RAPPORT. Gas og vedvarende energi. Solvarme, gaskedel og stor akkumuleringstank. Projektrapport Juni 2013

Transkript

1 Gas og vedvarende energi Solvarme, gaskedel og stor akkumuleringstank Projektrapport Juni 2013 RAPPORT Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf Fax

2 Gas og vedvarende energi Solvarme, gaskedel og stor akkumuleringstank Karsten V. Frederiksen Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2013

3 Titel : Gas og vedvarende energi Solvarme, gaskedel og stor akkumuleringstank Rapportkategori : Projektrapport Forfatter : Karsten V. Frederiksen Dato : Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Filnummer : h:\735\31 gasinst med sol_nygas\31 rapportering\ve_solvarme_gaskedel_storakku_final.docx Projektnavn : Gasinstallation med solfanger (Nygas) ISBN : Emneord : Energieffektivitet, installation, kedler (iht. DGC s liste)

4 DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Forord Introduktion Anlægsbeskrivelse Måleudstyr og målinger Resultat og analyse Måledata Energistrømmene Solvarmeproduktion og udnyttelse Økonomi Konklusion Referencer Bilag Bilag 1: Forventet anlægspris iflg. Nygas.

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. På denne baggrund, og fordi gassen kan bygge bro til fremtiden med mere vedvarende energi, ønsker gasselskaberne at demonstrere nye anlægsløsninger. 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 traditionel villainstallation (gaskedel og varmtvandsbeholder) kombineret et forholdsvist stort solfangeranlæg, der gerne skulle bidrage med så stor en andel af varme- og varmtvandsbehovet som muligt. Det vil sige, at der til installationen er tilføjet en nyudviklet liter akkumuleringstank, der forsynes med varme fra en solvarmekreds med 25 m 2 solfanger. Arbejdet er gennemført således, at produktudvikler, anlægsvært og installatør Søren Heiberg fra Nygas (Kjellerup Jylland) har projekteret, opført og idriftsat anlægget. DGC v/jørgen T. Jepsen og Karsten V. Frederiksen (projektleder) har gennemført målingerne og dokumentation af driften, mens Mikael Näslund, DGC, har kvalitetssikret rapporten.

6 DGC-rapport 3 2 Introduktion Nygas ApS v/søren Heiberg fra Sjørslev (Enggårdsvej 5, 8620 Kjellerup) har besluttet at lave et større solvarmeanlæg (25 m 2 ), som skal kombineres med et naturgasanlæg. Tanken er, at solvarmen oplagres i en stor akkumuleringstank. Det akkumulerede varme vand shuntes ned til gulvvarmetemperatur og ledes gennem Løgstørrør til opvarmning af boligen. Forventningen er en besparelse på 50 % af varmeforbruget, og anlægget vil komme til at koste omkring kr færdigt til forbrugeren. Se Bilag 1. Nytænkningen i anlægget er et nyt, enkelt lagdelingsprincip i akkumuleringstanken, og det at solvarmen både skal bruges til rumopvarmning og varmt brugsvand. Desuden minimeres transmissionstabet, ved at shunte det akkumulerede varme vand ned til lavtemperatur, da det ikke skal bruges til varmt brugsvand. Anlægget er primært beregnet til boliger med gulvvarme. Målet for samarbejdet er, at Nygas projekterer, udfører og idriftsætter anlægget, mens DGC måler og dokumenterer driften over 12 måneder. 2.1 Anlægsbeskrivelse Som det fremgår af Googles satellitbillede fra Nygas (se Figur 1) er solfangeren placeret med orientering mod syd. Det ses, at der er træer både øst og vest for gården. Det kan muligvis betyde noget for indstråling først og sidst på dagen. Solfanger, varmeakkumuleringstank og opvarmningssystem er opbygget og koblet sammen som vist på Figur 2-6. Den 25 m 2 store solfangerkreds er koblet til akkumuleringstanken via en pladevarmeveksler. Tanken har et volumen på liter. Fra tankens top går en forsyningsledning med varmt vand til returen på husets traditionelt opbyggede villagaskedelinstallation. Tilsvarende er returledningen fra varmeanlægget koblet til bunden af akkumuleringstanken. Vandmængden fra akkumuleringstanken styres ved hjælp af en trevejsventil. Imellem solfanger og akkumuleringstank er der ca. 20 meter rørledning og tilsvarende mellem tank og husinstallation.

7 DGC-rapport 4 Følgende specifikationer gælder for anlægget /1/: Anlægsvært: Søren Heiberg, Enggårdsvej 5, Sjørslev 8620 Kjellerup Solfangerfabrikat: Sonnenkraft Solfangerareal: 25 m 2 Kedelfabrikat: Weishaupt WTC 15 Kedeleffekt: 15 kw Opvarmet areal: 250 m 2 Akkumuleringstank liter Etableringsstatus: Besluttet ved opstart af projektet Andre bemærkninger Iflg. Nygas forventes en anlægspris = kr. Se Bilag 1 og /2/. Figur 1 Bygningen med to solfangere orienteret mod syd Figur 2 Stuehuset, der forsynes med solenergi

8 DGC-rapport 5 Figur 3 25 m 2 solfanger på laden Figur liter akkumuleringstank (buffer) i laden

9 DGC-rapport 6 Figur 5 Placering af solfanger, akkumuleringstank (buffer), gaskedel og varmtvandsbeholder Varmtvands beholder Gaskedel Solvarmebuffer Radiator / gulvvarme 2 1 Programforløb: Når solfangere bliver 5 grader varmere end bunden af solvarmebufferen starter pumperne (1) og (2). Når toppen af solvarmebufferen bliver 10 grader varmere end retur fra centralvarmeanlæg skifter trevejsventil om og leder returvand gennem solvarmebuffer. Figur 6 Systemopbygning

10 DGC-rapport 7 Cirkulationspumpen i solfangerkredsen og til akkumuleringstank startes, når temperaturen i solfangerkredsen er 5 C højere end i bunden af tanken. Når temperaturen i toppen af tanken er 10 C højere end returtemperaturen fra varmesystemet, ledes returvandet igennem tanken. 2.2 Måleudstyr og målinger Der er gennemført måling af gasforbrug samt energistrømmene (flow og temperatur) fra solfanger til akkumuleringstank og fra akkumuleringstank til varme- og varmtvandssystem. Data logges hvert minut. På solkredsen er der monteret Brunata HGQ energimåler. Energidata opsamles (dog ikke data for temperatur og flow). På henholdsvis anlægskredsen i stuehuset og buffertankkredsen fra akkumuleringstanken til huset og kredsen mellem tank og veksler er der monteret Kamstrup energimåler (Multical 601). Her opsamles energi, flow, fremløbsog returtemperatur. Endvidere måles gasforbruget med en gasmåler fra Elster BK-G4T 0,04-4 m 3 /h (1 puls pr. 0,01 m 3 gas). Der er gennemført automatisk logning af forbrug fra de enkelte energimålere. Rå data er gemt på pc, og disse data er efterfølgende sendt til DGC og analyseret.

11 DGC-rapport 8 3 Resultat og analyse I det følgende dokumenteres måleresultaterne og analyserne af disse. 3.1 Måledata For perioden 1. maj 2011 til 25. maj 2012 er følgende data registreret: Solenergi (kwh) kwh Solfanger Til akk.- Fra akk.- Gas tank tank Figur 7 Måledata Tabellen i Figur 7 viser totalværdierne for de forskellige energistrømme under demonstrationstiden. I /3/ findes alle måledataene. Der er også indhentet måledata om solskinstimer fra DMI /4/ som hjælp til at analysere resultaterne. 3.2 Energistrømmene I Figur 8 er energistrømmen vist som gennemsnit målt i [kwh/dag] for hver af de 12 måneder.

12 DGC-rapport 9 Figur 8 Energimængder [kwh/dag] vist på månedsbasis. Tabellen i Figur 7 viser et stort energitab i akkumuleringstanken. Blot 31 % (2.952/9.541) af den producerede solenergi kommer frem til installationen fra tanken. Der findes flere forklaringer på dette, hvilket fremgår af næste afsnit. Omregnes solenergien i Figur 7-tabellen til årsbasis (12 måneder), fås tabellen i Figur 9. I tabellen er solenergien omregnet til solbidrag pr. m 2 solfangerareal, men er også angivet med et antaget varmetab fra solfanger til veksler før akkumuleringstanken. Ledningslængden er sat til 20 meter med et tab på 5 eller 10 W/m over hele året (8.760 timer). Med disse estimerede ledningstab fås en samlet direkte produktion på 400 kwh/m 2, hvilket indikerer en god funktion af solfangerne. Solenergi (kwh) Solfanger Til akk.tank Fra akk.tank Totalt Solenergi/m Solenergi/m 2 (5 W/m) Solenergi/m 2 (10 W/m) Figur 9 Solbidrag omregnet til årsbasis, 12 måneder

13 DGC-rapport Solvarmeproduktion og udnyttelse Tabellen i Figur 9 viser, at store dele af solenergien fra solfangeren aldrig udnyttes i huset. I dette afsnit afdækkes mulige forklaringer på dette. Den udviklede akkumuleringstank (prototypen) er stort set uisoleret, og det medfører umiddelbart et stort varmetab. Hvis det antages, at overfladearealet er 8 m 2, varmeoverføringskoefficienten er 10 W/m 2 C, og akkumuleringstankens middeltemperatur er 20 C over opstillingsrummets temperatur, fås et varmetab på W. Her findes et stort potentiale for bedre udnyttelse af solenergien, idet isolering bidrager til at fastholde en tilstrækkeligt høj temperatur og dermed sikrer et bidrag af solvarme til varme- og varmtvandsinstallationen. Se nedenfor. Vi har kun data for energi fra solfangeren og ingen data om flow og temperaturer i solfangerkredsen. Vi kan derfor ikke bestemme temperaturforskellen mellem solfangerkreds og kredsløbet fra varmeveksleren til akkumuleringstank. I det følgende forklares den dårlige udnyttelse af den producerede solenergi ved at se på driftssituationen for udvalgte dage. Det første eksempel er fra 3. april 2012, hvor der samtidig var et opvarmningsbehov og solvarmeproduktion. I Figur 10 ses fremløbstemperaturen til akkumuleringstanken, fremløbetemperaturen fra tanken og returtemperaturen fra varmesystemet. Endvidere ses flow i ledningen fra tanken til varmesystemet. Dette flow er 0 over hele døgnet og betyder, at ingen solenergi udnyttes til varmt vand eller opvarmning. Det vides, at der leveres 28 kwh solenergi til akkumuleringstanken. Kriteriet for, at solenergien føres videre fra tanken, er, at temperaturen i toppen af tanken er mindst 10 C over returtemperaturen fra varmesystemet. Temperaturen i toppen af tanken kan ikke blive højere end temperaturen i ledningen til tanken, og grafen viser, at denne temperatur aldrig bliver mere end 10 C højere end returen fra varmeanlægget. Hvis det skulle opnås, skal temperaturen frem til tanken mindst være på C.

14 DGC-rapport 11 Figur 10 Temperaturforløb og flow for den 3. april 2012 Det andet eksempel omhandler en periode med kraftig solindstråling for at give et billede af, hvilke temperaturniveauer der med nuværende opbygning kan opnås, og hvad det betyder for udnyttelsen på installationen. 13. september 2012 er valgt, idet den følger en solrig dag (12. september) og har samtidig mange solskinstimer for pågældende måned (se Figur 11 og 12). DMI s statistik over solskinstimer i september 2012 fremgår af Figur 11. Den blå kurve på Figur 12 for flow til akkumuleringstanken viser, hvornår solenergien tilføres tanken. Flowet er ca. 460 l/h, samtidig med at der ikke er flow videre til varme- og varmtvandsanlæg. Figur 11 Solskinstimer pr. døgn for september 2012

15 DGC-rapport 12 Figur 12 Temperatur og flow ved buffertank 13. september 2012 En anden solrig dag er den 15. august (se Figur 13 og 14). DMI s data på Figur 13 viser, at det er en dag der følger efter flere dage med mange solskinstimer. Det skulle hermed give et billede af det maksimale bidrag af solenergi på en dag. Der er ca. 13 solskinstimer, og bidraget til akkumuleringstanken omfatter tidsrummet fra kl til kl (10 timer). Det ses her, at energien transporteres videre til installationen. Temperaturen til akkumuleringstanken er højere end i de to tidligere eksempler. Flowet fra tanken varierer mellem 180 og 330 l/h. Det er et betydeligt lavere flow end det fra solvarmeanlægget til tanken. En forklaring kan være, at flowet i kredsen fra pladevarmeveksleren til buffertanken er for højt, hvilket medfører et utilsigtet lavere temperaturniveau. På dagen leveres 47 kwh fra solfangerkredsen til akkumuleringstanken, og 23 kwh føres videre til varme- og varmtvandsinstallationen. Set i lyset af ovennævnte analyser skal det fremhæves, at der med få indgreb i forhold til isolering af tank og styring af flow vil kunne opnås en betydelig større udnyttelse af solenergien.

16 DGC-rapport 13 Figur 13 Solskinstimer pr. døgn for august 2012 Figur 14 Temperatur og flow ved buffertank 15. august Økonomi Som anlægget er installeret nu med uisoleret akkumuleringstank og uheldig styring, så er der jævnfør Figur 9 kun leveret det, der svarer til 110 kwh/m 2 pr. år til installationen, eller kwh pr. år. I situationen uden solvarmeanlægget skulle dette varmebehov dækkes af Weishaupt-kedelinstallationen alene, og da det i vid udstrækning er om sommeren, anlægget har leveret varme, vurderes virkningsgraden at være mellem 84 og 92 % /5/. Med dagens gaspris på 8,65 kr./m 3 svarer det til en

17 DGC-rapport 14 gasudgift på kr. pr. år ved en virkningsgrad på 92 % og kr. pr. år 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. Som det fremgår af Bilag 1, forventede Nygas i 2011, at prisen for et installeret solvarmeanlæg ville være ca kr. (inkl. moms). Med ovennævnte betragtninger vil tilbagebetalingstiden i bedste fald være 48 år. Set i det lys giver det ikke mening at udføre en sådan installation. Men med ovennævnte forslag til ændringer (isolering af akkumuleringstank og optimal styring) vil udnyttelsesgraden af den producerede solvarme kunne forbedres. Det får vi dog ikke svar på i dette måleforløb, men antages det eksempelvis, at den producerede solenergimængde er repræsentativ, og at den målte energimængde til akkumuleringstanken også kan udnyttes fuldt ud i installationen, så vil solfangeranlægget kunne bidrage med kwh pr. år. I situationen uden solvarmeanlægget skulle dette varmebehov dækkes af Weishaupt-kedelinstallationen alene, og med ovennævnte vurderede virkningsgrader mellem 84 og 92 % /5/ og med dagens gaspris på 8,65 kr./m 3 svarer det til en gasudgift på kr. pr. år ved en virkningsgrad på 92 % og kr. pr. år 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. Som det fremgår af Bilag 1 forventer Nygas, at prisen for et installeret solvarmeanlæg vil være ca kr. Med ovennævnte betragtninger vil tilbagebetalingstiden i bedste fald være 16 år.

18 DGC-rapport 15 4 Konklusion Med baggrund i de udførte målinger og analyserne på dette sol-/gasanlæg med stor akkumuleringstank må det konstateres, at en meget lille andel af den producerede solenergi leveres videre fra akkumuleringstanken til varme- og varmtvandsinstallationen. Med en installeret anlægspris på kr. bliver tilbagebetalingstiden i størrelsesorden 48 år. Først og fremmest kan det konstateres, at solfangeren producerer den energi, som må forventes for et anlæg af denne størrelse. Problemet er, at solenergien kun i begrænset omfang har været anvendt til varme og varmt vand. Den lave udnyttelse kan forklares, og med simple forandringer på installationen vil det være muligt at forbedre udnyttelsen, så tilbagebetalingstiden i bedste fald kan reduceres til under det halve. Fremløbstemperaturen til akkumuleringstanken fra solfangeren kan øges mærkbart, og en oplagt metode er at reducere flowet fra varmeveksleren til tanken. Akkumuleringstanken på liter er uisoleret og har store varmetab. Det vil være oplagt at efterisolere denne effektivt uden kuldebroer i kappen. Med disse to tiltag vil temperaturen i toppen af akkumuleringstanken i længere tid over året være så høj, at temperaturforskellen i forhold til returen fra varmeanlægget er over de 10 C, der forbedrer energitransport fra tank til anlæg. Denne energitransport kan også sikres ved ændring af styringen. Nemlig ved at reducere den nødvendige temperaturforskel mellem toppen af akkumuleringstanken og returen fra varmeanlægget. Men uanset disse forbedringer og alene set i lyset af en forventet levetid på et solvarmeanlæg på 20 år er det fortsat svært at se økonomiske fordele ved den valgte sol-/gasløsning.

19 DGC-rapport 16 5 Referencer /1/ Anlægsbeskrivelse jf. mail fra Søren Heiberg (Nygas) til Karsten V. Frederiksen (DGC), 9. august /2/ Præsentation fra Søren Heiberg (Nygas) på Gastekniske Dage /3/ DGC-reference for placering af måledatafilen: H:\735\31 Gasinst med sol_nygas\mna\summary Nygas ny MNA20feb13KVF1.xls /4/ Solskinstimedata, /5/ Gas og vedvarende energi Solfanger og gaskedler ved klyngehusbebyggelse, Projektrapport DGC-projekt , ISBN Reference /1/ og /3/ er ikke umiddelbart tilgængelige for eksterne læsere.

20 DGC-rapport 17 Bilag 1: Forventet anlægspris iflg. Nygas (inkl. moms)