Slik lykkes du med varme- pumpe i rehabiliteringsprosjekter i større bygninger

Slik lykkes du med varme- pumpe i rehabiliteringsprosjekter i større bygninger Jørn Stene Spesialist COWI AS, Divisjon bygninger Førsteamanuensis II NTNU, Energi- og prosessteknikk 1

Rehabiliteringsprosjekter med varmepumpe Nivå 1 Kun utskifting av eksisterende varmesentral, f.eks. oljefyringsanlegg Nivå 2 Nivå 1 + oppgradering av andre tekniske installasjoner inkl. ventilasjonssystem Nivå 3 Nivå 2 + oppgradering av bygningskropp kan gi (økt) kjølebehov MÅL Høy reell energisparing + lave vedlikeholds-/driftskostnader høy COP, høy energidekningsgrad, god driftssikkerhet 2

VP i rehab-prosjekter info og prosedyrer Bygning systemutforming og dimensjonering Effekt-/energibehov for klimaavhengige varmebehov og varmtvannsberedning Beregning (Simien) eller basert på effekt-/energimålinger (el., olje osv.) Tilgjengelige varmekilder energisparing, driftsegenskaper Uteluft, avkastluft, berg, jord, grunnvann, gråvann, sjøvann eller ferskvann Investering kontra årlig energisparing for varmepumpen Eksisterende varmesystem energisparing, driftsegenskaper Temperaturkrav, redusere temp.krav, innregulering, ombygging Prosjektering Overordnet systemløsning utforming Dimensjonering, aggregatvalg, spisslastsystem Regulering av varmepumpe samkjøring med spisslast Instrumentering/måling overtakelse, prøvedrift og kontinuerlig oppfølging 3

Forhold som påvirker drift av varmepumper Varmekilde og varmeopptakssystem Direkte / indirekte systemløsning varmevekslerdimensjonering Varmekildens temperaturnivå variasjoner Korrosivitet materialvalg Forurensninger, begroing osv. rengjøringsbehov Transportkapasitet (kj/m 3 K) Påriming avrimingsbehov (luft/vann-anlegg) Varmepumpeaggregat(er) Kuldemedium (arbeidsmedium) Kompressortype trykklasse, dellastregulering osv. Aggregatoppbygging ett-trinns, to-trinns, economizer, kaskade, EVI osv. Varmedistribusjonssystem varmtvannssystem Temperaturnivå, lastvariasjoner osv. 4

Dimensjonering av varmepumper Varmepumpens dim. varmeeffekt bestemmes i hht. Klimaavhengig behov romoppvarming, ventilasjonsluftoppvarming Klimauavhengig behov oppvarming av varmtvann (65-80 C) Varmepumper er karakterisert ved: Relativt høy spesifikk investeringskostnad (kr/år) Relativt lav årlig driftskostnad per kwh levert varme (kr/kwh år) Vanligvis lavere COP på dellast enn på fullast Optimal effektdektning gir lavest årskostnad (kr/år) Kapitalkostnad + driftskostnad + vedlikeholdskostnad 100% 75% 50% 25% Driftskostnader Kapitalkostnader Oppvarmingsystem med varmepumpe + spisslast Typisk optimal dimensjonering for varmepumpe 40 til 70 % av maks. netto effektbehov 0% Varmepumpe Kjelanlegg Prinsipielt eksempel på typisk kostnadsfordeling for varmepumpe og kjelanlegg 5

Konsekvenser av feildimensjonering Overdimensjonering Unødvendig høy investeringskostnad Høy årlig kapitalkostnad (kr/år) Marginalt høyere energisparing Hvis varmepumpen har «temperaturbegrensning» vil ikke energidekningsgraden øke ved høyere installert effekt ettersom anlegget ikke kan levere varme på kalde dager Dårligere regulerbarhet og lavere energivirkningsgrad ved dellast Høy årlig driftskostnad (kr/år) pga. relativt lav COP når anlegget går på redusert kapasitet Underdimensjonering Relativt lav investeringskostnad pga. moderat/lav effektdekningsgrad (b) Lav årlig kapitalkostnad (kr/år) Lavere energisparing enn for et optimalt dimensjonert anlegg Høy årlig driftskostnad (kr/år) pga. mye spisslastvarme øker ved «temperaturbegrensning» 6

Effekt-varighetsdiagram boligblokk Figur Ole Ø. Smedegård, COWI AS Relativ dekningsgrad (%) Utetemperatur ( C) Energi (%) Effekt (%) VV (%) Temp. ( C) DUT( C) Boligblokk TEK10 Oslo Varighet (timer) Simien-simulering BRA 3600 m 2, Oslo-klima TEK10 byggestandard 7

Effekt-varighetskurver boligblokk, Oslo TEK87+enøk TEK10 Økende andel av årlig varmebehov til varmtvannsberedning ved forbedret bygningskropp, dvs. ved overgang fra TEK87, TEK10 og til NS30701 (passivhusstandard) Viktig å fokusere både på høy COP og høy dekningsgrad ved varmtvannsberedning VV 25 % VV 40 % NS3700 VV 68 % 8 19. OKTOBER 2012 COWI POWERPOINT PRESENTATION Figurer Ole Ø. Smedegård, COWI AS

Effekt-varighetskurver kontorbygg, Oslo TEK87+enøk TEK10 NS3701 9 19. OKTOBER 2012 COWI POWERPOINT PRESENTATION Figurer Ole Ø. Smedegård, COWI AS

Valg av varmekilde varmeopptakssystem Uteluft Maksimal tilgjengelighet store temperaturvariasjoner Avtagende varmeytelse med synkende lufttemperatur Utfordringer pårimning/avriming, støy, levetid for utstyr Relativt lav investering (integrert) moderat energisparing Avkastluft (spillvarme) Tilgjengelig i bygg med avtrekksventilasjon relativt høyt temp. Utfordring kostnader for utnyttelse (indirekte systemløsning) Moderat investering høy energisparing Fjell/berg Gunstig temperaturnivå kan utnyttes til delvis frikjøling Krever tilstrekkelig plass til energibrønner usynlig installasjon Utfordringer korrekt dimensjonering, lading og årlig energibalanse Høy investering høy energisparing 10

Valg av varmekilde varmeopptakssystem Grunnvann Gunstig temperaturnivå meget velegnet til frikjøling Begrenset tilgang vanligvis indirekte systemløsning Utfordringer beleggdannelse/gjentetting/begroing, setninger Moderat investering høy energisparing Sjøvann Gunstig temperaturnivå kan normalt benyttes til frikjøling Tilgang langs kysten indirekte eller direkte systemløsning Utfordringer kavitasjon, korrosjon, begroing, gjentetting Moderat/høy investering høy energisparing Gråvann (spillvarme) Relativt høy og meget stabil temperatur krever utjevningstank Utfordringer begroing, krevende mht. rengjøring Moderat investering høy energisparing 11

Driftsproblemer varmeopptakssystemer Gjenfrysing av luftfordamper Utfelling av jernoksid i grunnvannssystem Setningsskade i energibrønn Fouling i rørkjelvarmeveksler 12 Fouling i platevarmeveksler Slamutfelling i kloakkvarmeveksler

Varmepumper temperaturbegrensning Mindre aggregater (<60 kw) maks. utgående vanntemperatur HFK, væske/vann maks. 60-65 C, uteluft maks. 40-50 C ved DUT R407C, to-trinns-anlegg, uteluft/vann maks. 65-70 C Kaskade-anlegg, uteluft/vann maks. 80 C Større aggregater - maks. utgående vanntemperatur R407C og R410A, væske/vann maks. 50 C, uteluft maks. 40 C ved DUT R134a, væske/vann maks. 62 C R290, væske/vann maks. 50 C R717 (NH₃), væske/vann maks. ca. 48-55 C (28 bar) R717 (NH₃) og R134a, to-trinns maks. 70-80 C Kaskade-anlegg maks. 80-100 C R744 (CO₂), væske/vann og uteluft/vann maks. 85-90 C 13

Varmepumper temperaturbegrensning Utelufttemperatur ( C) Varmemodus Eksempel uteluft/vann-anlegg 20 10 0-10 -12 Driftsområde 30 35 40 45 50 Utgående vanntemp. ( C) Standard R410A reversibel 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 14

Utluft/vann-varmepumpe ytelse og COP Varmeytelse (kw) Eksempel Standard R410A varmepumpe/kjølemaskin Nom. varmeytelse 150 kw Utelufttemperatur ( C) COP og varmeytelse avtar med synkende utelufttemperatur (kildetemp.) COP (-) Utelufttemperatur ( C) 15

Effekt- og energidekning for varmepumper Netto effektbehov (%) Varmekilde uteluft Varmekilde vann, fjell Fjell, vann 40-70 % effektdekning 85-95 % energidekningsgrad Uteluft 40-70 % effektdekning 65-75 % energidekningsgrad Temperaturbegrensning vil redusere varmepumpens energidekningsgrad 16

Effektfaktor, årsvarmefaktor og energisparing Effektfaktor (COP) Prosentvis energisparing, DE Temperaturløft, Dt Årsvarmefaktor, SPF (-) Prosentvis energisparing DE beregnet i forhold til elektrisk oppvarming Ulineær sammenheng mellom årsvarmefaktor (SPF) og energisparing 17

SPF og energidekning relativ energisparing Rel. Relativ energisparing, DE (%) (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5,0 4,0 SPF=2,0 3,5 SPF=2,5 3,0 2,5 SPF=3,0 SPF=3,5 2,0 SPF=4,0 SPF=5,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Varmepumpens energidekning, DQ (%) a (%) Forenklet sammenlikning el. som referanse og som spisslast Varmepumpesystemets relative energisparing DE (%) gitt av: Årsvarmefaktor, SPF Energidekning, a Midlere virkningsgrad for spisslastanlegg, h DE 1 α SPF (1 α) 100 % η Årlig energisparing påvirkes i stor grad av energidekningen, a 18

Eksempel etterinstallasjon av varmepumpe 500 Figur Geir Eggen -20 450-15 Effekt (kw) Effekt (kw) 400 350 300 250 200 150 100 55 % Tilsatsvarme Effekt biobrenselanlegg Varighetskurve for effektbehov Klimaavhengig behov Energidekning fra pelletsanlegg Varighetskurve for utetemperatur -10-5 0 5 10 Utetemperatur ( C) Temperatur ( C) 50 0 Varmt tappevann 0 50 100 150 200 250 300 350 Varighet (døgn (døgn) 15 Oppgave installere varmepumpesystem i eksisterende bygning Gjennomføre teknisk/økonomisk optimalisering inkl. følsomhetsanalyse 19

Eksempel etterinstallasjon av varmepumpe Bergvarmepumpe (væske/vann) 225 kw Standard væskekjøleaggregat (isvannsmaskin) Arbeidsmedium R407C, maks. vanntemperatur 50 C Investeringer Komplett væske/vann-varmepumpe 500.000 kr Energibrønner i fjell 2.000.000 kr Rørinst., automatikk, el.arbeider og maskinrom 800.000 kr Prosjektering og uforutsatte kostnader (20 %) 660.000 kr SUM kr. 3.960.000 Levetid varmepumpeaggregat 15 år Levetid andre installasjoner 20 år Levetid energibrønner 40 år Energidekningsgrad Beregnes Årsvarmefaktor (SPF) Beregnes 20

Eksempel etterinstallasjon av varmepumpe 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 700.000 kr Innkledning/støydempning av fordamper 200.000 kr Maskinrom/container, rørinst., automatikk 800.000 kr Prosjektering og uforutsatte kostnader (20 %) 340.000 kr SUM 2.040.000 kr Levetid varmepumpeanlegg 10 år Levetid andre installasjoner 20 år Energidekningsgrad Beregnes Årsvarmefaktor (SPF) Beregnes 21

Eksempel etterinstallasjon av varmepumpe 500-20 Berg-VP 1 (60/40 C) 450-15 Energidekning VP 89 % 400 350 Tilsatsvarme -10 SPF varmepumpe 3,8 SPF inkl. spisslast 2,9 Effekt (kw) Effekt (kw) 300 250 200 150 100 Effekt biobrenselanlegg Varighetskurve for effektbehov Energidekning fra pelletsanlegg Varighetskurve for utetemperatur -5 0 5 10 Temperatur ( C) Energisparing 65 % Varmepris (kr/kwh) 0,83 Berg-VP 2 (80/60 C) Energidekning VP 66 % SPF varmepumpe 3,4 50 15 SPF inkl. spisslast 1,9 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Varighet (døgn (døgn) Energisparing 47 % Varmepris (kr/kwh) 0,98 Betydelig reduksjon i varmepumpens årlige varmeleveranse og energisparing ved bruk av standard varmepumpeaggregat og høytemperatur varmesystem 22

Eksempel luft/vann- vs. bergvarmepumpe 500-20 Luft-VP 1 (60/40 C) 450-15 Energidekning VP 75 % 400 350 Tilsatsvarme -10 SPF varmepumpe 3,0 SPF inkl. spisslast 2,1 Effekt (kw) Effekt (kw) 300 250 200 150 100 Effekt biobrenselanlegg Varighetskurve for effektbehov Energidekning fra pelletsanlegg Varighetskurve for utetemperatur -5 0 5 10 Temperatur ( C) Energisparing 53 % Varmepris (kr/kwh) 0,78 Luft-VP 2 (80/60 C) Energidekning VP 45 % SPF varmepumpe 3,1 50 15 SPF inkl. spisslast 1,3 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Varighet (døgn (døgn) Energisparing 25 % Varmepris (kr/kwh) 0,97 Betydelig reduksjon i varmepumpens årlige varmeleveranse og energisparing ved bruk av standard varmepumpeaggregat og høytemperatur varmesystem 23

Strategier for varmtvannsberedning Lite varmtvannsbehov (VV) VV dekkes av el.varmekolber, fjernvarme, kjelanlegg osv. Moderat varmtvannsbehov Varmepumpen forvarmer VV ettervarming med el.kolber eller spisslastvarme Forvarming med kondensator, dvs. vannet i varmedistribusjonskretsen Forvarmingsgraden, dvs. andel varme til VV fra varmepumpen, gitt av bl.a.: Varmtvannssystem temperaturkrav (65-80 C) Varmepumpen utforming, arbeidsmedium/utstyr (temperaturbegrensning) Høyt varmtvannsbehov Varmepumpen dekker hele VV-behovet (opp mot 100 % dekningsgrad) To-trinns varmtvannsberedning kondensator + overhetningsvarmveksler maks. 70 C CO 2 -varmepumpe kan varme forbruksvann opp til 95 C uten ettervarming 24

Eksempel CO₂ varmtvanns-varmepumpe Tveita borettslag 3 blokker med totalt 820 leiligheter fra 1969 Energisparing ved rehabilitering diverse tiltak Fra 280 til 140 kwh/(m 2 år) CO 2 -varmepumpe (2011) Norges første store CO 2 varmepumpeanlegg Avkastluft (22 C) fra sentralt anlegg som varmekilde Indirekte systemløsning med sekundærkrets Varme til felles varmtvannssystem i hver blokk 1000 liters seriekoblede varmtvannstanker 3 CO 2 -aggregater á 100 kw fra Green & Cool (Luleå) prosjektert av Kuldeteknisk AS, Tromsø Målt COP ca. 3,8-5,0 inkl. pumpearbeid 25

Eksempel CO₂ varmtvannsvarmepumpe 9 C CO 2 -varmepumpe 12 C 9 C Fordampere 22 C GK 12 C 22 C F 12 C Sekundærkrets med frostvæske Varmtvannstanker 55 C Pumpe 9 C 70 C 70 C 70 C Varmtvann Ekspansjonssystem 5 C 26

CO₂-varmepumper egnet til romoppvarming? 100,00 90,00 80,00 0,0015 s = 1,45 0,0020 s = 1,50 s = 1,55 0 5 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. 12-03-15 90 80 10 C A 30 C B 40 C 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 0,0090 Pressure [Bar] Trykk (bar) 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 70 60 50 40 30 20-15 -10-5 10 15 20 25 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 1,60 s = 1,00 1,20 1,80 30 v= 0,0060 v= 0,0080 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 Enthalpy [kj/kg] 30 v= 0,010 25 20 v= 0,015 Spesifikk entalpi (kj/kg) s = 1,75 0-5 -10-15 s = 1,80 15 Q COP 10 W 5 GK -10 s = 1,85 s = 1,90 0 s = 1,95 10 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 = 2,15 s = 2,20 s = 2,25 s = 2,30 s = 2,35 40 50 60 70 80 90 100 110 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 (Q GC ) og COP avtar med økende vanntemp. inn på gasskjøleren CO 2 -anlegg best til varmtvannsberedning og evt. lavtemp. varmesystemer 27

Kvalitetssikring av varmepumpeanlegg Overleveringsprøve med funksjons- og ytelsestest Teste funksjoner av alt levert utstyr og alle systemer Måle avgitt varme-/kjøleeffekt og tilført el.effekt beregne COP Evt. bot-/bonusordning ved hhv. negative og positive avvik Sikre at varmepumpeanlegget er i hht. tilbudet (spesifikasjon) Eventuell prøvedrift Oppfølging med videre innregulering av anlegget i 3-12 måneder Sikre at anlegget innreguleres for mest mulig "optimal" drift Energioppfølging Måle avgitt varme-/kjøleeffekt, tilført el.effekt m.m. beregne COP Måle alle relevante størrelser (temperaturer, trykk, volumstrøm) Avdekke evt. avvik og optimalisere anleggsoppbygging/-drift Sikre at anlegget går optimalt i hele sin levetid 28

Oppsummering konklusjon Varmepumper er en interessant løsning ved rehabilitering Erstatte eksisterende varmesentral større bygg, vannbåren varme Erstatte elektrisk oppvarming boliger, større bygg Viktige forhold for å sikre vellykkede anlegg Riktig dimensjonering Minimum årskostnad (investering + drift + vedlikehold) Valg av varmekilde prosjektering og drift av varmeopptakssystem Driftsproblemer gir redusert oppetid og lavere energisparing Temperatur ved varmeleveranse vs. varmepumpe Lavtemperatur varmesystem framfor høytemperatur system gir høyest effektfaktor (COP) Vurder alltid muligheter for å senke temperaturnivået Temperaturbegrensning for varmepumpe standard aggregater Moderat maks. temperaturgrense for varmeleveranse (50-60 C) Høytemperatur varmesystem lav energisparing og redusert levetid for varmepumpe Spesielt stor begrensning for luft/vann-varmepumper (40-50 C) 29

Takk for oppmerksomheten! VARMEPUMPE 30 30. MAI 2013

VVS-konferansen 2013 30. mai, Stavanger COWI AS Flerfaglig rådgivende ingeniørselskap Bygninger Fra TEK10 til passivhus Alle fag inkl. varmepumper og kjøleanlegg Industri og energi Miljø og samfunn Samferdsel Vann Om COWI AS Hovedkontor i Danmark Trondheim ca. 180 ansatte Norge ca. 950 ansatte på 20 kontorsteder COWI-gruppen 6000 medarbeidere i 35 land www.cowi.no www.cowi.com 31 30. MAI 2013

VVS-konferansen 2013 30. mai, Stavanger NTNU NTNU Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet Hovedansvar for høyere teknologisk utdanning i Norge 7 fakulteter, 52 institutter 22.000 studenter, halvparten innen tekniske fag Uteks. 3200 Mastering. og 330 doktoring. per år Ca. 1800 utenlandsstudenter Samarbeider tett med SINTEF www.ntnu.no NTNU, Institutt for energi- og prosessteknikk Termisk energi, Industriell prosessteknikk, Strømningsteknikk, og Energiforsyning og klimatisering av bygninger Anvendt varmepumpeteknikk TEP4260 og TEP16 www.ntnu.no/ept 32 30. MAI 2013