Simulering av värmepumpsystem

Transkript

1 Simulering av värmepumpsystem Mätprojekt Totalkomfort i Småhus SAMMANFATTNING Denna rapport beskriver bakgrund, metod och resultat från fältmätningar utförda inom ramen för projektet Simulering av värmepumpsystem. Mätprojektet har utförts under uppvärmningssäsongen år och den efterkommande sommaren. Huvudsyftet med mätprojektet är att studera och visualisera energibesparing och arbetsförhållanden för en modern klimatanläggning i ett äldre småhus samt möjliggöra verifiering av det beräkningsprogram som är under utveckling i projektet Simulering av värmepumpsystem. Klimatanläggningen utgörs av en bergvärmepump som via ett vattenburet radiatorsystem förser huset med värme. Ventilation sker med ett frånluftsaggregat. I husets källarplan finns golvvärme installerat i badrum och tvättstuga. Golvvärmekretsen är ansluten till värmesystemets returledning. Värmepumpen bereder även tappvarmvatten och används sommartid för komfortkla genom cirkulation av värmepumpens köldbärare genom fläktkonvektorer i husets två boningsplan. Mätningarna är koncentrerade på att ge en övergripande bild av husets komfortsystem. Av denna anledning innefattar mätningarna mycket av värmepumpens omgivning såsom värmedistributionssystemet, köldbärarkrets, utetemperatur och inneklimat. Resultatet från mätprojektet skall användas för att sprida kunskap om värmepumpteknik till VVS-installatörer och för utvärdering av ett beräkningsprogram för värmepumpar. BAKGRUND Under den senaste femårsperioden har den svenska värmepumpmarknaden uppvisat en mycket stark tillväxt. År 1999 installerades st värmepumpar enligt SVEPs (Svenska Värmepumpföreningen) försäljningsstatistik. Endast vid två tidigare tillfällen har liknande försäljningssiffror kunnat uppvisas. Första gången var under första hälften av 80-talet då försäljningen stimulerades av generösa bidrag för installation av värmepumpar i kombination med höjda energipriser. Under denna tid hemsöktes branschen av lycksökare som utlovade stora besparingar för villaägare. Löftena infriades sällan, mycket beroende på att det vid denna tid installerades många aggregat som inte var lämpade för svenska förhållanden. Många installationer blev också misslyckade p.g.a. att installatörerna inte hade tillräcklig kunskap om tekniken. Den andra försäljningstoppen inträffade under 1991 då vi stod på toppen av den högkonjunktur som rått sedan slutet av 80-talet. Vid denna tid bidrog den höga nyproduktionen av småhus till de höga försäljningssiffrorna. Den innevarande tillväxten förklaras till stor del av den teknikupphandlingstävling som NUTEK initierade under I dag kan bidrag sökas för konvertering från elvärme. Vid konvertering från direktverkande elvärme till berg-, ytjord-, sjövärmepump kan bidrag om maximalt sek erhållas [1]. Värmepumpar har nu betraktats som en konventionell uppvärmningsform i mer än 20 år. De flesta har hört talas om tekniken i ett eller annat sammanhang. De många misslyckade installationer som gjordes under 80-talet gjorde att branschen drabbades av ett mycket dåligt rykte och än idag kämpar man för att bygga upp ett förtroende hos villaägarna. Förtroendet har under senare år stärkts genom högre energiefffektivitet och högre tillförlitlighet. En starkt bidragande orsak till den ökade tillförlitligheten beror på ökad utbildning av installatörer. Utbildning sker dels hos enskilda tillverkare och centralt hos SVEP. Även VVS- Installatörerna, branschorganisationen för installatörerna, har tagit initiativ för att främja utbildning och öka informationen kring tekniken. Detta mätprojekt ingår som en del i ett demonstrationsprojekt som initierats av VVS- Installatörerna. Demonstrationsprojektet syftar till att öka kunskapen och spridningen av information kring värmepumpteknik hos organisationens medlemmar. Ett långsiktigt mål är att installation av värmepumpar skall utgöra en lönande och naturlig breddning av verksamheten hos traditionella VVSinstallatörer. Projektet är samfinansierat av SBUF (Svenska Byggbranschens Utvecklingsfond) och SVEP. För projektet Simulering av värmepumpsystem utgör fältmätningarna en möjlighet att verifiera beräkningsalgoritmerna i det datorprogram som är under utveckling. Mätobjekt Det aktuella mätobjektet är ett friliggande småhus i Katrineholm. Huset utgörs av två plan, om vardera ca 70 kvm och ca 50 kvm inredd och uppvärmd källare. Huset är byggt 1938 i funktionalistisk stil. Huset har sedan uppförandet genomgått flera

2 renoveringar varvid det bl.a. tilläggsisolerats. Fönstren utgörs av tvåglasfönster. Vid uppförandet utrustades huset med ett vattenburet radiatorsystem, vars vatten värmdes med en kombipanna avsedd för kol- och oljeeldning. Pannan byttes sedermera ut mot en elpanna. Radiatorerna är av äldre typ med relativt stor vattenvolym. Dimensionerande temperaturnivåer för radiatorsystemet har inte kunnat fastställas, men tack vare husets tilläggsisolering och de relativt stora radiatorytorna bedöms det dock vara lämpligt att kombinera med en värmepump. I samband med installationen av värmepumpen har husets källarplan renoverats. Vid renoveringen har golvvärme installerats i källarens badrum och tvättstuga. Golvvärmekretsen är ansluten till värmesystemets returledning. I huset bor för närvarande två vuxna personer tillsammans med fyra barn. För demonstrationsprojektets Figur 2 Tvåplanshus Katrineholm räkning har huset under hösten 1999 utrustats med en bergvärmepump. Dimensioneringsunderlag och prestanda för anläggningen återfinns i nedanstående tabell Värmepump Thermia VillaClassic 55 Kompressor Copeland Scroll Köldmedium 1,4 kg R404a Avgiven Värmeeffekt 5,4-5,0 kw Värmefaktor 4,2-2,8 Elpatron 6 kw Volym VV-beredare 150 liter Max effektbehov 8,7 kw Värmebehov kwh Varmvattenförbrukning 5000 kwh Inomhustemperatur 20 C Årsmedeltemperatur 6,2 C DUT -20 C Avgiven värmeenergi VP kwh Energitäckning 91,5% Balanstemperatur -3,3 C Total årsvärmefaktor 2,78 Årlig Energibesparing kwh Figur 3 Thermia VillaClassic 55 Tabell 1 Beräkningsförutsättningar Mätförfarande Den övergripande målsättningen med mätningarna är att ge en så fullständig bild som möjligt av systemets temperaturvariationer och energieffektivitet. Den långa mätperioden gör det möjligt att observera såväl dygnsvariationer som säsongsvariationer. Genom mätning av anläggningens elanvändning tillsammans med relevanta temperaturer för värmebärare och köldbärare ges en god bild av systemets dynamik. Under studier av dygnsförlopp kan varje enskild uppstart av kompressorn observeras. En förutsättning för detta är att avläsningen av mätvärden sker mycket ofta. I den aktuella tillämpningen registreras 17 mätparametrar 6 gånger per minut. Detta genererar mätvärden per dygn. Hanteringen av så stora datamängder ställer höga krav på automatisering av databehandling. I detta projekt används mätprogrammet HP-VEE tillsammans med Microsoft Excel för att automatiskt bearbeta, spara och skapa rapporter utifrån registrerade mätvärden. Via projektets hemsida dex.html ges tillgång till mätresultat för hela

3 uppvärmningssäsongen inklusive sommaren I diagrammet till höger visas radiatortemperaturer från den 25:e februari Vid femtiden på morgonen slår eltillsatsen om 6 kw till då värmepumpen inte ensam lyckas upprätthålla erforderlig framledningstemperatur. Strax före klockan sex vaknar familjen, vilket avslöjas av att värmepumpen bereder tappvarmvatten. Under morgontimmarna bereder värmepumpen varmvatten vid fyra tillfällen. Dessa tillfällen är lätt att identifiera i diagrammet av de temperaturtoppar som inträffar. Nästa gång värmepumpen bereder tappvarmvatten är under kvällen. Dygnsmedeltemperaturen under detta dygn var 8,6 C och den relativa gångtiden för värmepumpen var 98%. Totalt har värmepumpen inklusive den inbyggda elpatronen tillfört ca 24 MWh värme till huset under det gångna året. Husets värmebehov för normalår uppskattades före projektets start till ca 27 MWh. Den uppmätta säsongens låga värmebehov förklaras till stor del av den milda vintern. Förutom köldknäppen i början av februari var vintern varmare än normalåret. Enligt tillgängliga klimatdata utgjorde värmesäsongen endast 87% av normalårsbehovet. Den milda vintern medförde att den inbyggda elpatronen endast behövde stötta värmepumpen under 94 timmar (totalt 564 kwh). Detta medför att värmepumpen uppnått en energitäckning över 97% under den gångna värmesäsongen. Värmepumpens totala elenergibehov för den gångna säsongen har uppgått till totalt ca 9 MWh (8750 kwh). Anmärkningsvärt är att radiatorpumpen står för nästan 14% av den totala energianvändningen för anläggningen. Möjligheten att förbättra verkningsgraden för radiatorpumpen borde vara stor då verkningsgraden för mindre cirkulationspumpar i dag är lägre än 10%. [kwh] Radiatortemperaturer Radiator Fram 1 Radiator Retur 00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 00:00 Klockslag Figur 3 Radiatortemperaturer 25 feb Oktober Tillförd Värme Okt 00-Sep 01 December Februari** April Figur 4 Månadsvärden tillförd värme kwh Kompressor 6873 Radiatorpump 1200 KB pump+ övrigt 677 Totalt 8750 Figur 5 Fördelning elanvändning Juni Augusti Komfortkyla Husets komfortkyla erhålls genom att cirkulera värmepumpens köldbärare genom två fläktkonvektorer i huset. Den varma inomhusluften kyls då den passerar de kalla köldbärarrören i konvektorerna. Köldbäraren kyls i sin tur vid återcirkulationen i borrhålet. Den enda eleffekt som krävs är driften av cirkulationspumpen (knappt 100W) för köldbärarsystemet och de två fläktarna i konvektorerna. Under den första veckan i juli gick kylanläggningen i stort sett kontinuerligt. I figur 6 visas utetemperatur och innetemperatur under den 7:e juli, en av sommarens absolut varmaste dagar. Systemet har ingen temperaturstyrning utan regleras endast genom start/stopp av systemets cirkulationspump. Fläktkonvektorerna är utrustade med avrinningsrör för att ta hand om kondens. Familjen är mycket nöjd med den erhållna kyleffekten och har kunnat upprätthålla ett behagligt inomhusklimat även under de varmaste dagarna på sommaren.

4 Prestanda borrhål Borrhålet i Katrineholm är 93m aktiv längd. Utrustad med en enkel U-slangskonfiguration, slangdiameter 40/32 mm. I anläggningen mäts köldbärartemperaturen före och efter förångaren. Borrhålet har kompletterats med två termoelement för mätning av vattentemperaturen vid 25 respektive 55 meter från markytan. I figur 7 visas hur köldbärartemperaturen varierat under uppvärmningssäsongen. Under början av hösten var borrhålet lågt belastat med korta drifttider under varje dygn. Detta medför en viss spridning i de uppmätta värdena på köldbärarens temperatur. Allt eftersom utetemperaturen minskar ökar den relativa gångtiden och därmed erhålls endast mindre variationer mellan varje dygn. Variationen kommer därmed att spegla utetemperaturens variation väl. Noterbart är att återhämtningen från mitten av april sker väldigt snabbt. Den 5:e februari uppmättes den lägsta inkommade köldbärartemperaturen till 2.56 C. Med tanke på att detta endast var första hela värmesäsongen som värmepumpen varit i drift och det faktum att detta år varit varmare än normalåret och att dimensionering utförts med ett något konservartivt antagande om värmeledningstalet (3W/mK, normalvärde granit 3.47) för berget förefaller detta värde lågt. Medelvärde för inkommande köldbärare under hela uppvärmningssäsongen har uppgått till 1.1 C. Av mätningarna av vattentemperaturen i borrhålet (se fig 8) förefaller det troligt att hålet endast var fruset under en mycket kort period under köldknäppen i februari. Återhämtningen under våren sker snabbt och under de korta perioder då komfortkylan varit i drift har temperaturen tidvis stigit över 10 C. Beroende den naturliga temperaturgradienten i vertikalled är temperaturen vid 55 meters nivån något högre än vid 25 meters nivån. Borrhålsdimensionering De senaste årens starka försäljningsframgångar för bergvärmepumpar har accentuerat intresset för dimensionering av energibrunnar. I dag använder tillverkarna olika modeller för denna dimensionering, vilket medför en stor spridning för vad som anses vara korrekt dimensionering. Eftersom kostnaden för energibrunnen utgör en så pass stor del av totalkostnaden för en anläggning innebär detta att tillverkare som använder sig av mer optimistiska modeller för borrhålsdimensionering åtnjuter en konkurrensfördel gentemot övriga tillverkare Utetemperatur 5.00 Inomhustemperatur 00:00 12:00 00:00 Klocks lag Figur 6 Temperaturer 7:e juli Figur 7 Kölbärartemperaturer oktober- 9:e maj Medel för inkommande brinetemperatur under perioden 1:a november till 9:e maj -1,1 C Okt Dec FFeb April Borrhål 55m Borrhål 25m 30-sep 8-jan 18-apr 27-jul Figur 8 Temperatur i borrhål KB-in KB-ut

5 Eftersom den successiva temperatursänkningen i berget sker mycket långsamt kan ett snålt dimensionerat borrhål i många fall fungera mycket väl under hela garantitiden för att sedan tappa rejält i prestanda. I syfte att ena branschen kring en gemensam metod för dimensionering av energibrunnar utvecklas nu inom detta projekt en modell för borrhålsdimensionering som kommer att ingå i det beräkningsprogram som är under utveckling. Anläggningen i Katrineholm utgör en möjlighet att verifiera modellens giltighet. I den teoretiska modell som utgör grunden för dimensioneringen i detta beräkningsprogram tänker vi oss borrhålet som en oändligt lång cylinder i en oändligt stor homogen omgivning med kända värmetekniska egenskaper. Något kortfattat kan man sedan utifrån kyllast, ostörd marktemperatur och bergets värmeledningstal beräkna temperaturen på borrhålsväggen för en given borrhålslängd. Med hänsyn tagen till slangkonfiguration, köldbärare och köldbärarflöde kan sedan fluidtemperaturen bestämmas. Den allmänna lösningen för detta generaliserade fall tecknades första gången av Carslaw och Jaeger 1947 [2] för att senare appassas för denna tillämpning av Ingersoll et al 1954 [3]. En något mer utförlig beskrivning av den teoretiska modellen som används i beräkningsprogrammet återges i projektets slutrapport för Klimat-21 [4]. I det följande avsnittet återges endast en jämförelse mellan uppmätta och utifrån modellen beräknade köldbärartemperaturer för anläggningen i Katrineholm. I modellen som används i beräkningsprogrammet beräknas kyllasten utifrån husets värmelast och värmepumpens prestanda. För att utvärdera modellen har istället dygnsmedelvärden för kyllasten beräknats utifrån uppmätta värden på avgiven värme från värmepumpen och tillförd el till kompressorn. Utöver beräknad kyllast har verklig borrhålslängd, borrhålsdiameter, data för köldbärare och bergets värmeledningstal använts som indata. Beräkningsunderlag för modellen återges i tabell 2. Beroende på osäkerheten i många av de indata som ges till modellen är det inte tillrådigt att göra en kvantitativ jämförelse mellan beräkningsmodellens resultat och uppmätta värden, däremot är det av yttersta intresse att jämföra modellens förmåga att realistiskt återge borrhålets temperatursvar vid varierande kyllast. I figur 9 jämförs uppmätt värde för inkommande köldbärartemperatur till förångaren med motsvarande beräknade värde enligt beräkningsmodellen KB-in Ber KB-in 3,46 Ber KB-in 3,0 Aktiv borrhålslängd 93 m Borrhålsdiameter 110 mm Slangdiameter 40/32 mm Köldbärare Etylenglykol 30% Flöde köldbärare 17 l/min Värmeledningstal berg 3,46 3, Okt Nov Dec Jan Feb Mars April Tabell 2 Indata beräkningsmodell Figur 9 Uppmätt värde inkommande köldbärare-beräknad temperatur Av figur 9 framgår att modellen väl återspeglar mönstret från de uppmätta temperaturerna. För att belysa inverkan av bergets värmeledningstal har två beräkningar utförts. I den ena beräkningen har medelvärdet för granit (3,46 W/m 2 ) använts. I den andra något mer konservativa beräkningen har 3,0 W/m 2 använts. En ökning av värmeledningstalet parallellförskjuter kurvan uppåt. Då värmeledningstalet på den aktuella platsen inte är uppmätt saknas möjlighet att göra en kvantitativ jämförelse mellan uppmätt och beräknat värde. Ett rikstäckande dataunderlag för bergrundens värmetekniska egenskaper vore till god hjälp vid all borrhålsdimensionering, detta saknas idag

6 Referenser [1] Bidrag till konverering från elvärme till annan individuell uppvärmning i småhus, Informationsblad Boverket [2] Carslaw, H. S., Jaeger, J. C., 1947, Cunduction of Heat In Solids. Oxford, U.K [3] Ingersoll, L. R., Zobel, O. J., Ingersoll, A. C., 1954, Heat Cunduction With Engineering, Geological and Other Applications, Revised Editition McGraw-Hill. [4] Forsén, M., Lundqvist, P., 2001, Simulering av värmepumpsystem, Slutdokument Klimat-21, CD- ROM-skiva Publikationer från Klimat 21.