NOTAT. Virkningsgrader der er mange af dem. Notat December 2015

Transkript

1 Virkningsgrader der er mange af dem Notat December 2015 NOTAT Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf

2 Virkningsgrader der er mange af dem Jan de Wit, Jan Jensen Dansk Gasteknisk Center a/s Virkningsgrad for energiproducerende anlæg er en væsentlig størrelse. Virkningsgrader anvendes i forbindelse med mærkning af apparaterne, men også i forbindelse med energiplanlægning og andre analyser på kortere eller længere sigt. Senest har virkningsgrader for opvarmningssystemer vist sig som et kernepunkt i forbindelse med analyser af eventuel konvertering af olie- eller gasforsynede ejendomme til fjernvarme. Artiklen har til formål at bidrage til, at det er den korrekte virkningsgrad, der anvendes til de korrekte formål. Der er som nævnt i overskriften flere virkningsgrader i spil. En virkningsgrad udtrykker grundlæggende, hvor megen energi der leveres, i forhold til hvad der er brugt (indfyret). Netop leverancepunktet for energien der skal anvende er afgørende for, hvilken virkningsgrad der i en given situation er relevant. Indledningsvist redegøres for fire centrale virkningsgrader/betegnelser, alle her gældende for en stabil driftssituation. Fyringsvirkningsgrad For fyrede anlæg udtrykker denne virkningsgrad, hvor meget af den i brændslet kemisk bundne varme der overføres fra forbrændingen til kedelvandet/kedeldele mv. Om så en del af denne varme sidenhen spildes fra kedeloverflader eller andet, influerer ikke på fyringsnyttevirkningen. De eneste tab, denne relaterer sig til, er: Røgtab Eventuelt tab med uforbrændt i røgen eller andet sådant tab, f.eks. rest energi i slagge ved fastbrændselsfyring.

3 Figur 1: Illustration af hvor systemgrænsen (grøn stiplet linie) for fyrings-nyttevirkning går på en gasfyret kedel. Kedelvirkningsgrad (ved produktion) Denne virkningsgrad udtrykker, hvor meget varmeenergi man får ud på kedelterminalerne under stabil drift af kedlen, i forhold til hvad der energimæssigt tilføres med brændsel samt eventuelt el (pumpe/styring osv.). Kedelvirkningsgrader angives normalt ved samtidig oplysning af, ved hvilken kedellast og ved hvilken frem- og returløbstemperatur på vandet virkningsgraden er målt. Figur 2: Illustration af hvor systemgrænsen (grøn stiplet linie) for kedel-virkningsgrad går på en gasfyret kedel.

4 Central-virkningsgrad Denne virkningsgrad udtrykker, hvor meget varme der kan måles på centralens frem- og returterminaler, i forhold til den energi der er tilført centralen via brændsel og el. De tab, der influerer på denne virkningsgrad, er eksempelvis: Røgtab Tab med uforbrændt Overfladetab fra kedler, rør, ventiler, pumper, varmtvandsbeholdere i centralen. Har varmecentralen et opvarmningsbehov, ud over det som overfladetabene kan dække, fradrages også dette, inden varmen når afgangsterminalerne. Er varmecentralen placeret inden for klimaskærmen, vil en del af varmen fra overfladetabene eventuelt kunne anvendes ifm. bygningsopvarmningen, se fx i /1/, hvorledes dette kan håndteres. Figur 3: Illustration af hvor systemgrænsen (grøn stiplet linie) for central-virkningsgrad går på en gasfyret kedel.

5 System- eller totalvirkningsgrad Denne virkningsgrad udtrykker, hvor meget varme der reelt kommer til udnyttelse som bygningsopvarmning og varmtvandsforsyning (ved tappestederne) i ejendommmen, i forhold til den energi der er tilført anlægget via brændsel og el til kedelanlægget. De tab, der influerer på denne virkningsgrad, er eksempelvis: Røgtab Tab med uforbrændt Overfladetab fra kedler, rør, ventiler, pumper, varmtvandsbeholdere i centralen Tab fra distributionssystem for bygningsopvarmning og varmtvandsforsyning (herunder eventuelle cirkulationsledninger) Tab fra decentralt placerede varmtvandsbeholdere. En del af varmen fra overfladetabene eventuelt kunne anvendes ifm. bygningsopvarmningen, se fx i /1/ hvorledes dette kan håndteres. Årsmiddelvirkningsgrader Alle de ovennævnte virkningsgrader kan få betegnelsen årsmiddel- hægtet foran sig. Den aktuelle virkningsgrad er da målt eller udregnet på årsbasis med den indflydelse, som start/stop-forløb, stilstandsperioder, forskellige klimaperioder og forskelligt styringsudstyr/forskellige driftstemperaturer eksempelvis måtte have på den aktuelle virkningsgrad. Det vil oftest være årsmiddelvirkningsgraderne, der skal anvendes, fx i beregninger af kedeludskiftninger eller konverteringer. Her vil det være selve kedel-årsvirkningsgraderne, der skal anvendes, hvis der alene sker en udskiftning af selve produktionsenheden. Sker der ændringer i selve centralen, eller flyttes denne eventuelt ind eller ud af klimaskærmen, vil det kunne være centralårsvirkningsgraden og tabene her, der skal i spil. Hvilken virkningsgrad skal man da bruge? Det afhænger af, hvad der skal undersøges. Er man ude efter at få belyst, hvad man evt. kunne få ud at af skifte sin kedel uden at lave andre anlægsændringer, vil væsentligst kedelvirkningsgraden (evt. på årsbasis) være den relevante. Overvejer man (andre) ændringer i kedelcentralen, vil centralvirkningsgraden (evt. på årsbasis) være den relevante. Overvejer man også at lave om på rørføring, varmtvandsbeholdere og andet i kedelcentralen, vil centralvirkningsgraden være den væsentlige.

6 Påtænker man ændringer i bygningen/huset på varmefordelingssystemet, vil systemvirkningsgraden (totalvirkningsgraden) være den relevante. Rent matematisk kan ovenstående udtrykkes, som at snittet skal indfange de komponenter, man ønsker at ændre, men ikke nødvendigvis gå længere ud. Eksempel Overvejes eksempelvis en konvertering fra gas- eller oliefyring til fjernvarme, er det normalt ikke rimeligt at antage en årssystemvirkningsgrad på 80 % for gas- eller oliefyringsanlægget og derefter regne med 100 % for fjernvarmeforsyningen. Dette både fordi selve fjernvarmeunitten også har et overfladetab, hvorfor den ikke helt når 100 % i virkningsgrad, og fordi en lang række systemtab (distributionstab, tab fra varmtvandsbeholder) ikke alene skal lastes selve olie- eller gasfyret; disse tab vil jo fortsat være der, hvis man alene foretager udskiftning af olie- eller gasfyr med en fjernvarmeunit. Her vil det således alene være selve kedelvirkningsgraden (gerne på årsbasis), der skal indgå for olie- og gaskedlerne, se eksempler i figur 4. Og denne er oftest væsentligt højere end systemvirkningsgraden. Figur 4: Eksempler på produktions virkningsgrader for en række gasfyrede varmeproduktions teknologier.

7 Måling eller beregning? Måling af kedelvirkningsgrader finder som nævnt tidligere ofte sted i forbindelse med mærkning af nyere kedler. Dette gælder både de mindre og de lidt større. Når kedlerne installeres i en ejendom, vil driftsforholdene (last og driftstemperatuer) her givetvis afvige, så de anførte virkningsgrader ikke nødvendigvis er fuldt repræsentative. Hvis man vil måle virkningsgraden/virkningsgraderne, kan man instrumentere med varmemålere både på kedelstutse samt eventuelt også på varme- og varmtvandsforsyningssystemet ud fra centralen. Det sidste for at få en ide om hvor meget varme der går til henholdsvis varmeanlæg og varmtvandsforsyning. En del af det der sendes ud på varmtvandsforsyningssystemet (inklusive cirkulationsledning) vil tabes til rummet i forbindelse med distributionen og dermed delvist kunne gøre delvis nytte som rumopvarmning. Dette får man ikke direkte talsat. På indgangssiden måles brændselsforbrug og elforbrug til energi- og varmeanlægget. Med ovenstående målinger i hånden kan kedelog centralvirkningsgrad bestemmes både for udvalgte perioder og som årsgennemsnit, hvis man måler over et helt år. En anden tilgang er den beregningsmæssige. Denne kan komme på tale, hvor det ikke er muligt at foretage omtalte målinger praktisk, økonomisk eller tidsmæssigt. DGC har udviklet et beregningsprogram til beregning af energiudnyttelsen i sådanne kedelcentraler til bygningsopvarmning, herunder varmtvandsforsyning. I dette program (Gaspro-StoreAnlæg, /1/) kan man for en eksisterende samt for en eventuelt forbedret central udregne såvel produktionsvirkningsgrad (for de installerede kedler), centralvirkningsgrad som sluttelig systemvirkningsgrad på årsbasis. Programmet tager for kedlerne udgangspunkt i fabrikantoplysninger for virkningsgrad eller egne målinger af røgtemperatur mv. taget fra målinger eller servicerapporter for kedelanlægget. Programmet talsætter diverse tab i kedelcentralen samt i forbindelse med varme- og varmtvandsdistribution i bygning/hus, således at man mht. energiforbedring kan få identificeret, hvor effekten af en given forbedringsindsats er størst. Programmet rummer mulighed for at angive en (valgfri) andel af overfladetab fra produktionsenheder og distributionsanlæg, der indgår i bygningsopvarmningen. Reference /1/ Gaspro-StoreAnlæg, se nærmere på