KOMBINEREDE SOLVARME- OG BIOBRÆNDSELSANLÆG

KOMBINEREDE SOLVARME- OG BIOBRÆNDSELSANLÆG Analyser og forslag til design Stoker T1H T1L M1 T3H M3 160 l T4H 500 l M2 T2H T3L T2L M4 T4L ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD December 2000

KOMBINEREDE SOLVARME- OG BIOBRÆNDSELSANLÆG Analyser og forslag til design Energistyrelsen Journalnr.: 51181/97-0062 December 2000 Udgivelse og tryk: Teknologisk Institut, Energi Kongsvang Allé 29, 8000 Århus C Tlf.: 7220 1200 SEC-R-13 ISBN-nr.: 87-7756-603-3 ISSN: 1600-3780

KOMBINEREDE SOLVARME- OG BIOBRÆNDSELSANLÆG Analyser og forslag til design Energistyrelsen J.nr. 51181/97-0062 December 2000 Projektmedarbejdere: Klaus Ellehauge, Teknologisk Institut, SolEnergiCentret Arne Sæbye, Teknologisk Institut, Biobrændsler Teknologisk Institut Energidivisionen Kongsvang Allé 29 8000 Århus C Tlf.: 7220 1200

Forord Projektet Kombinerede solvarme- og biobrændselsanlæg er udført under Energistyrelsens udviklingsprogram for vedvarende energi (UVE) i perioden fra d. 1. januar 1998 1. oktober 2000 (j.nr. 51181/97-0062). Formålet med projektet har været at designe forslag til et moderne effektivt opvarmningssystem baseret på solvarme og biobrændsler, idet der især er lagt vægt på anlæg til enfamiliehuse. I samme periode er følgende projekt udført Måling på enkeltgodkendte solvarmeanlæg i kombination med biobrændselskedler. I dette projekt er i alt 12 kombinerede solvarme- og biobrændselsanlæg blevet inspicerede, og der er endvidere blevet foretaget målinger på 3 af disse anlæg, således at det har været muligt at vurdere installationspraksis, virkemåde, ydelser, effektiviteter og årsvirkningsgrader (ref. 1). De indhøstede erfaringer i måleprojektet er blevet brugt i nærværende projekt. Projektets målgruppe er fabrikanter af solvarmeanlæg og biobrændselskedler samt installatører og brugere. Projektet er udført i samarbejde mellem SolenergiCentret og Prøvestationen for mindre Biobrændselskedler på Teknologisk Institut. 1

2

Resume Rapporten omhandler design af integrerede opvarmningssystemer baseret på solvarme og biobrændselsanlæg. Der er set på kombinationen af solvarme og brændekedel og på kombinationen af solvarme og træpillefyr (med stoker). Enkelte erfaringer med kombinationen haves herhjemme bl.a. fra projektet Måling på enkeltgodkendte solvarmeanlæg i kombination med biobrændselskedler. I rapporten er der vist systemløsninger fra det hjemlige og det udenlandske marked. Endvidere er de mest interessante systemløsninger blevet vurderet ved simuleringer af ydelser, størrelser m.m., og der er udført overslag over økonomien. Det er vurderet, at et interessant system i kombination med en brændekedel er et anlæg, der benytter fælles lager for solvarmen og brændekedelen samt har en god solvarmedækning af husets varmeforbrug (herunder rumvarmen) i sommerhalvåret. Ved et sådant system kan solvarmen bevirke, at brændekedlen kun skal benyttes meget lidt eller slet ikke i sommerperioden. Endvidere kan solvarmedelen opføres uden væsentlig forringelse af det samlede anlægs rentabilitet. For træpillefyret er det vurderet, at der ikke er behov for at lagre varme fra stokeren, men derimod at solvarmeanlægget bevirker, at dette kan slukkes i sommermånederne. I kombinationen med træpillefyret vil solvarmeanlægget ofte kunne opføres med en fornuftig rentabilitet. Der er endvidere redegjort for specielle driftsproblemer i forbindelse med anlægstypen (kogning i solfangerkreds, returtemperaturer fra radiatorer m.m.), og der er udført specifikationer for et anlæg med brændekedel. Endelig omtales en påbegyndt produktion af anlægstypen på Samsø. 3

4

Indhold FORORD...1 RESUME...3 INDHOLD...5 1 PROBLEMSTILLING/INDLEDNING...6 1.1 KONKLUSIONER FRA PROJEKTET: MÅLING PÅ ENKELTGODKENDTE SOLVARMEANLÆG I KOMBINATION MED BIOBRÆNDSELSKEDLER...8 1.2 PROJEKTBESKRIVELSE...9 1.3 KONKLUSIONER...12 1.3.1 Sol/brændekedel...12 1.3.2 Sol/biostoker...12 2 SOL/BRÆNDEKEDELDESIGN PÅ MARKEDET I DANMARK OG I UDLANDET...13 2.1 DANSKE ANLÆG...13 2.2 UDENLANDSKE ANLÆG...16 2.3 VURDERING AF ANLÆGSTYPER FOR KOMBINATION MED BRÆNDEKEDEL...19 3 SOL/BIOSTOKERDESIGN PÅ MARKEDET I DANMARK OG I UDLANDET...21 3.1 ANLÆG I DANMARK...21 3.2 ANLÆG I UDLANDET...23 3.3 VURDERING AF ANLÆGSTYPER FOR KOMBINATION MED BIOSTOKER...24 4 BEREGNINGSMÆSSIG VURDERING OG OPTIMERING AF DESIGN SOL/BRÆNDEKEDEL...25 4.1 SPECIFIKATIONER...25 4.2 SIMULERINGER...26 4.2.1 Ydelser af Østrig A...26 4.2.2 Østrig B...32 4.3 SEPARAT SOLVARME-BRUGSVANDSANLÆG OG KEDEL MED BIOLAGER...33 4.4 ØKONOMISK VURDERING...33 4.5 KONKLUSIONER SOL/BRÆNDEKEDEL...35 5 BEREGNINGSMÆSSIG VURDERING OG OPTIMERING AF DESIGN SOL/BIOSTOKER...37 5.1 SPECIFIKATIONER - SOLVARME/TRÆPILLEFYR...37 5.2 SIMULERINGER...38 5.3 SOLVARMEANLÆG KUN TIL BRUGSVAND...42 5.4 ØKONOMISK VURDERING...42 5.5 KONKLUSIONER SOL/TRÆPILLEFYR...44 6 DRIFTSPROBLEMER...45 6.1 KOGNING I SOLFANGERKREDS...45 6.2 RETURTEMPERATUR...46 6.3 OPBLANDING I TANK...47 7 AVANCERET STYRING...51 7.1 SOLVARMEANLÆG I KOMBINATION MED BRÆNDEKEDEL...51 7.2 SOLVARMEANLÆG I KOMBINATION MED TRÆPILLEFYR...52 5

8 FORSLAG TIL KOMPONENTER...55 8.1 SOL/BRÆNDEKEDEL...55 8.2 SOLVARME/TRÆPILLEFYR...59 8.2.1 Separat solvarmeanlæg og træpillefyr...59 8.2.2 Solvarme- rumvarmeanlæg i kombination med træpillefyr...60 9 VIDEREUDVIKLING SAMSØ...61 9.1 ANLÆGSINSTALLATION SAMSØ...61 9.2 PRODUKTION AF ANLÆG PÅ SAMSØ...63 REFERENCER...64 SYMBOLER...68 BILAG 1: EMGP3 BEREGNINGSFORUDSÆTNINGER...70 BILAG 2: REFERENCEHUS...72 6

1 Problemstilling/indledning Hovedparten af mindre fyringsanlæg til biomasse installeres i område 4, og de er omfattet af Standardtilskud til vedvarende energi. Der er p.t. siden opstarten i juni 1995 installeret over 13.000 anlæg med tilskud. Hertil kommer skønsmæssigt yderligere ca. 5.000 10.000 anlæg, som er installeret uden tilskud. Til trods for en ofte ganske simpel opbygning kan de fleste biobrændselsanlæg opnå en virkningsgrad på 80-90% og en CO-emission på ca. 100 ppm. En betingelse for at opnå disse gode resultater er imidlertid, at ydelsen ligger tæt på anlæggets nominelle ydelse. I langt den største del af året vil effektbehovet imidlertid være meget lavere. En betingelse for at opnå tilskud til et træpillefyr er, at det kan køre med en acceptabel effektivitet ved ydelser ned til 30% af den nominelle ydelse. Om sommeren og i overgangsperioden vil effektbehovet imidlertid typisk være mindre end 30% af den nominelle ydelse, og træpillefyret vil derfor køre med dårlig effektivitet og forhøjet miljøbelastning i disse perioder. Den bedste udnyttelse af et træpillefyr fås ofte, hvis dets nominelle effekt er på ca. 70% af husets dimensionerende effektbehov. Dette er imidlertid kun muligt, hvis den oprindelige energiforsyning (oliefyr m.m.) bibeholdes som supplement, og ofte vil selv de mindste kedler på markedet være for store. Et solvarmeanlæg i kombination med et træpillefyr vil kunne bevirke, at træpillefyret slukkes i de perioder, hvor det ellers kører med dårlig effektivitet. En brændekedel bør altid udføres i kombination med en akkumuleringstank, og hvis denne er rigtigt dimensioneret, vil brændeovnen altid kunne køre med god effektivitet. Om sommeren vil varmetabet fra akkumuleringstanken dog udgøre en stor del af varmebehovet og således forringe den samlede systemeffektivitet. En kombination med brændekedel, lager og solvarme bevirker, at kedlen kan slukkes i sommerperioden. Derved undgås perioder med dårlig systemeffektivitet, og man undgår i perioder besværet med at passe brændekedlen. Der er således gode grunde til, at der er - og har været - en stigende interesse for en kombination af biobrændsel og solvarme. En ulempe er, at det er en kombination med to anlægstunge investeringer. En langt højere integration af de to opvarmningsformer end der hidtil er set, kan forbedre kombinationen væsentligt både med hensyn til udnyttelse af sol, virkningsgrad af fyr samt anlægspris, idet det vil være muligt at nedbringe marginalomkostningerne for investeringen i solvarmeanlægget. For at opnå maksimale fordele bør integrationen omfatte et fælles lager, optimering af komponentstørrelser, samt en fælles styringsstrategi af solvarmeanlæg, biobrændselskedel og varmeafsætning i huset bl.a. med henblik på bestemmelse af optimalt tidspunkt for indfyring i tanken. 7

I projektet Måling på enkeltgodkendte solvarmeanlæg i kombination med biobrændselskedler er der ud fra godkendelsesoplysninger udvalgt 12 anlæg, som kombinerer biobrændselskedler og solvarme. Disse anlæg er blevet besigtiget, og på baggrund af interview og teknisk gennemgang af anlæggene er der udvalgt 3 anlæg, hvor der er gennemført grundige målinger efter et fast måleprogram. Der er endvidere opsat målere på et fjerde anlæg til mere enkle målinger. En kombineret løsning med solvarme og biobrændselskedel kan udføres med anvendelse af en fælles lagertank, og i forbindelse med enkeltgodkendelserne for tilskud er der set flere nye udformninger af denne type anlæg. Nogle anvender f.eks. nye, utraditionelle tanke, hvor også rumvarmen er tilsluttet. Det anses for sandsynligt, at der er et stort potentiale for disse løsninger, og at kombinationen er god, hvis den udføres rigtigt. Den fælles udnyttelse af lagertank samt koblingen af solvarmen til rumopvarmningen giver mulighed for en lavere anlægsinvestering sammen med en forlænget sommerperiode, hvor kedlen kan slukkes. Dvs. nedbringelse af perioden, hvor fyret skal passes, og hvor dets effektivitet er lav. Den fælles udnyttelse af lagertanken kræver dog, at anlæg og styring udføres, så de to energikilder ikke blokerer for hinanden. Kombinationen kan også udføres med separate løsninger for sol og biokedel. I ref. 2 er installationsvejledninger for denne type anlæg angivet. I forbindelse med et bio-stokeranlæg er det ikke sikkert, at et fælles lager er en fordel, idet dette måske ikke indebærer fordele for stokeren. Dette skal derfor også undersøges i projektet. 1.1 Konklusioner fra projektet: Måling på enkeltgodkendte solvarmeanlæg i kombination med biobrændselskedler Erfaringer og konklusioner er angivet i ref. 1, hvorfra følgende kan anføres: Besigtigelsen af de 12 udvalgte anlæg, der kombinerer solvarme og biobrændselskedler, har afsløret både veldesignede og velfungerende anlæg såvel som uhensigtsmæssige anlægsudforminger med dårligt fungerende anlæg til følge. Der er flere eksempler på anlæg, hvor de enkelte anlægskomponenter i form af solfangere, lagertank og kedel m.v. ikke er afpasset i forhold til hinanden og/eller i forhold til det aktuelle forbrug. Desuden er isoleringsstandarden i hovedparten af de 12 besigtigede anlæg utilstrækkelig eller af tilfældig karakter. Grundige målinger på tre af de 12 besigtigede anlæg over en måleperiode på næsten et år har for det første vist, at der var tale om tre vidt forskellige anlæg. Der var bl.a. betydelige forskelle vedrørende isoleringsstandard, forbrug, forbrugsmønstre, temperaturforhold, solvarmeydelser, antal dage om året, hvor biokedlen kunne holdes slukket, samt opfyringsmønster ved anvendelse af biokedlen. 8

Et af de målte anlæg er et meget kompliceret anlæg, der er blevet opbygget, udbygget og justeret hen ad vejen. Det har resulteret i et svært gennemskueligt system med uforholdsmæssigt mange rørforbindelser og tilslutninger og deraf følgende store varmetab. Endvidere har uhensigtsmæssig udformning og håndtering af brugsvandscirkulationen medvirket til en lav nettoydelse, og til at biobrændselskedlen måtte holdes i gang også om sommeren. Et andet af de målte anlæg, der er mere enkel i sin opbygning, er samtidig særdeles velisoleret. Dette anlæg har trods anvendelse af to parallelt forbundne lagertanke (fremfor én stor) et meget begrænset varmetab. Det vurderes, at der uden for de fjernvarmeforsynede områder eksisterer en lang række anlæg, der på tilsvarende måde er blevet til hen ad vejen uden den store sans for anlæggets overordnede funktion og betjeningsvenlighed. Det sidste af de grundigt målte anlæg har et automatisk stokerfyr, hvor de andre har en manuelt fyret kedel til brændestykker. Dette anlæg har haft en god solvarmeydelse. I modsætning til de andre anlæg har der dog ikke været tale om at benytte lageret til lagring af bioenergi, da anlægget kører sammen med en stoker. Dette har givet solvarmeanlægget enklere driftsbetingelser. På biovarmesiden er anlægget imidlertid ikke særligt hensigtsmæssigt udformet. Den anvendte kedel har en overkapacitet på ca. 200% i forhold til det aktuelle behov på ca. 15 kw. Det har for alle tre anlæg vist sig, at returtemperaturerne fra radiatorerne har været høje eller meget varierende, hvilket har forhøjet temperaturniveauet i solvarmeanlægget og dermed formindsket solfangernes ydelse. Et iagttaget fænomen har været, at manglende fyring i perioder har afkølet huset, hvorefter radiatorventiler ved den efterfølgende fyring har stået vidt åbne med deraf følgende højt flow og høje returtemperaturer, samt nedbrydning af temperaturstratificering i lageret. Nedbrydningen af stratificeringen har endvidere betydet, at det har taget længere tid at varme huset op. Der er i rapporten for ovennævnte projekt endvidere angivet nogle retningslinier for installation og udformning baseret på erfaringerne. Det er meningen, at disse erfaringer skal benyttes i nærværende projekt. 1.2 Projektbeskrivelse Der designes et eller flere forslag til kombinerede løsninger: hvor der lægges vægt på at benytte den nyeste og mest hensigtsmæssige teknologi inden for solvarme, lagring og biobrændselskedler. hvor der lægges vægt på at optimere størrelsen af solfanger, lager og kedel m.m. i forhold til husets energibehov og forbrugsmønster. 9

hvor der også lægges vægt på at beskrive en optimeret styringsstrategi for hele systemet (solvarmeanlæg, biobrændselsfyr og varmeafgivelse), således at lager og begge energikilder udnyttes optimalt. For brændekedler kan styringsstrategien f.eks. angive tid for fornyet indfyring ud fra måling af energiindholdet i tanken. Designet udføres bl.a. ud fra EDB-simulering af mulige løsninger. På baggrund af erfaringerne fra tidligere projekter er der specificeret følgende ønsker for at opnå et solvarme-/biobrændselsanlæg, der fungerer bedre: Solvarme/brændekedel Et anlæg med brændekedel bør altid udføres med lager, således at kedlen kan brænde ved optimal konstant effekt, når der fyres. Med et tilstrækkeligt lager kan der således også opnås gode fyringsforhold for kedlen om sommeren. Kombinationen med solvarme er således begrundet i, at solvarmen kan bevirke, at der i perioder ikke skal fyres op - altså mindre besvær. Nogle få opfyringer om sommeren kan accepteres, da disse kan ske med god brændselsøkonomi. Solvarmen skal således i princippet dække hele sommeren, men ikke med 100% sikkerhed. Endvidere skal anlægget have et solfangerareal, der er rentabelt og (idet der leveres varme til rumopvarmningen) samtidig skal være med til at udstrække perioden, hvor opfyring ikke er nødvendig. Endelig skal anlægget udformes således, at: kedeleffekt, lagerstørrelse, solfangerstørrelse samt forbrug passer sammen, og således at anlægget sikrer bedst mulig håndtering og udnyttelse af temperaturniveauer. der sikres så lave returtemperaturer fra radiator- eller gulvvarmeanlægget som muligt. brændekedlen skal være med iltmålerstyring og høj effektivitet ved de planlagte driftsforhold. 10

Solvarme/træpillefyr Træpillefyret vil i de fleste tilfælde om sommeren kun skulle levere til brugsvandet dvs. i mange tilfælde med moderne velisolerede installationer ikke mere end ca. 8 kwh/døgn eller svarende til en middeleffekt på 0,3-0,4 kw. Selvom det er en betingelse for tilskud, at træpillefyr afprøves til at have acceptabel effektivitet på ydelser ned til 30% af den nominelle ydelse, vil træpillefyr i sommerperioden ofte køre med ydelser under 30% med deraf følgende meget dårlig effektivitet. Med et lager vil fyret kunne køre med højere effektivitet i perioder, men problemet er, at fyret normalt aldrig slukkes helt og derfor altid har et tomgangstab. (Der er dog kommet enkelte træpillefyr på markedet, der selv kan slukke og tænde). Det gælder således om, at træpillefyret slukkes helt i sommerperioden, og at optænding indimellem ikke er acceptabel, da denne er mere besværlig end ved brændekedler, og da brugeren nok i mindre grad end ved brændekedler er indstillet på at passe fyret. Da systemet nok ikke 100% kan baseres på solvarme om sommeren, vil det være nødvendigt med el-backup til sommerperioder med meget lidt sol. Det bør vurderes nærmere, hvad der sker i overgangsperioden, når fyret kører på lav effekt; om solvarmeanlægget bør gøres større for at undgå disse perioder, om der bør være en speciel pulsdrift m.v. Solvarmeanlægget evt. med el-backup skal således kunne klare hele sommerforbruget. Det bør vurderes nærmere, hvad der sker i overgangsperioden, når fyret kører på lav effekt. Det gælder endvidere her, at anlægget skal udformes således, at: kedeleffekt, lagerstørrelse, solfangerstørrelse samt forbrug passer sammen, og således at anlægget sikrer bedst mulig håndtering og udnyttelse af temperaturniveauer. der sikres så lave returtemperaturer fra radiator- eller gulvvarmeanlægget som muligt. træpillefyret skal være med iltmålerstyring og høj effektivitet ved de planlagte driftsforhold. 11

1.3 Konklusioner 1.3.1 Sol/brændekedel Ud fra gennemgang af forskellige systemopbygninger på markedet samt ved simuleringer af anlæg, er det vurderet, at der kan udføres en god kombination af et solvarmeanlæg og en brændekedel for et enfamiliehus bestående af: ca. 12 m² solfanger et fælles lager for solvarmen og brændekedlen på ca. 1200 liter en varmeveksler eller separat varmtvandsbeholder for brugsvandsproduktion, samt en brændekedel på 20 kw med iltmålerstyring. Solvarmen vil kunne dække ca. 20 % af varmebehovet og betyde, at der ikke (eller kun i sjældne tilfælde) skal fyres op om sommeren. Lagerbeholderstørrelsen på 1200 liter er den mindste størrelse, der er acceptabel og forudsætter, at kedlen i perioder med lavlast kun fyldes halvt. Nærmere konklusioner vedrørende økonomi m.m. er angivet i afsnit 4.5, side 35. Såfremt der konverteres fra f.eks. oliefyring, vil solvarmeanlægget kunne tilføjes uden væsentlig forøgelse af tilbagebetalingstiden. Særlige driftsproblemer for anlægstypen (f.eks. risiko for kogning i solfangerkredsen) kan løses som angivet i kapitel 6, side 45. Specifikationer er angivet i afsnit 8.1, side 55. En produktion af lagertanke baseret på anlægstypen er under opstart på Samsø. 1.3.2 Sol/biostoker Det er vurderet, at der ikke er fordele ved at lagre varme fra stokeren om sommeren. Derimod er det en fordel at udføre et solvarmeanlæg, der kan klare hele forsyningen om sommeren, idet stokeren kører med meget lav effektivitet i denne periode. Udformningen af solvarmeanlægget afhænger af, om det skal levere varme til rumvarmen eller ej. I sidstnævnte tilfælde kan der benyttes et traditionelt solvarme- brugsvandsanlæg. I førstnævnte tilfælde kan anlægget udføres som skitseret for brændekedler men med mindre lager. Nærmere konklusioner vedrørende økonomi m.m. er angivet i afsnit 5.5, side 44. Såfremt der konverteres fra f.eks. oliefyring, vil solvarmeanlægget kunne tilføjes uden væsentlig forøgelse af tilbagebetalingstiden. 12

2 Sol/brændekedeldesign på markedet i Danmark og i udlandet 2.1 Danske anlæg I det følgende skal løsninger for kombinerede solvarme- og biobrændselsanlæg, som markedsføres i Danmark eller i udlandet, kort omtales. I Danmark er det få eller ingen firmaer, der har udviklet færdige sammensætninger af biobrændselsanlæg og solvarmeanlæg. I de fleste tilfælde er det således op til installatøren om at sammensætte den rigtige kombination. Anlæg med separate lagre til sol og brænde I mange tilfælde består en sammensat løsning af et separat solvarmeanlæg med brugsvandsbeholder og et separat brændekedel-lageranlæg f.eks. som vist i figur 1. Figur 1: Anlæg med separate lagre for sol og brænde. 13

Fordelene ved at have separate anlæg er, at der kan benyttes gennemprøvede standardløsninger, som styringsmæssigt fungerer uafhængigt af hinanden. Ulempen er, at løsningen måske er dyrere end en integreret løsning, samt at solvarmeanlægget ikke kan levere solvarme til rumopvarmningen og derved ikke udstrække perioden, hvor opfyring ikke er nødvendig. I ref. 2 er der angivet installationsvejledninger for denne type anlæg. Tank i tank Det vides, at et enkelt kedelfirma markedsfører (og rådgiver om) lagertanke for kombinationen af brændekedel og solvarme (EB kedler). Det samme gælder for solvarmefirmaer som Aidt Miljø, Sol & Træ m.fl. Løsningerne fra EB kedler og Aidt Miljø drejer sig om tank i tank lagre dvs. lagre med neddykket varmtvandsbeholder. Se figur 2. M1 T1H T1L T2H T3H M3 T3L M2 T4H M4 750 l 1000 l T2L T4L T2L T2L ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD Figur 2: "Tank i tank" anlæg. I kombination med en brændekedel er en enkelt af tankene på det danske marked for lille, hvorfor anlægget sammensættes af flere tanke som vist på figuren. I udlandet findes anlægstypen med større tanke. 14

Fordelen ved anlægstypen er, at den, hvis den kan udføres med én tank, formentligt kan udføres forholdsvist billigt. Ulempen ved anlægstypen er, at der ofte ikke ses nogen særlig god temperaturlagdeling i tanken, idet det kolde brugsvand midt i tanken medvirker til at skabe omrøring i tanken. Sol & Træ En anden løsning er løsningen fra Sol & Træ. Der er her tale om, at tre tanke kombineres, som vist i figur 3. Figur 3: Sol & Træ (fra ref. 3). Sol/Lagertanken er på 500 liter og benyttes udelukkende som lager for solvarmen. I løsningen fra Sol & Træ udføres solfangerkredsen med drain-back, og ofte benyttes den eksisterende varmtvandsbeholder. Løsningen fra Sol & Træ er velgennemtænkt og fungerer godt, men det anses for en ulempe, at der er tale om hele tre beholdere. 15

2.2 Udenlandske anlæg Fra den danske deltagelse i IEA task 26 Combisystems er der opnået kendskab til en række udenlandske anlæg, som er beskrevet i ref. 4. Østrig A Især i Østrig har man erfaringer med anlægskombinationen. En almindelig anlægstype er vist i figur 4 (symbolliste er angivet efter kapitel 9). Figur 4: Østrig A (fra ref. 4). På figuren sker varmtvandstilberedningen i en varmtvandsbeholder, men anlægstypen er også almindelig med en varmeveksler for varmtvandstilberedning. I anlægstypen er det forsøgt at integrere lagring af både solvarme og varme fra brændekedlen samtidigt med, at der er benyttet standardkomponenter eller modifikationer af disse. Trevejsventilen i sekundærkredsen efter solfangerkredsen sender solvarmen til den øverste del af beholderen, hvis den er varmere end temperaturen her, ellers sendes varmen til den nederste del. 16

Østrig B En anden udformning er vist i figur 5. Figur 5: Østrig B (fra ref. 4). Også her benyttes standardkomponenter, og anlægget er opbygget således, at lagertanken kan lukkes ned om sommeren, hvis der ikke er behov for rumvarme. Sverige I Sverige har man erfaringer med anlæg opbygget f.eks. som vist i figur 6. Varmtvandsproduktionen sker i rør i lagertanken, og anlægget er således billigt at producere. Det har været diskuteret, om anlægstypen kan benyttes i områder med kalkholdigt vand, idet der er stor risiko for, at kalken afsætter sig på indersiden af rørene og tilstopper disse. Der er tilsyneladende erfaringer med, at dette kan undgås også i områder med kalkholdigt vand, hvorfor det eventuelt kunne være interessant at afprøve et sådant anlæg også i Danmark. Et nyt produkt på det svenske marked er opbygget som vist i figur 7. Biostokeren er integreret med akkumuleringstanken, således at den virker direkte på den øverste del af denne. Systemet har tilsyneladende store fordele og kan således være et godt bud på fremtidens kombination af solvarmeanlæg og biostoker. 17

Figur 6: Sverige (ref. 4). Figur 7: Sverige, integreret stoker og akkumuleringstank (ref. 12). 18

2.3 Vurdering af anlægstyper for kombination med brændekedel Af de oven for nævnte anlægstyper vurderes det især interessant at se nærmere på de to løsninger fra Østrig. Begge løsninger kan nemt opbygges i Danmark ud fra de fabrikationsmuligheder, der er for tanke m.v. i Danmark. Endvidere vil de kunne have en god lagdeling samt integreret lagring af sol- og biovarme. Endelig vides fra ref. 5, at Østrig A har potentiale som et godt solvarme- rumvarmeanlæg. "Tank i tank" løsningen har vanskeligt ved at opnå optimal lagdeling, og løsningen fra Sol & Træ har i forbindelse med en brændekedel tre tanke, hvilket måske er fordyrende. Den svenske løsning vurderes at være for risikabel at satse på i Danmark, før den er afprøvet med hensyn til kalkudfældninger. Der vil således blive arbejdet videre med at vurdere de to østrigske løsninger samt at sammenligne disse med en separat løsning bestående af et solvarmebrugsvandsanlæg og et separat biolager. 19

20

3 Sol/biostokerdesign på markedet i Danmark og i udlandet 3.1 Anlæg i Danmark For sol/biostokeranlæg er spørgsmålet, om der er behov for lagring af biostokervarmen, samt om solvarmeanlægget skal kunne levere varme til rumopvarmningen. Figur 8: Traditionelt brugsvands-solvarmeanlæg. Figur 9: Solvarme-rumvarmeanlæg med veksler i solfangerkredsen. 21

Såfremt der hverken er behov for lagring af varme fra biostokeren eller behov for rumvarme om sommeren, vil en traditionel opbygning med et brugsvandssolvarmeanlæg som vist i figur 8 være den mest enkle løsning. Solvarmeanlægget skal være forsynet med en elpatron, så brugsvandsopvarmningen kan klares 100% i sommermånederne. Med et mindre rumvarmebehov om sommeren, men stadig uden behov for lagring af varmen fra stokeren, vil den traditionelle solvarme-rumvarmeløsning med en varmeveksler i solfangerkredsen, som vist i figur 9, kunne anvendes. Rumvarmkredsen skal så om sommeren kunne omskiftes, således at flowet ikke går igennem biokedlen. Med et rumvarmebehov om sommeren opnås den største sikkerhed for, at det ikke er nødvendigt at starte stokeren om sommeren, ved at solvarmeanlægget udføres således, at der kan lagres den varme, der benyttes til rumopvarmningen. Denne problematik er nærmere beskrevet i ref. 5. I så fald vil løsningerne beskrevet i kapitel 2 kunne anvendes med mindre lagre (idet der ikke lagres varme fra kedlen). Endvidere kan et Sol & Træ anlæg uden ekstra lager (figur 10) være velegnet. Stoker T1H T1L M1 T3H M3 160 l T4H 500 l M2 T2H T3L T2L M4 T4L ENERGY SUPPLY TRANSFER, STORAGE, CONTROL AND DISTRIBUTION LOAD Figur 10: Sol & Træ anlæg til kombination med biostoker. 22

Såfremt der ikke behøves solvarme til rumopvarmningen om sommeren, kan et almindeligt solvarmeanlæg kun til brugsvand og uden lagring af varmen fra stokeren være den bedste løsning. 3.2 Anlæg i udlandet Velegnede anlægstyper kan være Østrig A (figur 4) som også har mulighed for at benytte lageret til lagring af biovarmen. Såfremt der ikke skal ske lagring af biovarmen, men hvis der skal suppleres solvarme til rumopvarmningen, så findes der i udlandet en række mere sofistikerede løsninger, hvor bestræbelserne har gået på at opnå god temperaturlagdeling m.m. Om bestræbelserne er de ekstra produktionsomkostninger værd, er et spørgsmål, som endnu ikke er afklaret, men som behandles i IEA Task 26 (ref. 4). Eksempler på sådanne anlæg er vist i figur 11 og figur 12. Figur 11: Tyskland (Solvisanlæg). 23

Figur 12: Tyskland (Consolar). 3.3 Vurdering af anlægstyper for kombination med biostoker Ved de videre vurderinger af kombinationen sol/biostoker vil det især være afgørende at afklare, om der er fordele ved at lagre biovarmen i et lager. Såfremt dette er tilfældet, vurderes anlæg som Østrig A (figur 4, side 16) og Østrig B (figur 5, side 17) at være interessante, og da det fra ref. 5 vides, at Østrig A har potentiale som et godt solvarme rumvarmeanlæg, kan dette også være interessant ved anlæg uden lagring af biovarmen. Ligeledes er et anlæg fra Sol & Træ interessant samt naturligvis et separat solvarme brugsvandsanlæg. 24

4 Beregningsmæssig vurdering og optimering af design Sol/brændekedel 4.1 Specifikationer Det har i projektet været diskuteret, hvilke krav, der skal stilles til en moderne kombination af et solvarmeanlæg og en brændekedel. Neden for er givet de specifikationer, der er arbejdet videre med. Systemet Der arbejdes som nævnt i afsnit 2.3 videre med systemløsningerne Østrig A og Østrig B samt en separat løsning. For komponenterne i systemet specificeres følgende: Lager Der skal være ca. 80 liter vand pr. kg brænde ofte svarende til ca. 20 liter vand pr. liter brændselsvolumen. Derudover skal der være tilstrækkelig lagerkapacitet for solvarmen. Ved simuleringer undersøges den optimale størrelse. Solvarmeanlæg Det forventes fra tidligere beregninger af rumvarmeanlæg, at en solfangerstørrelse mellem 10 og 15 m² vil være optimal med henblik på at opnå en lang periode med solvarmedækning og en acceptabel økonomi. Brændekedel For brændekedlen stilles krav om en så moderne teknologi som muligt. Dvs. følgende skal være til stede eller være gældende: Iltmålerstyring Højest effektivitet Mindst mulig brændselsmagasin Separat varmtvandsbeholder Nem at rense Centralvarmeanlæg Der regnes med, at systemet skal installeres i et hus med moderne radiator eller gulvvarmesystem, og at dette indrettes, så det fungerer hensigtsmæssigt i forbindelse med anlægget. 25

Dvs. at følgende forudsættes i beregningerne: Tostrenget radiatorsystem Fremløbstemperaturstyring med udeføler og shunt Shunten styrer kedeltemperatur, så der er 90-95 C ud og 65-70 C ind til kedel Returtemperaturbegrænser med termostat eller flowkontrol Ved simuleringerne regnes med 60/40 system med radiatorfaktor 2.5, som er den mindste, acceptable radiatorstørrelse for at få rimelig stor temperaturdifferens og dermed rimelig udnyttelse af akkumuleringstankens akkumuleringsevne. Systemet skal også kunne benyttes ved gulvvarmeanlæg m.v. Varmebehov Der tages udgangspunkt i et typisk parcelhus på 150 m² med et varmebehov på 100 kwh/år/m², dvs. ca. 15.000 kwh/år samt et brugsvandsforbrug på 160 liter 50 C varmt vand pr. døgn svarende til ca. 2.700 kwh/år. 4.2 Simuleringer Der er med solvarmesimuleringsprogrammet EMGP3 udført simuleringer af anlægstyperne Østrig A og Østrig B, som vist i figur 4 og figur 5. I bilag 1 og 2 er angivet nærmere specifikationer vedrørende EMGP3-beregningerne. 4.2.1 Ydelser af Østrig A For de to anlægsudformninger er gennemregnet 3 forskellige solfangerstørrelser i forhold til et lagervolumen af den store tank på 1500 liter. I det følgende omtales beregningerne for Østrig A, medens beregningerne for Østrig B omtales i afsnit 4.2.2. I figur 13 er solfangerydelsen samt dækningsgraden og kedlens antal driftstimer om sommeren (maj/september) angivet som funktion af solfangerarealet. 26

Ydelse, Dækningsgrad, driftstid sommer Solydelse kwh/m² solfanger pr. år 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 Solfangerareal m² 140 120 100 Figur 13: Ydelser og kedlens driftstimer ved forskellige solfangerarealer (Østrig A og Østrig B). 80 60 40 20 0 Driftstimer af kedel om sommeren, samt solvarmedækningsgrad i % Solydelse anlæg A Solydelse anlæg B Drif tstimer sommer A Drif tstimer sommer B Dækningsgrad A Dækningsgrad B Det ses af figuren, at et solfangerareal på 10-15 m² giver en rimelig ydelse pr. m² solfanger (260-300 kwh/m²) og et lille antal driftstimer (og dermed opfyringer) af kedlen om sommeren. Endvidere opnås en rimelig dækningsgrad på 20-25% af husets samlede forbrug. Tidligere undersøgelser viser, at der for kombinerede anlæg generelt kan opnås en optimal økonomi i området med 10-15 m² solfanger. I nærværende undersøgelse vurderes anlæg i denne størrelsesorden også at være interessante, da de samtidig giver et så lille antal af kedlens driftstimer om sommeren, så det i praksis påregnes, at opfyring helt kan undgås, såfremt en lidt mindre brugsvandskomfort tolereres. Der er i det følgende taget udgangspunkt i et solfangerareal på 12 m². I figur 14 ses resultatet af beregninger med 12 m² solfanger og varierende beholdervolumen. Beholdervoluminerne er givet i tabel 1. På figuren angiver de venstre kurver solydelsen, som angivet på den venstre skala som funktion af solvolumenet (det volumen, der udelukkende opvarmes af solvarme). De højre kurver angiver den nødvendige kedelydelse, som angivet på den højre skala og som funktion af det totale volumen. 27

Solydelse og kedelydelse 12 m² solfanger og forskellige størrelser lager 3600 19500 Solydelse kwh/år 3500 3400 3300 3200 3100 3000 2900 0 0,5 1 1,5 2 Sollagervolumen og totalvolumen m³ 19000 18500 18000 17500 17000 16500 Kedelydelse kwh/år Solydelse a Solydelse b Solydelse c Solydelse d Kedel a Kedel b Kedel c Kedel d Figur 14: Solvarmeydelse og kedelydelse ved forskellig beholdervolumen. Beregning Totalvolumen (m³) Solvolumen (m³) Biovolumen (m³) a1 1,250 0,100 1,150 a2 1,250 0,250 1,000 a3 1,250 0,500 0,750 b1 1,500 0,100 1,400 b2 1,500 0,250 1,250 b3 1,500 0,500 1,000 c1 1,170 0,020 1,150 c2 1,350 0,200 1,150 c3 1,650 0,500 1,150 d 1,200 0,150 1,050 Tabel 1: Beregningsforudsætninger for lager. 28

I tabel 1 på foregående side henviser totalvolumen til lagerets samlede volumen, som er sammensat af den nederste del af lageret, som udelukkende opvarmes af solvarme (solvolumen) og den øverste del, som opvarmes af biokedlen (biovolumen). Ved beregning a ses effekten af at forøge den solopvarmede volumen på bekostning af den bioopvarmede volumen. Ved beregning b ses effekten af at forøge den solopvarmede volumen på bekostning af det bioopvarmede volumen men ved et større totalvolumen end ved beregning a. Ved beregning c ses effekten af at øge solvolumenet ved et fastholdt biovolumen. Beregning d, er en beregning ved den volumen, der er arbejdet videre med. Solydelse og driftstimer kedel om sommeren ved 12 m² solfanger og forskellige størrelser lager Solydelse kwh/år 3600 3500 3400 3300 3200 3100 3000 2900 0 0.2 0.4 0.6 Sollagervolumen m³ 100 90 80 70 60 50 40 30 Driftstimer af kedlen om sommeren Solydelse a Solydelse b Solydelse c Solydelse d Driftstimer a Driftstimer b Driftstimer c Driftstimer d Figur 15: Solydelse og driftstimer af kedlen om sommeren ved forskellig beholdervolumen. I ovenstående figur 15 er kedlens antal driftstimer om sommeren vist ved de forskellige beholdervoluminer, som angivet i tabel 1. Det ses af figurerne, at en beholderstørrelse på 1200 liter, hvor de 150 liter i bunden reserveres solvarmen, både har et rimeligt lille volumen men stadig stor solvarmeydelse og et lille antal opfyringer om sommeren. Det ses dog også, at solydelsen kan forøges ved større lagervolumen, men derimod kan antallet af driftstimer ikke formindskes. Der regnes derfor med, at det videre design udføres med denne størrelse. Der er endvidere udført simuleringer for at undersøge betydningen af indløbsplacering, foranstaltninger til øget stratificering m.m. 29

For at undersøge betydningen af stratificeringsforanstaltninger for indløb fra solfangeren er der udført simuleringer, hvor solvarmen indlægges i et, to eller tre niveauer i lageret, således at solvarmen tilføres i det lag, der så vidt muligt har samme temperatur som indløbet fra sekundærkredsen. Det forventes, at jo flere indløbsniveauer, der kan vælges imellem, desto bedre kan stratificeringen opbygges, og des bedre vil ydelsen af solvarmeanlægget være. Betydning af antal indløbsniveauer for solvarmen i tanken Solydelse kwh/år 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 en to tre var 70 60 50 40 30 20 10 0 Driftstimer kedel sommer ydelse timer Figur 16: Betydning af antal indløbsniveauer for solvarmen i tanken. Resultaterne af simuleringerne fremgår af figur 16. Der er på figuren endvidere angivet en simulering, hvor solvarmen tilføres i toppen af beholderen, men hvor flowet i solfangerkredsen varieres således, at solfangertemperaturen er højere end 65 C, når solfangeren kører. På x-aksen er angivet beregningerne med henholdsvis et, to eller tre indløbsniveauer, samt beregningen med variabelt flow i solfangerkredsen. Figur 16 angiver solvarmeydelsen samt antallet af driftstimer for kedlen i sommerperioden. Det ses som forventet, at jo flere niveauer der er, des bedre bliver solvarmeydelsen, og jo færre timer skal der køres med kedlen om sommeren. Imidlertid er det overraskende, at der ikke er større forskel på beregningerne. En anlægsudformning, hvor solvarmen lægges ind i to niveauer som forudsat i referenceudformningen, må således være tilstrækkelig. Og en udformning, hvor solvarmen altid lægges ind i underste del af beholderen, kan overvejes, idet den ifølge beregningerne ikke har en ydelse, der er meget dårligere. Såfremt der udføres en udformning, hvor der tilstræbes indlæggelse af solvarme i flere niveauer, kan dette udføres med såkaldte stratifiers, som er nogle rør med klapper, som anbringes i lageret, og som anbringer væsken i røret i det niveau i beholderen, som har samme temperatur som den strømmende væske. 30

Betydning af udløbsniveau for radiatorkreds 3300 54 Solydelse kwh/år 3250 3200 3150 3100 3050 52 50 48 46 44 42 40 Driftstimer kedel sommer ydelse tim er 3000 udløb lag 57 udløb lag 59 udløb lag 63 udløb lag 67 38 Figur 17: Betydning af udløbsniveau for radiatorkreds. Rørene markedsføres i Tyskland af firmaet Solvis. Ydelsesmæssigt vil der formentligt (jf. beregningerne) ikke være den helt store fordel, men derfor er det ikke udelukket, at udformningen med hensyn til pris og pålidelighed kan betale sig. Konklusionerne gælder for det beregnede solfangerareal, medens det ved mindre solfangerarealer formentligt bedre vil kunne betale sig at gøre noget ud af stratificeringen. Beregningen med det varierende flow i solfangerkredsen har dårligere ydelse og er således ikke anbefalelsesværdig. Det menes at være indlysende, at udtag til solfangerne skal ske fra beholderens laveste niveau, samt at udtag til varmtvandsveksler skal ske fra beholderens top og gå retur til beholdens bund. Placering af ud- og indtag til radiatorkreds skal formentlig ske i nogle mellemniveauer på beholderen, men hvor er ikke helt indlysende. Der er derfor yderligere foretaget simuleringer med forskellige ud- og indløbsniveauer for radiatorkredsen. Simuleringer, hvor udtaget er varieret, fremgår af figur 17. Betegnelserne på x-aksen henviser til den lagnummerering, som er benyttet i beregningerne (se figur 32, side 70). 31

Det ses, at den optimale placering er mellem lag 59 og 63, dvs. ca. ¼ fra beholderens top (med et volumen over udløbet på ca. 300 liter). Betydning af indløbsniveau for radiatorkreds Solydelse kwh/år 3260 3250 3240 3230 3220 3210 3200 3190 3180 indløb lagindløb lagindløb lag 68 72 76 49 49 49 48 48 48 48 48 47 Driftstimer kedel sommer ydelse timer Figur 18: Betydning af indløbsniveau for radiatorkreds. Simuleringer, hvor indløbet er varieret, fremgår af figur 18. Det fremgår, at den optimale placering er ca. 1/8 af højden fra beholderens bund (med et volumen under indløbet på ca. 150 liter), men at en placering ved bunden, således at der kan benyttes samme indløb som fra brugsvandsvarmeveksleren, kun er lidt dårligere. 4.2.2 Østrig B I figur 13 (og figur 19) er endvidere angivet resultatet af beregninger af anlægsudformningen Østrig B, som vist i figur 5. Ved at sammenligne kurverne for anlæg A og B ses, at der for de to anlæg ikke er væsentlige forskelle i beregnet solvarmeydelse og solvarmedækningsgrad, idet anlæg A dog er lidt dårligere ved små solfangerarealer (5m²), men en anelse bedre ved de større arealer (10-15m²). Til gengæld er anlæg A ved de gennemregnede størrelser bedst med hensyn til at minimere antallet af driftstimer for kedlen om sommeren. Der er ikke udført yderligere simuleringer af anlæg B, idet det anses for sandsynligt, at den benyttede dimensionering af anlægget i beregningerne er nogenlunde optimal. Beregningsforudsætninger m.m. fremgår i øvrigt af bilag 1 og 2. 32

4.3 Separat solvarme-brugsvandsanlæg og kedel med biolager I figur 19 er endvidere indtegnet beregninger for et anlæg med et separat solvarmeanlæg kun til brugsvand og en brændekedel med et separat lager. Det ses, at ved 5 m² solfanger er der ikke megen forskel på dette anlæg og de to andre anlæg Østrig A og Østrig B både med hensyn til ydelse, og hvor mange driftstimer kedlen har om sommeren. Ved større arealer er det separate anlæg imidlertid klart dårligere. Ydelse, Dækningsgrad, driftstid sommer Solydelse kwh/m² solfanger pr. år 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 Solfangerareal m² Figur 19: Ydelse og driftstimer af kedel - sommer. 140 120 100 80 60 40 20 0 Driftstimer af kedel om sommeren, samt solvarmedækningsgrad i % Solydelse anlæg A Solydelse anlæg B Solydelse anlæg C Driftstimer sommer A Driftstimer sommer B Driftstimer sommer C Dækningsgrad A Dækningsgrad B Dækningsgrad C 4.4 Økonomisk vurdering Ved kombinationen af solvarme og brændekedel er det ofte ikke det økonomiske incitament, der er afgørende for valg af solvarme, men derimod den arbejdsbesparelse, der ligger ved at etablere solvarme. Ofte er det meget forskelligt, hvilken pris husejeren betaler for brænde. I nogle tilfælde er han endda selvforsynende og får således brænde gratis. 33

Alligevel kan det være på sin plads med nogle få økonomiske overslag. Det skal understreges, at en vurdering er udført overslagsmæssigt med hensyn til anlægspris og besparelser. Der er f.eks. ikke medtaget udgifter til drift. Solvarmeanlæg Solfanger areal Tabel 2: Økonomi ved solvarmeanlæg. Brændepris 0,29 kr./kwh Brændeforbrug Besparelse kr. m² kwh/år kwh/år kwh/år kr./år kr. kr. år 0 16.110 23.682 5 16.110 21.316 2.366 686 20.928 14.650 21 10 16.110 19.703 3.979 1.154 34.531 24.171 21 15 16.110 18.696 4.986 1.446 46.302 32.411 22 Besparelse brænde Merpris solfanger (incl. moms) Merpris solfanger efter tilskud Simpel tilbagebetalingstid Vamebehov (rum+vv) I tabel 2 er angivet de brændebehov, der er angivet ved simuleringerne, idet der er regnet med kapacitetstab i kedel og kedelkreds, og idet der er regnet med en konstant kedelvirkningsgrad på 90%. Besparelserne i brænde er omregnet til besparelser i kr. ved at benytte en brændepris på 0,29 kr./kwh (som svarer til en pris på ca. 400 kr. pr. rummeter). Endvidere er angivet skønnede merpriser for solvarmeanlægget, idet der er regnet med, at der i forvejen skal være en akkumuleringstank og varmtvandsbeholder m.m. (anlægstype Østrig A). De skønnede priser er taget fra ref. 5. For 5 m² solvarmeanlægget gælder skønnet også et separat solvarmebrugsvandsanlæg, idet merprisen for et 5 m² solvarmeanlæg kun til brugsvand vil være omtrent den samme som i tabel 2 (som det vil kunne ses af afsnit 5.4, tabel 6). I det ene tilfælde erstatter solvarmeanlægget den varmtvandsbeholder, der ellers skulle have været der. I det andet tilfælde benytter solvarmeanlægget brændefyrets lagertank. Det ses, at de fundne tilbagebetalingstider ikke i sig selv berettiger et solvarmeanlæg, men at det især er arbejdsbesparelsen, der tæller. Hvis man f.eks. antog, at der normalt benyttes 15 min. pr. dag (dvs. 91 timer om året) til at passe kedlen, og hvis disse timer prissættes til f.eks. 100 kr. pr. time, så vil brændeprisen i stedet for 0,29 kr./kwh være 0,68 kr./kwh, hvilket bringer tilbagebetalingstiden ned på omkring 9 år. Det ses endvidere af figur 20 at uanset energiprisen, så er den optimale anlægsstørrelse mellem 10 og 15 m² solfanger. Hvis man ser på en samlet konvertering fra f.eks. olie til brændekedel med solvarme, så vil økonomien f.eks. være som vist i tabel 3 (der er for anlægspriser benyttet en billigere kedel end den, der er specificeret i dette projekt). Det ses her, at der ikke er megen forskel i tilbagebetalingstid, hvis brændekedlen kombineres med et solvarmeanlæg. 34

Simpel tilbagebetalingstid for solvarme 25 20 Tilbagebetalingstid (år) 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Solfangerareal (m ²) Figur 20: Simpel tilbagebetalingstid for solvarme i forbindelse med brændekedel. Komplet installation Solfanger areal Tabel 3: Økonomi ved komplet installation. Brændepris 0,29 kr./kwh Oliepris 0.6 kr./kwh Merpris solfanger efter tilskud Kedel efter tilskud Olieforbrug Brændeforbrug Besparelse Anlæg i alt m² kwh/år kwh/år kr./år kwh/år kr./år kr./år kr. kr. kr. år 0 16.110 20.138 12.083 0 16.110 23.682 6.868 5.215 0 62.500 62.500 12 5 16.110 21.316 6.182 5.901 14.650 62.500 77.150 13 10 16.110 19.703 5.714 6.369 24.171 62.500 86.671 14 15 16.110 18.696 5.422 6.661 32.411 62.500 94.911 14 Tilbagebetalingstid Vamebehov (rum+vv) 4.5 Konklusioner sol/brændekedel Ud fra de foregående afsnit kan følgende konklusioner uddrages: Såfremt der ikke er varmebehov om sommeren, kan brændefyret suppleres med et ca. 5 m² brugsvandssolvarmeanlæg. Brændefyret kan suppleres med et solvarmeanlæg, hvor brændefyrets lager også benyttes som lager for solvarmen. Dette anlæg kan også levere solvarme til rumvarmen og kan således ved større solfangerarealer udstrække perioden, hvor der ikke skal fyres i brændekedlen. 35

En velegnet anlægstype er i sidste tilfælde Østrig A (figur 4) med solfangerarealer mellem ca. 7 og 15 m². I kombination med det valgte brændefyr foreslås en lagertank på ca. 1200 liter, hvor ca. 150 liter er reserveret solvarmen. Anlægstypen kan kombineres enten med en varmtvandsbeholder eller en varmeveksler for varmtvandsproduktion. Såfremt der vælges et anlæg med et rimeligt stort solfangerareal, vil der ikke være et stort behov for specielle stratificeringsanordninger ud over indløb, der nedsætter indløbshastigheden. Muligheden for at lægge solvarmen ind i to niveauer vurderes at være nok. Et simpelt økonomisk overslag retfærdiggør i sig selv ikke kombinationen med solvarme (i mange tilfælde får husejeren gratis brænde). Derimod betyder kombinationen en besparelse i arbejdstid, som er væsentlig, og hvis den prissættes, så vil den i de fleste tilfælde give en god økonomi. Ved konvertering fra andre energikilder vil kombinationen med solvarme kun have lidt dårligere tilbagebetalingstid end en brændekedel uden solvarme. 36

5 Beregningsmæssig vurdering og optimering af design Sol/biostoker 5.1 Specifikationer - Solvarme/træpillefyr Det har været diskuteret, hvilke krav, der skal stilles til en moderne kombination af et solvarmeanlæg og et træpillefyr. Systemet Det vil senere blive beskrevet, at der med et moderne, velmodulerende biostokeranlæg, som ikke er for stort i forhold til behovet, ikke kan forventes nogen videre fordel ved at lagre varme fra biostokeren. Kravet til solvarmeanlægget må derfor være, at der i så lang en periode om sommeren helt kan slukkes for biostokeren. Der arbejdes videre med anlægsopbygning Østrig A samt med et separat solvarmebrugsvandsanlæg. Solvarmeanlæg Som for kombinationen med brændekedel forventes fra tidligere beregninger af rumvarmeanlæg, at en solfangerstørrelse mellem 10 og 15 m² vil være optimal med henblik på at opnå en lang periode med solvarmedækning og en acceptabel økonomi. Der skal være ca. 40-50 liter lager pr. m² solfanger. Denne størrelse vil dog være for stor, hvis der vælges en løsning, hvor der kun leveres solvarme til brugsvandet. Stoker/kedel Der stilles krav om at benytte moderne teknologi, dvs. følgende skal gælde: Lavest mulig max. effekt (Dimensionerende effekt kan måske klares med kedel + elpatron) Størst mulig modulering Størst effektivitet Iltmålerstyring 37

Centralvarmeanlæg Som for kombinationen med brændekedel regnes der med, at systemet skal installeres i et hus med moderne radiator eller gulvvarmesystem, og at dette indrettes, så det fungerer hensigtsmæssigt i forbindelse med anlægget. Dvs. der forudsættes i beregningerne: Tostrenget radiatorsystem Fremløbstemperaturstyring med udeføler og shunt Returtemperaturbegrænser med termostat eller flowkontrol, såfremt der skal leveres solvarme til rumvarmen Der regnes ved simuleringerne med et 60/40 system med radiatorfaktor 2.5. Systemet skal også kunne benyttes ved gulvvarmeanlæg m.v. Varmebehov Som for kombinationen med brændekedel tages udgangspunkt i et typisk parcelhus på 150 m² med et varmebehov på 100 kwh/år/m², dvs. 15.000 kwh/år samt et brugsvandsforbrug på 160 liter 50 C varmt vand pr. døgn svarende til ca. 2700 kwh/år. 5.2 Simuleringer Der er med solvarmesimuleringsprogrammet EMGP3 udført simuleringer på et system opbygget som figur 8 med separat brugsvandssolvarmeanlæg og et system med solvarme også til rumvarmen (Østrig A), som opbygget i figur 4. I sidstnævnte tilfælde regnes ikke med anden lagring af varme fra biostokeren end den, der benyttes til at supplere brugsvandsopvarmningen. Derfor er der kun regnet med et lagervolumen på 50 liter pr. m² solfanger. For at undersøge effekten af et større solvarmeanlæg til rumopvarmning og derfor med mulighed for at slukke fyret i længere tid, er det sidste system blevet gennemregnet først. Det vil her være interessant at se på fyrets effektivitet, som ved de små belastninger ikke er stor. Med udgangspunkt i den specificerede kedel er der regnet med den i figur 21 viste effektivitetskurve som funktion af den effektive ydelse fra kedlen. Kurven er optegnet ud fra nedenstående skønnede værdier for tab m.v. Skønnene bygger på afprøvning af kedlen. Imidlertid afprøves kedlerne ikke til under ca. 30% af den maksimale ydelse, hvorfor værdier herunder må skønnes. Endvidere er den specificerede kedel ikke afprøvet i udgaven med iltmålerstyring. 38

Skønnet virkningsgrad af bio-stoker (multiheat 1.5) 100.0 Virkningsgrad (%) 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 effektiv ydelse (kw) Figur 21: Skønnet effektivitet af biostokerkedel, Baxi Mulitiheat 1.5. Multiheat 1.5 Dellast Effektiv ydelse Røgtab Varmetab Virkningsgrad Indfyret effekt % KW % kw % kw % kw 100,0 15,0 5,8 1,0 4,9 0,8 89,3 16,8 33,3 5,0 4,0 0,2 8,7 0,5 87,3 5,7 0,0 0,0 4,0 0,0 96,0 0,5 0,0 0,5 Tabel 4: Nyttevirkning af biostokerkedel. Ud fra simulerede timeværdier er der endvidere i figur 22 optegnet en varighedskurve over nødvendig tilført effekt i tilfældet uden solvarmeanlæg og med solvarmeanlæg på henholdsvis 5, 10 og 15 m² solfanger. Det ses, at det simulerede effektbehov i huset altid er under 5 kw dvs. langt under kedlens nominelle ydelse samt under 30% af den nominelle ydelse altså uden for kedlens afprøvningsområde. Kun i nogle få timer (ved opstart af koldt hus) er effektbehovet større. Det ses endvidere, at tilstedeværelsen af solvarmeanlægget nedsætter eller helt fjerner effektbehovet i den lave ende (dvs. om sommeren), men ikke i den høje ende (om vinteren). Da kedlen især kører med lav effektivitet om sommeren, er der set på, hvor længe fyret kan slukkes om sommeren. 39

Effektkurve - varmebehov 6 5 Effektbehov (kw) 4 3 2 0 m² solfanger 5 m² solfanger 10 m² solfanger 15 m² solfanger 1 0 365 345 325 305 285 265 245 225 205 185 165 145 125 105 85 65 45 25 5 Antal dage Figur 22: Varighedskurve - varmebehov i enfamiliehus. I figur 23 er varmebehovet i løbet af året vist med 3 forskellige størrelser solvarmeanlæg og uden solvarmeanlæg. Da timeværdierne svinger meget inden for kort tid, er der optegnet udjævnede værdier (dvs. effektværdier midlet over 2 døgn). Effektbehov 6 Effektbehov (kw) 5 4 3 2 1 0 20 40 60 80 0 100 120 140 160 180 200 220 Dag Figur 23: Effektbehov (midlet) ved enfamiliehus. 240 260 280 300 320 340 360 0 m² solfanger 5 m² solfanger 10 m² solfanger 15 m² solfanger 40

Ud fra ovenstående er det skønnet, at stokerfyret med rimelighed kan slukkes i de perioder, hvor det midlede effektbehov er under 0,8 kw, idet dette svarer til 148, 157 og 160 dage ved henholdsvis 5, 10 og 15 m² solfanger. De 0,8 er valgt, idet de giver perioder, som svarer til det antal dage, erfaringerne viser, at fyret kan slukkes. I figur 24 er de nye varighedskurver samt varighedskurver optegnet over den nødvendige indfyrede effekt, vist, når der tages hensyn til fyrets virkningsgrad. Besparelser ved stoker - effektkurve 6 5 Middel time effekt (kw) 4 3 2 0 m² solf. Indfyret 5 m² solf. Indfyret 10 m² solf. Indfyret 15 m² solf. Indfyret 0 m² solf. effektiv 5 m² solf. effektiv 10 m² solf. effektiv 15 m² solf. effektiv 1 0 365 345 325 305 285 265 245 225 205 185 165 145 125 105 85 65 45 25 5 Antal dage Figur 24: Varighedskurve over indfyret effekt og sommerstop. Det ses, at slukning af fyret kan medføre store besparelser. I nedenstående tabel 5 og i figur 25 er besparelserne angivet. Tabel 5: Besparelse ved solvarmeanlæg. Uden sommerstop af kedel Med sommerstop af kedel Solfangerareal Solvarme Kedelydelse effektiv Indfyret Besparelse indfyret Kedelydelse effektiv Indfyret Besparelse indfyret m² kwh/år kwh/år kwh/år kwh/år kwh/år kwh/år kwh/år 0 0 16.682 21.914 5 1.703 15.203 20.048 1.865 14.195 17.366 4.547 10 2.932 14.324 18.510 3.404 13.658 16.704 5.210 15 3.881 13.694 17.522 4.392 13.249 16.233 5.681 41

Besparelser ved solvarmeanlæg og stoker med sommerstop kwh/år 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 1000 800 600 400 200 0 0 10 20 kwh/år pr. m² solfanger Besparelse indfyret kwh/år Solvarme kwh/år Besparelse indfyret pr. m² solfanger Solvarme pr. m² solfanger Solfanger m² Figur 25: Besparelser ved solvarmeanlæg og stoker med sommerstop. Det har været diskuteret, om stokerfyret kunne få en bedre drift ved om sommeren at køre med pulsdrift, således at den nødvendige energi blev produceret under større effekt på få tidspunkter i døgnet. Med det nuværende kendskab til biostokeres effektivitet, sådan som det kommer til udtryk ved effektivitetskurven i figur 21 og tabel 4, vil der dog ikke være fordele ved pulsdrift, idet effektiviteten over døgnet bliver omtrent den samme i de to tilfælde. 5.3 Solvarmeanlæg kun til brugsvand Et solvarmeanlæg kun til brugsvand kan anvendes, når der ikke er rumvarmebehov om sommeren. Ydelsen vil være omtrent, som angivet i figur 19 for det separate anlæg, og besparelsen af indfyret energi vil være omtrent som for 5 m² anlægget angivet i tabel 5. 5.4 Økonomisk vurdering Neden for i tabel 6 er angivet en simpel økonomisk vurdering for installation af solvarmeanlæg i forbindelse med træpillefyr. Det skal understreges, at vurderingen er udført overslagsmæssigt med hensyn til anlægspris og besparelser. Der er f.eks. ikke medtaget udgifter til drift. For solvarmeanlægget er der regnet med det normale solvarmetilskud på 4 kr./kwh, og fra prisen er trukket den varmtvandsbeholder, som ellers skulle have været der. 42

Det ses her, at der er bedst økonomi i et lille solvarmeanlæg, og såfremt man kan klare sig uden rumvarme om sommeren, kan dette være et solvarme-brugsvandsanlæg. Det ses endvidere, at på trods af den billige træpillepris kan der selv ved et af de mest effektive træpillefyr, som beregningen er udført for, opnås en tilbagebetalingstid på under 20 år. Solvarmeanlæg Tabel 6: Økonomi ved solvarmeanlæg. Træpillepris 0,25 kr./kwh Solfanger areal Træpilleforbrug Besparelse kr. m² kwh/år kwh/år kwh/år kr./år kr. kr. år 0 15.880 21.914 5 15.880 17.366 4.547 1.137 37.478 19.468 17 10 15.880 16.704 5.210 1.302 52.074 29.147 22 15 15.880 16.233 5.681 1.420 64.665 37.943 27 *) og efter fradrag for alternativ varmtvandsbeholder Besparelse træpiller Merpris solfanger (incl. Moms) Merpris solfanger efter tilskud *) Simpel tilbagebetalingstid Tilbagebetalingstid Vamebehov (rum+vv) I tabel 7 er angivet skønnet økonomi for den samlede installation, og det ses her, at kombinationen med solvarme ikke forøger tilbagebetalingstiden væsentligt. Komplet installation Tabel 7: Økonomi ved komplet installation. Træpillepris 0,25 kr./kwh Oliepris 0,6 kr./kwh Merpris solfanger efter tilskud *) Kedel efter tilskud Solfanger areal Olieforbrug Træpilleforbrug Besparelse Anlæg i alt m² kwh/år kwh/år kr./år kwh/år kr./år kr./år kr. kr. kr. år 0 15.880 19.850 11.910 0 15.880 21.914 5.478 6.432 0 48.000 48.000 7 5 15.880 17.366 4.342 7.568 19.468 48.000 67.468 9 10 15.880 16.704 4.176 7.734 29.147 48.000 77.147 10 15 15.880 16.233 4.058 7.852 37.943 48.000 85.943 11 *) og efter fradrag for alternativ varmtvandsbeholder Vamebehov (rum+vv) 43

5.5 Konklusioner sol/træpillefyr På baggrund af ovenstående uddrages følgende vedrørende kombinationen af biostoker med solvarme. Et moderne biostokerfyr har ikke fordel af at lagre varme fra fyret, men såfremt fyret kan slukkes helt i perioder, er der store besparelser ved dette. Et biostokerfyr kan således kombineres med et separat solvarmeanlæg enten kun til brugsvand eller til kombineret brugsvands- og rumopvarmning. For et separat brugsvandsanlæg er en størrelse på ca. 5 m² solfanger passende. For et kombineret anlæg vil det være en fordel med et anlæg, der kan lagre solvarme til rumopvarmningen f.eks. anlægstype Østrig A (figur 4) med solfangerarealer på 7 10 m². Overslag for tilbagebetalingstiden for en kombination med et solvarmeanlæg kan være under 20 år. For den samlede kombination er der ikke stor forskel i tilbagebetalingstiden, om anlægget kombineres med solvarme eller ej. 44

6 Driftsproblemer I det følgende skal der ses på specielle driftsproblemer, som forventes at kunne forekomme for anlægstypen. 6.1 Kogning i solfangerkreds I anlægstyperne beskrevet i nærværende rapport, er en af bestræbelserne, at solvarmeanlæggget skal udstrække perioden, hvor solvarme kan klare opvarmningen så længe som muligt. Dette medfører større solvarmeanlæg end normalt og dermed større risko for kogning i solfangerkredsen, når der ikke er noget varmebehov. Der skal derfor i det følgende drøftes forskellige muligheder for at håndtere kogningsrisikoen. Ved mindre solvarmeanlæg ses ofte, at anlægget gives mulighed for at levere solvarme til radiatorkredsen, hvis der er fare for kogning. Denne løsning anses imidlertid ikke for særlig sikker (da radiatorerne normalt vil lukke, hvis der ikke stilles på radiatortermostaten), ligesom det medfører dårlig komfort i huset. En anden mulighed er natkøling, hvor styringen starter solfangerkredsen om natten, således at den del af tanken, der er berørt af solfangerkredsen, kan afkøles. Dette bevirker ofte, at solfangeren dagen efter ikke når at bringe lageret op på kogningstemperaturen igen. Køling kunne eventuelt også ske ved at starte kedelkredsen således, at kedlen opvarmes af solvarmen. Med det benyttede solfangerareal på 12 m² og de benyttede varmetab er der imidlertid ved simuleringerne ikke fundet for høje temperaturer i solfangerne, selvom der ikke er opvarmnings- eller varmtvandsbehov. Dette skyldes, at hvis solfangeren er overdimensioneret om sommeren, så vil det store lager (ved kombinationen af en stor lagringskapacitet og større varmetab) holde de maksimale temperaturer nede. Det vurderes dog, at anlæg af den pågældende type vil være i farezonen for kogning, og at dette problem bør løses i anlægsopbygningen. En anden løsning af kogningsproblemet er tømning af solfangerkredsen (drain back), som det ses i anlægget fra Sol & Træ (se figur 3 og figur 10). Styringen sørger simpelt hen for, at solfangerkredsen tømmes, når temperaturen bliver for høj, idet solfangerkredsens indhold drænes tilbage i en tømmebeholder. I løsningen fra Sol & Træ benyttes vand uden glykol i solfangerkredsen, og ulempen ved denne løsning er, at solfangerkredsen altid skal udføres med tilstrækkeligt fald tilbage til tømmetanken, så der ikke er mulighed for frysning om vinteren. 45

Løsningen med drain-back kunne eventuelt også udføres med glykol i solfangervæsken således at væsken selv koger over i tømmebeholderen, hvis ikke al væsken kan drænes ud. Denne løsning indebærer imidlertid afkogning af glykol, hvilket ikke kan anbefales, da det formentligt nedbryder denne. Drain back anlæg bør således kun udføres med rent vand. I drain back løsningen med rent vand er der endvidere den mulighed, såfremt højdeforholdene tillader det, at køre med vandet fra centralvarmekredsen direkte i solfangeren. Derved kunne varmeveksleren i solfangerkredsen og pumpen i sekundærkredsen spares. Det er i sidstnævnte tilfælde vigtigt, at solfangerkredsen udformes som et lukket system (dog med sikkerhedsventil), således at ilttilførsel ikke forekommer. Se f.eks. ref. 7. Endelig er der den sidste mulighed, som fra 1. januar 2001 indføres som krav ved typegodkendte solvarmeanlæg i Danmark, at udføre solvarmekredsen således, at solfangerens væskeindhold ved kogning trykkes over i ekspansionsbeholderen. Når solfangeren bliver kold igen, og trykket falder, trykkes væsken automatisk tilbage fra ekspansionsbeholderen. Selvom den sidste løsning i et vist omfang kan medføre høje temperaturer og kogning af solfangervæsken, vil denne være at foretrække, da det vil være vandfasen, der fordamper og ikke glykolen. Det er dog op til en nærmere vurdering, om solfangervæsken kan klare forholdene. De fleste solfangervæsker reagerer på for høje temperaturer ved at blive stærkt aggressive, og ved kogning kan der udskilles produkter, som ikke opløses igen og derfor tilstopper rør i solfangeren eller solfangerkredsen. Det vurderes her (indtil yderligere erfaringer er indhøstet), at det mest hensigtsmæssige vil være at forsøge så vidt muligt at undgå kogning ved at køre med tilstrækkelig højt tryk i solfangerkredsen (men ikke for højt) samt at indføre natkøling ved hjælp af styringen, samt at benytte løsningen med at solfangervæsken trykkes tilbage i ekspansionsbeholderen. 6.2 Returtemperatur I ref. 5 er angivet beregninger, der viser, hvorledes solvarmeanlæggets ydelse afhænger af returtemperaturen fra radiatorerne. For et centralvarmeanlæg med høje returtemperaturer kan det således være nødvendigt med dobbelt så stort solfangerareal for at opnå samme ydelse som ved et centralvarmeanlæg med lave returtemperaturer. For solvarmedelen er det derfor vigtigt, at anlægget kombineres med bestræbelser på at holde returtemperaturen fra radiator- eller gulvvarmeanlægget nede. 46

I tostrengede radiatoranlæg med radiatortermostater vil returtemperaturen i de fleste normalt dimensionerede radiatorsystemer være lav i de perioder, der er relevante for solvarmeanlægget (vinter er ikke så vigtigt, da solvarmeanlægget i alle tilfælde ikke yder så meget her). Dette gælder dog kun, hvis alle ventiler er indstillet korrekt, således at der ikke er en eller flere, der kortslutter f.eks. ved at være fuldt åben på grund af, at radiatoren er anbragt under et åbentstående vindue, eller ved at der er anbragt et omløb i systemet. Lave fremløbstemperaturer er ikke nødvendigvis forudsætning for lave returtemperaturer, men begrænser risikoen for høje returtemperaturer ved fejl ( kortslutning ). Det anses derfor anbefalelsesværdigt dels af hensyn til solvarmeanlægget men også i øvrigt, at der er styring af fremløbstemperaturen ved hjælp af udetemperaturføler eller rumføler og blandeventil. Sidstnævnte sikrer dog stadigvæk ikke, at der altid er så lave returtemperaturer som muligt. Midler hertil kan være termostatventiler, der lukker flowet ned, hvis temperaturen er for høj. Det bedste er en ventil ved udløb af hver radiator. I forbindelse med dette projekt anses den indtil videre bedste løsning at være, at centralvarmeanlægget opfylder følgende krav: Tostrenget anlæg Rimelig radiatordimensionering eller gulvvarme Fremløbstemperaturstyring ved udeføler eller rumføler samt blandesløjfe Max. flow-begrænser i centralvarmekreds (se senere) Samt styring, der registrerer returtemperaturen fra radiatorer (eventuelt temperaturen i bunden af beholderen) og advarer (rød lampe eller lignende), når denne er for høj. (Eventuelt termostatventil ved udløb af radiatorer). 6.3 Opblanding i tank I projektet (ref. 1) er det ved anlæg med brændekedel registreret, at driften ofte er således, at brændekedlen først tændes, når huset er afkølet i forhold til den temperatur, radiatortermostaterne er indstillet til. Dette medfører, at radiatortermostaterne ved optænding står vidt åbne med deraf følgende maksimalt flow i centralvarmekredsen. Det er ofte set, at dette flow er så stort, at det nedbryder temperaturlagdelingen i lagertanken, hvilket dels betyder, at det tager længere tid for huset at blive varmet op, samt at solvarmeanlægget får dårligere driftsbetingelser. Det er derfor meget påkrævet, at systemet indrettes, så denne situation undgås. Dvs. det maksimalt tilladelige flow i centralvarmekredsen gennem lageret må indrettes således, at dette ikke nedbryder lagdelingen i tanken. 47

For normale enfamiliehuse vil det nødvendige flow ofte være under 10 liter/min., og indløbene i tanken må indrettes, så et flow på denne størrelse ikke forårsager opblanding i tanken. Dette sikres enten ved, at indløbene har tilstrækkelig stor dimension, eller at der opsættes indløbsanordninger inden i tanken, f.eks. T-stykker eller parallelle plader, som angivet i ref. 6. Som tommelfingerregel kan siges, at indløbet i tanken skal forløbe vandret, og at den maksimale hastighed i væsken ikke må overstige 3 cm/sek. I figur 26 er angivet den nødvendige lysningsdiameter i indløbsrøret for at overholde dette ved forskellige flow. Nødvendig lysningsdiameter for at undgå opblanding Lysningsdiameter (mm) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 Indløbsflow (liter/min) Maksimal vandret væskehastighed 3 cm/sek Figur 26: Lysningsdiameter for indløb. Det ses af figuren, at ved de fleste forekommende maksimale flow i radiatorkredsen vil de normalt anvendte rørdiametre være for små, hvorfor der må udføres et specielt indløbsarrangement. Der haves gode erfaringer med et arrangement, som vist i figur 27. 48

Figur 27: Indløbsarrangement (fra ref. 6). Såfremt anlægget er opbygget med en ekstern varmeveksler til solfangerkredsen eller en ladekreds til brugsvandsbeholder eller brugsvandsvarmeveksler, som vist f.eks. i figur 4, må det ligeledes her sikres, at flowet ikke forårsager opblanding i tanken. I solfangerkredsen køres der ofte med flow mellem 0,2 og 0,75 liter/min. pr. m² solfanger. Ved et anlæg med 12 m² solfanger er flowet således mellem 2,4 og 9 liter/min. For ladekredsen til brugsvandet kan det ved en brugsvandsvarmeveksler være nødvendigt med et flow på 30 liter/min., og der må således også her udføres specielle indløbsarrangementer. Selvom det forhindres, at lagdelingen nedbrydes i tanken, vil det store radiatorflow ved opstart af fyret imidlertid også bevirke, at returtemperaturen fra radiatorerne bliver høj, hvilket som nævnt er uheldigt for solvarmeanlæggets ydelse. Det er vanskeligt at vurdere, hvor meget dette betyder for solvarmeanlæggets ydelse, da det bl.a. afhænger af, hvor ofte situationen forekommer. Det ville dog være godt, hvis det maksimale flow i centralvarmekredsen blev reguleret så langt ned, at der i opstartsituationen fortsat var en god afkøling over radiatorerne. Dette kan imidlertid gå ud over, hvor hurtigt huset kommer op på ønsket temperatur. Hvis denne tid bliver for lang, kan det overvejes, om det ved opstart skal være muligt at køre retur fra radiatorer uden om lageret til kedlen. Dette kunne eventuelt gøres ved en automatisk funktion, som imidlertid vil fordyre anlægget, og normalt vil det ikke være nødvendigt. Ligeledes må det sikres ved reguleringsventiler eller lignende, at det maksimale flow i centralvarmekredsen ikke kan blive større end forudsat. 49

50

7 Avanceret styring Erfaringer viser, at når flere energikilder kombineres, så er mange af de problemer, som kan opstå, relateret til at få de forskellige komponenters styringer til at fungere optimalt sammen. Det vil derfor være en fordel, hvis den samme styring benyttes for hele anlægget, således at anlæggets samlede funktion er velgennemtænkt. I dette kapitel gennemgås forskellige ønsker til en sådan fælles styring. 7.1 Solvarmeanlæg i kombination med brændekedel Med udgangspunkt i systemopbygningen for Østrig A (figur 4) kan der opstilles følgende ønsker til en integreret styring: Basisfunktioner vedrørende kedel og solvarmeanlæg Start af kedelkreds, når kedlen er blevet varm (80-90 C), og stop af kedelkreds når al varme er overført til lager (dvs. temp. kedel = temp. lager (udløbsniveau). Shunt ved kedel styres af termostatventil eller eventuelt integreret styring, så kedeltemperaturen når 80-90 C. Start og stop af solfanger og sekundærkreds, når solfangeren er varmere end bundlageret. Styring af trevejsventil for indlæggelse af solvarme i top af beholder, hvis temperaturen i sekundærkreds er varmere - ellers nederst i beholder. Styring af brugsvandskreds for ønsket brugsvandstemperatur, når der er brugsvandsbehov. Yderligere funktioner vedrørende kedel- og solvarmeanlæg Køling af tank ved start af solfanger- og sekundærkreds om natten (eventuelt også ved start af kedelkreds). Aflæsning af energiindhold i lager med alarmdisplay for tid for næste indfyring. Tidspunkt for indfyring samt indfyret brændemængde kan måske optimeres og angives i forhold til energiindhold i lager, tilladt natsænkning, sandsynlighed for solvarmetilskud senere på dagen m.v. 51

Basisfunktioner vedrørende varmeanlæg Styring af fremløbstemperatur i varmeanlæg enten ved udetemperaturføler eller rumtemperaturføler. Yderligere funktioner vedrørende varmeanlæg Registrering af returtemperatur fra radiatorer og alarm, hvis denne er for høj (med henblik på høj solvarmeydelse). Begrænsning af flow i radiatorkreds, således at dette ikke overstiger det maksimalt tilladelige for opretholdelse af stratificering. Eventuel omstyring af kedelkreds, således at denne kan gå direkte i radiatorer, når huset hurtigt skal opvarmes (efter nedkøling). (Normalt ikke nødvendigt). 7.2 Solvarmeanlæg i kombination med træpillefyr Der tages også her udgangspunkt i systemopbygningen for Østrig A (figur 4), idet kedel- og solvarmeanlæg dog fungerer mere uafhængigt af hinanden. Basisfunktioner vedrørende kedel og solvarmeanlæg Styring af kedeltemperatur. Start og stop af solfanger og sekundærkreds, når solfanger er varmere end bundlager. Styring af trevejsventil for indlæggelse af solvarme i top af beholder, hvis temperaturen i sekundærkreds er varmere - ellers nederst i beholder. Styring af brugsvandskreds for ønsket brugsvandstemperatur, når der er brugsvandsbehov. Styring af elpatron i solvarmebeholder. 52

Yderligere funktioner vedrørende kedel- og solvarmeanlæg Køling af tank ved start af solfanger- og sekundærkreds om natten (eventuelt også ved start af kedelkreds). Aflæsning af energiindhold i lager med alarmdisplay for tid for næste indfyring. Registrering af energiproduktion fra solvarmeanlæg, elpatron og kedel samt ud fra dette angivelse af, hvornår stoker med fordel slukkes, og hvornår den tændes igen (forår og efterår). Basisfunktioner vedrørende varmeanlæg Styring af fremløbstemperatur i varmeanlæg enten ved udetemperaturføler eller rumtemperaturføler. Yderligere funktioner vedrørende varmeanlæg Registrering af returtemperatur fra radiatorer og alarm, hvis denne er for høj (med henblik på høj solvarmeydelse). Begrænsning af flow i radiatorkreds, således at dette ikke overstiger det maksimalt tilladelige for opretholdelse af stratificering. 53

54

8 Forslag til komponenter 8.1 Sol/brændekedel Et anlæg opbygget svarende til forudsætningerne i kapitel 4 (Østrig A) er vist i figur 28. Anlægget er opbygget med lukket ekspansion i solfangerkredsen. I figur 29 er det samme anlæg vist men som drain-back anlæg og med integreret solfangerkreds og centralvarmekreds. På begge diagrammer er vist en løsning med varmeveksler til varmtvandsproduktion, men opbygningen kan også udføres med en varmtvandsbeholder. Ved løsningen med varmeveksler anvendes en standardvarmeveksler for varmtvandsproduktion ved fjernvarmeanlæg. Denne løsning giver en god afkøling af væsken samt sikrer mod kalkafsætninger i veksleren. En løsning med en varmtvandsbeholder i stedet for en veksler kan også anvendes. En termostatisk ventil må så indstilles, så den dels kan give tilstrækkelig opvarmning og dels kan give god afkøling i kredsen. Anlæggene er optegnet uden integreret styring som omtalt i kapitel 7. Neden for er givet specifikationer for hovedkomponenterne i systemet. Brændekedel Baxi Solo Innova 20 LC Nominel ydelse: 20 kw Magasin volumen: 100 liter (ca. 54 kg brænde) Virkningsgrad - fuldlast: 88,9% Virkningsgrad - dellast: 88,8% Dellast i %: 50% Iltmålerstyring Styring Avanceret styring, som beskrevet i afsnit 7.1, kan måske udvikles, men er ikke vist. Lager Volumen: 1200 liter (Der tillægges dog 10 cm ekstra beholderhøjde som ikke-aktivt volumen) Dimensioner f.eks.: H: 215 cm D: 90 cm 55

Figur 28: Forslag til sol/brændekedelanlæg (principdiagram ekspansion i solfangerkreds). 56

Figur 29: Forslag til sol/brændekedelanlæg (principdiagram drain-back i solfangerkreds). 57

Indløbsplaceringer (Bogstaver henviser til figur 28 og figur 29). A: Beholdertop H = 215 cm over bund B: ca. ¼ fra top H = 160 cm over bund C: 150 liter solopvarmet H = 40 cm over bund D: Beholderbund H = 5 cm over bund E: H = 35 cm over bund F: Beholderbund H = 5 cm over bund Solfangere Ca. 12 m² med selektiv overflade og et dæklag. Varmtvandsvarmeveksler Der anvendes en varmeveksler for fjernvarme. Pumpekredsen styres af en flow-switch. Veksler i solfangerkreds Pladevarmeveksler med kapacitet 12*50 W/K temperaturforskel. Ekspansionsbeholder i solkreds Skal kunne indeholde solfangerens væskevolumen + 10% af resten af væsken i solfangerkredsen. Flow i solfangerkredsen 0,2 l/min.12 = 2,4 l/min. (low flow) 8.2 Solvarme/træpillefyr 8.2.1 Separat solvarmeanlæg og træpillefyr Anlægget opbygges som vist i figur 8. Der er ikke optegnet yderligere principdiagram, idet anlægsopbygningen er standard. Neden for er givet specifikationer for hovedkomponenterne i systemet. Stokerkedel Baxi Multi-Heat 1,5 Nominel ydelse: 15 kw Magasin volumen: 200 liter Virkningsgrad - fuldlast: 89% Virkningsgrad - dellast: 86% Dellast i %: 50% Iltmålerstyring 59

Styring Avanceret styring, som beskrevet i afsnit 7.2, kan måske udvikles. Solvarmeanlæg Ca. 5 m² solfanger og 160-250 liter beholder. 8.2.2 Solvarme- rumvarmeanlæg i kombination med træpillefyr Anlægget opbygges f.eks. som kombinationen med brændekedel, der er beskrevet oven for (figur 28 og figur 29), hvor stokerkedlen indsættes på brændekedlens plads, og hvor dimensioner på lagertank f.eks. er: Lagertank Volumen: 600 liter (Der tillægges dog 10 cm ekstra beholderhøjde som ikke aktivt volumen) Dimensioner f.eks.: H: 200 cm D: 65 cm Indløbsplaceringer (Bogstaver henviser til figur 28 og figur 29). A: Beholdertop H = 200 cm over bund B: H = 135 cm over bund C: Suppl. volumen ca. 250 l. H = 120 cm over bund D: Beholderbund H = 5 cm over bund E: H = 105 cm over bund F: Beholderbund H = 5 cm over bund Solfangere Ca. 12 m² med selektiv overflade og et dæklag. 60

9 Videreudvikling Samsø 9.1 Anlægsinstallation Samsø Som en del af dette projekt, og projektet beskrevet i ref. 5, blev der i 1999 opført et anlæg efter principperne i afsnit 8.1 (anlægsopbygning som vist på figur 28). I stedet for en kombination med en brændekedel var anlægget til at starte med kombineret med en brændeovn med gris. Lagertanken er derfor mindre nemlig 750 liter. Der er dog siden udvidet med brændekedel. Der er 16 m² solfanger. Som en del af projektet beskrevet i ref. 1, er der endvidere opsat energimålere til simpel måling af energistrømmene. Beboerne har aflæst disse ugentligt i 2000. Anlægget er beskrevet i ref. 5. Det endelige design af anlægget er udført af Kildemoes Solvarme, og anlæggets tank har været afprøvet på DTU (ref. 10). I figur 30 og figur 31 er energimængderne vist som daglige energimængder (middelværdi af ugeaflæsning) samt summeret over året. Endvidere er vist de med beregningsprogrammet Kviksol beregnede solvarmeydelser ud fra referenceårets vejrdata, men med et årligt brugsvands- og rumvarmeforbrug som målt. I figur 30 er endvidere vist forholdet mellem målt solindfald ved Danmarks Tekniske Universitet i Lyngby og solindfaldet i referenceåret, som er benyttet i beregningerne. Erfaringer fra målingerne er: Det ses, at anlægget i det store og hele har ydet som forventet. Dog har ydelserne har været mindre end beregnet i de perioder, hvor det målte solindfald har været mindre end i referenceåret, og ydelserne har været større i de perioder, hvor de målte solindfald har været større end i referenceåret. Endvidere har ydelserne været større end beregnet hele sommeren, hvilket skyldes at det målte rumvarmeforbrug om sommeren har været større end benyttet i beregningerne. En del af det højere rumvarmeforbrug om sommeren skyldes, at beboerne af frygt for kogning i solfangerkredsen om sommeren i perioder har haft radiatorkredsen kørende ved maksimalt flow. Dette har ved manglende pasning bevirket, at temperaturen i perioder i toppen af beholderen er faldet, og elpatronen har sat ind. Ligeledes har det fået beboerne til at tænde op i brændeovnen. Jf. ovenstående har en del af rumvarmeforbruget om sommeren således ikke været reelt, men det kan ikke vurderes, som solvarmeanlægget alene ville kunne have klaret opvarmningen om sommeren. 61

Problemet vil formentlig være løst ved at designe solfangerkredsen, så kogning kan tolereres, samt eventuelt med flowbegrænser på radiatorkredsen. Det kan endvidere ses af målingerne, at der har været en god temperaturstratificering i tanken. Endvidere har varmtvandsproduktionen ved hjælp af varmeveksleren fungeret godt. Energimålinger Samsø kwh/døgn Rumvarme+brugs vandsforbrug kwh/døgn 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00-100 0 100 200 300 400 Nr. dag i året 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Forhold mellem målt solindfal og reference solindfald Brugsvandsforbr. sol+brænde+el ydelse sol+brænde ydelse Solydelse Sol Brutto beregnet Sol netto beregnet Forhold mellem målt sol og sol referenceår Figur 30: Energimålinger på Samsø (døgnmiddelværdier). 62

Energimålinger Samsø - summeret Rumvarme+brugs vandsforbrug kwh i alt 20000 18000 0,4 0,35 16000 14000 0,3 12000 0,25 10000 0,2 8000 0,15 6000 4000 0,1 2000 0,05 0 0-200 0 200 400 Nr. dag i året Summeret dækningsgrad (%) Brugsvandsforbr. sol+brænde+el ydelse sol+brænde ydelse Solydelse Sol Brutto beregnet Sol netto beregnet DG summeret Figur 31: Energimålinger på Samsø (summeret). 9.2 Produktion af anlæg på Samsø Opførelsen af anlægget på Samsø har medført interesse for denne type anlæg, og et lokalt maskinværksted (Brdr. Stjerne) er derfor ved at starte en produktion af anlægstypen. I Samsøs plan om at blive 100% selvforsynende med vedvarende energi indgår, at beboelser uden for de kollektive forsyningsområder i videst mulig omfang opvarmes med solvarme i kombination med biobrændsel. Da også biobrændsel er en begrænset ressource på Samsø, er der endvidere behov for, at solvarmeanlæggene udføres med så stor solvarmedækningsgrad som muligt. Man har fået midler fra Grøn Jobpulje til igangsætning af produktionen, og der planlægges opsætning af 12 demonstrationsanlæg inden for det næste halve år. Der planlægges anlæg både med og uden lagring af varmen fra biokedlen. Der er endvidere startet en produktion af solfangere på licens fra Batec Solvarme. 63

Referencer 1. Erfaringer fra målinger på kombinerede solvarme- og biobrændselsanlæg Af Line Louise Overgaard, Klaus Ellehauge, Arne Sæbye SolEnergiCentret, Teknologisk Institut, 2000. 2. Fyring med biomasse, Installationsvejledning Træfyring/Solvarme Det Fynske Energi- og Miljøkontor, 1995. 3. Varme fra Træ & Sol, Konkurrencemateriale Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi, 2000-11-17. 4. IEA SHC-Task 26, Solar Combisystems in Austria, Denmark, Finland, France, Germany, Sweden, Switzerland, the Netherlands and USA, Overview 2000. Dansk deltagelse SolEnergiCentret, Teknologisk Institut. 5. Aktive solvarmeanlæg med større dækning af husets samlede varmebehov udredning og skitseprojekter. Af Klaus Ellehauge, Troels Kildemoes Møller & Hans Jacob Jacobsen Solenergi Center Danmark, Teknologisk Institut, November 1999. 6. Forbedring af varmelagre til mellemstore solvarmeanlæg. Af Peter Fagerlund Carlsson, S. Odgaard Mikkelsen Laboratoriet for Varmeisolering, DTU, Københavns Kommunes Rådgivende Ingeniørkontor, 1995. 7. Lise Boye-Hansen og Simon Furbo: Solvarmeanlæg med tømning, Laboratoriet for Varmeisolering, DTU, Meddelelse nr. 275, marts 1995. 8. Installationsvejledning træfyring/oliefyring Af Arne Sæbye Udarbejdet for Energistyrelsen, J.nr. 51161/96-0041 Dansk Teknologisk Institut, Taastrup, 1997. 9. Willie L. Dutré: CEC: Simulation of Thermal Systems, A modular Program with an Interactive Preprocessor (EMGP3), Katholieke Universiteit Leuven, Belgium, 1991. 10. Udvikling af brugsvand-/rumvarmeanlæg med stor dækningsgrad. Af Niels Kristian Vejen Sagsrapport SR-9915, Institut for Bygninger og Energi, DTU, (ISSN 1396-402X), 1999. 64

11. Evaluation of Solar Thermal Combisystems for The Swedish Climate Af Klaus Lorenz, Chris Bales and Thomas Persson Solar Energy Research Center SERC, EKOS, Högskolan Dalarna Paper ved Eurosun 2000, København 2000. 12. Bio-sol pannan, brochure fra Stocksbroverken AB, Sverige 13. Træ til energiformål - teknik - miljø - økonomi udarbejdet af Videncenter for halm- og flisfyring 2. udgave, 1999, ISBN 87-80074-24-6 Teknologisk Institut, Århus. 14. Beskrivelse af /manual til programmet Biofuel TI (Arne Sæbye eller Husain Gorei). 15. Klaus Ellehauge: Målinger på solvarmeanlæg til kombineret brugsvands- og rumopvarmning, 5 markedsførte anlæg installeret hos anlægsejerne, Meddelelse nr. 255, Laboratoriet for Varmeisolering, DTU, 1993. 16. Klaus Ellehauge: Solvarmeanlæg til kombineret brugsvands- og rumopvarmning, Udvikling af konkurrencedygtige anlæg, Beregninger samt målinger på forsøgsanlæg, Meddelelse nr. 223, Laboratoriet for Varmeisolering, DTU, 1991. 17. Dansk deltagelse i IEA Task 26 Solar Combi Systems. Se f.eks. internetadresse www.iea-shc.org/task26/. 18. Niels Kristian Vejen: Undersøgelse af solvarmeanlæg til rum- og brugsvandsopvarmning for Sol & Træ v. NNR, Institut for Bygninger og Energi, DTU, SR-9803, 1998. 19. Niels Kristian Vejen: Undersøgelse af solvarmeanlæg til rum- og brugsvandsopvarmning for grundejerforeningen Bakken, Institut for Bygninger og Energi, DTU, SR-9821, 1998. 20. BPS publikation nr. 94: VVS-detaljer, solvarmeinstallationer - varmt brugsvand - store anlæg, 3. udgave, PBS-centret, Dansk Teknologisk Institut, Byggeri, november 1996. 21. Ændringer og tillæg til: Priskatalog for større solvarmeanlæg til brugsvandsopvarmning PBS-centret, Dansk Teknologisk Institut, Byggeri, november 1996. 65

22. Svend Erik Mikkelsen og Leif Sønderskov Jørgensen: Solvarmeanlæg til rumopvarmning. En udredning baseret på 2 års målinger på anlæg i Greve og Gentofte. Energiministeriets solvarmeprogram, rapport nr. 15. Meddelelse nr. 112, Laboratoriet for Varmeisolering, DTH, 1981. 23. Peter Christiansen og Carsten Wesenberg: Måling på rumvarmeanlæg, Sol til gulvvarme Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi. Udført med støtte fra Teknologirådets Styregruppe for Udvikling af Vedvarende Energi. TR-projektnr. 860436. 24. Thomas Genborg og Jan Erik Nielsen: Målerapport for solvarmeanlæg til rumvarme og brugsvand. Ans Solvarme, Prøvestationen for Solvarmeanlæg, Teknologisk Institut, oktober 1989. 25. Idékonkurrence om varmeanlæg til lavenergihuse udskrevet af Teknologirådets Styregruppe for Vedvarende Energi, Industri- & Handelsstyrelsen. Konkurrencesekretær: Prøvestationen for Solvarme, Dansk Teknologisk Institut. 26. Henrik Lawaetz: Radiatordimensionering, Varme- og Installationsteknik, Teknologisk Institut, 1984. 27. Lars Hallgreen og Otto Paulsen: Lavtemperatur varmeanlæg, dimensionering af radiatorer, Varmeteknik, Teknologisk Institut, 1982. 28. Solvarmeoversigten, fås på Solenergicentret Danmarks hjemmeside http://www.solenergi.dk/center/oversigt/. 29. Arcon Solvarme: Energi i det nye årtusinde, pris- og systemmappe, april 1998. 30. Bernt J. Hansen, Kristian Kærsgaard og David Tveit: Sammenkobling af solvarmeanlæg med eksisterende varmeanlæg, Dansk Teknologisk Institut, Energi, marts 1998. 31. Peter Fagerlund Carlsson: Større low flow solvarmeanlæg - lagerudformning og cirkulationsledningens indflydelse på temperaturlagdelingen i beholderen. Meddelelse nr. 252, Laboratoriet for Varmeisolering, DTH, april 1993. 66

67

Symboler A sol : Solfangerareal [m²] V: Volumen [m³] solfanger brugsvandstank Pladevarmeveksler varmeveksler kedel m. fast ydelse elpatron gulvvarme 4-vejs ventil 3-vejs ventil 2-vejs ventil termostatisk ventil pumpe lagertank radiatorer temperaturføler tappesteder varmemedium/brugsvand antifrostvæske tømmetank krydsende rør u. forbindelse kedel m. variabel ydelse krydsende rør m. forbindelse 68

69

Bilag 1: EMGP3 beregningsforudsætninger Ved beregningerne af ydelserne er benyttet solvarmesimuleringsprogrammet EMGP3 (European Modelling Group Programme 3) (ref. 9). Dette beregningsprogram er udviklet i begyndelsen af 1980 erne som en del af EU s solvarmeprojekter i et samarbejde mellem EU-landene. Programmet er modulopbygget, således at de solvarmeanlæg, der simuleres, kan sammensættes ud fra en lang række komponenter, som findes i programmet (solfangerelement, rørelement, lagerelement osv.). Programmet har gennemgået en omhyggelig validering, således at hver komponent så vidt muligt er valideret for sig. Desværre vedligeholdes programmet ikke mere, og er derfor ved at gå ud af brug. Fremtidige simuleringer vil således hovedsageligt foregå i simuleringsprogrammet TRNSYS. Figur 32: Eksempel på modelopbygning Østrig A. I figur 32 er modelopbygningen af system Østrig A vist. Modelkomponenterne har numre, som er angivet ved den enkelte komponent. 1 er huskomponenten, 2 er kedlen, 57 til 76 er lagene i lagertanken, mens 26 til 28 er solfangeren. I trekanter er angivet eksterne funktioner, som påtrykkes systemet, f.eks. solindfald på solfanger (6) og solindfald gennem vinduer (2, 3, 4) eller varmetilførsel kedel (5). Yderligere specifikationer vedrørende beregningerne kan rekvireres ved henvendelse til forfatterne. 70

71

Bilag 2: Referencehus Modelopbygningen af huset er således, at det årlige energibehov er ca. 17.700 kwh, hvoraf ca. 2.700 kwh antages brugt til opvarmning af det varme brugsvand (svarer til 160 liter pr. døgn opvarmet fra 10 til 50 C). For et hus på ca. 150 m² svarer det således til et energiforbrug på ca. 100 kwh/m²/år til rumopvarmning. Der er således ikke tale om et lavenergihus, men om et hus af gennemsnitlig stand og med fornuftig (efter-) isolering. Data for referencehus: Varmetabskoefficient: Termisk kapacitet: Gratis varme (personer, eludstyr m.v.): 211 W/K 50 MJ/K 10 kwh/døgn Vinduesarealer (syd/øst/vest): 9 + 4+ 4 m² Energibehov for referencehus: Transmissions- (og ventilations)tab: Gratis varme: Solindfald gennem vinduer (i alt 5.880 kwh/år, heraf udnyttes): Varmt vand: I alt: 22.000 kwh/år -3.650 kwh/år -3.350 kwh/år 2.700 kwh/år 17.700 kwh/år Radiatorer Der er regnet med et 2-strengsanlæg, hvor radiatorerne simuleres med en konstant varmeafgivelseskoefficient på 225 W/ K svarende nogenlunde til et radiatorsystem med 60 C fremløb og 40 C retur ved en udetemperatur på -12 C. I simuleringerne er indetemperaturen sat til 20 C. Fremløbstemperaturen til radiatorerne er temperaturen i kedlen (sat til 60 C), eller den er lig med temperaturen i solvarmeanlægget, hvis fremløbet kører uden om kedlen. Der er således ikke shunt eller vejrkompenseret styring af fremløb. Flowet i radiatorkredsen styres af en termostatisk ventil, som er helt åben ved 19 C og helt lukket ved 21 C. 72

73