KOPPLINGSPRINCIPER FÖR FJÄRRVÄRME- CENTRAL OCH FRÅNLUFTSVÄRMEPUMP

Transkript

1 Forskning och Utveckling FOU 2003:94 KOPPLINGSPRINCIPER FÖR FJÄRRVÄRME- CENTRAL OCH FRÅNLUFTSVÄRMEPUMP Patrik Selinder, Håkan Walletun, Heimo Zinko ZW Energiteknik

2 KOPPLINGSPRINCIPER FÖR FJÄRRVÄRMECENTRAL OCH FRÅNLUFTSVÄRMEPUMP Patrik Selinder Håkan Walletun Heimo Zinko ZW Energiteknik ISSN

3 I rapportserien publicerar projektledaren resultaten från sitt projekt. Publiceringen innebär inte att Svenska Fjärrvärmeföreningens Service AB tagit ställning till slutsatserna och resultaten Svenska Fjärrvärmeföreningens Service AB

4 Sammanfattning 2003:94 - Kopplingsprinciper för fjärrvärmecentral och frånluftsvärmepump Fjärrvärmeleverantörer ställs ibland inför önskemål från sina kunder om att använda fjärrvärme som spetsvärme till deras värmepumpsanläggningar. Fastighetsägarnas motiv till detta är att minska sina totala uppvärmningskostnader genom att återvinna värme ur frånluften. För fjärrvärmeleverantören innebär arrangemanget dock en del problem. Förutom att mängden såld energi i förhållande till den anslutna effekten blir låg, så kommer fjärrvärmeleveransen framför allt att ske under perioder då nätet redan är hårt belastat. Dessutom har de kombinerade fjärrvärme- och värmepumpsanläggningarna ofta visat sig ha dålig eller mycket dålig avkylning. På senare år har problem med legionellatillväxt i tappvattensystem aktualiserats. Samtidigt kan man konstatera att många befintliga värmepumpsanläggningar bereder och ackumulerar tappvarmvatten vid så låg temperatur att risken för bakterietillväxt torde vara mycket stor. Anläggningarna tenderar dessutom att vara onödigt komplicerade vilket gör funktionen svår att överblicka, injustera och underhålla. Detta innebär att det i längden är svårt att erhålla god funktion. Både den dåliga avkylningen av fjärrvärmevattnet och risken för bakterietillväxt i tappvarmvattnet kan ofta härledas till den kopplingsprincip som använts. Syftet med denna rapport är att föreslå kopplingsprinciper som ska vara lättöverskådliga, ge förutsättningar för god avkylning av fjärrvärmevattnet och borga för fullgod tappvarmvattenkvalitet samtidigt som värmepumpen ges de rätta förutsättningarna för god funktion. Ett flertal befintliga anläggningar samt systemlösningar har granskats för att finna lämpliga kopplingsprinciper. De kopplingsprinciper som bäst uppfyllde uppställda kriterier utvärderades ytterligare med avseende på funktion och ekonomi. De viktigaste resultaten och slutsatserna från rapporten är: Fyra av de granskade kopplingsprinciperna för frånluftsvärmepump och fjärrvärmecentral uppfyller väl de ställda kriterierna. Kopplingsprinciperna beskrivs funktionsmässigt i rapporten. Förutsatt att elpriset inte är alltför högt jämfört med fjärrvärmepriset kan en installation av en frånluftsvärmepump med fjärrvärme som spets mycket väl vara lönsam för fastighetsägaren. I vissa fall, t.ex. när skillnaden mellan el- och fjärrvärmepris är förhållandevis högt, kan fastighetsägaren vinna på att låta värmepumpen enbart producera värme till uppvärmningssystemet medan tappvarmvattnet värms med fjärrvärme. Värmepumpens relativt korta drifttid vägs då upp av en högre värmefaktor. För småhus är kombinationen frånluftsvärmepump och fjärrvärme, med dagens förutsättningar vad gäller kopplingsprincip, installationskostnader och energipris, en mindre lämplig lösning både för fastighetsägaren och fjärrvärmeleverantören. Marginalprissättning av den fjärrvärme som används som spets till en frånluftsvärmepump är i högsta grad motiverad. Samtidigt minskar en sådan prissättning frånluftsvärmepumpens konkurrenskraft gentemot fjärrvärme.

5 Summary 2003:94 - Connection principles for exhaust air heat pumps combined with district heating substations. District heating is, at times, used as the peak heat source in exhaust air heat pump installations. To the district heating customer, the heat pump installation is merely a way to reduce the overall heating cost of the building. However, to the district heating supplier, the use of district heating as a peak heat source in such a way might cause a number of economical as well as operational problems. Not only are the heat sales reduced in relation to the installed heat capacity, the heat supplied to the heat pump installation will primarily occur when the overall heat load of the district heating network is high. In addition to that, combined heat pump and district heating installations often causes unnecessary high return pipe temperatures. I the last couple of years, there have been a number of cases when legionella bacteria have been detected in domestic hot water systems. At the same time, existing heat pump installations tend to heat and accumulate domestic hot water at critically low temperature levels, creating good growing conditions for the legionella bacteria. The installations also tend to get complex witch makes them difficult to overview, adjust and maintain. These are drawbacks that eventually will make it difficult to uphold proper function of the installations. The high return pipe temperatures and the risk of legionella growth in the domestic hot water system can in many cases be derived from the connection principle used in the installation. The purpose of this report is to suggest connection principles that are easy to overview, allows low return pipe temperatures and assures adequate domestic hot water quality as well as positive working conditions for the heat pump. A number of existing installations have been studied in order to find the most appropriate way to connect exhaust air heat pumps and district heating substations. The best connection principles were then further examined with respect to function and economy. The most important conclusions that could be drawn from this report are: Four of the connection principles studied in the report are considered to well fulfill the demands. These connections principles are further described in the report. A heat pump installation will probably, as long as the electricity price does not exceed the district heating price all to much, be profitable to the owner of the building. In some specific cases, for example when the difference between the electricity- and the district heating price is comparatively high, it is more profitable to attach the heat pump solely to the heating system while the domestic hot water is heated with district heating. The improved coefficient of performance (COP) weighs up the shorter operation time of the heat pump. The standard connection principle when combining an exhaust air heat pump and district heating in single family houses is, in respect to today s electricity- and district heating prices, an unprofitable solution for both the customer and the district heating supplier. When district heating is used as the peak heat-load source in a heat pump installation, marginal costs pricing is well motivated. Marginal costs pricing of district heating does also make exhaust air heat pumps less competitive compared to district heating.

6 Stort Tack! Vi upphör aldrig att förvånas över hur väl man blir bemött i av alla när man ber om hjälp med något. Under genomförandet av detta projekt har vi haft en hel del kontakt med kollegor i fjärrvärme-, fastighet- och värmepumpbranschen. Alla har tagit sig tid att svara på våra frågor och bidragit med sina egna erfarenheter. Projektets referensgrupp bestod av: Hans Andersson, Södertörns Fjärrvärmeaktiebolag Lennart Berndtsson, HSB Riksförbund Roger Svensson, Göteborg Energi Andreas Wiman, Norrenergi Utöver dessa har följande personer bidragit till projektet genom att generöst dela med sig av sin tid och sitt kunnande: Ulf Andersson, AB Enköpings Värmeverk Hans Carenmark, AB Enköpings Värmeverk Gunnar Eklund, IVT Industrier AB Lars Filipsson, Norrenergi AB Anders Fransson, Göteborg Energi AB Lars Jakobsson, Södertörns Fjärrvärme AB Kurt Jonsson, TomtbergaHuge Fastigheter AB Carl Gustav Mellsjö, Dural AB Jan-Erik Nowacki, Nowab Jan Persson, IVT Fastigheter AB Johan Schenning, Vattenfall Värme Uppsala AB Anders Svanäng, Driftec Vi vill därför passa på att tacka er för er medverkan i arbetet med denna rapport. Vi hoppas vi får möjligheten att återgälda er någon gång.

7 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Syfte och mål Genomförande och rapportuppbyggnad Värmepumpar Värmepumpar Frånluftvärmepumpar Frånluftsvärmepumpens driftförutsättningar Variationer i värmebehovet Värmesystemets temperaturnivå och betydelse för värmefaktorn Sammanfattning av frånluftsvärmepumpens driftförutsättningar Kopplingsprinciper System inkopplade för både uppvärmning och tappvarmvatten System inkopplade för enbart uppvärmning System inkopplade enbart för tappvarmvattenberedning Värmepumpsystem för småhus Simulering av kopplingsprinciperna Ekonomi Resultat och Diskussion Kopplingsprinciper för flerbostadshus Kopplingsprinciper för småhus Frånluftsvärmepumpar och fjärrvärme i ett systemperspektiv Slutsatser Referensförteckning

8 1. Inledning 1.1 Bakgrund Leverantörer av fjärrvärme ställs ibland inför önskemål om att använda fjärrvärme som spetsvärme till kundens egen värmepumpsanläggning. Motivet att installera frånluftsvärmepump i en fastighet ansluten till fjärrvärmenätet är i de flesta fallen en önskan att minska de totala uppvärmningskostnaderna. Ett annat motiv kan vara en önskan att bidra till att minska den totala energianvändningen i samhället då frånluftvärmepumpen tar tillvara värmeenergi som annars skulle gått till spillo. Att använda fjärrvärme som spets till frånluftsvärmepumpar innebär dock en del problem för fjärrvärmeleverantören. Dels kommer den installerade fjärrvärmeeffekten inte att motsvaras av såld energi, dels kommer fjärrvärmeleveransen till dessa kunder framför allt att ske under perioder då nätet ändå är hårt belastat. Detta i kombination med att de kombinerade fjärrvärme- och värmepumpsanläggningarna ofta visar sig ha mycket dålig avkylning gör att värmepumpar ofta är illa sedda i fjärrvärmenät. Kundens önskan att minska sin energikostnad är dock mycket förståelig och det ska mycket till innan fastighetsägaren nekas leverans av fjärrvärme. Troligare är då att fjärrvärmeleverantören accepterar de olägenheter en värmepumpsanläggning riskerar föra med sig, såsom hög returtemperatur och ogynnsamt värmeuttag. När problem med legionellatillväxt i tappvattensystem har aktualiserats på senare år har det dessutom i ett flertal fall visat sig att det kan finnas avsevärda risker med att ansluta värmepumpar för tappvarmvattenproduktion och att använda fjärrvärme enbart som spets och komplement. I strävan att optimera utbytet från värmepumpen har stora system med ackumulering av tappvarmvatten vid alltför låga temperaturer konstruerats, dvs. utmärkta legionellaodlare. Både den dåliga avkylningen av fjärrvärmevattnet och risken för bakterietillväxt i tappvarmvattnet kan ofta härledas till den kopplingsprincip som använts. Anläggningen konstrueras normalt med utgångspunkt från värmepumpens behov utan hänsyn till vad som krävs för att få god avkylning i fjärrvärmenätet. Dessutom blir ofta anläggningen komplicerad som en följd av att konstruktören strävar efter att maximera energiuttaget från värmepumpen. Denna strävan resulterar ofta i en onödigt komplicerad anläggning som är svår att överblicka, injustera och underhålla vilket gör det svårt att i längden erhålla god funktion. Det finns gott om exempel på detta och det torde därför ligga i fjärrvärmebranschens intresse att borga för att inkopplingen av värmepumpar blir sådan att avkylningen blir så bra som möjligt. Samtidigt måste naturligtvis fastighetsägarens krav på lönsamhet och god funktion tillgodoses. 1.2 Syfte och mål Målet med projektet är att ta fram principscheman och styrstrategier för kombinationen frånluftsvärmepump och fjärrvärmecentral. Kopplingsprincipen skall vara sådan att värmepumpen ges förutsättningar för god funktion samtidigt som fjärrvärmecentralens avkylning skall vara godtagbar och myndigheternas krav på hälsa och miljö uppfyllas. Arbetet berör enbart frånluftsvärmepumpar då värmepumpar med andra värmekällor har helt andra karakteristika vad gäller effekt- och energitillskott. Eventuellt kan andra typer av vär- 1

9 mepumpsanläggningar använda samma kopplingsprinciper men dessa alternativ har inte ingått i denna studie. 1.3 Genomförande och rapportuppbyggnad För att säkerställa att föreslagna kopplingsprinciper ska ge värmepumpen goda förutsättningar att fungera väl samt för att undvika skrivbordslösningar har en stor del av arbetet utförts i fält. Dels genom kontakter med aktörer på marknaden och dels genom utvärderingar och funktionskontroller i befintliga anläggningar. Anläggningar som visat sig uppfylla satta kriterier har utvärderats och använts som goda exempel. Rapporten är uppdelad i tre steg. I kapitel 2 och 3 redogörs mycket kort vad som krävs för att få god funktion hos en värmepump samt dess fördelar och begränsningar. Därefter, i kapitel 4 redovisas de väl fungerade kopplingsprinciper vi funnit. Dessutom behandlas kombinationen frånluftsvärmepump och fjärrvärme i småhus separat. Kapitlet avslutas med en ekonomisk sammanställning. I kapitel 5 redovisas och diskuteras resultaten från kapitel 4,. slutligen presenteras slutsatserna i kapitel 6. 2

10 2. Värmepumpar I följande kapitel beskrivs, mycket kort, hur en värmepump fungerar samt hur ett frånluftsvärmepumpssystem är uppbyggt. Syftet är att ge en översiktlig bild av systemet och en grund för följande kapitel. 2.1 Värmepumpar Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme från hög temperatur till låg temperatur, för att kunna vända den processen och ta värme från en låg temperatur till en högre krävs tillförsel av energi. Detta är just syftet med en värmepump. Genom yttre energitillförsel, oftast elenergi men även andra energiformer används, kan den lågtempererade energin tas tillvara. En värmepump består av ett slutet system med kompressor, förångare, kondensor och expansionsventil enligt Fig.1. I systemet cirkulerar ett köldmedium som i vissa delar av kretsen är i vätskeform och i andra delar i gasform. Värmepumpen utnyttjar det faktum att köldmediets förångnings- och kondenseringstemperatur är beroende av det tryck vätskan utsätts för. Hög temperatur, Högvärdig energi ut Kondensor Strypventil Kompressor Förångare Låg temperatur, lågvärdig energi in Figur 1: Principskiss, värmepump Figure 1: Flow diagram, heat pump Värmeenergin tas upp vid den lägre temperaturen i förångaren, köldmediet kokar där under lågt tryck vid en låg temperatur. Kompressorn transporterar köldmediet genom den slutna kretsen, komprimerar det och höjer därigenom dess temperatur samt upprätthåller ett högt tryck i kondensorn. I kondensorn har så köldmediet en högre temperatur än omgivningen och värmeenergi avges när köldmediet kyls och återgår till vätskeform. Strypventilens uppgift är att reglera massflödet genom systemet och upprätthålla tryckdifferensen, och därigenom temperaturdifferensen, mellan förångare och kondensor. Fördelen med en värmepump är att den ger mer värmeenergi än den elenergi den förbrukar (till kompressorn). Naturligtvis är då förhållandet mellan producerad värmeenergi och förbrukad elenergi intressant. Förhållandet mellan avgiven värme- och tillförd elenergi och kallas värmefaktor och kan definieras enligt Ekv.1 nedan. 3

11 Avgiven värme Värmefakto rn = ekv.1 Tillförd el Ju högre värmefaktorn är, desto mindre elenergi krävs för att få ut en viss mängd värmeenergi. En värmefaktor på 3 betyder att den avgivna värmeenergin är tre gånger så stor som den tillförda elenergin. Värmefaktorn kan också enligt Nowacki [Ref.1] skrivas som en funktion av kondensor- och förångartemperaturen och definieras då enligt Ekv.2. Värmefaktorn Där: T k = η ekv.2 Tk T f T k = Kondenseringstemperaturen (K) T f = Förångningstemperaturen (K) η = Verkningsgrad jämfört med ideal process (normalt 0,5 till 0,7) Det senare sättet att definiera värmefaktorn visar på det viktiga sambandet mellan värmefaktorn och temperaturen i kondensorn och förångaren. Nämligen att ju mindre skillnaden mellan kondensor- och förångartemperaturen är ju bättre blir värmefaktorn. Värmepumpen blir alltså effektivare om den kan ta upp värmeenergi vid en hög temperatur och lämna den ifrån sig vid låg temperatur. 2.2 Frånluftvärmepumpar En frånluftsvärmepump tar tillvara den värme som finns i frånluften och som annars skulle gå förlorad till omgivningen. Den är alltså i grund och botten en anordning för energiåtervinning och bör ses som ett komplement till byggnadens huvudsakliga uppvärmningssystem. I flerbostadshus eller andra större byggnader konstrueras och byggs systemen för att passa de lokala förutsättningarna, för småhus finns mer standardiserade lösningar. Genom att komplettera principskissen av en värmepump i Fig.1 får vi ett principschema över ett enkelt frånluftsvärmepumpsystem (Fig.2). Eftersom förångaren håller lägre temperatur än frånluften kommer värme att gå från frånluften, som då kyls ned, till köldmediet i förångaren. Om frånluftskanalen passerar i anslutning till värmepumpen kan systemet utformas så att frånluften går direkt genom förångaren. Direkt förångning är vanligt i frånluftvärmepumpar för småhus då frånluftsfläkten ofta är en integrerad del av värmepumpen. I större byggnader är dock ventilationsaggregatet oftast placerat långt från värmecentralen. Man ansluter då frånluftsaggregatet till värmepumpen via ett rörsystem, den vätska som används för värmetransporten kallas köldbärare och är normalt vatten med någon antifrystillsats för att klara de låga temperaturerna som uppstår. Om flera frånluftsaggregat är anslutna till samma system, vilket är vanligt i större byggnader, är det betydelsefullt att systemet är korrekt injusterat. Den upptagna värmeenergin lyfts sedan, genom värmepumpen, till en högre temperatur och levereras till byggnadens värmesystem. När värmebehovet är lägre än den levererade effekten från värmepumpen uppstår här ett problem. Eftersom kompressorn i de allra flesta värmepumpar inte är varvtalsreglerad så tillämpas intermittent värmepumpsdrift när värmebehovet är mindre än den av värmepumpen levererade effekten. Värmesystemet måste alltså, när värmepumpen går, kunna ta emot den effekt värmepumpen levererar. För att uppnå god funktion och lång livslängd bör samtidigt antalet kompressorstarter hållas nere. 4

12 Värme- & tappvarmvattensystem Värmebärare Kondensor Hetgasväxlare Strypventil Kompressor Förångare Köldbärare Frånluftskylare med fläkt Figur 2: Principskiss, frånluftsvärmepump Figure 2: Flow diagram, exhaust air heat pump Inkopplingen av värmepumpen mot värmesystemet bör alltså göras så att värme kan lagras in i värmesystemet när värmepumpen går. Inlagring av värme i systemet kan då göras på olika sätt. Beroende på hur värmepumpen ansluts till värmesystemet blir förutsättningarna olika. Man brukar skilja mellan fast- och flytande kondensering vilket syftar på om värme produceras till en konstant eller varierande temperatur. Vid fast kondensering produceras värme normalt till en ackumulator vid en fast temperatur. Värmepumpen kan då styras mot ackumulatortemperaturen och vid full effekt ladda ackumulatorn för att sedan stoppa när den är fulladdad. Korrekt utfört finns goda möjligheter till långa drifttider för värmepumpen. Produceras värme direkt till t.ex. uppvärmningssystemet kommer temperaturen att variera, man talar då om flytande kondensering. Genom att överladda uppvärmningssystemet (tillåta att temperaturen stiger över börvärdet) när värmepumpen är i drift och ladda ur det innan värmepumpen startar igen utnyttjar man uppvärmningssystemets vattenvolym som värmela- 5

13 ger. Fördelen med flytande kondensering är att värmefaktorn kan hållas hög eftersom värme kan produceras till en låg temperatur. Systemen kan dessutom kombineras. En vanlig lösning är att värmepumpen värmer tappvarmvatten i en ackumulator för att, när den är fulladdad, koppla över till värmesystemet och där arbeta med flytande kondensering. Vid tappvarmvattenackumulering krävs att vattentemperaturen hålls tillräckligt hög för att undvika tillväxt av mikroorganismer. Enligt Boverkets byggregler [Ref.2] ska tappvarmvatteninstallationer utformas så att...ohälsosam tillväxt av mikroorganismer förhindras. För att undvika tillväxt av till exempel legionella föreslås att temperaturen i tappvarmvattenberedare eller -ackumulatorer är minst 60 C. Ska tappvarmvatten beredas med värmepump krävs således att köldmediet har de fysiska egenskaper som krävs för att producera värme till höga temperaturer, ett sådant köldmedia är R134a. Alternativt kan en hetgasväxlare användas, man utnyttjar då det överhettade köldmediet innan det når kondensorn (se Fig.2). Hetgasväxlare har relativt låg effekt, fördelen med dem är att det går att åstadkomma höga temperaturer oberoende av vilket köldmedia som används. 6

14 3. Frånluftsvärmepumpens driftförutsättningar Nedanstående kapitel behandlar de effektvariationer som värmesystemet ska kunna hantera och hur värmefaktorn är beroende av den systemtemperatur som värmepumpen arbetar mot. Syftet är att tillsammans med föregående kapitel öka förståelsen för systemets begränsningar och möjligheter att producera värme för uppvärmning och tappvarmvatten. Frånluft är en tillförlitlig värmekälla med i stort sett konstant effekttillskott över hela året, den är dock begränsad vad det gäller energi och effekt. Byggnadens effekt- och energibehov kommer däremot att variera, dels beroende på utetemperaturen och dels på grund av tappvarmvattenlasten. För att på ett överskådligt sätt kunna visa på hur olika driftfall påverkar frånluftsvärmepumpens förutsättningar har simuleringar utförts på en modell av ett medelstort flerfamiljhus. Simuleringarna är utförda i MS Excel på en byggnad med data enligt Tabell 1 nedan. Klimatdata baseras på timvärden från Stockholm 1986, ett år som ofta används som referensår i solvärmesamanhang. Tabell 1: Modellhusets egenskaper Table 1:Properties of the model building Total yta: 1400 m² Antal lägenheter: 20 st. Max effektbehov för uppvärmning (DUT= -20): 70 kw (50 W/m²) Totalt energibehov för uppvärmning: 183 MWh/år Totalt energibehov för tappvarmvatten: 58 MWh/år Varmvattenbehov: 3,05 m3/dygn Frånluftsflöde: 1750 m3/timme Rumstemperatur: 21 C Temperaturnivå, uppvärmningssystem: 55 C 45 C (linjär) Om vi antar att frånluftens temperatur sänks från rumstemperatur till 4 C innan den lämnar huset kommer en frånluftsvärmepump att kunna utvinna ca 10 kw värmeeffekt ur frånluften. Det innebär att effekttäckningen från frånluften grovt räknat skulle vara 14 % av den totala tillförda värmeeffekten för uppvärmning vid DUT. Om all tillgänglig energi från frånluften kan tas tillvara kommer den tillförda energimängden då att täcka 36 % av husets totala energibehov. Den totala producerade effekten respektive energin från värmepumpen beror dock på hur hög värmefaktor som kan uppnås. Utöver energin som tas tillvara ur frånluften tillkommer den elenergi som används för att driva värmepumpen också att omvandlas till värme och tillföras värmesystemet. Om man antar att värmefaktorn är 3 skulle det totala effekttillskottet då vara ca 15 kw vilket motsvarar ca 21 % av det maximala effektbehovet för uppvärmning. Värmepumpens andel av den totala energitäckningen under året ökar då till 52 %. Det är värt att hålla detta i minnet, om vi förutsätter att samma energimängd kan utvinnas ur frånluften så kommer t.ex. en försämrad värmefaktor faktiskt att öka värmepumpens effekt och därigenom dess andel av det totala energitäckningen. Men vi har då istället ökat behovet av drivel. 7

15 3.1 Variationer i värmebehovet Då en frånluftsvärmepump till större delen utnyttjar gratisenergi vill man naturligtvis utnyttja den så mycket som möjligt. Men även om frånluft som värmekälla ger i stort sett konstant effekttillskott så kommer möjligheten att avyttra värmen från värmepumpen att variera med värmebehovet. Uppvärmningsbehovet är avhängigt av utetemperaturen och alltså till stor del årstidsberoende medan tappvarmvattenförbrukningen varierar stort under dygnet. Variationen av värmebehovet kan alltså antas bestå av: 1. Långsamma förlopp som beror på årstiden. 2. Medelsnabba förlopp som beror på relativt snabba ändringar av utetemperaturen (som till viss del dämpas av husets värmetröghet). 3. Snabba förlopp som beror på tappvarmvattenförbrukningen. Om vi fortsätter att räkna med vårt modellhus så kommer värmebehovet att under året variera enligt Fig.3. Energibehovet per månad redovisas tillsammans med energitillskottet från en frånluftsvärmepump med värmefaktorn 3 (att den tillgängliga energin från värmepumpen ser ut att variera vintertid beror på att månaderna är olika långa). Värmelast månadsvis, husmodell för 20 lägenheter Uppvärmning Tappvarmvatten Energi från värmepump Energiförbrukning [kwh/månad] Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Figur 3: Månadsvis värmebehov för modellhuset under ett år Figure 3:Monthly heatload of the model building during one year Under oktober till april är uppvärmningsbehovet så stor att all värme från värmepumpen kan användas för att täcka en del av uppvärmningsbehovet. Under sommarmånaderna däremot finns nästan inget uppvärmningsbehov vilket innebär att endast en del av den tillgängliga energin från värmepumpen kan tas tillvara för uppvärmning. Samtidigt kan man se att energibehovet för tappvattenberedning också är lägre än den av värmepumpen producerade effekten. För att få så lång utnyttjandetid som möjligt måste värmepumpen alltså producera värme till både uppvärmning och tappvarmvattenberedning Att bara titta på förbrukningen månadsvis är dock inte helt korrekt, eftersom det totala energibehovet över en längre period inte tar hänsyn till de snabba och medelsnabba variationerna i 8

16 värmebehovet. Även under relativt kalla perioder under höst och vår kan värmebehovet sjunka så lågt att det inte finns avsättning för den värme värmepumpen kan producera. Dessutom kommer energibehovet för tappvarmvattenberedning att variera under dygnet. Fig.4 visar hur effektbehovet för uppvärmning och tappvarmvatten kan variera under ett dygn med måttligt uppvärmningsbehov. Värmelast under ett dygn ( ), husmodell för 20 lägenheter 20 Uppvärmning Tillgänglig effekt från värmepump Tappvarmvatten Utnyttjad effekt från värmepump Värmeeffekt [kwh] Figur 4: Timvis värmebehov för 20 lägenheter under 1 dygn Figure 4:Hourly heatload of the model building during 24 hours När värmepumpens effekt är högre än effektbehovet måste den stanna till dess värmebehov föreligger vilket innebär att man inte utnyttjar all tillgänglig energi i frånluften. Genom att låta värmepumpen arbeta mot en ackumulator kan kortare variationer i värmebehovet till viss del utjämnas och energin i frånluften kan utnyttjas bättre. 3.2 Värmesystemets temperaturnivå och betydelse för värmefaktorn Enligt Ekv.2 är värmefaktorn beroende av kondensor- och förångartemperaturerna. Ju mindre temperaturdifferensen är desto högre blir värmefaktorn. Genom att hålla kondensatortemperauren låg kommer således värmefaktorn att bli hög vilket i sin tur minskar den mängd elenergi som åtgår för att producera en viss mängd värme. Fig.5 visar sambandet mellan kondensatortemperatur och värmefaktor, i exemplet är värmefaktorn beräknad enligt Ekv.2 med förångartemperatur på 0 C och verkningsgraden jämför med en ideal process är 0,5. 9

17 Värmefaktor Värmefaktorns beroende av kondenseringstemperaturen Kondensortemperatur Figur 5: Förhållande mellan kondensortemperatur och värmefaktor. Figure 5: The relationship between the condenser temperature and the coefficient of performance (COP) I de flesta bostadshus behövs värme för varmvattenberedning och uppvärmning. För att få bästa möjliga värmefaktor ska värmepumpen arbeta mot det system som har den lägsta temperaturen Tappvarmvattenberedning Om värmepumpen kan arbeta mot det inkommande kallvattnet tycks vid första anblicken goda förutsättningar finnas för hög värmefaktor. Det utgående tappvarmvattnet är dock så mycket varmare att de fördelarna försvinner. Om värmepumpen ska värma tappvarmvatten måste den arbeta med en kondensortemperatur som är högre än temperaturen på det utgående tappvarmvattnet. Eftersom tappvarmvattenbehovet varierar såpass kraftigt under dygnet sker normalt tappvarmvattenvärmning med värmepump genom att värmepumpen arbetar mot en ackumulator efter principen fast kondensering. Det innebär att kondensortemperatur måste hålla över 60 C för att kunna hålla den av Boverket rekommenderade temperaturen i ackumulatortanken. Det kommer i sin tur att resultera i en jämförelsevis låg värmefaktor. Om vi antar att kondenseringstemperaturen är 5 C högre än ackumulatortemperaturen blir värmefaktorn, enligt Fig.2 ovan, ca 2, Uppvärmning Temperaturen i uppvärmningssystemet är i normala fall betydligt lägre än tappvattentemperaturen och ur värmefaktorsynpunkt alltså ett bättre alternativ, det förutsätts då att värmepumpen jobbar enligt principen flytande kondensering. Förutsättningarna för god värmefaktor ökar ju lägre temperaturnivån i uppvärmningssystemet är. Fig.6 visar den timvisa fördelningen av fram- och returledningstemperaturen i vårt modellhus om uppvärmningssystemet är dimensionerat som ett 55 C 45 C system. Dessutom visas värmefaktorn som funktion av systemtemperaturen. 10

18 Timvis fördelning av Tfram i ett beräknat "55 C - 45 C system" under 1986 och COP vid aktuell temperatur. Antal timmar Framledning Returledning Värmefaktor Radiatorsystemets fram- och returledning (Tkond är 5 C högre) Värmefaktor Figur 6: Timvis fördelning av Tfram/Tret samt värmefaktor vid systemtemperaturerna 55 C -45 C Figure 6: Hourly distribution of the supply- and return pipe temperature and the COP at the design temperatures 55 C -45 C Figuren visar att uppvärmningssystemets temperaturnivå under större delen av tiden är relativt låg, förutsatt att systemet är korrekt konstruerat kommer framledningstemperaturen endast att överskrida 45 C ett fåtal timmar under året. Om en värmepump skulle producera värme till uppvärmningssystemets framledning skulle den få medelvärmefaktorn 4,9 medan motsvarande siffra för returledningen är 5,3. Om skillnaden mellan fram- och returledningstemperaturen är större ökar vinsten att leverera värmen till returledningen, Fig.7 visar motsvarande bild för ett 70 C-50 C system. Antal timmar Timvis fördelning av Tfram i ett beräknat "70 C - 50 C system" under 1986 och COP vid aktuell temperatur. Framledning Returledning Värmefaktor Radiatorsystemets fram- och returledning (Tkond är 5 C högre) Värmefaktor Figur 7: Timvis fördelning av Tfram/Tret samt värmefaktor vid systemtemperaturerna 70 C -50 C Figure 7: Hourly distribution of the supply- and return pipe temperature and the COP at the design temperatures 70 C -50 C Temperaturen i returledningen är relativt låg under stor del av året medan framledningen är betydligt högre. Medelvärmefaktorn för värmeleverans till fram- respektive returledningens temperatur är här 4,5 och 5,1. 11

19 Kan värme levereras till ett lågflödessystem finns goda möjligheter att öka värmefaktorn ytterligare. I ett 70 C 30 C system blir temperaturfördelningen i systemet enligt Fig.8. Timvis fördelning av Tfram i ett beräknat "70 C - 30 C system" under 1986 och COP vid aktuell temperatur. Antal timmar Framledning Returledning Värmefaktor Radiatorsystemets fram- och returledning (Tkond är 5 C högre) Värmefaktor Figur 8: Timvis fördelning av Tfram/Tret samt värmefaktor vid systemtemperaturerna 70 C -30 C Figure 8: Hourly distribution of the supply- and return pipe temperature and the COP at the design temperatures 70 C -30 C Här blir skillnaderna mellan fram- och returleverans stora, vilket även slår igenom för värmefaktorn. Medelvärmefaktorn för leverans till fram- respektive returledning är här 4,5 och 6,1. Temperaturen i kondensorn kommer dock att vara något högre än vad som framgår av ovanstående exempel. Vattnets temperatur höjs i kondensorn vilket innebär att vattentemperaturen när den passerat kondensorn har närmat sig uppvärmningssystemets framledningstemperatur. Temperaturhöjningen är dock, på grund av frånluftsvärmepumpens förhållandevis ringa effekt, relativt liten. Först när uppvärmningsbehovet är så lågt att värmepumpen kan täcka hela behovet kommer den att klara av att lyfta temperaturen till framledningens temperatur. Temperaturhöjning [ C] Värmepumpens höjning av uppvärmningssystemets returtemperatur vid olika systemtemperaturer ,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Utetemperatur Figur 9: Värmepumpens höjning av uppvärmningssystemets returtemperatur vid olika systemtemperaturer Figure 9:The temperature raise due to the heat pump at different design temperatures. 12

20 Beroende på vilka fram- och returtemperaturer systemet är dimensionerat för kommer värmepumpens påverkan på returtemperaturen att variera. I ett lågflödessystem kommer värmepumpen att höja temperaturen mer än i ett högflödessystem. Fig.9 visar hur värmepumpen påverkar returtemperaturen i vårt modellhus vid olika systemtemperaturer. Det knä som syns när utetemperaturen är ca 12 C markerar den utetemperatur där värmepumpen klarar hela värmebehovet. När utetemperaturen sjunker ökar flödet i systemet samtidigt som värmepumpens andel av den totala värmeproduktionen minskar. Värmepumpens ringa temperaturhöjning innebär samtidigt att det är av mindre betydelse vilken framledningstemperatur systemet dimensioneras för eftersom värmepumpen ändå inte kommer att kunna höja vattentemperaturen så högt. Det är alltså viktigare med låg returtemperatur än låg framledningstemperatur för att få god värmefaktor. 3.3 Sammanfattning av frånluftsvärmepumpens driftförutsättningar Exemplen ovan pekar på att en värmepump i en fastighet med tappvarmvattenberedning och uppvärmningssystem bör, för att få så bra värmefaktor som möjligt, arbeta mot ett uppvärmningssystem med låg returtemperatur enligt principen flytande kondensering. Uppvärmningssystemets begränsade drifttid kan dock innebära att värmepumpens totala producerade värmemängd blir låg. Vi kan samtidigt se att för att kunna hantera de kortvariga variationer i värmebehovet som beror på tappvarmvattenberedning bör värmepumpen arbeta mot en ackumulator (med fast kondensering). Drifttiden kan då bli lång men till priset av en låg värmefaktor. En avvägning måste då troligtvis ske mellan värmefaktor och drifttid. Eftersom de yttre förutsättningarna såsom uppvärmningssystemets systemtemperaturer, tappvarmvattenbehovet, energipris och klimat varierar mellan olika anläggningar kan en sådan avvägning troligtvis inte göras generell utan måste anläggningsanpassas. 13