VÄRMEPUMPAR I PRAKTIKEN. - Termodynamik i samverkan med byggnaders installationer

Transkript

1 VÄRMEPUMPAR I PRAKTIKEN - Termodynamik i samverkan med byggnaders installationer Chalmers tekniska högskola

2 VÄRMEPUMPAR LITE GOTT OCH BLANDAT Behov och tillämpningar T 1 Q 1 Ekonomi W Termodynamik T 2 Q 2 Praktikfall 1: Ombyggnad av kontorshus Praktikfall 2: Ombyggnad av småhus Framtiden?

3 Behov 1 INTE BARA TEKNIK Teknik måste ge svar på relevanta frågor! - Vilka behov ska täckas? - Fördelar mot alternativ? - Funktion primär, teknisk lösning sekundär Hur passar värmepumpen i samhället? - Termodynamik: teori, ingenjörskonst, politisk/fiskal Brukare, fastighetsägare, energiföretag, samhälle - Ekonomi, tillgänglighet, bekymmersfrihet, valfrihet, miljöfrågor

4 Behov 2 GRUNDLÄGGANDE BEHOV Mat: Livsmedelskyla (1900-talet) Jättestort! % av hushållens energiförbrukning ligger på mat - Omsättning kylda livsmedel: kr i Sverige, kr i Europa, kr globalt. Komfort: Luftkonditionering (1940-talet) Stort! - > RAC per år i världen Energibesparing: Värmepumpar (1970-talet) Litet! - Ca värmepumpar per år i Sverige - Ca värmepumpar totalt installerade i Sverige Kelvin 1852 (förutseende!): On the economy of heating and cooling buildings

5 Behov 3 TILLÄMPNINGAR Industriella värmepumpar och kommersiell kyla - Bortkylning av överskott, utnyttjande av spillvärme - Processer: livsmedel (whisky!), petrokemi ( pinch ), torkning, temperaturhöjning (värmetransformator), processånga, kryoteknik (gaser, gastransport), frysning av mark) - Lagring: Livsmedel, övrig klimatstyrd förvaring Klimatisering av byggnader m.m. -Rum: värmning (minskar), kylning (ökar) - Ventilationsluft: värmning, kylning, - Värmeåtervinning: ventilation, avlopp - Tappvatten: värmning - Kyl och frys, torktumlare, torkskåp

6 Behov 4 ENERGI I BYGGNADER Brutto (använd) energi Behov = min. användning Användning = behov + onödigt Netto = användning - återvunnet Brutto = netto + förluster Köpt = brutto - gratis energi Gratisenergi Köpt energi Netto energi Användare BEHOV Utvinning Förädling Transport El-kraft Kraftvärme Värme Kyla Hushåll, apparater, verksamhet, fastighet el. Varmvatten Värmesystem Kylsystem Skilj på behov, användning, tillförd och köpt energi! Statistiken redovisar bara köpt energi; 14 TWh saknas för vp

7 Uppvärmning och tappvarmvatten inkl elvärme kwh/år m² Samtliga FLER- BOSTADSHUS Samtliga LOKALER 1981 Nya målsättningar kwh/m 2 /år Kontorshus 80-talet Goda exempel 2000-talet Driftel exkl el för värmning kwh/år m² Behov kwh/m 2 /år Installationsteknik BYGGNADERS ENERGIANVÄNDNING TWH/år Värme minskar Kyla ökar El ökar Driftel Hushålls Elenergi uppvärm Direktel År

8 Behov 6 MÖJLIGHETER ATT MINSKA DEN KÖPTA ENERGIN Minska behovet - beteende (apparater, belysning, varmvatten, rumstemperatur, vädring ) - byggnad (fönster, isolering) - installationer (värme, ventilation, belysning, vitvaror ) Byt tillförselsystem (något med gratisvärme ) - egen ved - solvärme (direkt) - solvärme (indirekt, t.ex. lagrad i mark) Vad har marken att erbjuda? Svar kommer senare!

9 Behov 7 IVA s Energiframsyn Energibehov [MWh/år] Apparater Belysning Ventilation Varmvatten Rumsvärme Potential för energieffektivisering i småhus (IVA) Apparater Belysning Ventilation Varmvatten Rumsvärme År Halvering av dagens energianvändning till år 2050 Halvering av köpt energi är lätt redan idag!

10 Ekonomi 1 KONKURRERANDE ALTERNATIV Investering Värmefaktor eller pris? Typ av lösning? Kostnad för alternativ till värmepump? Alternativ energikostnad (kr/kwh) 1,50 1,00 0,50 Kapitalkostnad = 0,50 kr/kwh När lönar sig värmepump? El-värme billigast Alternativ energi billigast 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 El-pris (kr/kwh) COP = 2 COP = 3 COP = 4 COP = 5 Dimensionering? Jämför skiftet 1985!

11 Ekonomi 2 DIMENSIONERING Värmekostnad = Investering annuitetsfaktor + rörlig kostnad Effekt, P [kw] P dim Q tva Utnyttjningstid Q[ kwh] τ[ h] = Q & dim[ kw ] Q vpa Värmepump xvpa Invvpa (1 + ) avpa K vpa = avpa + τ vpa K el, vpa SPF Inv = inv. kostnad [kr/kw] x = andel underhåll av inv. τ = utnyttjningstid [h] [ kr / kwh] 8760 Tid [h/år] Tillsatsvärme p.s.s. OBS! Både effekt och temperatur kan begränsa täckningsgraden

12 Ekonomi 3 OPTIMAL EKONOMISK DIMENSIONERING Total kostnad K tot = Q Q vpa tot K vpa Q + Q tot vpa 1 K tva [ kr / kwh] Värmekostnad [kr/kwh] K tot K tva K vpa 0 0,5 1,0 Effekttäckningsgrad [kw/kw dim ] Effekttaxa kan premiera täckningsgrad VP sparar bara vid drift! Kostnad för VP, värmekälla och värmesänka ökar med storlek Övereffekt låg utnyttjningstid Tumregel: 50 % effekt % energitäckning Kapacitetsreglering ger alternativ till TVA

13 Ekonomi 4 TEKNIKDRIVANDE FAKTORER Många lösningar är möjliga, få blir verkliga Ekonomi - Pris på el/värme, - Energi/effekt Miljö (ökande krav) - Inomhusmiljö - Utomhusmiljö (lokal/global) Normer Driftsäkerhet Ekonomi Inre miljö Information, övervakning, mätning Val av energisystem - Byggnormer, energideklaration, Samhällsförändringar - Teknik inom andra områden (jämför IT, 3G, ) Installationsteknik Yttre miljö Bekvämlighet

14 Teori 1 VÄRMEPUMPAR OCH TERMODYNAMIKENS 2:a HUVUDSATS Värmekraftprocess - Värme kan inte helt omvandlas till arbete (det blir alltid spillvärme) Installationsteknik Värmepumpsprocess - Värme kan inte gå från låg till hög temperatur utan tillsats av arbete T 1 Q 1 T 1 Q 1 W W η T 2 T = W Q 1 = Q 1 Q Q 1 Q 2 2 = T 1 T T 1 2 T = 1 T 2 1 T 2 COP1 C COP2 C Q 2 Q1 = W Q = W 2 = = T 1 T T 1 T 1 T 2 2 T 2

15 Teori 2 TEMPERATUR VERKNINGSGRAD COP = Coefficient Of Performance = värme/arbete Värmekraftprocess Värmepumpsprocess Installationsteknik 1,0 Termisk verkningsgrad 20 Teoretiska värme- och köldfaktorer Verkningsgrad [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 t2 = 0 C t2 = 20 C t2 = 50 C t2 = 100 C t2 = 150 C COP1 och COP2 [-] C 0 C 10 C COP1: t2 = -10 C COP1: t2= 0 C COP1: t2 = 10 C COP2: t2 = -10 C COP2: t2 = 10 C COP2: t2 = 0 C 0,2 0,1 0, Temperatur t1 [ C] T1 T T 1 T Temperatur t1 [ C] η 2 2 T = = COP = = 1+ = 1+ COP2 T1 1 T1 T2 T1 T2 T T

16 Teori 3 COP = 1 COP1 C Installationsteknik VÄRMEFAKTORNS TEMPERATURBEROENDE Värmefaktor COP (Coefficient Of Performance) Avgiven värme Tillförd el Q = 1 W = T 1 T1 T 2 COP Värmefaktor som funktion av temperaturlyft Japans "super heat pump" 0,65/35 0,55/35 0,65/80 0,55/80 0,80/80 COP vpa = W e, vp Q 1vpa + W e, p+ f 2 Småhusvp Fjärrvärmevp Temperaturlyft T1-T2 (K) Bergvärmepump med golvvärme

17 Teori 4 EXEMPEL COP C1 = T 1 /(T 1 - T 2 ) - t 1 = 20 C, t 2 = 0 C Q 1 T 1 COP 1C = 14,7 t rum = 20 C W em t vbut t vbin "pumphöjd" - t 1 = 50 C, t 2 = -10 C COP 1C = 5,4 t källa = 0 C t kbin Q 2 T 2 t kbut COP 1vp = Q 1 /W em η C1 = COP 1vp / COP 1C Komponenter η C1 = 0,5 till 0,8 COP 1vp = 2,7 till 4,3

18 Teori 5 TEMPERATURNIVÅ OCH HJÄLPEFFEKTER Inverkan på COP - Temperaturnivåer och drivenergier: ΔCOP COP 1 1 = ΔW& W& e, vp e, vp = ΔTkb T1 T 2 T T 2 1 T ΔT 1 vb T 2 W& W& e, p e, vp Exempel med återladdning - ΔTkb = +4 K borde ge ΔCOP/COP +10 % - Men ΔTvb >+4 K, Δwe,p/we,vp = % - Total minskning %!

19 Teori 5 NYCKELFAKTORER FÖR EFFEKTIVITET Temperaturnivåer (COP ändrar sig med 2-3 % per C!) Värmeväxlare (temperaturdifferenser, tryckfall, materialval, trycknivå) Kompressor (rätt typ för tillämpningen, dimensionering, lastanpassning - kapacitetsreglering) R p1 Q& vpa W& Pumpar och fläktar + e, p1 Rvpa (verkningsgrader, COPvpa, medel = R p1 R p2 W& e, m + W& e, p1 + W& drifttider, kapacitetsreglering) e Rvpa Rvpa Köldmedium (effektivitet, långsiktigt acceptabelt, kostnad, säkerhet) Köldbärare (effektivitet, korrosivitet, stabilitet, kostnad, säkerhet, miljö), p2

20 Praktik 1 MARKVÄRME MED VÄRMEPUMP - Värme, kyla (frikyla) och lagring i berg Installationsteknik Solstrålning Nederbörd Värmestrålning Värmekälla Värmesänka Värmelager Grundvattenflöde i berg Värmeledning i berg Borrhål Borrhål Geotermiskt värmeflöde Borrhål Borrhål m Neutral zon Påverkas av årstidsväxlingar Temperatur stabil i tiden Ökar med ökande djup

21 Praktik 2 BERGVÄRMESYSTEM Fördelar Relativt god tillgänglighet; liten plats Väl skyddad, lång livslängd Relativt hög och jämn temperatur Fungerar som lager (inträngningsdjup: δ 0 = 0,2 m för variationer över dygn δ 0 = 4 m över år; H = 100 m ger 1255 m 3!) Möjlighet till frikyla, FTX Egenskaper för enskilda borrhål 2δ 0 (1 dygn: 0,2 m) 2 δ 0 (1 år: 4 m) Dynamisk ekvivalent Nackdelar Kostnad (ca 250 kr/m) Berg (år) Berg (dygn) Borrhål Köldbärare Anmälan/tillstånd

22 Praktik 3 KONTORSHUS: TILLÄMPNING MED FRIKYLA Rätt förhållande mellan värme- och kylbehov ger stor andel frikyla Rektangulära borrhålssystem Astronomihuset i Lund: < 28 kwh/m 2 /år; < 10 W/m 2! 1/10 av normalt! Värmepump som spets för kyla/värme? El [W/m2] Effekt [W/m2] ,0 20,0 10,0 0,0 Varaktighetsdiagram för kyl- och värmeeffekt Tillsatsvärme, Q tva /A 8 kwh/m 2 BTA per å Varaktighetsdiagram för el-effektbehov , ,0 0 80,0-10 Frikyla, Q berg /A 70,0 25 kwh/m2 BTA per år ,0 Värmepumpskyla, Q 2 /A kwh/m2 BTA per år 50, h , Värmepump, W e /A 19,6 kwh/m 2 BTA per år Värmepump, Q 1 /A 89 kwh/m 2 BTA per år Värmepump kyla/värme τ [h] τ [h] 8760 h

23 Praktik 4 SMÅHUS: FÖRUTSÄTTNINGAR Borås (Nutek/STEM referens) - Klimatzon 4, t år = +5,8 C Byggnad: 1977, fristående - BRA = m 2 - torpargrund - isolering 12 cm (U 0,35 W/m 2 /K), - fönster 2-glas (U 2 W/m 2 /K) Installationer: - F-ventilation, 165 m 3 /h (0,5 oms/h) - Direktel, 10,3 kw - El-beredare, 300 liter, 1,5/3 kw Totalt köpt energi: 25 MWh/år, 167 kwh/m 2 /år Pris [SEK/kWh] 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Elprisets utveckling Moms Energiskatt Fast kostnad Energipris År

24 Praktik 5 VINNARKONCEPT Fast pris SEK - värmepump ca. 4 kw - borrhål 60 m - fläktkonvektor ca. 4 kw Tillägg SEK - större fläktkonvektor - en radiator Förväntad besparing kwh/år (uppvärmning) Utvärdering + förberedelse av framtida modifieringar

25 Praktik 6 BERÄKNAD SPF FÖR VINNARKONCEPTET + TÄNKBARA FÖRBÄTTRINGAR 1. Tävlingsförslag 2. Återladdning 3. Pumpdrift 4. Lastanpassning (ackumulator) COP vpa [-] Värmefaktor för olika konverteringsalternativ Lågtemperatursystem 40/30 V: IV plus lågtemperatursystem (40/30) IV: III plus lastanpassning III = II plus effektiv pumpdrift II = I plus återladdning I = enligt värmepumpstävling 5. Lågtemperatursystem Lastanpassning Distribution (effektiva pumpar) Värmekällan (återladdning) t ute [ C]

26 Praktik 7 OMBYGGNAD 1: VINNARKONCEPTET Enkel värmepump ( kylskåpsmodul 0,6x0,6x0,6 m) Styrenhet Värmepump P1 Enkel styrning (utetemperaturbaserad kurvstyrning ) Borrhål t wi L Fläktkonvektor Enkelt värmesystem (fläktkonvektor + bibehållna el-radiatorer) Bibehållen el-beredare

27 Praktik 8 OMBYGGNAD 1: RESULTAT Visthusgatan 6: Veckomedelvärden 1996 Temperatur [ C] Tvb,ut Tluft,ut Tluft,in Tkb,in Tute Månad [nr] Besparing ca kwh på uppvärmning

28 Praktik 9 OMBYGGNAD 2: ÅTERLADDNING Värme kyla - ventilation Återladdning: - frånluftsbatteri TILL - tilluftsbatteri FRÅN Frånluftsbatteri t kbfut t kbfin Tilluftsbatteri Komfortkyla - frånluftsbatteri FRÅN - tilluftsbatteri TILL V. kbf Värmepump t kbut t kbin V. kb Värmeåtervinning - frånluftsbatteri TILL - tilluftsbatteri TILL Borrhål t berg

29 Praktik 10 OMBYGGNAD 2: RESULTAT Köldbärartemperaturen ökar Men värmefaktorn minskar! Varför? Temperatur [ C] Köldbärartemperatur med och utan återladdning Veckomedelvärden Med återladdning Utan återladdning Tkbin 00/01 Tkbut 00/01 Tkbin Utetemperatur [ C] Värmefaktor 4,0 COP vp-96 COP [-] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 COPvp COPvpa COPvpa* COPvpaf COPvp-96 Veckomedelvärden år 2000 COP vp COP vpaf COP vpa 1, Utetemperatur [ C]

30 Praktik 11 Funktion OMBYGNAD 2: RESULTAT Drifttid Driveffekt Drivenergi Parasitkvot [W] timmar [h] relativ [-] [kwh] [-] Kompressor Köldbärarpump Värmebärarpump Fläktkonvektor Återladdningspump Parasitsumma Total summa Parasitkvot: ( state-of-the-art )

31 Praktik 12 Installationsteknik OMBYGGNAD 3+4: STYRNING OCH LASTANPASSNING Varför enkelt när man kan göra det så vackert komplicerat? 1 Värmepump 2 Återladdning 3 Pumpdrift 4.1 Specialtank Styrenhet P1 t tank1 t tank2 Värmepump VVdel Värmedel P2 Värmesystem P3 t rum VVX1 VV KV 4.2 Styrsystem t vbin Borrhål

32 Praktik 13 OMBYGGNAD 3+4: RESULTAT Ökad besparing: SPF = 2,7 SPF = 3,7 (varmvatten + lägre värmesystemtemperatur) Längre drifttider, färre starter (tillförlitlighet) Bättre reglerbarhet Elanvändning [MWh] Årlig elanvändning: Visthusgatan 6 Värmepump installerad våren 1996 (bara för värme, inte för Återladdning våren 2000 Ackumulatortank hösten 2004 Hushållsel Varmvatten Uppvärmning Komplettering radiatorer våren 2006 IVAs Energiframsyn År

33 SAMMANFATTNING Naturen ställer upp som värmekälla och lager - Kraftigt minskat behov av köpt energi Besparing: 25 MWh/år 9-10 MWh /år - 4,5 MWh/år för värme och varmvatten kwh/m 2 /år 63 kwh/m 2 /år Typiskt 70-tals direktelvärmt småhus med lägre specifik energianvändning än moderna passivhus Bättre styrning av inomhusklimatet än i passivhus Ekonomi: Rak pay-off 5 år, nuvärde SEK - Investering ca SEK, besparing ca SEK/år

34 Framtid 1 FRAMTIDEN - FÖR 15 ÅR SEDAN ( ) System - Köldmedier (akut, nya och/eller naturliga?) - Billig, indirekt bergvärme (direktel-hus) - Fjärrvärme/fjärrkyla Komponenter (villavp 2-25 kw värme) Installationsteknik - Kolv/rotationskolv/Scrollkompressor: effektivare, nya köldmedier - Vidareutveckling av frekvensstyrning, elektronisk expansionsventil - Plattvärmeväxlare, nya ytstrukturer, bilkylare (luftvärmeväxlare) Prestanda Tryck, log p [bar] - Villavärmevp: η C1 = 0,50-0,65; SPF = 3-4 (mark), 2-3 (uteluft), 3-4 (frånluft) - Fjärrvärmevp: η C1 = 0,65-0,70; SPF = 2,5-3,5 (avloppsvatten), 4-6 (fjärrvärme + fjärrkyla) p 1 p 2 t = 0 C Traditionell värmepumpsprocess Fuktigt område (ånga och vätska) Kritisk punkt 3 3' Kondensering 2' 4 Vätska t = 50 C t = 100 C Fluid (skillnad mellan vätska och gas försvinner) Förångning Gas Specifik entalpi, h [kj/kg] 2 t = 100 C 1' 1 t = 50 C t = 0 C

35 Framtid 2 NUTID OCH FRAMTID - PÅ KORT SIKT ( ) Tillämpningar: En- och flerbostadshus, lokaler System - Integrerade system: kallfjärrvärme, flytta värme i tid och rum - Konvertering: direktel-hus, flerbostadshus - Täckningsgrad: ökar, värmepump som tillsats? - Tappvatten och ventilation: relativ ökning, systemlösningar, CO 2 - Optimering: drift och dimensionering ( parasiteffekter ) Komponenter - Kompressorer: effektivare, naturliga köldmedier, oljor, livslängd - Styr- och regler: frekvensstyrning, elektronisk expansionsventil - Motorer: effektiva för kompressorer, pumpar, fläktar - Värmeväxlare: bilkylare (luft, laminärströmning) Prestanda: η C1 = 0,6-0,7; η C1 = 0,7-0,8 (>1 MW); SPF = > 4 Installationsteknik

36 Framtid 3 FRAMTIDEN - PÅ LÅNG SIKT (2050) Installationsteknik System - Ny försörjningsteknik: Förgasning, transmutation,... - Alternativa värmepumpsprocesser: Rankine -1, Brayton -1, Stirling -1, Carré -1, magnetisk, termoelektrisk, - Integrerade system: Trigeneration, energikombinat, - Självoptimerande styrsystem med diagnostik Komponenter - Högeffektiva el-motorer, linjärmotorer - Effektiva och billiga frekvensstyrningar och elektroniska expansionsventiler - Högeffektiva luftvärmeväxlare (inklusive avfrostningsteknik) Prestanda: η C1 > 0,8; η t > 0,7. Tekniksprång?