RAPPORT. Gas og vedvarende energi. Projektrapport Maj Solfanger og gaskedler ved klyngehusbebyggelse

Transkript

1 Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedler ved klyngehusbebyggelse Projektrapport Maj 2012 RAPPORT Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf Fax

2 Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedler ved klyngehusbebyggelse Karsten V. Frederiksen Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2012

3 Titel : Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedler ved klyngehusbebyggelse Rapportkategori : Projektrapport Forfatter : Karsten V. Frederiksen Dato : Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Filnummer : h:\735\30 demo gas m sol klyngehus\30rapport\testreport_weishaupt_brederup_final.docx Projektnavn : Demo gas med 34 m 2 solfanger ved klyngehuse ISBN : Emneord : Energieffektivitet, installation, kedler (iht. DGC s liste)

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 Konklusion Referencer Bilag Bilag 1: Tekniske data for Weishaupt kondenserende gaskedel (WTC 60)

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 er 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 gaskedelinstallation med kedler i kaskade og kombineret med 34 m 2 solfanger. Arbejdet er gennemført som et samarbejde med anlægsværten Fyns almennyttige Boligselskabs afdeling Syrenlunden (Brenderup) v/klaus Truelsen, Weishaupt v/michael Egedal Sørensen og Johnni Christiansen samt 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 i lidt større størrelse over en periode på et år og dermed tilvejebringe relevante nøgletal til bedømmelse af Energistyrelsens standardværdier. Anlægget er kendetegnet ved, at det er installeret som en kaskadeløsning med to Weishaupt-kedler, styring m.m. Her anvendes solvarme i to solfangerkredse som supplement til at forvarme det varme vand (til rumvarme og varmt brugsvand), og kedlerne booster vandet, hvis fremløbstemperaturen til klyngehusene påkræver det. Anlægstypen er speciel, på den måde at de to solkredse er installeret med hver deres hældning til solen. I projektet er der sat fokus på en analyse af energibalancer, besparelsespotentiale og samspil mellem anlægskomponenterne. 2.1 Anlægsbeskrivelse Følgende specifikationer gælder for anlægget /1/: Anlægsvært Fyns almennyttige Boligselskabs afdeling Syrenlunden (Brenderup) Solfangerfabrikat Weishaupt Solfangerareal 34 m 2 (6 næsten vandrette paneler forrest og 9 skrå paneler bagerst) Kedelmodel 2 stk. Weishaupt WTC 60 Kedeleffekt 2x60 kw Bebyggelse 14 lejeboliger bestående af 7 dobbelthuse i ét plan og et fælleshus Akkumuleringstank 2 stk. á liter (soltank) Etableringsstatus I drift siden september 2009 Andre bemærkninger Iflg. Weishaupt et seniorfællesskab med typisk forbrug (før konvertering) på m 3 /år. Forventet besparelse = 18,3 %. Pris = kr. Anlægget er opbygget med to solfangerkredse, der via spiral forsyner to akkumuleringstanke med solenergi. Det afkølede vand (returvandet) fra de 14 lejemål føres til de to akkumuleringstanke, hvor det forvarmes og efterfølgende føres via kedelblandepotten, der booster vandet, hvis den ønskede fremløbstemperatur til de 14 lejemål og fælleshuset ikke er tilstrækkeligt høj. Hvis der ikke er tilstrækkelig solenergi i tankene, føres en del af retur-

7 DGC-rapport 4 vandsmængden (fra minifjernvarmesystemet) direkte til blandepotten til genopvarmning. Figur 1-5 viser solfangernes placering på taget, fyrrum ved kedlerne, anlægspumpe i fyrrummet, akkumuleringstank og en skitse med systemopbygning. Tekniske data på de monterede Weishaupt WTC 60-kedler ses i Bilag 1. Maks. elforbrug for disse er 90 W. Der sidder en Grundfos UPE pumpe på anlægssiden (vist på Figur 3). De to cirkulationspumper mellem solfanger og buffertanke (Grundfos UPS 15-80) kører ikke hele tiden: Trin W; Trin W; Trin W. Figur 1 Bygning med de to solfangerrækker

8 DGC-rapport 5 Figur 2 Rørføring og Weishaupt-kedlerne i fyrrummet med energimåler Figur 3 Pumpe til anlæg

9 DGC-rapport 6 Figur 4 Solfangerbeholder i fyrrum Figur 5 Systemopbygning Varmeproduktion, herunder solkreds, styres med en ekstern Weishaupt WR- Sol-styring, der bl.a. indeholder styring af 3-vejsventilen på returledningen fra husene.

10 DGC-rapport Måleudstyr På hver af de to solkredse er der monteret Brunata HGQ energimålere. På henholdsvis anlægskredsen og buffertankkredsen fra buffertankene til husene er der monteret Kamstrup energimåler (Multical 601). Endvidere måles gasforbruget til de to gaskedler med gasmåleren fra American Meter Company med betegnelsen AL-425, m 3 /h. Elmåleren betegnes EIZD-EDWL7393. De udførte målinger omfatter således energiydelser til klyngehusene og energiproduktion fra de to solkredse, energiydelse fra buffertankene og gasforbruget for gaskedlerne. Figur 6 Energimåler (Kamstrup) til anlæg ses her neden for kedlerne Til klyngehuskredsen er der brugt Kamstrup Multical 601-måler. Til solkredsene er der brugt en Brunata HGQ1, og gasmåleren er en Elster Instromet BK-G4T, m 3 /h.

11 DGC-rapport 8 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 medio maj 2011 og 13½ måneder frem (sluttede 30. juni 2012). 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 7 ses måledataene opdelt på månedsbasis, og i /2/ og /3/ findes alle måledataene. Tid Til husene E4 Fra buffer Sol 18 m2 Sol 18 per m2 Sol 12 m2 Sol 12 per m2 total sol Sol12/Sol18 Gas El kwh kwh kwh kwh kwh kwh kwh [-] kwh kwh Figur 7 maj , jun , jul , aug-11 - feb , mar , apr , maj , jun , Måledata opdelt på månedsbasis Det skal bemærkes, at der har været udfald på målingerne undervejs, men dataene er akkumuleret og dermed ikke gået tabt. Der er indhentet måledata om solskinstimer for området (dvs. Fyn) fra DMI /4/. 3.2 Analyse af energistrømmene Det skal fremhæves, at anlægget er dimensioneret som en fjernvarmeløsning, således at solenergi både bidrager til varme- og varmtvandsbehov i de 14 lejemål i de 7 huse og et fælleshus. Fieldtestmålingerne er først sat ind i et stolpediagram og præsenteret på månedsbasis i Figur Figurerne viser samlet varmebehov til opvarmning og varmt brugsvand samt fordeling mellem solenergiydelsen og naturgasforbruget.

12 DGC-rapport 9 På Figur 8 ses det, at for de aktuelle boliger svarer varme- og varmtvandsbehovet i måleperioden (ca. 13½ måneder) til kwh. Figur 8 Energibehov til varme og varmt vand opdelt pr. måned For de 12 måneder fra 1. juni 2011 til 31. maj 2012 svarer det til et aktuelt varmebehov på ca kwh pr. hus (inkl. fælleshuset). Det ser umiddelbart realistisk ud, selvom tallene her ikke er graddagekorrigeret /5/. I forhold til normalåret er der i måleperioden registreret 11 % færre graddage i region Fyn /4/, så varmebehovet for Syrenlunden kan normalt forventes at være højere. Bemærk, at for perioden august 2011 til februar 2012 er det summen af varmebehov, der er angivet. Figur 9 viser solvarmeproduktion for de to solvarmekredse og gasforbrug i måleperioden. Samlet solvarmeproduktion er kwh, mens gasforbruget har været kwh. For det aktuelle anlæg og i måleperioden ligger dækningsgraden for solfangerydelsen på 11 % i forhold til det samlede varmebehov. Antal solskinstimer for Fynsområdet og i måleperioden har været timer /4/, hvor solskinstimetallet i det tilsvarende normalår er timer /4/; altså ligger det aktuelle solskintimetal 18 % over det normale.

13 DGC-rapport 10 Et typisk villaanlæg dimensioneres til en årlig dækningsgrad på % af varmebehovet /5/. Så i forhold til at der har været flere solskinstimer end normalt, lever anlægget ikke helt op til de generelle tommelfingerregler for dimensionering af den slags anlæg. Som det fremgår af Figur 1, kan det skyldes den naturlige begrænsning, der er på taget af fælleshuset. Figur 9 viser ligeledes solenergiproduktion i forhold til gasforbruget på månedsbasis, og Figur 10 viser procentfordelingen. Som forventet er solbidraget for anlægget lille om vinteren og stort om sommeren. Figur 9 Produktion af solenergi og gasforbrug

14 DGC-rapport 11 Figur 10 Solenergiproduktionen fra buffertankene i forhold til gasforbruget Solvarmebidraget til husene for det aktuelle anlæg er for hele måleperioden kwh. Elforbrug til solkredsene er tilsvarende for måleperioden målt til 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 for boliger viser, at solenergibidraget bør ligge i størrelsesorden 522 kwh pr. m 2 solfanger pr. år og elforbruget på 30 kwh pr. m 2 solfanger pr. år. For den aktuelle installation og baseret på målinger fra 1. juni 2011 til 31. maj 2012 kan solenergibidraget i et normalår bestemmes til 380 kwh pr. m 2 solfanger. Elforbruget er 42 kwh pr. m 2 solfanger, hvilket er noget højere end Energistyrelsens standardværdier. I den sammenhæng skal det dog påpeges, at anlægget ikke kan sammenlignes med et villaanlæg. Et villaanlæg er karakteriseret ved, at solfangervæsken cirkuleres direkte ned i spiralen på en varmtvandsbeholder. Her har brugsvandet et temperaturarbejdsområde, der svinger fra 5 C og op til 95 C. Temperaturtabet over spiralen er typisk 2-10 C og 5-10 C mellem solfanger og solfangervæske.

15 DGC-rapport 12 Der bør altid indlægges sænknings-/spærretider i dagtimer for den primære varmekilde i et villaanlæg. Dette muliggør, at solindfaldet vil kunne udnyttes, hvis solen i løbet af dagen skulle kigge frem fra skydækket. Først ved aftenstid, når det varme vand skal bruges, frigives den primære varmekilde, der således kan kompensere for evt. manglende sol i løbet af dagen og bringe varmtvandsbeholderen op på setpunktet. Sænknings-/spærretider er altid en balance mellem brugernes komfort- og besparelsesønsker. Anlægget i Brenderup er derimod at sammenligne med et minifjernvarmeanlæg. Den største årsag til, at et fjernvarmeanlæg er markant dårligere til at udnytte solenergi end et villaanlæg, er temperaturarbejdsområdet på centralvarmevandet. Således skal temperaturen i solfangerbufferbeholderne op på over 35 C, før der afgives solenergi til centralvarmevandet, og over 60 C for at forhindre gaskedlerne i at køre. Der er tillige et større temperaturtab over anlægget, da der er en ekstra spiral, som energien skal passere, i forhold til villaanlægget. Komfortmæssigt er det svært at indføre sænknings-/spærretider på fjernvarmeanlæg. Det er dels svært for flere brugere at blive enige om, hvornår der skal være varmt brugsvand til rådighed. Dels er centralvarme og brugsvandsproduktion bundet sammen. Dvs. at der på intet tidspunkt kan opnås fordel af det 5 C kolde brugsvand. Som udgangspunkt er fjernvarmeanlæg således dårligere end villaanlæg til at udnytte solenergien. Specielt ved ringere/mindre solindstråling. I forhold til elforbruget skal det nævnes, at moderne solvarmestyringer regulerer flowet hen over fangerne. Ved lavere solindstråling sænkes flowet for at opnå højere temperaturer på solfangervæsken. Dette giver højere udnyttelse af solenergien ved lav solindstråling, men desværre også flere driftstimer på pumperne. Jo lavere temperaturtab mellem solfanger og det varme brugsvand, desto bedre soludnyttelse. Et lavt temperaturtab fordrer et højere flow i solfangerkredsen og derved et højere elforbrug.

16 DGC-rapport 13 Lavenergipumper til solvarme er blevet indført nu, og derved vil elforbruget falde, uden at det går ud over soludnyttelsen. Da anlægget i Brenderup blev leveret, var sparepumper til solvarme ikke umiddelbart tilgængelige fra pumpeleverandørerne. 3.3 Bedømmelse af anlæggets effektivitet Betragtes effektiviteten for anlægget, ser resultatet på månedsbasis ud som vist på Figur 11. I perioden august 2011-februar 2012, hvor der ikke er et nævneværdigt solbidrag - det svarer til, at kedlen næsten dækker hele energibehovet alene - ligger virkningsgraden for gaskedelinstallationen på 100 %. For hele måleperioden ligger kedelvirkningsgraden (svarende til årsnyttevirkning) på 96 %. Dette niveau ser fint ud, både set i forhold til kedeltest i laboratoriet, hvor årsnyttevirkningen for tilsvarende kedler er bestemt til ca. 100 % /6/, og i forhold til egentlige installationer, hvor der typisk er et fald i effektivitet på ca. 5 procentpoint. Derimod er virkningsgraden nede mellem 84 og 92 % for gasinstallationen alene, i de perioder hvor der er meget solvarmebidrag, hvilket i vid udstrækning skyldes lille varmebehov i sommerperioden, men returtemperaturer til kedlernes blandepotte har også haft en lille betydning for kedeleffektiviteten. Se Afsnit 3.5 Figur 13. Højeste samlede månedsvirkningsgrad er ca. 130 % bestemt for juni måned 2011, hvor solvarmebidraget er relativt højt. Den akkumulerede virkningsgrad over de 13½ målte måneder er 108 % (bestemt ved nedre brændværdi). Det betyder, at anlægget har en effektivitet, der svarer til et A-mærke (97 % efter øvre brændværdi) i det kommende ecodesignsystem (se Figur 12). Bemærk, at resultatet fra feltforsøgene ikke direkte kan sammenlignes med mærkningsintervallerne i ecodesign, idet forudsætningerne for mærkningstestene ikke er de samme.

17 DGC-rapport 14 Figur 11 Virkningsgrad for hele systemet og gasinstallation alene opdelt pr. måned i måleperioden Figur 12 Ecodesigngraduering (seneste og nok også endelige version) 3.4 Solvarmeproduktion, elforbrug og økonomi I forhold til en økonomisk bedømmelse af anlægget er det relevant at omregne målinger for perioden 1. juni 2011til 31. maj 2012 til et tilsvarende normalår.

18 DGC-rapport 15 Det betyder således, at solvarmeanlægget i normalåret må forventes at bidrage med ca kwh/år (380 kwh/m 2 solfanger), og det tilsvarende ekstra elforbrug til solkredsen alene er i størrelsesorden kwh/år (42 kwh/m 2 ). I situationen uden solvarmeanlægget skulle dette varmebehov dækkes af kedlerne alene, og da det i vid udstrækning er om sommeren, vurderes virkningsgraden at være mellem 84 og 92 % (se Figur 11). Med dagens gaspris på 8,12 kr./m 3 svarer det til en gasudgift på kr. pr. normalår ved en virkningsgrad på 92 % og kr. pr. normalår ved en virkningsgrad på 84 %. Med en forventet levetid på anlægget svarende til 20 år og uændret gaspris kan besparelsen forsvare en merinvestering i et sådan solfangeranlæg på mellem og kr. Hertil kommer, at for anlægget uden solvarme vil det ekstra elforbrug til pumper m.m. i solkredsen umiddelbart forsvinde. Til gengæld skal kedlerne enten køre længere tid eller sætte ydelsen op, så ekstrabehovet på kwh pr. år kan dækkes. Det er således svært at vurdere, hvor stort elforbruget til kedelpumpe, blæse og standby vil blive. Betragtes gasforbruget for perioden 1. juni 2011 til 31. maj 2012 (omregnet til normalåret), så må et gasforbrug på m 3 pr. år forventes, og med dagens gaspris på 8,12 kr. pr. m 3 bliver det en forventet årlig gasudgift på ca kr. Sammenholdes det med det oplyste typiske gasforbrug før konvertering på m 3 pr. år (ikke normalårskorrigeret), bidrager konvertering til en besparelse på kr. pr. år eller ca. 14 %. Med en opgivet anlægspris på kr. /1/ bliver tilbagebetalingstiden således år. 3.5 Bedømmelse af anlæggets dynamik Samspillet mellem de enkelte anlægs komponenter præsenteres i Figur 13 for et sommerdøgn lørdag den 27. juli 2011, hvor både gasinstallationen og

19 DGC-rapport 16 solbuffertankene leverede energi. Det skal bemærkes, at denne dag på Fyn var den mest solrige (14 timer med sol og maks. temperatur på 24 C). Figur 13 Temperaturforløb og gasforbrug for den 27. juli 2011 Kurven for gasforbrug (lilla kurve) viser som forventet, at når gasinstallationen er i drift uden bidrag fra buffertankene, er fremløbstemperaturen til husene styret til ca. 60 C. Fra ca. kl begynder buffertankene at levere energi, idet temperaturen herfra stiger (rød kurve). Ca. kl er fremløbstemperaturen fra blandepotten nået et niveau, så kedlerne stopper (blå kurve). Fremløbstemperaturen fra buffertankene fortsætter med at stige, og det gør fremløbstemperaturen til husene således også (lilla kurve). Midt på eftermiddagen når fremløbstemperaturen fra buffertank og blandepotte op på hhv. 85 C og 80 C. Den temperatur fastholdes frem til ved 19-tiden, hvor fremløbstemperaturen falder igen og når 60 C ca. kl.23, hvor kedlerne igen bidrager til at sikre 60 C fremløbstemperatur. Returtemperaturen fra husene er stort set konstant et sted mellem 30 og 35 C denne dag. Umiddelbart betragtet må styring af kedlerne være indstillet til at sikre en fremløbstemperatur på 60 C, da de enkelte huse skal sikre en passende høj brugsvandstemperatur.

20 DGC-rapport 17 Der er også styring på, at fremløbstemperaturen ikke bliver højere end 80 C, og set i lyset af opbygningen sikres det ved at blande en del af returvandet med fremløbet fra buffertankene. Det betyder, at kedler kan være helt ude af drift i ca. 12 timer, mens de uden solbidraget har et vist antal starter pr. time. Det giver et lavere tomgangstab for kedlerne. I forhold til samspil mellem sol og kedler betyder solbidraget om formiddagen, at kedelydelsen falder løbende for ved 12-tiden at stoppe helt. Det ses ved, at hældningen på den blå kurve nærmer sig vandret. I de 3 timer, hvor bufferbeholderne bidrager, vil returtemperaturen til kedlernes blandepotte stige gradvist fra 30 til 35 C op mod dugpunktstemperaturen 55 C og til sidst nå ca. 60 C i fremløb og dermed stoppe kedlerne. Dette har en minimal effekt på mængden af kondensat. Men hvis det er muligt ud fra et komfortmæssig ønske til varmtvandstemperatur frem til boligerne i sommerperioden, kan det overvejes, om styring af min. fremløbstemperatur kan sættes ned til 55 C, så man dermed undgår drift uden kondensat. Omvendt kan det betyde for lav fremløbstemperatur til de sidste huse på ledningsnettet.

21 DGC-rapport 18 4 Konklusion Fieldtesten har bekræftet, at sol/gasanlægget fungerer, og at det samlede systems virkningsgrad for måleperioden er 108 %, hvilket svarer til A i det kommende ecodesignsystem. For kedlerne alene ligger den samlede virkningsgrad på 96 %. Solvarmeproduktionen ligger på kwh over de 14 måneder, og set i forhold til antal solskinstimer er det 18 % mere end i et normalår. Det betyder naturligvis, at ovennævnte solbidrag også bliver mindre. For et normaltår vurderes det 34 m 2 store minifjernvarmeanlæg at levere et solvarmebidrag fra buffertankene på 380 kwh pr. m 2 solfanger, og hertil kommer et ekstra elforbrug på 42 kwh pr. m 2. Sammenlignes sol/gasanlægget med det tilsvarende anlæg, hvor en af gaskedlerne af samme type alene skulle dække bebyggelsens varme- og varmtvandsbehov, er besparelsen skønnet til kr./år med dagens gaspriser (8,12 kr. pr. m 3 ), og her er der taget udgangspunkt i uændret normalårs energibehov for bebyggelsen på ca kwh/år. Antages levetiden for anlægget at være 20 år, kan besparelsen forsvare en merinvestering i et sådan solfangeranlæg på kr. Sammenholdes det oplyste typiske før-gasforbrug med det målte forbrug (omregnet til normalåret), er der opnået en besparelse på ca. 14 % eller kr. pr. år med dagens gaspriser. Med en anlægspris på kr. bliver tilbagebetalingstiden for anlægget således år. Solvarmebidraget er højest om sommeren. Kedlens effektivitet påvirkes som forventet i nedadgående retning af det lave varme- og varmtvandsbehov. Omvendt om vinteren påvirkes kedlens effektivitet ikke af dette. Samspillet mellem solvarmeanlægget og kedlerne fungerer meget fint med lave returtemperaturer, både til solvarmebeholderne og til blandepotten, når kedlerne er i drift. Det er dog vigtigt, at indkoblingstemperaturen for fremløb fra kedlerne ikke sættes for højt. Ved de fastsatte 60 C for fremløbstemperaturen ved sommerdrift er perioder med temperaturer frem til blandepotten over 55 C (dugpunktstemperaturen) korte.

22 DGC-rapport 19 5 Referencer /1/ Anlægsbeskrivelse jf. mail fra Michael Egedal Sørensen (Weishaupt) til Karsten V. Frederiksen (DGC) den /2/ DGC-reference for placering af måledatafilen: H:\735\30 Demo gas m sol klyngehus\mna\summary Brenderup1_ _kvf4.xls /3/ DGC-reference for placering af fil for 27. juli 2011-målingerne: H:\735\30 Demo gas m sol klyngehus\mna\ xlsx /4/ Solskinstimedata, /5/ Varmeståbi, 5 udgave, 1. oplag /6/ Gaspro, Reference /1/, /2/ og /3/ kan ikke kontrolleres af en ekstern læser.

23 DGC-rapport 20 Bilag 1