VÄRMEPUMPAR I PRAKTIKEN. - Termodynamik i samverkan med byggnaders installationer

Full text

(1)

Per Fahlén

Chalmers tekniska högskola

VÄRMEPUMPAR I PRAKTIKEN - Termodynamik i samverkan med

byggnaders installationer

(2)

VÄRMEPUMPAR

– LITE GOTT OCH BLANDAT

T1

T2

Q1 Q2

W T1

T2

Q1 Q2

W

Behov och tillämpningar

Ekonomi

Termodynamik

Praktikfall 1: Ombyggnad av kontorshus

Praktikfall 2: Ombyggnad av småhus

Framtiden?

(3)

INTE BARA TEKNIK

Hur passar värmepumpen i samhället?

- Termodynamik: teori, ingenjörskonst, politisk/fiskal

Teknik måste ge svar på relevanta frågor!

- Vilka behov ska täckas?

- Fördelar mot alternativ?

- Funktion primär, teknisk lösning sekundär

Brukare, fastighetsägare, energiföretag, samhälle - Ekonomi, tillgänglighet, bekymmersfrihet, valfrihet,

miljöfrågor

Behov 1

(4)

GRUNDLÄGGANDE BEHOV

Mat: Livsmedelskyla (1900-talet) Jättestort!

- 30-40 % av hushållens energiförbrukning ligger på mat - Omsättning kylda livsmedel: 100⋅109 kr i Sverige,

1000⋅109 kr i Europa, 10 000⋅109 kr globalt.

Komfort: Luftkonditionering (1940-talet) Stort!

- > 20⋅106 RAC per år i världen

Energibesparing: Värmepumpar (1970-talet) Litet!

- Ca. 60⋅103 värmepumpar per år i Sverige

- Ca. 1⋅106 värmepumpar totalt installerade i Sverige

Kelvin 1852 (förutseende!):

”On the economy of heating and cooling buildings”

Behov 2

(5)

TILLÄMPNINGAR

Industriella värmepumpar och kommersiell kyla - Bortkylning av överskott, utnyttjande av spillvärme - Processer: livsmedel (whisky!), petrokemi (”pinch”),

torkning, temperaturhöjning (värmetransformator), processånga, kryoteknik (gaser, gastransport),

frysning av mark)

- Lagring: Livsmedel, övrig klimatstyrd förvaring

Klimatisering av byggnader m.m.

- Rum: värmning (minskar), kylning (ökar) - Ventilationsluft: värmning, kylning,

- Värmeåtervinning: ventilation, avlopp - Tappvatten: värmning

- Kyl och frys, torktumlare, torkskåp

Behov 3

(6)

ENERGI I BYGGNADER

Utvinning Förädling Transport

El-kraft Kraftvärme Värme Kyla

Användare

BEHOV Netto energi Köpt energi

Brutto (använd) energi

Varmvatten Värmesystem Kylsystem

Hushåll, apparater, verksamhet, fastighet el.

Behov = min. användning

Användning = behov + onödigt

Netto = användning - återvunnet

Brutto = netto + förluster

Köpt = brutto - “gratis energi”

“Gratisenergi”

Behov 4

Skilj på behov, användning, tillförd och köpt energi!

Statistiken redovisar bara köpt energi; 14 TWh saknas för vp

(7)

BYGGNADERS

ENERGIANVÄNDNING

Driftel exkl el för värmning 0

100 150 200 250 300 350

0 50 100 150

kWh/år m² kWh/år

1974

1981

1994 Samtliga

FLER- Samtliga

1970

1970

LOKALER

1994

50 Kontorshus 80-talet

BOSTADSHUS

0 20 40 60 80

1970 1980 1990 2000

År TWH/år

50 30 10 70

Elenergi uppvärm Hushålls Driftel

Direktel

Värme minskar

Kyla ökar

El ökar

180 kWh/m2/år

Nya målsättningar 125 kWh/m2 /år

Goda exempel 2000-talet

Behov 5

(8)

MÖJLIGHETER ATT MINSKA DEN KÖPTA ENERGIN

Minska behovet

- beteende (apparater, belysning, varmvatten, rumstemperatur, vädring …)

- byggnad (fönster, isolering)

- installationer (värme, ventilation, belysning, vitvaror …)

Byt tillförselsystem (något med ”gratisvärme”) - egen ved

- solvärme (direkt)

- solvärme (indirekt, t.ex. lagrad i mark)

Vad har marken att erbjuda? Svar kommer senare!

Behov 6

(9)

IVA’s Energiframsyn

Halvering av dagens energianvändning till år 2050

Halvering av köpt energi är lätt redan idag!

Potential för energieffektivisering i småhus (IVA)

0 5 10 15 20 25 30

0 10 20 30 40 50 60

År

Energibehov [MWh/år] Apparater

Belysning Ventilation Varmvatten Rumsvärme

Rumsvärme Varmvatten Ventilation Belysning Apparater

Behov 7

(10)

KONKURRERANDE ALTERNATIV

Investering Värmefaktor eller pris?

Typ av

lösning?

Kostnad för alternativ till värmepump?

Dimensionering? Jämför skiftet 1985!

Ekonomi 1

0,00 0,50 1,00 1,50

0,00 0,50 1,00 1,50

El-pris (kr/kWh)

Alternativ energikostnad (kr/kWh)

El-värme billigast

Alternativ energi billigast

COP = 2

COP = 5 Kapitalkostnad

= 0,50 kr/kWh

När lönar sig värmepump?

COP = 3 COP = 4

(11)

DIMENSIONERING

Pdim

Qvpa Qtva

8760

Effekt, P [kW]

Tid [h/år]

Utnyttjningstid

] [

] ] [

[

dim kW Q

kWh h Q

&

τ =

Värmepump

Värmekostnad = Investering • annuitetsfaktor + rörlig kostnad

Tillsatsvärme p.s.s.

OBS! Både effekt och temperatur kan begränsa täckningsgraden

] /

[ )

1 (

, kr kWh

SPF a K

a Inv x

K vpa el vpa

vpa

vpa vpa vpa

vpa +

+

= τ

Inv = inv. kostnad [kr/kW]

x = andel underhåll av inv.

τ = utnyttjningstid [h]

Ekonomi 2

(12)

OPTIMAL EKONOMISK DIMENSIONERING

] /

[

1 K kr kWh

Q K Q

Q

K Q tva

vpa tot vpa

tot vpa

tot

+

Total kostnad =

VP sparar bara vid drift!

Kostnad för VP, värmekälla och värmesänka ökar med storlek

Övereffekt Ö låg utnyttjningstid

Tumregel: 50 % effekt Ö 80-90

% energitäckning

Kapacitetsreglering ger alternativ till TVA

Effekttaxa kan premiera täckningsgrad

Effekttäckningsgrad [kW/kWdim]

Värmekostnad [kr/kWh]

Ktva Ktot

Kvpa

0 0,5 1,0

Ekonomi 3

(13)

TEKNIKDRIVANDE FAKTORER

Många lösningar är möjliga, få blir verkliga

Ekonomi

-

Pris på el/värme,

-

Energi/effekt

Miljö (ökande krav)

-

Inomhusmiljö

-

Utomhusmiljö (lokal/global)

Normer

-

Byggnormer, energideklaration, …

Samhällsförändringar

-

Teknik inom andra områden (jämför IT, 3G, …)

Val av energisystem

Yttre miljö

Bekvämlighet Ekonomi

Driftsäkerhet

Inre miljö

Information, övervakning, mätning

Ekonomi 4

(14)

VÄRMEPUMPAR OCH

TERMODYNAMIKENS 2:a HUVUDSATS

Värmekraftprocess

- Värme kan inte helt omvandlas till arbete (det blir alltid

spillvärme)

Värmepumpsprocess

- Värme kan inte gå från låg till hög temperatur utan tillsats av arbete

1 2 1

2 1 1

2 1

1

1 T

T T

T T Q

Q Q

Q W

T =

=

=

η = 1 2

1 1 1

T T

T W

COPC Q

=

=

2 1

2 2 2

T T

T W

COP C Q

=

=

T1

T2

Q1 Q2

W

T1

T2

Q1 Q2

W

Teori 1

(15)

TEMPERATUR ↔ VERKNINGSGRAD

COP = Coefficient Of Performance = värme/arbete

Termisk verkningsgrad

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

10 100 1000 10000

Temperatur t1 [°C]

Verkningsgrad [-]

t2 = 0 °C t2 = 20 °C t2 = 50 °C t2 = 100 °C t2 = 150 °C

VärmekraftprocessVärmepumpsprocess

1 2 1

2

1 1

T T T

T T

T = =

η 2

2 1

2 2

1

1 1 1 1 COP

T T

T T

T

COP T = +

+

=

=

Teoretiska värme- och köldfaktorer

0 5 10 15 20

20 30 40 50 60

Temperatur t1 [°C]

COP1 och COP2 [-]

COP1: t2 = -10 °C COP1: t2= 0 °C COP1: t2 = 10 °C COP2: t2 = -10 °C COP2: t2 = 10 °C COP2: t2 = 0 °C

-10 °C 0 °C

10 °C

Teori 2

(16)

VÄRMEFAKTORNS TEMPERATURBEROENDE

2 1

1 1 1

T T

T W

COPC Q

=

=

f p e vp

e

vpa

vpa W W

COP Q

+ +

=

, ,

1

Värmefaktor COP (Coefficient Of Performance)

Värmefaktor som funktion av temperaturlyft

0 2 4 6 8

30 40 50 60 70 80

Temperaturlyft T1-T2 (K)

COP

0,65/35 0,55/35 0,65/80 0,55/80 0,80/80

Småhusvp

Fjärrvärmevp Japans "super heat pump"

el Tillförd

värme Avgiven

COP1 = Teori 3

Bergvärmepump med golvvärme

(17)

EXEMPEL

COPC1 = T1/(T1 - T2) - t1 = 20 °C, t2 = 0 °C

⇒ COP1C = 14,7

- t1 = 50 °C, t2 = -10 °C

⇒ COP1C = 5,4

COP1vp = Q1/Wem

ηC1 = COP1vp/ COP1C Komponenter

⇒ ηC1 = 0,5 till 0,8

⇒ COP1vp = 2,7 till 4,3

T1

T2

"pumphöjd"

tvbut

tkbin

tkbut tvbin

Q1

Q2 Wem trum = 20 °C

tkälla = 0 °C

Teori 4

(18)

TEMPERATURNIVÅ OCH HJÄLPEFFEKTER

Inverkan på COP

-

Temperaturnivåer och drivenergier:

Exempel med återladdning

-

ΔTkb = +4 K borde ge ΔCOP/COP ≈ +10 %

-

Men ΔTvb >+4 K, Δwe,p/we,vp = -9-10-24 ≈ -43 %

-

Total minskning 40 - 60 %!

Δ

= Δ

Δ Δ =

vp e

p vb e

kb vp

e vp e

W W T

T T T

T T

T T W

W COP

COP

, , 2

1 1

2 2

, 1 , 1

1

&

&

&

&

Teori 5

(19)

NYCKELFAKTORER FÖR EFFEKTIVITET

Temperaturnivåer (COP ändrar sig med 2-3 % per °C!)

Värmeväxlare (temperaturdifferenser, tryckfall, materialval, trycknivå)

Kompressor (rätt typ för tillämpningen, dimensionering, lastanpassning - kapacitetsreglering)

Pumpar och fläktar (verkningsgrader,

drifttider, kapacitetsreglering)

Köldmedium (effektivitet,

långsiktigt acceptabelt, kostnad, säkerhet)

Köldbärare (effektivitet, korrosivitet, stabilitet, kostnad, säkerhet, miljö)

2 , 2

1 , 1

,

1 , 1

,

p e vpa

p p

e vpa

p m

e

p e vpa

p vpa

medel vpa

R W W R

R W R

R W Q R

COP

&

&

&

&

&

+

+

+

= Teori 5

Temperaturnivåer (COP ändrar sig med 2-3 % per °C!)

Värmeväxlare (temperaturdifferenser, tryckfall, materialval, trycknivå)

Kompressor (rätt typ för tillämpningen, dimensionering, lastanpassning - kapacitetsreglering)

Pumpar och fläktar (verkningsgrader,

drifttider, kapacitetsreglering)

Köldmedium (effektivitet,

långsiktigt acceptabelt, kostnad, säkerhet)

Köldbärare (effektivitet, korrosivitet, stabilitet, kostnad, säkerhet, miljö)

(20)

MARKVÄRME MED VÄRMEPUMP - Värme, kyla (frikyla) och lagring i berg

Värmekälla

Värmesänka

Värmelager

Värmestrålning Solstrålning

Nederbörd

Borrhål Borrhål Borrhål Borrhål

Värmeled- ning i berg Grundvatten- flöde i berg

Geotermiskt värmeflöde

10 - 20 m verkas av

årstidsxlingar

Neutral zon

Temperatur stabil i tiden Ökar med ökande djup

Praktik 1

(21)

BERGVÄRMESYSTEM

Fördelar

Relativt god tillgänglighet; liten plats

Väl skyddad, lång livslängd

Relativt hög och jämn temperatur

Fungerar som lager (inträngningsdjup:

δ0 = 0,2 m för variationer över dygn δ0 = 4 m över år;

H = 100 m ger 1255 m3!)

Möjlighet till frikyla, FTX

Nackdelar

Kostnad (ca 250 kr/m) Anmälan/tillstånd

δ0 2

δ0

2 (1 år: 4 m) (1 dygn: 0,2 m)

Berg (dygn)

Berg (år) Borrhål Köldbärare

Egenskaper för enskilda borrhål

Dynamisk ekvivalent Praktik 2

(22)

KONTORSHUS:

TILLÄMPNING MED FRIKYLA

Rätt förhållande mellan värme- och kylbehov ger stor andel frikyla

Rektangulära borrhålssystem

Astronomihuset i Lund:

< 28 kWh/m2/år;

< 10 W/m2!

1/10 av normalt!

Värmepump som

spets för kyla/värme?

Varaktighetsdiagram för el-effektbehov

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

τ [h]

El [W/m2]

8760 h Värmepump, We/A

19,6 kWh/m2 BTA per år

Varaktighetsdiagram för kyl- och värmeeffekt

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

τ [h]

Effekt [W/m2]

8760 h Värmepump, Q1/A

89 kWh/m2 BTA per år Värmepump kyla/värme

Frikyla, Qberg/A 25 kWh/m2 BTA per år Tillsatsvärme, Qtva/A

8 kWh/m2 BTA per å

Värmepumpskyla, Q2/A 2 kWh/m2 BTA per år

Praktik 3

(23)

SMÅHUS: FÖRUTSÄTTNINGAR

Borås (Nutek/STEM referens) - Klimatzon 4, tår = +5,8 °C

Byggnad: 1977, fristående - BRA = 140 + 10 m2

- torpargrund

- isolering 12 cm (U ≈ 0,35 W/m2/K), - fönster 2-glas (U ≈ 2 W/m2/K)

Installationer:

- F-ventilation, 165 m3/h (0,5 oms/h) - Direktel , 10,3 kW

- El-beredare, 300 liter, 1,5/3 kW

Totalt köpt energi:

25 MWh/år, 167 kWh/m2/år

Elprisets utveckling

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

Pris [SEK/kWh]

Moms Energiskatt Fast kostnad Energipris

Praktik 4

(24)

VINNARKONCEPT

Fast pris 39 000 SEK - värmepump ca. 4 kW - borrhål 60 m

- fläktkonvektor ca. 4 kW

Tillägg 3 000 SEK - större fläktkonvektor - en radiator

Förväntad besparing

- 9000 kWh/år (uppvärmning)

Utvärdering + förberedelse av framtida modifieringar

Praktik 5

(25)

BERÄKNAD SPF FÖR VINNARKONCEPTET

+ TÄNKBARA FÖRBÄTTRINGAR

1. Tävlingsförslag 2. Återladdning 3. Pumpdrift

4. Lastanpassning (ackumulator) 5. Lågtemperatur-

system

Värmefaktor för olika konverteringsalternativ

0 1 2 3 4 5 6

-15 -10 -5 0 5 10 15

tute [°C]

COPvpa [-]

V: IV plus lågtemperatursystem (40/30) IV: III plus lastanpassning

III = II plus effektiv pumpdrift II = I plus återladdning I = enligt värmepumpstävling

Värmekällan (återladdning) Distribution (effektiva pumpar)

Last- anpassning Lågtemperatursystem 40/30

Praktik 6

(26)

OMBYGGNAD 1: ”VINNARKONCEPTET”

Enkel värmepump (”kylskåpsmodul”

0,6x0,6x0,6 m)

Enkel styrning

(utetemperaturbaserad

”kurvstyrning”)

Enkelt värmesystem (fläktkonvektor +

bibehållna el-radiatorer)

Bibehållen el-beredare

Värme- pump Styrenhet

twi Borrhål

P1

Fläkt- konvektor L

Praktik 7

(27)

OMBYGGNAD 1: RESULTAT

Besparing ca. 9000 kWh på uppvärmning

Visthusgatan 6: Veckomedelvärden 1996

-10 0 10 20 30 40 50

0 2 4 6 8 10 12

Månad [nr]

Temperatur [°C]

Tvb,ut Tluft,ut Tluft,in Tkb,in Tute

Praktik 8

(28)

Återladdning:

- frånluftsbatteri TILL - tilluftsbatteri FRÅN

Komfortkyla

- frånluftsbatteri FRÅN - tilluftsbatteri TILL

Värmeåtervinning - frånluftsbatteri TILL - tilluftsbatteri TILL

Värmepump

Borrhål

Frånluftsbatteri Tilluftsbatteri tkbFut

V.

kbF

tkbut V.

kb

tkbin

tberg tkbFin

OMBYGGNAD 2: ÅTERLADDNING Värme – kyla - ventilation

Praktik 9

(29)

OMBYGGNAD 2: RESULTAT

Köldbärartempera- turen ökar

Men värmefaktorn minskar!

Varför?

Köldbärartemperatur med och utan återladdning

-5 0 5 10

-10 -5 0 5 10 15

Utetemperatur [°C]

Temperatur [°C]

Tkbin 00/01 Tkbut 00/01 Tkbin 96 Veckomedelvärden

Med återladdning

Utan återladdning

Värmefaktor

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

COP [-]

COPvp COPvpa COPvpa*

COPvpaf COPvp-96

Veckomedelvärden år 2000

COPvpaf

COPvpa

COPvp

COPvp-96

Praktik 10

(30)

OMBYGNAD 2: RESULTAT

Funktion

Driv- effekt

Drifttid Driv- energi

Parasit- kvot [W] timmar [h] relativ [-] [kWh] [-]

Kompressor 1055 2995 0.34 3159 1.00

Köldbärarpump 96 2995 0.34 288 0.09

Värmebärarpump 48 6595 0.75 317 0.10

Fläktkonvektor 61 6595 0.75 402 0.13

Återladdningspump 37 5498 0.63 203 0.06

Parasitsumma 242 1210 0.38

Total summa 1297 4369

Parasitkvot: 0.5 → 0.38 → 0.08 (”state-of-the-art”)

Praktik 11

(31)

OMBYGGNAD 3+4:

STYRNING OCH LASTANPASSNING

”Varför enkelt när man kan göra det så vackert komplicerat?”

1 Värmepump 2 Återladdning 3 Pumpdrift 4.1 Specialtank 4.2 Styrsystem

Värme- pump

VV

KV

Styrenhet

Värme- del

VV- del

tvbin

rmesystem

Borrhål

ttank2

trum

VVX1

P1

P3

P2 ttank1

Praktik 12

(32)

OMBYGGNAD 3+4: RESULTAT

Praktik 13

Ökad besparing: SPF = 2,7 → SPF = 3,7 (varmvatten + lägre värmesystemtemperatur)

Längre drifttider, färre starter (tillförlitlighet)

Bättre reglerbarhet

Årlig elanvändning: Visthusgatan 6

0 5 10 15 20 25 30

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Elanvändning [MWh]

Hushållsel Varmvatten Uppvärmning Värmepump installerad våren 1996

(bara för värme, inte för

Återladdning våren 2000

Ackumulatortank hösten 2004

Komplettering radiatorer våren 2006

IVAs Energiframsyn

(33)

SAMMANFATTNING

Naturen ställer upp som värmekälla och lager - Kraftigt minskat behov av köpt energi

Besparing: 25 MWh/år → 9-10 MWh /år - 4,5 MWh/år för värme och varmvatten - 167 kWh/m2/år → 63 kWh/m2/år

Typiskt 70-tals direktelvärmt småhus med lägre

specifik energianvändning än moderna ”passivhus”

Bättre styrning av inomhusklimatet än i ”passivhus”

Ekonomi: Rak pay-off 5 år, nuvärde 260 000 SEK

- Investering ca. 80 000 SEK, besparing ca. 16 000 SEK/år

(34)

FRAMTIDEN

- FÖR 15 ÅR SEDAN (1996-2005)

Komponenter (villavp 2-25 kW värme)

- Kolv/rotationskolv/Scrollkompressor: effektivare, nya köldmedier - Vidareutveckling av frekvensstyrning, elektronisk expansionsventil - Plattvärmeväxlare, nya ytstrukturer, ”bilkylare” (luftvärmeväxlare)

System

- Köldmedier (akut, nya och/eller naturliga?) - Billig, indirekt bergvärme (direktel-hus)

- Fjärrvärme/fjärrkyla

Prestanda

- Villavärmevp: ηC1 = 0,50-0,65; SPF = 3-4 (mark), 2-3 (uteluft), 3-4 (frånluft) - Fjärrvärmevp: ηC1 = 0,65-0,70; SPF = 2,5-3,5 (avloppsvatten), 4-6

(fjärrvärme + fjärrkyla)

p1

p2 Tryck, log p

[bar]

Specifik entalpi, h [kJ/kg]

Fuktigt område (ånga och vätska)

Kritisk punkt

Kondensering

Förångning

Traditionell värmepumpsprocess

3 3' 2'

1 2

1' 4

40

900

800 1000

700

600 1100

20

10

5

Gas Vätska

t = 100 °C t = 50 °C t = 0 °C

Fluid (skillnad mellan vätska och gas försvinner)

t = 100 °C t = 0 °Ct = 50 °C

Framtid 1

(35)

NUTID OCH FRAMTID

- PÅ KORT SIKT (2005-2015)

Tillämpningar: En- och flerbostadshus, lokaler

Komponenter

- Kompressorer: effektivare, naturliga köldmedier, oljor, livslängd - Styr- och regler: frekvensstyrning, elektronisk expansionsventil - Motorer: effektiva för kompressorer, pumpar, fläktar

- Värmeväxlare: ”bilkylare” (luft, laminärströmning)

System

- Integrerade system:”kallfjärrvärme”, flytta värme i tid och rum - Konvertering: direktel-hus, flerbostadshus

- Täckningsgrad: ökar, värmepump som tillsats?

- Tappvatten och ventilation: relativ ökning, systemlösningar, CO2 - Optimering: drift och dimensionering (”parasiteffekter”)

Prestanda: η = 0,6-0,7; η = 0,7-0,8 (>1 MW); SPF = > 4 Framtid 2

(36)

FRAMTIDEN - PÅ LÅNG SIKT (2050)

Komponenter

- Högeffektiva el-motorer, linjärmotorer

- Effektiva och billiga frekvensstyrningar och elektroniska expansionsventiler

- Högeffektiva luftvärmeväxlare (inklusive avfrostningsteknik)

System

- Ny försörjningsteknik: Förgasning, transmutation, ...

- Alternativa värmepumpsprocesser: Rankine-1, Brayton-1, Stirling-1, Carré-1, magnetisk, termoelektrisk, …

- Integrerade system: ”Trigeneration, ”energikombinat”,

- Självoptimerande styrsystem med diagnostik

Prestanda: ηC1 > 0,8; ηt > 0,7. Tekniksprång?

Framtid 3

Figur

Updating...

Referenser

Updating...

Relaterade ämnen :