu useita muutoksia. Esimerkiksi kaupallisiin ja teollisuusrakennuksiin kohdistuu suuria ulkoisen lämpötilan muutoksia yölämpötilan ja päivälämpötilan välillä. Samoin sovellusten kuormitusprofiili voi sisältää suuria vaihteluita. Esimerkiksi kokoushuoneita täytyy ehkä jäähdyttää, kun niihin tulee äkillisesti paljon ihmisiä, ja lämmittää, kun ihmiset poistuvat huoneesta. Magneettisten paisuntaventtiilien ansiosta lämpöpumput pystyvät reagoimaan tehokkaasti ilmastoinnin ohjaustarpeisiin.

Nämä termodynaamiset parannukset eivät ole vain teoreettisia parannuksia, vaan niillä on käytännön merkitystä ja huomattava taloudellinen arvo. Sama lämpöpumppu parannetulla tulistuslämpöpiirillä saattaa kuluttaa jopa 14 % vähemmän energiaa ja samanaikaisesti tarjota 21 % korkeamman lämmityskapasiteetin. Nämä tulokset korostavat uusien Siemensin venttiilien käytännöllisiä ja taloudellisia hyötyjä. Ne parantavat Refran lämpöpumppujen kokonaissuorituskykyä ja nämä tarjoavatkin luokkansa parhaan tehokkuuden.

Refran asiakkaat voivat odottaa ympäristöystävällisempää ja kestävämpää ratkaisua, joka on paitsi linjassa asiakkaan energiatehokkuustavoitteiden kanssa, myös vähentää kustannuksia suorituskyvystä tinkimättä. Tämä tarkoittaa sitä, että asiakkaat pystyvät nauttimaan korkeammasta mukavuudesta ja samalla mahdollisesti vähentämään kokonaisenergiakustannuksiaan.

Toteutuneet energiasäästöt ovat tietenkin sovelluskohtaisia, mutta Siemens pystyy esittämään arvion siitä, mitä asiakkaat voivat odottaa.

”Jos kyseessä on noin 300 kW:n järjestelmä, jossa käytetään magneettista paisuntaventtiiliämme, energiasäästöt ovat todennäköisesti luokkaa 300 € kuukaudessa”, toteaa Richard Bork, Siemensin jäähdytysventtiilien tuotepäällikkö. ”Nämä laskelmissa käytetään arvoja 3 500 käyttötuntia vuodessa täydellä kuormituksella, sähkön hinta 0,20 € per kWh ja alemmat tulistuslämpötilat 3K. Säästöt voivat tietenkin olla enemmän tai vähemmän riippuen sellaisista tekijöistä kuten käytettävän askelventtiiliratkaisun ohjauksen laatu, tarkat käyttöolosuhteet, kuormitusprofiili ja sulatustarpeet, mutta tämä antaa hyvän lähtökohdan säästömahdollisuuksien tarkasteluun.”

Siemens MVL702 magneettiset paisuntaventtiilit. © Ilona Brant Pavšukova

Kenttätestaus todellisessa ympäristön lämpötilassa
Tuotteen tehokkaaksi väittäminen ja sen todistaminen ovat kaksi eri asiaa. Tästä syystä Refra suoritti Liettuassa kattavan reaaliaikaisen testauksen aidoissa testiolosuhteissa. Testauksessa käytettiin Refran kaksitoimista IGNIS-lämpöpumppua kahdella testauspiirillä: yhdessä käytettiin Siemensin venttiiliä ja toisessa bipolaarista askelventtiiliä toiselta valmistajalta. Piirin jäähdytyskapasiteetti on −6/50 °C 21,9 kW ja lämmityskapasiteetti 31,1 kW. Molemmat piirit ovat ratkaisultaan identtisiä/symmetrisiä.

Testaus suoritettiin seuraavissa olosuhteissa: Lämmityspiste 50 °C; syöttöveden lämpötila 30–32 °C ja ulkolämpötila −6 °C. Molemmat piirit toimivat kapasiteetilla 100 %, koska ne eivät pystyneet saavuttamaan lämmityspistettä. Näin venttiilien suorituskykyä pystyttiin testaamaan haastavissa olosuhteissa.

Testauksessa tallennettua dataa analysoitiin jakamalla tarkasteltava aikaväli satunnaisesti 7–8 identtiseen aikakehykseen. Tällä lähestymistavalla pyrittiin tasoittamaan vaihtelevien prosessiarvojen poikkeamat ja varmistamaan luotettavat keskiarvot arviointia varten. Laskennallisista syistä oli tarpeen tehdä eräitä oletuksia ja yksinkertaistuksia, jotka mahdollistavat lämpöpumppujen suorituskyvyn ja tehokkuuden kattavan analyysin testausolosuhteissa: isentrooppinen hyötysuhde 0,8; höyrystimen ja lauhduttimen tulo- ja poistolinjojen painevähennyksen oletetaan olevan 0 baaria; anturien toleranssia ei oteta huomioon ja kompressorin ominaisuudet kummassakin piirissä pidetään tasaisena 35,5 m³/h tilavuusvirtauksena tasaisella volumetrisellä hyötysuhteella.

Refra Ignis -lämpöpumppu kenttätestissä Liettuassa © Ilona Brant Pavšukova

Venttiilien rinnakkainen vertailu paljastaa selkeän edun suorituskyvyssä
Analyysin tulokset osoittavat selvästi, miten suuri vaikutus tulistuslämmön säädöllä on lämpöpumpun tehokkuuteen. Matalampi tulistuslämpöarvo, jota ohjataan SH-ohjauksella, johtaa korkeampaan haihtumislämpötilaan, nostaa COP-arvoa ja vähentää sulatussyklejä.

Kun verrataan Refran lämpöpumppua uutta Siemensin venttiiliä käyttävällä piirillä ja askelventtiiliä käyttävällä piirillä, lämmitystilan COP-arvossa voidaan huomata merkittävä kasvu jopa 8,3 %. Lisäksi suora vertailu ottaen huomioon koko lämmityssykli (sulatustila mukaan lukien) paljastaa vieläkin huomattavamman kasvun COP-arvossa. Magneettista paisuntaventtiiliä käyttävän piirin pidemmän lämmitystilan ansiosta COP kasvaa jopa 16,4 % verrattuna askelventtiiliä käyttävään piiriin.

Alapuolella esitetään askelventtiiliä käyttävän piirin tallennettu data ja analyysi:

Tietue sisäisestä suorituskykyraportista © Siemens

Sulatussiirtymän jälkeen tulistuslämmön asetuspiste (2) alkaa arvosta 7 K ennen kuin se nousee (korkeasta vaihtelusta johtuen) arvoon 10 K. Paras saavutettu ohjauksen poikkeama tulistuslämpöarvosta on +0,3/−0,6 K, kun taas höyrystymislämpötila (1) laskee arvosta −16 °C arvoon −20 °C ja aktivoi siirtymän sulatukseen. Tulokaasun lämpötilan keskimääräinen vaihtelu on ±0,5 K (3). On huomattavaa, että askelventtiiliä käyttävän piirin kokonaislämmitysjakso on 1:01:12 tuntia.

Täysin erilaiseen toimintaperiaatteeseen perustuvan magneettista MVL702-paisuntaventtiiliä käyttävän piirin vastaava tallennettu data ja analyysi esitetään alapuolella:

Tietue sisäisestä suorituskykyraportista © Siemens

Tämä piiri stabiloituu paljon nopeammin sulatussiirtymän jälkeen, kuten tasaiset (eikä aaltomaiset) kuvaajat esittävät. Tulistuslämpötilan asetuspiste (2) alkaa arvosta 6 K ennen kuin se kasvaa minuuteissa arvoon 6,2 K maksimaalisella ylityksellä 0,4 K. Tulistuslämpöarvon ohjauksen keskimääräinen ohjauspoikkeama pysyy vakiona +0,0/−0,2 K, kun taas höyrystymislämpötila (1) muuttuu pakkasesta johtuen arvosta −13,8 °C arvoon −20 °C ja aktivoi sulatussiirtymän. Tulokaasun lämpötilan keskimääräinen vaihtelu on uudelleen ±0,5 K (3). Tämän suorituskyvyn tuloksena Refran lämpöpumpun ja Siemensin venttiilin kokonaislämmitysjakso (ilman sulatusta) yli kaksinkertaistuu arvoon 2:11:00 tuntia.

Sulatusajan minimisointi mahdollistaa suuremmat energiasäästöt
Toinen merkittävä etu, jonka magneettinen paisuntaventtiiliteknologia tuo Refra A2W -lämpöpumppuihin, liittyy sulatustoimintoon. Alhaisempi tulistuslämpö mahdollistaa järjestelmän käytön korkeammalla höyrystymislämpötilalla, erityisesti osakuormituksella, ja se hyödyntää höyrystimessä tapahtuvaa lämmönsiirtoa. Mitä tästä seuraa? Höyrystin jäätyy vähemmän ilman lämpötilan ollessa ≤0 °C. Vähemmän jäätymistä tarkoittaa vähemmän sulatusta. Kaikki lämpöpumput käyttävät sulatukseen energiaa, joten sulatukseen tarvittavan ajan vähentäminen - sekä sulatussyklien vähentäminen - on valtava etu niin kaupallisille- kuin teollisuuskäyttäjillekin.

Testauksessa askelventtiiliä käyttävä lämpöpumppupiiri käytti lämmityssykliin 3787 sekuntia (noin 63 minuuttia) suorittamatta sulatussykliä. Sitä vastoin magneettista MVL702-paisuntaventtiiliä käyttävä piiri pystyi käyttämään siihen 7961 sekuntia (noin 133 minuuttia). Tämä tarjoaa mahdollisuuden säästää hieman yli 50 % energian kulutuksessa. Järjestelmä voi lisäksi käyttää sulatuksesta säästyneen ajan lämmitykseen. Tämä pystyy jopa kaksinkertaistamaan lämpöpumpun energiatehokkuuden.

Kansallinen palkinto osoittaa Refran päässeen sisään Yhdistyneiden Kuningaskuntien markkinoille
Refran kaksitoimisten lämpöpumppujen ja Siemensin magneettisten paisuntaventtiilien potentiaali uraauurtaviin parannuksiin on huomattu ja tämä on johtanut arvostettuun palkintoon. Absolutely Chilled Ltd on toiminut Refran yksinoikeudellisena jakelijana Yhdistyneissä Kuningaskunnissa vuodesta 2018 lähtien. Yritys nimettiin Commercial Heat Pump Product -kategorian voittajaksi National ACR & Heat Pump Awards -tapahtumassa (palkintojen myöntäjänä toimii ACR Journal ja tapahtumaa sponsoroi Heat Pumps Today).

Palkinto myönnettiin tärkeässä juhlatilaisuudessa Manchesterissa Yhdistyneissä Kuningaskunnissa ja se heijastaa Refran pitkäkestoista ja jo vuonna 2011 aloitettua sitoutumista ympäristön kannalta vastuullisiin ratkaisuihin. Yritys on Siemensin magneettisten paisuntaventtiilien ensimmäinen kenttätestauskumppani (luonnolliset jäähdytysaineet) ja varhainen käyttöönottaja. Näin yritys johtaa tietä ympäristöystävällisempää tulevaisuutta kohden. Koko Refran Standard Line -sarja käännettäviä A2W-propaanilämpöpumppuja ja propaanijäähdyttimiä sisältää nyt MVL702-venttiiliä. 

Yhdistyneiden Kuningaskuntien odotetaan olevan merkittävä markkina-alue Refran lämpöpumpputeknologialle varsinkin kun maan hallitus varasi jopa 20 miljardia puntaa tukeakseen hiilen talteenoton, käytön ja varastoinnin (CCUS) varhaisia käyttöönottajia. PSDS (Public Sector Decarbonisation Scheme) on osa tätä aloitetta ja sen tavoitteena on vähentää CO2-päästöjä julkisissa rakennuksissa 75 prosentilla vuoteen 2037 mennessä (vuoden 2017 perustasoon verrattuna). Itse asiassa kymmenen DSEAR-vaatimukset täyttävää (vastaa eurooppalaista EN378-standardia) Refran propaanikäyttöistä lämpöpumppua Siemensin MVL702-venttiilillä ja invertterin ohjaamilla mäntäkompressoreilla on jo asennettu neljään kouluun eri puolilla maata.

”Se, että projekti-insinöörit, konsultit ja urakoitsijat ottavat käyttöön Refran lämpöpumppuja uusissa rakennuksissa ja korvaavat niillä perinteiset lämpökattilat nykyisissä tiloissa, on mielestäni itsestään selvää”, toteaa Shane McKenzie. ”Vastaansanomaton data Refralta/Siemensiltä puhuu puolestaan. Myös luonnollisen kylmäaine, jonka parissa Refra on työskennellyt yli vuosikymmenen, on voimakas argumentti tämän ratkaisun puolesta.”

Richard Bork esittää loppusanat: ”Päätimme työskennellä Refran kanssa yhtenä ensimmäisistä kenttätestikumppaneistamme ja ensimmäisenä MVL702-sarjan käyttöönottajana. Tämä perustui pitkään ja menestyksekkääseen ammatilliseen suhteeseemme, jonka pohjalla on luottamus. Refran tuotekehitysohjelmat ovat myös hyvin joustavia ja yritys reagoi nopeasti sekä tarjoaa palautetta. Tämä nopeuttaa uusien tuotteiden, kuten MVL702, tuomista markkinoille. Refra oli täydellinen kumppani varhaisessa käyttöönotossa ja arvostamme paljon yhteistyötämme heidän kanssaan.”