Projekt P Pågående

Transkript

1 Forskningsprogram FUD-program "Solvärme " Total kostnad Projekt P Pågående Avslutat Tidplan, förväntade delrapporter Delrapport ,Delrapport , Delrapport Universitet/Högskola/Företag Lunds Tekniska Högskola, Lunds Universitet Adress Box 118, Lund Fullständigt namn och E-post till forskningsledare/kontaktperson bjorn.karlsson@ebd.lth.se Avdelning/Institution Energi och ByggnadsDesign, Institutionen för Byggande och Arkitektur Slutrapport, namn och förlag Building Integration of Solar Energy, Andreas Fieber, Report No EBD-T--05/3. Sammanfattning Uppnådda huvudresultat Inom delprojekt A har arkitekten Andreas Fieber skrivit en omfattande licentiatrapport (1), Building Integration of Solar Energy. Denna rapport utgör en viktig del i projektets slutrapportering. I licentiatavhandling ingår en allmän studie av arkitektoniska aspekter på byggnadsintegrering av solenergi, där bl.a olika fallstudier redovisas. I avhandlingens andra del presenteras utvecklingen av ett unikt solenergifönster som kan ge ljus, värme och el. En förstudie har genomförts för att byggnadsintegrera 500 m 2 solfångare i ekostadsdelen Augustenborg i Malmö, vilka uppföres under 2005(3 ). Här skall 10 m 2 av solfönstret installeras i ett glasat, södervänt trapphus till en utställningsbyggnad. I delprojektet B ingår att integrera solfångare i byggnadens fasad och solvärmesystemet i byggnadens energisystem. Helena Gajbert arbetar med en doktorsavhandling i projektet. En delrapport i form av en licentiatavhandling, Solar thermal energy systems for building integration, skall presenteras under hösten 2005 och kompletterar slutrapporteringen. Inom ett teknikutvecklingsprojekt i Solvärmeprogrammet som behandlar användning av företaget Sunstrips nya smala absorbatorer har ett antal solfångare med reflektorer utvecklats. Detaljanalys av funktionen hos dessa solfångare har genomförts inom detta projekt. Analysen visar att tunna solfångare med smala fenor har god verkningsgrad och attraktivt utseende.(13) I projektet ingår ett delprojekt för att utveckla metodik för att karakterisera icke konventionella solfångare. Inom detta projekt har Anna Helgesson presenterat en licentiatrapport, Optical Characterization of Solar Collectors from Outdoor Measurements, som bl.a. analyserar detaljerade metoder för att karakterisera solfångare med komplicerade geometrier.(18)

2 Bengt Hellström presenterat doktorsavhandlingen, Calculation and Measurements Methods for the Performance of Solar Collectors, där ett kapitel behandlar effektivitetsfaktorn hos koncentrerande solfångare med ojämn belysning på absorbatorn.( 20) I projektet ingår som en viktig del att utforma systemlösningar med en utformning som är anpassad för de energisnåla husen inom IEA Task 28/Annex 38.(25) Det innebär att solvärmesystem med hög täckningsgrad och undertryckt utbyte på sommaren har utformas och provats.(18,22) och skall publiceras i projektets handbok som planeras att bli färdig under 2005(25). Inom projektet och i samarbete med ett projekt som finansierats med solvärmeprogrammets teknikutvecklingsprojekt genomföres ett projekt för att utveckla solvärmesystem för Skanska s olika hustyper, byggnadstekniskt (5) och systemmässigt(21). Vid Kockum Fritid i Malmö har ett världens största system av byggnadsintegrerade solfångare uppförts m² stora plana solfångare har uppförts i olika väderstreck. Funktionen hos detta system har analyserats. Uppmätta och simulerade data har jämförts(24). Tolkning av dessa i förhållande till forskningens syfte/mål Solenergins viktigaste problem för att få en större marknadsandel beror på höga kostnader, låg täckningsgrad, tillgänglighet och kunskap om systemen samt estetiska aspekter. I projektet har kostnadseffektiva solfångare med reflektorer avsedda för byggnadsintegreriung utvecklats. Systemstudierna visar hur dessa systemmässigt kan integreras för att uppnå högas täckningsgrader i energieffektiva hus. En studie i Malmö visar hur solfångare kan integeras i befintlig bebyggelse och hur ett mycket stort system fungerar. I småhus är kostnadseffektivitet, hög täckningsgrad och ett tilltalande utseende viktiga komponenter för ett solvärmesystem. I ett större system och framförallt i fjärrvärmeområde gäller likartade krav men med ännu högre krav på låga kostnader. Användning av det i projektet utvecklade teknikerna för att spara el i elvärmda småhus är ett angeläget fortsatt utvecklingssteg. Projektpresentation Problemställning Inom STEM s solvärmeprogram genomföres inom forskningsdelen projektet Byggnadsintegrering av Solvärmesystem. Projektet är uppdelat i de två delprojekten A: Arkitektur med särskild fokusering på estetik, byggnadsteknik och ekonomi samt B: Solfångarutveckling och systemteknisk integrering av solvärmesystem Solenergins viktigaste problem för att få en större marknadsandel beror på höga kostnader, låg täckningsgrad, tillgänglighet och kunskap samt estetiska aspekter. De estetiska aspekterna behandlas under delprojekt A medan de tekniska, kostnadsmässiga och täckningsgradsmässiga aspekterna behandlas under delprojekt B. Delprojekt A: Arkitektur med särskild fokusering på estetik, Byggnadsteknik och ekonomi Inom delprojekt A har arkitekten Andreas Fieber skrivit en omfattande licentiatrapport (1), Building Integration of Solar Energy. Denna rapport utgör en viktig del i projektets

3 slutrapportering. I licentiatavhandling ingår en allmän studie av arkitektoniska aspekter på byggnadsintegrering av solenergi, där bl.a olika fallstudier redovisas. I avhandlingens andra del presenteras utvecklingen av ett unikt solenergifönster som kan ge ljus, värme och el. Andreas Fieber har utformat ett solenergihus som under 2003 uppfördes i Älvkarleö Bruk.(2 ) Huset är välisolerat med stommen uppbyggd av block av expanderad polystyren (EPS) med infrästa reglar. Denna teknik har utarbetats av företaget Termeco i Trosa i samarbete med Thermisol i Norrtälje, som är en stor tillverkare av isolermateriel i polystyren. Huset har golvvärme, vattenburen värmeåtervinning och ett stort s.k. solenergifönster. Detta fönster som utvecklats inom projektets ram består av en hybridabsorbator med en solcell laminerad på en värmeabsorbator och en vridbar reflektor som kan styra solstrålning mot absorbatorn eller in i det bakomliggande rummet. En prototyp av fönstret har konstruerats för utvärdering och 10 m² fönster är under installation i Malmö. (6-9) Ett examensarbete har genomförts, som har utvärderat solfönstrets isolerande egenskaper genom mätning av prototypens U-värde i en stor hot box. I stängt läge minska reflektorerna U-värdet för en isolerruta från 2,8 till 1,2 W/m 2 K.(6) Ett examensarbete har genomfört en förstudie för att byggnadsintegrera 500 m 2 solfångare i ekostadsdelen Augustenborg i Malmö, vilka uppföres under 2005(3 ). Här skall 10 m 2 av solfönstret installeras i ett glasat, södervänt trapphus till en utställningsbyggnad. Andra byggnadsintegreringskoncept i detta projekt innefattar dolda installationer av plana solfångare på skoltak i en kulturhistoriskt känslig miljö, en stor installation plana solfångare för optimal prestanda på ett industritak, en utställningsdel tillsammans med gröna tak, samt plana solfångare som utvändiga solskydd på en kontorsbyggnad. Dessutom har en studie för att byggnadsintegrera 1000 m² solceller i Malmö kommuns bostadsbestånd genomförts inom Eforsk och STEMs solelprogram.(4) Delprojekt B: Systemmässig integrering av solvärmesystem Bakgrund I delprojektet B ingår att integrera solfångare i byggnadens fasad och solvärmesystemet i byggnadens energisystem. Helena Gajbert arbetar med en doktorsavhandling i projektet. En delrapport i form av en licentiatavhandling, Solar thermal energy systems for building integration skall presenteras under hösten 2005 och kompletterar då projektets slutrapportering. I projektet ingår utveckling(10-15) och karakterisering (16-20) av solfångare samt integration av solvärmesystemet i byggnadens energisystem (21-25). Solfångarutveckling I ett delprojekt är den bärande idén att använda billiga koncentrerande element av låg koncentrationsfaktor för att sänka kostnaderna och öka täckningsgraden.(12-15) Låg koncentration innebär små krav på solföljning och möjliggör fasadintegrering. Sveriges instrålningsförhållande är unikt väl anpassat för användning av koncentrerande system med öst-västlig geometri med små krav på solföljning. Projektet har delvis samordnats med ett systemutvecklingsprojekt inom solvärmeprogrammet tillsammans med NCC för att utveckla tunna solfångare för byggnadsintegrering.(14) Inom ett teknikutvecklingsprojekt i Solvärmeprogrammet som behandlar användning av företaget Sunstrips nya smala absorbatorer har ett antal solfångare med reflektorer installerats vid Vattenfall Utveckling AB. Detaljanalys av funktionen hos dessa solfångare har delvis genomförts inom detta projekt. Analysen visar att tunna solfångare med smala fenor har god verkningsgrad och attraktivt utseende.(13)

4 Vidare har MaReCo solfångare utformade för hög verkningsgrad på sommaren utvecklats och utväderats (18,22). Karakterisering av solfångare med komplicerade geometrier. I projektet ingår ett delprojekt för att utveckla metodik för att karakterisera icke konventionella solfångare. Inom detta projekt har Anna Helgesson presenterat en licentiatrapport, Optical Characterization of Solar Collectors from Outdoor measurements, som bl.a. analyserar detaljerade metoder för att karakterisera solfångare med komplicerade geometrier.(18) Bengt Hellström har presenterat en doktorsavhandling, Calculation and Measurements Methods for the Performance of Solar Collectors, där ett kapitel behandlar effektivitetsfaktorn hos koncentrerande solfångare med ojämn belysning på absorbatorn, vilket viktigt för koncentrerande solfångare.( 20) Utveckling av mätteknik. Inom projektet har avdelningens solsimulator utvärderats med avseende på dess lämplighet för användning vid test av koncentrerande solfångare. Solsimulatorn består av sju stycken metallhalidlampor som lyser på parabolformade reflektorer, vilka ger nästan parallell återstrålning. Jämfört med många andra lamptyper ger metall-halidlamporna ett ljus vars spektrum är relativt likt solens. Simulatorn är höj och sänkbar mellan 0-70 solhöjd. Ljuset från solsimulatorn har en relativt ojämn fördelning över solfångarytan. För att få en absolut bestämning av intensiteten på mätobjektet måste därför en noggrann ytintegrerande mätning av ljusintensiteten göras med små dioder i ett rutnät och med väldefinierade gränser för objektets position. Solsimulatorn har använts för att göra mätningar av infallsvinkelberoendet hos plana och koncentrerande solfångare. (19) Även solfönstret som designats under delprojekt A har utvärderats kalorimetrisk inomhus och utomhus för att utvärdera solsimulatorns lämplighet för utvärdering av koncentrerande solfångare.(9) Systemmässig integration av Solvärmesystem I projektet ingår som etn viktig del att utforma systemlösningar med en utformning som är anpassad för de energisnåla husen inom IEA Task 28/Annex 38.(25) Det innebär att solvärmesystem med hög täckningsgrad och undertryckt utbyte på sommaren har utformas och provats.(18,22). Systemsimuleringar har genomförts i samarbete med Johan Smeds, doktorand vid avdelningen för energi och byggnadsdesign, och Tobias Boström, doktorand vid forskarskolan i Energisystemteknik vid Ångströmlaboratoriet, Uppsala Universitet. Parameterstudier av solvärmesystem utförs i Polysun 3.3 och kommer att publiceras i projektets handbok som planeras att bli färdig under 2005(25). Inom projektet och i samarbete med ett projekt som finansierats med solvärmeprogrammets teknikutvecklingsprojekt genomföres ett projekt för att utveckla solvärmesystem för Skanska s olika hustyper, byggnadstekniskt (5) och systemmässigt(21). Projektet genomfördes i samarbete med Skanska Teknik i Malmö. Vid Kockum Fritid i Malmö har ett världens största system av byggnadsintegrerade solfångare uppförts m² stora plana solfångare har uppförts i olika väderstreck. Funktionen hos detta system har analyserats. Uppmätta och simulerade data har jämförts(24). Syfte och mål En viktig målsättning med projektet har varit att bygga upp en verksamhet inom området byggnadsintegrerad solenergi vid Lunds Tekniska Högskola som långsiktigt arbetar med att utveckla en kostnads- och energieffektiv solenergiteknik. Till denna målsättning bidrager det nya klimat och energilaboratorium som uppförts med stöd från DESS. Inom projektet har Andreas Fieber (1) presenterat en licentiatavhandling och Helena Gajbert presenterar sin licentiatrapport

5 under hösten Licentiatavhandlingens viktigaste delar finns i referenserna 11, 14, 15, 19, 24 och 25. I anslutning till och delvis stödd av projektet har Bengt Hellström(20) doktorerat och Anna Helgesson(18) har skrivit en licentiatavhandling. Projektet har drivits i samarbete med andra projekt inom STEM:s solvärmeprogram och STEM/Elforsk solelprogram. Det innebär att vissa rapporter i referenslistan är gemensamma med dessa projekt. Förväntad nytta med forskningen i relation till Energimyndighetens uppdrag att ställa om energisystemet. Effektivt nyttjande av aktiv och passiv solvärme är viktig för att minska byggnaders behov av energi för värme och kyla. Solenergins viktigaste problem för att få en större marknadsandel beror på höga kostnader, låg täckningsgrad, tillgänglighet och kunskap samt estetiska aspekter. De estetiska aspekterna behandlas under delprojekt A medan de tekniska, kostnadsmässiga och täckningsgradsmässiga aspekterna behandlas under delprojekt B. I denna projektet har visats hur solvärmesystem kan integreras i befintliga byggnader. Funktionen hos ett av världens största byggnadsintegrerade system har analyserats. Effektiva och kostnadseffektiva solfångare för system med hög täckningsgrad har utvecklats. IEA 28 projektet har påvisat att solvärmesystem med hög täckningsgrad kan installeras i nya energieffektiva byggnader. Avancerade mätmetoder har utvecklats för att karakterisera solfångare med komplicerade geometrier. Solfångare avsedda för byggnadsintegrering och med hög årstäckningsgrad är mycket viktiga för att använda i solvärmesystem avsedda för att spara el i eluppvärmda småhus. Sådana system överensstämmer väl med Energimyndighetens uppdrag att ställa om energisystemet. Publikationer redovisade inom projektet. 1. Fieber, A. Building Integration of Solar Energy; A Multifunctional Approach., Licentiate Thesis vid avdelningen för Energi och ByggnadsDesign, Institutionen för Byggande och Arkitektur, Lunds Universitet, Lunds Tekniska Högskola Report EBD-T 05/03. ISBN Fieber, A. (2002) Solaris, Arkitektonisk Integrering av solenergi. Examensarbete vid avdelningen för Energi och Byggnadsdesign, Arkitektskolan, Lunds Tekniska Högskola. 3. Nilsson M., Olsson O., Solvärme i Augustenborg-En förstudie, Examensarbete vid avdelningen för Energi och Byggnadsdesign, Arkitektskolan, Lunds Tekniska Högskola. Report EBD-R 04/07. ISBN Fieber A., Nilsson M., Solceller Inom Malmö Stad-Förstudie.Elforskrapport 05: Fieber A.,Utformande av solvärmesystem för Skanskas olika typhus del 1.Rapport inom Solvärmeprogrammet, december VUAB rapportnr U 03: Johansson T., Utvärdering av Solfönster, en integration av solhybrider och solskydd., Examensarbete vid avdelningen för Energi och Byggnadsdesign, Arkitektskolan, Lunds Tekniska Högskola. (2005) 7. Fieber, A., Karlsson, B., Design, Construction and Performance of a Multifunctional Hybrid Solar Wall, ISES 2003 i Göteborg. 8. Fieber, A., Under solen mycket nytt. Populärvetenskaplig internrapport vid Avdelningen för Energi och Byggnadsdesign, Institutionen för byggande och Arkitektur., Fieber A, Gajbert H, Håkansson H, Karlsson B, Nilsson J and Rosencrantz T. Design, Building Integration and Performance of a Hybrid Solar Wall Element. Inskickad till Eurosun2004, Freiburg, Gajbert H. (2002) Concentrating PV-Thermal Hybrids for Building Integration. Division of Energy and Building Design, Lund Institute of Technology, Lund University, Sweden. ISRN LUTADL/TABK SE.

6 11. Gajbert H., Brogren M. and Karlsson B., (2003) Optimisation of reflector and module geometries for stationary, low-concentrating, facade-integrated photovoltaic systems., ISES 2003 i Göteborg och inskickat till Solar Energy. 12. Rönnelid M., Karlsson B.,Optimised Truncation of a wide acceptance angle CPC. ISES 2003 i Göteborg Karlsson B., Helgesson A., Krohn P., Användning av Sunstrip 70 mm absorbator. VUAB rapportnr U 03:55, Gajbert H, Håkansson H, Karlsson B and Gabrielii K, Utveckling av byggnadsintegrerade solfångare för oisolerade tak. EBD-R-04/6;ISBN , VUAB rapportnr U 03: Gajbert H., Karlsson B., Design and evaluation of two concentrating collectors for integration on un-insulated roofs. North Sun Conference 2005, May 25-27, Villnius, Lithuania 16. Nilsson J., Brogren M., Helgesson A., and Karlsson B., Biaxial model for the incidence angle dependence of the optical efficiency of solar collectors. Submitted to Solar Energy Materials Helgesson A., Nilsson J., and Karlsson B., A new model for determination of the incidence angle dependence of the optical efficiency of photovoltaic and solar thermal systems with asymmetric reclectors. Accepted for publication in Solar Energy Helgesson, A, Optical Characterization of Solar Collectors from Outdoor Measurements, Incidence Angle Dependence of Asymetric Collectors. Licentiate Thesis vid avdelningen för Energi och Byggnadsdesig, Institutionen för Byggande och Arkitektur, Lunds Universitet, LundsTekniska Högskola Report EBD-T 04/01. ISBN Gajbert H, Håkansson H and Karlsson B. Measurement of concentrating solar collectors using a solar simulator with parallel light. Eurosun Conference 2004, Freiburg, Hellström B., Calculation and Measurements Methods for the Performance of Solar Collectors, Doctoral Thesis vid avdelningen för Energi och ByggnadsDesign, Institutionen för Byggande och Arkitektur, Lunds Universitet, LundsTekniska Högskola Report EBD-T 05/02. ISBN Lennermo G., Utformande av solvärmesystem för Skanskas olika typhus del 2. Rapport inom Solvärmeprogrammet, december VUAB rapportnr U 04: Helgesson A., Karlsson B., System testing of a MaReCo with suppressed summer performance. ISES 2003 i Göteborg. 23. Boström T.K., Wäckelgård E., and Karlsson B., Design of a solar system with high solar fraction in an extremely well insulated house. ISES 2003 i Göteborg. 24. Gajbert H., Perers B., Karlsson B., Design and Performance of a large solar thermal system with façade integrated collectors in several directions connected to the district heating system. North Sun Conference 2005, May 25-27, Villnius, Lithuania 25. Gajbert H., Smeds J, Kapitel 2.5 Use of Active Solar och 2.7 Apartment Building in the Cold Climate Renewable Energy Strategy i handboken från IEA 28, Sustainable Housing.