högpresterande fjärrvärmerör

Transkript

1 högpresterande fjärrvärmerör [RAPPORTENS TITEL] rapport 2012:16 Figur 19: Bilder från montering av temperaturloggar Figur 20: Bilder från Vid datahämtning hade tjälen smält och mätstationen var översvämmad. I röret med dimensionerna DN 2*80/250 är termoelementen placerade enligt Figur 21. TErmoelementen är främst placerade i två snitt med vakuumisolering och två 44

2

3 HÖGPRESTERANDE FJÄRRVÄRMERÖR BIJAN ADL-ZARRABI AXEL BERGE ISBN Svensk Fjärrvärme AB

4 FÖRORD Den här studien har fokuserat på att förbättra rörsystemets termiska egenskaper eftersom det är viktigt att den värme som produceras kan levereras till kund med minsta möjliga förlust. Syftet med det här projektet har varit att undersöka nya material och deras lämplighet som isoleringsmaterial för rörsystem. Det finns kommersiellt tillgängliga produkter baserade på aerogel-kompositer och vakuumisoleringsteknik med omkring två till fyra gånger så bra isoleringsprestanda som polyuretanisolering, men dessa har inte varit anpassade för rörsystem. Projektet har letts av Bijan Adl-Zarrabi och Axel Berge på Chalmers Tekniska Högskola. En referensgrupp har följt projektet och bidragit med värdefull kunskap. Gruppen har bestått av Thomas Samuelsson från Jönköping Energi, Lena Olofsson och Göran Johansson från Powerpipe Systems AB, Ulf Jarfelt och Olle Ramnäs från Chalmers Tekniska Högskola, Sten Bruce från Tekniska Verken i Linköping och Thomas Lummi frånsvensk Fjärrvärme. Projektet ingår i forskningsprogrammet Fjärrsyn som finansieras av Energimyndigheten och fjärrvärmebranschen. Fjärrsyn ska stärka möjligheterna för fjärrvärme och fjärrkyla genom ökad kunskap om fjärrvärmens roll i klimatarbetet och för det hållbara samhället till exempel genom att bana väg för affärsmässiga lösningar och framtidens teknik. Bo Johansson Ordförande i Svensk Fjärrvärmes teknikråd Rapporten redovisar projektets resultat och slutsatser. Publicering innebär inte att Fjärrsyns styrelse eller Svensk Fjärrvärme har tagit ställning till innehållet. 4

5 SAMMANFATTNING I ett fjärrvärmesystem är det viktigt att den producerade värmen levereras till konsumenterna med minsta möjliga förluster. Distributionssystemet ger upphov till den enskilt största delen av värmeförlusterna under rörsystemets livslängd. Frågan om storleken på värmeförlusterna har studerats alltsedan det första fjärrvärmesystemet byggdes. Syftet med projektet är att undersöka nya material med avseende på deras lämplighet som isoleringsmaterial för rörsystemet. Det finns idag kommersiellt tillgängliga produkter baserade på aerogel-kompositer och vakuumisoleringsteknik med omkring två till fyra gånger så bra isoleringsprestanda som polyuretanisolering. Det finns dock i dagsläget inga material som är speciellt anpassade för rörsystemet Prototyper av hybridisolerade fjärrvärmerör med aerogel-filtar och vakuumisoleringspaneler har tillverkats. Prototyperna har utvärderats i laboratoriemiljö och med hjälp av fältmätningar. Resultaten från undersökningen visade att aerogel-filtar och vakuumisoleringspaneler var kompatibla med polyuretanisolering och att det går att använda materialen i hybridisolering av fjärrvärmerör. En 10 mm aerogel-filt eller en 5 mm vakuumisoleringspanel förbättrar värmekonduktiviten hos röret (DN 100/225) med 15 %. En 10 mm tjock vakuumisoleringspanel ger en förbättring så stor som 30 %. Resultaten från fältmätningar med dubbelrör isolerade med vakuumpaneler är ännu inte kompletta men de befintliga temperaturmätningarna indikerar en klar minskning av värmeförlusterna. Projektet fokuserade på förbättring av rörsystemets termiska egenskaper. Det behövs ytterligare forskning och utveckling för att kunna använda dessa material på ett säkert sätt i ett fjärrvärmenät. Exempel på saker som måste undersökas är livslängden för de nya produkterna och ekologiska och ekonomiska aspekter relaterade till de nya materialen. 5

6 SUMMARY In a district heating system, it is of importance that the generated heat is delivered to the consumer with minimal losses. The heat loss in the distribution system is the single largest heat loss during the lifetime of the piping system. Reduction of the heat loss in the piping system has been studied since the first district heating system was built. The aim of this project is to investigate the suitability of using new low conductive materials as insulation for piping. Today there are commercially available materials based on aerogel composites and vacuum insulation technique that offer about two to four times as good insulating performance than polyurethane insulation. However, none of the new materials are specially adapted for piping. Prototypes of the hybrid insulated district heating pipes with aerogel blankets and vacuum insulation panels were manufactured. The prototypes were evaluated in the laboratory and by field measurements. The results of the study showed that the aerogel blankets and vacuum insulation panels were compatible with polyurethane insulation and that it is possible to use the new materials in hybrid insulation of district heating pipes. A 10 mm aerogel blanket or a 5 mm vacuum insulation panel improves the thermal conductivity of a pipe (DN100/225) by 15%. Moreover, a 10 mm thick vacuum insulation panel provides an improvement as high as 30%. The results of field measurements on a twin-pipe insulated with vacuum panels are not yet complete, but the existing temperature measurements indicate a clear reduction in heat loss. This project focused on the improvement of thermal properties of the piping system. Further research and development is needed in order to use the new materials in a district heating system. Topics for further investigation would be such as the life span of the new products and ecological and economic aspects related to the new material. 6

7 INNEHÅLL 1 INTRODUKTION SYFTE Begräsningar METOD 10 2 LITTERATURSTUDIE OM NYA ISOLERINGSMATERIAL PUR AEROGEL Aerogelgranulater Aerogelfilt VAKUUMISOLERINGSPANELER Kärnmaterial 16 3 VAL AV KOMPOISTER PUR- OCH AEROGEL-GRANULAT-KOMPOSIT HYBRIDISOLERING AV FJÄRRVÄRMERÖR MED AEROGEL-FILT OCH VAKUUM- ISOLERINGSPANELER Aerogelfilt Vakuumisoleringspanel Polyuretan 21 4 LABORATORIEMÄTNINGAR BLANDNING AV PUR OCH AEROGELGRANULAT Värmekonduktiviten av aerogelgranulat Bestämning av värmekonduktivitet hos blandingen polyuretan och aerogelgranulat Diskussion HYBRIDISOLERING MED AEROGELFILT Initiala tester: Vidhäftning/flytbarhet/värmekonduktivitet Hybridisolering: prototyper med aerogel-filtar VAKUUMISOLERINGSPANELER Initiala tester: Vidhäftning/flytbarhet/värmekonduktivitet Hybridisolering: prototyper med 5 mm tjock VIP, enkelrör 32 5 BESLUT OM FÄLTMÄTNINGAR FÖRBREDDANDE LABORATORIEMÄTNINGAR Enkelrör med 10 mm vakuumisolerade panel 36 7

8 5.1.2 Dubbelrör 36 6 FÄLTMÄTNINGAR DN2*80/ DN2*25/ DISKUSSION 47 7 TEORETISKA BERÄKNINGAR COMSOL-MODELLER EFFEKTIV KONDUKTIVITET HOS VAKUUMPANELER 49 ENERGIFÖRLUSTER FRÅN DUBBELRÖR 49 INVERKAN AV LÄNGSGÅENDE KÖLDBRYGGOR 51 ANALYS AV KÖLDBRYGGANS POSITION 53 SAMMANFATTNING AV VÄRMEFÖRLUSTER 54 8 SLUTSATSER 56 9 FORTSATT FORSKNING REFERENSER 59 8

9 1 INTRODUKTION Jordklotets befolkning har passerat sju miljarder människor och detta leder till större samlade koncentrationer av människor. Det gör det i högre grad lönsamt att införa sammankopplade nät för värme- och kyldistribution till våra byggnader. Ett sätt att organisera distribution och produktion av värme- och kylbehov är att använda ett fjärrvärmesystem där värmen/kylan produceras i en central anläggning och fördelas genom ett rörsystem till användarna. Fjärrvärme är en beprövad och mogen teknik. Fjärrvärme i Chaudes-Aignes i Cantal, Frankrike från 1300-talet är det äldsta dokumenterade systemet som fortfarande levererar geotermisk värme till byn. I ett fjärrvärmesystem är det viktigt att den producerade värmen levereras till konsumenterna med minsta möjliga förluster. Distributionssystemet ger upphov till den enskilt största delen av värmeförlusterna under fjärrvärmesystemets livslängd och det är därför viktigt att isolera rören mot värmeförluster. Idag består ett fjärrvärmerör av en medierör av stål/betong/plast, isolering och mantelrör. Isoleringsmaterialens termiska resistans är omvänt proportionell mot systemets värmeförluster. Det vill säga ju högre termisk resistans isoleringen ger, desto lägre blir värmeförlusterna. Frågan om storleken på värmeförlusterna i ett rörsystem har studerats alltsedan det första fjärrvärmesystemet byggdes. Olika typer av isoleringsmaterial har används i svenska fjärrvärmerör, se Figur 1. Figur 1: Utveckling av isoleringsmaterial i fjärrvärmerör. Det finns fortfarande en hel del utrymme för förbättring och effektivisering av fjärrvärmerörssystem. Den nystartade teknologiplattformen DHC+ ( mer information om DHC+ är tillgänglig i har också identifierat nyutveckling inom material, utrustning och processer som en av de viktigaste strategierna för att uppnå visionen att till 2020 bland annat minska koldioxidutsläpp och primärenergianvändning med omkring 10 % respektive 2,6 % (DHC+ Technology Platform, 2009). Att effektivisera distributionen är också nödvändigt om fjärrvärmen ska kunna behålla sin konkurrenskraft. Energieffektivisering hos byggnadsbeståndet är förmod- 9

10 ligen det viktigaste konkurrerande alternativet för flerbostadshus och lokaler i framtiden (Andreasson, Borgström & Werner, 2009). Nya högpresterande isoleringsmaterial är ett steg i riktning mot att reducera värmeförlusterna. Dels genom att en bättre värmeisolering kan ge en direkt reduktion av rörsystemets värmeförluster, men även genom att man kan minska rördiametern och därigenom möjliggöra ett effektivare läggnings- och installationsarbete, med mindre schakter och grundare förläggning, vilket är gynnsamt både med avseende på investeringskostnad och på miljöbelastning (Fröling & Svanström, 2002), (Nilsson, Sällberg & Bergström, 2006). I Danmark har man börjat studera förutsättningarna för ultralågtemperatur-fjärrvärme (Dansk Fjarnvarme, 2008), (Danfoss & Logstor, 2009) och sådana system kräver bra värmeisoleringsprestanda för att fungera. Högpresterande värmeisoleringsmaterial är ett högaktuellt forskningsämne. Det finns idag kommersiellt tillgängliga material baserade på aerogel-kompositer som ger omkring dubbelt så bra isolering som polyuretanisolering. Dessa material har bland annat använts i skivor eller mattor för isolering (Fricke J., Heinemann U. & Ebert H.P, 2008). Vakuumisolering (VIP) är ett annan högpresterande isoleringsmaterial. Om det är vacuum (< 5mbar) i skivorna anger tillverkare att man kommer ner till en konduktivitet på mindre än 0,005 W m -1 K -1 (vid C). Det finns dock i dagsläget inga material som är speciellt anpassade för fjärrvärmerör. 1.1 Syfte Syftet med projektet är att undersöka nya isoleringsmaterial med avseende på deras lämplighet som isoleringsmaterial för fjärrvärmerör Begräsningar Ett rörledningssystem skall uppfylla ett antal tekniska krav, exempelvis beständighet, hållfasthet och isoleringsförmåga. I detta arbete ligger isoleringsförmåga i centrum. 1.2 Metod En litteraturstudie utfördes för att identifiera de lämpliga materialen. Materialens termiska egenskaper undersöktes i laboratorium. Teoretiska beräkningar har använts för att kunna utforma prototyper av fjärrvärmerör. Prototyperna tillverkades och utvärderades i laboratoriemiljö och med hjälp av fältmätningar. 10

11 2 LITTERATURSTUDIE OM NYA ISOLERINGSMATERIAL För att hitta lösningar för att förbättra isoleringen kring fjärrvärmerör har nya typer av isoleringsmaterial undersökts. Litteraturstudien har fokuserat på vakuumisoleringspaneler och aerogel. De nya materialen har ställts i jämförelse med utvecklingen av polyuretanskum då det är den vanligaste typen av isolering för fjärrvärmerör idag. Den allmänna principen bakom konventionella isoleringsmaterial är att skapa ett material med hög porositet då värmeledningen genom fasta material är mycket högre än den genom stillastående luft. Luften är dock genomskinlig vilket medför att värme kan stråla genom porerna. Den fasta delen i materialet får då som funktion, dels att hålla luften stillastående och dels förhindra strålning genom materialet. Då värmetransporten via strålning ökar med högre porositet och värmeledningen genom det fasta materialet ökar med lägre porositet kan man finna en optimal porositet där värmetransporten genom materialet är som lägst. För konventionella material hamnar värmeledningsförmågan generellt över den för den inneslutna gasen. Det finns ett antal olika egenskaper som kan ändras för att förbättra värmeledningsförmågan i ett material. I porösa material spelar gasen i porerna en stor roll för värmeledningen. Genom att använda en gas med låg värmeledningsförmåga i porerna kan man således minska värmeledningen genom hela materialet. Exempel på olika gasers värmeledningsförmåga kan ses i Tabell 1. För att använda annan gas än luft måste dock porsystemet vara slutet så att gasen inte ersätts med luft från atmosfären. Tabell 1: Värmeledningsförmågan för olika gaser (AGA, 1985). Gas Värmeledningsförmåga, λ [mw/(m K)] Luft 25,5 29 Kvävgas, N 2 24,1 (0 C) 28 Argon, Ar 16,2 (0 C) 40 Koldioxid, CO 2 16,2 (25 C) 44 Molvikt [g] R-11, CFCl 3 8,3 (30 C) 137 C-pentane 13,0 (25 C) 70 En annan egenskap som kan vara viktig är porernas storlek. Värmeledningen genom gasen i ett material sker främst genom kollisioner mellan gasmolekyler. Kollisioner mellan gas och porväggar är oftast elastiska och överför således inte så mycket energi. En gas medelfriväg är den medelsträcka som en gasmolekyl färdas innan den kolliderar med en annan gasmolekyl. När porstorleken i ett material är av samma storleksordning som medelfrivägen minskar antalet kollisioner mellan gasmolekyler 11

12 till förmån för kollisioner med porväggarna. Det leder till en minskning i gasens värmeledningsförmåga. Sambandet mellan porstorlek och värmeledningsförmåga vid normalt tryck och temperatur visas i Figur 2. Där kan det ses att gasens värmeledning ökar från noll och upp till max för en karakteristisk porstorlek mellan 1 nm och 10 μm. Figur 2: Sambandet mellan gasers värmeledningsförmåga och karakteristisk storlek på porsystemet (Berge & Johansson, 2012). En annan metod för att sänka värmeledningsförmågan i ett poröst material är att evakuera porerna. Utan gas i porerna kan värmen bara ledas genom strålning eller genom det fasta materialet. Det går dock inte att evakuera all gas och det är komplicerat att hålla ett högkvalitativt vacuum under en längre tid. Medelfrivägen för en gas påverkas utav trycket i gasen vilket medför att det i finporösa material räcker med att sänka trycket till ett lågkvalitativt vakuum för att få en stark inverkan på värmeledningsförmågan. Detta kan ses i Figur 3 som visar gasvärmeledningens förhålland till tryck för gaser i porer med olika karakteristisk storlek. Alla dessa tre strategier är representerade i de material vi har valt att analysera. I polyuretan används blåsgas med lägsta möjliga konduktivitet, aerogel är ett mycket finporöst material där värmeledningen genom luften stoppas upp av porväggarna och vakuumpaneler är evakuerade paneler med en innesluten kärna av finporöst material. 12

13 Figur 3: Sambandet mellan tryck och gasers värmeledningsförmåga för gaser i system med olika karakteristisk storlek (Berge & Johansson, 2012). 2.1 PUR Polyuretanskum är ett isoleringsmaterial som skapas genom en mixtur som bildar en polymer samtidigt som gas avges. Gasen skapar porer inuti materialet som bevaras när polymeren stelnar. Innehållet i porerna blir då den gas som har skapats i reaktionen. För att få ner värmeledningsförmågan försöker man skapa en så bra gasblandning som möjligt, variationen i värmeledning för vissa gaser visas i Tabell 1. Papadopoulos (2005) jämför olika isoleringsmaterial och ger polyuretanskum en konduktivitet mellan 20 och 27 mw/(m K) för byggnadsapplikationer vilket kan antas vara runt rumstemperatur. Det kan jämföras med katalogvärden från polyuretanrörsproducenter mellan 23 och 27 mw/(m K) vid 50 C beroende på produktionsmetod och producent (Powerpipe, 2010)(Logstor, 2012). Van-Chau Vo et al (2012) och Lindner (2012) presenterar båda påbörjad forskning på så kallad nanofoam. Ett polyuretanskum med en porstorlek i nanometerområdet. Principen är att polyuretanet skummas genom en speciell procedur med koldioxid i kritiskt tillstånd. Mindre porer kommer leda till en lägre värmeledning genom gasen vilket kan sänka den totala värmeledningsförmågan. Van-Chau Vo et al (2012) hoppas på en konduktivitet under 18 mw/(m K). 13

14 2.2 Aerogel Kistler (1931) gjorde analyser på de krafter som förstör strukturen i en gel när den torkar. Hans hypotes var att gelstrukturen bryts ner av de spänningar som skapas när gelvätskan byter tillstånd till gas. För att verifiera sin hypotes testade han att torka geler vid högt tryck och hög temperatur, över den kritiska punkten för gelvätskan. Över den kritiska punkten är vätskan i ett blandtillstånd mellan gas och vätska och överföringen där emellan sker utan att det skapas några spänningar. Experimenten lyckades och Kistler framställde de första proverna av aerogel, definierad som en torkad gel med den ursprungliga gelstrukturen bevarad. När gelstrukturen bevarades bildades ett finporöst material med stor porvolym. En aerogel kan ha en porositet över 95% och har pordiameter i storleksordningen 10 nm (Van Bommel, 1997). De små porerna hindrar gaskollisioner inne i porerna vilket leder till värmeledningsförmåga lägre än den för luft. Aerogel kan framställas utifrån en mängd olika typer av material men det vanligaste för värmeisoleringstillämpningar är aerogel gjord utifrån silikatgel. I studien har endast silika-aerogeler undersökts då de är kommersiellt tillgängliga. Aerogeler kan även framställas i ett antal olika former; som monoliter, malda som granulater eller i olika former av kompositer. Då monolitisk aerogel är väldigt skört och har väldigt dålig draghållfasthet fokuserar denna studie på aerogel-granulater, och aerogel-kompositer i form av filtar där aerogel-granulater hålls samman av fibrer Aerogelgranulater Mald aerogel bildar granulater. Aerogelen utgör då millimeterstora bitar som kan packas. Aerogelen kan då användas som fyllnadsmaterial eller blandas med andra material. Figur 4 visar aerogelgranulater och ger en uppfattning om deras storlek. Reim et al (2004) har mätt konduktiviteten i aerogelgranulater till mellan 18 och 22 mw/(m K). Dock ser man att konduktiviteten minskar när granulaterna belastas och alltså kompakteras. Det sker på grund av att luftluckorna minskar och att aerogelpartiklarna i sig har lägre konduktivitet än luft. Hümmer et al (1993) tittar på aerogelgranulater där strålningen är minskad av tillsats av kol. De lyckas därigenom sänka konduktiviteten till 17 mw/(m K). Utan tillsats är dock aerogelen genomskinlig vilket innebär stor värmetransport genom strålning. 14

15 Figur 4: Aerogelgranulater Aerogelfilt Aerogel kan bildas i olika kompositer för att stärka vissa egenskaper. Ett av de stora problemen med aerogel är dess sprödhet. För att minska sprödheten kan någon form av fiber läggas till som förstärkning. En sådan variant beskrivs i ett patent av Stepanian et al (2006) där aerogelen gjuts in i en luftig fibermatta. Där påstås att konduktiviteten kan komma ner till 0,010 W/(m K). En typ av matta har testats av Pietruska et al (2012) vilka fann en konduktivitet mellan 0,015 och 0,017 W/(m K). En fiberförstärkt aerogelfilt visas i Figur 5. Figur 5: Aerogelfilt där aerogel partiklar förstärks med polymerfiber 15

16 2.3 Vakuumisoleringspaneler Vakuumisoleringspaneler består av en porös kärna som omsluts av ett diffusionstätt laminat. En öppnad panel visas i Figur 6 och där syns även skyddshöljet som är till för att hålla samman ett sprött kärnmaterial. Kärnan evakueras på luft så att värmetransporten genom gasen minskar. Därefter försluts det diffusionstäta laminatet så att vakuumet i panelen bevaras. Figur 6: Uppskuren vakuumpanel som visar panelens olika lager Laminatet skall hållas intakt för att panelen skall uppfylla sin funktion. Även små skador kan snabbt leda till en förlust av vakuum med en höjd konduktivitet som konsekvens. Det medför också att panelen inte kan skäras och formen kan därför inte ändras efter produktion utan måste produceras i rätt format från början Kärnmaterial Många olika material kan användas i kärnan på en vakuumpanel med olika för och nackdelar. Grundförutsättningarna är att materialet ska var starkt nog att klara en atmosfärs tryck utan att tryckas ihop och det måste vara poröst med öppna porer så att luft kan evakueras. Relationen mellan värmeledningen genom gasen och trycket är starkt beroende av materialets porstorlek vilket syns i Figur 3. Mindre porer innebär således att inte lika låga tryck behövs för att sänka värmeledningen. Då gas sakta kommer läcka in i panelen över tid, så att trycket ökar, ger små porer en längre livslängd. Simmler et al (2005) jämför olika kärnmaterial där den lägsta konduktiviteten uppnås av glasfiber på runt 3,5 mw/(m K) vid 0,01 mbar. Glasfiber förlorar dock sin goda isolerand förmåga vid ganska låga tryck, redan vid 10 mbar är konduktiviteten uppe i 20 mw/(m K). Det innebär att glasfiber passar bäst i applikationer utan krav på lång livslängd. I byggsektorn, inkluderat fjärrvärmerör, är livslängden viktig och 16

17 därför brukar ett finporösare kärnmaterial användas. Vanligen används pyrogen kiseldioxid vilket är ett material med porstorlek i samma storleksordning som hos aerogel. Det medför en konduktivitet runt 0,005 W/(m K) vid 1 mbar och fortfarande under 0,01 mw/(m K) när trycket har nått upp till 100 mbar. Även när vakuumet är helt borta är konduktiviteten runt 0,020 W/(m K) vilket är lägre än för konventionella isoleringsmaterial (Simmler et al, 2005) Laminat För att behålla vakuumet inuti kärnmaterialet måste det inneslutas i en diffusionstät film (laminat). Laminatet består av metalliserad polymer vilket innebär en lagerstruktur med växelvis lager av polymer och aluminium. Aluiminium har en värmeledningsförmåga på 200 W/(m K) (Hagentoft, 2003) vilket är gånger så mycket som det evakuerade kärnmaterialet på 4 mw/(m K). Det medför att värmetransporten genom filmen, även om filmen är väldigt tunn, kan ha en avgörande roll för den totala värmetransporten genom panelen. Det finns också ett problematiskt samband då ett tjockare aluminiumlager ger lägre diffusion samtidigt som värmeledningen i laminatet ökar. Därför blir det ett komplicerat val för optimering mellan värmeförluster och livslängd på panelerna. 17

18 3 VAL AV KOMPOISTER Resultaten från litteraturstudien visar att värmekonduktiviteten för aerogel-partiklar, aerogel-filt och vakuumisoleringspaneler är lägre än polyuretanisolering. Aerogelpartiklar, aerogel-filtar och vacuumisoleringspaneler är alla kommersiellt tillgängliga material men de har tidigare inte använts som fjärrvärmerörsisolering. Ett material i partikelform (aerogel-partiklar) kan tilläggas vid tillverkning av polyuretanisolering. Det vill säga partiklar kan tillsättas vid blandingen av polyuretankomponenter (polyol och isocyanat). Blandning och dosering kan ske manuellt eller mekaniskt. Aerogel-filt och vakuumisoleringspaneler räknas som formbara skivmaterial. Formbarheten hos dessa material gör det möjligt att ersätta en del av polyuretanisolering i fjärrvärmerör med de nya materialen. En förundersökning genomfördes inför inköpet av de högpresterande materialen. Syftet var att välja producenter som tillverkar material med hög kvalitet och har en kvalificerad forskning och utveckling för att kunna modifiera materialen med hänsyn till användning i fjärrvärmerör. 3.1 PUR- och aerogel-granulat-komposit Värmekonduktiviteten hos aerogel-granulat är lägre än hos polyuretanisolering. Inblandning av aerogelgranulat i PUR kan vara effektivt för att minska värmekonduktivitet. NANOGEL TRANSLUCENT AEROGEL TLD 100, Cabot, valdes för vidare undersökningar. Produktens materialegenskaper i enighet med produktbladet redovisas i Tabell 2. Tabell 2: Materialegenskaper hos aerogelgranulat Materialegenskaper hos aerogelgranulat Partikelstorlek 0,01-4 mm Bulkdensitet kg/m 3 Partikeldensitet kg/ m 3 Värmekonduktiviteten 0,020 W/(m K) Fuktabsorption hydrofob Aerogel-granulat med en partikelstorlek av 0,01-4 mm valdes med hänsyn till cellstorleken i polyuretanisolering. Den genomsnittliga cellstorleken i polyuretanisolering i en radiell riktning skall vara mindre än 0,5 mm (EN: ). Den ursprungliga idén var att få aerogel-partiklar att hamna i celler eller i cellväggar. Aerogel-partiklar i cellväggar skulle inte vara så effektiva för att minska kompsitens värmekonduktivetet. Däremot kan partiklar som är mindre än 0,5 mm hamna inuti celler och detta skulle kunna leda till en minskad värmestrålning och därmed förbättra värme-konduktiviteten i kompositen. 18

19 Det redovisade värmekonduktiviteten i produktbladet var inte relaterat till den valda partikelstorleken, därför bestämdes värmekonduktiviteten för Aerogel TDL 100 i laboratorium. 3.2 Hybridisolering av fjärrvärmerör med aerogel-filt och vakuumisoleringspaneler En förändring i den ursprungliga utformningen av ett fjärrvärmerör, isolerat med polyuretan, påverkar de termiska och mekaniska egenskaperna hos fjärrvärmeröret. De högpresterande isoleringsmaterialen kommer att förbättra de termiska egenskaperna, men kan försämra de mekaniska egenskaperna om polyuretanisoleringen ersätts fullständigt med högpresterande isoleringsmaterial. Därför har ett hybridisoleringskoncept använts i detta projekt, se Figur 7. Figur 7 Hybridisoleringskoncept för högpresterande isolering. Konceptet bygger på att ett skikt av högpresterande isoleringsmaterial placeras närmast medieröret och sedan täcks av konventionell polyuretanisolering. Att placera högpresterande isoleringsmaterial närmast medieröret är den mest optimala utformningen för att minimera värmeförlusterna. Ett antal viktiga egenskaper måste utredas för att se om konceptet med hybridisolering av fjärrvärmerör fungerar, exempelvis vidhäftningen mellan polyuretanisoleringen och de nya isoleringsmaterialen. Inledande tester utfördes och testresultaten visade att polyuretan och högpresterande isoleringsmaterialen var tillräcklig kompatibla för vidare utveckling av hybridisoleringskonceptet. Resultaten av dessa försök presenteras i kapitel Aerogelfilt En aerogel-filt av typ SPACETHERM, Aspen Aerogel INC, valdes för isolering av fjärrvärmerör. Produktens materialegenskaper i enighet med produktbladet redovisas i 19

20 Tabell 3: Materialegenskaper hos Aerogelfilt Materialegenskaper hos Aerogelfilt Tjocklek 10 mm Densitet 150 kg/m 3 Vikt 1,56 kg/m 2 Värmekonduktivitet 0,014 W/(m K) Värmekapacitet 1 kj/(kg K) Värmekonduktiviten hos aerogel-filten har bestämts för att minska osäkerheten i en eventuell avvikelse mellan det redovisade värdet i produktbladet och de inköpta materialen Vakuumisoleringspanel Vakuumisoleringspaneler i detta projekt tillverkades av va-q-tec AG, Tyskland. Normalt är vakuumisoleringspaneler plana. För att isolera fjärrvärmerören med vakuumisoleringspaneler bör panelerna vara cylindriska. va-q-tec AG har utvecklat tekniken för att tillverka cylinderiska paneler, se Figur 8. Produktens materialegenskaper i enighet med produktbladet redovisas i Tabell 4. Tabell 4: Materialegenskaper hos vakuumisoleringspanel Materialegenskaper hos vakuumisolerings panel Värmekonduktivitet 0,0035-0,005 W/(m K)* Densitet 180 kg/m 3 Kärnmaterial Maximum storlek Avancerade kiseldeoxid 1750x1000 mm * Köldbryggor försämrar värmekonduktiviteten hos vakuumisoleringspaneler. I redovisad värmekonduktivitet medräknas inte inverkan av köldbryggor. Generellt är vakuumpaneler känsliga för yttre skador, även skador som är för små för att synas, vilka leder till att luften tränger in i panelen och försämrar produktens värmekonduktivitet. En fördel med va-q-tecs vakuumisoleringspaneler är att en sensor byggts in i panelen för att kunna bedöma panelens prestanda innan användning. 20

21 Figur 8: Överst syns en cylindrisk vakuumpanel från va-q-tec bredvid en plan vakuumpanel. Nedanför visas principen för hur kärnmaterialet i de cylindriska panelerna är uppbyggt. Vakuumisoleringspanelernas livslängd är starkt beroende av temperaturnivån där panelerna tillämpas. Vid höga temperaturer diffunderar luft snabbare in i vakuumpanelen och detta leder till att värmekonduktiviteten försämras snabbare. Vid ett undertryck av 100 mbar blir värmekonduktiviteten lika stor som polyuretanisoleringen. Exempelvis blir livslängden vid 60⁰C ungefär 50 år medan livslängden vid 90⁰C minskar till 15 år. Det är möjligt att utveckla vakuumisoleradepaneler som klarar högre temperaturer än 90 ⁰C Polyuretan Polyuretan härrör från en kemisk reaktion mellan en isocyanat, en polyol och en drivgas (cyklopentan). Polyuretan i fjärrvärmesammanhang har slutna celler. Polyuretanisoleringen i samtliga försök producerades av Powerpipe systems AB, Göteborg. Polyuretans materialegenskaper är presenterade i Tabell 5 (Powerpipe, 2010). 21

22 Tabell 5: Materialegenskaper hos Powerpipes standardpolyuretan Polyuretan Densitet [kg/m 3 ] Cellstorlek [mm] Värmekonduktivitet W/(m K) vid 10 ⁰C Standard 59 0,20-0,27 0,022 0,026 Värmekonduktivitet W/(m K) vid 50 ⁰C Polyuretanets värmekonduktivitet i Tabell 5 gäller för maskintillverkade polyuretanisolering. Värmekonduktiviteten för en manuellt tillverkade polyuretan är cirka 0,002-0,004 W/m/K högre, det vill säga 0,028-0,030 W/(m. K). 22

23 4 LABORATORIEMÄTNINGAR Värmekonduktiviteten hos kompositer och kompatibiliteten mellan nya materialen och polyuretan bestämdes i laboratorium. Bestämningen av värmekonduktiviteten utfördes enligt standarden för mätningar med mätmetoderna Guarded Hot Pipe (GHP) enligt ISO EN 8497 och EN253 annex F, Guarded Heat Flow meter (GHF) enligt EN :1999 och Transient plane source (TPS) enligt ISO Vid mätningar med GHP genomförs temperaturmätningar. Temperaturen mättes med termoelement av typ T. Vidhäftning och flytbarhet (stigningshöjd) bestämdes enligt industriella testmetoder hos Powerpipe systems AB. 4.1 Blandning av PUR och aerogelgranulat För att hitta korrekta blandningsförhållanden tillverkades fyra provexemplar. Komponenterna i polyuretanisolering (polyol, isocyanat, cyklopentan, och amin) blandades med olika mängder av aerogelgranulat i en behållare av plast. Mängden av olika kompontenter och blandingarnas ordning presenteras i Tabell 6. Tabell 6 Provkroppar av polyuretan och aerogel partiklar Prov Polyol [gr] C-pentan [gr] Isocyanate [gr] Amin [gr] Aerogel [gr] I ) II , ) III , ) IV , ) Blandningens ordning 1) Polyol och C-pentan blandades mekaniskt. Aerogelgranulat adderades till blandningen och blandades manuellt. Isocyanate adderades till blandningen och blandades manuellt. 2) Polyol och C-pentan blandades mekaniskt. Isocyanate adderades till blandningen och blandades manuellt. Aerogelgranulat adderades till blandningen och blandades mekaniskt. 3) Polyol och aerogelgranulat blandades manuellt. Amin och C-pentan adderades till blandningen och blandades mekaniskt. Isocyanate adderades till blandningen och blandades mekaniskt. 4) Polyol och aerogelgranulat blandades mekaniskt. Amin och C-pentan adderades till blandningen och blandades mekaniskt. Isocyanate adderades till blandningen och blandades mekaniskt. Blandningen av aerogel-partiklar gav upphov till en längre skumningstid. Anledning till en längre skumningstid antas vara att aerogelgranulaten kylde av den exotermiska 23

24 HÖGPRESTERANDE FJÄRRVÄRMERÖR reaktionen mellan isocyanat och polyol. Ju längre skumningstid desto större cellstorlek vilket medför sämre värmetekniska egenskaper. I prover III och IV adderades mer amin för att accelerera reaktionen V är me ko ndu kt iv it e n av ae rog e l g ra nul at Värmekonduktiviteten hos aerogelgranulaten bestämdes till 0,018 W/(m.K) med Transient Plane Source method - Low conductivity application. Det uppmätta värdet var cirka 10 % bättre än redovisade värde (0,020 W/(m.K)) i produktbladet Be st ämn ing av v ä rm e kond ukt iv it et ho s b la nding en pol yu ret an o ch a e rog el g r anu l at Tre provkroppar sågades ur från topp, mitt och botten av provexempelar (II-IV), se Figur 9. Provexempel (I) hade krympt efter två dagar och eliminerades från försöksserien. Figur 9 Provexempel och provkroppar av polyuretan och aerogel partiklar Provkropparna sågades från tre positioner för att minimera effekten av eventuella densitetsvariationer i höjdled på provexemplaren. Provkropparnas storlek var 123 mm (längd), 60 mm(bredd) och 33 mm (tjocklek), se Figur 9. Transient Plane Source metoden användes vid bestämning av värmekonduktiviteten. Mätresultaten presenteras i Tabell 7. Tabell 7: Värmekonduktiviten hos provkroppar med PUR och aerogelgranulat vid 20 ⁰C. Värmekonduktivitet W/(m K) vid 20 ⁰C Position/Provexempel II III IV Topp 0,028 0,023 0,024 Mitt 0,028 0,023 0,028 Botten 0,024 0,027 0,024 Medel 0,026 0,024 0,025 24

25 4.1.3 Diskussion Värmekonduktiviteten av standardpolyuretanisolering presenterades i Tabell 5. Det aktuella polyuretanets värmekonduktivitet vid 20 ⁰C uppskattades till 0,023 W/(m. K). På grund av att polyuretanet i denna testserie var manuellt tillverkat uppskattades dess värmekonduktivitet till 0,025-0,027 W/(m. K). En jämförelse mellan den uppskattade värmekonduktiviteten för den aktuella polyuretanisoleringen och redovisad värmekonduktivitet för aerogelblandningarna i Tabell 7 indikerar att effekten från inblandning av aerogelgranulat i polyuretanisolering var marginell. Det är möjligt att öka mängden av aerogelgranulat men detta skulle kunna leda till en högre grad av avkylning och därmed en sämre produkt. Vidare undersökning kunde initieras, men det låg inte inom ramen för detta projekt och därför lades alternativet att blanda aerogel med polyuretan ner. 4.2 Hybridisolering med aerogelfilt Ren teoretiskt kunde förbättringen av termiska egenskaper hos ett singelrör beräknas med hjälp ekvationerna 1-3 och Figur 10. Ekv. 1 Ekv. 2 Ekv. 3 Q (W) är värmeflödet. T i och T s (⁰C) är vattentemperaturen i tilldelningsröret och yttemperaturen på mantelröret. K (W/K) är den totala konduktansen, j W/(m K) är värmekonduktiviteten och L (m) är rörets längd. Figur 10 Fjärrvärmerör med hybridisolering 25

26 De beräknade värmeförlusterna hos ett DN 100/225 enkelrör isolerat med 10 mm aerogelfilt blev cirka 20 % lägre än för polyuretanisolerade rör. Rörets geometri och materialegenskaper presenteras i Tabell 8. Tabell 8: Geometri och materialegenskaperna hos DN 100/225 med 10 mm aerogelfilt Geometri och materialegenskaperna hos DN med 10 mm aerogelfilt Radie medierör 57 mm Radie mantelrör insida mm Radie mantelrör utsida mm Radie aerogelfilt 67 mm (10mm aerogel filt) Rörlängd 1000 mm Konduktivitet polyuretan 0,026 W/(m K) Konduktivitet polyeten 0,5 W/(m K) Konduktivitet aerogelfilt 0,014 W/(m K) En fördubbling av aerogelfiltens tjocklek gav 28 % lägre värmeförluster. Effekten av tjockleksändringen är inte linjär på grund av rörets cylindriska geometri Initiala tester: Vidhäftning /flytbarhet/värmekonduktivitet Vidhäftnings- och flytbarhetsförsök utfördes i samarbete med Powerpipe system AB Vidhäftningstest Vidhäftningstesten är utformade för en dubbelrörsinstallation. Enligt EN :2009 skall vidhäftningen mellan framdelningsrör och polyuretanisolering vara 120 kpa, ett medelvärde för båda rören. Bestämning av vidhäftningens utfördes på två rör av typ DN 2x20/140. I det ena av proven var ett av stålrören täckt med tejp, så att det inte skulle finns någon vidhäftning mellan polyuretanisolering och stålröret. I det andra DN 2x20/140, var ett av stålrören täckt med en aerogel-filt. Vidhäftningen bestämdes i enlighet med EN :2009. Resultaten av mättningarna är presenterad in Tabell 9. Tabell 9: Vidhäftning mellan stålrör och polyuretan Provkroppar Vidhäftning [kpa] DN 2x20/140 med tejp 232 DN 2x20/140 med aerogel-filt 211 Mätresultaten i Tabell 9 indikerade att vidhäftningen mellan ett stålrör och polyuretanisolering var högre än den efterfrågade vidhäftningen enligt EN :2009. Resultaten från DN 2x20/140 med tejp indikerade att det förskrivna värdet i standarden kunde uppfyllas med vidhäftning mellan ett stålrör och polyuretan. 26

27 Flytbarhet Flytbarhet är en viktig parameter för att polyuretanskummet ska fylla ut röret vid skumning så att behovet av polyuretanmaterial kan hållas så lågt som möjligt. Flytbarheten bestäms med hjälp av mätning av stighöjd av polyuretanskum i en vertikal kammare. Kammaren består av en U-formad del som kan skruvas mot en platta. En provkropp av aerogel-filt placerades i mellan den U-formade delen och plattan. Sedan fylldes kammaren med polyuretanskum. Stighöjden med och utan aerogel-filt var lika hög, det vill säga aerogelfilten var kompatibel med polyuretan. Figur 11 Stighöjden vid flytbarhet testet Aerogel-filtens värmekonduktivitet Aerogel-filtens värmekonduktivitet bestämdes vid 20⁰C med Guarded Heat Flow meter metoden. Provkropparnas storlek var 300x300x10 mm. För att uppfylla minsta tjocklekskraven vid mätningar med Guarded Heat Flow meter, staplades två lager filt på varandra för att uppnå 20 mm provtjocklek. Temperaturen på den kalla och varma plattan i mätapparaten var 10 ⁰C och 30⁰C, respektive. Mätresultaten presenteras i Tabell

28 Tabell 10: Aerogel filtens värmekonduktivitet vid 20 ⁰C Material Värmekonduktivitet [W/(m. K)] Kommentar Aerogel filt-1 0, x10 mm filt Aerogel filt-2 0, x 10 mm filt Medelvärde 0,0168 En jämförelse mellan den redovisade värmekonduktiviteten i produktbladet (0,014 W/(m K), se Tabell 3) och mätvärdena presenterade i Tabell 10 visar att värdena i produktbladet är 20 % lägre än de uppmätta mätvärdena. Det kan finnas olika anledningar till denna avvikelse, till exempel variationer som kan uppstå vid produktionen. En annan anledning kan vara ytmotståndet mellan två provkroppar av aerogelfilt vid mätningarna. En hybridisolerad provkropp tillverkades för att fastställa aerogelfiltens termiska egenskaper utan inverkan av eventuella ytmotstånd. En 10 mm tjock aerogelfilt täcktes med 20 mm polyuretanisolering. Provkroppen framställdes i en 300x300 mm plan form, visad i Figur 12. Figur 12 Framställning av en plan hybridisolering med aerogel filt och polyuretan-isolering 28

29 Värmekonduktiviteten för den plana hybridisoleringen bestämdes med Guarded Heat Flow meter. Mätresultatens presenteras i Tabell 11. Tabell 11: Värmekonduktiviteten hos hybridisoleringsskivor Material Värmekonduktivitet W/(m K) Kommentar Aerogel filt-1+polyuretan 0, mm filt+20 mm PUR Aerogel filt-2+polyuretan 0, mm filt+20 mm PUR Medelvärde 0,0218 Värmekonduktiviteten hos aerogelfilten vid 20 ⁰C beräknades med hjälp av värmekonduktiviteten av hybridisolerade provkropp (0,0218 W/(m K)) och polyuretanisoleringens värmekonduktivitet. Värmekonduktivitet hos polyuretanisoleringen redovisades som 0,022 W/(m K) (vid 10 ⁰C) och 0,026 W/(m K) (vid 50⁰C), se Tabell 5. Uppgifterna gäller för en maskintillverkad polyuretanisolering. Värmekonduktiviteten för ett handgjort polyuretan är 0,002-0,004 högre än maskintillverkad polyuretanisolering. Det vill säga värmekonduktiviteten för ett handgjort polyuretan blir 0,026 W/(m K) vid 20 ⁰C. Den beräknade värmekonduktiviteten för aerogel-filten blev 0,0165 W/(m K), det vill säga 2 % lägre än de uppmäta värdena från Tabell Diskussion Värmekonduktiviteten hos filten som användes i detta projekt var 0,0168 W/(m K) och detta värde kommer att användas i bedömningar och beräkningar relaterat till kompositer med aerogelfilten. Den redovisade värmekonduktivitet i produktbladet var 0,014 W/(m K) vilket är 20 % lägre än de uppmätta konduktiviteterna. Enligt tillverkaren, Aspen Aerogel INC., är den inskaffade produkten inte av samma kvalitet och typ som den produktbladet refererar till Hybridisolering: prototyper med aerogel-filtar Två protyper av hybridisolerade fjärrvärmerör, DN80/140, tillverkades med 10 mm tjocka aerogel-filtar. Stålrörets längd var 1400 mm och det var isolerat med aerogelfiltar i två sektioner om vardera 200 mm, se Figur

30 Figur 13 Hybridisolerade fjärrvärmerör med aerogel-filt Polyuretanblandning tllfördes i mitten av mantelröret, se Figur 14. Figur 14 Hybridiserade fjärrvärmerör fylldes med polyuretanisolering Värmekonduktiviteten hos prototyper och hos ett referensrör (utan aerogelfilt) bestämdes med hjälp av Guarded Hot Pipe metoden. Temperaturen i stålröret och mantelröret var 80 ⁰C och 20 ⁰C, respektive. Resultaten av mättningarna presenteras i Tabell 12. Tabell 12 Värmekonduktiviteten hos prototyper med aerogel-filt vid 50⁰C Värmekonduktivitet W/(m K) Prototyp 1 0,0265 Prototyp 2 0,0260 Referensrör 0,

31 Den uppmäta värmekonduktiviteten hos de hybridisolerade rören avser rör med två sektioner av aerogelfilt och tre sektioner utan aerogelfilt, enligt Figur 13. Med antagandet att handgjort polyuretan (referensrör) har en värmekonduktivitet på 0,028 W/(m K) vid 50⁰C, kunde värmekonduktiviteten i sektionerna med aerogelfilt beräknas till 0,024 W/(m K) Resultaten av mätningarna visade att värmekonduktiviteten hos det hybridisolerade röret med aerogelfilt var 17 % lägre än referensröret. 4.3 Vakuumisoleringspaneler Värmekonduktiviteten hos vakuumisolerade paneler (VIP) är runt 0,005 W/(m K). Resultaten av en beräkning, med hjälp av ekvationer 1-3 och indata enligt Tabell 8, för ett DN 100/225 rör isolerat med en 10 mm tjock vakuumisoleringspanel visade att värmeförlusterna var 60 % lägre än ett rör isolerad med ren polyuretanisolering. Den stora reduktionen av värmeförluster kunde vara korrekt om det diffusionstäta laminatet runt vakuumisoleringspanelen inte skapade köldbryggor. Enligt tillverkaren kan köldbryggorna förorsaka en fördubbling av den effektiva värmekonduktiviteten hos panelerna. Köldbryggornas inverkan på den effektiva värmekonduktiviteten beror till stor del på vakuumisoleringspanelens area. Därmed undersöktes vakuumisoleringspanelernas prestanda genom tillverkning av hybridisolerade prototyper av fjärrvärmerör Initiala tester: Vidhäftning/flytbarhet/värmekonduktivitet Resultaten från vidhäftningstesterna i kapitel visade att vidhäftningen var tillräckligt för provkroppar isolerad med aerogelfilt. Det fanns ingen vidhäftning mellan filten och stålröret. I detta avseende skiljde sig inte vakuumisoleringspanelen från aerogelfilten och ytterligare tester var därför inte nödvändig. De använda vakuumisoleringspanelerna är cylindriska och därför kan inte värmekonduktivitet bestämmas med Guarded Heat Flow meter då utrustningen kräver plana provkroppar Flytbarhet Flytbarheten bestäms med hjälp av mätning av stighöjd av polyuretan, se kapitel Stighöjden med och utan vakuumisoleringspaneler var lika lång och detta betyder att vakuumpanelen är kompatibla med polyuretanisoleringen, se Figur

32 Figur 15: Stighöjd med och utan vakuumpanel vid flytbarhetstester Hybridisolering: prototyper med 5 mm tjock VIP, enkelrör Ett DN 100/225 rör isolerades med en 5 mm tjock vakuumpanel. Panelens dimensioner var 473x360 mm. Valet av de 5 mm tjocka panelerna baserades på tillgänglighet av cylindriska paneler hos tillverkaren vid beställning. Längden av prototypröret var 1060 mm och två vakuumisolerade paneler täckte cirka 950 mm av stålröret. Ett referensrör isolerat med polyuretan tillverkades för att minimera effekten av alla andra parameterar som skulle kunna påverka mätresultaten, exempelvis variationer i det handgjorda polyuretanets värmekonduktivitet, se Figur 16 och Figur

33 Figur 16: Dimensioner hos prototyprör med vakuumisoleringspaneler och referensrör Figur 17: Stålrör isolerades med vakuumisolerade panel Värmekonduktiviteten av prototypen och referens röret bestämdes med hjälp av en Guarded Hot Pipe instrument. Temperaturen i stålröret och mantelröret var 80 ⁰C och 20 ⁰C, respektive. Resultaten av mättningar presenteras i Tabell

34 Tabell 13: Värmekonduktiviteten av vakuumisoleraderör och referens rör Värmekonduktivitet W/(m K) Referens rör 0, ,57 Hybridisolerade rör 0, ,53 Inmatade effekt för att uppnå Tmedel = 51⁰C Värmekonduktiviteten av det hybridisolerade röret med 5 mm tjock vakuumisoleringspanel var 15 % lägre än referens röret. En omvänd beräkning visade att vakuumisolerings panelen i denna konfiguration hade en effektiv värmekonduktivitet av 0,012 W/(m. K). Den effektiva värmekonduktiviteten kan variera med hänsyntill köldbryggornas verkningsgrad, ju mindre panelarea desto högre inverkan av köldbryggorna på värmekonduktivitet. 34

35 5 BESLUT OM FÄLTMÄTNINGAR Fältmätningar ingick inte i den beskrivna projektramen. De uppnådda resultaten med hybridisolerade fjärrvärmerör var dock så lovande att projektets styrgrupp bestämdes sig att modifiera projektramen och addera fältmätningar till projektets aktiviteter. Vid möte med Thomas Samuelsson i styrgruppen den 22 november 2011 och efterföljande telefonmöte med styrgruppen, den 22 dec 2011, enades gruppen att det fortsatta projektarbetet skulle fokusera på mätningar i fält. Två rörledningar med dubbelrör DN2*25/140 och DN2*80/250 isolerade med vakuumisoleringspaneler skulle läggas ner i Varbergs fjärrvärmenät. Rörledningarna skulle förses med mätutrustning för att kontrollera laboratoriemätningar och säkerställa en fungerande rörledning i driftsituationer. Fokuseringen på dessa fältmätningar innebär att ett antal frågor inte kommer att fullföljas inom projektramen. Exempelvis fortsatta tester på aerogelfilten, utveckling av diffusionsbarriär i vakuumisoleringspanelerna och vidare vidhäftningstester. Vacuumisoleringspaneler valdes som isolering av fjärrvärmerören i fältmätningarna på grund av materialets termiska prestanda samt på grund av ekonomiska och ekologiska faktorer. Den uppmäta värmekonduktiviteten för hybridisolerade fjärrvärmerör med aerogelfilt och vacuumisoleringspaneler visade att en 5 mm tjock vakuumisoleringspanel var lika effektiv som en10 mm tjock aerogelfilt. En 10 mm vakuumisoleringspanel skulle definitivt ha bättre prestanda än en 10 mm aerogelfilt. Den ekonomiska kalkylen visade att materialkostnader för aerogelfiltar och vacuumisoleringspaneler var ungefär på samma nivå. När det gäller ekologiska faktorer utvärderades effekten av materialets transport på miljön. Vakuumisolerade paneler tillverkas i Tyskland och aerogel-filear tillverkas i USA. Det skulle vara mer ekologisk om vacuumisolerade används för hybridisolering av fjärrvärmerör. Här bör nämnas att en fullständig livscykelanalys skall utföras för att kunna dra noggrannare slutsatser om ekologiska aspekter av respektive material. Vakuumisoleringspanelernas maxtemperatur är 90 ⁰C. Detta betyder att de hybridisolerade fjärrvärmerören bara kan användas i fjärrvärme system med låg temperatur. 5.1 Förbreddande laboratoriemätningar Två förbreddande laboratoriemätningar behövdes inför fältmätningar. I den första mätningen skulle den effektiva värmekonduktiviteten bestämmas för ett enkelrör isolerat med 10 mm vakuumisoleringspanel. Den andra mätningen var en avbildning av dubbelröret tänkt till fältmätningar. Dubbelröret utformades så att röret innefattade både en hybridisolerad rörsektion och en referenssektion. Dubbelröret försågs med termoelement i båda sektionerna, på positioner där temperaturen var av intresse för vidare analyser. 35

36 5.1.1 Enkelrör med 10 mm vakuumisolerade panel Ett DN 100/225 rör isolerades med en 10 mm tjock vakuumisoleringspanel. Panelens dimensioner var 1000x360 mm. Längden av prototyp röret var 1060 mm. Röret producerades enligt procedurer beskrivna i kapitel Rörets värmekonduktivitet bestämdes med hjälp av Guarded Hot Pipe metoden. Temperaturen i stålröret och mantelröret var 80 ⁰C och 20 ⁰C, respektive. Mätresultaten av mättningar är presenterad i Tabell 14. Tabell 14: Värmekonduktiviteten av fjärrvärmerör (DN 100/225) isolerad med 10 mm vakuumisolerade panel vid 50 ⁰C. Hybridisolerade rör med 10 mm VIP Värmekonduktivitet W/(m K) 0,0196 0,0103 Effektiv värmekonduktivitet W/(m K) Värmekonduktiviteten av den hybridisolerade röret med en 10 mm tjock vakuumisolerade panel var 30 % lägre än referens röret (0,0278 W/(m K) se Tabell 13). En omvänd beräkning enligt ekvationerna 1-3 visade att vakuumisoleringspanelen i denna konfiguration hade en effektiv värmekonduktivitet på 0,010 W/(m K) Dubbelrör En prototyp av DN2*80/250 producerades. Längden av röret var 1927 mm. En meter av röret var hybridisolerad med 10 mm vakuumisoleringspanel och resten var isolerad med polyuretan. Den polyuretanisolerade delen av röret skulle fungera som referens. Tjugosex termoelement var placerat vid positioner som kunde vara av intresse för kommande analyser, se Figur 18 Temperaturmättningar utfördes i fyra sektioner för att få en bättre upplösning av temperaturfördelningen i respektive del. Två sektioner var placerade i polyuretanisolering (sektioner C1 och C2) och två sektioner i hybridisolerade delen (sektioner B1 och B2). Temperaturmätningar i sektioner C1 and C2 används som referensvärden. Avståndet mellan sektionerna valdes till 250 mm vilket fördelar dem jämnt över den del av röret som innehåller värmestaven. Termoelementen registrerade temperaturen på framledningsröret, (stålrörstemperaturen), returrörstemperaturen, mantelrörstemperaturen i tre positioner, isolering-nedåt (10 mm från stålröret på underkanten) och isolering-uppåt (10 mm från stålröret på överkantkanten). Termoelementen vid isolering-nedåt placerades på vakuumisoleringspanelen (10 mm tjock). Termoelementen i polyuretanisolering placerades 10 mm från stålröret och det fanns en osäkerhet att termoelementen förflyttar sig vid tillverkning av röret. Idag finnas inga standardiserade mätmetoder för att bestämma värmekonduktiviteten i ett dubbelrör. Därför användes uppställningen för Guarded Hot Pipe metoden med vissa modifiktioner. Temperaturen i framledningsröret var 80⁰C och omgivningens temperatur var 20⁰C. Den tillförda värmen från 36

37 framledningsröret skulle transporteras till returröret därför ändarna på returröret var isolerad för att minska värmeförlusterna. Returröret och tilldelningsröret omkrets vid ändarna var delvis avsågat, se Figur 18 (A). Längden på dubbelröret var 1927 mm. Mätproceduren bedömdes vara tillräcklig med avseende på temperatur mätningar i den hybridisolerade delen och referensdelen av dubbelrören. Det fanns värmetransport i sidled (längs röret) som inte kunde elimineras fast på grund av den symetriska uppbygganden av provkroppen kunde de försummas. Resultaten av temperaturmätningar är presenterad in Tabell 15. Figur 18 Dubbelrörets dimensioner och placering av termoelementer Resultaten från mätningar visade att den valda mätproceduren kunde användas i fältmätningar. Temperaturmätningar vid isolering-nedåt och isolerings-uppåt var lägre i den hybridisolerade delen än den polyuretanisolerade delen. Temperaturen i sektion C2 var lägre än C1 vid positionerna isolering-nedåt och isolerings-uppåt. Detta kunde bero på att termoelementen i sektion C1/C2 var ur sin position. Extra åtgärder behövdes för att minimera risken för förflytning av termoelementen vid tillverkningen av mätrören för mätningar i fält. Ytterligare termoelement behövdes för att kunna undersöka inverkan av köldbryggor. Det behövdes mantlade termoelement för att kunna mäta marktemperaturen för att motsvara temperaturen på mantelröret. 37

38 Tabell 15: Temperatur mätningar vid olika positioner i en dubbelrör B1 (VIP) B2 (VIP) C1 (PUR) C2 (PUR) Framledningstemperatur TC Nr T t.avg [ C] 79,6 81,0 80,3 79,4 T x,avg [ C] 80,1 Returtemperatur TC Nr T t,avg [ C] 35,7 35,4 36,1 36,1 T x,avg [ C] 35,8 Isolering - Nedåt TC Nr T t,avg [ C] 55,1 54,5 72,3 66,5 T x,avg [ C] 54,8 69,4 Isolering - uppåt TC Nr T t,avg [ C] 63,2 63,3 77,2 67,9 T x,avg [ C] 63,3 72,6 Mantelrör - nedåt TC Nr T t,avg [ C] 22,8 22,46 22,5 23,3 T x,avg [ C] 22,7 22,9 Mantelrör - sidan TC Nr T t,avg [ C] 20,1 20,4 19,9 20,4 T x,avg [ C] 20,3 20,2 Mantelrör - uppåt TC Nr T t,avg [ C] 21,9 21,9 T x,avg [ C] 21,9 38

39 6 FÄLTMÄTNINGAR För att testa de nya rörtyperna under faktiska förhållanden har två dubbelrör med vacuumisolering installerats som en del i fjärrvärmenätet i Varberg. Rören är av dimensionerna DN2*80/250 och DN2*25/140 och utgör ett antal rörlängder av en sträcka med konventionella rör. Som del av sträckan har det installerats ett mätrör på 6 m för var dimension, i vilka en del av framledningsröret isolerats extra med vakuumisoleringspaneler. Panelerna har en tjocklek på 10 mm och är ungefär 1 m långa. De har placerats mellan distanserna i ena halvan mätröret. I andra halvan är hela mätröret isolerat med polyuretan och den halvan används som referens för mätningarna. Termoelement har gjutits in i rören och temperaturen mäts kontinuerligt varannan timme i ett antal olika positioner både i den tilläggsisolerade delen av röret och motsvarande temperaturer i referensdelen utan tilläggsisolering. Utöver det är termoelementen placerade på speciellt intressanta positioner så som vid köldbryggor i vakuumisoleringspanelerna. Termoelementen är placerade för att få en bild utav temperaturfältet i rörsnittet och på så vis kunna passa de uppmätta resultaten mot beräkningar och simuleringar för att se om beräkningarna motsvarar vad som händer i verkligheten. Mätningarna ger också information om temperaturernas relativa förändring över tid. Genom långvariga mätningar kan man se om det finns problem med beständigheten i den nya isoleringen. 6.1 DN2*80/250 Teströret med dimension DN 2*80/250 placerades ut i fält i januari 2012 med mätstationen placerad inne på en industritomt. Temperaturloggarna installerades så att mätningarna kunde börja Figur 19 visar det nedlagda teströret med muffen för mätutrustningen. Den första tiden låg röret utan täckning och grävdes ner fullt i mitten av februari. När mätresultaten skulle hämtas första gången hade tjälen släppt och vatten hade översvämmat mätstationen, vilket visas i Figur 20. Utöver det hade betongskyddsringen satt sig så att den låg an mot locket till mätmuffen, vilken inte kunde öppnas. Betongringen fick grävas upp och korrigeras. Efter det fylldes den med grus till vattenytan för att vattnet skulle kunna dräneras och utrustning skulle hållas ovanför ytan. Insidan på muffen hade klarat sig från vätan. 39

40 Figur 19: Bilder från montering av temperaturloggar Figur 20: Bilder från Vid datahämtning hade tjälen smält och mätstationen var översvämmad. 40

41 I röret med dimensionerna DN 2*80/250 är termoelementen placerade enligt Figur 21. TErmoelementen är främst placerade i två snitt med vakuumisolering och två motsvarande snitt i referensdelen för att kunna kontrollera noggrannheten i mätresultaten. I DN 2*80/250 röret är köldbryggan i skarven där panelens ändar möter varandra placerad åt sidan ut i isoleringen. Termoelement är placerad för att mäta köldbryggans inverkan (sensor 12 och 13 i Figur 21). Temperaturen är även mätt i köldbryggan som bildas i änden på panelerna (sensor 15 i Figur 21). Utöver termoelementen redovisade i Figur 21 så mäter även loggningsutrustningen sin egen temperatur. Loggarna är placerade i muffen på mätröret temperaturerna är redovisade som Ta1, Ta2 och Ta3. Figur 21: Placering och benämning av ingjutna sensorer i mätröret för DN 2*80/250. Mätresultaten från samtliga temperaturmätningar visas i Figur 22. I figuren är det svårt att särskilja specifika mätpunkter men kan se att temperaturkurvorna följer varandra, snabba förändringar i temperaturen i en punkt uppvisar motsvarande förändringar i samtliga kurvor. Det tyder på att mätningarna stämmer och att utrustningen ger korrekta temperaturer. Det antyder också att värmetrögheten spelar en mindre roll för våra mätningar då dess påverkan ser ut att ligga utanför vår upplösning på 2 timmar. Hålet i uppmätningarna mellan och beror på problem med mätutrusningen. 41

42 Figur 22: Uppmätta temperaturer i samtliga punkter för rör av dimensionen D 2*80/250. För att göra jämförelser temperaturerna mellan olika positioner på termosensorerna har ett medelvärde beräknats för termoelement i samma position. De olika positionerna är benämnda enligt Tabell 16. För de flesta positioner är medelvärdet beräknat utifrån 2 temperatursensorer. I de fall då sensorerna redovisas var för sig är de numrerade. Tabell 16: Benämning av mätpunkter från fältmätningar Det första som analyserats var effekten av vakuumisoleringen. I Figur 23 ses att temperturerna uppmätta på utsidan av vakuumisoleringen är lägre än motsvarande temperatur i samma position på referensdelen av röret, både på sidan av röret (s) och mellan de två medierören (u). Det innebär att isoleringen är effektivare för 42

43 vakuumisoleringen i dessa punkter. Det tar dock inte hänsyn till effekten av köldbryggorna som är lokalt placerade i andra punkter i tvärsnittet. Temperaturen i köldbryggorna visas i Figur 24 tillsammans med temperaturer i motsvarande positioner utan köldbryggor. Där kan det ses att temperaturen i köldbryggan längs panelen (kbl) har en lägre temperatur än motsvarande position i referensdelen (s-pur). Det innebär att isoleringen förbättras även i den punkten, trots den längsgående köldbryggan. För köldbryggan längs kanten är det svårare att dra några sådana slutsatser då det saknas en referens för polyuretandelen men det kan ses att temperaturen ökar med över 20 C jämfört med positioner där det är vakuum hela vägen. Den höga temperaturen innebär dock inte nödvändigtvis ett högt värmeflöde då tvärsnittsarean i köldbryggan är väldigt liten. Figur 23: Temperaturen på yttre ytan av vakuumisoleringen och för motsvarande temperaturer i referenssnitten. I Figur 23 kan det ses att temperaturen på sidan av vakuumpanelen (s-vip) har en starkare ökning med tiden än de andra temperaturerna. Det skulle kunna bero på nedbrytning av vakuumisoleringen och därmed försämrad isoleringsförmåga med tiden. För att kontrolera detta jämfördes trenden för temperaturen vid isoleringen med trenden för temperaturen i ränderna, alltså framledningsröret (F), returröret (R) samt utomhus (Ta). Resultatet visas i Figur 25 där det kan ses att temperaturen vid vakuumpanelen ökar proportionellt mot temperaturerna i ränderna och den ökande trenden kan förklaras med trenden för utomhustemperaturen. Det finns således inga synliga effekter på vakuumpanelerna än så länge men det behövs mätningar över längre tid för att kunna ge mer konkreta besked. I Figur 26 ses temperaturen emellan de två medierören. Temperaturen i snittet med vakuumpanel (u-vip) är lägre än både framledningsrörets (F) och returrörets (R) temperatur. Det kan bero, dels på den låga värmeledningen i vakuumpanelen, men 43

44 även på att värme transporteras ut åt sidorna i snittet via det högledande laminatet runt panelerna. Konsekvensen av den låga temperaturen är i alla fall att det inte sker någon kortslutning mellan det två medierören. Energin som lämnar framledningsröret värmer alltså inte returröret. Huruvida det beror på laminatet eller isoleringsförmågan kräver en mer ingående undersökning. Figur 24: Medelvärden för temperaturer mitt på yttre ytan av vakuumisoleringen jämfört med referenssnitt och temperaturen i köldbryggorna. Figur 25: Linjär trend för temperaturutvecklingen i olika punkter i rörsnittet. 44

45 Figur 26: Temperaturen mellan de två medierören och medierörens temperatur. 6.2 DN2*25/140 Ett andra rör med dimensionerna DN 2*25/140 grävdes ner i februari Till skillnad från DN 2*80/250 röret som var placerat på en industritomt var mätstationen för DN 2*25/140 placerat i ett öppet parkområde, varför locket fick förses med lås. Mätstationen visas i Figur 27. Termoelement har gjutits in i mätröret i enighet med Figur 28. Temperaturerna har mätts på utsidan av vakuumpanelerna och på stålröret. Termoelement har även fästs vid vissa köldbryggor för att analysera deras inverkan på temperaturen. Figur 27: Bild på mätstation för DN 2*25/

46 Figur 28: Placering och benämning av ingjutna sensorer i mätröret för DN 2*25/140. Figur 29: Mätresultat från DN 2*25/140. Resultaten från mätningarna visas i Figur 29. Där kan det ses en del oegentligheter. De två sensorerna på returröret är i början varmare än framledningsröret. Efter ett tag sjunker temperaturen i ena sensorn så att temperaturen hamnar under den för 46

47 framledning men då är plötsligt returtemperaturen olika i två punkter med ungefär en meters mellanrum. De stora variationerna beror på problem med utrustningen vilket innebär att det inte går att dra några slutsatser från resultatet. Nya loggar har införskaffats men har inte hunnit monteras ute i fält. Med nya loggar ska förhoppningsvis resultaten bli mer entydiga, i annat fall kommer det ge ett bättre underlag för att analysera orsaken till temperaturvariationerna. 6.3 Diskussion De temperturerna uppmätta på utsidan av vakuumisoleringen är lägre än motsvarande temperatur i samma position på referensdelen av röret, både på sidan av röret och mellan de två medierören. Det innebär att isoleringen är effektivare för vakuumisoleringen i dessa punkter. Den uppmäta temperaturen i köldbryggan längs panelen är lägre än temperatureren i motsvarande positioner i referensdelen. Det innebär att isoleringen förbättras även i den punkten, trots den längsgående köldbryggan. För köldbryggan längs kanten är det svårare att dra några sådana slutsatser då det saknas en referens för polyuretandelen. 47

48 7 TEORETISKA BERÄKNINGAR Som del i analysen av de tilläggsisolerade rören genomfördes simuleringar i beräkningsprogrammet Comsol; ett program som använder finita-elementmetoden för att lösa differentialekvationer. Med simuleringarna kan man få en bild av temperaturfältet i röret och ta fram värmeflöden. På så vis kan simuleringarna användas både för att validera mätdata och för att beräkna energiförlusterna från rören. Som indata i modellen användes den data vi fått fram i våra mätningar samt förutsättningar givna för värmeförlustberäkningar från Powerpipes produktkatalog (Powerpipe, 2010). Utifrån dessa har stationära beräkning gjorts. 7.1 Comsol-modeller Två olika modeller har tagits fram i Comsol; en för enkelrör i laboratoriemiljö och en för dubbelrör i fält. Modellerna är gjorda i 2D som ett snitt vinkelrätt mot rörets längd. Modellerna använder Comsols fördefinierade ekvationer för värmetransport. En skiss över modellen för enkelrör i labbmiljö visas i Figur 30. Randvillkoren valdes till yttemperaturen på det omslutande polyetenröret (T yy ) och yttemperaturen på stålröret (T iy ). Valet av ränder är baserat på standarden för mätningar med Guarded Hot Pipe. Figur 30: Beskrivning av indata och randvilkor för Comsolmodell för enkelrör i laboratorium. För fältmodellen, vilken visas i Figur 31, är en del av den omgivande marken inkluderad. Markytan utgör en rand med utomhustemperatur, medierörens temperatur utgör två ränder och en öppen rand omsluter den omgivande marken på 2.5 meters avstånd från röret. I båda modellerna försummas värmeflödet genom det omslutande polyetenröret och värmeflödet genom stålrören då dess har en mycket hög konduktivitet jämfört med isoleringen. Temperaturen på båda sidor om dessa antas vara samma. 48

49 Figur 31: Beskrivning av indata och randvilkor för Comsolmodell för dubbelrör I fält. 7.2 Effektiv konduktivitet hos vakuumpaneler För att skapa en dubbelrörsmodell beräknades först den effektiva konduktiviteten i vakuumisoleringenmodellen för enkelrör i laboratorium. Som randvillkor användes medeltemperaturen på utsidan av mantelröret och medeltemperaturen inne i stålröret, som erhållits från mätningar på rör med vakuumisolering. Konduktiviteten för polyuretanisolering togs från mätningar på ett referensrör som gjutits under samma förutsättningar. Simuleringen kördes ett antal gånger och konduktiviteten på vakuumisoleringslagret korrigerades tills det beräknade värmeflödet ut från röret motsvarade det som uppnåtts med Guarded Hot Pipe metoden. Den slutligt erhållna konduktiviteten motsvarar då en effektiv konduktivitet för vakuumisoleringen. Den effektiva konduktiviteten innehåller både värmeflödet genom själva vakuumpanelen, värmeflödet genom köldbryggorna vid panelens kanter samt värmeflödet genom polyuretanet och distanserna mellan panelerna. 7.3 Energiförluster från dubbelrör För att enkelt kunna analysera energiförlusterna för olika val av randvillkor eller randvillkor som varierar över året så modellerades dubbelröret som en krets mellan de tre ränderna. Kretsen beskrivs i Figur 32 som konduktanser mellan framledningsrörets temperatur (Tf), returrörets temperatur (Tr) och markytans temperatur (Ta). Flödet mellan två ränder kan sedan beräknas enligt ekvation 4 49

50 Figur 32: Beskrivning av krets för värmeförluster från dubbelrör. Till vänster visas kretsen placerad i rörgeometrin och till höger visas den rena kretsen tagen ur sitt sammanhang. Ekv. 4 där Q [W/m] är värmeflödet mellan två randtemperaturer för en meter av rör, K [W/(m K)] är konduktansen mellan de två ränderna och ΔT är temperaturskillnaden mellan ränderna. För att beräkna konduktanserna i kretsen gjordes simuleringar för två olika fall som visas i Figur 33. Utifrån de två fallen fås de tre konduktanserna fram baserat på de flöden som programmet beräknat. En konsekvens av användningen av en krets är att modellen inte kan ta hänsyn till variationer i konduktiviteten på grund av temperaturen. Storleken på den effekten måste således undersökas vid sidan av. Figur 33: De två simuleringsfall som användes för att ta fram konduktanserna för värmeförlusterna. 50

51 Värmeförlusterna har beräknats utifrån de randvillkor och materialdata som ges av Powerpipe (2010) i deras riktlinjer för värmeförlustberäkningar. Vakuumpanelerna har antagits ha en effektiv konduktivitet på 0,012 W/(m K), se Kapitel från mätningarna med Guarded Hot Pipe.Använda värden är listade i Tabell 17. Resultaten av simuleringarna visas i Tabell 18. Man kan se att värmeförlusterna minskar med mellan 17 % och 23 % beroende på vilket rör som har använts och mängden vakuumisolering. Tabell 17: Indata för simulering av värmeförluster. λm Jord 1,5 W/(m K) λi Polyurethan 0,0260 W/(m K) λi+ Vakuumpanel 0,012 W/(m K) H Täckdjup 0.8 m Tf Framledningstemperatur 85 C Tr Returtemperatur 55 C Ta Utomhustemperatur 5 C Tabell 18: Simulerade värmeförluster för dubbelrör av dimensionerna DN 2*80 och DN 2*25 med vakuumisolering. Procentvärdet i sista kolumnen jämför förlusterna från rör med vakuumisolering mot referensrör med bara polyuretan. K 1m W/(m K) K 2m W/(m K) K 12 W/(m K) Q out W/m p Qout % DN 2*80/250 only PUR 0,182 0,184 0,078 23,76 0 1cm VIP 0,129 0,189 0,057 19,77-17 DN 2*80/280 only PUR 0,138 0,139 0,078 17,99 0 2cm VIP 0,089 0,144 0,046 14,32-20 DN 2*25/140 only PUR 0,102 0,102 0,049 13,26 0 1cm VIP 0,068 0,107 0,032 10, ,5cm VIP 0,061 0,107 0,028 10, Inverkan av längsgående köldbryggor Den effektiva konduktiviteten för vakuumisoleringen är en sammanvägning av värmeledningen genom mitten av panelen, genom köldbryggorna på kanten, genom köldbryggorna i skarven längs panelen och genom distanserna med omgivande polyuretan mellan panelerna. För en panel i den mer komplicerade geometri som ett dubbelrör medför blir det viktigt att undersöka inverkan av köldbryggorna. Särskilt de 51