värmedriven kyla - Svensk Fjärrvärme

Svensk Fjärrvärme AB │ FoU 2004:112 Värmedriven kyla
2. Varför värmedriven kyla i
fjärrenergisystem?
Alternativen för framställning av kyla är starkt beroende av den aktuella tillämpningen,
klimatet och lokala förhållanden. I den här rapporten utgörs tillämpningen av
ett fjärrenergisystem, vilket här definieras som systemet mellan ändpunkterna hos ett
nät för fjärrvärme eller fjärrkyla. Jämförelser görs dock med andra system utan fjärrvärme
eller fjärrkyla.
I den här rapporten görs en värdering av storskaliga (centrala) och småskaliga (decentraliserade)
kylalternativ. Om fjärrvärme redan finns utnyttjas dess kapacitet sannolikt
inte helt under sommaren, och därför skulle fjärrvärmen kunna fungera som
energibärare för decentraliserade småskaliga värmedrivna kylmaskiner. Olika alternativ
för framställning av kyla diskuteras. Läsaren får själv avgöra vilket av alternativen
som är lämpligast för en specifik byggnad i fjärrenergisystemet.
2.1. Värmedriven kyla -- en termodynamisk genväg
Värmedriven kyla anses av somliga vara en ineffektiv metod att framställa kyla eftersom
COP-värdet baserat på drivande värme (COPheat) är lägre än det COP-värde som
baseras på drivande el (COPel) i en kompressionskylmaskin. I det här avsnittet visas att
ett sådant synsätt är felaktigt.
Verkningsgraden hos en termodynamisk process kan värderas med en ideell Carnotprocess
som referens. Genom att dividera processens verkningsgrad med verkningsgraden
hos en Carnot-process som arbetar med samma interna temperaturer får man en
faktor som här definieras som Carnot-faktorn. En illustration av Carnot-faktorn visas
i figur 2.
Carnot-faktorn för en ideell process är definitionsmässigt lika med 1. Carnot-faktorn
får inte förväxlas med den isentropiska verkningsgraden, som definieras på annat sätt 1 .
Värdet på Carnot-faktorn för expansion i en ångturbin kan normalt beräknas vara
mellan 0,5 och 0,7, där det högre värdet gäller för en mycket stor ångturbin i ett stort
kraftverk (t.ex. kol- eller kärnkraftverk). Det lägre värdet 0,5 kan tillämpas på ett
medelstort kraftvärmeverk. I avsnitt 4.4.1 beräknas Carnot-faktorn till 0,69 för en ångturbin
med egenskaper som är karakteristiska för ett stort kolkondenskraftverk.
Carnot-faktorn vid framställning av kyla med en kompressionskylmaskin ligger också
mellan 0,5 och 0,7 beroende på utrustningen. En storskalig, effektiv kompressionskylmaskin
får då det högre värdet 0,7, medan en mindre värmepump ger ungefär halva
kylmängden jämfört med en ideell Carnot-process. Som exempel kan nämnas att
Carnot-faktorn 0,5 har beräknats för en av värmepumparna vid Ropstensverket i
Stockholm (Fortum 2003).
Carnot-faktorn för en värmedriven kylprocess beror av den interna irreversibiliteten,
som är olika för olika processer. Absorptionskylning har visat sig ha mycket låg irreversibilitet
och därför blir enligt förklaringen i avsnitt 3.1.1 Carnot-faktorn för en absorptionskylmaskin
omkring 0,7.
Med Carnot-faktorn som verktyg kan man göra en analys av om lågtemperaturvärme
ur termodynamisk synpunkt kan eller inte kan utnyttjas för framställning av kyla.
Figur 2 visar att direkt framställning av kyla ur lågtemperaturvärme ger en total
Carnot-faktor lika med 0,7, utan hänsyn till extern värmeöverföring. Det är alltså en
1 Se vidare litteraturen om termodynamik, t.ex. Michael J. Moran and Howard N.
Shapiro, "Fundamentals of engineering thermodynamics".
│ 11