Nedre Melhus Omsorgssenter NOTAT - Vurdering av varmepumpesystem 1 SAMMENDRAG OG KONKLUSJON... 2 2 VURDERING AV VARMEPUMPEANLEGG... 4 2.1 ENERGIRAMMEBEREGNING DIMENSJONERENDE EFFEKT- OG ENERGIDATA... 4 2.2 OVERORDNET TEKNISK LØSNING FOR VARMEPUMPE... 5 2.2.1 Konsept for oppbygging... 5 2.2.2 Varmekilde grunnvann... 5 2.2.3 Dimensjonering og oppbygging... 6 2.3 LØNNSOMHETSBEREGNING... 7 2.3.1 Rammebetingelser... 7 2.3.2 Estimerte effektfaktorer og virkningsgrader... 7 2.3.3 Årlig varmeleveranse og varmepumpeanleggets energisparing... 8 2.3.4 Investeringer... 8 2.3.5 Beregnet årskostnad, spesifikk varmepris, pay-back og pay-off... 9 3 REFERANSER...10 A 14.10.10 Varmepumpevurdering JOST SLI Rev Dato Tekst Egenkontroll Sidemannskontroll TFK/ Godkjent Oppdragsnavn: Oppdragsnr: 131692 Nedre Melhus Omsorgssenter Fil/ark: H:\Prosjekter\MelhusOS_2010\ MelhusOS_VP-vudering_2010.docx Oppdragsgiver: Oppdragsgivers ref: Dokumenttittel: Nedre Melhus Omsorgssenter, vurdering av varmepumpesystem Dokument nr: Saksbehandlere: Jørn Stene Sted/ dato: Trondheim 14.10.2010 Fagansvarlig: Kåre Høstflot
1.1 1 Sammendrag og konklusjon Det er gjennomført en systemvurdering og økonomisk overslagberegning for et varmepumpesystem for romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft, vannvarming og snøsmelting ved Nedre Melhus Omsorgssenter. Totalt oppvarmet bruksareal (BRA) er 6760 m 2. Årlig varmebehov til klimaavhengige behov og varmtvannsberedning er beregnet til henholdsvis 677.000 kwh/år og 202.000 kwh/år, totalt 879.000 kwh/år. Det tilsvarer et spesifikt varmebehov på ca. 115 kwh/(m 2 år). Vurderingene og beregningene i notatet er basert på opplysninger om bygget på et tidlig stadium, dvs. tilgjengelig tegningsunderlag med energirammeberegninger, estimat for systemeffektfaktorer og systemvirkningsgrader samt kostnadsoverslag for komponenter i varmesentralen. I bygningen skal varme leveres via et lavtemperatur radiatorsystem samt gulvvarme i våtrom. Spesifikt varmebehov korrigert for virkningsgrad for varmesentralen med varmepumpe er beregnet til ca. 45 kwh/(m 2 år). Det anbefales å dele varmepumpesystemet opp i to varmepumpeanlegg et anlegg som dekker klimaavhengige varmebehov (romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft og snøsmelting) og et anlegg som dekker varmtvannsbehovet (ca. 25 % av total årlig varmebehov). Til varmtvannsberedning anbefales det å bruke en såkalt CO 2 -varmepumpe med karbondioksid som arbeidsmedium. Denne typen anlegg oppnår mye høyere effektfaktor (COP) enn konvensjonelle varmepumper, og kan levere vann ved 60-90 C uten behov for ettervarming. Det anbefales å benytte grunnvann som varmekilde for varmepumpeanleggene ettersom det finnes store mengder grunnvann av god kvalitet i området. To nærliggende bygg har allerede installert grunnvannsvarmepumper med vannuttak fra løsmasser. Grunnvannet holder ca. 5-6 C hele året, og kan dermed hvis ønskelig benyttes direkte til klimakjøling (frikjøling) hvis det installeres kjølebatterier i tilluftskanalene i ventilasjonssystemet. Følgende lønnsomhetstall er estimert/beregnet: Merinvestering i forhold til et varmeanlegg med elektrokjel: ca. 1.545.000 kr Spesifikk varmepris: ca. 0,48 kr/kwh Nedbetalingstid (pay-back) ca. 4,9 år Inntjeningstid (pay-off) ca. 6,2 år I beregningene er det benyttet konservative verdier for investeringskostnader. Det er videre benyttet 7 % realrente, 15 års avskrivningstid, elektrisitetspris 0,57 kr/kwh eks. mva. og oljepris 0,51 kr/kwh Side 2 av 10
eks. mva. Det er ikke gjennomført noen følsomhetsanalyse, men økende el.pris og økt effektavgift vil favorisere en varmepumpeinstallasjon framfor bruk av el.kjel. På den annen side vil lavere effektfaktor (COP) og høyere rentenivå for varmepumpene gi motsatt effekt. Side 3 av 10
2 Vurdering av varmepumpeanlegg 2.1 Energirammeberegning dimensjonerende effekt- og energidata Årlig energibehov til romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft og oppvarming av varmt forbruksvann i Nedre Melhus Omsorgssenter er beregnet med simuleringsprogrammet Simien [1]. Oppvarmet bruksareal (BRA) for de tre bygningene er 1253 m 2, 3402 m 2 og 2108 m 2, totalt 6760 m 2. Energiforbruk for å holde parkeringskjeller frostfri er tatt med i energibudsjettberegningen. På dager med gjennomsnittstemperatur under 20 C er det forutsatt at det benyttes frikjøling mot uteluft utenom driftstid, og det er ikke tatt med verken sentral eller lokal kjøling. Det vil være et vannbårent snøsmelteanlegg i nedkjøringen til parkeringskjelleren (ca. 200 m 2 ). Beregnet netto energibudsjett for bygningene med klimadata for Trondheim og eks. systemvirkningsgrader for tekniske systemer er som følger [1]: Romoppvarming 54,3 kwh/(m 2 år) ca. 367.000 kwh/år Oppvarming av ventilasjonsluft21,9 kwh/(m 2 år) ca. 148.000 kwh/år Snøsmelting, parkeringskjeller (estimat) 300 kwh/(m 2 år) ca. 60.000 kwh/år Sum, klimaavhengig varmebehov ca. 575.000 kwh/år Vannoppvarming 29,9 kwh/(m 2 år) ca. 202.000 kwh/år Sum varmebehov ca. 777.000 kwh/år Spesifikt varmebehov ca. 115 kwh/(m 2 år) Det er estimert følgende dimensjonerende effektbehov for varmeanlegget ved en driftstid for klimaavhengige varmebehov på 2000 timer/år og snøsmelteanlegg på 3000 timer/år: Romoppvarming ca. 185 kw Oppvarming av ventilasjonsluft ca. 75 kw Snøsmelting ca. 30 kw Sum, klimaavhengig varmeeffektbehov ca. 290 kw Vannoppvarming (gjennomsnittlig effekt + 20%)ca. 30 kw Side 4 av 10
Sum varmeeffektbehov ca. 320 kw 2.2 Overordnet teknisk løsning for varmepumpe 2.2.1 Konsept for oppbygging På grunn av det relativt store varmtvannsbehovet på omsorgssenteret ansees det som formålstjenlig å installere to separate varmepumpeanlegg, dvs.: Et anlegg for å dekke klimaavhengige varmebehov Et anlegg for varmtvannsvarming En oppdeling i to separate varmepumpeanlegg vil gi noe høyere investeringskostnader enn ett anlegg som dekker både klimaavhengige varmebehov og forvarmer tappevann, men vil føre til høyere energisparing. Dette skyldes at varmepumpen som dekker klimaavhengige varmebehov får levere varme ved moderate temperaturer, mens den spesialtilpassede varmtvannsvarmepumpen kan dekke hele varmtvannsbehovet med høy effektfaktor (COP). En oppdeling vil også gi enklere styring og regulering av anlegget og øke driftssikkerheten. For varmtvannsberedning anbefales det å benytte en varmepumpe med karbondioksid (CO 2 ) som arbeidsmedium. Denne nyutviklede teknologien oppnår typisk 20 til 30 % høyere effektfaktor (COP) enn konvensjonelle varmtvannsvarmepumper, og kan dessuten varme vann opp til ca. 60-80 C uten behov for ettervarming. CO 2 -varmepumper spesialtilpasset for varmtvannsberedning leveres som standard uteluft/vann- og vann/vann-aggregater med ytelser opp mot ca. 100 kw (www.r744.com). 2.2.2 Varmekilde grunnvann I Melhus sentrum er det svært god tilgang på grunnvann av god kvalitet, slik at grunnvann ansees som det den mest aktuelle varmekilden for begge varmepumpeanleggene ved Nedre Melhus Omsorgssenter. I dag har Buen bo- og omsorgssenter (1997) en grunnvannsvarmepumpe på 200 kw tilkoblet èn grunnvannsbrønn (Figur 1 A), mens Lena Terrasse (2001) har en grunnvannsvarmepumpe på 150 kw (Figur 1 B). Ved Lena Terrasse leverer varmepumpen varme til et gulvvarmesystem og forvarmer varmt tappevann, og anlegget oppnår en årsvarmefaktor (SPF) i overkant av 3. C B A Figur 1 Buen bo- og omsorgssenter (A), Lena Terrasse (B) og Nedre Melhus Omsorgssenter (C) i Melhus sentrum. Side 5 av 10
Ved bruk av grunnvann som varmekilde benyttes et såkalt forbrukssystem med oppumping av vann fra en produksjonsbrønn og retur til en infiltrasjonsbrønn. Det kan benyttes et direkte system hvor grunnvannet avkjøles i varmepumpens fordamper, eller et indirekte system med mellomliggende varmeveksler. Ettersom grunnvann holder 5-6 C vil det kunne benyttes direkte til kjøling sommerstid (frikjøling). Det krever imidlertid at det bl.a. installeres et kjølebatteri i tilluftskanalen. Det vil også være mulig å benytte uteluft som varmekilde for CO 2 -varmepumpen for varmtvannsberedning, men dette vil gi lavere energisparing pga. lavere gjennomsnittlig temperatur på varmekilden samt eventuelt sjenerende støy fra utedelen. Det sees derfor helt bort fra uteluft som varmekilde. 2.2.3 Dimensjonering og oppbygging Varmepumper for klimaavhengige varmebehov dimensjoneres i Trondheimsklima for å dekke ca. 50 % av maksimalt netto effektbehov ved dimensjonerende utetemperatur (grunnlast). En grunnvannsvarmepumpe vil da dekke anslagsvis 90 % av årlig varmebehov. Nødvendig tilleggsvarme (spisslast) på årets kaldeste dager leveres fra et kjelanlegg. Kjelanlegget dimensjoneres for 100 % effektdekning i tilfelle det skulle oppstå feil på varmepumpen, og det dekker de resterende 10 % av totalt årlig varmebehov. CO 2 -varmepumper for varmtvannsberedning kan levere varmtvann opp til ønsket temperaturnivå (60-80 C), og dimensjoneres for å dekke gjennomsnittlig effektbehov til varmtvannsberedning pluss typisk 20 % effektmargin. Ut i fra beregnede dimensjonerende netto effektbehov for oppvarming og varmtvannsberedning, Kapittel 2.1, fås følgende dimensjonerende effekter: mepumpe, klimaavhengig varmebehov ca. 145 kw CO 2 -varmepumpe, varmtvannsberedning ca. 30 kw Spisslastkilde (reservelast) ca. 320 kw Som spisslastkilde benyttes kjeler som har vesentlig lavere spesifikk investeringskostnad (kr/kw) enn selve varmepumpeanlegget. Aktuelle kjeler er oljekjel med fyringsolje eller bio-olje, gasskjel med propan, evt. elektrokjeler. Elektrokjeler gir mindre energifleksibilitet enn de andre kjelalternativene, og kan gi høye driftskostnader ved høyt effektledd og høye el.priser. Installasjon av elektrokjeler kan dessuten kreve tilleggsinvestering i transformator. Varmepumpeanlegget, som skal dekke klimaavhengige varmebehov, bør bygges opp av to aggregater som benytter kompressorer med gode reguleringsegenskaper og som oppnår høy virkningsgrad både ved fullast og dellast. Fordamperene parallellkobles på vannsiden, mens kondensatorene bør seriekobles for å oppnå høyest mulig gjennomsnittlig effektfaktor (COP) for anlegget. Bruk av to varmepumpeaggregater gir høyere leveringssikkerhet enn ett aggregat. Side 6 av 10
2.3 Lønnsomhetsberegning 2.3.1 Rammebetingelser Varmepumpesystemet, som består av to varmepumpeanlegg med oljefyrt spisslastkjel, er sammenlignet med et varmesystem med elektrokjel i energisentralen. I Omsorgssenteret skal det benyttes radiatorer med dimensjonerende tur-/returtemperatur 60/40 C samt gulvvarme (40/35 C) i våtrom. I tillegg kommer varmebatterier i ventilasjonsanlegget. Varmtvannstemperaturen settes til 70 C. Grunnvannstemperaturen antas å være ca. 5 C hele året. Ved beregning av netto tilført energi til varmepumpe og kjelsystem må det tas hensyn til [2]: A. Gjennomsnittlig effektfaktor (COP) for varmepumpe, produksjonsvirkningsgrad for kjeler B. Distribusjonsvirkningsgrad C. Romvirkningsgrad (tidligere reguleringsvirkningsgrad) hvor Systemvirkningsgrad / Systemeffektfaktor = (A B C) 2.3.2 Estimerte effektfaktorer og virkningsgrader Varmepumpenes gjennomsnittlige effektfaktor (COP) er estimert med utgangspunkt i antatte temperaturnivå på varmekilde, varmedistribusjonssystem og varmtvann samt akkrediterte laboratorie- og feltmålinger (konservative verdier). Produksjonsvirkningsgrader for kjeler er hentet fra [2]: mepumpe, klimaavhengige varmebehov COP = 3,5 CO 2 -varmepumpe, varmtvannsberedning COP = 3,3 Oljekjel 0,86 Elektrokjel 0,97 Distribusjons- og romvirkningsgraden for radiatorer og varmtvannssystem er som følger [2]: Distribusjonsvirkningsgrad, radiatorer: 0,97 Distr.virkningsgrad, varmtvannsbereder: 1,00 Romvirkningsgrad, lavtemp. radiatorer: 0,91 Resulterende system-effektfaktorer (COP sys ) og system-virkningsgrader (η sys ) blir som følger: mepumpe, klimaavhengige varmebehov COP sys = 3,50 0,97 0,91 = 3,09 CO 2 -varmepumpe, varmtvannsberedning COP sys = 3,30 1,00 = 3,30 Oljekjel η sys = 0,86 0,97 0,91 = 0,75 Side 7 av 10
Elektrokjelη sys = 0,97 0,97 0,91 = 0,86 2.3.3 Årlig varmeleveranse og varmepumpeanleggets energisparing Årlig varmeleveranse fra de ulike varmesystemene (%-vis andel av totalt varmebehov i parantes): mepumpeanlegg, klimaavhengige varmebehov (90%) 517.500 kwh/år mepumpeanlegg, varmtvannsberedning (100%) 202.000 kwh/år Spis slast, oljekjel (10%) 57.500 kwh/år Alternativ oppvarming elektrokjel (100%) 777.000 kwh/år Årlig energibruk for de ulike varmesystemene korrigert for system-cop og systemvirkningsgrader: mepumpeanlegg, klimaavhengige varmebehov (3,10) 166.935 kwh/år mepumpeanlegg, varmtvannsberedning (3,30) 61.212 kwh/år Spis slast, oljekjel (0,75) 76.667 kwh/år Alternativ oppvarming elektrokjel (0,86) 903.488 kwh/år Total årlig energisparing for varmepumpesystemet i forhold til et anlegg med elektrokjel: ΔE = (903.488 304.814) kwh/år, ca. 66% energisparing 603.674 kwh/år 2.3.4 Investeringer Investeringene for varmepumpesystemet inkl. oljekjel for spisslast er estimert med utgangspunkt i kostnadstall fra tidligere prosjekter. Alle kostnader er eks. mva. mepumpeanlegg, klimaavhengige varmebehov (145 kw, 5000 kr/kw) kr. 725.000 meopptakssystem (grunnvannsbrønn) kr. 400.000 mepumpeanlegg, varmtvannsberedning (30 kw, 8.000 kr/kw) kr. 240.000 Oljekjel for tilsatsvarme (320 kw, 1500 kr/kw) kr. 480.000 Su m brutto investering (eks. mva) kr. 1.845.000 Side 8 av 10
Ved lønnsomhetsberegning av varmepumpeanlegg er det tilleggsinvesteringen i forhold til et konkurrerende oppvarmingssystem som skal benyttes. Et anlegg med elektrokjel på 320 kw koster ca. kr. 300.000 eks. mva., slik at netto investering for varmepumpesystemet blir kr. 1.545.000 eks. mva. 2.3.5 Beregnet årskostnad, spesifikk varmepris, pay-back og pay-off Pris for prioritert elektrisitet basert på Nordpool 3-års forward inkl. nettleie, effektledd og fastledd, forbruksavgift og lovbestemt innbetaling til Energifondet er beregnet til ca. 57 øre/kwh eks. mva. for bedriftskunder (Trondheim Energi AS). Pris for olje for bedriftskunder er ca. 51 øre/kwh eks. mva. og eks. virkningsgrad (ENOVA SF). Det e benyttet 15 års avskrivningstid for teknisk utstyr og 7 % realrente. Vedlikeholdskostnadene for varmepumpesystemet er satt til 2 % av investering. Årskostnad (kr/år) for varmepumpesystemet: Kapitalkostnader ved 15 år, 7 % p.a. (kr. 1.545.000 0,1098) 169.641 kr/år Ved likeholdskostnader, 2 % av inv. per år (kr. 1.545.000 0,02 kr/år) 30.900 kr/år Ene rgikostnader, el. til varmepumpe (228.147 kwh/år 0,57 kr/kwh) 130.044 kr/år Ene rgikostnader, olje til kjel (76.667 kwh/år 0,51 kr/kwh) 39.100 kr/år Su m årskostnader (eks. mva) 369.685 kr/år Spesifikk energikostnad (kr per kwh levert varme) Spe sifikk varmepris (369.685 kr/år) / (777.000 kwh/år) = ca. 0,48 kr/kwh Årlige driftskostnader for et helelektrisk oppvarmingssystem med elektrokjel: Ene rgikostnader, elektrokjel (903.488 kwh/år 0,57 kr/kwh) 514.988 kr/år Reduserte årlige kostnader ved installasjon av et varmepumpesystem: Reduserte årlige kostnader (514.988 169.144 30,900) kr/år 314.944 kr/år Tilbakebetalingstid (pay-back, eks. renter) og inntjeningstid (pay-off, inkl. renter): Pay-back, PB = 1.545.000 kr / 314.944 kr) = ca. 4,9 år Pay-off, PO = [ln{1 (1.545.000 kr/314.944 kr) 0,07} -1 ]/[ln(1+0,07)] ca. 6,2 år Side 9 av 10
3 Referanser [1] Lintorp, S., 2010: Energirammeberegning Nedre Melhus Omsorgssenter. COWI-notat 23.09.2010. [2] Stang, J., Alonso M.M., 2010: Forslag til systemvirkningsgrader etter NS EN 15316 serien. SINTEF-rapport F7009. SINTEF Energi AS, august 2010. Side 10 av 10