Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedelunit på en villainstallation

Transkript

1 Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedelunit på en villainstallation Projektrapport Maj 2012 RAPPORT Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf Fax

2 Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedelunit på en villainstallation Karsten V. Frederiksen Dansk Gasteknisk Center Hørsholm 2012

3 Titel : Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedelunit på en villainstallation Rapport Kategori : Projekt Rapport Forfatter : Karsten V. Frederiksen Dato : Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Fil Nummer : h:\735\29 demo villagas m sol\29 rapport\testreport_baxi_gundsømagle_maj2012.docx Projekt Navn : Demo villagasunit med solfanger ISBN :

4 DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Forord Introduktion Anlægsbeskrivelse Måleudstyr Målinger og resultater Måledata Analyse af energistrømmene Bedømmelse af anlæggets effektivitet Solvarmeproduktion, elforbrug og økonomi Bedømmelse af anlæggets dynamik og kuldebroer Konklusion Referencer... 18

5 DGC-rapport 2 1 Forord Med implementering af solvarme i Bygningsreglementet, hvor solvarmeanlægget betragtes som en af mulighederne for at opfylde energirammen, og ønsket om mere vedvarende energi (VE) i energisektoren, vil solvarme spille en større rolle fremover. Solvarme handler således ikke længere kun om økonomi, men også om at tilgodese kravene i energilovgivningen. I den seneste version af dokumentet for Ecodesign Lot 1 og 2 er kravet for accepteret årsnyttevirkning 86 % (baseret på øvre brændværdi). Omregnet bliver det ca. 95 % (baseret på nedre brændværdi). Kravet forventes at gælde fra På denne baggrund og fordi gassen kan bygge bro til fremtiden med mere vedvarende energi, ønsker produktleverandørerne og gasselskaberne at demonstrere disse anlægstyper. Det falder endvidere i tråd med projektet Totalkoncept for gas i samspil med vedvarende energi, der gennemføres i gasselskabernes Fagudvalg for Gasanvendelse og Installationer (FAU GI) med Per Persson (HMN Naturgas) som fagansvarlig. I nærværende projekt er der gennemført energimålinger på en villagaskedelinstallation kombineret med en solfanger. Arbejdet er gennemført som et samarbejde mellem anlægsvært Flemming Thomsen, Gundsømagle, HS-Tarm v/lars Engelbrecht og DGC v/ Jørgen T. Jepsen, Mikael Näslund og Karsten V. Frederiksen (projektleder). Mikael Näslund, DGC, har kvalitetssikret rapporten.

6 DGC-rapport 3 2 Introduktion Formålet med projektet er at følge et sol/gasanlæg over en periode på et år og dermed tilvejebringe relevante nøgletal. Anlægget er kendetegnet ved, at det er installeret som en unitløsning med integreret solvarmeforberedt beholder, gaskedel, styring m.m. Her anvendes solvarme som supplement til at opvarme det varme brugsvand. Altså indgår der ikke en rumvarmeveksler fra solfangerbeholderen. Anlægstypen er repræsentativ for det danske marked, og i projektet er der sat fokus på en analyse af energibalancer, besparelsespotentiale og samspil mellem anlægskomponenterne. 2.1 Anlægsbeskrivelse Følgende specifikationer gælder for anlægget: Anlægsvært: Flemming Thomsen, Sognevej 1, Gundsømagle, 4000 Roskilde Solfangerfabrikat: Schüco Solfangerareal: 5 m2 Kedelmodel: Baxi Block WGB Sol 15 Kedeleffekt: 2,9-15 kw Dimensioner: mm Opvarmet areal: Villa størrelse på 184m 2 Akkumuleringstank 160 liter (soltank): Etableringsstatus: I drift siden juni 2010 Kedlen er en unit, som indeholder en Baxi-kedel og en varmtvandsbeholder med varmeveksler for solfangeren. Figur 1-4 viser solfangernes placering på taget, kedlens placering i bryggers, en skitse og systemopbygning.

7 DGC-rapport 4 Figur 1 Demonstrationsboligen med 5 m 2 solfanger på sydvendt tagflade Figur 2 Baxi sol/gasunit placeret i bryggers

8 DGC-rapport 5 Figur 3 Skitse af unit med kedelenhed øverst og vv-beholder nederst Figur 4 Systemopbygning Varmtvandsproduktion, herunder solkreds, styres med integreret styring i kedlen, og som nævnt tidligere indgår der ikke en rumvarmeveksler fra solfangerbeholderen i demonstrationsanlægget.

9 DGC-rapport 6 Solfangerrørene er lavet af 15 mm cu rør. Der er ca. 6 m rør på fremløb og ca. 8 m på returløb. Fangerne sidder på en sydvendt tagflade med en hældning på 45. Rør til koldt brugsvand er lavet af 3/4" rør, som går over i 18 mm PEXslange. Rør til varmt brugsvand er 18 mm PEX-slange, som går over i 3/4" rør. Varmeanlægget er 3/4" rør, som har forbindelse med kedlen via 22 mm PEX-slange. 2.2 Måleudstyr De udførte målinger omfatter energiydelser til henholdsvis varme- og varmtvandskredsen samt energiproduktion fra solkredsen og gasforbruget for gaskedlen. Hertil kommer elforbruget til solkredsens pumpe. Se Figur 5. Figur 5 Måle- og datalogningsudstyr Til varme- og varmtvandskredsene er der brugt Kamstrup Multical 601- måler. Til solkredsen er der brugt en Brunata HGQ1, og gasmåleren er en Elster Instromet BK-G4T, m 3 /h. Elmåleren er en EIZD- EDWL7393.

10 DGC-rapport 7 3 Målinger og resultater Der er gennemført automatisk logning af forbrug fra de enkelte energimålere. Hvert døgn er rådataene gemt på pc, og disse data er efterfølgende sendt til DGC og analyseret. I det følgende dokumenteres måleresultaterne og analyserne af disse. 3.1 Måledata Måler med logningsudstyr er gennemført fra start november 2010 og 12 måneder frem. Idet energimålerne ikke afmonteres, vil det fremadrettet være muligt at gennemføre nye manuelle målinger og foretage analyser af udviklingen i energistrømmene for anlægget. På Figur 6 ses måledataene opdelt på månedsbasis, og i /1/ og /2/ findes alle måledataene. I N DD A T A Opvarmning (kwh) Varmtvand (kwh) Sol (kwh) Gas (m3) Gas (kwh) El (kwh) start stopp start stopp start stopp start stopp start stopp start stopp Figur ,04 139,25 371,36 513, , , ,51 nov ,25 146,11 516,01 974, , ,47 192,51 205,302 dec ,11 169,67 974, , , ,41 205, ,426 jan ,67 197, , , , ,23 217, ,512 feb ,85 304, , , , ,81 228, ,314 mar ,76 486, , , , ,84 237, ,47 apr ,57 667, , , , ,5 250, ,51 maj ,66 838, , , , ,25 260, ,25 jun ,37 972, , , , ,97 269, ,12 jul , , , , , ,31 278,12 287,14 aug , , , , , ,27 287,14 296,5 sep , ,9 2340, , , ,06 296,5 307,294 okt-11 Måledata opdelt på månedsbasis Tid Det skal bemærkes, at der ikke har været udfald på målingerne undervejs. Der er indhentet måledata om solskinstimer for området (dvs. Roskilde) fra DMI /3/. 3.2 Analyse af energistrømmene Idet anlægget kun er dimensioneret til at supplere med energi til varmtvandsforbruget, er det andelen til varmtvandsforbruget, der er mest interessant at analysere. Fieldtestmålingerne er først sat ind i et stolpediagram og præsenteret på månedsbasis i Figur 7-9. Figurerne viser energiforbrug til opvarmning og varmt brugsvand samt fordeling mellem solenergi og naturgas. Bemærk, at målin-

11 DGC-rapport 8 gerne startede i november 2010, hvorfor stolpen for denne måned ikke repræsenter en hel måneds forbrug. På Figur 7 ses det, at for den aktuelle bolig svarer varme- og varmtvandsforbruget over de 12 målte måneder til kwh. Varmtvandsforbruget er målt til ca kwh, hvilket er 54 % mere end de kwh/år, som en typisk bolig i Danmark forbruger i dag /4/. Det målte varmtvandsforbrug er som forventet næsten konstant for de enkelte måneder. Figur 7 Energiforbruget til varme og varmt vand opdelt pr. måned Figur 8 viser, med hvor stor en andel solenergiproduktionen bidrager til det totale energiforbrug og til varmtvandsforbruget over de 12 målte måneder. Som forventet er solbidraget for anlægget lille om vinteren og stort om sommeren. For det aktuelle anlæg og i måleperioden ligger dækningsgraden for solfangeren til det varme brugsvand på 38 %. Antal solskinstimer for Roskildeområdet og i måleperioden har været timer /3/, hvor solskinstimetallet i det tilsvarende normalår er timer /3/; altså ligger det aktuelle solskintimetal 13 % over det normale.

12 DGC-rapport 9 Et typisk villaanlæg dimensioneres til en årlig dækningsgrad på % af varmtvandsbehovet /5/. Så i forhold til at der har været flere solskinstimer end normalt, så lever anlægget ikke helt op til de generelle tommelfingerregler for dimensionering af den slags anlæg. Figur 8 Solenergiproduktionens andel i procent af hhv. varmtvandsforbruget og det totale energiforbrug Figur 9 viser ligeledes solenergiproduktion i forhold til varmtvandsforbruget, men derudover er de faktiske energimængder vist i kwh pr. måned.

13 DGC-rapport 10 Figur 9 Solenergiproduktionen og andel af varmtvandsforbruget For det aktuelle anlæg er årsproduktionen på kwh, og sammenholdt med normalåret er det mere, end man kan forvente. Elforbrug til solkredsen er for de 12 måneder målt til 119 kwh, hvilket sammenholdt med normalåret også er lidt mere, end man kan forvente, specielt hvis pumpen styres til kun at køre, når solen skinner. Energistyrelsens katalog med standardværdier viser, at solenergibehovet bør ligge i størrelsesorden 522 kwh pr. m 2 solfanger og elforbruget 30 kwh pr. m 2 solfanger. For denne installation er solenergibidraget betydeligt mindre. Elforbruget passer ganske godt med Energistyrelsens standardværdier. 3.3 Bedømmelse af anlæggets effektivitet Betragtes effektivitet for anlægget, ser resultatet på månedsbasis ud som vist på Figur 10. I november/december 2010, hvor der egentlig ikke er et solbidrag, ligger virkningsgraden på ca. 95 %. Det svarer til, at kedlen dækker både varmebehovet og hele varmtvandsbehovet. Dette niveau ser fornuftigt ud, både set i forhold til kedeltest i laboratoriet, hvor årsnyttevirkningen for kedeltypen er bestemt til ca. 100 % /6/, og i forhold til at der typisk er et fald i effektivitet på ca. 5 procentpoint, når der gennemføres feltmålinger.

14 DGC-rapport 11 Højeste månedsvirkningsgrad er ca. 115 % bestemt for juni måned 2011, hvor solvarmebidraget er relativt højt. Den akkumulerede virkningsgrad over de 12 målte måneder er dog kun 97 % (bestemt ved nedre brændværdi). Det betyder, at anlægget har en effektivitet, der svarer til et B-mærke i det kommende ecodesignsystem (se Figur 11). Bemærk, at resultatet fra feltforsøgene ikke direkte kan sammenlignes med mærkningsintervallerne i ecodesign, idet forudsætningerne for mærkningstestene ikke er de samme. Figur 10 Virkningsgrad for hele systemet opdelt pr. måned i måleperioden Det skyldes nok sommereffektiviteten, der specielt for august er meget lav (75 %). Ses det i forhold til at opvarmningsforbruget er meget lavt i perioden (se Figur 7), vil kedlen kun køre sommerdrift og levere energi til beholderen ved forholdsvis høje temperatursæt og mange start/stop. Det ser ud til, at solbidraget i sommerperioden, specielt august, er usædvanligt lavt. En nærmere studie af varmtvandsforbruget kan give en forklaring på dette. Normalt forventes solenergien at dække en stor del af varmtvandsbehovet i sommermånederne. En nærmere analyse af måledataene viser et billede af, at varmtvandsforbruget er koncentreret til tidlig morgen og sen aften. På disse tidspunkter er der ikke et solindfald, der oplader akkumule-

15 DGC-rapport 12 ringstanken, og derfor må gaskedlen dække behovet. Det ser også ud til, at varmtvandsbehovet er meget lavt i dele af august (måske pga. ferie). Det er ikke projektets mål at gennemføre optimering af anlægget, men solvarmebidraget kunne være større med et andet brugsmønster og/eller en større akkumuleringstank. Den kondenserende kedels effektivitet påvirkes som forventet i nedadgående retning både af det lave varme- og varmtvandsbehov og det faktum, at gaskedelkredsen og solkredsen skal deles om den relativt høje temperatur, der er i varmtvandsbeholderen, når de to enheder leverer energi samtidigt. Sommernyttevirkningen for kedeltypen uden samspil med en solkreds er bestemt til ca. 67 % /6/. Set i det lys bør det overvejes, om man bør installere en elpatron, der kan fungere som backup for solvarmeanlægget i de tre sommermåneder, juni, juli og august, hvor rumvarmebehovet er meget lille. Tabellen nedenfor viser et skøn over, hvilken virkningsgrad der er mulig, hvis solfangeren kunne levere en energimængde svarende til Energistyrelsens standardværdier. Altså hvis det årlige solbidrag stiger fra kwh til kwh, vil gasforbruget falde. I tabellen ses to alternativer: Solvarme erstatter gasvarme med virkningsgrad på henholdsvis 95 % og 67 %. Derved vil virkningsgraden for perioden stige fra 96 % til % Opvarmning Varmt vand Gas Sol Virk.grad Antagelse (kwh) (kwh) (kwh) (kwh) (%) , ,5 95% ,6 67%

16 DGC-rapport 13 Figur 11 Ecodesigngraduering (seneste og nok også endelige version) 3.4 Solvarmeproduktion, elforbrug og økonomi Jævnfør ovennævnte kan man således forvente, at solvarmeanlægget i normalåret kan producere ca kwh/år, og at elforbruget til solkredsen alene er i størrelsesorden 100 kwh/år. Det gasforbrug, der er målt i det år, målingerne er gennemført, er på kwh, og med dagens gaspris på 8,57 kr./m 3 bliver det gasudgifter på kr. Antages det alternativt, at anlægsværten havde købt samme type Baxi-kedel, men uden solvarmedelen til varmt brugsvand, vil det være rimeligt at antage en virkningsgrad i fyringssæsonen på de ca. 95 %, jævnfør Afsnit 3.3, og at den i de tre sommermåneder falder til 67 %. Med disse forudsætninger ville gasforbruget være på kwh og med dagens gaspris på 8,57 kr./m 3 bliver det gasudgifter på kr. Altså en gasbesparelse på 600 kr./år, som omvendt skal korrigeres for et ekstra elforbrug til solkredsen på 119 kwh á 2,07 kr./kwh, svarende til ca. 250 kr./år. Samlet årlig forskel på de to alternativer bliver 350 kr./år med dagens gas- og elpriser og uændret varmtvandsforbrug på ca kwh/år.

17 DGC-rapport Bedømmelse af anlæggets dynamik og kuldebroer Samspillet mellem de enkelte anlægs komponenter præsenteres i Figur 12 for døgnet lørdag den 19. marts 2011, hvor solen skinnede, og solfangeren også leverede energi. Kurven for varmtvandsydelsen viser som forventet, at der tappes varmt vand ca. kl.7, 10:30, 14:30, 18, 19 og 23. Maksimumydelsen var ved 19-tiden ca. 35 kw. Sammenholdes dette med, at kurven for akkumulering af solenergi i varmtvandsbeholderen fra solfangeren stiger i perioden ca. kl og igen kl.14-16:30, ses det, at produktionen af gratis energi og forbrug spiller fornuftigt sammen. Den rigtige brugeradfærd er vigtig for det samspil og kan af gode grunde være svær at sikre. Kurven for rumvarmeydelsen ser også fornuftig ud for boligtypen og årstiden, hvor kedlen kører op mod maksimumydelse ved opstart af hver cyklus, og når varmeanlægget fortsat kalder på varme, modulerer kedlen ned på minimumeffekt, der holdes i en periode, indtil styringen slukker kedlen. Figur 12 Varmeydelser og solvarmeproduktion for lørdag den 19. marts 2011

18 DGC-rapport 15 Mht. kuldebroer er der også gennemført dokumentation ved hjælp af termografering. Figur 13 viser en vinterdriftssituation midt på dagen, hvor kedlen stort set kører hele dagen, og der ikke tappes varmt vand. Der er ikke tegn på store kuldebroer fra varmtvandsbeholderen (nederst), mens kedlen har en noget højere overfladetemperatur. På Figur 14 ses anlæggets solvarmepaneler, og her ses det, at tagtemperaturen er højere lige over kedelrummet, hvilket viser, at der må være en kuldebro fra den rørgennemføring, som er på kedelrummets loft. Bemærk, at temperaturangivelserne for de forskellige overfladematerialer ikke kan sammenlignes. Det gælder eksempelvis den snebelagte tagflade og solfangerfladen. Figur 13 Termografifoto af kedelkabinet med varmtvandsbeholder nede og kedel oppe

19 DGC-rapport 16 Figur 14 Termografifoto af huset med solfanger på taget

20 DGC-rapport 17 4 Konklusion Fieldtesten har bekræftet, at sol/gasanlægget fungerer, og at virkningsgraden for måleperioden er 97 %. Sammenlignes sol/gasanlægget med et tilsvarende anlæg, hvor en gaskedel af samme type alene skulle dække varme- og varmtvandsbehovet, er besparelsen skønnet til 350 kr./år med dagens gas- og elpriser og uændret varmtvandsforbrug på ca kwh/år. Solvarmeproduktionen ligger på kwh over de 12 måneder, og set i forhold til antal solskinstimer er det 13 % mere end i et normalår. Det betyder naturligvis, at ovennævnte besparelse også bliver mindre. Solvarmebidraget er meget lille, og en analyse har vist, at det nok skyldes forbrugsmønsteret. En løsning kunne være en større akkumuleringstank. Hvis solvarmebidraget svarede til Energistyrelsens standardværdier, ville virkningsgraden for måleperioden kunne forbedres med 5-7 procentpoint. Ligesom ved tidligere fieldtest ses det, at solvarmebidraget er højest om sommeren, samtidig med at gaskedlen i forvejen har en lav virkningsgrad. Kedlens effektivitet påvirkes som forventet i nedadgående retning af det lave varme- og varmtvandsbehov. Omvendt om vinteren påvirkes kedlens effektivitet ikke af dette. Tidligere erfaringer fra andre installationer med varmetabsproblemer via solkredsen vurderes at være løst på nærværende anlæg. Der er dog fortsat et større varmetab fra opstillingsrummet op igennem taget end fra resten af tagfladen. Antallet af kuldebroer fra varmtvandsbeholderen er få i forhold til resten af forsyningsenheden.

21 DGC-rapport 18 5 Referencer /1/ DGC reference for placering af måledatafilen: H:\projekt\735\29 Demo villagas m sol\29 Rapport\Summary Gundsømagle_2.xls /2/ DGC reference for placering af fil for 19.marts 2011-målingerne: H:\projekt\735\29 Demo villagas m sol\ Data\Kopi af dansk.xls /3/ Solskinstimedata: /4/ Varmtvandsforbrug samt kedeleffektiviteter for oliefyr og naturgaskedler i enfamiliehuse, Simon Furbo. Louise Jivan Shah. Christian Holm Christiansen. Karsten Vinkler Frederiksen, Rapport, DTU-Byg. /5/ Varmeståbi, 5 udgave, 1. oplag /6/ Gaspro, Reference /1/ og /2/ kan ikke kontrolleres af en ekstern læser.