- PDF Gratis nedladdning

Transkript

1

2

3

4

5

6

7

8 Steg Titel Månad 1 Litteratur 2 Kravspec. 3 Dyn. Modeller 4 BAT 5 Teor. Koncept 6 Distribution 7 Energi och LCC 8 Prototyper 9 Lab. Prototyper 10 NNE till plus

9

10

11 Värmepumpsystem för Nära Noll Energi småhus och flerfamiljshus Sökande: SP, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut AB Sammanfattning Direktivet om byggnaders energiprestanda, 2010/31/EG (EPBD2), ställer krav på mycket låg energianvändning i alla byggnader vid ny och ombyggnad från och med Detta innebär att värmebehoven sjunker och att tappvarmvattnet kommer att stå för en större del av den totala energianvändningen. Beräkningar visar att värmepumpar kommer att vara ett konkurrenskraftigt alternativ ur ett energiperspektiv men att dagens värmepumpar är för stora o för dyra för framtidens småhus. Även för flerfamiljshus visar beräkningar från ett avslutat effsys+ projekt att värmepumpar är en konkurrenskraftig teknologi men det finns behov att studera systemkoncept. I båda fallen är en intelligent integration och återvinning av frånluft viktig. Med ett mer gynnsamt utomhusklimat kommer luft som värmekälla med lägre installationskostnad att bli ett intressant alternativ men kraven i RES-direktivet kommer att vara en utmaning när tappvarmvattnet dominerar. En värmepumps effektivitet påverkas av utformningen av övriga system såsom tex distributionssystemet. Det behövs nya kostnadseffektiva tekniklösningar för kollektorer, distributionssystem och energieffektiv värmeåtervinning av frånluftens värmeinnehåll. Slutligen visar beräkningar och tester att tomgångsförlusterna och VVC förlusterna hos dagens tappvarmvattensystem måste sänkas. Projektet syftar till att ta fram systemkoncept för värmepumpar som kan bereda värme, kyla och tappvarmvatten för enfamiljs- och flerfamiljshus där olika värmekällor såsom berg, mark, uteluft och frånluft skall studeras med målsättningen att få fram konkurrenskraftiga alternativ som klarar både kraven i EPBD och RES-direktivet samt andra relevanta EU Direktiv. Projektet är dessutom ett nationellt bidrag till ett Motivering Projektet ska ta fram konkurrenskraftiga och energieffektiva värmepumpsystem som uppfyller NNE krav i små och flerfamiljshus. Koppling till tidigare genomförda projekt Detta är en fortsättning på det arbete som genomförts i Annex 32 (P10), Nästa generation värmepumpar (P14), Klimatkyla för närtid och framtid (P13) samt Tappvattenvärmning med värmepump (P11) inom effsys2 samt projekt (H23) som handlar om konvertering av direktelvärmda småhus. Resultaten från dessa projekt visar att det behövs en ny generation värmepumpar med lägre effekt och som är kostnadseffektiva för småhus. Projekt (E05) som behandlat renovering av flerfamiljshus för NNE visar att värmepumpar är en konkurrenskraftig teknik för flerfamiljshus. Marknad och drivkrafter När kraven på byggnaders energieffektivitet skärps i samband med att EPBD2 omsätts i nationella krav på Nära Nollenergibyggnader (NNE-byggnader) kommer det totala energibehovet att minska och den relativa andelen som går åt till tappvarmvatten kommer att öka. Klimatförändringarna och ökade krav på termisk komfort kan samtidigt öka efterfrågan på komfortkyla. Värmepumpar kan

12 erbjuda värme och kyla med samma system på ett energieffektivt sätt. Detta innebär att det kommer att finnas en marknad för värmepumpsystem designade för NNE byggnader som kommer att drivas av lagkrav. När det gäller flerfamiljshus finns det både utmaningar och möjligheter genom integration med fjärrvärme. Energi och miljörelevans För att nå CO 2 målen visar scenarioanalyserna i IEA Energy Technology Perspectives 2010 att de största åtgärderna måste genomföras i bostadssektorn genom en minskning av den energi som åtgår för klimatisering och tappvarmvattenproduktion, samt att det är bråttom att starta processen. Pågående förstudier på SP för NNE i småhus respektive flerbostadshus visar att målnivåerna för specifik energianvändning inklusive hushållsel för NNE troligen kommer att hamna mellan 50 till 78 kwh/m 2 beroende på klimatzon. Med värmepumpar som värmekälla finns det en stor potential att öka andelen förnybar energi och minska energianvändningen på ett kostnadseffektivt sätt. Störst energibesparingspotential finns i befintliga direktelvärmda småhus ( ) där en konvertering till värme pump med SPF på 3 skulle ge en besparing på 3 TWh. Dagens flerbostadshus använder ca 24,5 Twh, projekt (P14) där merparten ca 20 TWh värms med el eller fjärrvärme med konvertering till värmepumpar med SPF 3 skulle det innebära ytterligare minst 13TWh. Med ett SPF på 3 innebär det dessutom enligt RES Direktivet att värmepumparna kan bidra med förnybar energi. Notera är att målet i projekt är att nå ett SPF värde som uppfyller RES Direktivet däremot skall systemet optimeras för att nå ekonomiskt konkurrenskraftiga och energieffektiva systemlösningar så att teknologin kan nå en stark implementering nationellt och internationellt. Detta innebär i praktiken en smart integration i byggnaden där konsekvenser på både värmepumpsystem och klimatskal beaktas. Det är ett helhetstänkande som är förutsättningen för att nå bästa energieffektivitet på ett kostnadseffektivt sätt och därmed nå framgång i byggbranschen. Projektet skall visa de energibesparingar som kan uppnås i småhus om energieffektiva värmepumpsystem installeras på bästa sätt i ett systemperspektiv tillsammans med energieffektiva klimatskal. undersöka hur det är möjligt att nå ett noll/plusenergihuskoncept om man omfattar både energi för klimatisering, tappvarmvatten och hushållsel. utveckla konkurrenskraftiga värmepumpsystem som sedan värmepumpstillverkare och byggbranschen kan vidareutveckla för hemma- och exportmarknad. Bakgrund Sverige har varit tidigt ute med utveckling och implementering av värmepumpande teknik. När det gäller mark/bergvärmepumpar har dock den huvudsakliga inriktningen varit relativt stora värmepumpar för ersättning av el-/oljepannor i äldre befintliga småhus. I samband med en teknikupphandling i mitten av 1990-talet togs mindre berg/markvärmepumpar fram. Dessa har dock försvunnit från marknaden. För befintliga elvärmda hus har istället luft-luftvärmepumpen dominerat och för nybyggnadsmarknaden har frånluftsvärmepumpar dominerat. Värmepumpstillverkarna saknar idag färdiga värmepumpsystemlösningar som klarar kommande krav för NNE-byggnader (slutlig kravnivåer ännu inte fastställda nationellt) avseende energi- och kostnadseffektivitet. Det krävs därför en ny generation värmepumpsystem med lägre kapacitet, lägre pris och med en prestanda så att de klarar kraven i RES direktivet. Utan en lösning på detta riskerar värmepumpsbranschen att bli ett mindre konkurrenskraftigt alternativ vid ny- och ombyggnad av

13 småhus. Utmaningen är att utveckla systemkoncept som kan erbjuda en konkurrenskraftig LCC kostnad för slutkonsumenten. När den totala energianvändningen sjunker får investeringskostnaden en relativt större inverkan på LCC kalkylen. Forskargruppens tidigare verksamhet Beräkningar som genomförts inom effsys2 (P10) med TMF programmet visar att bergvärmepumpar är den bästa lösningen ur ett energiperspektiv men att investeringskostnaden är för hög. Resultaten visar också att energianvändningen för fläktar och cirkulationspumpar till golvvärme är för hög samt att tomgångsförlusterna behöver sänkas. Arbetet som genomförts inom IEA HPP Annex 32 visar också att dagens berg-/markvärmepumpar på den svenska marknaden är för stora. Även tidigare effsys-projekt såsom Driftoptimering av värmepumpsystem (H22) och Konvertering av elvärmda småhus (H23) har visat på berg/markvärmepumpens potential. Syftet med det här projektet är dels att se på byggnaden som ett system i arbetet med att ta fram koncept för nya värmepumpsystem för ny- och ombyggnad, dels att ta fram förfinade dynamiska modeller för energiberäkningar. Beräkningar som gjorts visar också att om en ny generation värmepumpsystem utvecklas och grön el används är värmepumpar en ur energi- och miljösynpunkt mycket förmånlig lösning. I kombination med solceller finns det dessutom förutsättning att nå ett noll- eller plusenergimål även om hushållselen medräknas (SP Rapport 2010:32). Det här projektet är avsett att vara ett svenskt bidrag i ett beslutat internationellt annex inom IEA Heat Pump Programme med delvis samma målsättning som det här beskrivna projektet. Det finns framtagen av ett starkt intresse från medlemsländerna. Genom ett aktivt deltagande säkerställs återföring av bästa möjliga internationella kunskap. Nytt med projektet Det som är nytt med detta projekt är systemkonceptet, vilket är en nödvändighet att beakta för att nå de nya skärpta energikraven. Forskargruppen har en lång erfarenhet av att kombinera kunskap om värmepumpar med kompetensen om byggnaden som system. SP koordinerar SEPEMO som skall ge indata till EU gällande RES Direktivet, har deltagit i Annex 32, utvecklat TMF programmet och arbetar med EuP direktivet. Detta projekt kräver en kombinerad kompetens inom system- och installationsteknik, samt värmepumpande teknik. För att nå så långt som möjligt i projektet är det viktigt med ett nära samarbete med SEPEMO samt med de redan pågående doktorandprojekten inom effsys som berör bergvärme och tappvarmvattenproduktion. Mål Övergripande mål är att i samarbete med projektpartners utveckla konkurrenskraftiga värmepumpssystemlösningar som uppfyller NNE kraven och har förutsättningar att nå plusenergi med förutsättning att använda olika värmekällor utifrån lokala förutsättningar där intelligent systemintegration av frånluft är centralt. Principiellt finns det fler fysikaliska likheter än olikheter mellan små och flerfamiljshus. Däremot skiljer det i dimensioneringsförutsättningarna mellan små och flerfamiljshus. Med värmepumpsystem avses hela systemet värmepump samt distributionssystem, dvs hela systemet för att klimatisera och producera tappvarmvatten. Med systemkoncept avses att studera hela byggnaden som system inklusive val av klimatskal. Följande delmål ingår i projekt:

14 Teoretiska koncept för små och flerfamiljshus för både nybyggnation och ombyggnation. Bygga och utvärdera en prototyp för ett systemkoncept för enfamiljshus som uppfyller energi och miljökrav i NNE, Fgas, Eco Design och RES Direktiv samt har en LCC kostnad som är ett konkurrenskraftigt alternativ för småhus. Bygga och utvärdera en prototyp för ett systemkoncept flerfamiljshus som uppfyller energi och miljökrav i NNE, Fgas, Eco Design och RES Direktiv samt har en LCC kostnad som är ett konkurrenskraftigt alternativ för flerfamiljshus. Minst två vetenskapliga publikationer som ska ligga till grund för en doktorsavhandling. Vetenskapligt mål är att med hjälp av kunskap från tidigare och pågående forskningsprojekt utveckla beräkningsmodeller för NNE-hus. I NNE-hus är huvuddelen av energi/värmeflödena ostyrda och traditionella modeller fungerar dåligt. Dynamiska effekter, systemförluster och kvalitet på indata blir då mycket viktiga faktorer. Beteendemönster får en avgörande betydelse inte minst när det gäller varmvattenanvändning. Rapporter som bildar underlag för rapportering till beslutat Annex XX inom IEA HPP, Nearly zero energy buildings koordinerat av Schweiz. Prototyperna ska på ett optimalt sätt integreras med frånluft som värmekälla. Eftersom varje land inom EU kommer att ta fram sina egna kravnivåer för vad en NNE-byggnad är så är det också viktigt att prototyperna görs så flexibla att de kan anpassa till olika länders kravnivåer. Genomförande Steg 1: Litteraturstudie a) Beskriva nuläget på området avseende små energieffektiva värmepumpsystem, mark/bergvärmekollektorer, uteluftsbatterier, tappvarmvattensystem och distributionssystem. b) Beskriva nuläget på området avseende klimatskalet, möjligheter för värmeåtervinning samt beteendets inverkan på framtida behov av värme, kyla och tappvarmvatten i NNE byggnader. (Delrapport A) Steg 2: Framtagande av kravspecifikation tillsammans med industrigrupp Görs med den samlade kunskap som finns hos projektdeltagare och referensgrupp. Dessutom skall en tolkning av de EU Direktiv som påverkar kravspecifikationen ingå såsom EPBD2, RES, F-gas och EuP Direktivet. Utöver detta är det viktigt att genomföra en intervjustudie med projektgruppen samt andra relevanta aktörer inom byggbranschen för att ta hänsyn till marknadskrav från framtidens kunder som kan påverka kravspecifikationen såsom byggnadstyper, ekonomi och miljö. I detta steg kommer bland annat val av köldmedium att göras baserat på F-gas direktivet. För exporterande företag är det också viktigt att anpassa kravspecifikationen så att den för exportmarknader av intresse förväntas klara nationsspecifika kraven på en NNE-byggnad. Steg 3: Framtagande av dynamiska modeller för både energi- och LCC-beräkningar Utveckling av beräkningsmodeller för NNE-byggnader som samtidigt tar hänsyn både till energianvändning och LCC-kostnader. Dynamiska effekter, systemförluster och kvalitet på indata blir mycket viktiga faktorer att ta hänsyn till, liksom ekonomiska randvillkor såsom internräntor, energiprisutveckling, etc.

15 Steg 4: Utvärdering av dagens bästa teknik och genomförande av beräkningar (energi och LCC) för olika värmepumpsystem. Följande delar bör ingå i beräkning: Mindre frekvensstyrda och eleffektiva kompressorer Minimera värmeförluster genom förbättrad isolering av varmvattenberedare, värmeväxlare och interna rördragningar. Minimera pumparbete genom val av A-klassade cirkulationspumpar och komponenter med låga tryckfall, samt en smart styrning av cirkulationspumparna. Ett smart styr- och reglersystem som optimerar driften utifrån fysiska och ekonomiska omgivningsbetingelser. Om en tillhörande frånluftsmodul skall tas fram så skall fläktsystem med lågt SFP uppnås genom val av eleffektiv fläkt och aerodynamiskt väl utformade luftvägar. Vidare måste även här värmeväxlare, cirkulationspump och rördragningar väljas så att tryckfallet minimeras. Även styrningen av vätskeflödet genom modulen måste optimeras. Steg 5: Ta fram teoretiska koncept på prototyper för värmepumpen baserat på bästa möjliga teknik för följande fyra fall: Nybyggnation, småhus Ombyggnation, småhus Ombyggnation, flerfamiljshus Nybyggnation, flerfamiljshus Steg 6: Energieffektiva system för distribution av värme Speciellt i fallet frånluftsmodul bör man även parallellt titta olika möjligheter att tillföra nödvändig värme med ett kostnadseffektivt lågtemperatursystem; central tilluftsvärmare, fläktkonvektorer (ett par eller en i varje rum ), extremt lågtempererad golvvärme eler tex tilluftsradiatorer. Beräkningar genomförs för värmepump kombinerad med distributionssystem med avseende på energi och ekonomi (LCC). De mest intressanta värmepumpsystemen går vidare från steg 6. Steg 7: Genomföra energi och LCC beräkningar för olika systemkoncept inklusive klimatskal. (Delrapport B) Syftet med detta steg är att i första hand teoretiskt bestämma, vilka åtgärder som är mest konkurrenskraftiga med avseende på energi och ekonomi (LCC). Huvudfrågan är om extra investeringar skall göras på klimatskal eller på värmepumpen vid ny- respektive ombyggnation. Modifiering av teoretiska koncept i steg 4 baserat på resultat från beräkningar. Syftet är att välja de koncept som skall vidareutvecklas till fysiska prototyper. Steg 8: Byggnation av prototyper baserat på steg 1-7 Steg 9: Laboratorieprovning, från prototyper till färdig produkt.

16 För att minimera antalet provpunkter bör provningen kombineras med beräkningar (såväl tekniska som ekonomiska). Utvärdering av prestanda bör ske med tanke på att produkten skall sitta i ett hus med lågt värmebehov men relativt högt varmvattenbehov. Steg 10: Underlag till IEA HPP Annex noll- eller plushuskoncept med olika systemkoncept Beräkningar genomförs för ett antal olika möjliga koncept att producera el med förnybar energi. Frågeställningen som skall utredas är förutsättningar och möjligheter för att producera all energi lokalt. Däremot ryms det inte inom projektet att värdera om det är den mest energimässigt och ekonomiskt kloka lösningen. Detta steg är relevant för arbetet med IEA HPP Annex. Resultatredovisning Redovisning enligt efterfrågan från effsys+ tex effsys dagar, delrapporter och slutrapport Minst 3 populärvetenskapliga artiklar. Minst 2 vetenskaplig artiklar till konferens eller tidskrift. Minst 2 prototyper utvärderade i lab. Projektgrupp Projektledare Lic. Svein Ruud har en lång erfarenhet av arbete runt byggnadens system och som utvecklat TMF s program för val av tekniklösningar i småhus baserat på energi och LCC kalkyler. Detta program har vidareutvecklats för att användas i flerfamiljshus i en förstudie för Kungälvs kommun. Driver två förstudier för Energimyndigheten för kravställande 1) för NNE i småhus och 2) för NNE i flerfamiljshus. Svein är dessutom expert på ventilation och värmeåtervinning. Prof. Per Fahlén: expert på värmepumpar och byggnaden som system samt styr och regler. Dr. Monica Axell: expert på värmepumpar och installationsteknik Dr. Caroline Haglund Stignor: expert på värmeväxlare och värmepumpar samt lagar och direktiv. MSc. Lennart Rolfsman: värmepumpar, kylteknik, komponenter, standardisering samt köldmedier MSc. Anna-Lena Lane med mer än 25 års konsulterfarenhet med inriktning mot energieffektivt byggande, energideklarationer samt kyl- och värmepumpsteknik. MSc. Peter Kovacs mer än 25 års erfarenhet inom solteknik. Övriga projektpartner: Skanska Sverige AB, Lennart Edes TMF- Trä och Möbelföretagen, Anders Rosenkilde Enertech AB, Kent Karlsson Danfoss Värmepumpar AB, Fredrik Karlsson Bosch Thermoteknik AB, Jim Fredin Dessutom kommer småhustillverkare att delta via TMF.

17 Sammansättningen av projektgruppen med både tillverkare av värmepumpar och deras framtida kunder skapar förutsättningar att ta fram systemlösningar som svarar både mot framtida krav och marknadens behov. Budget Projektets totala kostnad ALENDERÅR nekostnader boratoriekostnad atorkostnad trustning aterial esor vriga kostnader v förvaltningskostnader UMMA Projektets totala kostnader per år SP söker SEK från effsys+ för att genomföra projektet. Projektet motfinansieras av projektpartner och SP enligt tabell redovisad i ansökan. Notera att SP garanterar det belopp som Skanska går in med om finansiering via SBUF skulle utebli. Notera att samtliga parter bidrar med likvida medel och natura bidrag. Motfinansiering från samarbetspartner redovisas i separata bilagor. Tidsplan Gant schema bifogas i ett separat dokument.

18

19

20

21

22

23