Av: Jørn Stene, COWI AS, Trondheim – Tore Hjerkinn, Multiconsult AS, Bergen.
Resultatene viser at varmepumper med karbondioksid (CO2) som arbeidsmedium oppnår i størrelsesorden 20% høyere effektfaktor (COP) enn de mest energieffektive varmepumpene med konvensjonelle arbeidsmedier. CO2-varmepumper kan dessuten levere varmtvann opp mot
Ved prosjektering og drift av CO2-varmepumper er det imidlertid en del spesielle forhold som må ivaretas for å sikre høy energieffektivitet for anleggene.
Varmtvannsbehov og varmtvannssystemer i bygninger
Mange bygninger har et relativt høyt energibehov til oppvarming av varmt forbruksvann deriblant boliger, hoteller, idrettsanlegg, sykehjem og sykehus. Totalt energibehov til varmtvannsberedning i norsk bygningssektor og industri er estimert til ca.10 TWh. Figur 1 viser beregnet årlig spesifikt varmebehov (kWh/m2år) til romoppvarming, varmtvannsberedning, oppvarming av ventilasjonsluft og klimakjøling for ulike bygningstyper i henhold til den nye byggeforskriften TEK2007.
(Klikk på alle illustrasjoner for større format)
Hvis bygninger utformes med lavenergi- eller passivhusstandard vil årlig energibehov for varmtvannsberedning utgjøre en betydelig større andel av totalt årlig varmebehov enn for konvensjonelle bygninger.
Eksempelvis vil varmtvannsbehovet i blokkleiligheter av lavenergi- og passivhusstandard typisk stå for 60 til 80% av totalt årlig varmebehov.
De fleste eneboliger, flermannsboliger og rekkehus i Norge dekker varmtvannsbehovet ved hjelp av
varmtvannsberedere med elektriske varmekolber. I større bygninger med sentral varmtvannsberedning er det svært vanlig å benytte elektrokjeler og oljekjeler for varmeproduksjon. Alternative oppvarmingssystemer som utnytter fornybar energi og/eller har høyere energieffektivitet er solfangere med elektriske varmekolber som tilleggsvarme, gasskjel, pelletskjel, varmeveksler tilkoblet fjernvarme-/nærvarmenett samt varmepumpe. Denne artikkelen gir en grunnleggende analyse av ulike varmepumpesystemer for varmtvannsberedning i bygninger, og viser et eksempel på prosjektering av en varmepumpe for varmtvannsberedning i et leilighetskompleks av lavenergi-/passivhusstandard.
Analyse av ulike varmepumpesystemer for varmtvannsberedning
Når en varmepumpe avgir varme til vann i en standard kondensator, f.eks. en rørkjel- eller platevarmeveksler, vil utgående vanntemperatur normalt være noe lavere enn kondenseringstemperaturen. Effektfaktoren (COP) for en varmepumpe øker typisk 3-4% per ºC reduksjon i kondenseringstemperaturen. For at anlegget skal oppnå høy grad av energisparing er det derfor ønskelig å avgi varme ved så lav kondenseringstemperatur som mulig. I varmtvannssystemer er imidlertid temperaturkravet av hensyn til bl.a. legionella og termisk lagringskapasitet i størrelsesorden 60 til
Arbeidsmediet ut fra kompressoren i et konvensjonelt varmepumpeanlegg er overhetet gass som holder en vesentlig høyere temperatur enn kondenseringstemperaturen. Trykkgasstemperaturen er først og fremst bestemt av type arbeidsmedium, anleggets fordampnings- og kondenseringstemperatur, kompressorens isentropiske virkningsgrad (energivirkningsgrad) og overhetningen av gassen inn på kompressoren.
Ved å benytte en separat overhetningsvarmeveksler mellom kompressoren og kondensatoren, som
avkjøler trykkgassen til duggpunktstemperatur, vil en kunne utnytte overhetningsvarmen til å ettervarme varmtvannet til en temperatur som er høyere enn kondenseringstemperaturen. Kondenseringstemperaturen blir dermed lavere enn i et anlegg med kun en kondensator, og anleggets COP øker.
· System A – kondensator og overhetningsvarmeveksler
· System B – kondensator, overhetningsvarmeveksler og underkjølingsvarmeveksler
· System C – kondensator, overhetningsvarmeveksler og sugegassvarmeveksler
· System D – CO2-varmepumpe med gasskjøler og sugegassvarmeveksler
Figur 2 viser prinsipielle skisser av de fire varmepumpesystemene samt eksempler på virkelig temperaturforløp for arbeidsmedium og vann i varmevekslerne for varmeavgivelse. Nettvannstemperaturen er satt til
For enkelhets skyld er System A, B og C vist med samme kondenseringstemperatur.
System A – Vannet forvarmes (1-2) i kondensatoren (b-c), og ettervarmes (2-3) til ønsket temperatur i
overhetningsvarmeveksleren, OHVV (a-b). Temperaturforløpet for vannet i kondensatoren er veldig ulineært ettersom kondenseringstemperaturen er tilnærmet konstant (”uendelig” spesifikk varmekapasitet), og overført varmeeffekt i hver del av varmeveksleren er proporsjonal med temperaturdifferansen mellom mediene. Bruk av to seriekoblede varmevekslere gir lavere kondenseringstemperatur og følgelig høyere COP enn et varmepumpeanlegg hvor varmen avgis i en kondensator. Ved å øke varmevekslerarealet, A (m2) og/eller varmegjennomgangstallet, U (W/m2K), vil en kunne redusere den midlere temperaturdifferansen mellom mediene og følgelig redusere kondenseringstemperaturen. Den minste temperaturdifferansen mellom arbeidsmedium og vann, pinch-punktet, opptrer i overgangen mellom kondensator og overhetningsvarmeveksler (b, 2), og skyldes at arbeidsmediet endrer CP-verdi under varmeavgivelsen.
CP-verdien for et medium er lik produktet av massestrømmen, m (kg/s) og spesifikk varmekapasitet, cp (kJ/kgK), CP=m·cp. Når temperaturdifferansen i pinch-punktet er null vil en økning av A eller U ikke gi noen videre reduksjon i kondenseringstemperaturen. Pinch-punktet utgjør dermed en begrensning i varmeoverføringen i én varmeveksler eller i seriekoblede varmevekslere. Jo større forskjell det er i temperaturforløpet for mediene som kjøles og varmes, desto dårligere temperaturtilpasning. Best temperaturtilpasning oppnås når mediene har lik CP-verdi, ettersom avkjølings- og oppvarmingskurvene da blir parallelle.
Ved å øke U·A-verdien for varmeveksleren vil en da teoretisk kunne redusere temperaturdifferansen
til null.
System B – Anlegget er identisk med System A, bortsatt fra at det er benyttet en underkjølingsvarmeveksler for forvarming av vannet ved underkjøling/nedkjøling av arbeidsmediet (væske) etter kondensatoren.
For varmepumper med HFK eller propan som arbeidsmedium vil en underkjølingsvarmeveksler gi ca.
0,8% økning i COP per ºC underkjøling av væsken. Vannet forvarmes (1-2) i underkjølingsvarmeveksleren, UKVV (c-d), varmes til en høyere temperatur (2-3) i kondensatoren (b-c) og ettervarmes (3-4) i overhetningsvarmeveksleren (a-b). Kondenseringstemperaturen og dermed tilført effekt til kompressoren er tilnærmet den samme som for System A, men ettersom varmepumpens varmeytelse, Q (kW) øker ved at det avgis ekstra varme i en underkjølingsvarmeveksler, blir anleggets COP noe høyere. Ved bruk av en
underkjølingsvarmeveksler vil varmeopptaket fra varmekilden øke (d’-c’, Figur 3) ettersom det avgis mer energi fra arbeidsmediet (c-d) ved varmeavgivelse. For å oppnå samme midlere temperaturdifferanse i fordamperen, LMTD (K), og følgelig samme fordampningstemperatur som for System A, må varmevekslerarealet, A (m2) økes, jfr. Q=U·A·LMTD.
System C – Anlegget er identisk med System A bortsett fra at det er benyttet en ekstra intern varmeveksler (sugegassvarmeveksler), som avkjøler arbeidsmediet etter kondensatoren (c-d) og varmer opp gassen fra fordamperen slik at inngående gasstemperatur for kompressoren blir høyere. Vannet forvarmes (1-2) i kondensatoren (b-c), og ettervarmes (2-3) til ønsket temperatur i overhetningsvarmeveksleren, OHVV (a’-b). Internvarmeveksleren bidrar til å øke kompressorens virkningsgrad samtidig som utgående gasstemperatur for kompressoren (trykkgasstemperaturen) blir vesentlig høyere enn for System A. Dermed øker overhetningsvarmens andel av total varmeleveranse, i dette tilfellet fra ca. 17% til 30%. Varmeveksleren bidrar dermed til lavere kondenseringstemperatur og høyere COP for varmepumpen, ettersom en større andel av avgitt varmemengde avgis ved nedkjøling av varm trykkgass. Som for System B må fordamperarealet være noe høyere enn for System A for å oppnå samme fordampningstemperatur.
System D – Anlegget benytter karbondioksid (CO2, R744) som arbeidsmedium. CO2 er et miljøvennlig arbeidsmedium, som ikke bidrar til global oppvarming når det benyttes som arbeidsmedium i varmepumper (GWP=0), ettersom det benyttes overskudds-CO2 fra industrien for påfylling av anleggene. CO2 er dessuten ugiftig og ubrennbar (brannslokningsmiddel). I følge Norsk kulde- og varmepumpenorm er CO2 i samme sikkerhetsklasse som HFK-mediene (gruppe 2).
Ettersom kritisk temperatur for CO2 er så lav som
Temperatursenkningen benevnes temperaturglidning mens varmeveksleren benevnes gasskjøler. CO2-varmepumper egner seg spesielt godt til oppvarming av vann eller luft med stor temperaturglidning, ettersom en da oppnår god temperaturtilpasning mellom CO2-gassen som avkjøles og mediet som varmes, og følgelig moderat midlere temperatur ved varmeavgivelse.
En varmepumpeprosess med CO2 som arbeidsmedium kalles en transkritisk prosess, ettersom varmeopptak fra varmekilden og varmeavgivelse skjer ved henholdsvis underkritisk og overkritisk trykk for arbeidsmediet (Figur 3). Trykknivået i CO2-systemer er vesentlig høyere enn i konvensjonelle varmepumper, typisk 25 til 40 bar i fordamperen og 80 til 110 bar i gasskjøleren. Dette har stor innvirkning på bl.a. dimensjonering av komponenter og nødvendig kompressorvolumbehov.
Det høye trykknivået for CO2 medvirker til svært høy gasstetthet, og ettersom spesifikk fordampningsentalpi er typisk 5 til 30% høyere enn for konvensjonelle arbeidsmedier, blir volumetrisk varmeytelse (kJ/m3) fire til åtte ganger høyere. Det medvirker til at nødvendig kompressorvolum for CO2-anlegg er vesentlig lavere enn for varmepumper med HFK, ammoniakk eller propan. På grunn av det høye trykknivået er trykkforholdet i CO2-kompressorer lavere enn i konvensjonelle anlegg, noe som bidrar til høyere isentropisk og volumetrisk virkningsgrad. CO2 har dessuten gode termofysikalske egenskaper som bidrar til høy effektivitet ved varmeveksling både i fordamper og gasskjøler. Dette kan utnyttes ved å redusere temperaturdifferansene, redusere varmevekslerarealet eller en kombinasjon av disse.
Ved detaljert simulering av de fire varmepumpesystemene ble det benyttet reelle virkningsgradskurver for kompressorene, men det ble ikke tatt hensyn til forskjeller i varmevekslingseffektivitet i fordamper og varmevekslerne for varmeavgivelse. Maksimal total UA-verdi for varmevekslerne for varmeavgivelse ble satt til 2400 W/K, for å ha en begrensning oppad mht. samlet størrelse på varmevekslerne. Overhetningen inn på kompressoren ble satt til 5 K. Figur 4 viser beregnet effektfaktor (COP) for de ulike varmepumpesystemene ved
System C med kondensator, sugegassvarmeveksler og overhetningsvarmeveksler oppnådde høyest COP og størst energisparing av varmepumpesystemene med R134a, mens System D med CO2 som arbeidsmedium hadde ca. 20% høyere COP og 5 %-poeng høyere energisparing enn System C. Ettersom O2 har bedre varmeovergangseffektivitet enn R134a ved fordampning og varmeavgivelse samt mindre prosesstap knyttet til trykktap i komponenter og rørføring, vil forskjellen i COP i en reelt anlegg bli enda høyere. En CO2-varmepumpe kan på grunn av den gode temperaturtilpasningen mellom arbeidsmedium og vann dessuten levere varmt tappevann opp mot 90-
Figur 5 viser hvordan COP endrer seg med inngående vanntemperatur på varmevekslerne for varmeavgivelse ved
Under tapping leveres varmt vann av 60 til
Analyse av varmtvannssystem med CO2-varmepumpe
Det er foretatt en detaljert analyse og prosjektering av en CO2-varmepumpe for varmtvannsberedning i et leilighetskompleks med 40 leiligheter av lavenergi- og passivhusstandard i Damsgårdsundet i Bergen (Hjerkinn, 2007). Årlig varmtvannsbehov per leilighet og totalt varmtvannsbehov ble beregnet til hhv.
4.200 kWh/år og 170.000 kWh/år. Det ble foretatt en dimensjonering av fordampersystemet med ulike varmekilder; uteluft, sjøvann (indirekte systemløsning), gråvann (avløpsvann eks. kloakk) og grunnvann.
Hvis en CO2-varmepumpe skal benytte gråvann (avløpsvann) som varmekilde vil systemløsningen bli noe annerledes enn når det brukes konvensjonelle varmepumper. Figur 6 viser to ulike systemkonfigurasjoner for en CO2-varmtvannsvarmepumpe med gråvann som varmekilde.
I System A, som er standard systemløsning for konvensjonelle varmepumper, benyttes gråvannet (
Det ble foretatt en detaljert prosjektering av CO2-varmepumpen med
Ved ønske om lavere trykk økes ventilåpningen noe slik at noe av gassen på høytrykkssiden transporteres til LTB og kondenserer til væske. Figur 7 viser en prinsipiell skisse av CO2-varmepumpen og varmtvannssystemet med fire
Varmtvannssystemet er et standard trykksatt system. Ved tapping av varmtvann fra tankene strømmer det kaldt nettvann inn i bunnen av tank 4, og avhengig av tappevannsbehovet vil hele eller deler av tankvolumet bli fylt med kaldt nettvann. En tilbakeslagsventil før gasskjøleren hindrer at varmt vann ikke sirkulerer gjennom gasskjøleren og tilbake til tank 4. CO2-varmepumpen startes opp og vann fra tank 4 pumpes gjennom gasskjøleren og inn i toppen av tank 1. Pumpe 1 er turtallsregulert, og regulerer massestrømmen i henhold til ønsket varmtvannstemperatur (t2), f.eks.
CO2-varmepumpens varmeytelse og COP ble beregnet ved hjelp av CSim, som er et avansert dataprogram utviklet ved NTNU-SINTEF for simulering og optimalisering av bl.a. CO2-varmepumper. Gjennomsnittlig COP for CO2-varmepumpen ble beregnet til 3,8 når en ikke tar hensyn til nødvendig tilført energi til grunnvannspumpen (Hjerkinn, 2007). Dette tilsvarer en netto energisparing på mer enn 70% i forhold til et tradisjonelt varmtvannsanlegg med elektrisk oppvarmingssystem.
Ved 170.000 kWh årlig varmebehov, 3,5 i midlere effektfaktor (COP) for varmepumpen, 6% realrente, 15 års økonomisk levetid, 75 øre/kWh elektrisitetspris og elektrisk oppvarming som referanse, ble største tillatte investering (STI) for CO2-varmepumpen beregnet til ca. 1 million kroner (Hjerkinn, 2007). Det tilsvarer ca. 35-40.000 kr per kW installert effekt, og viser at denne typen anlegg for varmtvannsberedning har meget god lønnsomhet.
Varmepumper og fornybar varme
Varmepumper har tidligere ikke vært regnet som en fornybar varmekilde, men har nå endelig blitt inkludert i utkastet til nytt EU-direktiv på fornybar energi (RES Directive, 2008). I Nordisk klima vil typisk 65 til 75% av varmeleveransen fra en varmtvanns-varmepumpe være fornybar varme fra varmekilden. Dette er i størrelsesorden 15 til 35 prosentpoeng høyere enn for et varmtvannssystem basert på solfangere og elektriske varmekolber som tilleggsvarme, som tradisjonelt sett regnes som nesten 100% fornybar varme.
For et solfangersystem dekkes 40 til 50% av årlig varmeleveranse fra solfangerne, mens resterende andel normalt er elektrisk tilleggsvarme. Selv i Sør-Europeisk klima hvor anslagsvis 75 til 80% av årlig varmeleveranse fra et solvarmesystem dekkes av solfangerne, vil en høyeffektiv CO2-varmepumpe kunne dekke like stor andel av varmeleveransen med fornybar varme. Det viser tydelig at varmepumper i høyeste grad er å regne som en fornybar varmekilde, noe som også ble stadfestet da Norges Forskningsråd i 2007 utarbeidet sin nye strategiplan på forskning og utvikling innen energiområdet, Energi21.
Framtidsutsikter
CO2-varmepumper for varmtvannsberedning har vært kommersielt tilgjengelige i Japan siden 2002.
Ved årsskiftet 2007/2008 var det solgt anslagsvis 1 million anlegg, de fleste med 4,5-6 kW varmeytelse. Forventet salg innen 2010 er ca. 5 millioner enheter. Japanske uteluft/vann CO2-varmepumper for varmtvannsberedning eksporteres nå til Europa, og aggregatene fås med nominell varmeytelse opp mot ca. 30 kW. Den internasjonale hjemmesiden for CO2-teknologi, http://www.R744.com, har bl.a. informasjon om kommersielt tilgjengelige CO2-varmepumper for varmtvannsberedning på det Europeiske markedet.
Ved prosjektering av varmepumpeanlegg i bygninger med høyt varmtvannsbehov har det nå blitt aktuelt å benytte et separat CO2-aggregat for varmtvannsberedning, mens et annet varmepumpeanlegg dekker romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft og kjøling. Dette vil bidra til å øke varmepumpesystemets totale energisparing ettersom varmeproduksjonen i større grad tilpasses temperaturkravet for de ulike varmebehovene. Anleggsoppbyggingen og reguleringsstrategien vil også bli enklere, noe som vil kunne medvirke til lavere investeringskostnader og økt driftssikkerhet. En slik alternativ anleggsoppbygging vil imidlertid kun bli vellykket hvis varmtvannssystemet utformes og driftes slik at CO2-varmepumpen får best mulig driftsbetingelser.
Referanser
Hjerkinn, T., 2007: Analyse av varmtvannsvarmepumper for leilighetskomplekser og boligblokker av lavenergi-eller passivhusstandard. Masteroppgave ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU), Institutt for energi- og prosessteknikk. EPT-M-24.
Arikkelen kan også lastes ned som pdf-dokument