Massavirtasäädön periaate - Aalto

Rengasjohtokytkentään ja massavirtasäättöön kytketyn talon
lämmönvaihtimen mittaus laboratoriossa
Jon Iturralde, Pyry Jantunen, Maunu Kuosa,
Tapio Mäkilä, Markku Lampinen, Risto Lahdelma
Aalto-yliopisto
RICES (Realignment of Industrial and Community
Energy Systems to meet climate policy targets)
17.12.2013
Johdanto
Tausta
Massavirtasäädön ja rengasjohtokytkennän perusteet tutkittu
Verkon energiatehokkuutta tarkasteltu case-tapaksen avulla
HKI:n aluelämmitysverkossa
Mallinnettu kuluttajan levylämmönvaihtimen toimintaa ja
hyötysuhdetta, kun se kytkettiin rengasjohtokytkentään ja
massavirtasäätöön
Sisältö
Rengasjohtokytkennän esimerkki ja massavirtasäädön periaate
Kuluttajan lämmönvaihtimen demonstrointi laboratoriossa
Keskitytään energiatehokkaisiin matalalämpötila verkkoihin (5080 °C), ei perinteisiin korkealämpötila verkkoihin (70-120 °C)
Esimerkki kl-verkoista, jotka on toteutettu
perinteisellä ja rengasjohtoteknologialla
HS
DH
AB
--…
Perinteinen topologia
Rengasjohtokytkentä
= Lämpökeskus
= Omakotitalo
= Kerrostalo
= menolinja
= paluulinja
Massavirtasäädön periaate (ohjaus ehdotus)
• Invertteriohjatut pumput korvaavat kuluttajapisteissä kuristusventtiilit
• Pumput on sijoitettu sekä ensiö- että sekundääripuolille
• Ensiöpuolen pumppua ohjataan sekundääripuolen lämmitysveden menolämpötilan mukaan
• Sekundääripuolen pumppua ohjataan perustuen radiaattorien
paluulämpötilaan
DH
Heating heat
exchanger
TI
HW
FC
FC
TI
Radiators
DHW heat
exchanger
TI
CW
DH
FC
Inverter
controlled pump
Massavirtasäädön periaate (esimerkki meno- ja
paluulämpötiloista)
Mittaus laboratoriossa
Lämmönsiirtimien mittausasema / kerrostalon lämmönjakokeskus kytkentä
(Sovelletun termodynamiikan laboratoriossa)
Lämpölaitoksen korvasi höyrynkehitin ja lämminvesivaraaja, josta otettiin
kuuma vesi tajuusohjatulla pumpulla ensiöpuolelle (Tin)
Lämmönjakokeskuksen yksinkertaisetettu kytkentä:
Siirrin 1: lämmityslämmönvaihdin, Siirrin 2: radiaattorit
Lämpötiloja Tin, Tout, tin, tout, din, ja dout mitattiin
TE
Tin
TE
dout
tout
Siirrin 2
Siirrin 1
TE
TE
TE
Tout
tin
Lämmönvaihdin
TE
din
Jäähdytyspiiri
Koelaitteiston pääkomponentit
Komponentti
Höyrynkehitin
Varaaja
Lämmityssiirrin 1
Tyyppi/tietoja
Clayton Steam Generator, maakaasupoltin
–
Funke Plate & Frame Heat Exchanger, FP 22-23-1-NH, 52 kW
Pumppu
Lowara Pump 8V414F30, 3 kW, 2.4-8 m3/h, ensiöpuoli
Pumppu
Kolmeks, Type P-20/4, 0.08 kW, toisiopuoli
Invertterit
Lämpötilan mittaus
Massavirtamittari
Dataloggeri
Vacon IP21/NEMA1, 2 kpl
Termoelementit k-tyyppiä, 3 kpl; Termistorit TAC EGWS 120, 3 kpl
Micronics Portaflow300 Ultrasonic Flowmeter
HP BenchLink Datalogger 1.1
Koelaitteisto
Toisiopiiri
pumpuissa invertteriohjaus
”käsin säätäen”
siirrin 2
toisiopiirin pumppu
siirrin 1
Massavirran mittaus ultraäänimittarilla
• Virtausnopeudet mitattiin ultraäänimittarilla (virtaamien säätäminen)
Toisiopuolen
mittausputki
Portaflow 300-ultraäänimittarin
mitta-anturi
Tulokset 1/5
• Mitatut kl-veden lämpötilat, virtausnopeus putkissa ja invertterien
taajuudet (pumpun pyörimisnopeus) eri ulkolämpötiloissa
.
Ulkolämpötila
Lämpötilat (°C)
Virtausnopeus (m/s)
(°C )
T in T ou t tin tout din dout
Ensiö Toisio Jäähdytys
- 29
75.8 35.7 30.5 68.7 21.8 35.0
0.68
1.60
0.71
15.9
58.6
- 10
69.9 30.9 24.0 64.2 19.8 33.1
0.44
0.90
0.44
8.8
30.7
-5
65.8 28.7 22.2 59.9 18.0 33.0
0.38
0.88
0.29
8.0
29.0
0
61.9 27.7 22.0 55.5 19.0 30.9
0.31
1.02
0.36
8.0
31.3
5
56.3 27.0 21.7 52.4 17.7 31.9
0.29
0.70
0.21
7.0
25.5
Taajuus (Hz)
Ensiö
Toisio
Tulokset 2/5
Laskettu
Mitattu
60
Lämmitysteho, kW
50
40
30
20
10
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Ulkolämpötila, oC
• Rakennuksen lämmitysteho eri ulkolämpötiloissa
• Mitattu teho ensiö- ja toisiopuolien keskiarvona
5
10
Tulokset 3/5
Tavoite, meno
Tavoite, paluu
Mitattu, meno
Mitattu, paluu
80
70
60
T, oC
50
40
30
20
10
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Ulkolämpötila, oC
• Ensiöpuolen meno- ja paluulämpötilat
• Mitatut lämpötilat verrattuna tavoitearvoihin
0
5
10
Tulokset 4/5
Tavoite, meno
Tavoite, paluu
Mitattu, meno
Mitattu, paluu
80
70
60
T, oC
50
40
30
20
10
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Ulkolämpötila, oC
• Toisiopuolen meno- ja paluulämpötilat
• Mitatut lämpötilat verrattuna tavoitearvoihin
0
5
10
Tulokset 5/5
ensiö_L
toisio_L
ensiö_M
toisio_M
0.45
0.4
Massavirta, kg/s
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Ulkolämpötila, oC
• Ensiö- ja toisiopuolien massavirrat
• Mitatut (M) massavirrat verrattuna laskettuihin (L)
5
10
Johtopäätökset 1/3
Ulkolämpötilan noustessa
Virtausnopeudet (massavirrat) ja pumppujen pyörimisnopeudet
laskevat
Ensiö- ja toisiopuolen lämpötiloja (jäähtymiä) verrattiin
tavoitearvoihin
Kaikissa pisteissä päästiin tavoitearvoihin muutaman asteen
tarkuudella
Höyrynkehittimen automatiikka piti ensiöpuolen menolämpötilat
hyvin kohdillaan mutta paluulämpötilat jäivät keskimäärin kaksi
astetta tavoitetta korkeammiksi
Toisiopuolella paluulämpötilat olivat vain asteen päässä
tavoitearvoistaan mutta lämpimämmällä säällä, pienemmillä
kuormilla, menolämpötilat jäivät tavoitetta matalammiksi
Johtopäätökset 2/3
Molemmilla puolille, jokaisessa pisteessä, saatiin hyvät
jäähtymät
Toisiopuolen paluulämpötilojen tarkkuutta selittää se, että
jäähdytystä voitiin helposti säätää välittämättä vaikutuksista
jäähdytyspiiriin
Toisiopiirin meno- ja ensiöpiirin paluulämpötilat sen sijaan
vaikuttivat toisiinsa, joten niiden tavoitearvojen saavuttaminen
oli vaikeampaa
Jäähtymien ollessa yhtäsuuret, olivat virtausmittausten mukaan
ensiö- ja toisiopiireissä erilaiset massavirrat
Todennäköisesti mitattujen lämpötilojen virhe oli paljon pienempi
kuin virtausnopeuden, joten massavirrat olivat todellisuudessa
yhtäsuuria
Johtopäätökset 3/3
Siirtynyt lämmitysteho
Jokaisen piirin teho laskettiin kaavalla = qm cp T
Näin saatiin vaihtelevia tuloksia, sillä laskettu teho riippui
mitatusta virtausnopeudesta
Ensiö- ja toisiopiirien tehojen keskiarvot olivat lähellä
tavoitetehoja
Talon lämmitysvaihtimen demonstrointi osoittaa, että
Massavirtasäädön vaatimat jäähtymät ovat mahdollisia
toteuttaa, kun virtausta ohjataan taajuusohjattavalla pumpulla
ulkolämpötilan muuttuessa
Mitattu 52 kW levylämmönsiirrin toimii laskentamallin mukaisesti
sekä mitoituspisteessä että osakuormilla