Hydraulisk ubalanse i varmepumpeanlegg kan gi betydelig lavere besparelse og kortere levetid. Det ser daglig leder David Zijdemans, i Zijdemans Consult stadig eksempler på. - Det gjøres for mange feil, noe som er unødvendig, og som gjør at varmepumpeanleggene ikke yter full effekt, slik de skal, sier han.
I tillegg til akkumulering for å gi kompressor tilstrekkelig lang gangtid, brukes også en akkumuleringstank ofte som et hydraulisk skille i systemet. Det vil si at den parallellkoples slik at varmepumpen «jobber mot» en tank hvorfra varmeanlegget tar ut varme. Skal dette systemet fungere, må det være minimum én sirkulasjonspumpe hver side.
For å sikre god temperatursjiktning bår ikke hovedsirkulasjonen for både tur og retur føres gjennom tanken, såkalt firepunktskobling (vises i figuren under).
Zijdemans viser til et typisk eksempel fra et varmepumpeanlegg. Dette er et 50/35-anlegg som har vært i drift i Oslo i flere år. Vannmengden er prosjektert til 5,2 l/s i varmeanlegget, men kun 1,3 l/s gjennom varmepumpen.
Han har lagd noen enkle prinsippskisser for å vise hva som skjer i tanken. 5,2 l/s skal inn i tanken, men kun 1,3 l/s skal inn i varmepumpen. Det betyr at 3,9 l/s med 35 °C vil strømme opp i tanken, og blande seg med de 1,3 l/s med 50 °C fra varmepumpen.
Resultatet er 5,2 l/s med 39 °C som vil tilføres spisslasten som her er en elkjel. Elkjelen hever temperaturen fra 39 og opp til nødvendige 50 °C.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
Resultatet er at varmepumpen må levere 50 °C i stedet for 39 °C dersom det hadde vært hydraulisk balanse. Denne forskjellen er ekstra stor i dette tilfelle siden varmepumpens effektdekning er spesielt lav, men innenfor fornybarkrav i TEK10 før 2016.
COP
Det er lett å se problemet når det er så visuelt framstilt som dette. Men når man sitter og ser på store flytskjemaer, er det ikke like tydelig, sier han.
For denne konkrete varmepumpen er effektfaktoren, COP på 3,8. og på 1,2 når elkjel inkluderes.
Denne varmepumpen vil jo gå på 100 prosent veldig mange timer i løpet av et år, fordi den har så lav effektdekning. Det er ikke langt fra at SCOP lik 3,8 for kun varmepumpen når den leverer romvarme.
Hydraulisk balanse
For å få hydraulisk balanse, må vannmengden over varmepumpa øke.
Med hydraulisk balanse blir oppvarmingen fra 35 °C til 39 grader gjennom varmepumpen, og elkjelen videre opp til 50 °C. Tanken er i tillegg koblet om fra 4 til 3-punktskobling i figuren under:
COP
Med hydraulisk balanse øker COP fra 3,8 til 4,4 for denne konkrete varmepumpen, altså en økning på 16 prosent ved å få balanse i systemet.
- Dette er altså en prosjekteringsfeil. Vannmengden skal være mest mulig lik på begge sider av akkumuleringstanken, hele året. Utfordringen er å redusere vannmengden gjennom varmepumpen når den avtar i varmeanlegget slik at de er like.
Zijdemans illustrerer et nytt eksempel:
- Hva om det er motsatt, at vannmengden gjennom varmepumpen er høyere enn på varmeanlegget? Dette er en vanlig feil for spesielt mindre varmepumper, når utekompenseringskurven er stilt for høyt og hvor varmepumpen har høy effektdekning, hevder han.
- Mange rørleggere og enkelte varmepumpeselgere påstår at jo høyere vannmengden gjennom varmepumpen er, desto høyere blir COP. Aller helst ?T på 5 K. Det kan bli veldig feil!
Figuren under viser et eksempel på akkurat det: En varmepumpe blir driftet med ?T 5 K mot et radiatoranlegg som ved DUT skal ha 20K ?T.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
- Her er effektdekningen høy; ca. 80%. Konsekvensen med for stor vannmengde gjennom varmepumpen, er at turvannet blander seg inn i returvannet og hever dermed temperaturen. Varmepumpen driftes da med unødvendig høy returtemperatur. COP blir lavere og levetiden kortere. Ved å redusere vannmengden til samme som varmeanlegget, blir returtemperaturen den samme.
COP
Ved å redusere vannmengden gjennom varmepumpen slik som figuren under viser, vil returtemperaturen senkes fra 51 til 40 °C. COP vil da økes fra 3,0 til 3,45 i følge varmepumpedata. Dette er en økning på 15 %.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
Hva skal temperaturløftet gjennom varmepumpen være?
Varmepumpens temperaturløft skal være tilsvarende effektdekningsgraden multiplisert med varmeanleggets dimensjonerende temperaturdifferanse. Da skal eksempelvis en varmepumpe som har 60% effektdekning heve temperaturen med 12 grader i et 60/40- anlegg, men bare 3 grader i et 35/30 gulvvarmeanlegg.
Hva skal vannmengden være?
Over et driftsår skal vannmengden være konstant når spisslasten ligger inne og helst følge varmeanlegget så lenge det lar seg gjøre når spisslasten ikke er i bruk. Dette løses litt ulikt fra leverandør til leverandør og mellom inverterstyrte, av/på eller varmepumper med ulike effekttrinn, sier han og viser utekompenseringskurven til varmeanlegget og varmepumpens tur- og returtemperatur.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
Varmepumpens returtemperatur skal altså alltid være lik varmeanleggets. Mens varmepumpens turtemperatur skal følge anleggets turtemperatur inntil spisslasten kobler inn, for deretter å holdes med konstant temperaturløft.
Akkumuleringstank bare en feilkilde?
Zijdemans oppsummerer: Ja en akkumuleringstank kan skape mye trøbbel i et anlegg når det er hydraulisk ubalanse. Den brukes først og fremst som et energilager slik at kompressoren ikke skal få for hyppige start, noe som vil redusere både levetid og besparelse. For å sikre en minimumssirkulasjon gjennom varmepumpen kobles den derfor som oftest i parallell som et hydraulisk skille når det er mengderegulerte anlegg. I tillegg opprettholdes sirkulasjonen i anlegget når en eventuell vekselventil (plassert mellom varmepumpe og akkumuleringstank) veksler over mot varmtvannsproduksjon.
Det skal i utgangspunktet alltid være hydraulisk balanse, altså lik vannmengde på hver side av akkumuleringstanken. Men, når varmepumpen leverer laveste effekt som fortsatt er høyere enn byggets behov, vil tanken komme til sin rett. Da blir vannmengden høyere gjennom varmepumpen enn varmeanlegget, og tanken vil akkumulere energi. Når tanken er ferdig varmet opp, vil varmepumpen stanse og energi tas ut av tanken. Det er da veldig viktig at varmepumpens sirkulasjonspumpe stanser. Det skal ikke være sirkulasjon gjennom varmepumpen når kompressoren ikke er i drift.
I tillegg til akkumulering for å gi kompressor tilstrekkelig lang gangtid, brukes også en akkumuleringstank ofte som et hydraulisk skille i systemet. Det vil si at den parallellkoples slik at varmepumpen «jobber mot» en tank hvorfra varmeanlegget tar ut varme. Skal dette systemet fungere, må det være minimum én sirkulasjonspumpe hver side.
For å sikre god temperatursjiktning bår ikke hovedsirkulasjonen for både tur og retur føres gjennom tanken, såkalt firepunktskobling (vises i figuren under).
Zijdemans viser til et typisk eksempel fra et varmepumpeanlegg. Dette er et 50/35-anlegg som har vært i drift i Oslo i flere år. Vannmengden er prosjektert til 5,2 l/s i varmeanlegget, men kun 1,3 l/s gjennom varmepumpen.
Han har lagd noen enkle prinsippskisser for å vise hva som skjer i tanken. 5,2 l/s skal inn i tanken, men kun 1,3 l/s skal inn i varmepumpen. Det betyr at 3,9 l/s med 35 °C vil strømme opp i tanken, og blande seg med de 1,3 l/s med 50 °C fra varmepumpen.
Resultatet er 5,2 l/s med 39 °C som vil tilføres spisslasten som her er en elkjel. Elkjelen hever temperaturen fra 39 og opp til nødvendige 50 °C.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
Resultatet er at varmepumpen må levere 50 °C i stedet for 39 °C dersom det hadde vært hydraulisk balanse. Denne forskjellen er ekstra stor i dette tilfelle siden varmepumpens effektdekning er spesielt lav, men innenfor fornybarkrav i TEK10 før 2016.
COP
Det er lett å se problemet når det er så visuelt framstilt som dette. Men når man sitter og ser på store flytskjemaer, er det ikke like tydelig, sier han.
For denne konkrete varmepumpen er effektfaktoren, COP på 3,8. og på 1,2 når elkjel inkluderes.
Denne varmepumpen vil jo gå på 100 prosent veldig mange timer i løpet av et år, fordi den har så lav effektdekning. Det er ikke langt fra at SCOP lik 3,8 for kun varmepumpen når den leverer romvarme.
Hydraulisk balanse
For å få hydraulisk balanse, må vannmengden over varmepumpa øke.
Med hydraulisk balanse blir oppvarmingen fra 35 °C til 39 grader gjennom varmepumpen, og elkjelen videre opp til 50 °C. Tanken er i tillegg koblet om fra 4 til 3-punktskobling i figuren under:
COP
Med hydraulisk balanse øker COP fra 3,8 til 4,4 for denne konkrete varmepumpen, altså en økning på 16 prosent ved å få balanse i systemet.
- Dette er altså en prosjekteringsfeil. Vannmengden skal være mest mulig lik på begge sider av akkumuleringstanken, hele året. Utfordringen er å redusere vannmengden gjennom varmepumpen når den avtar i varmeanlegget slik at de er like.
Zijdemans illustrerer et nytt eksempel:
- Hva om det er motsatt, at vannmengden gjennom varmepumpen er høyere enn på varmeanlegget? Dette er en vanlig feil for spesielt mindre varmepumper, når utekompenseringskurven er stilt for høyt og hvor varmepumpen har høy effektdekning, hevder han.
- Mange rørleggere og enkelte varmepumpeselgere påstår at jo høyere vannmengden gjennom varmepumpen er, desto høyere blir COP. Aller helst ?T på 5 K. Det kan bli veldig feil!
Figuren under viser et eksempel på akkurat det: En varmepumpe blir driftet med ?T 5 K mot et radiatoranlegg som ved DUT skal ha 20K ?T.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
- Her er effektdekningen høy; ca. 80%. Konsekvensen med for stor vannmengde gjennom varmepumpen, er at turvannet blander seg inn i returvannet og hever dermed temperaturen. Varmepumpen driftes da med unødvendig høy returtemperatur. COP blir lavere og levetiden kortere. Ved å redusere vannmengden til samme som varmeanlegget, blir returtemperaturen den samme.
COP
Ved å redusere vannmengden gjennom varmepumpen slik som figuren under viser, vil returtemperaturen senkes fra 51 til 40 °C. COP vil da økes fra 3,0 til 3,45 i følge varmepumpedata. Dette er en økning på 15 %.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
Hva skal temperaturløftet gjennom varmepumpen være?
Varmepumpens temperaturløft skal være tilsvarende effektdekningsgraden multiplisert med varmeanleggets dimensjonerende temperaturdifferanse. Da skal eksempelvis en varmepumpe som har 60% effektdekning heve temperaturen med 12 grader i et 60/40- anlegg, men bare 3 grader i et 35/30 gulvvarmeanlegg.
Hva skal vannmengden være?
Over et driftsår skal vannmengden være konstant når spisslasten ligger inne og helst følge varmeanlegget så lenge det lar seg gjøre når spisslasten ikke er i bruk. Dette løses litt ulikt fra leverandør til leverandør og mellom inverterstyrte, av/på eller varmepumper med ulike effekttrinn, sier han og viser utekompenseringskurven til varmeanlegget og varmepumpens tur- og returtemperatur.
Saken fortsetter under illustrasjonen:
Varmepumpens returtemperatur skal altså alltid være lik varmeanleggets. Mens varmepumpens turtemperatur skal følge anleggets turtemperatur inntil spisslasten kobler inn, for deretter å holdes med konstant temperaturløft.
Akkumuleringstank bare en feilkilde?
Zijdemans oppsummerer: Ja en akkumuleringstank kan skape mye trøbbel i et anlegg når det er hydraulisk ubalanse. Den brukes først og fremst som et energilager slik at kompressoren ikke skal få for hyppige start, noe som vil redusere både levetid og besparelse. For å sikre en minimumssirkulasjon gjennom varmepumpen kobles den derfor som oftest i parallell som et hydraulisk skille når det er mengderegulerte anlegg. I tillegg opprettholdes sirkulasjonen i anlegget når en eventuell vekselventil (plassert mellom varmepumpe og akkumuleringstank) veksler over mot varmtvannsproduksjon.
Det skal i utgangspunktet alltid være hydraulisk balanse, altså lik vannmengde på hver side av akkumuleringstanken. Men, når varmepumpen leverer laveste effekt som fortsatt er høyere enn byggets behov, vil tanken komme til sin rett. Da blir vannmengden høyere gjennom varmepumpen enn varmeanlegget, og tanken vil akkumulere energi. Når tanken er ferdig varmet opp, vil varmepumpen stanse og energi tas ut av tanken. Det er da veldig viktig at varmepumpens sirkulasjonspumpe stanser. Det skal ikke være sirkulasjon gjennom varmepumpen når kompressoren ikke er i drift.
