Varmepumper for oppvarming og kjøling av bygninger

Transkript

1 Varmepumper for oppvarming og kjøling av bygninger Jørn Stene SINTEF Energiforskning AS Avdeling Energiprosesser 2000

2 2 INNHOLDSFORTEGNELSE Side 1. INNLEDNING Hovedprinsipp og virkemåte Effektivitet - effektfaktor og årsvarmefaktor Varmekilder Arbeidsmedier PROSJEKTERING AV VARMEPUMPEANLEGG Dimensjonering - varmepumper som grunnlastkilde Utforming av energisentraler Styring og regulering av anlegg Drift og vedlikehold - levetid for anlegg ANLEGGSEKSEMPLER - SYSTEMLØSNINGER Boliger Boligblokker Større bygninger - yrkesbygg Fjernvarme- og fjernkjølesystemer Nærvarmeanlegg INVESTERINGSKOSTNADER OG LØNNSOMHET MULIGE MILJØPROBLEMER MED VARMEPUMPER Eventuelle utslipp av drivhusgasser Temperatursenkning i varmekilder Lekkasjer til jord og grunnvann...18 REFERANSER

3 3 1 INNLEDNING Varmepumper produserer varme og eventuelt kjøling for bruk i: Bygninger Alle typer boligbygg (eneboliger, flermannsboliger, rekkehus, blokker osv.) Større bygninger (forretningsbygg, hoteller, sykehus/-hjem, skoler, industribygg osv.) Svømmehaller, idrettshaller osv. Fjernvarme- og fjernkjølesystemer Nærvarmeanlegg Industrielle prosesser Oppvarming av prosessvann Tørking Inndamping Destillasjon Dampproduksjon I denne rapporten er det kun sett på varmepumper for klimatisering av bygninger. 1.1 HOVEDPRINSIPP OG VIRKEMÅTE Varmepumpeteknologien muliggjør utnyttelse av lavverdig omgivelsesvarme (fornybar energi) fra sjøvann, grunnvann, fjell, jord, uteluft osv. eller ulike former for lavtemperatur overskuddsvarme (ventilasjonsluft, avløpsvann, kjølevann osv.). Dette er varme som normalt ikke kan utnyttes til oppvarmingsformål på grunn av for lavt temperaturnivå. For å drive varmepumpeprosessen må det tilføres høyverdig energi (eksergi). Dette vil i de fleste tilfeller være elektrisitet, men det er også installert en del gass- og dieseldrevne anlegg i Europa, USA og Japan (ikke Norge). Varmepumpen avgir en varmemengde som er tilnærmet lik summen av varmemengden som er tatt opp fra varmekilden og tilført elektrisk energi drift av varmepumpen. Det betyr at bruken av høyverdig energi blir betydelig redusert i forhold til oppvarmingssystemer basert på direkte bruk av elektrisitet i panelovner/elektrokjeler eller gass- og oljefyrte kjelanlegg. En varmepumpe består prinsipielt av fire hovedkomponenter fordamper, kompressor, kondensator og strupeventil bundet sammen med en lukket rørkrets, figur 1.1. I rørkretsen sirkulerer et arbeidsmedium eller prosessmedium (kapittel 1.4), som henter varme ved lav temperatur fra varmekilden, og avgir denne varmemengden ved en høyere temperatur til varmeforbruker. I denne kontinuerlige kretsprosessen gjennomgår arbeidsmediet ulike tilstandsforandringer: 3

4 4 Ved innløpet til fordamperen (varmeveksler) er arbeidsmediet i væskefase, og trykket holdes så lavt at mediet har lavere temperatur enn varmekilden. Temperaturforskjellen fører til at varme strømmer fra varmekilden til arbeidsmediet, som begynner å fordampe. Ved utløpet av fordamperen har all væsken fordampet, og varmemengden som er overført fra varmekilden har økt energiinnholdet i arbeidsmediet (væske gass). Figur 1.1 Prinsipiell oppbygging og funksjon av et varmepumpeanlegg Arbeidsmediet i gassfase suges inn i en kompressor. Kompressoren øker trykket og dermed temperaturen på gassen. Det meste av energimengden tilført kompressoren går med til å øke energiinnholdet i gassen. Kompressoren opprettholder så lavt trykk i fordamperen at varme kan overføres fra varmekilden til arbeidsmediet. Arbeidsmediet i gassfase ved høyt trykk og høy temperatur strømmer over i en kondensator (varmeveksler). Ettersom arbeidsmediet holder en høyere temperatur enn det mediet som skal varmes opp (f.eks. vann i en radiatorkrets), overføres varme til radiatorkretsen. Ved varmeavgivelsen kondenserer arbeidsmediet, og ved utløpet av kondensatoren er alt arbeidsmediet i væskefase (gass væske). Arbeidsmediet i væskefase ved høyt trykk og høy temperatur strømmer til en strupeventil (trykkreduksjonsventil). Der senkes trykket og dermed temperaturen på mediet til henholdsvis fordampningstrykk og -temperatur. Arbeidsmediet i væskefase strømmer til fordamperen, og kretsløpet kan gjentas på nytt. Ettersom varmepumper pumper varme fra et lavt temperaturnivå til et høyere temperaturnivå, kan anleggene også med fordel utnyttes som kombinerte varmepumpe-/kjøleanlegg (integrerte energianlegg). Overskuddsvarmen fra bygningens kjøledistribusjonssystem fungerer da som varmepumpens varmekilde. I avfuktningsanlegg føres den varme, fuktige luften over fordamperen slik at luften avkjøles og avfuktes. Den tørre, kalde luften varmes deretter i kondensatoren. 4

5 5 1.2 EFFEKTIVITET EFFEKTFAKTOR OG ÅRSVARMEFAKTOR Varmepumpens effektivitet eller evne til å spare høyverdig energi ved ulike driftstilstander uttrykkes ved hjelp av effektfaktoren, COP (Coefficient of Performance). Den angir forholdet mellom avgitt varmeeffekt fra varmepumpen og tilført elektrisk effekt til kompressoren. Effektfaktoren skal være så høy som mulig. Effektfaktoren er svært avhengig av varmepumpens temperaturløft, det vil si temperaturforskjellen mellom anleggets fordampnings- og kondenseringstemperatur. Jo lavere temperaturløft, desto høyere effektfaktor, figur 1.2. En oppnår dermed størst energisparing i de anleggene der en kan utnytte en varmekilde med relativt høy og stabil temperatur, og hvor varmen leveres til et varmedistribusjonssystem med moderate temperaturkrav. Eksempel på lavtemperatur varmedistribusjonssystemer er vannbåren gulvvarme (35-45ºC), lavtemperatur radiatorer (45-55ºC) og viftekonvektorer (35-45ºC). Figur 1.2 Varmepumpens effektfaktor (COP) som funksjon av temperaturløftet Varmepumpens effektivitet over en hel fyringssesong uttrykkes ved hjelp av årsvarmefaktoren. Den angir forholdet mellom årlig avgitt varmemengde fra varmepumpen og tilført elektrisk energi til kompressoren. Årsvarmefaktoren skal være så høy som mulig. For komplette varmepumpeanlegg med spisslastkjel, pumper osv. (kapittel 2) vil årsvarmefaktoren ligge noe lavere enn for selve varmepumpeaggregatene. Tabell 1.1 viser hvordan årsvarmefaktoren eksempelvis vil kunne variere for ulike størrelser av varmepumpeanlegg (inkl. spisslast) ved bruk av varmedistribusjonssystemer med forskjellige temperaturkrav. Varmepumpens effekt- og energidekning er henholdsvis 50% og 90%, og varmekildens middeltemperatur i fyringssesongen er satt til 5ºC. Tabell 1.1 Eksempel på årsvarmefaktorer for varmepumpeanlegg med ulike rammebetingelser Bygningskategori og maks. netto effektbehov Gulvvarmesystem (40 C/30 C) Lavtemperatur radiatorer (55 C/45 C) Høytemperatur radiatorer (80 C/60 C) Boliger (10 kw) 2,8-3,2 2,3-2,5 1,8-2,0 Større bygninger (200 kw) 4,0-4,5 3,3-3,6 2,5-2,9 5

6 6 1.3 VARMEKILDER Varmepumper kan trekke varme fra en rekke lavtemperaturkilder. I tabell 1.2 neste side er det gitt en komplett oversikt over aktuelle varmekilder i Norge med hensyn til bruksområder, temperaturnivå ved dimensjonerende forhold og temperaturnivå over fyringssesongen, generelle fordeler og ulemper, spesielle hensyn som må taes ved utforming og drift av anleggene, tilgjengelighet samt muligheter for å bruke varmekilden i varmepumpebaserte nærvarme- og fjernvarmeanlegg. Vanligvis er det tilgjengeligheten som bestemmer valget av varmekilde. Hvis en har flere likeverdige varmekilder med hensyn til temperaturnivå og tilgjengelighet, må det gjøres en teknisk/- økonomisk sammenligning for å finne det beste alternativet. I en slik sammenligning vil kostnader for tilknytning til varmekilden, valg av pumper, varmevekslere osv. samt vedlikeholdsbehov være avgjørende faktorer. I Norge er det installert flest varmepumpeanlegg med ventilasjonsluft (boliger), uteluft (boliger) eller sjøvann (yrkesbygg osv.) som varmekilde. Grunnvarme (fjell/grunnvann) forventes imidlertid å få vesentlig større betydning pga. teknologisk utvikling og reduksjon i borekostnadene. Sjøvann, som må betraktes som den beste lavtemperaturkilden der den er tilgjengelig, er særlig aktuell for større varmepumpeanlegg (yrkesbygg, industri, fjernvarme). På grunn av Golfstrømmen er de beste temperaturforholdene på kysten langs Vestlandet og opp til Trøndelag. SINTEF Energiforskning AS har i perioden fulgt opp nærmere 15 prototyp- og demonstrasjonsanlegg med sjøvann som varmekilde /6, 7/. Anleggsstørrelsen har variert fra ca. 50 kw til nærmere 7 MW. De anleggene som ble installert sist i perioden har hatt vesentlig mindre feil og driftsforstyrrelser enn de første anleggene, og sett under ett er erfaringene med større sjøvannsbaserte anlegg gode. I prosjekteringsfasen er det imidlertid meget viktig at varmeopptakssystemet med sjøvannsledning, pumpestasjon, fordamperutforming inkl. materialvalg utføres korrekt /6, 7/. Grunnvarme (fjell/grunnvann) har relativt høy og stabil temperatur som gir gode driftsbetingelser og relativt høy effektfaktor for anleggene. I områder med stor oppsprekking av fjellgrunnen og godt grunnvannstilsig (f.eks. Oslo-området), er mulig varmeuttak per meter borehull svært høyt. Ettersom selve borebrønninstallasjonen tar liten plass, er dette en velegnet varmekilde selv i tettbygde strøk, så lenge det finnes fast fjellgrunn. Hvis det er mye løsmasse over grunnfjellet vil dyre foringsrør medføre betydelige merkostnader. Vedlikeholdsbehovet for denne typen anlegg er svært lite på grunn av indirekte systemløsning med kollektorslanger, og driftssikkerheten blir derfor høy. Det finnes anlegg av denne typen som ble installert i boliger i 70-årene, og som har gått i 20 år uten nevneverdige driftsproblemer. Grunnvann er en meget god varmekilde på grunn av stabil og relativt høy temperatur. Det beste grunnvannstilsiget har en på elveslettene i de store dalførene (løsavsetninger), og dersom grunnvannsmagasinet har kontakt med innsjø eller vassdrag kan en ta ut store vannmengder. Grunnvann kan inneholde jern og mangan, som kan gi utfelling i pumper, varmevekslere, ventiler osv. og påfølgende driftsproblemer. Det er derfor alltid påkrevet med en grundig vannanalyse før en velger systemløsning. I noen anlegg hvor dette ikke har vært gjort, har resultatet vært driftsstans og betydelige kostnader til ombygging. 6

7 7 Tabell 1.2 Oversikt over temperaturnivå, egenskaper, utnyttelsesmuligheter osv. for ulike varmekilder for varmepumpeanlegg Varmekilde T dim [ C] T var [ C] Fordeler Ulemper Viktige forhold ved utforming av varmeopptakssystem osv. NV eller FV? Tilgjengelighet i Norge Bruksområder Sjøvann 3 C til 8 C 4 C - 5 C Meget god varmekilde hvis tilgjengelig. Høy, stabil temperatur pga. Golfstrømmen Kan gi problemer med hensyn til korrosjon, begroing og utfrysing av vann i varmeopptakssystemet Indirekte systemer med kollektorslanger for mindre anlegg. Større anlegg med direkte sjøvannsinntak krever sjøvannsbestandige materialer i varmevekslere, pumper osv. Korrekt utforming av sjøvannssystem og pumpestasjon er viktig. NV og FV Langs hele kysten Yrkesbygg, boligbygg Ferskvann 0 C til 4 C 5 C - 10 C God varmekilde, men ikke mye brukt Begrenset varmeuttak før vannet fryser. Brakkvann og forurenset vann er tildels meget korrosivt. Indirekte systemer med kollektorslanger for mindre anlegg. For åpne systemer med direkte vanninntak kreves frostsikre fordamperløsninger. Vannkvaliteten må sjekkes for riktig materialvalg i varmevekslere og pumper NV Ved innsjøer og større elver (hele landet) Boligbygg, yrkesbygg Grunnvann 4 C til 8 C Liten Meget god varmekilde hvis tilgjengelig. Stabil, høy temperatur. Kan inneholde jern og mangan (utfelling). Kan gi relativt høye investeringer. Indirekte systemer med kollektorslanger for mindre anlegg. Ved direkte grunnvannsopptak må vannkvaliteten sjekkes nøye. Ved fare for utfelling brukes indirekte systemløsning. NV og FV I dalfører og på elvesletter (hele landet) Yrkesbygg, boligbygg Grunnvarme 4 C til 8 C Liten Meget lovende varmekilde med stabil og rel. høy temperatur Relativt høye investeringer, men prisene er på vei ned. Kun indirekte anlegg med kollektorslanger. Borehullsdybde opp til 180 meter. Varmeuttaket er svært avhengig av blant annet oppsprekking av fjellgrunnen og grunnvannstilsiget. NV Ved fast fjell (hele landet) Boligbygg, yrkesbygg Jord 0 C Liten pga. utfrysning God varmekilde med rel. høy og stabil temperatur Krever store arealer uten for mye stein Kun indirekte anlegg hvor en kollektorslange graves ned på 0,5-1 m dyp. Feildimensjonering kan gi permafrost. - Sør-Norge og langs kysten Boliger Uteluft -40 C til -10 C 0 C - 50 C Tilgjengelig overalt. Gir relativt lav investering Har lav temperatur når varmebehovet er størst (gir lite effekttilskudd) Fordamperen må være utformet for Nordisk klima. Mindre luft-luft varmepumper krever åpen romløsning for å kunne brukes. Har kortere levetid enn anlegg med andre varmekilder. - Langs kysten. Ikke innlandsklima! Boliger og evt. mindre yrkesbygg Kloakk 5 C til 10 C 2 C - 5 C Meget god varmekilde med høy temperatur Inneholder partikler, fett, hår osv. som kan gi gjentetting/beleggsdannelse Krever silsystem o.l. for fjerning av større partikler osv. Viktig med korrekt utforming og regelmessig rensing av fordampersystemet for å forhindre beleggsdannelse osv. FV Ved kloakktunneler eller renseanlegg Store anlegg Ventilasjonsluft 20 C til 25 C Stabil Lav investering Konkurrerer med vanlige varmevekslere. Begrenset energisparing. Anlegget monteres enten direkte i ventilasjonskanalen (mindre anlegg) eller tilkobles et vannbårent varmesystem og konvektorer i ventilasjonskanalen. - Kun i bygg med mekanisk ventilasjon Boligbygg, yrkesbygg Gråvann > 10 C Liten God varmekilde når den er tilgjengelig Inneholder fett osv. som gir beleggsdannelse osv. Direkte systemer mest vanlig. Fordamperen må være tilgjengelig for hyppig rensing for å unngå beleggsdannelse. NV Begrenset tilgjengelighet Yrkesbygg Kjølevann > 10 C Liten Meget god varmekilde med høy temperatur Kan være korrosivt. Spillvannet pumpes direkte til varmepumpens fordamper. Materialvalg i varmevekslere osv. må tilpasses vannkvaliteten. FV Begrenset tilgjengelighet Større sentra, byer o.l. T dim = varmekildens temperatur ved dimensjonerende forhold [ºC] T var = varmekildens temperaturvariasjon i fyringssesongen [ºC] NV = nærvarmeanlegg FV = fjernvarmeanlegg

8 8 Uteluften er lett tilgjengelig overalt, men har den ulempe at temperaturen er lavest når varmebehovet er størst. Luft-til-luft varmepumper (komfortvarmepumper) for boliger har vært solgt i stort antall i Norge og andre land, og det er mange fornøyde brukere. Det har imidlertid vært et problem med en del useriøse selgere som har solgt anlegg som aldri burde vært installert på grunn av for kaldt klima, uegnet romløsning i boligen eller svært dårlig kvalitet på aggregatene. I slike anlegg vil energisparingen bli langt mindre enn forventet, og anleggets levetid vil være vesentlig kortere enn for vann-til-vann varmepumper. Hvis høykvalitets luft-til-luft varmepumper blir installert på riktig måte kan denne typen anlegg gi brukbar energisparing og god lønnsomhet. Energisparingen for et varmepumpeanlegg er imidlertid nært knyttet til varmekildens temperatur. Forskjellen i energisparing mellom uteluftbaserte varmepumper og varmepumper som bruker sjøvann, grunnvann, grunnvarme o.l. som varmekilde er nært knyttet til klimaet. Avhengig av anleggets størrelse og kvalitet, vil differansen i energisparing kunne variere med typisk 15-40%, og forskjellen er minst i kystnære områder hvor utelufttemperaturen er relativt moderat i vintersesongen. Et annet forhold for uteluftvarmepumper er at de gir relativt liten varmeeffekt ved lave utetemperaturer, slik at andelen spisslast må økes. 1.4 ARBEIDSMEDIER Arbeidsmediet eller prosessmediet i et varmepumpeanlegg er helt essensielt for anleggets funksjon. Tidligere benyttet varmepumper klorholdige arbeidsmedier som KFK-12 (R-12), KFK- 502 (R-502) og tildels også KFK-114 (R-114). Dette er medier som har en nedbrytende effekt på stratosfærens ozonlag samtidig som de er sterke drivhusgasser. Mediene er nå regulert av Montreal-protokollen, og i Norge ble det forbudt å bruke KFK i nye varmepumpeanlegg fra juni I 1996 ble det innført totalforbud mot KFK-import til Norge. HKFK-stoffene, deriblant R- 22, ble regulert av Montreal-protokollen fra 1995, og vil bli forbudt i nyanlegg fra årtusenskiftet. Miljøvennlig alternativer til KFK og HKFK-stoffene er: Syntetiske arbeidsmedier (HFK), hvor de mest aktuelle alternativene for varmepumpeanlegg er HFK-134a, R-404A, R-407C og R-410A Naturlige arbeidsmedier dvs. ammoniakk, hydrokarboner (f.eks. propan og propylen) og karbondioksid (CO 2 kun kommersielt tilgjengelig i tappevannsvarmepumper) 2 PROSJEKTERING AV VARMEPUMPANLEGG Lønnsomheten for et varmepumpeanlegg er i langt større grad avhengig av riktig dimensjonering, utforming og styring av anlegget enn tilfellet er for konvensjonelle kjelsentraler for elektrisitet, olje eller gass. Dette fordi selve eksistensberettigelsen for et varmepumpeanlegg ligger i anleggets energieffektivitet, med andre ord evnen til å spare høyverdig energi. Prosjektering, installasjon og drift av varmepumpeanlegg krever derfor større eller mindre grad av tverrfaglig spesialkompetanse avhengig av installasjonens kompleksitet. 2.1 DIMENSJONERING VARMEPUMPER SOM GRUNNLASTKILDE Spesifikk investering (kr per kw varmeytelse) for komplette varmepumpeanlegg ligger typisk 3-5 ganger høyere enn for konvensjonelle fyringsanlegg (kap. 4). Hvis varmepumpen dimensjoneres for å dekke maksimalt effektbehov, vil en få et kostbart anlegg som utnyttes dårlig. Anleggene vil

9 9 dessuten få lavere årsvarmefaktor på grunn av lavere virkningsgrad ved dellastkjøring. Varmepumper for bygningsoppvarming dimensjoneres derfor normalt for å dekke kun en viss andel av bygningens netto effektbehov (grunnlast). Nødvendig spisslast (tilsatsvarme) leveres fra et kjelanlegg (elektrisitet, olje, gass), eventuelt fra panelovner, el.kassetter eller vedovner i boliger. Optimal effektdekning for varmepumpeanlegg er avhengig av bl.a. bygningens netto effekt- og energibehov, investeringskostnader og energipriser, og vil typisk kunne utgjøre fra 40% til 70% av bygningens netto effektbehov ved dimensjonerende forhold. Varmepumpen vil da dekke i størrelsesorden 90-95% av bygningens årlige romvarmebehov, mens de resterende 5-10% leveres fra spisslastkilden. Figur 2.1 viser et eksempel på dimensjonering av et varmepumpeanlegg. Figur 2.1 Prinsipiell framstilling av varmepumpens effekt- og energidekning Spisslastkilden skal dimensjoneres for å kunne dekke hele effektbehovet i tilfelle driftsstans eller service på varmepumpen. For å oppnå ønsket energifleksibilitet bør spisslastkilden fortrinnsvis bruke annen energibærer enn elektrisitet, da dette vil gi lavere effektuttak i elektrisitetsnettet. 2.2 UTFORMING AV ENERGISENTRALER Ved prosjektering av varmepumpeanlegg er det viktig at energisentralen ses på som en integrert del av bygningens totale varme- og eventuelt kjølesystem. Anleggene kan bygges opp av standard, serieproduserte varmepumpeaggregater eller spesialbygde aggregater. Standardaggregater produseres i større serier med ytelse fra noen kw opp til ca. 800 kw per enhet. Spesialbygde aggregater lages i små serier etter kundens spesifikasjoner, og er først og fremst aktuelle på store anlegg eller der en ikke har mulighet til å benytte standard løsninger. Av kostnadshensyn er det vanligvis kun aktuelt å etterinstallere varmepumper i bygninger med vann- eller luftbårne varmedistribusjonssystemer. Unntaket er boliger som har så åpen romløsning at en kan benytte luft-til-luft eller vann-til-luft varmepumpeanlegg med fordeling av varm luft fra et eller flere steder i boligen. I nybygg hvor en planlegger bruk av varmepumpe, vil en i de aller fleste tilfeller installere et vannbårent varmedistribusjonssystem.

10 STYRING OG REGULERING AV ANLEGG For at et varmepumpesystem skal gi den forventede energisparing og ha et minimum av driftsforstyrrelser, er det av meget stor viktighet at anlegget styres og reguleres korrekt. For å få et best mulig system til lavest mulig kostnader er det viktig å tenke styring og regulering helt fra starten av prosjektet. I større bygninger der det er installert eller planlegges systemer for sentral driftskontroll, vil det være mulig å integrere varmepumpeanleggets styre- og reguleringssystem i dette. Det vil gi bedre oppfølging av anlegget, lette driften og redusere personellbehovet. I årenes løp er det dessverre installert en del varmepumpeanlegg som har gitt mindre energisparing enn forventet, eller som har hatt mer eller mindre alvorlige driftsproblemer. I tillegg til feilaktig dimensjonering og oppkobling av anleggene, valg av feil systemløsninger og bruk av feil komponenter, skyldes disse problemene først og fremst at anleggene enten har kjørt med høyere turtemperatur enn nødvendig og at spisslastkjelen har blitt koblet unødvendig inn. 2.4 DRIFT OG VEDLIKEHOLD LEVETID FOR ANLEGG Forebyggende vedlikehold bør gjennomføres på alle typer varmepumpeanlegg for å redusere antall driftsforstyrrelser og derved øke driftssikkerheten og redusere faren for lekkasje av arbeidsmedium. Samtidig vil dette bidra til å øke anleggets levetid, og sikre at anleggets energieffektivitet opprettholdes. Vedlikeholdskostnadene for et varmepumpeanlegg er bestemt av en rekke faktorer, og utgjør i størrelsesorden 2-3% av anleggets investeringskostnader. For vann-til-vann varmepumper i boliger må en kunne regne minst 15 års levetid, mens luft-til-luft varmepumper normalt vil ligge en del lavere på grunn av langt mer dynamiske driftsforhold. Større anlegg i yrkesbygg og nær-/fjernvarmesystemer vil kunne ha en typisk levetid fra 20 til 30 år. Dette forutsetter imidlertid riktig dimensjonering og oppbygging av anleggene, gode driftsbetingelser, korrekt styring/regulering og regelmessig ettersyn/vedlikehold. 3 ANLEGGSEKSEMPLER - SYSTEMLØSNINGER 3.1 BOLIGER Varmepumper for boliger leveres i effektområdet 2 til 15 kw. Under ellers like forhold er det lettere å oppnå god økonomi for store varmepumpeanlegg enn for små. Dette fordi spesifikk investering [kr/kw] er lavere jo større anlegget er, og virkningsgraden for motor og kompressor øker med størrelsen. Kontinuerlig utvikling av kompressorer/motorer, varmevekslere, aggregater og bruk av nye arbeidsmedier har imidlertid de senere årene ført til at selv mindre anlegg kan oppnå relativ høy effektivitet og akseptabel lønnsomhet. For å forbedre lønnsomheten ytterligere kan det være aktuelt å installere en større varmepumpe i en felles energisentral for flere hus. Varmen fordeles da fra energisentralen ut til de forskjellige boligene i et nærvarmesystem (kapittel 3.5). I de minste boligene ligger forholdene ligger best til rette for installasjon av rimelige varmepumper med uteluft eller avtrekksluft som varmekilde. For større boliger som har eller skal ha vannbåren varme (gulvvarme/radiatorer), vil varmepumper som utnytter grunnvarme, ferskvann/sjøvann eller jord som varmekilde være et aktuelt alternativ (indirekte anlegg med kollektorslanger). Svært mange varmepumper som er installert i norske boliger er såkalte luft-til-luft varmepumper, som bruker uteluften som varmekilde og blåser varm luft inn i boligen, figur 3.1.

11 11 Figur 3.1 Eksempel på luft-til-luft varmepumpe for enebolig De fleste luft-til-luft varmepumpene er reversible og kan også levere kjøling, og betegnes derfor komfortvarmepumper. Ulempen med denne typen anlegg er at de gir mindre energisparing enn ved bruk av andre varmekilder (klimaavhengig), og de egner seg klart best for bruk i områder med milde vintre (kystklima osv.). Ettersom varmefordelingen skjer med varm luft fra en eller flere inneenheter, bør anleggene kun installeres i boliger med åpen planløsning hvor luften kan strømme fritt til de enkelte rom. En bør alltid være oppmerksom på mulig viftestøy fra anleggets inne- og utedel. Driftserfaringene fra denne typen luft-til-luft varmepumper har vært gode så lenge anleggene har vært installert i områder med milde vintre samt at de andre forutsetningene for vellykket drift har vært oppfylt. Det bør imidlertid understrekes at det er meget stor kvalitetsforskjell på denne typen anlegg, og normalt følger pris og kvalitet hverandre. I tillegg finnes det en del useriøse aktører i markedet som har lavt kunnskapsnivå om varmepumper. Det finnes derfor en del eksempler på anlegg av relativt dårlig kvalitet, som dessuten har vært installert i innlandsklima og hvor boligene ikke har vært særlig godt egnet for denne typen installasjoner. I tillegg til lav energisparing blir levetiden relativt kort på grunn av ekstreme driftsforhold med store temperaturendringer på fordampersiden og hyppig avrimning (klimaavhengig). Ved bruk av grunnvarme, sjøvann/innsjøvann eller jord som varmekilde, vil investeringen bli høyere, men anleggene får langt bedre driftsbetingelser, lengre levetid og høyere energisparing. Figur 3.2 viser et eksempel på boligvarmepumpe med grunnvarme som varmekilde. For denne typen boligvarmepumper brukes det nesten utelukkende indirekte systemer på varmeopptakssiden med kollektorslanger, hvor det sirkulerer en frostsikker væske (kapittel 5.3). I grunnvarmesystemer senkes kollektorslangen ned i hullet og utgjør en lukket krets mellom borehullet og varmepumpen. Nødvendig brønndybde vil være i størrelsesorden m, avhengig av blant annet bergart, oppsprekking, grunnvannstilsig og terrengets helning. Årlig energiuttak vil variere fra 100 til 250 kwh per meter borehull. Driftserfaringene fra grunnvarmebaserte varmepumpeanlegg er meget gode både i Norge og Sverige.

12 12 Figur 3.2 Eksempel på borebrønn/kollektor for grunnvarmebasert boligvarmepumpe (fra Norman-Etek AS) 3.2 BOLIGBLOKKER I boligblokker med sentralvarmeanlegg eller felles system for varmtvannsberedning, vil installasjon av varmepumper ofte gi god lønnsomhet. Mange anlegg bruker avtrekksluften fra ventilasjonsanlegget som varmekilde, og dekker hele varmtvannsproduksjonen i blokken, evt. romoppvarming. Hvis det ikke er felles mekanisk ventilasjon, er det aktuelt å bruke eksterne varmekilder som grunnvarme eller sjø. I Oslo er det installert en rekke slike anlegg, og driftserfaringene er meget gode. 3.3 STØRRE BYGNINGER - YRKESBYGG Varmepumper i yrkesbygg leveres i effektklasser fra noen titalls kw til et par MW. Av kostnadsmessige og praktiske hensyn er det først og fremst aktuelt å installere varmepumper i yrkesbygg som har installert vannbåren varme. Andelen vannbåren varme i yrkesbygg er i dag ca. 65%, og det installeres vannbårne lavtemperatur varmedistribusjonssystemer i en økende andel større nybygg. I sin enkleste utførelse dimensjoneres varmepumpen kun for å dekke romoppvarming og oppvarming av ventilasjonsluft. Mange bygninger som blant annet hoteller, sykehus, sykehjem, skoler og idrettshaller har imidlertid et stort forbruk av varmt tappevann, og i mange tilfeller vil det være aktuelt å la varmepumpen dekke hele eller deler av dette behovet. Varmtvannsberedning vil øke varmepumpens driftstid og generelt gi bedre lønnsomhet for anlegget. I bygninger som har stort behov for klimakjøling og/eller dataromskjøling (hoteller, kontorbygg, konferansesentre osv.), har

13 13 det dessuten blitt mer vanlig å installere kombinerte varmepumpe-/kjøleanlegg. Denne typen anlegg har vanligvis svært god lønnsomhet. Aktuelle varmekilder for større varmepumpeanlegg i yrkesbygg er først og fremst sjøvann, grunnvarme, grunnvann, og uteluft. Figur 3.3 viser et eksempel på et varmepumpeanlegg med to varmepumpeaggregater for oppvarming og kjøling av et større kontorbygg. Figur 3.3 Eksempel på varmepumpeanlegg for oppvarming og kjøling av et kontorbygg Driftserfaringene fra større anlegg i yrkesbygg har stort sett vært gode. Det har imidlertid vært en del anlegg som har vært beheftet med driftsproblemer. Det meste av problemene skyldes overdimensjonering av varmepumpen, feilkonstruerte varmeopptakssystem, uegnede løsninger på varmedistribusjonssiden og feil i styre- og reguleringssystemet /6, 7/. Dette viser klart at det trengs tverrfaglig spesialkompetanse for å prosjektere, installere og drive større varmepumpeanlegg. 3.4 FJERNVARME- OG FJERNKJØLESYSTEMER Fjernvarme er en aktuell løsning der flere store varmeforbrukere er samlet på et mindre geografisk område, det vil si i byer og tettsteder. Hvis det dessuten er mange brukere som har et stort behov for ventilasjonskjøling, kan det være aktuelt å bygge et kombinert fjernvarme-/fjernkjøleanlegg basert på varmepumpe. Så lenge det er tilstrekkelig tilgang på en god varmekilde framstår varmepumper i dag som et lønnsomt og miljøvennlig alternativ i nye fjernvarmeanlegg i Norge. Tabell 3.1 gir en oppdatert oversikt over installerte fjernvarme- og fjernkjøleanlegg med varmepumper i Norge. Med hensyn til valg av varmekilde regnes sjøvann som et meget aktuelt alternativ ettersom de største byene ligger langs kysten hvor tilgangen til sjøvann er god. I en del tilfeller kan det også være aktuelt å bruke kloakk/avløpsvann såfremt fjernvarmeanlegget kan plasseres ved en hovedkloakktunnel eller et renseanlegg. Hvis en verken har tilgang på sjøvann eller kloakk kan grunnvann være et alternativ, men det krever svært godt tilsig og tilfredsstillende vannkvalitet. Figur 3.4 viser en prinsipiell skisse av et fjernvarmeanlegg med varmepumpe i energisentralen.

14 14 Tabell 3.1 Varmepumpebaserte fjernvarme- fjernkjøleanlegg i Norge (1998) Anlegg Varmeytelse Kjøleytelse Varmekilde Arbeidsmedium Installert Skøyen Vest 2,1 MW - Kloakk KFK Sandvika 13 MW 9 MW Kloakk HFK-134a 1988 Ålesund 6 MW - Sjøvann HFK-134a 1989 Bodø 1,8 MW - Sjøvann Ammoniakk 1992 Stjørdal 1,4 MW - Kloakk Ammoniakk 1993/-97 Bergen 2 MW 1,5 MW Sjøvann Ammoniakk 1995/-97 Gardermoen 8 MW 6 MW Grunnvann Ammoniakk 1997 Driftserfaringene med varmepumpebaserte fjernvarme- og fjernkjøleanlegg har stort sett vært bra, men noen anlegg har hatt tidvise driftsproblemer i forbindelse med bruk av kloakk som varmekilde (Skøyen Vest), styring og regulering av anleggene (Sandvika, Ålesund) samt uheldig utforming av delsystemer (Bergen). En viktig erfaring er at slike store varmepumpeanlegg ikke bør bygges for komplekse, og det bør i størst mulig grad velges gjennomprøvde systemløsninger. Lønnsomheten er dessuten svært avhengig av at kostnadene for selve rørnettet holdes på et akseptabelt nivå. Vanskelige grunnforhold med mye fjell, kryssing av gater osv. har for noen anlegg medført uforholdsmessige store kostnader (Ålesund). Det er derfor svært viktig at kulvertkostnadene blir riktig stipulert i forprosjektet. Figur 3.4 Eksempel på varmepumpeaggregater installert i et stort fjernvarmeanlegg

15 15 Et annet problem med denne typen anlegg er at investeringene og inntjeningen kan bli sterkt faseforskjøvet hvis de fleste abonnentene først kobler seg til nettet lang tid etter at anlegget står klart. Dette kan også føre til driftsproblemer og lav effektfaktor for selve varmepumpeanlegget på grunn av drift på dellast over lang tid (Sandvika). Det bør derfor alltid foreligge en plan som sikrer at de fleste abonnentene kan kobles til nettet i rimelig tid etter at anlegget er ferdigstilt. 3.5 NÆRVARMEANLEGG I en del tilfeller kan det være økonomisk gunstig at grupper av eneboliger, rekkehus, osv. knyttes sammen i et nærvarmeanlegg med felles energisentral. Nærvarmeanlegg kan lett tilpasses mindre utbyggingsområder, og en har flere muligheter når det gjelder valg av varmekilde enn for større anlegg. Nærvarme er generelt sett bedre tilpasset norsk bosettingsmønster og infrastruktur enn store fjernvarmeanlegg. I tillegg til forbedret økonomi, vil et varmepumpebasert nærvarmesystem oppnå høyere årsvarmefaktor og dermed større energisparing enn mange små boligvarmepumper. Ettersom kvalifisert personale vil ha ansvar for all drift og vedlikehold av anlegget, vil den enkelte abonnent slippe alle tekniske vurderinger og inngrep. Det er forøvrig mest vanlig at sentrale utbyggingsselskaper, boligbyggelag og energiselskaper står som ansvarlig for denne typen utbygginger. Et nærvarmeanlegg bygges i prinsippet opp som et lite fjernvarmeanlegg. Energisentralen, som blant annet består av en varmepumpe og kjel for spisslast, dekker husstandenes romoppvarmingsbehov. Normalt vil elektriske beredere plassert i de enkelte boliger dekke varmtvannsbehovet, men det er også en mulighet at nærvarmeanlegget står for forvarming av varmtvann. I motsetning til store fjernvarmesystemer benyttes nesten alltid direkte tilkobling av de enkelte abonnentene til primærnettet. Hvis energisentralen skal forvarme varmtvann benyttes varmevekslere mellom primærnettet og varmtvannskretsene (indirekte tilkobling). Det er forøvrig mest hensiktsmessig at hver husstand eller bygg får installert utstyr for individuell energiavregning, ettersom felles avregning etter boligareal osv. erfaringsvis vil kunne føre til energisløsende vaner. Figur 3.5 viser til en teknologikonkurranse i Bergen i 1997 hvor vinnerutkastet ble et sjøvannsbasert nærvarmeanlegg som skal levere varme til ca. 150 boliger. Figur 3.5 Vinner i teknologikonkurranse i nærvarmeanlegg med varmepumper

16 16 4 INVESTERINGSKOSTNADER OG LØNNSOMHET Varmepumpeanlegg koster av ulike grunner mer i anskaffelse enn andre oppvarmingssystemer, men på grunn av vesentlig lavere forbruk av høyverdig energi får anleggene svært lave driftskostnader. Varmepumper vil derfor i mange tilfeller kunne framstå som det mest lønnsomme alternativet når årskostnader og andre lønnsomhetskriterier legges til grunn. Lønnsomheten for et varmepumpeanlegg er i vesentlig grad knyttet til utforming og god utnyttelse av anlegget, og de viktigste faktorene omfatter: Spesifikk anleggsinvestering (kr/kw) og rentenivå Ekvivalent driftsid for anlegget Varmepumpeanleggets årsvarmefaktor Energipriser Spesifikk investering for et varmepumpeanlegg [kr per kw installert varmeytelse], avtar med økende størrelse for anlegget. Figur 4.1 viser kostnadskurver for ulike størrelser av varmepumpeanlegg. Det er oppgitt kostnader for varmepumpeaggregater samt komplette varmepumpeanlegg (energisentraler) inkl. spisslastkjel og annet nødvendig hjelpeutstyr. Spesifikk investering for varmepumpeaggregater samt ferdige monterte varmepumpeanlegg inkl. spisslastenhet 25000,0 Spesifikk investering (kr/kw) 20000, , ,0 5000,0 0,0 1,0 10,0 100,0 1000, , ,0 Aggregatstørrelse (kw) Spesifikk investering, varmepumpeaggregat Spesifikk investering, komplett varmepumpeanlegg P&D-anlegg, varmepumpeaggregat P&D-anlegg, komplett varmepumpeanlegg Spesifikk investering, varmepumpeaggregat med NH3 Figur 4.1 Investeringskostnader (kr/kw) for varmepumpeaggregater og komplette varmepumpeanlegg Tallmaterialet er basert på kostnader for prototyp- og demonstrasjonsanlegg (P&D-anlegg) fulgt opp av SINTEF Energiforskning AS i perioden /2, 6, 7/ samt innhentede kostnader fra norske konsulenter (rådgivere), entreprenører og leverandører, april Figuren viser at spesifikk investering stabiliserer seg på ca kr/kw for store varmepumpeanlegg. Varmepumper med ammoniakk som arbeidsmedium har typisk 15-20% høyere årsvarmefaktor enn aggregater med konvensjonelle arbeidsmedier. Ammoniakkanlegg er imidlertid noe dyrere i innkjøp, og det er først og fremst er aktuelt å bruke ammoniakk på større anlegg i yrkesbygg.

17 17 Tilbakebetalingstider for ulike typer av varmepumpeanlegg vil typisk kunne være (1998-nivå): Boliger 5-12 år (luft-til-luft og vann-til-vann varmepumper) Yrkesbygg 3-5 år (vann-til-vann varmepumper) Industri 1-3 år (vann-til-vann varmepumper og anlegg integrert i prosesser) 5 MULIGE MILJØPROBLEMER MED VARMEPUMPER 5.1 EVENTUELLE UTSLIPP AV DRIVHUSGASSER Syntetiske arbeidsmedier som HFK (kapittel 3.5.5) bidrar til drivhuseffekten hvis de ved utilsiktede lekkasjer slipper ut av anleggene. GWP-verdiene (GWP Global Warming Potential) i forhold til CO 2 for de mest brukte HFK-mediene ligger i området De naturlige arbeidsmediene, ammoniakk, hydrokarboner og CO 2, har ingen negative miljømessige konsekvenser, og forventes derfor å ta en stadig større andel av markedet i tiden framover. Dagens varmepumpeanlegg har relativt lav arbeidsmediefylling (kg/kw) og små lekkasjer. Det er derfor vanlig å regne med en årlig lekkasjerate på maksimalt 3-5%. Hvis en tar utgangspunkt i et anlegg på 100 kw med 15 kg HFK-134a, årlig varmeproduksjon 400 MWh, COP 3,5, årlig lekkasjerate 5% og 20 års levetid, vil utslippene av HFK tilsvare utslipp av ca. 19 tonn CO 2. Det tilsvarer brenning av ca liter olje. Energisparingen i denne 20-års perioden tilsvarer imidlertid ca. 2,3 GWh, eller liter olje. Netto, positiv miljøeffekt blir derfor meget betydelig. Hvis anlegget alternativt hadde brukt ammoniakk, propan eller CO 2 som arbeidsmedium ville de eneste klimagassutslippene komme fra en eventuell olje- eller gassfyrt spisslastkjel. 5.2 TEMPERATURSENKNING I VARMEKILDER Muligheter for temperatursenkning i varmekilden/varmereservoaret må vurderes ved prosjektering av varmepumpeanlegg, og problemstillingen er spesielt aktuell for følgende varmekilder: Ferskvann meget stort varmeuttak fra mindre innsjøer vil kunne føre til en temperatursenkning av de øvre vannlag. Den økologiske påvirkning som kan forventes er svært avhengig av endrede strømforhold, temperaturforandringer og oppumping av dypvann. Store varmepumpeanlegg bør derfor kun hente vann fra store vannmagasiner, dvs. store innsjøer. I små bassenger kan virkningene bli store, og faren for resirkulasjon mellom utløps- og inntaksledningen er også overhengende. Jord stort varmeuttak innenfor et for lite areal vil kunne medføre permafrost. Det er viktig at kollektorslangen får riktig lengde, at en har rikelig med areal for varmeopptak og at klimaet ikke er for kaldt slik at jorden blir tilstrekkelig oppvarmet sommerstid (regenereringsfase). Grunnvarme hvis et stort antall energibrønner for grunnvarme bores innenfor et lite geografisk område vil varmeuttaket fra de enkelte brønnene kunne påvirke hverandre, og føre til lavere temperaturer enn for enkeltbrønner. Det er derfor viktig at brønnene ikke plasseres for tett og at de ligger riktig i forhold til hverandre.

18 18 Sjøvann meget stort varmeuttak fra spesielt trange og små terskelfjorder, som periodevis har begrenset vannutskiftning, vil kunne føre til en temperatursenkning i fjorden. Store sjøvannsbaserte varmepumper vil normalt ikke føre til målbare temperaturendringer på grunn av den betydelige energiomsetningen i sjøvannet (solinnstråling, omrøring). 5.3 LEKKASJER TIL JORD OG GRUNNVANN Lekkasje av sekundærmedium (frostsikker væske) fra jord-, vann- eller grunnvarmekollektorer i varmepumpeanlegg er en mulig kilde til forurensning av jord og grunnvann. Det har tidligere vært brukt etylenglykol som sekundærmedium (helsefarlig), mens det i dag er mer vanlig å bruke f.eks. etanol. Nye, miljøvennlige sekundærmedier har dessuten kommet på markedet (f.eks. kaliumformiat), og vil etterhvert bli brukt i denne typen anlegg. Svenske undersøkelser har vist at risikoen for lekkasje i alle tilfelle er særdeles liten ettersom det brukes helsveiste plastslanger, og slangene normalt ligger meget godt skjermet mot mekanisk belastning.

19 19 REFERANSER 1. SINTEF Energiforskning AS, Avdeling klima- og kuldeteknikk og Norsk varmepumpeforening (NOVAP). Varmepumpestatistikk. 2. Stene, J. og Eggen, G.: Strategic Alliances National Opportunity Paper on Heat Pumps Norway. SINTEF-rapport STF84 A ISBN SINTEF Energiforskning AS. Trondheim, april Energidata AS: "Anvendelse av varmepumper - rammebetingelser". ED /115. Trondheim juli Rapporten består av følgende delrapporter: 4. Stene, J.: Varmepumper grunnleggende varmepumpeteknikk 4. utg SINTEFrapport STF11 A ISBN SINTEF Energiforskning AS. Trondheim Stene, J.: Varmepumper bygningsoppvarming 3. utg SINTEF-rapport STF11 A ISBN SINTEF Energiforskning AS. Trondheim, Eggen, G.: Erfaringer fra prototyp- og demonstrasjonsanlegg for varmepumper. SINTEF-rapport STF11 A SINTEF Energiforskning AS, Klima- og kuldeteknikk Eggen, G.: Driftserfaringer fra SINTEFs oppfølgingsprogram for varmepumper. Foredrag ved Norsk Kjøleteknisk Møte, mars Kuldehåndbok Skarland Press AS. ISBN Oslo, November VVS Årbok 1998 VVS-bransjens oppslagsverk. Skarland Press AS. Oslo, Februar 1998.