Fagpresentasjon om varmepumper Jørn Stene, Institutt for energi- og prosessteknikk COWI AS, Trondheim Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 1
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 2
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% Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 3
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 4
Varmepumper henter varme fra... Uteluft Sjøvann Grunnvann Fjell Jord Ferskvann (elver/innsjøer) Omgivelsesvarme (fornybar energi) Ventilasjonsluft Avløpsvann/kloakk Spillvann (gråvann) Kjølevann (industri) Overskuddsvarme (spillvarme) Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 5
Slik virker en varmepumpe ELEKTRISITET VARMEBEHOV +30 til +90 C VARMEKILDE -20 til +10 C Sirkulerende arbeidsmedium Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 6
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.) Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 7
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 0 moh 92 C Høytrykkskoker 100 C 120 C Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 8
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 9
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 ) Kompressor Elektrisitet W Strupeventil Lavt trykk motor Lav temperatur INN f.eks. sjøvann Fordamper (p f, t f ) UT Varmestrøm Q o Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 10
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. Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 11
Figur Einar Oterholm Slik virker en varmepumpe (2) 2. Kompressor = trykkøkende komponent Kompressoren øker trykket på arbeidsmediet (gass), og temperaturen øker Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 12
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 13
Figur Einar Oterholm Slik virker en varmepumpe (4) 4. Strupeventil = trykksenkende komponent Strupeventilen senker trykket på arbeidsmediet (væske), og temperaturen avtar Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 14
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 15
Slik er varmepumpeprosessen Trykk, p (bar) q k p k A B C q vt p f q f w q o + w = q k + q vt Entalpi, h (kj/kg) 4-1 Fordampning 1-2 Kompresjon 2-3 Kondensasjon 3-4 Struping Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 16
Så effektiv er en varmepumpe COP* (effektfaktoren) avtar med økende temperaturløft Q k Q 0 + W ε C = Q k W = T ( T T ) k k 0 COP = ε C η C = Q k W COP = 2 til 5 * COP = Coefficient of Performance Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 17
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 18
Varmepumpe = fornybar varme Eksempel sammenlikning med solvarmesystem COP=3 Elektrisk system Fornybar varme Varme- pumpe Sol- varme 40-50% 100% 65% Tilført elektrisitet 35% 50-60% Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 19
Varmepumper Fornybar varme og kjøling fra Energi 21, 2008 Fornybar varme Fornybar kjøling Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 20
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 (25 150 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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 21
Varmepumpeprosess med CO 2 Eksempel på prosessforløp i p-h diagram Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 22
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 23
CO 2 -varmepumpe laboratorieoppgave Prosessforløp i et temperatur/entalpi-diagram Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 24
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 25
Salg av varmepumper i Norge Antall solgte anlegg per år stabilisert på høyt nivå 90 000 80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 Antall Installasjoner per år (-) 10 000 0 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 8-9 TWh varmeleveranse derav 5 TWh netto energisparing (fornybar energi) Kilde: Norsk varmepumpeforening Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 26
Salg av varmepumper i Europa Antall solgte anlegg per år i perioden 2003 til 2009 700 000 Antall Installasjoner per år (-) 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 0 2003 2004 2005 2006 2007 2008 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) Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 27
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 28.000 kw Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 28
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 29
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) Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 30
CO 2 -varmepumper Varmtvannsberedning eller kombidrift www.r744.com Anlegg for kun varmtvannsberedning Japan solgt mer enn 2 million 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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 31
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) Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 32
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 33
Grunnvanns-varmepumper Anlegg for større bygninger og fjernvarmeanlegg Varmekilde Oppumpet grunnvann fra 15-40 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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 34
Berg-varmepumper Anlegg for større bygninger og fjernvarmeanlegg Varmekilde 150-200 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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 35
Kloakk-varmepumper Anlegg for 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! Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 36
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 Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 37
Oppsummering Varmepumper Norges 3. største fornybare energikilde i 2010 Ca. 450.000 anlegg 8 til 9 TWh årlig varmeleveranse Ca. 5 TWh årlig energisparing Stort potensial for varmepumper i Norge og resten av verden Fornybar varme 16-22 TWh 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, aggregatoppbygging, systemløsninger, styring/regulering, systemintegrasjon osv. Utdanning av Masteringeniører i varmepumpeteknikk ved, Institutt for energi- og prosessteknikk Varmepumpe Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 38
Energi- og prosessteknikk Instituttets hjemmeside www.ntnu.no/ept Varmepumpefag ved instituttet TEP4260 vårfag Varmepumper for bygningsklimatisering www.ntnu.no/studier/emner/tep4260/2010 TEP16 høstfag (fordypning) Heat Pump Technology www.ivt.ntnu.no/ept/fag/fordypn/tep16.htm Utarbeidet av Jørn Stene jost@cowi.no 2011 39