,

Transkript

1 ANSÖKAN OM FORSKNINGSSTÖD Datum Dnr 1 (7) Projektnr Sökande Företag/organisation Organisationsnummer KTH Institution/avdelning Postgiro/Bankgiro/Bankkonto Energiteknik PG: , BG: Postadress Brinellvägen 68 Postnummer Ort Länskod Kommunkod Land Stockholm Sverige Projektledare (förnamn, efternamn) Joachim Claesson Telefon , E-postadress claesson@energy.kth.se Eventuell medsökande (ange organisation) Fax Webbplats Projektet Ansökan avser nytt projekt Fortsättning på tidigare projekt, ange projektnummer: Projekttitel (på svenska) Uppgradering av bergvärmesystem vid utbyte av äldre värmepump Komplettering med uteluftsdel. Projekttitel (på engelska) Enhancement of performance of rock source heat pumps when retrofitting an old heat pump installation Adding an outdoor air heat exchanger. Sammanfattning (på svenska). Sammanfattningen skall omfatta max 250 ord och skall skrivas både på svenska och på engelska. Sammanfattningen skall skrivas så att den i ämnet oinvigde med lätthet förstår projektets innehåll och syfte. Många bergvärmepumpar har varit i drift åtskilliga år och det börjar bli dags att ersätta dessa. Ofta ersätts dessa äldre med en ny värmepump, med liknande eller större värmeavgivning. Energibrunnen har dock fortfarande många år kvar på sin tekniska livslängd och används ofta därför utan vidare åtgärder. Detta innebär åtminstone tre saker, 1. Nya värmepumpar dimensioneras numer ofta för större effekt- (och energi-)täckning. 2. Energibrunnar dimensionerades för lägre effektuttag än dagens brunnar. 3. Nya värmepumpar är effektivare. Kort sagt, energibrunnen kommer troligen att vara underdimensionerad för den nya inköpta värmepumpen, vilket leder till sämre årsvärmefaktor än vad som är möjlig med den nya värmepumpen om den installerats i ett nytt borrhål. Det föreslagna projektet avser att undersöka prestanda och kostnader för en kombinationslösning med en uteluftdel. Uteluftdelen kopplas in på borrhålskretsen, varvid åtminstone fyra driftsfall identifierats: STEM038 ver.n-1.1, Då utetemperaturen är högre än returtemperaturen från berget, och uteluftdelen boostar Sekretariatet EFFSYS+ Institutionen för Energiteknik Avdelningen Tillämpad termodynamik och kylteknik Kungliga Tekniska Högskolan Stockholm Besöksadress Brinellvägen 68 Telefax E-post effsysplus@energy.kth.se

2 Datum 2 (7) borrhålskretsen. 2. Då utetemperaturen är tillräckligt hög för enbart drift av uteluftdelen. 3. Då utetemperaturen är låg, endast borrhålet används. 4. Då utetemperaturen är hög och borrhålet kan återladdas med energi. Ett system som detta leder möjligtvis till att effektiviteten på värmepumpen hålls uppe, att energibrunnen får hjälp att leverera energi till värmepumpen och kan därmed räcka längre in på uppvärmningssäsongen. Projektet avser att uppskatta vilka vinster som kan göras med dylikt system, jämfört med att inte ha kombinationslösning eller att borra ytterligare i befintlig energibrunn. Projektet avser också att på en eller flera installationer utvärdera praktiskt hur effektiv lösningen kan bli. Sammanfattning på engelska enligt ovan (max 250 ord). Many rock source heat pumps have been running now for many years, and it has become time to upgrade to newer heat pumps. The retrofitted heat pumps tend to be equal or larger in heating capacity. The geothermal wells used as heat source still have many years before needing upgrades. As the same geothermal well are used for the new heat pumps, three implications arises: 1. Newer heat pumps are now sized for larger capacity compared to building need. 2. Geothermal wells were earlier sized for larger heat rate per length than modern sized wells. 3. Newer heat pumps are more efficient. In short, the geothermal well will undersized for the new installed heat pump. This implies that full benefit of the new heat pumps higher efficient cannot fully be accounted for. The proposed project aims at investigate the performance and design criteria for a system which combines the existing geothermal well with an outdoor air unit. The air unit is connected to the cold side of the heat pump, assisting the geothermal well. Four different is identified: 1. At high outdoor temperatures, higher than the geothermal well could produce, the air unit adds energy the cold side, boosting the temperature before the heat pump. 2. At even higher outdoor temperatures, when only the outdoor air unit is used to supply heat to the heat pump. 3. At low outdoor temperatures, the geothermal well is supplying all heat to the heat pump. 4. At the highest outdoor temperatures, when the outdoor air unit may be used to charge the ground with free energy. The proposed system will increase seasonal performance of the heat pump system, aiding the short geothermal well to last longer during the heating season. Enskilt projekt Datum för projektstart Forskningsprogram, ange vilket: EFFSYS Totalt sökt belopp SEK Tidpunkt då projektet beräknas vara genomfört

3 Datum 3 (7) Motivering; Energi-/miljö-/näringslivsrelevans, max 250 ord. Ange koppling till resultat från tidigare genomfört program eller projekt. Värmepumpar är identifierade som en av de tekniker som troligtvis kommer att leda till att Sveriges energi- och klimatmål kan nås. Speciellt effektiva system är värmepumpar som hämtar sin energi från marken, speciellt då bergvärmesystem. Svenska värmepumptillverkare är ledande i Europa och har ett försprång då den svenska marknaden ligger före övriga Europa. Det är därför dags i Sverige att byta ut första generationens bergvärmepumpar mot nya, mer effektiva värmepumpar. Eftersom nya värmepumpar är effektivare kommer de befintliga energibrunnarna att vara något underdimensionerade. Som ett alternativ för att hålla värmefaktorn hög på dessa system utan onödiga kostnader föreslås att energibrunnen kompletteras med en uteluftdel. Dennna lösning kan även vara intressant för att nyinstallationer av bergvärmesystem, med hög effektivitet och därmed låg miljöpåverkan. De svenska värmepumptillverkarna har här alltså en potentiell kombination som kan vara intressant dels vid ombyggnad av befintliga system som vid nyprojektering, och att därmed fortfarande hålla sig i framkant av den värmepumpande tekniken för uppvärmning av byggnader. KTH Energiteknik har en lång historia i forskning inom berörda områden, Uppvärmning av byggnader samt Värmepumpande tekniker. Nyligen avslutade projekt med direkt koppling till projektet är t.ex. Kapacitetsreglering av värmepumpssystem, utfört av den nyblivne doktorn inom området Dr. Hatef Madani. Vidare i slutfasen av sin doktorandprojekt befinner sig Jose Acuna, vars forskning de senaste åren handlar om energiupptagning ur berget med olika utformade kollektorer. Bakgrund; vad har gjorts tidigare?, vad är nytt i detta projekt?, forskargruppens verksamhet?, samarbeten? etc, max 1 A4-sida En bergvärmepump är en energieffektiv teknik för uppvärmning av byggnader. En ny väldimensionerad bergvärmepump med tillhörande energibrunn bör nå en årsverkningsgrad på över 300 % (dvs. COP1 större än 3), relaterat till köpt drivenergi. Nyckeln till energieffektiva värmepumpsystem är att hålla det s.k. temperaturlyftet så litet som möjligt. Temperaturlyftet beror på flera saker, men det viktigaste är att använda sig av stabila källor (dvs. Energibrunnen) och sänkor (dvs. golvvärmesystem). Denna kombination, energibrunn och golvvärmesystem, har den största energieffektiva potentialen för värmepumpande tekniker. Trots att energibrunnen är den enskilt mest effektiva värmekällan till en värmepump, kan det finnas kombinationer som kan vara ännu mer effektiva. T.ex. så är under vår, höst och sommar luftens temperatur ute betydligt varmare än den temperaturen som marken eller berget har. Det är då troligt att under dessa timmar kan det vara mer energieffektivt att låta uteluften vara den huvudsakliga värmekällan till värmepumpen. Problemet med uteluft är dock att under vintermånaderna är temperaturen betydligt lägre än bergets eller markens temperatur. Det är alltså under dessa månader mer energieffektivt att låta berget vara den primära värmekällan till värmepumpen. Det inses alltså att en kombination av dessa båda har ännu bättre potential för ett värmepumpsystem att leverera uppvärmning av byggnader, än någon av dessa källor separat. Detta gäller således både för nya och befintliga system. För en nyprojektering av en värmepumpsanläggning kan det möjligtvis vara så att genom noggrann optimering av relationerna av dessa båda källor kan kostnaden för systemet minskas, med bibehållen effektivitet. Men mest intressant är kanske detta för befintliga bergvärmepumpar där värmepumpsenheten skall bytas ut. Det är mest intressant baserat på i huvudsak fyra observationer:

4 Datum 4 (7) 1. Energibrunnen har avsevärd teknisk livslängd kvar. 2. Nya värmepumpar dimensioneras numer för större effekt- (och energi-)täckning. 3. Energibrunnar dimensionerades för lägre effektuttag än dagens brunnar. 4. Nya värmepumpar är effektivare. Eftersom energibrunnen har långt kvar i livet, innebär detta att en ny brunn inte är en trolig investering som byggnadsägaren är intresserad att göra. Men då en nydimensionering av värmepumpen till byggnadens energi- och effektbehov görs, tenderar nya värmepumpar att vara relativt större, dvs. med en lägre balanstemperatur. Detta innebär att värmepumpen har större värmekapacitet och kan helt själv förse byggnaden med värme utan att använda tillsatsvärme. Eftersom värmepumpen är större leder det till ett ökat energiuttag ur energibrunnen. Energibrunnen kommer tidigare på säsongen att få besvärande låga temperaturer, som kanske tidigare inte varit ett problem för den aktuella byggnaden. Detta tillsammans med att gamla energibrunnar typiskt var kortare per effektuttag än vad som är fallet idag. Detta leder också till att temperaturlyftet i värmepumpen blir större för den nya pumpen i förhållande till den gamla, vilket riskera leda till lägre energieffektivitet än vad som kunde förväntas. Till sist det faktum att nya värmepumpar är mer energieffektiva (dvs. använder mindre mängd drivenergi för en given mängd avgiven värmeenergi). Detta innebär då uppenbarligen att nya värmepumpar tar ut mer energi ur energibrunnen än äldre mindre effektiva värmepumpar, för en given avgiven energimängd till byggnaden. Allt detta leder till att det kan finnas behov av att stötta befintliga energibrunnar genom en kompletterande värmekälla, där uteluft är en lämplig kandidat. Genom att uteluftdelen bidrar med energi och effekt till värmepumpen motverkas de ovan beskrivna negativa trender som annars kunde infinna sig. T.ex. genom att återladda energibrunnen med sommarvärmen, att inte använda energibrunnen för att värme huset då utetemperaturen är gynnsam, leder troligen till att energibrunnen kan räcka längre in på säsongen än vad annars skulle vara möjligt. Att undvika att använda tillsatsvärme är oerhört viktigt för ett energieffektivt uppvärmningssystem baserat på en värmepump. Detta kan åstadkommas med den föreslagna systemlösningen. Mål; Ange enkla, tydliga och mätbara mål i exempelvis kwh, max 250 ord. Målet med projektet är att validera att den tänkta systemlösningen är mer energieffektiv och kostnadseffektiv än andra alternativ, vid ominstallation av en bergvärmepump i en befintlig energibrunn som varit i drift i minst 10 år. För varje grad som det kan påvisas att det föreslagna systemet kan ge en högre temperatur på inkommande värmebärare till förångaren i värmepumpen leder det till en höjning av värmepumpens effektivitet med ca 3 %. Speciellt är projektets mål att kvantifiera besparingen som systemet innebär genom att energibrunnen kan användas längre in på värmesäsongen, och därmed undvika flertalet timmar med tillsatsvärme i form av direktverkande el. Projektet avser att också studera prestanda i fält för någon eller några installationer.

5 Datum 5 (7) Genomförande, max 250 ord. En värmepumps effektivitet är till största delen beroende på liten temperaturskillnad mellan kondenseringstemperatur och förångningstemperatur. Projektet skall därför fokusera på vad den tänkta systemlösningen kan ge för temperaturer in till förångaren i värmepumpen, jämfört med vad som blir fallet för en ominstallation utan uteluftkollektorn. Mer specifikt kommer projektet att indelas i fyra huvuddelar: 1. Litteraturgranskning a. Kartläggning av befintliga system b. Rapportering av redan identifierade lösningar, dess prestanda och driftsscenarier, Artikel i KYLA+ eller motsvarande. 2. Teoretiska studier (i t.ex. TRNSYS, Simulink eller COMSOL Multiphysics) a. Kvantifiera potential av olika systemlösningar och styrstrategier b. Rapportering av de teoretiska studierna med rekommendationer av lämpliga dimensioneringskriterier, driftsstyrning samt inkopplingsscenarier. 3. Fältstudier/labbstudier a. Identifiering av lämpliga testobjekt, helst redan instrumenterade anläggningar där komparativa studier är möjliga. b. Inledande tester med olika driftsfall för studie av effektprestanda. c. Analys av inledande tester, rapportering i Kyla+ eller motsvarande. 4. Slutanalys/rapportering a. Utvärdering av totallösning, med ekonomisk och energitekniska hänsyn. b. Rapportering till effsys+, Kyla+ eller motsvarande, samt publicering av vetenskaplig artikel. Eftersom full motfinansiering av projektet inte gick att erhålla har omfattningen minskat något mot det ursprungligen tänkta. Vi avser därför att söka kompletterande finansiering från annat håll för att erhålla en mer komplett bild än vad som är möjligt med den begränsade omfattning.

6 Datum 6 (7) Kostnader Projektets totala kostnad Projektets totala kostnader per år % av heltid KALENDERÅR Lönekostnader Laboratoriekostnad Datorkostnad Utrustning Material Resor Övriga kostnader Ev förvaltningskostnader SUMMA Finansiering inkl. samfinansiärer Andel i kronor och procent av projektets totala kostnader/år. Specificera bidrag som natura respektive kontanta. FINANSIÄR År 2013 År 2014 År År År Total (%) Energimyndigheten SVEP ETM Kylteknik Nowab Thermia NIBE SUMMA Detta projekt är i sin helhet i vissa delar lika med ansökan till annan myndighet, ange vilken: Sökt stöd för dyr utrustning (Vetenskapsrådet, Wallenbergsstiftelsen e.d.) Gäller endast högskola. Namn på doktorand Skall tillsättas Namn på doktorand Namn på doktorand Namn på doktorand Övriga samarbetspartners (ange organisation och namn) Eftersom full motfinansiering av projektet inte gick att erhålla avser vi därför att söka kompletterande finansiering från annat håll för på så sätt även kunna anställa en doktorand och erhålla en mer komplett översikt av projektfrågeställningen. Resultatredovisning (ange här om resultatet kommer att redovisas på något ytterligare sätt än det obligatoriska, se information). Utöver rapportering till effsys+ så kommer åtminstone 4 stycken populärartiklar skickas in för publikation i branschtidningar. Utöver detta så skall åtminstone en vetenskaplig artikel skrivas och skickas in för publikation till internationell konferens eller internationell journal.

7

8

9

10 Avsiktsförklaring deltagande i forskningsprojekt Uppgradering av bergvärmesystem vid utbyte av äldre värmepump Komplettering med uteluftsdel Företag: NOWAB Beskrivning av deltagande: Företaget, enligt ovan, deltar i forskningsprojektet enligt rubrik ovan med personer, egna och/eller gemensamma utredningar och eventuellt material och utrustning för användning inom ramen för ovanstående projekt. Avsatt resurs för projektet: Företaget, enligt ovan, avser avsätta timmar för personal för egen tid, samt material eller utrustning motsvarande SEK. För NOWAB (datum/namn) Jan Erik Nowacki

11

12

13 Uppgradering av bergvärmesystem vid ersättning av värmepumpenhet med uteluftdel J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D 1. Litteraturgranskning a. Kartläggning av befintliga system b. Rapportering av redan identifierade lösningar, dess prestanda och driftsscenarier, Artikel i KYLA+ eller motsvarande 2. Teoretiska studier (i t.ex. TRNSYS, Simulink eller COMSOL Multiphysics) a. Kvantifiera potential av olika systemlösningar och styrstrategier b. Rapportering av de teoretiska studierna med rekommendationer av lämpliga dimensioneringskriterier, driftsstyrning samt inkopplingsscenarier. 3. Fältstudier/labbstudier a. Identifiering av lämpliga testobjekt, helst redan instrumenterade anläggningar där komparativa studier är möjliga. b. Inledande tester med olika driftsfall för studie av effektprestanda. c. Analys av inledande tester, rapportering i Kyla+ eller motsvarande 4. Slutanalys/rapportering a. Utvärdering av totallösning, med ekonomisk och energitekniska hänsyn. b. Rapportering till effsys+, Kyla+ eller motsvarande, samt publicering av vetenskaplig artikel