Measuring COPs of ground source heat pumps and the factors affecting COP

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Date
2010
Major/Subject
LVI-tekniikka
Mcode
Ene-58
Degree programme
Language
fi
Pages
62
Series
Abstract
This thesis has two objectives. The objective in the theoretical part is to clarify use of coefficient of performance (COP) terminology in the Finnish language and to introduce factors affecting COP values. In the experimental part the objective is to arrange measurement conditions and measure COPs for three ground source heat pumps. COP of a heat pump is defined as a ratio between thermal power and electric power. COP is a discrete quantity, which makes its measurement rather troublesome. Unfortunately manufactures and importers of heat pumps often report COP values only for separate components, which make estimating total COP difficult or even impossible. From consumer's point of view COP value at a certain point of time is also rather irrelevant, because it tells practically nothing about the average or "normal" performance of the device. A more useful value for consumers would be an annual performance factor (APF), which presents COP during a year. In the English standards the corresponding term is called seasonal performance factor (SPF). In the future it would henee be beneficial to move into reporting APFs instead of COPs. Standard EN-15316 helps to reach this goal once the quality of measurements reaches the level needed for presenting APFs. To be able to define APFs high level of accuracy is needed also in measuring COP values, as the impact of COP to APF value is substantial. In the experimental part of this thesis a central finding was the importance of large enough accumulator for the measurements. Without that kind of storage, which is at constant temperature, it was not possible to reach smaller than maximum of ± 0,5 degree deviations from setting values required in standard EN- 14511. In heating situation COPs of ground source heat pumps were at their best observed to exceed value 4. When heating water is taken into account in the analysis, APF probably below 3. This means that heat pumps produce thermal energy out of electric energy more efficiently than any other human-made device. Heat pumps take their free energy from their surroundings. As energy efficiency regulations will most probably keep tightening, the energy requirements of especially new buildings will fall. In this situation also competitiveness of other heat pumps such as exhaust air heat pump will increase and it can be forecasted that their use will increase in building construction.

Tällä tutkimuksella on kaksi tavoitetta. Teoreettisen osan tavoitteena on selkeyttää lämpökertoimien käsitteitä suomen kielessä ja toisaalta selvittää lämpökertoimiin vaikuttavia tekijöitä kirjallisuudessa. Työn kokeellisessa osassa tavoitteena on rakentaa mittausmahdollisuudet maalämpöpumppujen lämpökertoimien määrittämiseksi ja mitata kolmen pumpun lämpökertoimet. Lämpöpumpun lämpökerroin määritellään lämpötehon ja sähkötehon suhteena. Se on hetkellinen suure ja sen mittaaminen tarkasti on varsin työlästä Laitteistojen valmistajat ja maahanatuojat ilmoittavat lämpökertoimet usein pelkästään erilisille komponenteille, jolloin kokonaislämpökertoimia on vaikea tai jopa mahdotonta arvioida. Hetkellisellä hyötysuhteella eli lämpökertoimella (coefficient of performance, COP) jossain yksittäisessä pisteessä ei ole kuluttajan näkökulmasta juurikaan merkitystä, koska se ei anna kuvaa laitteen keskimääräisestä hyötysuhteesta. Kuluttajan kannalta merkityksellisempi arvo on vuosilämpökerroin, joka kuvaa lämpökerrointa vuoden ajalta. Englanninkielisessä standardissa termiä vastaa (seasonal performance factor, SPF). Tulevaisuudessa olisikin hyvä siirtyä ilmoittamaan tiettyjen olosuhteiden hetkellisen lämpökertoimen sijaan laitteiden vuosilämpökertoimet Standardi EN- 15316 on hyvä apuväline tämän tarkoituksen edistämiseen, kunhan mittauksien tarkkuudessa päästään vuosilämpökertoimien ilmoittamisen edellyttämälle tasolle. Vuosilämpökertoimen määrittely vaatii suurta tarkkuutta lämpökertoimien mittaamisessa, koska nämä hetkellisen lämpökertoimen arvot vaikuttavat vuosikertoimeen merkittävästi. Tutkielman kokeellisessa osassa merkittävä havainto oli riittävän suuren vakiolämpöisen varaajan tarve mittauksen mahdollistajana. Ilman tällaista vakiolämpötilaista varastoa ei ole mahdollista päästä standardin EN- 14511 edellyttämään yksittäisen mittauksen ± 0,5 asteen hajontaan asetusarvoista. Mittauksissa todettiin maalämpöpumppujen lämpökertoimen ylittävän lämmitystilanteessa parhaimmillaan arvon neljä. Kun käyttöveden tuotto otetaan mukaan tarkasteluun, vuosilämpökerroin laskee todennäköisesti alle kolmen. Lämpöpumput tuottavat siis lämpöenergiaa sähköenergiasta tehokkaammin kuin mikään muu ihmisen tekemä laitteisto. Ilmaisenergiansa lämpöpumput ottavat ympäristöstään. Energiatehokkuusmääräysten kiristyessä tulevaisuudessa erityisesti uusien rakennusten energiantarve vähenee. Tällöin myös muiden lämpöpumppujen kuten esimerkiksi poistoilmalämpöpumpun kilpailukyky kasvaa ja niiden voi ennustaa merkittävästi lisääntyvän uudisrakennuksissa.
Description
Supervisor
Sirén, Kai
Thesis advisor
Vesalainen, Matti
Keywords
COP, lämpökerroin, heat pump, lämpöpumppu, energy efficiency, energiatehokkuus, standardisation, standardointi
Other note
Citation