VARMEPUMPER. NTNU Det skapende universitetet. TEP4120 Termodynamikk 1. Førsteamanuensis II, NTNU-EPT Spesialist, COWI AS. dr.ing.

Transkript

1 TEP4120 Termodynamikk 1 VARMEPUMPER dr.ing. Jørn Stene Førsteamanuensis II, -EPT Spesialist, COWI AS Jørn Stene jost@cowi.no

2 Varmepumper i bygninger og industri Hvorfor bruker vi varmepumper Hvordan virker en varmepumpe Hvor kan en varmepumper hente varme fra Hvor mye energi sparer en varmepumpe Hvor bruker vi varmepumper Hvilken betydning har varmepumper i Norge Jørn Stene jost@cowi.no

3 Varmepumpen flytter varme TILFØRT ELEKTRISITET (P) 20 50% VARME- LEVERANSE 100% (Q) VARME- PUMPE Romoppvarming Ettervarming av ventilasjonsluft Varmtvannsberedning Kjøling (frikjøling, mekanisk kjøling) Q COP P VARMEKILDE 50 80% Jørn Stene jost@cowi.no

4 Varmepumper brukes i... Boliger og større bygninger Romoppvarming Oppvarming av ventilasjonsluft Varmtvannsberedning Klimakjøling og dataromskjøling 45% av total energibruk til drift av bygninger inkl. oppvarming og kjøling Industri Oppvarming av prosessvann Tørking Inndampning Destillasjon Dampproduksjon Jørn Stene

5 Varmepumper henter varme fra... Uteluft Sjøvann Grunnvann Fjell Jord Ferskvann (elver/innsjøer) Omgivelsesvarme (fornybar energi) Ventilasjonsluft Avløpsvann/kloakk Spillvann (gråvann) Kjølevann (industri) Overskuddsvarme (spillvarme) Jørn Stene

6 Slik virker en varmepumpe ELEKTRISITET VARMEBEHOV +30 til +90 C VARMEKILDE -20 til +10 C Sirkulerende arbeidsmedium Jørn Stene jost@cowi.no

7 Varmetransport med et arbeidsmedium Eksempel fordampning og kondensasjon av vann Temperatur [ C] 100 C B fordampning / kondensasjon 2258 kj/kg C oppvarming av damp (overhetning) smelting av is 0 C nedkjøling av is A 419 kj/kg 335 kj/kg oppvarming av vann 1 kw = 1 kj/sekund 1 kwh = 1 kj/s 3600 s = 3600 kj entalpi [kj/kg] Trykk = 1 bar (atm.) Jørn Stene jost@cowi.no

8 Koking av vann ved ulike lufttrykk Jo lavere trykk, desto lavere kokepunkt og vice versa Mount Everest 8848 moh Galdhøpiggen 2469 moh 70 C Ved sjøen Høytrykkskoker 0 moh 92 C 100 C 120 C Jørn Stene jost@cowi.no

9 Arbeidsmedier trykk og temperatur Eksempel på metningskurver for utvalgte medier CO 2 R717 Trykk A R410A R290 R134a R407C Trykk B Temperatur B Temperatur A Jørn Stene jost@cowi.no

10 Hva skjer inne i en varmepumpe? Varmestrøm = Q k sirkulerende arbeidsmedium UT Høyt trykk Høy temperatur INN f.eks. radiatorvann Kondensator (p k, t k ) Tilført el. = W Kompressor Strupeventil Lavt trykk motor Lav temperatur INN f.eks. sjøvann Fordamper (p f, t f ) UT Varmestrøm = Q o Jørn Stene jost@cowi.no

11 Figur Einar Oterholm Slik virker en varmepumpe (1) 1. Fordamper = varmeveksler Arbeidsmediet (væske) tar opp varme fra varmekilden ved at det koker ved lavt trykk og lav temp. Jørn Stene jost@cowi.no

12 Figur Einar Oterholm Slik virker en varmepumpe (2) 2. Kompressor = trykkøkende komponent Kompressoren øker trykket på arbeidsmediet (gass), og temperaturen øker Jørn Stene jost@cowi.no

13 Figur Einar Oterholm Slik virker en varmepumpe (3) 3. Kondensator = varmeveksler Arbeidsmediet (gass) avgir varme ved at det avkjøles og kondenserer ved høyt trykk og høy temperatur Jørn Stene jost@cowi.no

14 Figur Einar Oterholm Slik virker en varmepumpe (4) 4. Strupeventil = trykksenkende komponent Strupeventilen senker trykket på arbeidsmediet (væske), og temperaturen avtar Jørn Stene jost@cowi.no

15 Animasjon Slik virker en varmepumpe Figurer Einar Oterholm 1. Fordamper Arbeidsmediet (væske) tar opp varme fra varmekilden ved at det koker ved lavt trykk og lav temp. 2. Kompressor Kompressoren øker trykket på arbeidsmediet (gass), og temperaturen øker 3. Kondensator Arbeidsmediet (gass) avgir varme ved at det avkjøles og deretter kondenserer ved høyt trykk og høy temp. 4. Strupeventil Strupeventilen senker trykket på arbeidsmediet (væske), og temperaturen avtar Jørn Stene

16 Slik er varmepumpeprosessen Figur Jørn Stene, COWI AS Fordamper (4 1) Varmeopptak fra varmekilde ved koking (fordampning) av en væske ved konstant trykk og temperatur Energibalanse + Kompressor (1 2) Trykk- og temperaturøkning for gassen ved tilførsel av mekanisk arbeid (elektromotor) Kondensator (2 3 3) Varmeavgivelse til varmeforbruker ved avkjøling og deretter kondensering av gassen ved konstant trykk og temperatur Strupeventil (3 4) Trykk- og dermed temperatursenking for væsken Jørn Stene jost@cowi.no

17 Så effektiv er en varmepumpe COP* (effektfaktoren) avtar med økende temperaturløft Q k Q 0 W C Q k W T k T k T 0 COP C C Q k W COP 2 til 5 * COP = Coefficient of Performance Jørn Stene jost@cowi.no

18 Så mye energi sparer en varmepumpe Energisparing = fornybar varme (og kjøling) Qk 1 Q0 Qk E 1 100% COP COP 50% 33% 25% 20% 50% 67% 75% 80% COP=2 COP=3 COP=4 COP=5 Jørn Stene jost@cowi.no

19 Varmepumpe = fornybar varme Eksempel sammenlikning med solvarmesystem COP=3 Elektrisk system Fornybar varme Varmepumpe Solvarme 40-50% 100% 65% Tilført elektrisitet 35% 50-60% Jørn Stene jost@cowi.no

20 Varmepumper Fornybar varme og kjøling fra Energi 21, 2009 Fornybar varme Fornybar kjøling Jørn Stene

21 CO 2 som arbeidsmedium i varmepumper Miljøvennlig gode termofysikalske egenskaper Karbondioksid (R744, CO 2 ) er 100% miljøvennlig ODP = 0, GWP=0 Ugiftig (TLV 5000 ppm), ubrennbar Varmeavgivelse ved overkritisk trykk Avkjøling av mediet, ikke kondensasjon Kan levere varme ved høye temperaturer (90 C +) Høye systemtrykk ( bar) Høy gasstetthet og moderat molekylvekt Høy volumetrisk varmeytelse små kompressorer Små dimensjonerer på rør, ventiler osv. Gunstige termofysikalske egenskaper kan gi høy COP Meget god varmeovergang i varmevekslere Lavt trykkforhold gir høy kompressorvirkningsgrad Jørn Stene jost@cowi.no

22 Varmepumpeprosess med CO 2 Eksempel på prosessforløp i p-h diagram Jørn Stene jost@cowi.no

23 CO 2 -varmepumpe laboratorieoppgave Prosessforløp i et temperatur/entalpi-diagram Jørn Stene jost@cowi.no

24 CO 2 som arbeidsmedium i varmepumper Best ved varmeavgivelse over stort temperaturområde Konvensjonell varmepumpe t kond Varmeavgivelse ved konstant temperatur og konstant trykk COP i stor grad bestemt av kondenseringstemperaturen t kond dvs. utgående vanntemperatur t K-UT CO 2 -varmepumpe Varmeavgivelse ved glidende temperatur og konstant trykk COP i stor grad bestemt av CO 2 - temperaturen fra gasskjøleren t H-UT dvs. inngående vanntemperatur t K-INN t K-INN t H-UT t K-INN t K-UT t H-INN t K-UT Jørn Stene jost@cowi.no

25 CO 2 -varmepumpe laboratorieoppgave Verdens første serieproduserte CO 2 -varmepumpe 4,5 kw CO 2 -varmepumpe fra Japan for varmtvannsberedning oppgaver: Få kjennskap til anleggsoppbygging og komponenter Måle temperaturer, trykk og termisk energi beregne varmeytelse og COP Jørn Stene jost@cowi.no

26 Salg av varmepumper i Norge Antall solgte anlegg per år stabilisert på høyt nivå 8-9 TWh varmeleveranse derav 5 TWh netto energisparing (fornybar energi) Kilde: Norsk varmepumpeforening Jørn Stene jost@cowi.no

27 Salg av varmepumper i Europa Antall solgte anlegg per år i perioden 2003 til 2009 Statistikken omfatter AU, CH, DE, FR, GB, IT, NO, SE og SF 2,5-3 mill. varmepumper i Europa fra 2003 netto energisparing 30 TWh/år Kilde: European Heat Pump Association (EHPA) Jørn Stene jost@cowi.no

28 Varmepumper i bygninger Romoppvarming Oppvarming av ventilasjonsluft Varmtvannsberedning Klimakjøling, dataromskjøling Luft/luft-varmepumpe 5 kw Sjøvanns-varmepumpe 900 kw Kompakt-aggregat 2 kw Berg-varmepumpe 8 kw Kloakk-varmepumpe kw Jørn Stene jost@cowi.no

29 Uteluft/luft-varmepumper Anlegg for boliger Utnytter uteluften som varmekilde Oppvarming og kjøling Varmer inneluften ved hjelp av én eller to kondensatorer (inne-enheter) Varmer ikke varmtvann Kan brukes til klimakjøling ved at anlegget reverseres (4-veis ventil) Ytelses- og COP-karakteristikk Varmeytelsen og effektfaktoren (COP) avtar med synkende utelufttemperatur Behov for tilleggsvarme (spisslast) Teknologisk status marked i Norge Betydelig marked i Norge Store kvalitetsforskjeller på aggregater Jørn Stene jost@cowi.no

30 Uteluft/vann-varmepumper Anlegg for alle typer bygninger Utnytter uteluften som varmekilde Basisteknologi og egenskaper i stor grad som for uteluft/luft-varmepumper Oppvarming og kjøling Varmtvannsberedning ulike metoder for forvarming eller full oppvarming Romoppvarming via vannbårent varmedistribusjonssystem (ulike systemer) Noen anlegg kan levere klimakjøling Økende salg i Norge/Europa Billigere enn bergvarmepumper Har begrenset leveringstemperatur Introdusert anlegg som kan levere varme ved høyere temperatur CO 2 -varmepumpe (Japan) Jørn Stene jost@cowi.no

31 CO 2 -varmepumper Varmtvannsberedning eller kombidrift Anlegg for kun varmtvannsberedning Japan solgt flere millioner enheter for boliger Japan solgt mange tusen større anlegg (10-35 kw) Økende antall Europeiske produsenter av større anlegg, uteluft eller vann som varmekilde 20 kw til 1 MW ytelse Anlegg for varmtvanns-/romoppvarming i boliger Japan solgt flere hundre tusen enheter Kun et fåtalls Europeiske produsenter Jørn Stene jost@cowi.no

32 Avtrekksluft-varmepumper Anlegg for lavenergiboliger og passivhus Varmekilde(r) Avtrekksluft før/etter varmegjenvinneren Eventuelt uteluft (evt. forvarmet) Oppvarming og kjøling Varmtvannsberedning Ettervarming av tilluft i ventilasjonsanlegget Romoppvarming oppvarming av tilluft Evt. kjøling av tilluften COP varmeopptak marked i Norge Anlegg med kun avtrekksluft som varmekilde har begrenset varmeytelse Anlegg med to varmekilder oppnår høyere varmeleveranse men lavere COP Begynnende salg i Norge Kompakt-varmepumpe (CHVD) Jørn Stene jost@cowi.no

33 Sjøvanns-varmepumper Anlegg for større bygninger og fjernvarmeanlegg Varmekilde Sjøvann (Golfstrømmen) direkte eller indirekte systemløsning Oppvarming og kjøling Romoppvarming Varmtvannsberedning Oppvarming av ventilasjonsluft Kjøling frikjøling, evt. kjøledrift Royal Garden Hotel, Tr.heim 700 kw COP varmeopptak marked i Norge Relativ konstant temperatur på varmekilden gir høy energidekning og høy COP Krever godt varmeopptakssystem for å unngå begroing, frost og korrosjon Flere hundre større anlegg installert i Norge Fornebu 12 (25) MW Jørn Stene jost@cowi.no

34 Berg-varmepumper Anlegg for alle bygninger samt fjernvarme/-kjøleanlegg Varmekilde meter vertikale borehull i fast fjell, indirekte system med kollektorslanger Oppvarming og kjøling Romoppvarming Varmtvannsberedning Oppvarming av ventilasjonsluft Kjøling frikjøling, evt. kjøledrift COP varmeopptak marked i Norge Relativ konstant temperatur på varmekilden gir høy energidekning og høy COP Indirekte systemløsning gir sikker drift og minimalt med vedlikehold Flere hundre større anlegg installert i Norge i tillegg til mange tusen boliginstallasjoner Ullevoll Stadion 4,5 MW 120 brønner á 250 meter Alnafossen kontorpark 1200 kw 54 brønner á 200 meter Jørn Stene jost@cowi.no

35 Berg-varmepumper Anlegg for alle bygninger samt fjernvarme/-kjøleanlegg Varmepumpe 40 mm plastslanger med sirkulerende frostvæske Varmedrift (varmekilde) Varmepumpe Kjøledrift (varmesluk) Utforming meter dype energibrønner i fast fjell Indirekte systemløsning God varmekilde/-sluk Fornybar varme Fornybar kjøling Systemkrav God berggrunn Lite/ingen løsmasser Gunstig med grunnvann Tilbakeføring av varme i større anlegg for å oppnå varmebalanse Jørn Stene jost@cowi.no

36 Grunnvanns-varmepumper Anlegg for større bygninger og fjernvarme/-kjøleanlegg Varmekilde Oppumpet grunnvann fra meter dype brønner i løsmasser eller fjell Oppvarming og kjøling Romoppvarming Varmtvannsberedning Oppvarming av ventilasjonsluft Kjøling frikjøling, evt. kjøledrift COP varmeopptak marked i Norge Relativ konstant temperatur på varmekilden gir høy energidekning og høy COP Fordrer rent grunnvann for å unngå avsetninger i varmevekslere og pumper Relativt få anlegg installert i Norge Lena Terrasse, Melhus 260 kw Oslo Lufthavn Gardermoen 7 MW Jørn Stene jost@cowi.no

37 Kloakk-varmepumper Anlegg for større fjernvarme- og fjernkjølenett Varmekilde Urenset eller renset kloakk/avløpsvann Oppvarming og kjøling Romoppvarming Varmtvannsberedning Oppvarming av ventilasjonsluft Kjøling via eget fjernkjølenett COP varmeopptak marked i Norge Relativ konstant temperatur på varmekilden gir høy energidekning og høy COP Krevende utforming av varmeopptakssystemet pga. kloakkens egenskaper 4 store anlegg installert i Norge Skøyen Vest, Oslo 28 MW Norges største varmepumpe Jørn Stene jost@cowi.no

38 Varmepumper i industrien Romoppvarming Alle industrisektorer Oppvarming av forbruksvann Alle industrisektorer Oppvarming av prosessvann Settefiskanlegg, næringsmiddelindustri osv. Tørking Trelast-, møbel- og fiskeindustri Inndampning og destillasjon Meierier, papirindustri osv. Varmegjenvinning fra kuldeanlegg Næringsmiddelindustri osv. Konvensjonell varmepumpeprosess Mekanisk rekompresjon (MVR) Termisk rekompresjon Absorpsjonsvarmepumpe Jørn Stene jost@cowi.no

39 Oppsummering Varmepumper Norges 3. største fornybare energikilde i 2011 Ca anlegg Ca. 8 9 TWh/år varmeleveranse Ca. 5 TWh/år energisparing Stort potensial for varmepumper i Norge og resten av Europa/verden Fornybar varme TWh/år ny varmeleveranse innen 2020 Fornybar kjøling stort potensial for frikjøling i større bygninger Svært viktig å fokusere på kvalitet Påvirker energisparing og reduksjon av CO 2 -utslipp i stor grad Omfatter komponentvalg, dimensjonering, oppbygging, systemløsninger, styring/regulering, systemintegrasjon osv. Utdanning av Masteringeniører i varmepumpeteknikk ved, Institutt for energi- og prosessteknikk Jørn Stene jost@cowi.no

40 Energi- og prosessteknikk Instituttets hjemmeside Varmepumpefag ved instituttet Varmepumpe TEP4260 vårfag Varmepumper for bygningsklimatisering TEP16 høstfag (fordypning) Varmepumpeteknikk Jørn Stene