SÅ MYCKET ENERGI KAN VI SPARA...

Installationsteknik

Värmepumpar: Energitinget 2010-03-17 Per Fahlén

Per FahlénChalmers tekniska högskola

SÅ

MYCKET ENERGI KAN VI SPARA KOSTNADSEFFEKTIVT

- Lite teori och två praktikexempel

med värmepump

Installationsteknik


OLIKA PERSPEKTIV PÅ

BESPARING

Val av energisystem

Yttre miljö

Bekvämlighet

Ekonomi

Driftsäkerhet

Inre miljö

Information, övervakning, mätning

• Energibesparing- Köpt, använd eller primär?

• Ekonomisk besparing- Privat/företagsekonomi- Samhällsekonomi:

Regering, IVA

• Tekniska förutsättningar: Temperatur och hjälpeffekt

• EXEMPEL FRÅN PRAKTIKEN1: Ombyggnad av småhus2: Ombyggnad av kontorshus

T1

T2

Q1

Q2

W

T1

T2

Q1

Q2

W

Installationsteknik


ENERGI I BYGGNADER

Utvinning Förädling Transport

El-kraftKraftvärme Värme Kyla

AnvändareBEHOV

Netto energi

Köpt energi

Brutto (använd) energi

Varmvatten

Värmesystem

Kylsystem

Hushåll, apparater, verksamhet, fastighet el.

Behov = min. användning Användning = behov + onödigt Netto = användning - återvunnet Brutto = netto + förluster Köpt = brutto - “gratis energi”

“Gra

tisen

ergi

”

Energi 1

• Skilj på

behov, användning, tillförd och köpt energi!• Statistiken redovisar bara köpt energi; > 14 TWh saknas för vp

Installationsteknik


IVA’s

Energiframsyn, svensk framtid?

• Halvering av dagens energianvändning

till år 2050• Halvering av köpt energi är lätt redan idag!

Potential för energieffektivisering i småhus (IVA)

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60År

Ener

gibe

hov

[MW

h/år

] ApparaterBelysningVentilationVarmvattenRumsvärme

Rumsvärme

Varmvatten

Ventilation

BelysningApparater

Energi 2

Installationsteknik


KONKURRERANDE ALTERNATIV• Investering

- värmepump- värmekälla- värmesänka

• Elpris- rak taxa- tariff taxa

• Kostnad föralternativ till värmepump

• Dimensionering? Jämför skiftet 1985!

Ekonomi 1

0,00

0,50

1,00

1,50

0,00 0,50 1,00 1,50

El-pris (kr/kWh)

Alte

rnat

iv e

nerg

ikos

tnad

(kr/k

Wh)

El-värme billigast

Alternativ energi billigast

COP = 2

COP = 5

Kapitalkostnad = 0,50 kr/kWh

När lönar sig värmepump?

COP = 3

COP = 4

Installationsteknik


DIMENSIONERING

Pdim

Qvpa

Qtva

8760

Effe

kt, P

[kW

]

Tid [h/år]

Utnyttjandetid

][][][

dim kWQkWhQh

Värmekostnad = Investering •

annuitetsfaktor + rörlig kostnad

Värmepump

Tillsatsvärme p.s.s.

• OBS! Både effekt och temperatur kan begränsa täckningsgraden

]/[)1(

, kWhkrSPF

Ka

ax

InvK vpael

vpavpa

vpa

vpavpa

vpa

Inv = inv. kostnad [kr/kW]x = andel underhåll av inv. = utnyttjningstid [h] SPF = årsvärmefaktor [-]

Ekonomi 2

Installationsteknik


UTNYTTJANDETID

• Utnyttjandetid för värmepumpsanläggning

][][

][, kWQkWhQ

hvpa

vpavpau

Ekonomi 3

vauvpa

vpavpavpau p

pq,,

)(

Varaktighetsdiagram: Stockholm

-20

-10

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100

Tid [%]Te

mpe

ratu

r [°C

]

QTVA

Qvpa

Q´vpa

Q´TVA

• Utnyttjandetid för värmeanläggning

Dva

Dvavau Q

Q

,

,, 2629, vauT.ex. [h/år]

Installationsteknik


DIMENSIONERING -

Effekt och energi

Ekonomi 4

y = 0,9907x4 - 1,2471x3 - 1,3724x2 + 2,6298x + 0,0002R2 = 1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Effekttäckningsgrad x [-]

Ener

gitä

ckni

ngsg

rad

[-]

• Effekttäckning värme pvpa [kWvpa /kWva,D ]- Effektkostnad

Ivpa [SEK/kWvpa ]

• Energitäckning värme qvpa = qvpa (pvpa ) [-]- Klimat- Byggnad- Dimensionering- Energikostnad

Kvpa [SEK/kWhvpa ]

• T.ex. Stockholm

Installationsteknik


DIMENSIONERING -

Kapitalkostnad för värmepumpsvärme

Ekonomi 5

• Investeringskostnad- Ivpa1 = 15 000 SEK/kWvpa- Ivpa2 = 10 000 SEK/kWvpa

• Kapitalkostnad för värmeKvpa = Kvpa (pvpa )

Kapitalkostnad för värme som funktion av effekttäckningen

vauvpavpa

vpavpavpa pq

paIK

,)(

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

KI1 p( )

KI2 p( )

p

Installationsteknik


DIMENSIONERING -

Total kostnad för värmepumpsvärme

Ekonomi 6

• Investeringskostnad- Ivpa1 = 15 000 SEK/kWvpa- Ivpa2 = 10 000 SEK/kWvpa

• Driftskostnad- drift (el), Kel

SFPvpa = 3- underhåll

Värmekostnad som funktion av effekttäckning

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Khp1 p( )

Khp2 p( )

pvpa

elvpaIvpa SFP

KKK ,

Installationsteknik


DIMENSIONERING -

Total värmekostnad

Ekonomi 7

• Värmepumpsvärme, Kvpa- Kapital (hög)- Drift (låg); SFP = 3

• Tillsatsvärme, Ktva- Kapital (låg)- Drift (hög)

Alt.1: 1 SEK/kWh, Alt. 2: 2 SEK/kWh

Värmekostnad

tva

vpavpavpavpavpavpatot K

pqpKpqK 1

)(1)()(

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.25

0.5

0.75

1

Ktot1 p( )

Ktot2 p( )

Ktot1 .2 p( )

p

Ktva2

Installationsteknik


OPTIMAL EKONOMISK DIMENSIONERING

]/[1 kWhkrKQQ

KQQ

K tvavpa

totvpa

tot

vpatot

Total kostnad

• VP sparar bara vid drift!

• Kostnad för VP, värmekälla och värmesänka ökar med storlek

• Övereffekt låg utnyttjningstid

• Tumregel: 50 % effekt 80-90 % energitäckning

• Kapacitetsreglering ger alternativ till TVA

• Effekttaxa kan premiera täckningsgrad

Effekttäckningsgrad [kW/kWdim]

Värm

ekos

tnad

[kr/k

Wh]

Ktva

Ktot

Kvpa

0 0,5 1,0

Ekonomi 8

Installationsteknik


VÄRMEPUMPAR OCH TERMODYNAMIKENS 2:a HUVUDSATS

• Värmekraftprocess- Värme kan inte helt omvandlas

till arbete (det blir alltid spillvärme)

• Värmepumpsprocess- Värme kan inte gå från låg till

hög temperatur utan tillsats av arbete

1

2

1

21

1

21

11

TT

TTT

QQQ

QW

T

21

111 TT

TWQCOPC

21

222 TT

TWQCOP C

T1

T2

Q1

Q2

W

T1

T2

Q1

Q2

W

Teori 1

Installationsteknik


EXEMPEL• COPC1

= T1

/(T1

-

T2

)

- t1 = 20 °C, t2 = 0 °C COP1C = 14,7

- t1 = 50 °C, t2 = -10 °C COP1C = 5,4

• COP1vp

= Q1

/Wem

C1 = COP1vp / COP1C

Komponenter C1 = 0,5 till 0,8 COP1vp = 2,7 till 4,3

T1

T2

"pumphöjd"

tvbut

tkbin

tkbut

tvbin

Q1

Q2

Wem

trum = 20 °C

tkälla = 0 °C

Teori 2

Installationsteknik


BEHOV AV KÖPT ENERGI -

TEMPERATURNIVÅ

OCH HJÄLPEFFEKTER

• Köpt energi = Q/COP; Inverkan på

COP- Temperaturnivåer och drivenergier:

• Exempel med återladdning- Tkb = +4 K borde ge COP/COP ≈

+10 %

- Men Tvb >+4 K, we,p/we,vp = -9-10-24 ≈

-43 %- Total minskning 40 - 60 %!

vpe

pevbkb

vpe

vpe

W

W

TTT

TT

TTT

W

W

COPCOP

,

,

211

2

21,

,

1

1

Teori 3

Installationsteknik


HUR STOR ÄR EN VÄRMEPUMP?

0

1

2

3

4

5

-5 0 5 10tkbin [°C]

Effe

kt [k

W]

II (mät.): P1vpa, 35 °CII (reg.): P1vpa, 35 °CII (mät.): P1vpa, 50 °CII (reg.): P1vpa, 50 °CII (mät.): Pevpa, 35 °CII (reg.): Pevpa, 35 °CII (mät.): Pevpa, 50 °CII (reg.): Pevpa, 50 °C

• Dimensionera upp värmekälla och värmesänka → större vp

• Ex. ovan → ökning 2,5 kW (56 %) → ökat investeringsutrymme 37 500 SEK med Ivpa

= 15 000 SEK/kW (t.ex. 60 → 110 m borrhål + 5 extra radiatorer)

Teori 4

Installationsteknik


MARKVÄRME MED VÄRMEPUMP -

Värme, kyla (frikyla) och lagring i berg

• Värmekälla

• Värmesänka

• Värmelager

Värmestrålning

Solstrålning

Nederbörd

Bor

rhål

Bor

rhål

Bor

rhål

Bor

rhål

Värmeled-ning i berg

Grundvatten-flöde i berg

Geotermiskt värmeflöde

10 -

20 m Påv

erkas

av

årstidsv

äxlin

gar

Neutra

l zon

Temperatur s

tabil i

tiden

Ökar m

ed öka

nde djup

Praktik 1

Installationsteknik


SMÅHUS: FÖRUTSÄTTNINGAR

• Borås (Nutek/STEM referens)-

Klimatzon 4, tår = +5,8 °C

• Byggnad:

1977, fristående- BRA = 140 + 10 m2

- torpargrund- isolering 12 cm (U

0,35 W/m2/K), - fönster 2-glas (U

2 W/m2/K)

• Installationer:- F-ventilation, 165 m3/h (0,5 oms/h)- Direktel , 10,3 kW- El-beredare, 300 liter, 1,5/3 kW

• Totalt köpt energi:- 25 MWh/år, 167 kWh/m2/år

Elprisets utveckling

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

1980 1985 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 År

Pris

[SEK

/kW

h]

MomsEnergiskattFast kostnadEnergipris

Praktik I-2

Installationsteknik


VINNARKONCEPT

• Fast pris 39 000 SEK- värmepump ca. 4 kW- borrhål 60 m- fläktkonvektor ca. 4 kW

• Tillägg 3 000 SEK- större fläktkonvektor- en radiator

• Förväntad besparing- 9000 kWh/år (uppvärmning)

• Utvärdering + förberedelse av framtida modifieringar

Praktik I-3

Installationsteknik


BERÄKNAD SPF FÖR VINNARKONCEPTET + TÄNKBARA FÖRBÄTTRINGAR

1.

Tävlingsförslag

2.

Återladdning

3.

Pumpdrift

4.

Lastanpassning

(ackumulator)

5.

Lågtemperatur-

system

Värmefaktor för olika konverteringsalternativ

0

1

2

3

4

5

6

-15 -10 -5 0 5 10 15tute [°C]

CO

P vpa

[-]

V: IV plus lågtemperatursystem (40/30)

IV: III plus lastanpassning

III = II plus effektiv pumpdrift

II = I plus återladdning

I = enligt värmepumpstävling

Värmekällan(återladdning)

Distribution(effektiva pumpar)

Last-anpassning

Lågtemperatursystem 40/30

Praktik I-4

Installationsteknik


OMBYGGNAD 1: ”VINNARKONCEPTET”• Enkel värmepump

(”kylskåpsmodul” 0,6x0,6x0,6 m)

• Enkel styrning (utetemperaturbaserad ”kurvstyrning”)

• Enkelt värmesystem (fläktkonvektor + bibehållna el-radiatorer)

• Bibehållen el-beredare

Värme-pump

Styrenhet

twi

Borrhål

P1

Fläkt-konvektor

L

Praktik I-5

Installationsteknik


OMBYGGNAD 1: RESULTAT

• Besparing ca. 9000 kWh på

uppvärmning• Nuvärde 100 000 SEK (1 SEK/kWh, 15 år)• Investering 42 000 SEK

Visthusgatan 6: Veckomedelvärden 1996

-10

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8 10 12

Månad [nr]

Tem

pera

tur [

°C]

Tvb,utTluft,utTluft,inTkb,inTute

Praktik I-6

Installationsteknik


OMBYGGNAD 2: RESULTAT

• Köldbärartempera- turen ökar

• Men värmefaktorn minskar!

• Varför?

Köldbärartemperatur med och utan återladdning

-5

0

5

10

-10 -5 0 5 10 15Utetemperatur [°C]

Tem

pera

tur [

°C]

Tkbin 00/01Tkbut 00/01Tkbin 96

Veckomedelvärden

Med återladdning

Utan återladdning

Värmefaktor

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

-10 -5 0 5 10 15Utetemperatur [°C]

CO

P [-]

COPvpCOPvpaCOPvpa*COPvpafCOPvp-96

Veckomedelvärden år 2000

COPvpaf

COPvpa

COPvp

COPvp-96

Praktik I-7

Installationsteknik


OMBYGGNAD 3+4: STYRNING OCH LASTANPASSNING

”Varför enkelt när man kan göra det så vackert komplicerat?”

1

Värmepump

2

Återladdning

3

Pumpdrift

4.1 Specialtank

4.2

Styrsystem

Värme-pump

VV

KV

Styrenhet

Värme- del

VV-del

tvbin

Vä

rmes

yste

m

Borrhål

ttank2

trum

VVX1

P1

P3

P2

ttank1

Praktik I-8

Installationsteknik


SAMMANFATTNING EXEMPEL 1• Typiskt 70-tals direktelvärmt småhus med lägre

specifik energianvändning än moderna ”passivhus”

• Besparing: 25 MWh/år → 9 MWh /år- 4,5 MWh/år för värme och varmvatten- 133 kWh/m2/år → 30 kWh/m2/år- 167 kWh/m2/år → 60 kWh/m2/år

• Bättre styrning av inomhusklimatet än i ”passivhus”

• Ekonomi: Rak pay-off 5 år, nuvärde 178 000 SEK- Investering ca. 80 000 SEK, besparing ca. 16 000 SEK/år

Praktik I-9

Installationsteknik


KONTORSBYGGNAD I LUND

• Byggnadsbeskrivning- Byggnad: 5 300 m2

- Ventilation: VAV/CAV med FTX

- Värme: Radiatorer- Kyla: Kyld tilluft

• Besparing

(köpt energi)- Värmeåtervinning- VAV/DCV- Värme ur mark- Frikyla: uteluft- Frikyla: låg marktemperatur med

säsongslager

Praktik II-1

Värmestrålning

Solstrålning

Nederbörd

Bor

rhål

Bor

rhål

Bor

rhål

Bor

rhål

Värmeled-ning i berg

Grundvatten-flöde i berg

Geotermiskt värmeflöde

10 -

20 m Påve

rkas av

årstidsv

äxlingar

Neutral z

on

Temperatur s

tabil i tid

en

Ökar m

ed öka

nde djup

Installationsteknik


KONTORSHUS: TILLÄMPNING MED FRIKYLA

• Rätt förhållande mellan värme-

och kylbehov ger stor andel frikyla

• Rektangulära borrhålssystem

• Astronomihuset i Lund (köpt kyla + värme): < 28 kWh/m2/år; < 10 W/m2!1/10 av normalt!

• Värmepump som spets för kyla/värme?

Varaktighetsdiagram för el-effektbehov

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

[h]

El [W

/m2]

8760 h

Värmepump, We/A19,6 kWh/m2 BTA per år

Varaktighetsdiagram för kyl- och värmeeffekt

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

[h]

Effe

kt [W

/m2]

8760 h

Värmepump, Q1/A89 kWh/m2 BTA per år Värmepump

kyla/värme

Frikyla, Qberg/A25 kWh/m2 BTA per år

Tillsatsvärme, Qtva/A8 kWh/m2 BTA per

å

Värmepumpskyla, Q2/A2 kWh/m2 BTA per år

Praktik II-2

Installationsteknik


RESULTATÅrlig energianvändning MWh kWh per m2

Värmebehov 515 97VärmetillförselVärmepump 475 89Tillsats 40 8

Kylbehov 155 29VärmebortförselFrikyla 130 25Värmepump (v+k) 15 3Värmepump (k) 10 2

ElKompressor 104 19.6Pumpar 7 1.3

Praktik II-3

SPFvpa = 4,3SPFvp = 4,6

SPFva = 3,4

• Värme

• KylaSPFka = 17

• Värme + kylaSPFv+k,a = 4,4

Installationsteknik


SAMMANFATTNING EXEMPEL 2• Investeringskostnad 10-15 000 SEK/kWvärme

• Värme + kyla ger stor besparing och hög utnyttjandetid

• Mycket stor minskning av köpt energi

• Besparing av köpt energi i förhållande till fjärrvärme + fjärrkyla ca. 270 000 SEK/år

• Investeringsutrymme > 20 000 SEK/kWvärme

• GRATISENERGI FINNS INTE! (Kapitalkostnad och drivenergi till hjälpapparater)

Praktik II-4

SÅ MYCKET ENERGI KAN VI SPARA...

Documents

Transcript of SÅ MYCKET ENERGI KAN VI SPARA...