Varmepumper. Luft/vann- kontra vann/vannog væske/vann-aggregater driftsmessige forskjeller. Jørn Stene

Transkript

1 Norsk Kjøleteknisk Årsmøte mars, 2012 Bodø Varmepumper Luft/vann- kontra vann/vannog væske/vann-aggregater driftsmessige forskjeller Jørn Stene COWI AS Divisjon Bygninger NTNU Inst. energi- og prosessteknikk 1

2 COWI AS Flerfaglig rådgivende ingeniørselskap Bygninger Alle fag inkl. varmepumper og kuldeanlegg Industri og energi Miljø og samfunn Samferdsel Vann Om COWI AS Hovedkontor i Danmark Norge - ca. 900 medarbeidere på 21 kontorsteder COWI-gruppen mer enn medarbeidere i 35 land 2

3 Norsk Kjøleteknisk Årsmøte 2012 Bodø Forhold som påvirker drift av varmepumper Varmeopptakssystem Direkte / indirekte systemløsning varmevekslerdimensjonering Varmekildens temperaturnivå variasjoner Korrosivitet materialvalg Forurensninger, begroing rengjøringsbehov Transportkapasitet (kj/m 3 K) Påriming avrimingsbehov (uteluftanlegg) Varmepumpeaggregat Kuldemedium Kompressortype trykklasse, dellastregulering osv. Aggregatoppbygging ett-trinns, to-trinns, economizer, kaskade, EVI osv. Varmedistribusjonssystem Temperaturnivå, lastvariasjoner osv. 3

4 Norsk Kjøleteknisk Årsmøte 2012 Bodø Viktige drifsmessige forhold for varmepumper Energisparing Årsvarmefaktor (SPF netto ) Varmepumpeaggregat(er) inkl. eventuelle vifter og pumper Energidekningsgrad i forhold til årlig varmebehov Referansesystem mht. primærenergiforbruk Levetid El.kjel, oljekjel, gasskjel, biokjel, fjernvarme eller annen varmepumpe Mekanisk belastning på varmeopptakssystem Korrosjon på varmevekslere, rør osv. Slitasje på kompressorer, motorer, ventiler osv. Vedlikeholdsbehov Komponenter Lekkasjetesting osv. 4

5 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Varmekilder oversikt klassifisering Uteluft Sjøvann Grunnvann Omgivelsesvarme (fornybar energi) Grunnvarme (fjell/vann) Ferskvann (elver/innsjøer) Jord Ventilasjonsluft Avløpsvann/kloakk Gråvann (spillvann) Kjølevann (industri) Overskuddsvarme (spillvarme) 5

6 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Varmekilde temperaturforhold VARMEKILDE Typisk temperaturnivå i fyringssesongen -20ºC -10ºC 0ºC 10ºC 20ºC Sjøvann Grunnvann Fjell / berg Innsjøvann Jord Uteluft Ventilasjonsluft Kloakk Gråvann 3-8 C 4-8 C -4 til 8 C 0-5 C -5 til 0 C -40 til 10 C 4-12 C C 20 C 6

7 Temperatur ( C) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Månedsmiddeltemperatur ulike varmekilder Uteluft Meget store variasjoner over året og mellom ulike klimasoner Sjøvann Moderate variasjoner, faseforskjøvet 1-3 mnd. i forhold til uteluft A B C D E Grunnvann fjell Meget små variasjoner over året, noe større variasjon mellom ulike klimasoner A Uteluft Bergen, B Uteluft Trondheim, C Uteluft Røros D Sjøvann, -20 m, Vestlandet, E Grunnvann, Elverum 7

8 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Klassifisering luft/vann-varmepumper A1.1 Direkte systemløsning Fordamper, kompressor mv. utendørs Sirkulasjon av arbeidsmedium i rør mellom uteluft-fordamper og vannkjølt kondensator i teknisk rom A1.2 Direkte systemløsning Varmepumpeaggregat utendørs Sirkulasjon av vann mellom kondensator eller gasskjøler i utendørs varmepumpe og varmesystem i teknisk rom A1.3 Direkte systemløsning Varmepumpeaggregat innendørs Sirkulasjon av uteluft i kanaler gjennom vegg til/fra varmepumpens fordamper plassert i teknisk rom Luft Utendørs Luft Fordamper Fordamper Varmepumpe-aggregat Kondensator Gasskjøler Luft Fordamper Teknisk rom Kondensator Varmepumpe-aggregat Kondensator Varmesystem Varmesystem Varmesystem 8

9 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Klassifisering luft/vann-varmepumper A2.1 indirekte systemløsning Utendørs Varmepumpe-aggregat Teknisk rom Luft/vann reversibelt varmepumpeaggregat plassert utendørs Luft Sekundærkrets Varmesystem Bruk av 4-veis ventil for sjalting mellom varme- og kjøledrift Fordamper, kondensator Kondensator, fordamper Varmeveksler Sekundærkrets med sirkulerende frostvæske mellom kondensator og varmeveksler i teknisk rom A2.2 indirekte systemløsning Væske/vann varmepumpeaggregat plassert i teknisk rom Sekundærkrets med sirkulerende frostvæske mellom luftkjøler og varmepumpens fordamper i teknisk rom Luft Luftkjøler (varmeveksler) Sekundærkrets Varmepumpe-aggregat Fordamper Kondensator Varmesystem 9

10 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Klassifisering vann/vann og væske/vann B1.3 Direkte systemløsning Varmepumpens fordamper er i direkte kontakt med varmekilden (sjøvann, grunnvann, kloakk osv.) Fordamperen må utformes/driftes for å unngå korrosjon, beleggdannelse, gjentetting og frost Gir høyere fordampningstemperatur enn indirekte varmeopptakssystem Varmekilde Utendørs Teknisk rom Varmepumpe-aggregat Fordamper Kondensator Varmepumpe-aggregat Varmesystem B2.1 Indirekte systemløsning Varme fra varmekilden (sjøvann, grunnvann, fjell osv.) overføres via en sekundærkrets med sirkulerende frostvæske og varmeveksler Kilde Varmeveksler Sekundærkrets Fordamper Kondensator Varmesystem Kan benytte standard-aggregat 10

11 Relativ Relativ kondensatorytelse kondensatoreffekt (-) (-) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Avgitt varmeeffekt vs. fordampningstemp., t f 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 R410A R407C R134a R744 (CO2) R717 (NH3) R290 (propan) Avgitt varmeeffekt avtar med 3-4 % per C senkning av t f Redusert tetthet på sugegassen og dermed lavere massestrøm, m R (kg/s) ved avtagende t f Avtagende volumetrisk virkningsgrad (l) ved økende trykkforhold (p) 0, Fordampningstemperatur, ( C) t f ( C) Ett-trinns anlegg t k =45 C eks. kompressorvirkningsgrader Minst relativ reduksjon i avgitt varmeeffekt R744 (CO 2 ), R410A og R290 (propan) 11

12 Pressure [Bar] Trykk (bar) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Ytelse og COP for luft/vann CO 2 -varmepumpe 100,00 90,00 80,00 R744 Ref :W.C.Reynolds: Thermodynamic Properties in SI DTU, Department of Energy Engineering s in [kj/(kg K)]. v in [m^3/kg]. T in [ºC] M.J. Skovrup & H.J.H Knudsen C A 30 C 0,0015 B 40 C s = 1,45 0,0020 s = 1,50 s = 1,55 C s = 1,60 s = 1,65 50 C 0,0030 s = 1,70 0,0040 D 0,0050 0,0060 0,0070 0,0080 0, ,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20, v= 0,0030 v= 0,0040 x = 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,40,60 s = 1,00 1,20 1 1,80 v= 0,0060 v= 0, Enthalpy [kj/kg] 30 v= 0, Q COP 10 W 5 v= 0,015 Spesifikk entalpi (kj/kg) s = 1, s = 1,80 GK -1 0 s = 1,85 s = 1, s = 1,95 20 s = 2,00 30 s = 2,05 Q GK-A =100% Q GK-B = 83% Q GK-C = 56% s = 2,10 Q GK-D = 34% s = 2, s = 2,20 s = 2,25 s = 2,30 s = 2,35 0,010 0,015 COP A =4,3 (77%) 0,020 COP B =3,5 (71%) COP C =2,4 (58%) COP D =1,5 (31%) 0,030 Varmeytelse og COP avtar raskt med økende returtemp. i varmesystemet CO 2 -anlegg for varmtvannsberedning og evt. lavtemp. varmesystemer 12

13 Effektfaktor (-) Relativt effektfaktor, COP (-) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Effektfaktor (COP) vs. fordampningstemp., t f 10,0 8,0 6,0 4,0 R410A R407C R134a R744 (CO2) R717 (NH3) R290 (propan) Effektfaktoren (COP) avtar med 2-3 % per C senkning av t f Økt temperaturløft (Dt) for varmepumpen ved synkende t f Avtagende isentropisk virkningsgrad (h is ) ved økende trykkforhold (p) 2, Fordampningstemperatur, ( C) t f ( C) Ett-trinns anlegg t k =45 C eks. kompressorvirkningsgrader Høyeste prosess-cop R717 (ammoniakk), R134a og R290 (propan) R744 (CO 2 ) kan oppnå høy COP ved lav returtemperatur i varmesystemet 13

14 Trykkgasstemperatur ( C) ( C) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Trykkgasstemp. vs. fordampningstemp., t f R410A R407C R134a R744 (CO2) R717 (NH3) R290 (propan) Trykkgasstemperaturen øker med synkende t f Økt temperaturløft (Dt) for varmepumpen ved synkende t f Avtagende isentropisk virkningsgrad (h is ) ved økende trykkforhold (p) Fordampningstemperatur, ( C) t f ( C) Ett-trinns anlegg t k =45 C eks. kompressorvirkningsgrader Høy trykkgasstemp. gir termisk belastning Koksing av olje, nedbryting av kuldemedium og økt lekkasjerisiko Økt slitasje og økt risiko for kompressorhavari 14

15 Trykkforhold (-) (-) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Trykkforhold. vs. fordampningstemperatur, t f R410A 10 R407C 9 R134a 8 R744 (CO2) 7 R717 (NH3) 6 R290 (propan) Fordampningstemperatur, ( C) t f ( C) Ett-trinns anlegg t k =45 C eks. kompressorvirkningsgrader Trykkforholdet øker med synkende t f Økt trykkdifferanse (Dp) for varmepumpen ved synkende t f Avtagende kompressorvirkningsgrader ved økende trykkforhold (p) Høyt trykkforhold gir mekanisk belastning Økt slitasje og økt risiko for kompressorhavari Maksimalt trykkforhold typisk 1:8 for stempelog scroll-kompressorer 15

16 Effektfaktor (COP) Prosentvis energisparing, DE Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Effektfaktor, årsvarmefaktor og energisparing Temperaturløft, Dt Årsvarmefaktor, SPF (-) Prosentvis energisparing DE beregnet i forhold til elektrisk oppvarming Ulineær sammenheng mellom årsvarmefaktor (SPF) og energisparing 16

17 Utelufttemperatur ( C) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Utluft/vann-varmepumpe driftsområde Varmemodus Driftsområde Utgående vanntemp. ( C) Eksempel Standard R410A varmepumpe/kjølemaskin Nom. varmeytelse 150 kw Stopptemperatur: ca. -12 C t vann < 40 C ved t ute = -12 C t vann < 50 C ved t ute 0 C Trykkforhold og trykkgasstemp. begrenser kompressorens arbeidsområde Begrenset vanntemp. fra kond. red. varmelev. ved høye temperaturkrav 17

18 Effektfaktor, COP (COP) (-) Varmeytelse Avgitt varmeeffekt (kw) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Utluft/vann-varmepumpe ytelse og COP C 40 C 50 C Eksempel Standard R410A varmepumpe/kjølemaskin ,520 Utelufttemperatur ( C) COP og varmeytelse avtar med synkende utelufttemperatur (kildetemp.) 6,0 5,5 5,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Nom. varmeytelse 150 kw 30 C 40 C 50 C Utelufttemperatur ( C) ( C) 18

19 Netto effektbehov (%) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Effektdekning og energidekning ulike kilder P N Q VP varmepumpens varmeproduksjon Spisslastenhetens varmeproduksjon Uteluft a = % Fjell, vann a = % Q VP Relativt effektbehov Tilgjengelig varmeeffekt Vann og fjell relativt stabil kildetemperatur og flat effektkarakteristikk Uteluft store temperaturvarisjoner og steil effektkarakteristikk Temperaturbegrensning for varmepumpeaggregatet vil kunne redusere energidekningen, a Varighet (dager) Prinsipiell effekt-varighetskurve klimaavhengige varmelaster Q α Q VP totalt 100 % 19

20 Rel. Relativ energisparing, DE (%) (%) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø SPF og energidekning relativ energisparing SPF=2,0 SPF=2,5 SPF=3,0 SPF=3,5 SPF=4,0 SPF=5,0 5,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Varmepumpesystemets relative energisparing DE (%) gitt av: Årsvarmefaktor, SPF Energidekning, a Midlere virkningsgrad for spisslastanlegg, h Varmepumpens energidekning, DQ (%) a (%) Forenklet sammenlikning el. som referanse og som spisslast DE 1 α SPF (1 α) 100 % η Årlig energisparing påvirkes i stor grad av energidekningen, a 20

21 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Uteluft/vann-varmepumper egenskaper Installasjon muligheter og begrensninger Uteluft er den mest tilgjengelige varmekilden Varmeytelse og COP endrer seg med utelufttemperaturen Varmeveksler krever tidvis avriming energibruk, evt. problemer Utedelen genererer støy utfordringer mht. plassering, low noise Maks. vanntemp. typisk C begrensning ved høye temp.krav! Noen få anlegg har C maksimal vanntemperatur Kan evt. levere kjøling men ikke frikjøling i særlig stor grad Investering, energisparing og levetid Rel. lav investering da fordampersyst. er en integrert del av anlegget Moderat energisparing pga. moderat energidekning og moderat SPF Moderat levetid pga. store temperaturvariasjoner (slitasje osv.) 21

22 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Bergvarmepumper egenskaper Installasjon muligheter og begrensninger Varmeytelse og COP ikke påvirket av utetemperaturen Har høy varmeleveranse og høy COP når el.prisen er høyest Varmekilde og -sluk kan levere mye frikjøling (fornybar kjøling) Brønnene kan plasseres under bygninger, i terreng osv. støyfritt Maks. vanntemperatur C begrensning ved høye temp.krav! To-trinns anlegg kan levere varme opp til C kostbare anlegg Stor løsmassetykkelse, manglende areal til brønner osv. begrensning Viktig med korrekt dimensjonering/utforming/drift av brønnsystemet! Investering, levetid og energisparing Relativt høy investering da energibrønnene er kostbare Kan oppnå høy energisparing ved høy energidekning og høy SPF Lang levetid ved korrekt dim. anlegg og lavtemperatur varmesystem 22

23 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Driftsproblemer varmeopptakssystemer Gjenfrysing av luftfordamper Utfelling av jernoksid i grunnvannssystem Setningsskade i energibrønn Fouling i rørkjelvarmeveksler Fouling i platevarmeveksler Slamutfelling i kloakkvarmeveksler 23 1 MARS 2012

24 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Eksempel luft/vann- vs. bergvarmepumpe Varmeleveranse til en eksisterende, større bygning Dominerende klimaavhengig varmebehov, noe varmtvannsbehov Målsetting skifte ut oljefyrt kjelsentral med fornybar varmekilde Underlagsdata Klimadata Trondheim, DUT=-19 C og t m = 4,9 C Varmebehov Netto effektbehov, klimaavhengig varmebehov: 450 kw Årlig klimaavhengig varmebehov: kwh/år Årlig varmtvannsbehov: kwh/år Varmesystem Temperaturkrav 60/40 C eller 80/60 C ved DUT Energipris rentenivå vedlikeholdskostnader El.pris: 80 øre/kwh Realrente: 7 % Vedlikehold: 3 % av investeringskostnaden for varmepumpen 24

25 Effekt (kw) Utetemperatur ( C) Temperatur ( C) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Eksempel luft/vann- vs. bergvarmepumpe 500 Figur Geir Eggen Tilsatsvarme -10 Effekt (kw) % Effekt biobrenselanlegg Varighetskurve for effektbehov Klimaavhengig behov Energidekning fra pelletsanlegg Varighetskurve for utetemperatur Varmt tappevann Varighet (døgn (døgn) 15 Dimensjonering varmepumpe 40-70% av netto klimaavhengig effektbehov Gjennomføre teknisk/økonomisk optimalisering inkl. følsomhetsanalyse 25

26 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Eksempel luft/vann- vs. bergvarmepumpe Bergvarmepumpe (væske/vann) 225 kw Standard væskekjøleaggregat (isvannsmaskin) Arbeidsmedium R407C, maks. vanntemperatur 50 C Investeringer Komplett væske/vann-varmepumpe kr Energibrønner i fjell kr Rørinst., automatikk, el.arbeider og maskinrom kr Prosjektering og uforutsatte kostnader (20 %) kr SUM kr Levetid varmepumpeaggregat 15 år Levetid andre installasjoner 20 år Levetid energibrønner 40 år Energidekningsgrad Beregnes Årsvarmefaktor (SPF) Beregnes 26

27 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Eksempel luft/vann- vs. bergvarmepumpe Luft/vann-varmepumpe 225 kw Standard reversibel kjølemaskin med indirekte systemløsning Arbeidsmedium R410A, maks. vanntemp. 40/50 C ved -10/0 C Investeringer Komplett luft/vann-varmepumpeaggregat kr Innkledning/støydempning av fordamper kr Maskinrom/container, rørinst., automatikk kr Prosjektering og uforutsatte kostnader (20 %) kr SUM kr Levetid varmepumpeanlegg 10 år Levetid andre installasjoner 20 år Energidekningsgrad Beregnes Årsvarmefaktor (SPF) Beregnes 27

28 Effekt (kw) Temperatur ( C) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Eksempel luft/vann- vs. bergvarmepumpe Effekt (kw) Tilsatsvarme Effekt biobrenselanlegg Varighetskurve for effektbehov Energidekning fra pelletsanlegg Varighetskurve for utetemperatur Varighet (døgn (døgn) Berg-VP 1 (60/40 C) Energidekning VP 89 % SPF varmepumpe 3,76 SPF inkl. spisslast 2,86 Varmepris (kr/kwh) 0,83 Berg-VP 2 (80/60 C) Energidekning VP 66 % SPF varmepumpe 3,43 SPF inkl. spisslast 1,89 Varmepris (kr/kwh) 0,98 Betydelig reduksjon i varmepumpens årlige varmeleveranse og energisparing ved bruk av standard varmepumpeaggregat og høytemperatur varmesystem 28

29 Effekt (kw) Temperatur ( C) Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Eksempel luft/vann- vs. bergvarmepumpe Effekt (kw) Tilsatsvarme Effekt biobrenselanlegg Varighetskurve for effektbehov Energidekning fra pelletsanlegg Varighetskurve for utetemperatur Varighet (døgn (døgn) Luft-VP 1 (60/40 C) Energidekning VP 75 % SPF varmepumpe 3,36 SPF inkl. spisslast 2,13 Varmepris (kr/kwh) 0,78 Luft-VP 2 (80/60 C) Energidekning VP 45 % SPF varmepumpe 3,54 SPF inkl. spisslast 1,34 Varmepris (kr/kwh) 0,97 Betydelig reduksjon i varmepumpens årlige varmeleveranse og energisparing ved bruk av standard varmepumpeaggregat og høytemperatur varmesystem 29

30 Relativ energisparing Relativ energisparing Relativ energisparing Relativ energisparing Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Feltmålinger boligvarmepumper Luft/vann Væske/vann relativ energisparing (%) CH - luft/vann, væske/vann % 71 % 70 % 67 % 64 % 60 % 58 % 50 % 40 % Ekst. bygg Nye bygg DE - 40 luft/vann, 80 væske/vann % 74 % 70 % 70 % 67 % 62 % 60 % 50 % 40 % Ekst. bygg Nye bygg Ny feltstudie i Norge med 18 luft/vann og væske/vannvarmepumper VVS-foreningen Enova-støttet 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % SE - 1 luft/vann, 4 væske/vann % 70 % 70 % 64 % 66 % Rad./gulv Rad./gulv Rad./gulv Gulv 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % DK - 12 luft/vann, 138 væske/vann % 67 % 65 % 63 % 57 % 53 % Rad. Rad./gulv Gulv Ny feltstudie med 20 bergvarmepumper i Sverige Flere andre feltstudier i Europa Feltmålinger viser reell energisparing for hele systemet 30

31 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Luft/vann-varmepumper oppsummering Luft/vann- kontra væske/vann/vann-varmepumper Lavere energisparing pga. lavere SPF og lavere energidekning Kortere levetid pga. større variasjon i varmekildens temperatur Lavere utgående vanntemperatur for samme "teknologinivå" Teknologiutvikling for luft/vann-varmepumper, f.eks. To-trinns anlegg Mellomtrykksinnsugning ("economizer") Kaskade-anlegg Scroll-kompressorer med EVI (Economized Vapour Injection) Mono skruekompressorer turtallsregulering, v i -regulering Forbedrede behovsstyrte avrimingssystemer Optimaliserte fordampere større lamellavstand osv. Overflatebehandling av fordampere ("blue/gold coating") Forbedrede styringssystemer osv. 31

32 Norsk Kjøleteknisk årsmøte 2012 Bodø Væske/vann-varmepumper oppsummering Væske/vann/vann- kontra luft-varmepumper Kan oppnå høyere energisparing pga. høyere SPF og høyere energidekn. Kan oppnå lengre levetid pga. mer stabil temperatur på varmekilden Høyere utgående vanntemperatur for samme "teknologinivå" Teknologiutvikling- væske/vann/vann-varmepumpesystemer: Ett-trinns anlegg høytrykks kompressorer, C vanntemp. To-trinns anlegg høytrykks kompressorer, C vanntemp. Twin skruekompressorer turtallsregulering, v i -regulering Fordampere med mikroporøst overflatebelegg (nano-teknologi) Mono skruekompressorer turtallsregulering, v i -regulering Propan (R290) og ammoniakk (R717) aggregater for mindre ytelser Kollektorrør med spiralspor ("turbulenskollektor") Nye varmevekslertyper (f.eks. trommelkollektor) Klasse A sirkulasjonspumper 32

33 Takk for oppmerksomheten! VARMEPUMPE 33