Beregning af energieffektivitet for varmepumper i Be10. Esben Vendelbo Foged, Teknologisk Institut Lars Olsen, Teknologisk Institut

Transkript

1 Beregning af energieffektivitet for varmepumper i Be10 Esben Vendelbo Foged, Teknologisk Institut Lars Olsen, Teknologisk Institut

2 Titel: Beregning af energieffektivitet for varmepumper i Be10 Udarbejdet af: Teknologisk Institut Køle- og Varmepumpeteknik Gregersensvej 2630 Taastrup Januar 2015 Forfatter: Esben Vendelbo Foged & Lars Olsen, Teknologisk Institut

3 Forord Denne rapport giver en gennemgang af et forslag til en ny Be10-beregningsmetode for varmepumper. Udarbejdelsen af forslaget er udført som en del af projektet: Beregning af energieffektivitet for køleanlæg og varmepumper i Be10. Projektet er støttet af Elforsk og har projektnummer: Rapporten er skrevet af Lars Olsen, civilingeniør, Ph.D. Teknologisk Institut. Esben Vendelboe Foged, civilingeniør, sektionsleder, Teknologisk Institut. I projektet har desuden deltaget en følgegruppe der har bidraget med test og kommentarer: SBi, Aalborg Universitet, Energi & Miljø, Forskningschef Søren Aggerholm. Varmepumpefabrikantforeningen, Sekretær for VPFF, Lars Abel. Bosch, Niels Pedersen Nilan, Brian Hansen. COWI, Bjarne Poulsen Rambøll, Niels Radisch Grontmij, Pia Rasmussen Projektet har været præsenteret på to gå-hjem-møder afholdt i samarbejde med varmepumpefarikantforeningen og ligeledes ved en temadag omkring ecodesign. Vi takker for inputtene i denne forbindelse.

4 Indholdsfortegnelse Forord Introduktion Hvad er Be10? Eksisterende varmepumpeberegning i Be Be10 beregningen teoretisk Relativ COP ved 50 % last Hvad er SCOP? Klimazoner Testtemperaturer Varmeproduktionsbehov i varmesæsonen til brug for beregning af SCOP Beregning af SCOP Den kommende varmepumpeberegning Anvendelse af SCOP testdata til udarbejdelse af sammenhænge for varmepumpeydelsen Anvendelse i forbindelse med rumvarme Anvendelse i forbindelse med varmt brugsvandsproduktion Beregning af varmebehov med højere opløsning Rumopvarmning Beregning af energiforbrug Rumvarme Varmt brugsvand Det endelige beregnede energiforbrug Den eksisterende beregningsmetode sideløbende med den kommende beregning SCOP som input til den eksisterende varmepumpemodel Referenceliste...51 Bilag

5 Symbolliste Symbol Beskrivelse Enhed COPi Effektivitet af varmepumpe (Coefficient of Performance) kw/kw DGi Dækningsgraden (Procentuel dellast i Be10 model) kw/kw n Antal timer h n vægtet,md Samlede vægtede antal timer for en måned h n vægtet,temp.,md Vægtede antal timer for en given udetemperatur for en given h måned Pdesign h Design varmeeffekt for varmepumpeløsningen inkl. el-patron kw (effekt) PVP,nom Nominel effekt for varmepumpen kw PVP,maks,i Maksimal effekt for varmepumpen, kw Ph,i Varme (effekt) behov for bygning, middel effekt kw Ph(Tj) Varme (effekt) behov for bygning, for den givne bin temperatur kw Q opvarm.,md Samlede nødvendige varmeproduktion for en given måned kwh Q opvarm.,temp.,md Nødvendig varmeproduktion for en given udetemperatur for kwh en given måned Qel,i Elforbrug for en given måned, i kwh Qel,korrig,i Elforbrug korrigeret for en given måned, i kwh Q varme Nødvendig varmeproduktion for bygning kwh Relativ 50 % COP ved 50 % last kw/kw COP SCOP Sæsonbestemt effektivitet kwh/kwh SCOPon Sæsonbestemt effektivitet i aktiv varmemode kwh/kwh T i Temperatur ved det oplyste index, i C T j Udetemperaturen af et bin C Tbivalent Udetemperatur, hvor varmepumpen netop kan opfylde behovet C TOL Temperature Operating Limit C Tdesign h Reference design udetemperatur for opvarmning C ΔT Temperaturforskel K η ex Exergivirkningsgrad kw/kw Forkortelser og index A Average Gennemsnitlig (Klima) Bin Udetemperatur interval C Colder Koldere (Klima) Carnot Carnot ex Exergi fremløb Fremløb h Varme (heat) kold Temperatur ved fordamper (se også forklaringer i tekst) md Måned on Varmepumpe er aktiv temp. Temperatur test Test ude Udetemperatur varm Temperatur over kondensator (se også forklaringer i tekst) VBV Varmt brugsvand VP Varmepumpe W Warmer Varmere (Klima) 5

6 Definitionsliste Aktiv varmemode De timer i løbet af året hvor der er et behov for varmeproduktion. Kaldes også for producerende drift COP Koefficient som angiver effektivitet (Coefficient of Performance) Varmeeffekten i forhold til det elektriske input til varmepumpen Dellast Varmepumpen kører i dellast og opfylder et rumvarmebehov for bygningen som er mindre end ved fuldlast. Størrelsen angives som last i forhold til fuldlast hj bin timer Summen af alle timer med en given udetemperatur for et specifikt sted. Udetemperaturerne er afrundet til heltal Pdesignh Design varmeeffekt Design varmeeffekt for varmepumpeløsningen inkl. el-patron opfylder varmebehovet for bygningen ved Tdesignh forholdene Relativ COP ved 50 % COP af varmepumpe ved 50 % dellast. Defineret i DS/CEN/TS 14825:2004 /7/ SCOP Sæsonbestemt effektivitet Sæsonbestemt effektivitet for en varmepumpeløsning beregnet ud fra et helt referenceårs varmebehov. Der indregnes foruden aktiv varmemode (inkl. evt. drift med elpatron) også energiforbrug i timer uden rumvarmebehov, dvs. timer både i og uden for aktiv varmemode. Dog medtages ikke energiforbrug til opvarmning af varmt brugsvand. Reference varmebehovet er bestemt ud fra standardiserede forhold opgivet i DS/EN Den sæsonbestemte effektivitet bruges til mærkning, sammenligning og certificering SCOPon Sæsonbestemt effektivitet i Active mode Sæsonbestemt effektivitet for en varmepumpeløsning i aktiv varmemode. Dvs. ved producerende drift med evt. elpatron beregnet ud fra et helt referenceårs varmebehov. Bestemt ud fra standardiserede forhold givet i DS/EN SCOPnet Netto sæsonbestemt effektivitet Sæsonbestemt effektivitet for en varmepumpeløsning i aktiv varmemode ved drift uden el patron. Denne bestemmes ud fra obligatoriske forhold givet i DS/EN Tbivalent Bivalent temperatur Laveste udetemperatur, hvor varmepumpen er deklareret til at have en effekt, der dækker 100 % af varmebehovet (dvs. uden el-backup) 6

7 Tdesignh Reference designtemperatur for opvarmning Design udetemperatur for de forudsatte klimaforhold. Ved test benyttes Average clima, hvor Tdesignh = -10 C, jf. DS/EN /1/ TOL Temperature operation limit Den laveste udendørs temperatur, hvor varmepumpen alene kan levere varmeeffekten deklareret af producenten Varmepumpeløsning Kombineret løsning bestående af varmepumpe med en termodynamisk kredsproces og evt. backup i form af en el-patron. 7

8 1. Introduktion I projektet er der udarbejdet en ny metode til beregning af varmepumper i Be10. Metoden tager afsæt i de nye standarder for måling af varmepumper som indfører SCOP-værdier for varmepumperne. I metoden beregnes varmepumpernes effektivitet og varmeeffekt for hver time i de enkelte måneder af året. Resultaterne tager derved bedre hensyn til de variationer, der forekommer i belastningen af varmepumperne, og giver dermed et væsentligt mere nuanceret billede af ydelsen, specielt i de kolde perioder. Projektet har fokus på behandlingen af luft-luft, luft-vand og væske/vand varmepumper (jordvarmepumper). De øvrige varmepumper vil blive behandlet efter de samme principper, som svarer til de hidtidige beregningsprincipper. Beregningsprogrammet Be10 har en model for beregning af varmepumper. I den nuværende beregningsmetode for varmepumper i Be10 er der på simpel vis taget højde for varmepumpers drift i dellast, hvilket ikke afspejler varmepumpers varierende drift ved hele spektret af udetemperaturer over året. Grunden er, at beregningen i Be10 i dag beror på én gennemsnitstemperatur pr. måned. Be10 beregningen afspejler derfor ikke i tilstrækkeligt omfang de lave temperaturer i vintermånederne, hvor varmebehovet kan være stort og effektiviteten af varmepumpen lille, samt hvor brugen af backupvarme vil være nødvendig for at levere den nødvendige mængde varme til opvarmning af boligen eller varmt brugsvand (VBV). Beregningen afspejler heller ikke højere udetemperaturer, hvor den nødvendige varmeproduktion er lille, og effektiviteten af varmepumpen kan være meget anderledes. Den nuværende Be10 varmepumpeberegning kan derfor være behæftet med usikkerhed i forhold til en mere detaljeret beregning. Varmepumpen designes ud fra at den termodynamiske kredsproces arbejder under fuldlast ved et specifikt temperatursæt givet ved én udetemperatur og én fremløbstemperatur til et varmeanlæg (f.eks. ofte -7 C over fordamperen (udetemperatur) og 35 C over kondensatoren (fremløbstemperatur) for luft/vand varmepumper til gulvvarme). Ved disse temperaturer over fordamper og kondensator justerer varmepumpen automatisk henholdsvis fordampningstemperaturen og kondenseringstemperaturen. Ved højere udetemperaturer vil varmepumpen arbejde i dellast, som kan have en positiv indflydelse på effektiviteten af varmepumpen. Hvorledes dette er tilfældet, vil afhænge af designet for det specifikke system og varmepumpens styring. I den nuværende beregningsmetode i Be10 tages der højde for denne dellast via en korrektionsfaktor, som findes via en beregning (eller test), der bl.a. er baseret på et input for den relative COP ved 50 % last. Forkert indtastning af den relative COP ved 50 % last kan have store konsekvenser for bygningens opnåede energiramme i både positiv og negativ retning, og det har vist sig svært for brugeren at finde en korrekt værdi, og anvende den i forbindelse med indtastningen. I den nye standard DS/EN /1/ for test af varmepumper præsenteres beregningsmetoden for Seasonal Coefficient Of Performance (SCOP). Denne nye standard introducerer foruden en ny varmeeffektangivelse for varmepumper en ny værdisætning for effektiviteten af en varmepumpe beregnet på baggrund af et belastningsprofil, der definerer et sæt sammenhørende testtemperaturer og dellaster. Dette belastningsprofil afspejler et 8

9 vekslende varmebehov [kw] til rumopvarmning, afhængigt af udetemperaturen. Endvidere relateres det temperaturafhængige belastningsprofil til et årsprofil, hvor der pr. udetemperatur angives et timeantal, der afspejler et gennemsnitligt år. Varmepumpen vil ikke producere rumvarme i en del af året. Dette tager SCOP beregningen også højde for ved at medregne elforbruget i de resterende mulige drift-modes. I beregningen af SCOP er ikke medtaget produktion af varmt brugsvand. Dog kan data fra SCOP testen benyttes i en beregning af energiforbruget til produktion af varmt brugsvand såfremt fremløbstemperaturen og forbruget kendes. Den standardiserede SCOP effektivitetsangivelse vil ikke blive benyttet som direkte input i forbindelse med den kommende Be10 beregning, da SCOP blot er en værdisætning af den energimæssige effektivitet beregnet på baggrund af fiktive forhold. SCOP er altså blot en værdi-sætning med det formål at sammenligne varmepumper på et ensartet grundlag og repræsenterer ikke den dynamiske energibalance for en bygning, som Be10 er baseret på. Delelementer fra beregningen af SCOP og de testdata, der ligger til grund for beregningen, finder dog stor anvendelse i forbindelse med den kommende Be10 varmepumpeberegning, da disse bedre afspejler varmepumpens driftsforhold over året. I SCOP testdata findes der endvidere data for drift af en given varmepumpe under fuldlast. Disse testdata vil for et bestemt temperaturniveau blive benyttet til at beregne energiforbruget til opvarmning af varmt brugsvand (VBV). Den kommende varmepumpemodel, som præsenteres i denne rapport, er en timebaseret model, der benytter SCOP data som input. I modellen vil både rumopvarmning og VBV opvarmning være tilkoblet. Det beregnede energiforbrug vil altså afspejle forskellige varmeproduktionsbehov, som en given bygning har, samtidig med at den nye model i højere grad tager højde for variationen af udetemperaturerne i løbet af året. Mængden af data, der skal indtastes i den kommende beregning er større, men inputtet kan tages direkte fra testrapporter. I det følgende præsenteres bl.a. de eksisterende og kommende Be10 beregninger. Programmet ejes af SBi. Beregningsmetoderne er i denne rapport delvist præsenteret via screen dumps fra Microsoft Excel. Dette er grundet at ændringer og nye beregningstiltag i programmet ofte som udgangspunkt programmeres i Excel og efterfølgende overføres til Be10-beregningskernen som er programmeret i C++. 9

10 2. Hvad er Be10? Anvisning 213 /2/ og dertil tilhørende beregningsprogram Be10 er udviklet af Statens Byggeforskningsinstitut (SBi). Anvisningen og Be10 anvendes til at dokumentere, at energikravene i Bygningsreglementet /3/ og anden lovgivning er fulgt. Be10 er ikke et dimensioneringsværktøj, men kan, ligesom anvisningen, hjælpe arkitekter og andre rådgivere med at udregne et standardiseret energibehov og energiforbrug i projekteringsfasen. Be10 beregningskernen benyttes af bl.a. energikonsulenter i programmerne EK-Pro /4/ og Energy10 /5/ til at fastlægge energiklasser for bygninger. EK-Pro og Energy10 udvider Be10 med forbedrede muligheder mht. inputdata, udskrivning af rapporter, etc. Be10 og anvisningen er vidt udbredt og anvendt og er et vigtigt led i at sikre, at der skabes en god energiøkonomi i bygninger, og at byggerier fremtidssikres bedst muligt. 10

11 3. Eksisterende varmepumpeberegning i Be10 Følgende gennemgang af den eksisterende varmepumpeberegning i Be10 er simplificeret, idet ikke alle elementer og aspekter af beregningen bliver gennemgået. Problematikker med den eksisterende beregning Der er visse elementer i den eksisterende varmepumpeberegning, som kan give problemer under indtastning, og som kan have konsekvenser for, hvilken energiramme bygningen opnår. To eksempler er: En given bygning kan hoppe en hel bygningsklasse i den positive eller negative retning, såfremt den forkerte relative COP ved 50 % last benyttes Der er risiko for at gode varmepumper ikke tillægges en fair total effektivitet, da 0,8 relativ COP ved 50 % last skal benyttes, såfremt denne værdi ikke er testet Den kommende varmepumpeberegning (se afsnit 5) i Be10 vil foruden at blive mere præcis også gøre op med ovenstående problematikker, da de indtastede data vil være baseret direkte på SCOP testdata, som producenterne, deres autoriserede repræsentanter og importører skal stille til rådighed (se 5.1). Den relative COP ved 50 % last vil derfor ikke være et element, der skal benyttes i den kommende varmepumpeberegning. Den relative COP ved 50 % last kan give problemer, men anvendelsen af faktoren relativ COP ved 50 % last har været en god måde at beregne et mere retvisende billede af en varmepumpes energiforbrug. Inputdataene til Be10 er ofte målt på baggrund af standarden DS/EN /6/ og ved blot ét testpunkt. Varmepumpens effektivitet er stærkt afhængig af varierende temperaturer på varmeoptager- og varmeafgiversiden, og effektiviteten er ligeledes stærkt afhængig af lastforholdene. Den relative COP ved 50 % last er netop benyttet for at tage højde for dette. Denne kan enten være testet i henhold til standarden DS/CEN/TS 14825:2004 (tilbagetrukket) /7/ eller, såfremt dette ikke er gjort, være indtastet som standardværdien 0,8. 11

12 Overblik over programmet Hovedvinduet i Be10 programmet ser ud som i Figur 1. I venstre side er der indikeret en lang række elementer relateret til bygningens konstruktion, brug og installerede teknologier. Varmeforsyningen, i dette tilfælde en varmepumpe, markeres i hovedvinduet, som er vist i figuren. Figur 1: Be10 brugerfladen - hovedvinduet. Hvis varmepumpen markeres i elementerne til venstre (ikke synlig i Figur 1) fremkommer vinduet vist i Figur 2. 12

13 Figur 2: Varmepumpe-vinduet i Be10 med forklarende tekst. Figur 2 angiver de forskellige inputelementer. Blot ét testsæt er nødvendigt for beregning af en varmepumpe i den nuværende model. Ifølge anvisning 213 angives følgende om testtemperaturerne: Der angives de test-temperaturer, som er benyttet ved bestemmelse af varmepumpens effekt og virkningsgrad. Test-temperaturen på den varme side skal være større end eller eventuelt lig med testtemperaturen på den kolde side. Kold side: Test-temperaturen på den kolde side er mediets temperatur før fordamperen. Varm side: Test-temperaturen på den varme side er mediets temperatur efter kondensatoren. Be10 kan i den nuværende model behandle flere forskellige varmepumpeløsninger: Brugsvand alene Rumopvarmning alene Rumopvarmning og varmt brugsvand To varmepumper én til hvert formål 13

14 Programmet kan også behandle flere varmepumper med samme formål. Såfremt flere varmepumper indtastes med samme formål, vil varmepumperne blive kaskadereguleret, hvorved at varmpumpe nr. 2 først igangsættes, når varmepumpe nr. 1 kører ved fuld last. Såfremt varmepumperne kører i parallel, skal disse indtastes som én varmepumpe. Figur 2 viser en relativ COP ved 50 % last. I dette eksempel er der brugt en værdi på 0,94, da varmepumpen i eksemplet er testet, og den relative 50 % COP er fundet bedre end de 0,8, der skal benyttes ved manglende test. Alternative varmekilder i Be10 Be10 indeholder datasæt for en række forskellige varmekilder, men det er også muligt at indtaste andre energikilder, som vist i Figur 3. Figur 3: Indtastning af andre varmekilder for varmepumpeberegningen i Be10. I den kommende varmepumpeberegning vil det ikke være muligt at indtaste alternative varmekilder (se afsnit 5). Såfremt en alternativ varmekilde skal indtastes, og den ikke behandles i den kommende varmepumpeberegning, skal den eksisterende varmepumpeberegning benyttes (se afsnit 6). 14

15 3.1. Be10 beregningen teoretisk I det følgende vil en simplificeret step-by-step gennemgang af beregningen blive præsenteret. Efterfølgende vil et eksempel blive vist. Step 1. Varmepumpemodellen får et input bestående af en månedligt nødvendig varmeproduktion beregnet af Be10 ud fra den opstillede bygningsmodel og brugen heraf. Ligeledes får beregningsmodellen et input i form af varmepumpe inputdata. Et eksempel herfor ses i Tabel 1. VP dækningspotentiale af netto nødvendig varmeproduktion i MWh jan feb mar apr Maj jun jul aug sep Okt nov dec Året Opvarmning 2,30 1,94 1,66 0,89 0,06 0,00 0,00 0,00 0,05 0,60 1,37 2,07 10,94 VBV 0,24 0,22 0,24 0,23 0,24 0,23 0,24 0,24 0,23 0,24 0,23 0,24 2,82 I alt 2,54 2,16 1,90 1,12 0,30 0,23 0,24 0,24 0,28 0,84 1,60 2,30 13,76 Tabel 1: Nødvendig varmeproduktionsinput til eksisterende Be10 varmepumpeberegning. Step 2. Den månedlige beregning er foretaget på baggrund af gennemsnitlige udetemperaturer, og den ønskede temperatur i varmeanlægget beregnes ligeledes på baggrund af denne gennemsnitlige beregning. Dette vil sige, at for f.eks. en luft/vand varmepumpe er den månedlige beregning baseret på én temperatur over fordamperen (Tkold) og én temperatur over kondensatoren (Tvarm). Via de i Be10 indtastede data er det muligt at beregne en exergivirkningsgrad ηex, som benyttes til at relatere de indtastede data til de månedlige driftsforhold. Exergivirkningsgrad ηex beregnes ved først at finde Carnot COP en for den indtastede data, og efterfølgende relatere denne Carnot COP til den reelt målte COP for det indtastede testpunkt. Efterfølgende kan COP da beregnes for andre temperaturmæssige driftsforhold ved først at beregne Carnot COP for de givne driftsforhold, og benytte den under testen fundne exergivirkningsgrad ηex til at beregne COP under de nye temperaturmæssige driftsforhold. Formlen for Carnot COP ser ud som følger: COP Carnot = (T varm+273,15) (T varm T kold ) Formlen for exergivirkningsgraden (ηex) ser ud som følger: η ex = COP målt COP Carnot 15

16 Korrektionsfaktor Teknologisk Institut Step 3. For hver måned bliver et midlet varmebehov (middellast) beregnet. Dette midlede varmebehov ses i forhold til den mulige maksimale varmeffekt, som varmepumpen kunne have leveret under de samme midlede temperaturmæssige forhold for den givne måned, ved samme elektriske input som for inputdataene (som er testet under 100 % last). Se evt. eksempel nedenfor. Såfremt middellasten går under 50 % af fuldlasten, benyttes den indtastede værdi for relative COP ved 50 % last til at korrigere elforbruget. Såfremt middellasten er imellem % af fuldlasten, benyttes en lineær tilnærmelse til at finde den korrekte forbrugskorrektion af elforbruget. Dette er illustreret i Figur 4. Korrektionsfaktor 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0 0,5 1 1,5 Middel månedlig effekt / mulig maks. effekt. Relativ 50% COP = 0,8 Relativ 50% COP = 1,1 Figur 4: Korrektionsfaktor beregnes i afhængighed af den procentuelle dellast, dvs. dækningsgrad, DG. Det beregnede el-forbrug divideres da med denne korrektionsfaktor for enten at belønne varmepumpen, såfremt den relative COP ved 50 % last er højere end 1, eller straffe den, såfremt at varmpumpen har en relativ COP ved 50 % last, der er lavere end 1. Værdier højere end 1 tilskrives varmpumper, hvis COP stiger under dellast sammenlignet med fuldlast. Det forholder sig omvendt, hvis den relative COP ved 50 % last er mindre end 1. Disse beregninger foretages for samtlige måneder, og det samlede energiforbrug adderes op. Såfremt at varmepumpen ikke har stilstrækkelig effekt til at levere det ønskede varmebehov i visse måneder, vil backupvarme blive suppleret fra en el-patron. 16

17 Et beregningseksempel på den stepvise beregning: Step 1. Følgende fiktive testdata benyttes: Tkold = -3 o C (inkl. T = -10 K for fordampningstemperaturen i forhold til temperaturen over fordamperen (Tude)) Tvarm = 37 o C (inkl. T = 2 K for kondenseringstemperaturen i forhold til temperaturen over kondensator (fremløbstemperatur til centralvarmesystem)) COPtest = 4,0 PVP,nom = 5,9 kw Relativ COP ved 50% last = 0,8 Her er Tkold fordampningstemperaturen, Tvarm kondenseringstemperaturen, og COPtest er COP en opnået under Tkold og Tvarm. Den nominelle effekt PVP,nom er effekten under testtemperaturerne Tkold og Tvarm. Den relative COP ved 50 % last er fundet for Tkold og Tvarm ved 50 % effekt sammenlignet med den nominelle effekt. Data for januar måned (resterende måneder undladt): Qvarme = kwh Tkold,ude = -10,5 o C (inkl. T = -10 K for fordampningstemperatuen i forhold til temperaturen over fordamperen (Tude)) Tfremløb = 37 o C (inkl. T = 2 K for kondenseringstemperaturen i forhold til temperaturen over kondensatoren (fremløbstemperatur til centralvarmesystem)) Qvarme er den nødvendige varmeproduktion for januar måned. Tkold,ude fordampningstemperaturen i januar måned. Tude er udetemperaturen (-0,5 C) i januar måned. Tfremløb er fremløbstemperaturen til varmeanlægget i januar. Step 2. Carnot COP og exergivirkningsgrad ηex for inddataene beregnes: COP Carnot = (T varm + 273,15) (T varm T kold ) η ex = COP test = 4,0 COP Carnot 7,75 = 0,5 = ( ,15) (37 ( 3)) = 7,8 På baggrund af den fundne exergivirkningsgrad ηex findes den COP, som varmepumpen vil have i januar måned: COP Carnot,januar = (T fremløb + 273,15) ( ,15) = (T fremløb T kold,ude ) (37 ( 10,5)) = 6,5 COP januar = η ex COP Carnot,januar = 0,5 6,5 = 3,4 17

18 Step 3. Det endelige elforbrug kan nu beregnes for januar måned. Dette gøres ved at finde den mulige maksimale varmeeffekt, som kan leveres af varmepumpen med de fundne driftsforhold. Først undersøges det, hvad den mulige maksimale varmeeffekt for varmepumpen i januar måned vil være for det samme energiinput som under testen hvor varmepumpen kører i fuldlast. P VP,maks,januar = P VP,nom 5,9 kw COP COP januar = 3,4 = 5,0 kw test 4,0 Ligeledes findes det midlede varmebehov (gennemsnitlige effekt) for januar måned, som varmepumpen skal levere: P h,januar = Q varme = = 3,1 kw n januar Hvor n januar er antallet af timer i januar. Det er nu muligt at undersøge, hvor stor en procentdel det midlede månedlige varmebehov udgør af den maksimale varmeeffekt, som varmepumpen kan levere: DG Januar = P h,januar P VP,maks,januar = 3,1 5,0 = 0,6 DG er dækningsgraden, som altså er et udtryk for varmepumpens gennemsnitlige procentuelle dellast i januar måned. Nu kan januars elforbrug beregnes. Først beregnes elforbruget for januar ud fra COP uden korrektion: Q el,januar = Q varme kwh = = 700 kwh COP januar 3,4 Dette elforbrug korrigeres nu for at varmepumpen køres i dellast. Den procentuelle dellast (dækningsgrad), som varmepumpen er i, kan bestemmes. Korrektion bestemmes ved lineær interpolation mellem værdien 1 ved 100 % last og værdien 0,8 ved 50 % last. En gennemsnitlig procentuel dellast på DG = 0,6 giver en korrektionsfaktor på 0,848. Det endelige energiforbrug for januar bliver da: Q el,korrig,januar = 700 kwh / 0,848 = 800 kwh Som tidligere belyst foretages denne beregning for samtlige måneder, og elforbruget adderes op. Såfremt varmebehovet i måneder overstiger den mulige maksimale effekt, som varmepumpen kan levere under de for måneden givne forhold, suppleres der med backupvarme fra en el-patron. 18

19 3.2. Relativ COP ved 50 % last Relativ COP ved 50 % last skal angives til 0,8, medmindre varmepumpen er testet i henhold til EN/CEN/TS 14825:2004 /7/. Dette er der i dag en lang række varmepumper, der ikke er. De fleste varmepumper har dog en relativ COP ved 50 % last, der er højere end de 0,8, hvilket også fremgår af Tabel 2. Anlægstype og driftsprofil COP relativ 50% estimeret op til Luft/luft varmepumpe on/off Luft/luft varmepumpe inverter 0,8 1,4 COP relativ 50% målt eksempler Andre varmepumper on/off Andre varmepumper - kapacitetsreguleret 0,9 1,2 0,94 1,03-1,07 Tabel 2: Relativ COP ved 50 % last, estimeret og målt. Estimerede værdier som stammer fra Håndbog for Energikonsulenter /8/. Den sidste kolonne er eksempler fra laboratoriemålinger. Det ses her, at måledata viser en værdi over 0,8 både for on/off regulerede varmepumper og for kapacitetsregulerede varmepumper. Det er dog estimeret, at den relative COP ved 50 % last kan være højere. Men hvad er konsekvensen af en forkert angivet relativ COP ved 50 % last? For at undersøge dette er der opstillet ét eksempel med et hus, for hvilket parametre relateret til effektiviteten af varmepumpen efterfølgende er blevet varieret. For dette konkrete eksempelhus er kravet for at opnå bygningsklasse BR2010 og Lavenergi 2015 følgende: BR2010: Lavenergi 2015: 61,7 kwh/m 2 (for dette specifikke eksempel) 35,6 kwh/m 2 (for dette specifikke eksempel) Hvad sker der, hvis COP angives forkert? COP Rel. COP ved 50 % Energibehov (kwh/m²) 2,1 0,94 68,5 3,1 0,94 58,1 3,6 0,94 50,6 Tabel 3: Eksempel på energibehovets følsomhed ved variation af COP i den eksisterende Be10 varmepumpeberegning. I Tabel 3 ændres COP forholdsvis meget, men tabellen kan vise, hvor stor en indflydelse COP har, på hvilken energiklasse bygningen opnår. Det ses, at hvis COP angives til 3,1 19

20 frem for 2,1, så opnår bygningen energiklasse BR2010. Hvis en COP på 2,1 var benyttet, ville bygningens energiforbrug ellers have været så højt, at kravet i Bygningsreglementet ikke vil være overholdt. Endvidere ses det, at såfremt varmepumpens COP angives til 3,6 frem for 3,1, så falder energibehovet med 14,8 %. Hvad sker der, hvis den relative COP ved 50 % last angives forkert? COP Rel. COP ved 50 % Energibehov (kwh/m²) 3,1 0,8 65,0 3,1 1,1 52,3 Tabel 4: Eksempel på energibehovets følsomhed ved variation af den relative COP ved 50 % last angivet forkert i den eksisterende Be10 varmepumpeberegning. Tabel 4 ændres den relative COP ved 50 % last fra 0,8 til 1,1. Tabellen viser, at bygningen herved opfylder kravet til bygningsklasse BR2010 og opfylder dermed Bygningsreglementets krav. Er varmepumpens relative COP ved 50 % last ikke bestemt ved testen, skal den angives til at være 0,8. I Tabel 2 blev det vist, at den relative COP ved 50 % last ofte er over 0,8, og at de 0,8 derfor i mange tilfælde ikke afspejler varmepumpens faktiske effektivitet. Som tidligere nævnt vil den relative COP ved 50 % last ikke indgå som et element i den kommende varmepumpeberegning (se afsnit 5) i Be10, da de data, der skal indtastes, vil være baseret direkte på SCOP testdata, som producenterne, deres autoriserede repræsentanter og importører skal stille til rådighed (se afsnit 5.1). Risikoen for at en varmepumpes potentiale ikke belyses i kraft af manglende viden om f.eks. den relative COP ved 50 % last vil derved være mindre. 20

21 4. Hvad er SCOP? SCOP er en ny metode til værdisætning af varmepumpers effektivitet. SCOP blev præsenteret i forbindelse med standarden DS/EN Klimaanlæg, væskekølere og varmepumper med eldrevne kompressorer til rumopvarmning og rumkøling Prøvning og effektmåling under delbelastning samt beregning af sæsonbestemt ydeevne. Kort beskrevet er SCOP: Seasonal Coefficient Of Performance. Et udtryk for effektiviteten af den givne varmepumpe beregnet ud fra et fiktivt årligt driftsmønster. SCOP beregnes på baggrund af flere testpunkter med varierende dellaster og fremløbstemperaturer der spejler en årsprofil for udetemperaturer med tilhørende varmebehovskurve og elforbrug som ikke direkte er relateret til drift /9/ (redigeret) Værdisætningen SCOP danner udgangspunkt for europæiske minimumskrav (i forbindelse med Ecodesign arbejdet) og energimærkning for varmepumper. Nye krav fastsat via SCOP og et nyt energimærke for luft/luft varmepumper blev introduceret 1. januar 2013, og 26. september 2015 følger krav og energimærke for varmepumper til rumopvarmning med væskebaserede varmeanlæg. Grundlæggende består SCOP beregningsmetoden i en opdeling af varmesæsonen i forskellige bins (delberegninger). Hver bin dækker et udetemperaturinterval af bredden 1 K. Disse bins er lagt ud efter udetemperaturerne i varmesæsonen, hvortil der tilskrives et vist timeantal og varmebehov [kw] til opvarmning af bygningen ved den givne udetemperatur. Varmebehovet er varmeeffekten, som varmepumpen skal levere, og det afhænger af udetemperaturen og vil derfor være stigende ved lavere udetemperaturer. Varmepumpen vil enten opfylde hele varmebehovet, her er varmepumpen i dellast, eller varmepumpen kører i fuldlast og suppleres af backupvarme (typisk en el-patron). Varmepumpen arbejder under forskellige last- og temperaturforhold. Dette afspejler sig i varmepumpens COP. Da både timeantallet og varmebehovet kendes for en given udetemperatur, kan den samlede varmeproduktion [kwh] for at opretholde indetemperaturen beregnes for en given udetemperatur. Det nødvendige energiinput til at levere denne samlede varmeproduktion kan nu findes via COP-værdien ved hver af disse udetemperaturer. Den over året samlede varmeproduktion sættes nu i forhold til det samlede energiinput, og en årlig effektivitet for den varmeproducerende drift med varmepumpen kan findes. Denne årlige effektivitet for varmepumpen ved varmeproducerende drift (SCOPon) korrigeres nu for en række øvrige driftstilstande, hvor varmepumpen ikke direkte producerer varme. Herved kan SCOP beregnes. Grundlaget for SCOP beregningen er vist i Figur 5. Her ses de forskellige bins (ved de enkelte udetemperaturer) og både varmebehovet og antallet af timer ved hver udetemperatur. Udetemperaturen er ved opgørelsen af antal timer i de enkelte bins afrundet til heltalsværdier. 21

22 Figur 5: Eksempel på varmebehov og timeantal i hver bin afhængig af udetemperaturen Klimazoner Da klimaet varierer i forskellige dele af Europa, kan man vælge at udregne SCOP i tre forskellige klimazoner. Disse er beskrevet ved: Average svarende til Strasbourg A Warmer svarende til Athen W Colder svarende til Helsinki C I den europæiske energimærkningsordning er det for luft/luft varmepumper obligatorisk at oplyse SCOP, energiklasse, effekt og årligt energiforbrug for Average klimaprofilen. Det er for luft/luft varmepumper frivilligt at oplyse data for andre klimazoner. For varmepumper til væskebaserede varmeanlæg skal energiklassen for produktet i Average klima oplyses sammen med effektivitet ved samtlige klimazoner. Ligeledes er minimumskravet baseret på SCOP for Average profilen. 22

23 Antallet af timer i hver bin for hver af klimazonerne er vist i følgende figur: Average (A) Warmer (W) Colder (C) Udetemperatur [ C] Figur 6: Fordeling af antal timer ved de forskellige udetemperaturer for de tre klimazoner Average, Warmer og Colder. Det samlede antal timer i varmesæsonen varierer for hver af de tre klimazoner, hvor Average har 4910 timer, Warmer har 3590 timer, og Colder har 6446 timer. Den klimazone, der bedst repræsenterer danske forhold, er Average svarende til udetemperaturfordelingen i Strasbourg. I følgende figur ses en sammenligning af danske temperaturforhold og temperaturerne i Strasbourg DRY Strasbourg DRY Danmark Udetemperaturer [ C] Figur 7: Standardiserede temperaturvariationer for Strasbourg og Danmark Klimazonen Average er designet med udgangspunkt i temperaturfordelingen for Strasbourg. Tidligere studier /10/ har påvist, at dette temperaturprofil stemmer fint overens med temperaturprofilet for det danske standard reference år /11/. Da den danske temperaturfordeling ligger meget op ad denne, vil Average temperaturprofilen således være repræsentativ for danske forhold. 23

24 4.2. Testtemperaturer Til beregning af SCOP skal varmepumpen testes ved en række temperatursæt, som refererer til udetemperaturerne i standarden DS/EN /1/. Udetemperaturerne er i Tabel 5 vist for Average, Warmer og Colder klimazonerne for de forskellige testpunkter (se Figur 8) Den reelle testtemperatur, hvorunder varmepumpen testes ved udetemperaturerne, kan være anderledes. For luft/luft og luft/vand varmepumperne vil testtemperaturen være lig udetemperaturen, men for en væske/vand varmepumpe vil testtemperaturen være sat til temperaturen i en jordslange (0 o C). De forskellige testpunkter for væske/vand varmepumpen vil dog fortsat referere til udetemperaturen. Det er vigtigt, at den testtemperatur, som varmepumpen testes under, kan relateres til udetemperaturen, da det er udetemperaturen, der indikerer det varmebehov, som varmepumpen skal opfylde. Punkt Average Warmer Colder -15 C* A -7 C -7 C B 2 C 2 C 2 C C 7 C 7 C 7 C D 12 C 12 C 12 C Tbivalent Temperatur, hvor varmepumpens varmeeffekt alene (uden elpatron) netop kan opfylde varmebehovet** TOL Nedre temperaturgrænse for varmepumpen*** Tabel 5: Udetemperaturer for SCOP test. * Testpunktet for -15 C skal kun udføres, hvis der beregnes SCOP for Colder klimazonen. ** Tbivalent beskrives nærmere i følgende afsnit. Producenten skal oplyse denne værdi. *** Temperature Operating Limit (TOL) beskriver den laveste temperatur, hvorved varmepumpen kan fungere. Producenten skal ligeledes oplyse denne værdi for varmepumper med luft som varmekilde. Temperaturniveauet, ved hvilket varmepumpen leverer varmen under test, kan være forskelligt. Følgende fire niveauer er mulige i henhold til standarden DS/EN 14825: Low temperature 35 C Medium temperature 45 C High temperature 55 C Very high temperature 65 C Der stilles europæiske minimumskrav ved low og high temperature niveauet, og det er ligeledes muligt at energimærke varmepumpen i henhold til disse to niveauer. 24

25 4.3. Varmeproduktionsbehov i varmesæsonen til brug for beregning af SCOP Varmebehovskurven, som definerer varmebehovet til en given temperatur og som varmepumpen skal opfylde i SCOP beregningen, defineres af design varmeeffekten for varmepumpeløsningen (Pdesignh) (inkl. El-patronen) ved design udetemperaturen (Tdesignh), som afhænger af den valgte klimazone. Design udetemperaturen for de valgte klimazoner er vist i tabellen herunder. Average Warmer Colder -10 C 2 C -22 C Tabel 6: Design udetemperaturen Tdesign h for de tre klimazoner (DS/EN 14825) Pdesignh er et udtryk for den varmeeffekt, som den samlede varmepumpeløsning skal kunne levere ved design temperaturen til dækning af rumvarmebehovet. Det vil sige, når varmepumpens termodynamiske kredsproces kører ved fuldlast med evt. backupvarme i form af f.eks. en el-patron. Design varmeeffekten (Pdesignh) ved design udetemperaturen (Tdesignh) kan af producenten deklareres frit, så længe at kravet til Tbivalent (definition herpå senere) listet i Tabel 8 overholdes. Pdesignh har indflydelse på den beregnede værdi af SCOP, idet varmebehovskurven flyttes op ved en højere Pdesignh og ned ved en lavere Pdesignh. Varmebehovet vil altså afhænge af hvor stor en samlet varmeeffekt den samlede varmepumpeinstallation har. Behovskurven er en ret linje afhængig af udetemperaturen, der går gennem det definerede design varmeeffekt Pdesignh ved design udetemperaturen og et varmebehov og dermed en varmeffekt varmepumpeløsningen skal levere på 0 kw ved en udetemperatur på 16 C. Det deklarerede Pdesignh vil blive vist på de kommende europæiske energimærker og kan derved blive et pejlemærke for forbrugeren i forhold til at vælge den rigtige størrelse varmepumpe. For luft/luft varmepumper vil SCOP endvidere også blive vist. For alle energimærkede varmepumper vil SCOP blive indirekte vist i form af den opnåede energiklasse. Producenten skal derfor forholde sig til, at Pdesignh både bruges til at beskrive varmepumpens størrelse, har indflydelse på værdien af SCOP, og at forbrugeren direkte eller indirekte kan se denne information via energimærket. Varmebehovet for de resterende udetemperaturer, og herved de resterende testpunkter, bestemmes ud fra Pdesignh ved design temperaturen. For hvert testpunkt vil varmepumpen køre i en procentvis last, der er givet ved udetemperaturen set i forhold til design temperaturen. Ved lave udetemperaturer kører varmepumpen ved højere procentvis last end ved højere udetemperaturer. Dette gøres for at simulere et fiktivt, men realistisk varmebehov, der er lineært afhængig af udetemperaturen. Den procentvise last for den givne udetemperatur afspejler et temperaturprofil for Strasbourg. Procentsatser af varmebehovet i de forskellige testpunkter set i forhold til Pdesignh ses i Tabel 7. De forskellige testpunkter er vist i Tabel 5 og svarer derfor også direkte til en normal udetemperatur variation for Danmark. 25

26 Punkt Average Warmer Colder (82 %) A 88 % 61 % B 54 % 100 % 37 % C 35 % 64 % 24 % D 15 % 29 % 11 % Tabel 7: Andel af design varmebehov (Pdesign) i de forskellige testpunkter (dvs. den procentuelle dellast), som benyttes til at bestemme effekten i de forskellige dellastpunkter for test af varmepumpen. Værdierne er afrundet. Det er vigtigt at understrege, at disse andele (dellaster) ikke beskriver dellast andelen af varmepumpens termodynamiske kredsproces under fuldlast. De beskriver i stedet en belastningsandel i forhold til Pdesignh, som angiver, hvor meget den samlede varmpumpeløsning kan levere, dvs. den termodynamiske kredsproces ved fuldlast inkl. evt. backupvarme ved designtemperaturen. Figur 8 viser en behovskurve for Average klimazone lagt ud efter en Pdesignh for de forskellige testpunkter vist i Tabel 5 og Tabel 6. I overensstemmelse med disse tabeller er udetemperaturerne og det relative varmebehov (se Tabel 7) af Pdesignh vist. Figur 8: Definition af varmebehovskurven ud fra Pdesign h som funktion af udetemperaturen for Average klimazonen. Grafen viser procentuelle dellast på y-aksen og udetemperatur på x-aksen. 26

27 For de forskelige udetemperaturer kan der endvidere udarbejdes en fuldlast kapacitetskurve for den termodynamiske kredsproces. Denne er uafhængig af behovskurven vist i Figur 8. Der, hvor den termodynamiske kredsproces fuldlast kapacitet netop svarer til varmebehovet, kaldes det bivalente punkt (Tbivalent). Ved udetemperaturer under det bivalente punkt skal varmepumpens varmeeffekt suppleres af backup varme. I SCOP beregningen medregnes dette som ren elvarme med en COP værdi på 1, uanset om varmepumpen har el-patron eller ej. For højere udetemperaturer vil varmepumpen køre i dellast. Dette afspejles i de testdata, som SCOP beregnes ud fra. I teststandarden stilles der også krav til Tbivalent. Kravene er listet i Tabel 8. Average Warmer Colder +2 C eller lavere +7 C eller lavere -7 C eller lavere Tabel 8: Krav til Tbivalent for de tre klimazoner. Driftsforholdene beskrevet ovenfor er vist i Figur 9. Figur 9: Varmebehovskurve (varmebehovsprofil) og kapacitetskurve som funktion af udetemperaturen for Average klimazone. Fuldlast og dellast. Udetemperaturen er vist på x-aksen og den procentuelle dellast i forhold til Pdesign h på y-aksen. 27

28 4.4. Beregning af SCOP I praksis testes varmepumperne efter testforholdene markeret med en rød prik i Figur 9. Varmepumperne testes uden backupvarme. At varmepumpen ved udetemperaturer under det bivalente testpunkt kører i dellast afspejles af de i testpunkterne målte værdier. Ligeledes afspejles fuldlasten i de målte værdier ved udetemperaturer over det bivalente punkt. Under testen findes en COP for hvert af de forskellige testpunkter. For temperaturer mellem de definerede testpunkter benyttes interpolerede værdier. Temperaturer ud over testpunkterne ekstrapoleres ved hjælp af de to nærmeste testpunkter. Den fundne COP værdi samt varmeffekt fordelt på den termodynamiske kredsproces og el-patronen for hver udetemperatur i klimazonen kan nu anvendes sammen med varmebehovet og timeantallet for hver udetemperatur (et såkaldt bin) (se Figur 5). Elforbruget til opfyldelse af varmebehovet ved hver udetemperatur kan nu beregnes. For udetemperaturer, hvor den termodynamiske kredsproces kører ved fullast, og der er behov for backup varme for at nå varmebehovet, lægges der et elforbrug svarende til differensen mellem den termodynamiske kredsproces fuldlast effekt og varmebehovet til elforbruget for den termodynamiske kredsproces. Dette er grundet, at backupvarmen antages at være en el-patron med en effektivitet på 100 %. Elforbruget opsummeres for alle bins (udetemperaturer) inklusiv nødvendig backup elvarme. Tilsvarende kendes den samlede producerede varme via varmebehovet sammenholdt med timeantallet. I første omgang beregnes SCOPon, som er den gennemsnitlige sæson effektivitet for varmepumpen i varmeproducerende driftstilstand (dvs. normal drift inkl. evt. el-patron) i henhold til følgende formel: SCOP on = Q varme Q el,on Qel,on er det samlede elforbrug af varmepumpen i den aktive varmeproducerende driftstilstand inklusiv eventuelt elforbrug af el-patron. For at beregne SCOP korrigeres SCOPon for elforbrug til standby og andre tilstande, hvor varmepumpen har et begrænset elforbrug, men hvor den ikke producerer varme. Disse forbrug er tillagt et fast antal timer og kan beskrives ved enten thermostat off mode, standby mode, crankcase heater mode eller off mode. For yderligere information henvises til dokumentet Beregning af SCOP for varmepumper efter DS/EN /16/ som er tilgængelig på Energistyrelsens hjemmeside. 28

29 5. Den kommende varmepumpeberegning Som belyst i afsnit 3 har visse aspekter af den eksisterende varmepumpeberegning vist sig vanskelig at anvende, f.eks. at finde den korrekte relative COP ved 50 % last. Denne værdi vil ikke længere være et input i den kommende normale varmepumpeberegning, hvor inputdata kun vil være baseret på testdata. Herved er der ikke behov for input baseret på vurderinger og input vil kun være baseret på reelle testdata Anvendelse af SCOP testdata til udarbejdelse af sammenhænge for varmepumpeydelsen Udgangspunktet for den kommende varmepumpeberegning i Be10 bliver de testdatasæt, der ligger til grund for beregningen af SCOP (for eksempel på SCOP testrapport se Bilag 1). SCOP begrebet bliver blandt andet benyttet i forbindelse med forordningen angående energimærkning (forordning nr. 811/2013 af 18. februar 2013 /12/) og forordningen angående miljøvenligt design (Ecodesign) (forordning nr. 813/2013 af 2. august 2013 /13/) for anlæg til rumopvarmning. Ifølge forordningen for krav til miljøvenligt design for anlæg til rumopvarmning skal brugsanvisninger til installatører og slutbrugere samt websteder med gratis adgang tilhørende producenterne, deres autoriserede repræsentanter og importører indeholde det fulde SCOP datasæt. Dette betyder, at data svarende til de i Bilag 1 viste data skal være tilgængelige. Figur 10 viser inputdata for en luft/vand varmepumpe (de forskellige inputs under IND- DATA og anvendelsen heraf forklares i de følgende afsnit). Inputdataene er stillet op, så de kan aflæses direkte fra en SCOP rapport, som vist i Bilag 1. Det endelige design af inputfladen kan være anderledes. INPUT ANGIV VARMEPUMPETYPE Angiv hvorledes varmeafgiversystemet er varmluftanlæg, radiatorvarme eller gulvvarme - sæt kryds Angiv varmekilden - luft, jordvarme eller andet Varmepumpetype indtastet Luft Radiatorvarme / VBV (55 C) Gulvvarme (35) x Luft Jord Andet x Luft/vand varmepumpe til gulvvarme Varmeafgiversystem: Gulvvarme Varmekilde: Luft Pdesign 9,048 VBV - Temperatur 55 Maksimal dækningsgrad (VBV) 1 Maksimal driftsandel til VBV produktion 0,5 INDDATA Temperatur Effekt (målt) COP (målt) Referencetemperatur ,26 Referencetemperatur Referencetemperatur 7 4 4,91 Referencetemperatur 12 3,8 5,5 Bivalent punkt ,26 Temperature operating limit - TOL ,6 Designtemperaturen - Tdesign ,6 Energiforbrug resterende drift-modes: Off-mode (kw) 0,005 Thermostat off (kw) 0,01 Standby (kw) 0,05 Crankcase heater (kw) 0 Figur 10: Eksempel på varmepumpe data input til Be10 beregningen. (udsnit af Excel model af kommende VP beregning i Be10) 29

30 Anvendelse i forbindelse med rumvarme I Figur 10 skal først varmepumpetypen angives. Dette gøres ved at krydse af i de rigtige felter. For at data kan anvendes i forbindelse med den kommende varmepumpeberegning baseret på SCOP, skal de være bestemt i overensstemmelse med standarden DS/EN /1/. For at en varmekilde kan behandles i den kommende beregning, skal denne altså have en temperaturprofil, der er behandlet i standarden DS/EN Dette er ikke tilfældet for alle varmekilder og varmepumpetyper. Hvis andet derfor krydses af, vil beregningen skifte til den gamle (nuværende) beregningsmetode. Andet skal også krydses af ved anvendelse af en af de i praksis sjældent anvendte varmekilder, som er behandlet i DS/EN Varmepumpen skal være testet under testkategorien variabelt fremløbstemperatur til varmeanlægget. Såfremt dette ikke er tilfældet, skal andet krydses af, og den nuværende varmepumpemodel benyttes. Såfremt SCOP data foreligger (enten variabelt eller fast fremløbstemperatur) og varmepumpen skal indtastes i den nuværende model, skal data indtastes som angivet i afsnit 6.1. For at kunne anvende SCOP testdata som input til modellen er det vigtigt, at varmepumpen er korrekt dimensioneret i henhold til Varmenormen, dvs. standarden DS 469. Dette sikrer, at varmepumpens dimensioneringsgrundlag i videst muligt omfang ligner de testforhold, der ligger til grund for SCOP testen og hermed også den måde, hvorpå den kommende varmepumpeberegning regner. Det er vigtigt, at de rigtige testdata benyttes for den givne anvendelse. Det vil sige, at hvis en varmepumpe benyttes i forbindelse med et radiatorsystem med et fremløb på 55 o C, skal testdata i designpunktet også have en fremløbstemperatur på 55 o C. Tilsvarende er gældende, hvis varmeanlægget er et gulvvarmesystem med en fremløbstemperatur på 35 o C. I dette tilfælde skal testdata med en fremløbstemperatur på 35 o C i designpunktet benyttes. Det er i den kommende beregning muligt at indtaste data for en dimensionerende fremløbstemperatur på 35, 45, 55 og 65 o C. Såfremt testdata ikke findes for den konkrete fremløbstemperatur til varmeanlægget, benyttes den eksisterende varmepumpemodel. Se nærmere i afsnit 6. Specielt for væske/luft varmepumper: Det er besluttet ikke at behandle denne type varmepumpe i den kommende beregning. Standarden DS/EN forudsætter en indblæsningstemperatur (tillufttemperatur) på 20 o C for denne type varmepumpe, altså samme temperatur som er forudsætningen i SBi anvisning 213 /2/ for varmepumper knyttet til ventilationsanlæg, såfremt anlægget betjener flere rum med samme indblæsningstemperatur. Såfremt denne type varmepumpe ønskes til opvarmning af bygningen, foreligger der altså ikke testdata, hvor indblæsningen sker ved overtemperatur med henblik på opvarmningsformål. Varmepumper, der udnytter restvarmen i afkastluft fra ventilationsanlæg: Denne type varmepumpe kan ikke behandles, da der ikke foreligger et temperatursæt relateret hertil i standarden DS/EN Figur 11 viser testdata inputtet for luft/vand varmepumpen fra Figur 10 indtastet i de forskellige testpunkter. Til de forskellige testpunkter er der relateret driftsforhold, der er 30

31 Effekt / COP Teknologisk Institut gældende for punkterne ifølge standarden DS/EN Se afsnit 4 for en uddybende forklaring herfor. Hvert testpunkt er defineret af en referencetemperatur, en dellast, en temperatur over kondensatoren (varm side), og en temperatur over fordamperen (kold side). Den reelle fordampningstemperatur og kondenseringstemperatur er ikke relevant, da varmepumpen blot justerer sig ind i forhold til de temperaturer, der omgiver varmevekslerne. Referencetemperaturen er den udetemperatur, som testpunktet refererer til. Denne udetemperatur er tidligere blot omtalt som udetemperaturen. For luft/vand varmepumper vil temperaturen over fordamperen i testpunktet og udetemperaturen (referencetemperaturen) være den samme. For væske/vand varmepumper er dette ikke tilfældet, da temperaturen over fordamperen vil være givet af en jordslangekreds (indløbstemperaturen til bygningen), hvis temperaturprofil er anderledes end udetemperaturprofilen. I forbindelse med f.eks. en væske/vand varmepumpe indtastes data dog stadig i henhold til referencetemperaturen, da beregningsmodellen indeholder de reelle testtemperaturer, som varmepumpen arbejder under, og giver disse som input til den videre beregning. Behandling af inddata for LUFT/VAND varmepumpen Test punkter nt) F Referancetemp. Ude [ C] Temp kold side [ C] ,00 Temp varm side [ C] ,3 34,0 Varmeydelse (measured) [kw] 8,0 6,0 4,0 3,8 7,00 8,00 Tilført effekt (measured) [kw] 2,45 1,50 0,81 0,69 2,69 2,45 COP (measured) 3,26 4,00 4,91 5,50 2,60 3,26 Procentvis last [%] Effekt iht. standard [kw] 7, , ,1668 1,3572 9,048 Beregnnigsteknisk effekt/ydelse [kw] 7, ,8 7 Degredation factor 0, , , , , Capacity ratio 1 0, ,7917 0, COP at partload 3,26 3,99 4,89 5,36 2,60 Som funktion af temperaturdifferensen A B C D (Tdesign) E Delta_T , Ydelse [kw] 8,0 6,0 4,0 3,8 7,0 Tilført effekt [kw] 2,5 1,5 0,8 0,7 2,7 COP 3,26 4 4,91 5,5 2,6 (Tbivale 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 Effekt COP "Effekt 12-20" "Effekt 20-28" "Effekt 28-41" 2,0 0, ,0 Temperaturdifferens "COP "COP 20-28" "COP 28-41" Figur 11: Eksempel på testdata for luft/vand varmepumpe og sammenhæng mellem temperaturdifferencen (x-aksen) og COP/effekten (y-aksen). Det ses i Figur 11, at referencetemperaturen (udetemperaturen) er lig temperaturen over fordamperen ( temp kold side ). Havde den indtastede varmepumpe været en væske/vand varmepumpe, havde den reelle temperatur, som under testen er over fordamperen ( temp kold side ), været 0 o C for samtlige testpunkter, da denne afspejler temperaturen i en kold jordslangekreds. Foruden de allerede nævnte faktorer er bl.a. COP også angivet for de forskellige punkter. De resterende oplyste data er relateret til tilpasning af testdata, der ikke stemmer overens med de i standarden DS/EN givne driftsforhold, da ikke alle varmepumper nødvendigvis rammer disse driftsforhold. Hvorfor de ikke rammer driftsforholdene kan være relateret til de tekniske løsninger, styring, systemudformning, etc. og afspejler ikke nødvendigvis om produktet er godt eller dårligt. De beregningsdata, der ikke er vigtige for forståelsen, er markeret med gråt. 31

32 Under som funktion af temperaturdifferensen i Figur 11 ses Delta_T, som angiver temperaturdifferencen mellem temperaturen over kondensatoren ( temp varm side ) og fordamperen ( temp kold side ). Grafen i Figur 3 angiver sammenhængen mellem temperaturdifferencen og henholdsvis effekten og COP. Temperaturdifferensen er vigtig. De driftsforhold, der testes under i standarden DS/EN 14825, er statiske og afspejler ikke alle de driftsforhold, som afspejles i de dynamiske beregninger i Be10. Ved test bestemmes effekten og COP i afhængighed af temperaturdifferensen, og denne effekt og COP kan da via modeller relateres til temperaturdifferenser beregnet for andre driftssituationer i Be10. Temperaturdifferensen beregnet i Be10 vil være givet af en fremløbstemperatur for et væskebaseret varmeanlæg (eller en afkastlufttemperatur for et luftbaserede varmeanlæg) set i forhold til temperaturen på den kolde side (temperatur af udeluft eller brine). Disse beregninger vil blive præsenteret nærmere i afsnit Dellaster og temperaturniveauer af den kolde og varme side for en given temperaturdifferens under test vil ikke nødvendigvis stemme helt overens med de dellaster og temperaturniveauer som en given temperaturdifferens beregnet i Be10 relaterer til. Dog, hvis varmepumpen er dimensioneret korrekt, og hvis varmepumpens anvendelsestemperatur (dimensionerende fremløbstemperatur) er lig den anvendte i testen, viser indledende beregninger, at de overordnede resultater har god overensstemmelse. I tabellen i Figur 11 ses det, at testpunkterne går til og med 100 % last. Den procentvise last indikerer den ønskede effekt set i forhold til den effekt, som varmepumpen er designet til at levere ved -10 o C (Pdesign). Ved 100 % last skal den termodynamiske kredsproces for varmepumpen køre ved fuldlast, og backupvarmen være tændt. Herved leverer det samlede varmepumpeløsning ved 100 % last. Den procentvise last ved en referencetemperatur angiver altså den leverede effekt set i forhold til den samlede effekt af varmpumpens termodynamiske kredsproces inklusiv backupvarme ved -10 o C. Varmepumpen designes normalt efter, at den termodynamiske kredsproces under fuldlast uden backupvarme opfylder varmebehovet ved en udetemperatur på -7 o C, jf. krav i DS 469 /14/, som der refereres til i Bygningsreglementet. Den udetemperatur, hvor varmepumpen kan dække varmebehovet uden el-patron, kaldes den bivalente temperatur (Tbivalent) eller referencetemperaturen. Den bivalente temperatur kan dog variere og skal ifølge teststandarden DS/EN blot være under 2 o C. Det designmæssige udgangspunkt og det bivalente punkt er illustreret i Figur 12, der viser den gennemgåede teori for SCOP (se afsnit 5). Den lilla graf i Figur 12 indikerer varmepumpens termodynamiske kredsproces, der kører ved fuldlast, og den grønne graf viser varmebehovet. Det bivalente punkt ses, hvor de to grafer krydser hinanden. Ved lavere temperaturer end det bivalente punkt suppleres der med el-patron (det rødt skraverede område), og til højre er varmepumpen i dellast (følger den grønne graf). De røde punkter indikerer de forskellige testpunkter under testen, hvor Tdesign er punktet, hvorudfra effekten af det samlede system (inkl. el-patron) bestemmes. I dette tilfælde er det bivalente punkt sammenfaldende med et af testpunkterne. 32

33 Figur 12: Illustration af sammenhængen mellem dellast og fuldlast. (Punktet Tbivalent er i dette tilfælde sammenfaldende med et testpunkt). Figuren viser procentuel dellast på y-aksen og udetemperatur og testpunkter på x-aksen. Når varmepumpen testes, sker dette altid uden backupvarmesystem. Modellens input data skal altså være uden backupvarme. De i Figur 11 listede testdata for referencetemperaturen -10 o C (Tdesign) afspejler altså varmepumpens termodynamiske kredsproces ved fuldlast uden backupvarme. Tilsvarende afspejler testresultatet for det bivalente punkt (i dette tilfælde referencetemperaturen 7 o C) ligeledes varmpumpens termodynamiske kredsproces ved fuldlast uden backupvarme. På baggrund af testdata for de to referencetemperaturer -7 o C og -10 o C er det muligt at lave et formeludtryk for effekten, som varmepumpens termodynamiske kredsproces yder ved fuldlast uden backupvarme som funktion af temperaturdifferencen mellem kondensatoren og fordamperen. Ligeledes kan der konstrueres et udtryk for COP for varmepumpens termodynamiske kredsproces ved fuldlast uden backupvarme som funktion af temperaturdifferencen mellem kondensatoren og fordamperen. Testpunkterne for referencetemperaturerne over det bivalente punkt udtrykker drift med varmepumpen i dellast. Derfor er det muligt via testdata over det bivalente punkt at skabe formeludtryk for COP som funktion af temperaturdifferencen mellem kondensatoren og fordamperen. Dette formeludtryk udtrykker altså COP for varmepumpen, når denne kører i dellast uden backupvarme. Det er ikke nødvendigt at konstruere formelsammenhænge for effekten som funktion af temperaturdifferencen, da varmepumpen er i dellast og derfor altid kan levere effekten. Der er flere testdata, hvor varmepumpen kører i dellast, når varmpumpen testes ifølge standarden DS/EN Derfor laves der 33

34 stykvise formelsammenhænge imellem de i testdataene givne temperaturdifferencer for herved mere præcist at kunne beregne COP for andre temperaturdifferencer. Hvorledes ovenstående formler bruges i Be10 beregningen og hvorledes skiftet imellem fuldlast og dellast rent regneteknisk er sat op i disse beregninger præsenteres i afsnit Anvendelse i forbindelse med varmt brugsvandsproduktion Anvendelsen af SCOP data er anderledes og noget mere simpel i dette tilfælde, da behovet for varmt brugsvand eller temperaturen af det varme brugsvand ikke ændrer sig over året. Hvorledes SCOP data benyttes til at beregne energiforbruget i forbindelse med varmeproduktion af det varme brugsvand præsenteres i afsnit Beregning af varmebehov med højere opløsning Be10 beregner i dag en nødvendig varmeproduktion fordelt på rumopvarmning og varmt brugsvand pr. måned. Denne månedlige nødvendige varmeproduktion (kwh) omregnes til et gennemsnitligt nødvendigt varmebehov (kw) pr. måned. De forskellige opvarmningsteknologier dækker dette varmebehov ud fra en prioriteringsrækkefølge af de forskellige opvarmningsteknologier. For eksempel kommer solvarme før varmepumper i denne prioriteringsrækkefølge, mens varmepumper kommer før kedler osv. Opvarmningsteknologien med den højeste prioritet dækker først varmebehovet til brugsvand og rumvarme, og såfremt denne opvarmningsteknologi ikke kan producere tilstrækkelig varme dækkes det resterende varmebehov af den næste prioriterede teknologi. Der beregnes altså et månedligt varmebehov fordelt på rumopvarmning og varmt brugsvand. Varmebalancen i Be10 beregnes et andet sted i Be10 modellen, og det er derfor ikke muligt at få en nødvendig varmeproduktion til varmepumpeberegningen med en højere opløsning end månedligt. I det følgende er det vist, hvorledes den kommende varmepumpeberegning vil blive foretaget på timebasis Rumopvarmning Som beregningen er nu, beregnes ud fra den nødvendige varmeproduktion et gennemsnitligt månedligt varmebehov i forhold til en gennemsnitlig udetemperatur for den givne måned. En varmepumpes effektivitet er stærkt afhængig af udetemperaturen, og blot dét at benytte en gennemsnitlig udetemperatur pr. måned medfører, at varmepumpens varierende effektivitet under reelle forhold ikke afspejles. Ligeledes er der et højere varmebehov, når udetemperaturerne er lave, og varmepumpens effektivitet er derfor ofte lav. Dette afspejles heller ikke i den nuværende beregning. Som indikeret i Figur 5 er det ligeledes nødvendigt at tage højde for timefordelingen i forhold til udetemperaturen for at beregne det realistiske årlige energiforbrug. For bedre at afspejle den temperaturmæssige indflydelse på effektiviteten, varmebehovet og det endelige energiforbrug til varmeproduktionen er det altså nødvendigt med en højere opløsning i beregningerne, som medtager de reelle temperaturvariationer over månederne og samtidigt relaterer et timeantal ved de forskellige udetemperaturer. 34

35 Dette er gjort ved først at finde antallet af timer ved de forskellige udetemperaturer over månederne. Udetemperaturerne er afrundet til heltal. Denne fordeling ses i Figur 13. Figur 13: Timefordeling af udetemperaturer pr. måned. Figuren viser udetemperatur [ C] på x-aksen og antal timer ved den givne temperatur på y-aksen. Disse timefordelinger vægtes efter en lineær vægtningsfaktor, som svarer til dem, der anvendes i standarden DS/EN Denne vægtningsfaktor vægter timerne ved lavere temperaturer højere end timerne ved højere temperaturer og afspejler altså, at der er et højere varmebehov i koldere perioder. Vægtningsfaktoren ses i Figur 14. Der foretages linærer vægtning, som afspejler forskelle i varmebehovet ved de forskellige udetemperaturer i referenceåret DRY /11/. Vægtningsfaktoren er 1 ved -20 C og 0 (i dette tilfælde) ved 16 C og her kaldt cut-off temperaturen. Cut-off temperaturen sættes automatisk 4 K lavere end den dimensionerende rumtemperatur, da varmesupplement fra solindfald, elektriske apparater, varmeafgivelse fra mennesker etc. supplerer de sidste 4 K i bygningen op til den ønskede rumtemperatur. Figur 14: Den benyttede lineære vægtningsfaktor i afhængighed af udetemperaturen. Figuren viser udetemperatur på x-aksen og procentvis fordelingsnøgle på y-aksen. Ved at benytte den lineære vægtningsfaktor fremkommer en vægtet timefordeling, som vist i Figur

36 Figur 15: Vægtet timeantal (y) versus udetemperaturen (x) for en given måned. Vægtningsfaktoren spænder over samtlige udetemperaturer, hvor der er et behov for varmeproduktion. Figur 15 afspejler at vægtningsfaktoren bliver 0 ( cut-off ) ved 16 o C udetemperatur, selvom den ønskede rumtemperatur er 20 o C (i dette tilfælde). Det vægtede timeantal for de forskellige måneder kan ikke relateres. Vægtningsfaktoren er en funktion af udetemperaturen og er den samme for alle månederne. Fordelingerne for måneder med lave udetemperaturer vil altså relativt set blive vægtet højere end måneder med højere udetemperaturer. Hver måned skal derfor ses isoleret. Et eksempel på forskellen mellem ikke-vægtede og vægtede timer er vist i Figur

37 Figur 16: Forskellen på ikke-vægtede og vægtede timefordeling for januar måned. Figuren viser udetemperatur på x-aksen og timefordeling på y-aksen. I Figur 16 ses det, hvordan det vægtede timeantal relativt set vægter lavere udetemperaturer højere. En fiktiv nødvendig varmeproduktion, som varmepumpen skal dække, er vist i følgende tabel: VP dækningspotentiale af netto varmebehov i MWh jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Året Opvarmning 2,30 1,94 1,66 0,89 0,06 0,00 0,00 0,00 0,05 0,60 1,37 2,07 10,94 VBV 0,24 0,22 0,24 0,23 0,24 0,23 0,24 0,24 0,23 0,24 0,23 0,24 2,82 I alt 2,54 2,16 1,90 1,12 0,30 0,23 0,24 0,24 0,28 0,84 1,60 2,30 13,76 Figur 17: Eksempel på varmepumpe dækningspotentiale af netto nødvendig varmeproduktion i Be10 (MWh). Input til varmepumpemodellen som resterer fra højere prioriterede varmekilder i Be10. Den nødvendige varmeproduktion gives i Be10 som input, efter at de højere prioriterede varmekilder (f.eks. solfangere) har leveret mest mulig varme. Den nødvendige varmeproduktion er, hvad bygningen i Be10 har behov for af opvarmning fra varmepumpen. Det er nu muligt at fordele varmeproduktionen på hver udetemperatur ved at tage ovenstående samlede varmeproduktion pr. måned og dividere med det summerede vægtede timeantal pr. måned for efterfølgende at gange med det til hver udetemperatur relaterede vægtede timeantal. Formlen ser ud som følger: Q opvarm.,temp.,md = Q opvarm.,md n vægtet,temp.,md n vægtet,md hvor n vægtet,md = 20 C T= n vægtet,temp.,md 37

38 Hvor - n vægtet,temp.,md er det vægtede antal timer for en given udetemperatur for en given måned [h] - n vægtet,md er det samlede vægtede antal timer for en måned [h] - Q opvarm.,md er den samlede nødvendige varmeproduktion for den givne måned [kwh] - Q opvarm.,temp.,md er varmeproduktionen for en given udetemperatur for en given måned [kwh] Når den nødvendige varmeproduktion fordeles via den vægtede timefordeling, ser den månedlige varmeproduktion ud, som vist i Figur 18. Figur 18: Eksempel på varmeproduktion fordelt pr. udetemperatur fordelt ud over månederne. Figuren viser udetemperaturen [ C] på x-aksen og varmeproduktion [kwh] på y- aksen. Den vægtede timefordeling gør varmeproduktionen ved lavere udetemperaturer højere, men månedens samlede varmeproduktion forbliver det samme. Dette vil sige: 20 C Q opvarm.,md = Q opvarm.,temp.,md T= Figur 18: Eksempel på varmeproduktion fordelt pr. udetemperatur fordelt ud over månederne. Figuren viser udetemperaturen [ C] på x-aksen og varmeproduktion [kwh] på y- aksen. Den viste fordeling af varmeproduktion over månederne kan nu sammenlignes på tværs af de forskellige måneder. Det ses, at varmeproduktionen for de koldere måneder er større end varmeproduktionen i de varmere måneder. Endvidere ses det, at fordelingen af varmeproduktionen over månederne er vægtet mod de koldere temperaturer, da der er behov for mere varme i disse dele af månederne. 38

39 Da en lineær variation af behovet for varmeproduktion i afhængighed af udetemperaturen er benyttet, kommer varmebehovet for de forskellige måneder til at se ud, som vist i Figur 19. Figur 19: Varmebehovet pr. udetemperatur pr. måned. Figuren viser udetemperaturen [ C] på x-aksen og varmebehov [kw] på y-aksen. Såfremt den lineære vægtningsfaktor ikke var benyttet, ville varmebehovet ikke ændres som funktion af udetemperaturen. Det samme varmebehov ville altså være gældende uafhængigt af udetemperaturen. Varmt brugsvand I Be10 forudsættes at der ikke er nogen forskel på forbruget af varmt brugsvand ved de forskellige udetemperaturer, og derfor fordeles varmebehovet til opvarmning af varmt brugsvand blot jævnt ud over de enkelte bins (dvs. ud på antallet af timer ved de forskellige udetemperaturer). Dette er vist i Figur 20. Figur 20: Effektbehov for opvarmning af det varme brugsvand i de enkelte måneder (ligger oven i hinanden). Udetemperaturen [ C] er vist på X-aksen og effektbehov [kw] på y-aksen. Varmtvandsproduktionen [kwh] vil altså fordeles over året, som vist i Figur

40 5.3. Beregning af energiforbrug Med den højere opløsning af varmebehovet fordelt i henhold til udetemperaturen, er det nu muligt at foretage en mere præcis beregning af varmepumpens energiforbrug, hvor varmepumpens varierende effektivitet og mulig afgivet varmeeffekt i højere grad kommer til udtryk Rumvarme Fremløbstemperatur og temperaturdifferens relateret til udetemperaturen Be10 er et dynamisk program, hvor fremløbstemperaturen i varmeanlægget (vandbårent) bestemmes ud fra både ønsket rumtemperatur, dimensionerende varmetab og mulig fremløbstemperatur i det givne varmeanlæg. Derfor bestemmes den ønskede fremløbstemperatur i varmeanlægget i to trin. Først beregnes det, hvor stor en andel det reelle varmebehov udgør af det dimensionerende varmebehov. Dette gøres ved at sammenligne den aktuelle udetemperatur med den dimensionerende udetemperatur (ofte - 12 o C), ved hvilken den dimensionerende fremløbstemperatur til varmeanlægget er bestemt. Efterfølgende kan den resulterende fremløbstemperatur i varmeanlægget beregnes via udetemperaturen, den dimensionerende fremløbstemperatur i varmeanlægget (ved -12 o C) og andelen, som det reelle varmebehov udgør af det dimensionerende varmebehov. Når fremløbstemperaturen kendes, kan den resulterende temperaturdifferens, som f.eks. en luft/vand varmepumpe vil have mellem fordamper (udetemperatur) og kondensator (fremløbstemperaturen i varmeanlægget), beregnes. For en væske/vand varmepumpe vil temperaturdifferensen være mellem temperaturen af brinen i en jordslangekreds og fremløbstemperaturen i varmeanlægget. Temperaturen i jordslangekredsen refereres da til en udetemperatur. Der vil i beregningerne ikke blive kaldt på varme, når udetemperaturen når cut-off temperaturen, da varmebehovet her er sat til at være nul. Fremløbstemperaturen sættes til sin maksimale temperatur, når udetemperaturen når ned til -12 o C, da et varmeanlæg dimensioneres efter at kunne levere hele varmebehovet ned til denne temperatur. Fremløbstemperaturen holdes da efterfølgende konstant, men temperaturdifferensen stiger stadig grundet faldende udetemperatur. I Figur 21 ses fremløbstemperaturen til varmeanlægget (vandbårent) og temperaturdifferensen som funktion af udetemperaturen. Figur 21 afspejler altså forholdene for en luft/vand varmepumpeløsning. Temperaturdifferensens forløb vil for en væske/vand varmepumpe være anderledes, idet variationen i brinetemperaturen er mindre. 40

41 Figur 21: Fremløbstemperatur (blå kurve) og temperaturdifferens (rød kurve, y-aksen) som funktion af udetemperaturen for en luft/vand varmepumpe (x-aksen). Beregning af energiforbruget i fuldlast og dellast Når temperaturdifferensen kendes som funktion af udetemperaturen, kan tre vigtige faktorer nu sammenholdes: - Den nødvendige varmeproduktion og det resulterende varmebehov som funktion af udetemperaturen - Effekten og COP for varmepumpen som funktion af udetemperaturen for fuldlast - COP for varmepumpen som funktion af udetemperaturen for dellast Sammenhængene for fuldlast og dellast i relation til udetemperaturen findes ud fra teorien præsenteret i afsnit 5.1 og kan sammenholdes med den i dette afsnit viste sammenhæng imellem temperaturdifferencen og udetemperaturen. Det er altså nu muligt via SCOP inddata at beregne henholdsvis effekt og COP for fuldlast og COP for dellast samt at relatere dette til den varierende drift for varmepumpen grundet udetemperatur-variationen over månederne. I de følgende figurer vil tendenser blive vist som funktion af udetemperaturen for et typisk varmepumpesystem. Dette er valgt for at kunne relatere tendenserne til udetemperaturen direkte. Som nævnt ovenfor bliver temperaturdifferensen dog beregnet for hver udetemperatur og er et vigtigt input til beregningerne. Ved at sammenholde den mulige effekt, som den termodynamiske kredsproces kan levere under fuldlast ved en given udetemperatur, med varmebehovet (se afsnit 5.2.1) ved samme udetemperatur, er det muligt at beregne, hvornår varmepumpedriften skal suppleres med backupvarme (el-patron antaget som backupvarme), og hvornår denne skal gå i dellast. Dette gøres ved at undersøge, ved hvilken udetemperatur effekten af den termodynamiske kredsproces under fuldlast er lig varmebehovet. Dette er vist i Figur

42 Figur 22: Fuldlast og dellast for januar måned for en typisk luft/vand varmepumpe. Udetemperaturen [ C] er vist på x-aksen og effekt [kw] på y-aksen. Beregningen undersøger, ved hvilken udetemperatur fuldlast drift med den termodynamiske kredsproces uden supplerende opvarmning kan dække varmebehovet. For lavere udetemperaturer suppleres den termodynamiske kredsproces under fuldlast med backupvarme og for højere temperaturer går varmepumpen i dellast. Når varmepumpen er i dellast kan varmepumpen opfylde hele varmebehovet. Varmepumpens energiforbrug beregnes da direkte ud fra den nødvendige varmeproduktion, vist i Figur 18, ganget med COP i dellast for den givne udetemperatur. Denne COP findes via den tidligere gennemgåede funktion for COP i dellast som funktion af udetemperaturen (afsnit 5.1). Når varmepumpens termodynamiske kredsproces kører ved fuldlast, leverer denne blot én del af den nødvendige varmeproduktion. Hvor meget varme, som varmepumpens termodynamiske kredsproces kan levere, beregnes via den tidligere gennemgåede funktion for fuldlasteffekt for den termodynamiske kredsproces som funktion af udetemperaturen fundet i afsnit 5.1. Energiforbruget af den termodynamiske kredsproces beregnes da ud fra COP fundet via den i afsnit 5.1 gennemgåede funktion for COP som funktion af udetemperaturen, når den termodynamiske kredsproces kører ved fuldlast. Den resterende del af den nødvendige varmeproduktion leveres da af backupvarme med en antaget 100 % effektivitet. COP for den termodynamiske kredsproces kan ved meget lave temperaturer blive under 1. Når COP kommer under 1, er det mere økonomisk fordelagtigt at producere varmen via backupvarme, såfremt denne er en el-patron (COP 1). Backupvarmen vil derfor udelukkende levere varmen ved udetemperaturer, hvor COP bliver under 1. Dette ses i Figur 23, der viser varmebehovet og hvad der leverer varmeeffekten for januar måned. Figur 23 kan sammenholdes direkte med Figur 22. Det ses i Figur 23, at behovet for opvarmning i januar starter omkring 11 o C og fortsætter ned til omkring -21 o C. Ved udetemperaturer over -7 o C kører varmepumpens termodynamiske kredsproces i dellast, og under -7 o C kører den i fuldlast. COP daler for udetemperaturer under -20 o C til under 1, 42

43 og da der fortsat er et varmebehov, leveres varmeeffekten ved lavere udetemperaturer blot via backupvarmen (i dette tilfælde blot en el-patron). Figur 23: Varmebehov og dækning af varmebehov med den termodynamiske kredsproces og backupvarme hver for sig eller samlet for januar måned. Udetemperaturen [ C] er vist på x-aksen og effekt [kw] på y-aksen. Den nødvendige varmeproduktion for de enkelte måneder fordelt pr. udetemperatur er vist i Figur 18. I Figur 24 er den nødvendige varmeproduktion for januar måned fordelt pr. udetemperatur vist sammen med en indikation af, hvordan varmen produceres via den termodynamiske kredsproces, backupvarme eller en kombination heraf. Den nødvendige varmeproduktion vist i Figur 24 findes ved at sammenholde varmebehovet i Figur 23 med timefordelingen vist i Figur 13. Figur 24: Nødvendig varmeproduktion og dækning af varmeproduktionen med den termodynamiske kredsproces og backupvarme hver for sig eller samlet for januar måned fordelt pr. udetemperatur. Udetemperaturen [ C] er vist på x-aksen og varmeprodutkion [kwh] på y-aksen. I Figur 25 ses den nødvendige varmeproduktion for januar måned samtidigt med energiforbruget for varmepumpens termodynamiske kredsproces og el-patron. 43

44 Figur 25: Den nødvendige varmeproduktion og energiforbrug til den termodynamiske kredsproces og el-patron for januar måned fordelt pr. udetemperatur. Udetemperaturen [ C] er vist på x-aksen og varmeproduktion [kwh] på y-aksen. I figuren er energiforbruget til den termodynamiske kredsproces og el-patronen separeret. En stor del af den termodynamiske kredsproces energiforbrug ligger ved de lavere udetemperaturer, selvom størstedelen af varmebehovet ligger lige over 0 o C. Dette er grundet den lave COP for varmepumpen ved lave udetemperaturer. Det stigende varmebehov, som den termodynamiske kredsproces ikke fuldt ud kan levere ved lavere udetemperaturer, nødvendiggør drift med backupvarmen. Det ses, at energiforbruget til backupvarmen udgør et forholdsmæssigt stort energiforbrug set i forhold til varmeproduktionen herfra, hvis der sammenlignes med den termodynamiske kredsproces energiforbrug og dennes varmeproduktion. Når el-patronen ikke er i drift, kører varmepumpens termodynamiske kredsproces i dellast. I denne region er COP højere, og det forholdsmæssige energiforbrug til varmeproduktionen er mindre. Det samlede elforbrug for at producere den årlige nødvendige varme findes nu ved at ligge elforbruget (både til varmepumpen og el-patronen) sammen for hver måned Varmt brugsvand Produktion af varmt brugsvand har i beregningen første prioritet. Dette betyder, at beregningen først undersøger, hvor stor en andel af tiden varmepumpen skal køre for at producere den ønskede mængde varmt brugsvand. Den mulige dækning af rumvarmebehovet nedjusteres da i henhold til den allokerede tid til varmt brugsvandsproduktion. Dette kan i visse tilfælde betyde, at el-patrondriften til produktion af rumvarme bliver større. En fordeling af varmt brugsvandsbehovet (VBV) er vist i Figur 17. Som nævnt i afsnit fordeles varmebehovet til produktion af det varme brugsvand jævnt ud over månederne, da der ikke er større forskel på varmtvandsforbruget set i forhold til udetemperaturen. Det varme brugsvand produceres ved fuldlast, da en varmt brugsvandstank oplades, når en mængde varmt brugsvand er blevet tappet fra denne. SCOP indeholder information, der fortæller om effektiviteten og den mulige varmeeffekt under fuldlast som funktion af udetemperaturen og hermed også temperaturdifferensen. Som nævnt i afsnit 5.1 testes 44

45 varmepumpen uden backupvarme (oftest el-patron), hvilket betyder, at SCOP testdata inputtet til varmepumpeberegningen indeholder fuldlast data. Ved det bivalente punkt og ved designpunktet er det fuldlastdata for effekt og COP som benyttes. Temperaturen af det varme brugsvand gives som input til modellen (Figur 10). Denne temperatur holdes fast hen over året, og variationen i temperaturdifferensen vil derfor blot være grundet variationen i udetemperaturen. Som nævnt i afsnit 5.1 er det vigtigt, at temperaturen for de anvendte testdata i designpunktet stemmer overens med den til Be10 indtastede fremløbstemperatur til varmeanlægget. Tilsvarende er tilfældet for beregningen for det varme brugsvand. Her skal de anvendte data have samme designtemperatur som den fastsatte temperatur for det varme brugsvand. Såfremt testdata ikke foreligger for den korrekte varmt brugsvandstemperatur, benyttes den nuværende varmepumpemodel (se afsnit 6). COP for hver temperaturdifferens findes på baggrund af en exergi-virkningsgrad I den nuværende Be10 varmepumpeberegning benyttes en exergivirkningsgrad til at omregne input testdata til andre driftsforhold. I den nuværende Be10 beregning benyttes testdata for ét punkt til at lave denne beregning. Beregningen sker som i følgende simplificerede eksempel (luft/vand varmepumpe): Step 1. COP ønskes bestemt ved udetemperaturen Tude = -0,5 o C: Under testen er benyttet: udetemperaturen (Tude)) Tkold = -17 C (inkl. T = -10 K for fordampningstemperaturen i forhold til Tvarm = 37 C (inkl. T = 2 K for kondenseringstemperaturen i forhold til temperaturen over kondensatoren (fremløbstemperatur til centralvarmesystem)) Med følgende resultater: Step 2. COPtest = 4,0 PVP,nom,test = 5,9 kw Ud fra testdata beregnes Carnot COP og exergivirkningsgraden COP Carnot = T varm + 273,15 T varm T kold η ex = = ,15 37 ( 17) = 5,74 COP test COP Carnot 45

46 Data ved udetemperatur på Tude = -0,5 o C: Qvarme = kwh = 4,0 5,74 = 0,7 Tkold,ude = -10,5 C (inkl. T = -10 K for fordampningstemperaturen i forhold til temperaturen over fordamperen (Tude)) Tfremløb = 37 C (inkl. T = 2 K for kondenseringstemperaturen i forhold til temperaturen over kondensatoren (fremløbstemperatur til centralvarmesystem)) COP for Tude = -0,5 o C kan nu beregnes og benyttes i beregningen i Be10: COP Carnot,Tude = T fremløb + 273,15 T fremløb T kold,ude = ,15 37 ( 10,5) = 6,53 COP Tude = η ex COP Carnot,Tude = 0,7 6,53 = 4,57 Da der via SCOP data ligger fuldlastdata for både Tdesign og Tbivalent, kan der for hver disse to testdata sæt regnes en exergivirkningsgrad. På baggrund af disse to exergivirkningsgrader kan der findes en lineær sammenhæng som funktion af udetemperaturen og hermed også temperaturdifferensen mellem fordampningstemperaturen (Tkold) og kondenseringstemperaturen (Tvarm). Som i ovenstående eksempel for Tude= -0,5 o C kan en COP beregnes for alle udetemperaturer via exergivirkningsgraden og en Carnot COP for samtlige udetemperaturer over månederne. Den lineære sammenhæng for exergivirkningsgraden som funktion af temperaturdifferensen benyttes dog i stedet for en fast exergivirkningsgrad som i ovenstående eksempel. Varmeeffekt af varmepumpen for hver temperaturdifferens findes via SCOP fuldlastdata effektinputtet Varmeeffekten, som er tilgængelig fra varmepumpen ved en given temperaturdifferens, findes ved at beregne, hvad effektinputtet til varmepumpen under SCOP-testens fuldlastpunkter ville kunne generere af varmeeffekt ved den beregnede COP for den aktuelle temperaturdifferens. Denne beregningsmetode benyttes også i den eksisterende Be10 varmepumpeberegning (dog kun på baggrund af ét fuldlaststestsæt). Et eksempel herfor er vist nedenfor: 46

47 Step 1 og 2. Input data: COPtest = 4,0 PVP,nom,test = 5,9 kw Tude= -0,5 o C COP Tude = 4,57 Beregning af maksimal tilført varmeffekt for januar måned: P el,test = P VP,nom,test = 5,9 = 1,5 kw COP test 4 P h,tude = P el,test COP Tude = 1,5 kw 4,57 = 6,74 kw Altså beregnes den maksimalt mulige varmeeffekt for en udetemperatur på -0,5 o C til 6,74 kw. Der findes to fuldlastpunkter i SCOP testdata, som denne beregning kan foretages på baggrund af. Elinputtet varierer en smule under SCOP testen for de to fuldlastpunkter. Der kan altså findes to varmeeffekter på baggrund af de to fuldlastpunkter og den via temperaturdifferensen beregnede COP ovenfor. En resulterende varmeeffekt findes for den aktuelle temperaturdifferens som et gennemsnit af de to. Beregning af det samlede elforbrug Fordelingen af varmebehovet for opvarmning af varmt brugsvand over året kendes, og herved kendes også, ved hvilken temperaturdifferens varmen skal leveres. Den fra varmepumpen tilgængelige varmeeffekt og COP kendes ligeledes for hver temperaturdifferens. Det er herved muligt at beregne, hvornår varmepumpen evt. skal suppleres med backupvarme og efterfølgende finde det samlede elforbrug til produktion af det varme brugsvand Det endelige beregnede energiforbrug Der er foretaget kontrolberegninger, der viser god overensstemmelse imellem den nuværende og den kommende beregning. I beregningen af SCOP medtages også andre driftssituationer end direkte varmeproduktion. Der er her tale om: Thermostat off mode tidspunkter, hvor der ikke er varmebehov, men hvor varmepumpen er tændt Crankcase heater mode tidspunkter, hvor krumtaphuset holdes varmt 47

48 Standby mode tidspunkter, hvor varmepumpeløsningen er delvist slukket og kan reaktiveres med en fjernbetjening eller lignende Off mode tidspunkter, hvor varmepumpeløsningen er slukket og ikke kan tændes via fjernbetjening eller en timer Disse forskellige driftsmodes måles under test i henhold til standarden DS/EN 14825, der ligger til grund for beregningen af SCOP. Via testen er der altså værdifuld information omkring varmepumpens energiforbrug, som ikke er direkte relateret til varmeproduktion. Varmepumpens styring, on/off eller inverter styring, vil ikke være afgørende for, hvor lang tid varmepumpen vil være i ovenstående driftsmodes. Det er ikke muligt at beregne antallet af timer i de enkelte resterende driftsmodes, da disse vil være produktspecifikke og afhænge af, hvorledes produkterne benyttes. Derfor vil de resterende driftsmodes blive behandlet ud fra en vurdering af, hvor lang tid varmepumpen årligt vil være i de enkelte modes. Inspiration er hentet fra standarden DS/EN 14825, der angiver standardiserede timeantal for de resterende modes. Tidsangivelsen for de forskellige modes vil altså være fast i beregningen og ændres ikke med inputtet. Det endelige energiforbrug Det endelige energiforbrug kan nu beregnes ved at addere elforbruget til produktion af det varme brugsvand (afsnit 5.3.2) med elforbruget til produktion af den nødvendige rumvarme (afsnit 5.3.1) og det resterende elforbrug (afsnit 5.4). Et totalt elforbrug er nu fundet via en beregning, der i højere grad tager højde for varierende udetemperaturer og varmepumpens dynamik. Inputtet har været testdata, der ligger til grund for den europæiske energimærkning, og til hvilken der stilles krav i henhold til Ecodesign direktiverne. Testdata for de enkelte varmepumpemodeller vil være frit tilgængelige i forbindelse med opfyldelse af ecodesignkravene og vil derfor også være frit tilgængelige for brugere af Be10. Input til Be10 vil for varmepumper være bestemt med stor troværdighed. 48

49 6. Den eksisterende beregningsmetode sideløbende med den kommende beregning. Den eksisterende og den kommende varmepumpemodel vil (formentlig) begge kunne benyttes i Be10. Forløbet af en implementering er i skrivende stund uafklaret. Der vil være visse varmepumpetyper og varmekilder, som ikke er integreret i den nye varmepumpemodel, og den nye varmepumpemodel stiller også visse krav til de SCOP inddata, der benyttes. Disse krav er bl.a. at anvendelsestemperaturen i SCOP testen skal være lig den i Be10 anvendte fremløbstemperatur til varmeanlægget, og at testen skal være foretaget for Average klimazone. Tilsvarende stilles der også krav til anvendelsestemperaturen af de data, der benyttes til varmt brugsvandsberegningen. Såfremt at SCOP testdata er fundet på baggrund af andre forhold end de til modellen nødvendige, benyttes i stedet den nuværende varmepumpeberegning. Tilsvarende kan der for en varmepumpe foreligge andre data end SCOP testdata. I dette tilfælde benyttes også den nuværende varmepumpeberegning SCOP som input til den eksisterende varmepumpemodel Pr. 1. januar 2013 blev værdisætningen af luft/luft varmpumpers effektivitet ændret fra COP til SCOP. Det er også på grundlag af denne faktor, at effektivitetskravet i Bygningsreglementet for luft/luft varmepumper er reguleret. Først pr. 26. september 2015 vil der blive indført ecodesign krav til luft/vand og væske/vand varmepumper i henhold til værdisætningen SCOP, men allerede nu kan den nuværende regulerende værdisætning, normeffektfaktoren (NEF), omregnes til SCOP (se Bygningsreglementet), som også er optagelseskravet på Energistyrelsens varmepumpeliste /15/ er en akkrediteret SCOP test. Derfor kan der opstå situationer, hvor det er nødvendigt at indtaste en varmepumpe i den nuværende varmepumpemodel, hvor de tilgængelige data er en SCOP testrapport. Den nuværende varmepumpemodel benytter testdata, som er testet under fuldlast. Fuldlast data kan også findes i en SCOP rapport for det bivalente punkt (se Bilag 1). Derfor benyttes blot de i Figur 26 markerede data som input (se rød markering). 49

50 Figur 26: Eksempel på SCOP inddata benyttet til den eksisterende varmepumpeberegning i Be10. Specielt for varmepumper, der ikke varmeveksler med udeluften (f.eks. væske/vand varmepumper): Temperaturen, der skal indtastes for det bivalente punkt (fordampertemperaturen) i varmepumpemodellen, er da temperaturen for brinen. Dette skyldes, at temperaturen af brinen er den reelle indløbstemperatur til fordamperen. Temperature application (anvendelsestemperaturen) er stadig den ønskede udløbstemperatur fra kondensatoren. I det konkrete tilfælde er testtemperaturen -7/35 C, effekten er 7,15 kw og COP er 3,40. Den relative COP ved 50 % last er desværre ikke bestemt ved SCOP testen. Derfor må standardværdien 0,8 benyttes, såfremt anden information, der giver denne værdi, ikke foreligger. 50