1. No category

Valg av varmepumpeløsning
for et fjernvarmeanlegg
En gjennomgang av aktuelle
varmepumpeløsninger i et fjernvarmeanlegg
avhengig av størrelse og krav til temperaturer i
anlegget
Gjermund Vittersø
www.Thermoconsult.no
Th
l
1
innhold
• Kort presentasjon
•Hvorfor varmepumpe ?
• Hvorfor bør varmepumpa være for liten?
• COP
• Quiz
•Temperaturløfter’n
p
• Typer varmepumpe
•Varmekilder
Varmekilder
•Kuldemedier
•Beregningseksempel
•Noen eksempler på fjernvarmevarmepumper
2
Presentasjon
Gjermund Vittersø, sivilingeniør fra NTH i 1986, med hovedfag
kuldeteknikk.
kuldeteknikk
Jobbet som:
F k påå Sintef,
Forsker
Si f 2år
2å
Rektor på Statens kjølemaskinistskole, 8 år
Avdelingsleder Prosjekt og drift Bærum Fjernvarme 7 år
 Varmepumpebasert fjernvarme og fjernkjøling
Teknisk sjef Norild 3 år
Divisjonsjef
j j Ahlsell kuldedivisjonen
j
4 år
Partner i Thermoconsult resten av livet kanskje..?
3
Presentasjon
Thermoconsult : ledende
l d d rådgivingsfirma
åd i i fi
innen
i
kuldeteknikk
k ld t k ikk og
varmepumpeteknikk.
Dannet av : Helge Lunde, Per Erik Abrahamsen, Egill T Elvestad i 1992 .
Alle sivilingeniører fra NTH, Kuldeteknikk, med lang og allsidig erfaring fra
kulde og varmepumpe bransjen.
Thermoconsult for tiden engasjert i :
p p til fjernvarme,
j
, skoler ogg sykehjem,
y j , industri,, næringsbygg
g ygg
Varmepumper
Kjøle og fryseanlegg med varmegjenvinning til grossistlager og
distribusjonslager, dagligvare isbaner og ishaller, prosessindustri,
næringsmiddelindustri skip og fiskefartøy,
næringsmiddelindustri,
fiskefartøy tog
Prosjekter, Feilretting, Kurs og foredragsvirksomhet
Mer info om Thermoconsult finnes på www.thermoconsult.no
4
Hvorfor varmepumpe?
Primært:
– Produsere rimelig varme
– Miljøvennlig varme
– Dekke et kjølebehov?
j
Sekundært:
• driftsikkerhet,,
• enkel drift, uten behov for bemanning eller transport
MEN: Målet med VP er ikke å få nok varme kaldeste dag,
g,
det må andre kilder sikre,
Målet er lave årlige fyringskostnader.
Hvorfor bør varmepumpa være for liten? (1)
100 %
90 %
80 %
70 %
60 %
50 %
40 %
30 %
20 %
10 %
0%
-25.
25. °C
C
-20.
20. °C
C
-15.
15. °C
C
-10.
10. °C
C
-5.
5. °C
C
Effekt dekning %
0. °C
C
5. °C
C
10. °C
C
15. °C
C
20. °C
C
Energibehov i 5C intervallet %
Energibehovet summerer seg opp til en topp mellom -5°C og 10°C, fordi det er
slike dager som det er flest av. Effektbehovet øker jo kaldere det blir ute, linjert
(omtrent). Men varmepumpa må ikke dekke hele effekten for da vil den nesten
aldri få brukt de siste 40% av ytelsen.
Hvorfor bør varmepumpa være for liten? (2)
Strømpris
øre/kWh
Varmebehov
Effektbehov
kWh/år
kW 70
300 000 200
VP_nr 1
Varmepumpas effektdekning
kW
Varmepumpa energidekning
kWh/år
p p
Varempumpas COP
VP_nr 2
60 %
120
90 %
40 %
80
10 %
270 000 3 30 000 3
Varmepumpepris
kr
500 000 333 333 S t
Spart energi
i
k h/å
kwh/år
180 000
180 000 20 000
20 000 Spart energiutgift
kr/år
126 000 14 000 Enkel nedbetalingstid
Enkel nedbetalingstid
år
40
4,0
23 8
23,8
Eksempel:
Investering i en
varmepumpe som dekker
60% av effekten og 90% av
energien gir 4 års
tilbakebetalingstid
tilbakebetalingstid.
Kjøpes en varmepumpe
som dekker
d kk alt,
l de
d siste
i
40% effekt, vil ikke
innsparingen øke mye.
Tilleggsinvesteringen vil ha
23 års tilbakebetalingstide,
mens de første 60% har 4
år.
COP
COP
=
Fordi COP er under brøkstreken i
regnestykket for innsparing,
innsparing er
innsparingen mest følsom for lave
COP verdier, når COP blir høy, fra
4 5 og oppover øker
4,5
k iinnsparingen
i
relativt lite.
Produsert Varme
Forbrukt energi
6
COP
Innspart %
1
0 %
15
1,5
‐33 %
33 %
-20 %
2
‐50 %
-30 %
2,5
‐60 %
3
‐67
67 %
%
3,5
‐71 %
-70 %
4
‐75 %
-80 %
,
4,5
‐78 %
5
‐80 %
5,5
‐82 %
0%
-10 %
5
4
-40 %
3
-50 %
2
-60 %
1
0
-90 %
0
1
2
3
4
5
6
COP
Inspart %
Quiz
Hva gir mest varme?
A. 1 kWh varme avgitt ved 80/60°C
B. 1 kWh varme avgitt ved 60/40°C
Hva er dyrest av
A. 1 kWh varme 80/60°C produsert av VP
B. 1 kWh varme 60/40°C produsert av VP
Hva er dyrest
y
av
A. 1 kWh varme 80/60°C produsert av olje
B. 1 kWh varme 60/40°C produsert av olje
9
Temperaturløfter’n
45°C
20°C
0°C
65°C
20°C
0°C
10
Hva betyr ”temperaturløftet”
”Temperaturløft”, oC
Varmeytelse, kW
Endring, %
Tilført effekt, kW
Endring, %
Varmefaktor, Endring
energiforbruk %
energiforbruk,
0/35
0/40
0/45
0/50
0/60
114
110
105
100
90
-
-3,5
-8
-12
-21
24,6
26,1
27,7
28,9
31,4
-
+6,1
+13
+17
+28
4,63
4,21
3,79
3,46
2,87
-
+10
10
+22
22
+34
34
+62
Tabellen viser eksempel på hvor følsom en varmepumpe typisk er for
temperaturløftet
11
Varmekilder (1)
Ideelle krav
Høy øy
temperatur
Liten i
investering
i
Gratis
Luft
+20 ‐ ‐25°C
sjøvann
fjell
10‐5°C 5‐ ‐5°C
15‐5°C
10‐5°C
40 °C?
C? ‐
20°C?
ja
tja
nei
tja
tja
tja
ja
ja
ja
tja
ja
tja
noen steder
flere fl
steder
noen steder
noen steder
noen steder
tja
ikke alltid
Ja?
nei
nei
nei
Tilgjengelig
ja
Ikke korrosiv
oftest
ikke alltid ja
Ikke riming jo, dessverre
nei
nei
Ikke belegg
avløpsvann grunnvann Spillvarme
Oftest ikke kan være
nei
kan være kan være
Det er fordeler og ulemper ved de fleste varmekilder. Lokale forhold vil
bestemme hva som er mest egnet i hvert enkelt tilfelle
Nei?
12
Varmekilder (2)
Størrelse og krav til temperaturer
Temperatur på kald side: :
• Sjøvann, avløpsvann 10 – 5°C
•Berg 2 - -3
3°C
C
•Luft +20 - -25°C
•Avløpsvann
A l
15 – 5°C
•Grunnvann 10 – 5°C
•Spillvarme 40 – 20°C
 Hver grad høyere temperatur øker innsparingen med ca 0,5 %
( med
d 50/0 som utgangspunkt)
t
kt)
13
Varmekilder (3)
Typiske brutto COP for de forskjellige varmekildene ved
45°C turvann og 65°C turvann.
Bruk av spisslast og strøm til pumper vifter og ev.
avriming vil trekke netto årlig COP ned.
ned
COP
Sjøvann
Berg
L ft
Luft
Avløpsvann
Grunnvann
Spillvarme
Års snitt
7°C
0°C
0°C
10°C
7°C
30°C
45 C
45°C
4,3
3,7
37
3,7
4,6
4,3
8,7
65 C
65°C
2,9
2,6
26
2,6
3,1
2,9
4,6
14
Varmekilder (4)
Typiske
T
i k Innsparing
I
i for
f de
d forskjellige
f kj lli varmekildene
kild
vedd
45°C turvann og 65°C turvann.
Bruk av spisslast og strøm til pumper vifter og ev.
avrimingg vil trekke netto årligg COP ned.
Sjøvann
Berg
Luft
Avløpsvann
Grunnvann
Spillvarme
7°C
0°C
0°C
0
C
10°C
7°C
30°C
Innsparing
45°C
65°C
77 %
66 %
73 %
62 %
73 %
62 %
78 %
68 %
77 %
66 %
89 %
78 %
15
Kuldemedier
Mulige kuldemedier
NH3
CO2
134a
R410a
Kjemisk/ naturlig
Naturlig
Naturlig
Kjemisk Kjemisk
Naturlig
Glide [K]
0K
20 – 50K
0K
0,5 K
40 K
avgift [kr/kg]
0,-
0,-
209,-
360,-
0,-
T
Temp.
l ft ett
løft
tt trinn
ti
0 / 45°C
0 / 80°C
0 / 65°C 0 / 57°C
Temp. løft to trinn
0/90°C
0 / 120°C
0/90°C
Størrelse
> 500 kW
< 1 MW
Alle
Mindre
anlegg
Hybrid
20/110°C
< 20 MW
16
Beregningseksempel lønnsomhet
sjøvanns VP uten kjøling
Varme
Dim Effektbehov
4 000
Ekv. Driftstid
2 000
Energibehov
8 000 000
Effektdekning
50 %
Effekt VP
2000
kW
0,6
kr/kWh
Energipris
0,7
kr/kWh
kWh/år
Inntjening
3 680 000
kr/år
25 000 000
12 500
3,1
kr
kr/kW
kr/kWh
kW
VP Energidekning
p VP
Cop
Energi fra VP
Energi til VP
Spisslast
90 %
3,00
,
7 200 000
2 400 000
800 000
kWh/år
kWh/år
kWh/år
Energiforbruk
3 200 000
kWh/år
Spart energi
4 800 000
kWh/år
Total COP
Energikost
g
Investering
Rel. invester
Tilbakeb. tid
6,8
år
2,50
17
Beregningseksempel lønnsomhet
sjøvanns VP med kjøling
Varme
Di Effektbehov
Dim
Eff ktb h
Ekv. Driftstid
Energibehov
Effektdekning
Effekt VP
VP Energidekning
Cop VP
Energi fra VP
Energi til VP
Spisslast
Energiforbruk
Spart energi
Total COP
50 %
2000kW
90 %
3,00
7 200 000
kWh/år
2 400 000
kWh/år
800 000
kWh/år
3 200 000
kWh/år
4 800 000
kWh/år
2,50
Kjøling
Driftstid
Frikjøling
j
g
COP
Energi
Energiforbruk
Årlig inntjening
Total COP
2000kW
800timer
30 %
4
1 600 000
kWh
280 000
kWh
952 000
kr/år
2,53
4 000
2 000
8 000 000
kW
Energikost
E
ik
Energipris
0,6kr/kWh
0
6k /kWh
0,7kr/kWh
kWh/år
Inntjening
Investering
relativ invester
Tilbakeb.tid
3 680 000
25 000 000
12 500
3,1
6,8
kr/år
kr
kr/kW
kr/kWh
år
Totalt med både varme og kjøling
Inntjening
4 632 000
Investering
26 000 000
Tilbakeb.tid
5,6
kr/år
kr
år
18
Noen eksempler
N
k
l på
å
varmepumpeløsninger
Ytelse
Anleggsløsning
Kuldemedie
Kompressortype
Varmekilde
4,5 MW 2 trinn
R134a
turbiner
sjøvann
20 MW
2 trinn
R134a
turbiner
avløpsvann
14 MW
2 trinn
NH3
Monoskruekompr. sjøvann
2 MW
Ett trinn
NH3
Skruekompressor
spillvarme
1 MW
Ett trinn,
CO2
trans.kristisk
Stempel
kompressor
Spillvarme
Stempel
kompressor
Spillvarme
0 5 MW Hybrid
0,5
NH3/
vann
19
Stor sjø
sjøvannsvarmepumpe
anns armep mpe
Frikjøling med sjøvann , Varmekapasitet 4.5 MW, To-trinnsanlegg Turbiner,
R134a, Kjølekapasitet: 9 MW, Oljekjel: 10 MW
Stor avløpsvannsvann VP
Varmepumpe: 11,2 MW (25 MW inkl oljekjeler) To-trinnsanlegg Turbiner, R134a
Varmeproduksjon
d kj :
522 GWh
G h
Kjølekapasitet:
8 MW
Kjøleproduksjon :
10,5 GWh
30 000 m22 gatevarme
30.000
t
Ny
N varmepumpe 9 MW varme og 10 MW kj
kjøling
li
05.11.2010
Fortum fjernvarme AS
22
NH3 varmepumper til
Drammen Fjernvarme AS
FAKTA
2-trinns system
Kapasitet: >14,3 MW
Varme: +60 → 90 oC
Sjøvann: + 8/4 oC
COP: > 3,0 @ 90 oC
 Kapasitetsregulering
p
g
g
ned til 10% ytelse
 To-trinnsanlegg.
Monoskrue
k
Si l k k
Single-skruekompressorer
Single-skruekompressorer
Nyere forskning & utvikling
muliggjør høytrykkskompressorer
medd balanserte
b l
t radialdi l og
aksialkrefter beregnet for
kondensering av NH3 ved 95oC
Vilter (single)
skruekompressor
Hovedrotor
Drivaksel
Akseltetningg
Stjernehjul
Stjernehjul
serviceluke
Volum
k t ll
kontrollaktuator
Stjernehjul
Plassering for kapasitets
kontrollaktuator
(aktuator ikke vist)
Trykkport
Trykkkammer
S ill
Spillvarme
VP 2MW NH3 Sarpsborg
S
b
fjernvarme
j
Temperaturen på spillvarmen holder fra 30 til 45°C, og maksimal utgående
varmtvannstemperatur fra varmepumpen er 80°C.
Installert effekt i fjernvarmesentralen er
varmepumpen på 2 MW pluss en kjele for
bioolje på 7 MW.
MW
Varmepumpen er en GEA Grasso FX PP 800
vann/vann varmepumpe med ammoniakk som
kuldemedie. Varmekapasiteten er på 2000 kW
ved 60/75°C på varm side og 40/30°C på kald
side. Effektforbruket er da 526 kW, det vil si at
effektfaktoren er 3,8. Varmepumpen er utrustet
med en turtallregulert skruekompressor, og har
y
52 bar trykklasse.
26
CO2, transkritisk VP:
compHEAT 44-IKV
IKV – 1 MW
CO2: 8°C
8 C fordampning med fylt fordamper,
fordamper avløpsvann ved 15C,
15C
Vand varmside: 40/80°C, COP: 3,4
compHEAT 4-IKV – Dong Energy
1 MW heat production
HYBRID VARMEPUMPE (Absorption / kompression)
+30°C
+80°C
Varmt vand
ICE DRAW
Absorber
Receiver
CONTROL
SYSTEM
COP
P = 4,5
ICE DRAW
ICE DRAW
Regulerventil
Spildvarme
+40°C
kch
Kompressor
+20°C
Kølet vand
Løsningspumpe
Desorber
Separator
H b id varmepumper i drift
Hybrid
d if
Kunde
Branche
kW
Køling
i
Varme
CO
COP
Timer
i
Tine
Mejeri,1
350
45 - 15
50 - 85
3,0
23.000
Nortura 1
Slagteri
650
50 - 40
50 - 83
48
4,8
17 200
17.200
Nortura 2
Slagteri,2
275 +500
49 - 38
51 - 88
5,0
7.500
Nortura 3
Slagteri
470
49 - 42
51 - 88
4,8
7.500
Bekkelag
Biogas, 3
1100
40 - 20
60 -70
4,3
1.100
1: Totrins anlæg
2: Totrins anlæg kaskade
3: Spildevandsanlæg/
p
g Biogasproduktion
g p
Oppsummering:
Det er mye å velge i for varmepumper i fjernvarme:
• Varmekilder
• Kuldemedier
• Kompressortyper
• Anleggstyper
A l
t
• Kjølebehov?
Det vil alltid lønne seg med små temperaturløft
Varmepumpa må designes ut fra lokal forhold!
31
Takk for oppmerksomheten!
Gjermund Vittersø
www.Thermoconsult.no
Th
l
32