En serie med faktahefter fra Norsk Teknologi Hefte nr 12

Transkript

1 Større varmepumpeanlegg i Norge En serie med faktahefter fra Norsk Teknologi Hefte nr 12

2 Forord Interessen for varmepumpeanlegg brer om seg i Norge. Dette skyldes i første rekke at varmepumper er et miljøvennlig alternativ og sparer store mengder energi i forhold til bruk av olje, gass, biobrensler og elektrisitet til oppvarmingsformål. I perioden ble det installert ca varmepumper i Norge. Anleggene har en estimert årlig varmeleveranse og energisparing på henholdsvis 8 og 5 TWh/år. Varmepumper kan levere varme og kjøling til alle typer bygninger, samt fjernvarme- og fjernkjølesystemer. De kan også inngå i energikrevende industriprosesser. Norsk Teknologi produserte i 2009 et faktahefte om mindre varmepumpeløsninger som ble godt mottatt. Det har imidlertid kommet ønske fra flere hold om et faktahefte som omhandler også større varmepumpeanlegg. Vi har tatt konsekvensen av dette og formålet med dette faktaheftet fra Norsk Teknologi er nettopp å vise eksempler på større varmepumpesystemer i Norge som er realisert med gode resultater. Det er vår intensjon at heftet og erfaringene med de gode eksemplene skal vekke og inspirere til implementering av mange slike gode eksempler her i landet. Primærmålgruppen for faktaheftet er eiere og brukere av bygg og anlegg, både offentlige og private, rådgivende ingeniører samt sentrale og kommunale myndigheter. Dette faktaheftet om større varmepumpeanlegg er det tolvte i serien av faktahefter produsert av Norsk Teknologi. Oslo, april 2010 Jostein Skree Adm. direktør Norsk Teknologi Bidragsytere; Geir Eggen, Cowi AS, Trondheim Jørn Stene, Cowi AS, Trondheim 2 Faktahefte nr 12

3 Innhold Forord 2 Innhold 3 Formål med heftet 4 Varmepumpens virkemåte 5 Praktiske eksempler: 7 Oslo Lufthavn Gardermoen 7 Universitetet i Bergen 9 Nortura Rudshøgda 11 Marienlyst kunstisbane 12 Norsk Hydro Vækerø 14 Avantor 16 Radisson SAS Royal Garden 18 Faktahefte nr 12 3

4 Formål Formål med faktaheftet Formålet med dette faktaheftet fra Norsk Teknologi er å vise eksempler på større varmepumpesystemer i Norge som er realisert med godt resultat. Varmepumper kan levere varme og kjøling til alle typer bygninger, samt fjernvarme- og fjernkjølesystemer. De kan også inngå i energikrevende industriprosesser. Ved at varmepumper utnytter eksterne, fritt tilgjengelige varmekilder (fornybar varme), reduseres behovet for energi til oppvarming med 50 til 80 % i forhold til systemer basert på elektrisitet, olje og gass. I tillegg kan varmepumper med sjøvann, grunnvann eller fjell som varmekilde benytte varmekilden til å dekke hele eller deler av et eventuelt kjølebehov (fornybar kjøling). I perioden ble det installert ca varmepumper i Norge. Anleggene har en estimert årlig varmeleveranse og energisparing på henholdsvis 8 og 5 TWh/år. Mulighetene for økt bruk av varmepumper i Norge er store. I 2007 beregnet Vista Analyse AS potensialet for framtidig varmeleveranse fra norske varmepumper til å være i størrelsesorden 16 til 22 TWh/år. Hvis dette realiseres vil det gi en årlig energi sparing på nærmere 6 til 8 TWh/år. Varmepumper som utnytter fornybar varme fra luft, vann, fjell og jord inngår i EUs direktiv på fornybar energi (RES Directive). Varmepumper framstår dessuten som en viktig teknologi for å nå målsettingen i EUs Bygningsenergidirektiv (Directive on Energy Performance of Buildings) om økt energieffektivitet og reduserte klimagassutslipp ved oppvarming og kjøling av bygninger. Det internasjonale energibyrået (IEA) har estimert at varmepumper kan bidra med å redusere verdens totale CO2-utslipp med inntil 8 %. 4 Faktahefte nr 12

5 Varmepumpens virkemåte Figur 1 Varmepumpens prinsipp med varmeopptak fra en fritt tilgjengelig ekstern varmekilde, tilførsel av elektrisitet for drift av anlegget, samt varme- og eventuelt kjøleleveranse. Varmepumpens virkemåte Prinsipp En varmepumpe er en maskin som transporterer varme ved moderat temperatur fra en ekstern, fritt tilgjengelig varmekilde og leverer varme ved høyere temperatur til en varmeforbruker ved tilførsel av elektrisitet. En varmepumpe kan også benyttes til kjøling, enten ved å benytte varmekilden direkte til frikjøling eller ved å drifte varmepumpen som en kjølemaskin. Bruksområder Varmepumper kan brukes til romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft, oppvarming av varmt forbruksvann, samt kjøling i boligbygg og nærings-/industribygg. Videre kan de brukes i fjernvarme- og fjernkjølesystemer, samt inngå i energikrevende industrielle prosesser. Kapasiteten for de ulike anleggene varierer fra et par kw til mange titalls MW. Varmekilder for varmepumper i boliger er først og fremst uteluft, fjell (berg), jord og ventilasjonsluft, mens sjøvann, grunnvann, fjell, gråvann og kloakk er mest brukt i større bygninger, samt fjernvarme- og fjernkjøleanlegg. Temperaturen på disse varmekildene er for lav til at de kan utnyttes direkte til oppvarmingsformål. Varmepumpeprosessen En varmepumpe består i sin enkleste utførelse av fire hovedkomponenter fordamper, kompressor med elektromotor, kondensator og strupeventil. Komponentene er koblet sammen med et lukket rørsystem hvor det sirkulerer et arbeidsmedium (kuldemedium). Arbeidsmediet transporterer varme fra varmekilden til varmeforbruker ved at det gjennomgår ulike tilstandsendringer. Figur 2 på neste side viser en skisse av en varmepumpe som avkjøler sjøvann fra 6 til 3 ºC (varmekilde) og varmer vann fra 40 til 50 ºC (varmeforbruker). Arbeidsmediet i et varmepumpeanlegg har den egenskapen at temperaturen ved koking og kondensasjon endrer seg med trykket. Jo lavere trykk, desto lavere kokepunkts- og duggpunktstemperatur og omvendt. I en varmepumpe koker arbeidsmediet ved relativt lavt trykk når mediet tilføres varme og kondenserer ved et høyere trykk når mediet avgir varme. Arbeidsmediet i et varmepumpeanlegg har alltid overtrykk, dvs. at trykket er høyere enn atmosfæretrykk. Fordamperen er en varmeveksler som overfører varme fra varmekilden til arbeidsmediet. Ved fordamperinnløpet er arbeidsmediet en væske/gass-blanding, og trykket holdes så lavt at mediets kokepunktstemperatur (fordampningstemperatur) er lavere enn varmekildens temperatur. Temperaturforskjellen fører til at det strømmer varme fra varmekilden til arbeidsmediet, som begynner å koke. Kokingen av arbeidsmediet foregår med tilnærmet konstant trykk og temperatur. Ved utløpet av for damperen har all væske fordampet og gått over til gass. Varmemengden som er overført fra varmekilden har økt energiinnholdet i arbeids mediet. Kompressoren er van ligvis drevet av en elektrisk motor. Den suger gass fra fordamperen, som komprimeres til høyere trykk og dermed høyere temperatur. Tilført mekanisk energi til kompressoren øker energiinnholdet i arbeidsmediet. Så lenge kompressoren er i drift og suger gass fra fordamperen, bidrar den til å holde trykket i fordamperen lavt nok til at arbeidsmediet holder en lavere temperatur enn varmekilden. Kondensatoren er en varmeveksler som overfører varme fra arbeidsmediet til varmeforbruker. Den varme høytrykksgassen fra kompressoren strømmer over i kondensatoren. Fordi arbeidsmediet holder en høyere temperatur enn det mediet som skal varmes opp, for eksempel vann i et gulvvarme- eller radiatorsystem, over- Faktahefte nr 12 5

6 Varmepumpens virkemåte føres varme til vannet. Under varme avgivelsen avkjøles gassen til duggpunktet før den begynner å kondensere ved tilnærmet konstant temperatur (kondenseringstemperatur) og trykk. Ved utløpet av kondensa toren har all gassen kondensert til væske. Varmemengden som er overført til varmeforbruker har redusert energiinnholdet i arbeids mediet. Strupeventilen senker trykket og dermed temperaturen på arbeidsmediet mellom kondensatoren og fordamperen, og fører like mye medium tilbake til fordamperen som det som til enhver tid fordamper. Energiinnholdet i arbeidsmediet før og etter strupeventilen er det samme. Arbeidsmedier i varmepumpeanlegg vurderes blant annet ut i fra miljø- og sikkerhetsegenskaper, maksimalt trykk/ temperatur ved varmeavgivelse, volumetrisk varmeytelse (påvirker nødvendig kompressorvolum), samt egenskaper som innvirker på anleggets energieffektivitet. Arbeidsmedier i varmepumper deles i to hovedgrupper, syntetiske og naturlige. Syntetiske arbeidsmedier er halogenerte hydrokarboner, HFK (HydrogenFluorKarboner). Ved utslipp har HFK-mediene 1300 til 2000 ganger høyere påvirkning på drivhuseffekten enn CO2. Det er derfor svært viktig å unngå lekkasjer under påfylling, drift, service/vedlikehold og avhending, jfr. EUs F-gassdirektiv og Norsk kulde- og varmepumpenorm. De mest brukte HFK-mediene i varmepumper er R407C, R410A og R134a. Naturlige arbeidsmedier fins naturlig i jordas biosfære, og har ingen negativ innvirkning på det globale miljøet ved evt. utslipp. De viktigste mediene er ammoniakk (NH3, R717), hydrokarboner, f.eks. propan (C3H8, R290) og karbondioksid (CO2, R744). Ammoniakk er giftig og moderat brennbar, hydrokarboner er brennbare mens CO2 gir høyere anleggstrykk ( bar) enn konvensjonelle arbeidsmedier. Disse egenskapene må det derfor tas hensyn til ved dimensjonering, utforming og drift av anleggene. Energisparing Varmepumper utnytter fornybar varme i form av eksterne, fritt tilgjengelige varmekilder. Behovet for levert energi til oppvarming reduseres dermed med typisk 50 til 80 % i forhold til systemer basert på elektrisitet, olje og gass. I tillegg kan varmepumper med sjøvann, grunnvann eller fjell (berg) som varmekilde utnytte varmekilden til å dekke hele eller deler av kjølebehovet (frikjøling, fornybar kjøling). Effektfaktoren (COP) for et varmepumpeaggregat angir energieffektiviteten ved en gitt driftstilstand (momentanverdi). Effektfaktoren beregnes som forholdet mellom avgitt varmeeffekt fra aggregatet og tilført elektrisk effekt til kompressorene og eventuelle vifter og pumper integrert i aggregatet. Varmepumper for bygningsoppvarming oppnår vanligvis en effektfaktor på mellom 2 og 5, og dette tilsvarer en energisparing i forhold til elektrisk oppvarming på 50 til 80 %. Årsvarmefaktoren for et varmepumpesystem angir energieffektiviteten over en fyringssesong. Årsvarmefaktoren beregnes som årlig varmeleveranse fra anlegget dividert på årlig tilført energimengde per år for drift av varmepumpeaggregater, tilleggsvarmesystem (spisslast), samt eventuelle pumper og annet tilleggsutstyr. Hvis anlegget også leverer kjøling benyttes begrepet årsenergifaktor, og årlig kjøleleveranse og eventuell tilleggsenergi for å oppnå dette tas med i regnestykket. En varmepumpe inngår alltid som en del av et totalt varme- og eventuelt kjølesystem. Energisparing, driftssikkerhet og levetid avhenger av en rekke faktorer. De viktigste forholdene som virker inn er varmekildens temperatur og beskaffenhet, temperaturen over året ved varmeleveranse, komponent- og systemvalg, dimensjonering, styring/regulering, samt ettersyn og vedlikehold. For å oppnå relativt høy effektfaktor og god energisparing bør varmepumpen utnytte en varmekilde med relativt høy temperatur og levere varme ved relativt moderat temperatur. Figur 2 Skisse av en varmepumpe med hovedkomponenter. Det er vist eksempel på temperaturer for varmekilde (sjøvann) og varmeforbruker (vann), samt arbeidsmediet på ulike steder i anlegget. 6 Faktahefte nr 12

7 Figur 3 Terminalbygget ved Oslo Lufthavn Gardermoen. FOTO: OSL / KNUT BRY Oslo Lufthavn Gardermoen: Grunnvann dekker varme- og kjølebehovet Energianlegget ved Oslo Lufthavn Gardermoen ble satt i drift da flyplassen ble åpnet i Energianlegget utnytter grunnvann som varmekilde og varmesluk, og dekker varme- og kjølebehov til i første rekke terminalbygningen, figur 3. Videre dekkes varmebehov til snøsmelting av flyoppstillingsplasser, samt kjølebehov til hoteller på terminalområdet. Den nye hovedflyplassen på Gardermoen er grunnlagt på Norges største grunnvannsforekomst, og under planleggingen var det et mål å utnytte naturen i størst mulig grad til kjøling og oppvarming. Det ble derfor valgt å bygge en grunnvannsbasert varmepumpe for oppvarming og kjøling. Varmepumpen er dimensjonert for å dekke kjølebehovet om sommeren. I vinterhalvåret skal varmepumpeanlegget brukes til oppvarming. Varmepumpen dekker imidlertid bare en liten del av varmebehovet på flyplassen, og tilsatsvarmebehovet dekkes i stor grad av fjernvarme med biobrensel som primær energikilde. For å ta spisslast i ekstreme kuldeperioder er det også bygget en kjelsentral med elektro- og oljekjeler. Figur 4 viser et forenklet flytskjema for varmepumpeanlegget. Det er bygget 9 varme og 9 kalde grunnvannsbrønner, det vil si til sammen 18 brønner. Om sommeren skal energianlegget dekke kjølebehov, og da pumpes relativt kaldt grunnvann av 4-5 ºC fra de kalde brønnene. Grunnvannet brukes først til Figur 4 Prinsippskjema av varmepumpe for oppvarming og kjøling ved Oslo Lufthavn Gardermoen. Faktahefte nr 12 7

8 frikjøling ved å senke returtemperaturen i fjernkjølenettet så mye som mulig. Resten av kjølebehovet til ønsket turtemperatur dekkes av varmepumpen, som avgir kondensatorvarmen til grunnvannet før det pumpes til de varme brønnene. Om vinteren benyttes energianlegget til oppvarming. Grunnvann av ca 20 ºC pumpes da fra de varme brønnene, og brukes som lavtemperatur varmekilde for varmepumpen før det returneres til de kalde brønnene. Grunnvannsforekomsten på Gardermoen skyldes såkalte glaciofluviale avsetninger fra istiden. Da isen smeltet var det dannet svære gryter med leire i bunnen, og løsavsetninger (grus) over. Det er grunnvannet i disse løsavsetningene som vi utnytter til kjøling og oppvarming. Dette grunnvannsmagasinet brukes som et termisk energilager ved at den varmen som tilføres lageret under kjøledrift om sommeren er den samme varmen som hentes ut fra lageret ved varmepumpedrift om vinteren. Det tilføres ikke noe nytt grunnvann, og regnvannet som tilføres må dreneres ut av systemet. Det er derfor ikke mulig å hente mer varme fra grunnvannssystemet om vinteren enn det som tilføres om sommeren. I figur 5 er dette illustrert på effekt-varighetsdiagrammet for eksisterende terminalbygning. ENERGISPARING OG ENERGIØKONOMI Varmepumpen har en kulde- og varmeytelse på henholdsvis 6 og 8 MW. Dimensjonerende kjølebehovet for bygningene er 9 MW, og av dette dekkes 3 MW fra frikjøling fra grunnvannet, og de resterende 6 MW dekkes fra varmepumpen på kjøledrift. I de siste årene har kjøleproduksjonen vært ca 8 GWh/år, og varmeproduksjonen fra varmepumpen har vært ca 11 GWh/år. Av varmeproduksjonen er 8 GWh/år lavtemperaturvarme som er hentet fra grunnvannet, og de siste 3 GWh/år er tilført elektrisk energi til varmepumpen for å heve temperaturen på grunnvarmen. Dette tilsvarer en energisparing i overkant av 70 %. Av figur 5 fremgår at den maksimale varmeleveransen fra varmepumpen ligger på 2 MW, selv om den har varmeytelse helt oppe i 8 MW. Årsaken til dette er først og fremst at det ikke er mer lavtemperaturvarme tilgjengelig fra grunnvannet enn det som tilsvarer 2 MW varmeeffekt i gjennomsnitt gjennom fyringssesongen. Dessuten er varmepumpen et ett-trinns anlegg som maksimalt kan varme vann til 45 ºC. Til tross for disse begrensningene i varmepumpedriften har grunnvannsvarmepumpen på Gardermoen vært en lønnsom investering. Siden oppstart i 1994 har inntjeningstiden vært i gjennomsnitt 3 år, slik at energianlegget har tjent seg igjen fire ganger til nå. Figur 5 Effektdekning til kjøling (blått skravert) og oppvarming (rødt skravert) gjennom året fra det grunnvannsbaserte varmepumpeanlegget ved Oslo Lufthavn Gardermoen. VIDEREUTVIKLING AV ENERGIANLEGGET På grunn av økt flytrafikk planlegges en dobling av arealet i terminalområdet og en ny pir for å kunne ta i mot flere fly og flypassasjerer. Det skal også bygges et nytt hotell. Dette fører til at dimensjonerende effektbehov til oppvarming vil øke med ca 50 %, mens dimensjonerende kjølebehov vil bli omtrent fordoblet. For å dekke det økte kjølebehovet legges det spesielt vekt på å kunne øke kjøleeffekten fra grunnvannet. Dette skjer ved å tredoble antallet grunnvannsbrønner, og på denne måten kan frikjølingseffekten fra grunnvannet tredobles. Det legges også opp til en moderat økning i kapasiteten for varmepumpeanlegget slik at dette får økt kjølekapasitet. Videre vil Oslo lufthavn Gardermoen også utnytte drensvannet som må pumpes ut fra flyplassområdet til kjøling. Spisslasten i fjernkjølenettet i de varmeste sommermånedene er tenkt dekket med smeltevann fra et snølager. Snølageret samles opp fra snørydding om vinteren, og isoleres mot omgivelsesluften. Det oppvarmede smeltevannet dreneres tilbake over snølageret for å kunne produsere nytt kaldt smeltevann. Ved å tredoble grunnvannsmagasinet og grunnvannssirkulasjonen fram til varmepumpen, blir også lavtemperaturvarmen til varmepumpen tredoblet. Dermed blir også varmepumpens varmekapasitet tredoblet slik at varmepumpeanlegget får en vesentlig bedre utnyttelse på vinterdrift (varmepumpedrift). I tillegg er det planer om å utnytte drensvann og avkastluft som tilleggsvarmekilder til varmepumpen. Ved å bygge både ventilasjonsanlegg, snøsmelteanlegg og gulvvarmeanlegg for lavtemperatur varmeforsyning, er det et mål å senke returtemperaturen i fjernvarmenettet så mye at eksisterende varmepumpeanlegg blir i stand til å avgi vesentlig større effekt. Med disse tiltakene vil den fornybare varmeproduksjonen og kjøleproduksjonen fra energianlegget bli mer enn fordoblet. 8 Faktahefte nr 12

9 Universitetet i Bergen: Mellomtemperatur varmefordeling til lokale varmepumper I 1993 besluttet Universitetet i Bergen (UiB) å bygge et spesielt sjøvannsbasert varmepumpeanlegg til sin bygningsmasse på Nygårdshøyden. I forbindelse med bygging av nytt bygg for Juridisk Fakultet (Jussbygget), ble det satt av plass i kjelleren for et felles varmepumpeanlegg for varmeleveranse til flere bygninger. Denne primærvarmepumpen utnytter sjøvann som varmekilde, og varmer vann til ºC, som sirkuleres i en uisolert plastledning (mellomtemperaturkrets) som er tilknyttet en rekke bygninger på Nygårdshøyden. Dette forvarmede vannet brukes deretter som varmekilde for lokale varmepumper (sekundærvarmepumper) i bygningene. Figur 7 viser over kart over Nygårdshøyden i Bergen med ledningsnett og bygninger som er tilknyttet dette spesielle varmepumpeanlegget med vannvarming i to trinn. Første byggetrinn av energianlegget ble satt i drift i 1996, og besto av følgende varmepumper: 1 stk. primærvarmepumpe i Jussbygget 3 stk. sekundærvarmepumper. Disse er lokalisert til Jussbygget, Administrasjonsbygget og Christies gate 12 Tidlig i prosjektet var økonomien for varmepumpesystemet relativt dårlig, ettersom hele den planlagte mellomtemperaturkretsen var utbygd, mens under tredjeparten av sekundærvarmepumpene som skulle besørge varmesalget og inntektene var installert. Årsaken til dette var at det på denne tiden var dårlige rammebetingelser for varmepumper, og det hadde negativ påvirkning på byggherrenes interesse for denne typer kostnadskrevende investeringer. Figur 6 Jussbygget ved Universitetet i Bergen ligger like nedenfor Dragefjellet skole. I slutten av 1990-årene økte imidlertid interessen for energisparing med varmepumper kraftig både hos statlige og kommunale byggherrer. I år 2000 omfattet varmepumpesystemet åtte sekundærvarmepumper i tillegg til den ene primærvarmepumpen. Da var kapasiteten til primærvarmepumpen oppbrukt, og det ble startet prosjektering av en ny primærvarmepumpe. Da varmepumpeprosjektet på Nygårdshøyden var i startfasen i begynnelsen av 1990-årene, var planen å knytte 11 av Universitetets bygninger på Nygårdshøyden til anlegget. Planen var da å bygge åtte sekundærvarmepumper, det vil si at enkelte sekundærvarmepumper var felles for flere bygninger. 1. januar 2000 var åtte av Universitetets bygninger tilkoplet anlegget, men i ettertid har også flere bygninger med andre byggeiere enn Universitetet blitt tilkoplet. Varmepumpeanlegget består i dag av to primærvarmepumper og 14 sekundærvarmepumper med en samlet varmeytelse på ca 4 MW. Anlegget er nå ferdig utbygget, men noe mindre justeringer vil bli utført. De to primærvarmepumpene og sekundærvarmepumpen i Jussbygget benytter ammoniakk som arbeidsmedium, mens de andre sekundærvarmepumpene har HFK som arbeidsmedium. Figur 7 Oversikt over Nygårdshøyden i Bergen med ledningstraséer for det innovative varmepumpeanlegget. DRIFTSERFARINGER Erfaringene med varmepumpeanlegget er stort sett gode. En utfordring har likevel vært å få justert inn riktige vannmengder Faktahefte nr 12 9

10 fra mellomtemperaturnettet til de enkelte sekundærvarmepumpene i sine respektive bygninger, men dette arbeidet er nå i sluttfasen. I startfasen var det en del driftsproblemer knyttet til sjøvannssystemet og til styring og regulering av varmepumpene. Systemet fungerte bra ved dimensjonerende forhold sommer og vinter, men enkelte sekundærvarmepumper fungerte ikke bra nok i overgangsperiodene. Det er viktig at driften av sekundærvarmepumpene samordnes med det sentrale anlegget, og at sekundærvarmepumpene bygges i henhold til de tekniske forskriftene som foreligger. Den største fordelen med varmepumpesystemet på Nygårdshøyden er at når primærvarmepumpene og mellomtemperaturnettet for lengst er bygget og kanskje nedbetalt, er det enkelt og rimelig å sette inn en sekundærvarmepumpe i et bygg som har behov for fornybar varme. Varmepumpesystemet er enkelt å tilpasse både i eksisterende og nye bygninger. Mens eksisterende bygninger med gamle varmeanlegg som regel har høytemperatur varmefordeling, kan nye bygninger utstyres med lavtemperatur vannbårne varmeanlegg. Med en slik varmepumpeløsning kan hver enkelt sekundærvarmepumpe tilpasses det aktuelle temperaturnivået i bygget, mens i et tradisjonelt varmepumpebasert fjernvarmesystem må den sentrale varmepumpen tilpasses temperaturnivået i temperaturledende bygg. Figur 8 viser et prinsipielt rørskjema av varmepumpesystemet, representert ved en primærvarmepumpe og to sekundærvarmepumper. Den ene sekundærvarmepumpen er satt inn i et eksisterende bygg som ikke har kjølebehov, mens den andre sekundærvarmepumpen er installert i et nytt bygg som både har varme- og kjølebehov. Om sommeren kan anlegget dekke behov for klimakjøling. Da pumpes fortsatt sjøvann inn til energisentralen i Jussbygget, men i stedet for å bruke sjøvannet som varmekilde for de to sentrale varmepumpene, koples disse varmepumpene ut, og sjøvannet brukes i stedet til kjøling av mellomtemperaturkretsen. I bygningene som er tilkoplet varmepumpesystemet, brukes denne kretsen til frikjøling og til kondensatorkjøling av varmepumper som om sommeren går i overordnet kjøledrift. Figur 8 To-trinns varmepumpesystem ved Universitetet i Bergen der varme fra en sentral/primær varmepumpe dekker lavtemperatur varmebehov (varmekilde) for lokale/sekundære varmepumper for enkeltbygg eller grupper av bygg. 10 Faktahefte nr 12

11 Nortura Rudshøgda: Hybrid varmepumpe Hybrid Energy har utspring fra Institutt fra energiteknikk (IFE), som har arbeidet med varmegjenvinning fra spillvarme i industrien i mange år. Siden 1995 har instituttet arbeidet med utvikling av en kompresjons/absorpsjons-varmepumpe (hybrid varmepumpe). Hybrid Energy AS ble stiftet i 2004 for å kommersialisere den hybride varmepumpen og bygge energigjenvinningssystemer i industrien. Teknologien bygger på en absorpsjonsprosess og kompresjonsprosess som bruker en blanding av ammoniakk og vann som arbeidsmedium og absorpsjonsmedium. Anlegget bygges av standard ammoniakk-kompressorer med designtrykk 25 bar. Dersom ren ammoniakk er arbeidsmedium i en varmepumpe, kan en tradisjonell varmepumpe brukes til å varme vann til omkring 50 C. En hybrid varmepumpe med 50% blanding av ammoniakk og vann kan varme vann til over 100 C med samme trykklasse/utstyr. Dermed kan anlegget dekke helt andre temperaturområder enn tradisjonelle varmepumper, og det er spesielt interessant i industrielle prosesser. Selve absorpsjons/kompresjonsprosessen ble patentert av August Osenbruck allerede i 1895, så oppfinnelsen er ikke ny. Det er imidlertid først nå med Hybrid Energy at konseptet er utviklet til en kommersiell og lønnsom teknologi med patenterte detaljer i systemoppbyggingen. Figur 9 viser et forenklet prinsippskjema med hovedkomponentene for anlegget. Arbeidskretsen inneholder en løsningspumpe som pumper vannrik løsning fra lavt trykk til høyere trykk, pluss en kompressor som komprimerer ammoniakkgass fra lavt trykk til høyt trykk. I kondensator/absorbator blandes den vannrike løsningen med ammoniakkgass, og varme avgis til varmekretsen som absorpsjonsvarme og ved kondensasjon. Løsningen ut av absorbatoren er rik på ammoniakk, strupes ned til lavere trykk/temperatur i fordamper/desorber. Her kokes ammoniakk ut av løsningen ved varmeopptak fra varmekilden, og prosessen gjentar seg. Ettersom det er en medieblanding av vann og ammoniakk i arbeidskretsen, og dette er en ikke azeotrop kuldemedieblanding, vil koking og kondensering skje med glidende temperaturer. I kondensator/absorber vil konsentrasjonen av ammoniakk øke, Figur 9. Prinsippskisse av hybrid varmepumpe Figur 10 Hybridvarmepumpen på Nortura Rudshøgda leverer prosessvann på 83 C til en tank på 200 m3. og det betyr at temperaturen vil synke gjennom varmeveksleren (metningstemperaturen for ammoniakk er betydelig lavere enn for vann). I fordamper/desorber vil ammoniakkonsentrasjonen avta, og og derfor vil temperaturen stige fra innløpet til utløpet av varmeveksleren. Dette vil for mange prosesser være en stor fordel. Dersom varmekilden er vann som skal avkjøles fra eksempelvis 40 til 10 C, og varmeproduksjonen skal gå til oppvarming av vann fra eksempelvis 50 til 90 C, kan temperaturglidningen for arbeidsmediet tilpasses temperaturglidningen på varmekilden og varmesluket. Sammenlignet med en varmepumpe med et rent arbeidsmedium som har konstant temperatur under kondensering og koking, vil kompressoren(e) i hybridvarmepumpen arbeide med mindre temperaturløft. ENERGISPARING I SLAKTERIER MED HYBRIDVARMEPUMPEN Nortura har et stort slakteri på Rudshøgda i Hedmark fylke. Slakteriet trenger store mengder varmt prosessvann som holder minst 83 C. I 2007 ble det installert en hybridvarmepumpe med varmeeffekt 650 kw til dette formålet. Prosessvannet blir forvarmet til ca 50 C av et lavtemperatur ammoniakk varmepumpeanlegg, for så å bli ettervarmet av hybridvarmepumpen til ca 83 C. Varmepumpen leverer varme på ca 87 grader til en sekundærkrets for at forbruksvannet ikke skal kunne bli forurenset av varmepumpens arbeidsmedium ved en eventuell lekkasje i en varmeveksler. Avløpsvann som holder C er varmekilde for hybridvarmepumpen. Varmepumpen har hatt en gjennomsnittlig effektfaktor på ε = 4,5 over tre år. Energigjenvinningsanlegget sparer totalt ca 3,4 GWh/år. Nortura er godt fornøyd med hybridvarmepumpen på Rudshøgda, og har derfor installert tilsvarende anlegg i to av sine andre slakterier i Egersund og Tønsberg. Faktahefte nr 12 11

12 Praktiske eksempler Ny skole Solfanger Figur 11 Oversiktsbilde av nærvarmeanlegg på Marienlyst i Drammen Marienlyst kunstisbane: Varmegjenvinning fra kuldeanlegg Utendørs kunstisbaner kan bli et energisluk hvis det ikke gjøres tiltak for å redusere energibruken, eller gjenvinne overskuddsvarmen fra anlegget. Dette har Drammen Eiendom KB tatt hensyn til ved bygging av kunstisbanen i Drammen, ved at det er bygget et varmepumpeanlegg for oppvarming av nærliggende bygninger i tilknytning til kuldeanlegget. Kunstisanlegget på Marienlyst i Drammen sto ferdig i januar Anlegget har en kunstisflate på m², og isflaten gir plass til både hurtigløp, bandy og ishockey. Banen er islagt i perioden 15. oktober til 20. mars. Hele baneanlegget er bygget opp på en kunstgressflate for at anlegget skal brukes til ballspill om sommeren. Anlegget har også en friidrettsbane ved siden av kunstgressbanen. 12 Faktahefte nr 12 Figur 11 viser flyfoto av anlegget med nærvarmenettet inntegnet. Varmen fra varmegjenvinningsanlegget leveres til følgende formål: Innendørsbad Utendørsbad Idrettshall Kontor/administrasjonsfløy på fotballbanen Undervarme under isflater Undervarme til kunstgressbane Nytt lavenergi skolebygg Til å dekke kuldebehovet ved islegging av banen er det installert et kuldeanlegg med kw kuldeytelse ved -14 ºC utgående laketemperatur. Kuldeanlegget benytter ammoniakk som kuldemedium, og kjøler ned en kalsiumklorid-lake som sirkulerer

13 Figur 12 Prinsippskjema av kuldeanlegg med varmepumpetrinn for fjernvarmeproduksjon. Når det er varmebehov i fjernvarmeanlegget utenom skøytesesongen, henter varmepumpen lavtemperaturvarme fra kunstgressbanen. Kunstgressbanen vil da virke som en solfanger, og saltlaken som sirkulerer gjennom plastrørene i banedekket vil ta opp solvarmen og transportere den til varmepumpen. Figur 13 - Varmepumpe-varmegjenvinningsanlegget bruker banerørsystemet som solfanger utenom kunstissesongen gjennom plastrør i banedekket for å holde isen frosset. Vanligvis blir kondensatorvarmen fra kuldeanlegg avgitt til omgivelsene via en luftkjølt kondensator, men på Marienlyst blir spillvarmen gjenvunnet og foredlet til fjernvarme til nærliggende bygninger. Dette skjer via et påbygd varmepumpetrinn til kuldeanlegget. Varmepumpens hovedkomponenter er én væskeutskiller i trykkledningen etter kuldekompressorene, to stk 40 bar stempelkompressorer og én kondensator. Dimensjonerende varmeeffekt er ca 1400 kw. Varmepumpekompressorene suger høytrykksdamp fra kuldekompressorene, og komprimerer den delen som er nødvendig for å dekke varmebehovet til høyere trykk og temperatur. Varmen avgis så til fjernvarmenettet i en vannkjølt kondensator. Når kuldekompressorene går på større kapasitet enn det som kan nyttiggjøres til fjernvarme, blir overskuddsvarmen avgitt til omgivelsesluften via en fordunstningskondensator. Erfaringene med varmepumpeanlegget er stort sett gode, men kunstisanlegget har hatt et lengre driftsavbrudd. I november 2005 ble det oppdaget lekkasje i en lakekjøler i maskinrommet. Det var sprekk i et rør på grunn av feil ved en sveis. Sannsynligvis ble problemet forsterket av at kalsiumklorid-lake blir svært korrosiv når det er oksygen til stede. Anlegget ble reparert og satt i drift igjen i VARMEPRODUKSJON OG ENERGISPARING Når vi ser bort fra perioden med driftsstans på grunn av lekkasjeproblemene i lakekjøleren, har anlegget etter syv års drift levert varme til nærvarmeanlegget omtrent som forventet. I 2009 produserte varmepumpen 2,4 mill. kwh til nærvarmeanlegget. Drammen Fjernvarme leverte 1,8 mill. kwh tilsatsvarme, og det totale varmeforbruket i nærvarmesystemet var 4,2 mill. kwh. Strømforbruket til kjøleanlegget og varmepumpen var på totalt 1,2 mill kwh I Det antas at halvparten er kjøleenergi for isproduksjon, og halvparten går til varmeproduksjon. Det betyr at det er brukt 0,6 mill kwh elektrisitet og fått ut 2,4 mill kwh nyttiggjort varme. Det gir en estimert årsvarmefaktor på ε = 4, og det er et godt resultat. Faktahefte nr 12 13

14 Norsk Hydro Vækerø: Sjøvannsvarmepumpe for oppvarming og kjøling Figur 14 Varmepumpeanlegget hos Norsk Hydro på Vækerø bidrar til meget miljøvennlig oppvarming og kjøling Norsk Hydros hovedkontor ligger på Vækerø i Oslo. Det eldste kontorbygget på ca m2 ble rehabilitert i 2003/2004 med bl.a. ombygging av varme- og ventilasjonsanleggene. Vækerøkompleksets energisentraler forsyner også varme til den eldre bygningsmassen på Vækerø Hovedgård, samt Hydros to nye kontorbygg, slik at kontorareal på senteret nå er på ca m². Tidligere ble bygningsmassen varmet opp med olje- og elektrokjeler, og en rekke klimakjøleaggregater dekket bygningenes økende kjølebehov. Ved ombyggingen ble det bestemt at bygningenes varme- og kjølebehov i framtiden skulle dekkes med et nytt sjøvannsbasert varmepumpesystem, og de eksisterende olje- og elektrokjelene skulle kun brukes som tilsatsvarme på kalde dager. Under ombyggingen ble ventilasjonskursene (40/30 ºC) koblet i serie etter radiatorkursene (70/50 ºC) for å oppnå lavere returtemperatur i distribusjonsnettet selv ved dimensjonerende forhold. Dette er gunstig for varmepumpeanlegget med hensyn til varmeleveranse og energieffektivitet. Varmepumpesystemet er dimensjonert for å dekke et maksimalt varmeeffektbehov på 2 MW og et kjøleeffektbehov på 4,2 MW (inkl. direkte sjøvannskjøling). Anlegget benytter et direkte sjøvannssystem hvor sjøvann fra 32 meters dyp pumpes til platevarmevekslere mot isvannskretser for dataroms- og klimakjøling og deretter til varmepumpens fordamper før det returneres til sjøen. De turtallsregulerte pumpene er tørroppstilt i en pumpekum ved sjøkanten, og både pumpehus og løpehjul er utført i spesialplast. Varmepumpen er et plassbygd to-trinns ammoniakkanlegg av meget høy kvalitet. Avhengig av driftsforholdene oppnår to-trinns anlegg typisk % høyere effektfaktor enn standard ett-trinns anlegg. Varmepumpen benytter parsveiste platevarmevekslere i titan som fordampere og rørkjelvarmevekslere som kondensatorer. Stempelkompressorer i både lav- og høytrykkstrinn sikrer høy effektivitet under alle driftsforhold. Maksimalt utgående vanntemperatur fra varmepumpen til romoppvarming og oppvarming av ventilasjonsluft er ca 68 ºC. Varmepumpen er også utstyrt med en overhetningsvarmeveksler i lavtrykkstrinnet for effektiv oppvarming av varmt forbruksvann. Anlegget er dimensjonert for en maksimal inngående sjøvannstemperatur (sommer) på ca 7 ºC. I årene etter installasjonen har denne gradvis steget til opp mot 9 C. På grunn av relativt store varmevekslerflater i kjølebatteriene kan hele kjølebehovet 14 Faktahefte nr 12

15 FOTOGRAF JOHN PETTER REINERTSEN dekkes med såkalt frikjøling hvor overskuddsvarmen i bygges avgis til sjøvannet (fornybar kjøling). Varmepumpesystemet er imidlertid utformet slik at det kan levere reserve-/nødkjøling om nødvendig. Varmepumpens kondensator vil da avgi overskuddsvarmen til sjøvann, og det er også installert tørrkjølere på tak for varmeavgivelse til uteluft som benyttes hvis det skulle oppstå driftsstans på sjøvannspumpene. Bruk av ammoniakk som arbeidsmedium gir meget energieffektive varmepumpeanlegg. Mediet er imidlertid giftig og har en stikkende lukt, og det stilles derfor meget strenge krav til utforming av varmepumpeaggregater, maskinrom og sikkerhetsutrustning. Maskinrommet på Norsk Hydro Vækerø er bl.a. utstyrt med ammoniakkdetektorer koblet til alarmsystem, samt nødventilasjonssystem. Varmepumpesystemet oppnår totalt sett meget høy energisparing og utnyttelse av fornybar varme og kjøling i forhold til konvensjonelle, separate systemer for oppvarming og kjøling, da varmen produseres med høy effektivitet og store deler av kjølebehovet dekkes med frikjøling. Figur 15 Åpen stempelkompressor samt platevarmeveksler i titan som fordamper for varmepumpen. Målinger fra 2003 og 2004 viste en besparelse på ca 4 mill. kwh/år. Etter 2004 har bygningsmassen vært i kontinuerlig ombygging og utvidelse, slik at sikre målinger ikke har vært mulig. All utbygging er per 2009 fullført, og stipulert besparelse for hele bygningsmassen er nå ca 6,2 mill. kwh/år. Det er installert nytt energiregistreringssystem, og tallene vil bli endelig verifisert ved slutten av Faktahefte nr 12 15

16 Figur 16 Hotell med store glassfasader har store kjølebehov om sommeren og varmebehov om vinteren. FOTOGRAF JOHN PETTER REINERTSEN Avantor: Lagrer energi i berglager i Nydalen i Oslo Nydalen ligger slik til at man fra store deler av Oslo kan se ned på takene i bydelen. For å ikke ødelegge bybildet sier reguleringsplanen at det ikke er lov å sette tørrkjølere på takene. Dette var en av forutsetningene til at det ble bygget et energianlegg med energilager i berggrunnen under Nydalen. Energianlegget i Nydalen er et godt eksempel på utnyttelse av grunnvarme og overskuddsvarme fra kjøling til oppvarming av bygningsmassen. Store glassflater i bygningsfasadene gjør at bygningsmassen har store varmebehov om vinteren og kjølebehov om sommeren. Eiendomsselskapet Avantor står for den storstilte utbyggingen i Nydalen, kalt Oslos største byggeprosjekt. Her er det fram til nå bygget m2 med næringsbygg, boliger og Nydalen Campus BI. Denne bygningsmassen varmes og kjøles av et bergvarmebasert varmepumpeanlegg med 180 energibrønner i berggrunnen som er fra 200 til 260 m dype. Til sammen perforerer de et bergområde på ca m 3. Varmepumpeanlegget i Nydalen ble satt i drift i 2003 med fire varmepumper på til sammen 6200 kw varmeeffekt. Bergvarmepumpen dekker grunnlastvarme til et lavtemperatur fjernvarmenett, samt kjølebehovet til et fjernkjølenett. Tilsatsvarme dekkes fra to oljekjeler og en elektrokjel. I ettertid er det også satt inn en høytemperaturvarmepumpe som løfter varmen ytterligere for å dekke behov for varmt tappevann til et hotell i Nydalen. 16 Faktahefte nr 12

17 Figur 17 - Varmepumpeanlegget i Nydalen henter lavtemperaturvarme fra berget i fyringssesongen, og dumper overskuddsvarme til berget i kjølesesongen. ENERGISPARING OG ENERGIØKONOMI I 2009 ble det solgt kwh varme og kjøling fra det bergvarmebaserte energianlegget i Nydalen. Av dette er kwh fornybar energi. Det ble investert ca 60 millioner kroner i varme- og kjøleanlegget, og av dette var det ca 20 millioner som ble brukt på varmepumper og energilager. Varmepumpeanlegget i Nydalen har fått til sammen 11 millioner i tilskudd fra Enova og fra Enøketaten i Oslo kommune, og det er beregnet en årlig energibesparelse på 11 GWh sammenlignet med en løsning med oljekjeler, elektrokjeler og tradisjonelle kjøleløsninger. Avantor regner med en avkastning på 15 20% på investeringen (ref. Norsk VVS 8/2007). VIDEREUTVIKLING AV ENERGIANLEGGET Det er planlagt flere nye bygg i Nydalen som også skal knyttes til fjernvarme- og fjernkjøleanlegget. Avantor planlegger utvidelse av energianlegget med en ny sentral med fjernvarme og fjernkjøling i Nydalen basert på varmepumper og pellets. Den nye sentralen skal koples sammen med eksisterende energisentral til felles rørnett for fjernvarme- og fjernkjøling. Faktahefte nr 12 17

18 Figur 18 Hotellet ligger på elvekanten, og bruker Nidelven til både varme- og kjølekilde Radisson SAS Royal Garden: Varmepumpeanlegg spesielt designet for oppvarming av tappevann Royal Garden Hotel i Trondheim ble tatt i bruk i Hotellet ligger ved bredden av Nidelven, og bruker elvevannet som både varmekilde og kjølekilde. Sentralt i energianlegget står en varmepumpe, og den ble satt i drift i 2003 for å brukes til byggvarming i byggefasen. Hotellet er lokalisert ca 1,5 km fra Nidelvas utløp i sjøen. Om vinteren kan elvevannet være svært kaldt når det kommer fra fjellet ned til Trondheim, helt ned mot 0 C. Når vannet strømmer forbi Royal Garden Hotel vil det kalde ferskvannet flyte i overflaten av elva ut i sjøen, mens en saltvannskilde strømmer inn fra sjøen langs bunnen av Nidelva. Denne saltvannsstrømmen langs bunnen går helt opp til Nidarosdomen, der det er en terskel i Nidelva. Dette medfører at temperaturen i bunnen av Nidelva er høyere enn overflatevannet om vinteren, når elva skal brukes som varmekilde for varmepumpen. Om sommeren er temperaturen på vannet i bunnen lavere enn overflatevannet og egner seg godt til kjøling. Saltvannet diffunderer gradvis opp til ferskvannet som strømmer i motstrøm ut mot havet. Både saltinnholdet og temperaturen vil således avta jo lengre opp fra sjøen vi kommer. Ved Royal Garden Hotel ligger lavest temperatur på sjø/elvevannet langs bunnen på ca 4 C, selv om elvas dybde her er bare 4 m dyp. Varmepumpeanlegget ved Royal Garden Hotel skal dekke både varmebehov og kjølebehov, og det er spesielt bygget for effektiv tappevannsoppvarming, figur 19. Figur 19 viser et prinsippielt rørskjema av anlegget. En lukket glykolvannkrets overfører varme mellom sjø/elvevannet og arbeidsmediet i varmepumpene. Denne glykolvannkretsen fungerer også som kjølebærer til klimakjølesystemet, og som kondensatorkjølevann for fryse- og kjøleromsmaskinene i hotellet. Om sommeren blir kjølevannet primært dekket ved frikjøling fra sjø/elvevannet. På ettersommeren stiger imidlertid elvetemperaturen så mye at også varmepumpen må dekke kjølebehov. På kjøledrift blir overskuddsvarme fra varmepumpen dumpet via varmekursen til Nidelva. Anlegget er spesielt designet for effektiv varmtvannsberedning ved at varmepumpene er utstyrt med både underkjølings- og overhetningsvarmeveksler for tappevannsoppvarming. 18 Faktahefte nr 12

19 Figur 19 Prinsippskjema av varmepumpeanlegget ved Royal Garden Hotel Tappevannet forvarmes ved underkjøling av kuldemedievæske i underkjølerne. Deretter ettervarmes tappevannet av returvann fra kondensatorkretsen og til slutt fra overhetet gass fra kompressorene. Tappevannstemperaturen kan ettervarmes ytterligere med varme fra kjelanlegget. For akkumulering av tappevannet er det satt inn til sammen tre tanker på til sammen liter. Varmedistribusjonsanlegget forøvrig består av en radiatorkrets, en ventilasjonskrets og en gulvvarmekrets. DRIFTSERFARINGER Erfaringene med varmepumpeanlegget ved Royal Garden Hotel har vært gode. I startfasen var det store problemer med begroing i sjø/elvevannssystemet, men etter ett års drift hadde man lært seg å håndtere disse problemene. Det vil alltid være stor begroing i slike brakkvannsystemer, og Royal Garden Hotel har en storrengjøring av varmeveksleren og inntaksledningen en gang i året. To årlige inspeksjoner og en årlig høytrykksspyling utført av dykkerfirma kostet i midten av 1990-årene 7000 kr per år, men allerede da sparte hotellet energiutgifter på i størrelsesorden en halv million kroner per år. Varmepumpeanlegget kostet i 1983 ca 1,3 millioner kroner, og anlegget har således tjent seg inn igjen mange ganger. Det opprinnelige varmepumpeanlegget arbeidet med R-22 som arbeidsmedium. I 2003 ble det foretatt en skikkelig rehabilitering av varmeanlegget, og i den forbindelse ble også de to varmepumpene skiftet ut med to nye R-134a varmepumper. Royal Garden Hotel var imidlertid så fornøyd med den tekniske løsningen slik at de ville ha akkurat samme systemløsning med væskeunderkjøler og overhetningsvarmeveksler for effektiv tappevannsoppvarming også på de nye varmepumpeaggregatene. ENERGISPARING Varmepumpen har i gjennomsnitt en varmeproduksjon på 3 mill. kwh/år, og med en årsvarmefaktor på ca ε = 3 for varmepumpe inkl. sirkulasjonspumper for varmeopptak fra Nidelva, sparer hotellet ca 2 mill. kwh/år på varmebudsjettet. I tillegg dekker varmepumpeanlegget hele klimakjølebehovet til hotellet. Mesteparten av kjølebehovet dekkes ved frikjøling, enten fra Nidelva, eller fra varmepumpens lavtemperaturside når den går på varmedrift. Faktahefte nr 12 19

20 STØRRE VARMEPUMPE ANLEGG I NORGE Norsk Teknologi er en landsforening i NHO Norsk Teknologi har ca 1550 medlemsbedrifter med ca ansatte og har en samlet omsetning på ca 30 milliarder kroner. Bransjeforeningene i Norsk Teknologi er: HLF, Heisleverandørenes landsforening organiserer bedrifter som arbeider med montasje, service og vedlikehold av heiser, rulletrapper og rullefortau. Medlemmene omsetter for ca millioner kroner og har ca 900 ansatte. INTEGRA, foreningen for tekniske systemintegratorer, organiserer integrasjonsmiljøene innen bygg, anlegg, industri, skip og offshore. Medlemsbedriftene i INTEGRA omsetter for ca 1 milliard kroner og har 600 ansatte. NELFO er bransjeforeningen for EL og IT bedriftene. De medlemsbedriftene omsetter for ca 24 milliarder kroner og har ca ansatte. NELFO har 26 lokalforeninger som dekker hele landet. Lokalforeningene bistår medlemmene med råd, veiledning, kompetanse, bransjeinformasjon, medlemsmøter, kurs og seminarer og nettverksbygging. VKE, Foreningen for ventilasjon, kulde og energi, er en nyetablert, landsdekkende og ledende bransjeorganisasjon for ventilasjons-, kulde- og varmepumpeentreprenører. Foreningen organiserer for tiden 140 medlemsbedrifter med samlet 2400 ansatte og 5 milliarder i årlig omsetning. integra