Individuelle gasdrevne varmepumper Delrapport, Gasmotordrevne varmepumper
Projektrapport Februar 1998
Individuelle gasdrevne varmepumper Delrapport, Gasmotordrevne varmepumper
Projektrapport Februar 1998
Individuelle gasdrevne varmepumper Delrapport, Gasmotordrevne varmepumper
Malene Nielsen
Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1998
Titel
Individuelle gasdrevne varmepumper- Delrapport, Gasmotordrevne varmepumper
Rapport kategori
Projektrapport
Forfatter
Malene Nielsen
Dato for udgivelse
Februar 1998
Copyright
Dansk Gasteknisk Center a/s
Sagsnummer
715.20; H:\715\20\MNI Rapport-vannepumper.doc
Sagsnavn
lndividuelle gasdrevne varmepumper
ISBN
87-7795- 140-9
For ydelser af enhver art udfØrt af Dam·k Gasteknisk Cemer a/s (DGC) gælder: DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige bes1e1nme/ser for teknisk rådgivning & bisrand (ABR 89)", som i øvrigt anses for vedtage! for opgaven.
•
Cif
•
at erstatningsansvaret forfejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. an-
svctrspådragende fejl ellerforsømmelse og altid IJegrænses til .l 00% cif det vederlag, som DGC Ila r modtage/ for den pdgældende ydelse. Rekviremen holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der mårre overstige DG C's hæftelse. •
DGC skal • uden begrænsning · omlevere egne ydelser i forbindelse med fejl og forsømmelser i DGC's materiale.
al
Juli 1997
DGC-rapport
Indholdsfortegnelse
1
Side
l Forord ..... ... .... ....... .. .... ................ ...... .......... ..... .. ... ........ ...... ... ... ... .. ...... ............... .... ... ..... ........ ...... 3 2 Resume og konklusion ....... ....... .. .... ....... ... .. ... ... .. .... ... ... ... .... ....... ........ .. ... ... ... ... .... .... ... .. ... .. ...... ... 4 3 Englis h Summary .................. .... .... ........... ....... .... ...... .. .. ... ........... ...... ... ...... ......... .. ... .... ... .. .. ......... 6 4 Indledning .... ..... ....... ....... ... ....... ........ ..... ........... .. .... ..... .. ... ........ ...... ........... ... ........... ....... ... .... ...... 8 4.1 Baggrund ... .... .... ... .... ......... ... .... ... ...... ..... ... ..... ..... ... ........ ..... ... .. ... ........ .... ... ....... .. ... .. ...... ..... ... 8 4.2 Formål .. .......... ..... .... ........... ....... .. ... ... ... .. ..... .".... .. .... ... .. ... ....... ... .. .... ........ .... .. ..... .. ....... .... ...... . 8 5 Gennemførelse og resultat ........ ..... .. ....... ...... .. .. .... .. ..... ...... ... ............ ..... ...... .. .. ..... .. .... ........... .... l O 5 .l Teknologibeskrivelse ................... .... .. ... .. ........ .. ... .. .............. .. ..... ... ... ... ............... ... ..... .. ... .. .. l O 5.1.1 Anlægsopbygning ....... ..... .... .. ..... .. ............. .... ........ ........ ............. .. ....... .. .... .. .. ............ 10 5.1.2 Anlægsopbygning med køling/airconditionering ... ... ......... ..... .... ........... .... ... .... ....... . 11 5 .1.3 Fastlæggelse af dimensioneringsstørrelser for anlægget .................................. .. .. .... . 11 5 .1.4 Driftsdata ........... ........ ........ .. .. .. .. ........... ..... .. .. ............. ...... .. .......... ..... ..... ..... ..... .. ... .. .. 12 5 .1.5 Energimæssige forhold ................... ... .... .... .... ... ............ ..... ... ...... ...... ...... .. ..... .... .. ...... 13 5.1.6 Regulerings- og dellastegenskaber ......... ..... ... .. .... .... .. ..... .. .. ... ........ .. .. ......... ........... ... 14 5.1.7 Serviceoglevetid ........................... .. .. ........ ... .... ... .. ..... .. ........ .. .. .... .. ..... .......... ...... .. ... l5 5.2 Litteraturstudier ... ...... ......... ... ... ...... ............ .... ... .... ... ...... ....... ........ ... .... .. .... ...... .... .. ... ... ..... .. 15 5.3 Leverandørkontakt .... ...... .... ...... .. ........ .... ... ... ... ................ ...... ......... ....... .. .. .. ... .. ...... ... ... ..... .. 15 5.3.1 Gasmotordrevne varmepumpeanlæg ... .. .. .... .... ... .... ..... .......... ... .... .... .......... ... ... .. ..... .. 16 5.3.2 Gasmotorer ..... ... ........... .... .. ...... .... ... ...... .......... ....... ......... .. ... ... ... ........ .. ....... .. ... .... ..... 19 5.4 Miljømæssige forhold .... .. ... .. ... .. .. .. .. .... ... .. .. ... .. ... ... ... ... .. .. ....... ..... ......... .. .. ... ... .. .... ...... .... ..... 20 5 .4.1 Emission ..... ..... ... ... ... .. .. ..... .. ... .. ............ ....... .. ....... .... .. ... ..... .. .............. ...... ....... ..... ..... 20 5.4.2 Støj ......... ... .... ... .... ..... .... .... ..... ..... .... .......... .... ........ .... ... ...... .... ....... .... ..... ... ......... ........ 22 5.5 Økonomi .. .. .................. .. ..... ... .. .. ... .... ..... ..... .. ..... .. ..... ... ....... ...... ...... ... .. .... ....... ....... ............ .. 22 5.5.1 Anlægspris .. .. .. .. .... .... .... ...... .... ...... ... .. .. ........... ........... ....... .... ...... .... .......... ..... ... ..... .... 22 5.5.2 Drifts- og vedligeholdsudgifter.. .. ..... .. ... .... ...... ... ... ..... ... ............ ... .. ....... ......... ... .. ... .. . 22 5.6 Samfundsøkonomisk og miljømæssig analyse ........ .. ...... .. ...... ............... .. .. .... .. ... ..... ........... 23 5.6.1 Generelt .......................... .. .. .. ..... .. .. .. .. .. ... .... ....... ...... ... .... .. .... .. .. ........ ........ .. .. .. ..... ..... . 23 5.6.2 Miljøanalyser ............................. .. ..... .. .... ..... ... ... ........ ......... ... .. ....................... ...... ..... 23 5.6.3 Privatøkonomiske analyser ... ... .. ..... ............. ... ........ ..... ........ .. .. .. .. .. ........... ........ ......... 24 6 Referencer .. .... .. ... ... ........ .. ... .. ... ....... .. ... ...... .. ... ... .. .. .................. .......... ............... ...... ......... .. .. ... ... 26
DGC-rapport
BILAG l. Eksempel på anlægsopbygning med seks forskellige driftssituationer
2
DGC-rapport
3
1
Forord
Denne rapport udgør en delrapport under projektet "Individuelle gasdrevne varmepumper". Projektet behandler foruden gasmotordrevne varmepumper absorptionsvarmepumper og stirling/vuilleumier-varmepumper. Der er udarbejdet dels en hovedrapport for projektet og dels mere detaljerede delrapporter for hver af de forskellige gasbaserede varmepumpeteknologier. Projektrapporteringen omfatter således følgende: • Gasdrevne varmepumper
Hovedrapport
• Små gasmotordrevne varmepumper
Delrapport
• Absorptionsvarmepumper
Delrapport
• StirlingNuilleumier varmepumper
Delrapport
• Samfundsøkonomisk og miljømæssig analyse
Delrapport
Følgende har deltaget i projektarbejdet: • DTI, Tåstrup, Prøvestation for varmepumpeanlæg (Projektleder), ved H. C. Aagaard og Claus Poulsen
• DTI, Tåstrup, Energiteknik, ved Bernt Hansen • DTU, Institut for Energiteknik, ved Henrik Carlsen og H. J. Højgaard Knudsen
• Dansk Gasteknisk Center a/s, ved Malene Nielsen og Allan Laursen • RAMBØLL, ved Morten Blarke Denne rapport er kvalitetssikret af Bjarne Spiegelhauer, DGC. Projektet er finansieret af: • Energistyrelsen under "Udviklingsprogrammet for vedvarende energi mv." • Gasselskabernes Fagudvalg for mindre anlæg (FAU l) • DTI, Energi
~t-Jld~
l3~
M alene Nielsen
Bjarne Spiegelhauer
Projektingeniør
Afdelingschef
Afd. for Gasanvendelse
Afd. for Gasanvendelse
DGC-rapport
4
2
Resume og konklusion
Der har ikke hidtil været installeret gasmotordrevne varmepumper med varmeydelse mindre end ca. 30 kW i Danmark. Der er imidlertid efter omfattende udviklingsaktiviteter på området installeret mange sådanne enheder i både Japan og USA. I J ap an er over l 00.000 gasmotordrevne varmepumper installeret, hvoraf en stor andel har varme-/kuldeydelse på <30 kW. I USA er en 18 kW enhed installeret i over 2.000 stk. Varmepumpeenhederne er primært udviklet for aircondition, men en lang række driftssituationer med produktion af varme, varmt vand og kulde er mulige. I dette projekt betragtes og vurderes anvendelse af gasmotordrevne varmepumpeanlæg i et parcelhus. Som udgangspunkt er antaget en nominel varmepumpeydelse på 6-7 kW. Ud fra field- og laboratorietest skønnes en effektfaktor på c a. l ,2 at kunne opnås, når en gasmotordrevet varmepumpeenhed benyttes til varmeproduktion. Vurdering af årsnyttevirkningen for en gasmotordrevet varmepumpe er forbundet med stor usikkerhed, men i forbindelse med miljømæssige analyser er årsnyttevirkningen skønnet at være l, l. Alle data gælder for varmeoptagelse fra udeluft Litteraturen redegør for en række emissionsmålinger på gasmotordrevne varmepumper i det aktuelle effektintervaL Ud fra denne skønnes emissionsniveauerne at være flg.:
•
CO
25
mg/M J
• NOx
235
mg/MJ
• UHC
1240
mg/MJ
• COz
56,9
kg/GJ
Støjniveauet for en gasmotordrevet varmepumpe er ca. 55 dB(A). RAMBØLL har foretaget miljømæssige analyser /2/. Analyserne viser, at NOx-emissionen vil være flere gange højere ved anvendelse af gasmotordrevne varmepumpeanlæg end ved fx konventionelle gaskedelanlæg.
s
DG C-rapport
Installeret pris for en gasmotordrevet varmepumpe er i USA ca. 8.000 USD for en J8 kW enhed ( 1994). Ud fra prisindeks forventes prisen i Danmark at være ca. 67.000 kr. Energistyrelsen yder tilskud til varmepumpeanlæg på 15%. Drifts- og vedligeholdsudgifter er vurderet til at være ca. 2.000 kr./år. Samfunds- og privatøkonomiske analyser er foretaget af RAMBØLL viser, at et gasmotordrevet varmepumpean læg har betydeligt længere tilbagebetalingstid end såvel gaskcdler, som de øvrige betragtede gasdrevne varmepumpeteknoiogier. Tilbagebetalingsti.den er bestemt tiJ ca. l 00 år. De masseproducerede mjndre gasmotordrevne varmepumeenheder fra Japan og USA skønnes, på baggrund af de økonomiske vurderinger, således at være uegnet, når der udelukkende er behov for varme. Enhederne vil i højere grad kunne have sin berettigelse i forbindelse med samtid ig varme- og ku ldebehov.
DGC-rapport
6
3
English Summary
Until now, gas engine heat pumps with beating capacity lower than approx. 30 kW have not been instalied in Denmark. However, foliowing extensive development activities in the field, a large number of such units has been instalied in both Japan and USA. In Japan, morethan 100,000 gasengine heat pumps have been installed, of which a large number has a heating/cooling capacity <30 kW. In USA, morethan 2,000 18 kW units have been installed. The heat pump units have mainly been developed for air conditioning purposes, but several types of operation with produetion of heat, hot water and cooling are possible. In this project, utilization of gasengine heat pumps in single-family houses is discussed and assessed. A nominal heat pump capacity of 6-7 kW has been assumed as a basis. Field and labaratory tests have shown that a Coefficient of Performance of approx. 1.2 can be expected, when a gas engineheat pump unit is used for heat production. Assessment of the annual efficiency of a gas engine heat pump in velves a large uncertainty, but in connection with en virenmental analyses the annual efficiency is estimated to be 1.1. All data applies to heat absorption from outdoer air. Uterature describes a number of emission measurements on gas engine heat pumps in the relevant capacity range. On that basis the emission levels have been estimated as follows: • CO
25
mg/MJ
• NOx
235
mg/MJ
• UHC
1240
mg/MJ
• co2
56.9
kg/GJ
The noise level of a gas engineheat pump is approx. 55 dB(A). RAMBØLL has made environmental analyses /2/ showing that the NOx emission would be several times higher when using gas engine heat pump units than when using e.g. conventional gas boiler systems.
DGC-rapport
7
Instalied price for a gasengine beat pump is in USA approx. 8,000 USD for an 18 kW unit (1994). Basedon price indeks the price in Denmark is expected to be approx. 67,000 DKK. The Danish Energy Agency grants a 15% subsidy to heat pump units. Annua! operation and maintenance costs are estimated to be approx. DKK 2,000. Cost/benefit analyses made by RAMBØLL have shown that the payback period of a gasengine heat pump system is consjderably longer than that of gas boiler systems and of other of the gas fired heat pump technologies. The payback period has been estimated to be approx. 100 years. On the basis of the economic assessments, tb e mass produced smaller gas enginc heat pump units from Japan and USAare considered not to be suitable when only heat produetion is demanded. The units will be more su itabJe in in connection witb simultaneous demand for beating and cool ing.
DGC-rapport
8
4
Indledning
4.1
Baggrund
Langt hovedparten af de i Danmark opstillede varmepumper er eldrevne. Der findes imidlertid flere teknologier for gasdrevne varmepumper: l. Gasmotordrevne varmepumper 2. Absoptionsvarmepumper 3. Stirling-Vuilleumier varmepumper Der er p.t. kun opstillet ganske få gasmotordrevne varmepumpeanlæg i Danmark. Disse har en varmeydelse, der ligger betydeligt over de for parcelhuse typiske varmebehov. Gasmotordrevne varmepumpeanlæg markedsføres og benyttes dog i udstrakt grad i både Japan og USA. Disse anlæg er udviklet som kombinerede varme-/airconditioneringsanlæg. I Japan var der i 1995 24 kommercielle varmepumpetyper med en motoreffekt i intervallet 1-6 kW (ca. 1-8 kW varme)
151. Inklusive alle effektniveauer var der i 1990 installeret over 50.000 !51 og i 1995 over 100.000/8/ gasmotordrevne enheder i Japan. York oplyser, at der i USA er installeret over 2.000 varmepumpeenheder af typen Triathlon (ca. 18 kW varme). Varmepumperne er baseret på varmeoptag fra udeluften, og ydelsen angives ved udetemperatur på 7°C /10/. På baggrund af markant udvikling og udbredelse af gasmotordrevne varmepumper i USA og Japan er der, for at potentielle leverandører skal kunne vurdere, hvorvidt de ønsker at udvikle eller igangsætte forhandling af eksisterende gasmotordrevne varmepumpeanlæg, behov for en teknisk og økonomisk status på området.
4.2
Formål
Målet for dette delprojekt er at redegøre for tekniske, økonomiske og miljømæssige forhold for gasmotordrevne varmepumpeanlæg med en ydelse, der svarer til varmebehovet for et parcelhus. Rapporten skal ud fra litteraturstudier og kontakt til leverandører klarlægge teknisk stade samt erfaringsgrundlag for små gasmotordrevne varmepumpeanlæg. Der skal ud fra an-
DG C-rapport
9
lægspris og vedligeholdsudgifter foretages en overordnet vurdering af økonomiske forhold, Endelig skal der foretages en milj ø mæssig teknologivurdering. Projektet retter sig mod potentielle leverandører af nyudvikJede gasmotordrevne varmepumpeanlæg. Projektresultatet skal udgøre et teknisk og til dels økonomisk beslutningsgrundJag for at vurdere videre involvering i udvikling og markedsføring af gasmotordrevne varmepumpeanlæg i Danmark.
1o
DG C-rapport
5
Gennemførelse og resultat
5.1 5.1.1
Teknologibeskrivelse Anlægsopbygning
I et gasmotordrevet varmepumpeanlæg fås varme dels fra det traditionelle varmepumpeanlæg som drives af den gasmotorkoblede kompressor og dels fra køling af motor og røggas. Varmeydelsen fra varmepumpekredsen udgør i størrelsesordenen 40% af den samlede varmeydelse /3/. Figur l viser en enkel opbygning af et gasmotordrevet varmepumpeanlæg.
Motorkøling
Ca. motor
Ekspansionsventil
Udeluft eller jord
Figur l: Opbygning af gasmotordrevet varmepumpeanlæg Varmepumpekredsen er i ovenstående simple udførelse af anlægget ikke afvigende fra et eldrevet varmepumpeanlæg, dvs. der benyttes samme anlægskomponenter, kølemidler mv. De i udlandet kommercielle gasmotordrevne varmepumpeanlæg er baseret på varmeoptag fra udeluft, hvorimod man i Danmark ofte vil foretrække jorden som varmekilde i forbindelse med ikke-industriel anvendelse. Dette skyldes, at varmepumpens varmevirkningsgrad er relativt lav, hvis varme-
DG C-rapport
11
kildens temperatur er lav (se Figur 3). Data angivet i de følgende afsnit gælder for enheder, der benytter udeluft som varmekilde.
5.1 .2
Anlægsopbygning med køling/airconditionering
Mindre gasmotordrevne varmepumpeanlæg er som tidligere nævnt primært udviklet og benyttet i Japan og USA. Kommercielle anlæg med et ydelsesniveau på ca. 7 kW er normalt udført som kombinerede varme-/køleanlæg. I dette projekt er der, da det er rettet mod parcelhuse, primært fokuseret på anlæggenes anvendelse til vandbaseret opvarmning og varmtvandsproduktion. Tænkes et varmepumpeanlæg masseproduceret, må der være mulighed for at afsætte enheden til et større marked end det danske. Det er derfor af informativ interesse at kende til de alternative anvendelsesmuligheder. Der findes en lang række driftsmuligheder og anlægskoblinger for de forskellige anlæg. Der kan være tale om koblingsmuligheder, der tilfredsstiller behov for: • Varmt vand • V armt vand og varm luft • Samtidig varmt vand og kold luft (aircondition- typisk beboelse) • Tidsforskudt varme og køling • Samtidig varme og køling (typisk mindre industri) I bilag l er vist et eksempel på en anlægsopbygning, der giver mulighed for seks forskellige driftsformer /5/.
5.1.3
Fastlæggelse af dimensioneringsstørrelser tor anlægget
Det er valgt, at ydelsen for varmepumpen i dette projekt skal fastlægges ud fra et typisk dansk parcelhus. I Il/ er nærmere redegjort for dimensioneringsgrundlaget Tabel l viser hvilket dimensioneringsgrundlag, der er benyttet i projektet.
DG C-rapport
12
Tabel]: Nøgletalfor varmepumpeanlæg til dansk parcelhus
Enhed Varmeydelse
kW
Årligt varmebehov 1>
MWh
Dimensioneringstal 7 (3-10) 18.400
l. Inkl. varmt vand
5.1.4
Driftsdata
Omtrentlige driftsdata for et varmepumpeanlæg i det aktuelle effekt-interval er angivet i Tabel 2. Der er tale om overslagsrnæssige nøgletal fastlagt efter Tabel 5, som udgør en oversigt over hoveddata for en række kornmercielle varmepumpeanlæg <30 kW. Som det fremgår af de efterfølgende afsnit, afhænger effektfaktor og årsnyttevirkning i høj grad af last og udeternperatur. Bedre effektfaktor kan opnås, hvis jorden benyttes som varmekilde.
Tabel2: Nøgletalfor kommerciel gasmotordrevet varmepumpeanlæg med varmeydelse på op til lO kW
Enhed Varmeydelse
kW
4,7-10,0
Kuldeydelse
kW
4,5-8,3
Motoreffekt
kWmek
Gasforbrug -
kW
3,0-9,9
kW
3,1 - 9,9
kWe
0,26
kWe
0,26
2,2
varmepumpe Gasforbrug køleunit Elforbrugvarmepumpe Elforbrugkøleunit l)
-
1,2
1
-
1,4
Arsnytte-
-
-1,1
-
-1,2
CO Pvarme COPkutde
>
o
virkning- varme Årsnyttevirkning - kulde l. Afhænger af last - her angivet ved den for effektfaktoren optimale last
DGC-rapport
13
5.1.5
Energimæssige forhold
Et energistrømsdiagram for et gasmotordrevet varmepumpeanlæg er vist i Figur 2/3/. Det fremgår, at varmeydelsen fra anlægget øges med ca. 40%, når gasmotoren indbygges i et varmepumpeanlæg. Der er i diagrammet antaget en effektfaktor for varmepumpekredsen alene på 3,0.
lal
Il!
a
Brændværdien af det tilførte brændstof
b
Varmemængden fra motoren (konv. & stål)
c
Varmemængden i udstødsgassen
d
V armemængden i kølevandet
e
Akseleffekt fra motoren
f
Ikke udnyttet varme i udstødsgassen
g
Ydnyttet varme i i udstødsgassen
h
Akseleffekt til kompressoren Tab ved kobling
J k
Optaget fordampervarme Varmetab fra kompressoroverfladen Y dnyttet varmemængde
100 4 32 30 34 5 27 32 2 67 3 153
Figur 2: Sankey-diagramfor gasmotordrevet varmepumpeanlæg 131 Varmepumpekredsens effektfaktor afhænger af varmekildens temperatur og rumtemperatur (Figur 3). Højst effektfaktor opnås ved lille forskel mellem
DGC-rapport
14
de to temperaturer. Da vandet i den gasmotordrevne varmepumpe opvarmes yderligere via motor- og røggaskøling, er det muligt at arbejde med høj effektfaktor på varmepumpekredsen. l..
o
~
24
~
-Vanrvvand varmepum pe • ---Luft vand varmepu mpe F re m 1ø stem p
b
---- --
Q)
w3
'+-
2
--
o -1 o
-5
--35°C ............. -1 -~55°C
~.---.; !'·"
.......
.__
o
--
.....
5
1o
15
20
Luft- henholdsvis jordtemperatur [°C]
Figur 3: Effektfaktorens afhængighed affremløbs- og returtemperatur 141
5.1.6
Regulerings- og dellastegenskaber
Tabel 3 viser effektfaktor målt for Yorks varmepumpe Triathlon ved hhv. varme- og kuldeydelse og ved varieret last. De angivne COP-værdier er ekskl. elforbrug. Værdierne under varmeproduktion er målt ved en udetemperatur på hhv. -10°C (som varmeafgiver) og 29°C (ved køling).
Tabel 3: Dellastegenskaber for en 16 kW varmepumpe /9/ Motoromdrejningstal
1540
1990
2440
3000
Varmeeffekt [kW]
4,47
6,33
7,38
9,43
C OPvarme
0,95
l, 16
0,96
0,76
Elforbrug [kW]
0,39
0,49
0,62
0,76
Køleeffekt [kW]
6,36
8,16
8,92
9,07
CO P køling
1,08
1,43
1,34
0,98
Elforbrug [kW]
0,36
0,48
0,61
0,76
Det fremgår af Tabel 3, at varmepumpens effektfaktor for den aktuelle udetemperatur er størst ved ca. 6,5 kW varmeydelse. Gasmotordrevne varmepumpeanlæg har i forhold til andre varmepumpeanlæg god mulighed for dellastdrift, da motorens omdrejningstal kan ændres.
DGC-rapport
15
5.1.7
Service og levetid
Y ork angiver en forventet levetid på c a. l O år for et gasmotordrevet varmepumpeanlæg. I /8/ er foreslået nedenstående serviceomfang for et gasmotordrevet varmepumpeanlæg. Tabel4:
Service på gasmotordrevne varmepumpeanlæg 181 Ar Motorolie
1 o
2
3
4
5
6
7
8
9
o
o
o
o
o
o
o
o
Oliefilter
o
o
o
o
Kompo-
Tændrør
o
o
o
o
nenter
Kompressorrem
o
o
o
o
Luftfilter
o
o
o
o
Blowby filter
o
o
o
o
Kølemiddel
o
o
o =udskiftes
5.2
Litteraturstudier
Der er foretaget litteratursøgning i relevante fagtidsskrifter og rapporter. Litteraturindsamlingen har været koncentreret dels om gasmotordrevne varmepumpeanlæg og dels om mindre gasmotorer. Litteraturen vedrørende gasmotordrevne varmepumpeanlæg beskriver primært anlæg udviklet for airconditionering. I såvel Japan som USA benyttes disse anlæg i private husstande, boligblokke og mindre industri. I spidslastperioder ønsker man i Japan at flytte energiefterspørgslen fra el til gas. Dette kan opnås ved anvendelse af gasmotordrevne varmepumpeanlæg. Udviklingsaktiviteterne for disse anlæg er koncentreret omkring forbedring af anlæggets fleksibilitet mht. varme- og kuldeydelse. Endvidere pågår en forbedring af gasmotorernes emissionsniveau efter de for større motorer kendte teknologier.
5.3
Leverandørkontakt
Der er taget kontakt til leverandører af hhv. gasmotordrevne varmepumpeanlæg og små gasmotorer.
DGC-rapport
16
5.3.1
Gasmotordrevne varmepumpeanlæg
Der markedsføres ikke gasmotordrevne varmepumpeanlæg i det aktuelle effektinterval i Danmark. I J ap an findes et ganske omfattende produktprogram. Foruden japanske enheder findes også en amerikansk varmepumpeenhed- Triathlon. Japansk producerede og markedsførte varmepumper markedsføres p.t. ikke udenfor Japan, hvorfor brochuremateriale kun i meget begrænset omfang er tilgængeligt på engelsk. Varmepumpefabrikanterne står som hovedregel selv for ombygning af motorerne til gasdrift og evt. tillean-bum drift. · De følgende varmepumpefabrikanter har gasmotordrevne varmepumper <30kW varme i deres produktprogram: • York (USA) • Mitzui • Yamaha • Yanmar • Aisin • Sanyo Y ork er repræsenteret i Tyskland, men der er ingen planer om markedsføring af deres varmepumpeenhed i Europa. Japanske leverandører afviser ligeledes, at markedsføring af deres gasmotordrevne varmepumpeanlæg vil komme på tale i Europa inden for de næste par år. En liste over kommercielle gasmotorbaserede varmepumpeanlæg (<30kW) i udlandet findes i Tabel 5. Driftsdata for en række udvalgte varmepumpeanlæg angives i /5/ dog uden angivelse af fabrikat/type. I tabellen er foruden disse an gi ve t data for den amerikanske varmepumpe Triathlon 17l samt for fabrikatspecifikke Japanske varmepumpeanlæg. Tabellen giver eksempler på varmepumpeanlæggenes hoveddata i det aktuelle effektinterval, men udgør ikke en tilnærmelsesvis komplet liste over kommercielle anlæg.
o G) o '
Sil
"O "O
TabelS: Kommercielle varmepumpeanlæg <30 kW, 151, 171
o .....
-
Enhed (Japanil
(Japan) 11
(Japan)'>
(Japan)
11
4,7-9,9
10,5-15,7
11,3-21
3,0-4,7
4,5-8,3
8,7-10,5
kWmek
1,5
2,2
kW
0,23-0,44 m3/h
kW
(Japan) 11
(Japan) 11
Type
-
11
1
Varmeydelse
kW
4,5-7,6
Kuldeydelse
kW
Motoreffekt Gasforbrug - var-
Fabrikat
(Japan) 1>
Y arnaha
Yanmar
Ais in
York
YGC671PM
Y4GPBM-N
TG31210
Triathlon
14-21
12,2
17,4
20,9
15,7
9,8-14,2
13-17
7,8
13,0
17,4
10,5
3,0
3,7
5,6
4,6
8,5
15,0
3,7
0,26-0,86 m3/h
0,66-1,25 m3/h
0,62-1,69 m3/h
0,69-1,42 m3/h
9,0
15,3
18,2
12,5
0,27-0,86 m3/h
0,75-1,07 m3/h
0,67-1,59 m3/h
0,73-1,58 m3/h
9,2
15,7
20,2
10,5
unit
0,25-0,50 m3/h
Elforbrug - varme-
kW.
0,09
0,26
0,43
0,51
0,61
0,3
0,49
0,61
0,6
Elforbrug - køleunit kW.
0,09
0,26
0,40
0,48
0,61
0,3
0,49
-
-
-
-
-
-
-
-
-
lean-burn l
mepumpe Gasforbrug - køle-
(Japan)
(Japan/
(Japan)
11
'
l
r l
pumpe
COPkwde
-
Støjniveau
dB (A)
-
Motortype
-
-
-
-
-
-
-
l
l
2
2
3
l
2
vandkølet
vandkølet
vandkølet
vandkølet
vandkølet
vandkølet
vandkølet
COPvam>e
0,6 1,26 1,00 8 dB(A)
2
>
1ean-burn/støkiom. Cylinderantal Vand-/luftkølet
vandkølet - -
- - -
l. Angives i /5/ som eksempler på Japanske gasmotordrevne varmepumpeanlæg. Fabrikat og type angives ikke.
2. I 20 fods afstand.
...... --.j
o
(j)
o l
iil
"'O "'O
o
::4
Enhed Fabrikat Type
-
l
Yanmar
Yamaha
Yanmar
Ais in
Yanmar
Yamaha
Ais in
SGP-
YGCJ 805M
Y3C1X-N
TGSJ140Nl
Y4C1X-N
TCSJ140-A
TGTJ180-r l Y6GPAX-2N
CH224F2 Varmeydelse
kW
28,0
10,0
14,0
17
20
18
20
Kuldeydelse
kW
22,4
8,0
11,2
14
14
14
18
Støjniveau
dB (A)
60
-
-
kWmek
6,0
-
-
Motoreffekt
kW
-
-
-
-
Gasforbrug - var-
-
-
-
-
kW
-
-
-
-
-
-
-
kW.
0,82
-
-
-
-
-
-
Elforbrug - køleunit kW.
0,79
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
lean-bum
-
-
-
-
-
roepumpe Gasforbrug - køle-
l l
San yo
l l l
(Japan) 11
l
(Japan) 11
28
22,1
20
17,4
-
-
-
1,5 m 3/h .
-
0,82
-
0,75
lean-bum
-
-
3
6 1,5 m3 /h
l l
unit Elforbrug - varmepumpe
'
COPvarme
-
COPkurde
-
Motortype
-
-
lean-bum
-
-
-
-
-
-
lean-burn/støkiom. Cylinderantal Vand-/luftkølet
-
-
'
-
-
l l
l
vandkølet
...... CO
DGC-rapport
19
5.3.2
Gasmotorer
Såfremt gasmotorer i det aktuelle effektinterval er kommercielt tilgængelige, er en alternativ indfaldsvinkel til kommercialisering af mindre gasmotordrevne varmepumpeanlæg at finde en dansk virksomhed, der kan sammenbygge denne med et varmepumpeanlæg. I flere af de japanske varmepumpeanlæg er brugt gasmotorer, der ombygges
, lrvmfonn-arorerne ':!cire-eT kolnmer=--- - - - cielle alene. Aktiviteter vedr. minikraftvarmeanlæg har klarlagt, at gasmotorudvikling i det aktuelle effektinterval primært udføres af varmepumpeproducenterne. Der er kun kendskab til 3 gasmotorer <10 kW (Tabel 7) /6/, som er kommercielle uden tilhørende varmepumpeanlæg.
Tabel6:
Liste over kommercielle gasmotorer <10 kWe
Gasmotor-
Mekanisk
Lean-burn
fabrikat
ydelse
/støkiom.
Fiat
7
støkiom.
Bemærkninger Indgår i minikraftvarmeenheden TOTEMmini. Jenbacher er leverandør af kraftvarmenheden.
Briggs &
3,7
lean-bum
Indgår i YORK' s varmepumpe, Triathlon.
5,5
Lean-bum
Indgår i minikraftvarmeenhed.
Stratton Fichtel & Sachs
Zantingh er Leverandør af kraftvarmeenheden.
5.3.2.1 Motorombygning for anvendelse i varmepumpeanlæg Et gasmotordrevet varmepumpeanlæg kan opbygges af et traditionelt eldrevet varmepumpeanlæg, hvor elmotoren udskiftes med en gasmotor. Der findes, som omtalt, kun et begrænset antal gasmotorer, der er kommercielle i det aktuelle effektintervaL Derfor vurderes her muligheden for at konvertere en mindre motor til naturgasdrift Ved konvertering af en benzinmotor skal der foretages ændring af tænding samt installeres gaskaburator. Små benzinmotorer er normalt luftkølede, hvilket ikke er hensigtsmæssigt, når varmen fra motorkølingen ønskes ud-
DG C-rapport
20
nyttet. Der findes dog enkelte vandkølede motorer i det aktuelle effektinterval. Som eksempel kan nævnes, at HONDA har en 2-cylindret firetaktsmotor, der ombygget til gasdrift har en effekt på ca. 5 kW som støkiometrisk motor eller ca. 3,5 kW som lean-burn motor. Prisen for motoren er 13.560 kr. Prisen for gasudstyr, karburator og gasrampe er ca. 5.000 kr. Ved ombygning tillean-bum kan der yderligere være behov for at udskifte ventiler og tændingssystem. Dertil kommer arbejdstid til ombygningen. Til sam_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ menligning er_pri en fQr en 7 kW e ldrevet varmeQ._UI}'!Qe ca. 78.000 kr. _ _ _ _ __ (installeret og inkl. moms). Tabel 7 viser et priseksempel for en forbrændingsmotordrevet varmepumpe /3/. Tallene stammer fra 1988 og er baseret på en dieselmotor.
Tabel 7: Priseksempelfor dieselmotordrevet varmepumpeanlæg 131 10 kil Forbrændingsmotor Kompressor Fordarrper Kondensator Underkøler Udveksling (kilerem) Røggasveksler Automatik, el m.v. Isolering Arbejdsløn + materiel Projektering m.v.
r
38.000
~
10.000 3.000 6.000 8.000 65.000
300 kil
100 kil 60.000 35.000 28.000 *(83.000) 35.000 5.000 3.000 9.000 88.000 7.000 40.000 45.000
120.000 55.000 50.000 *(125.000) 55.000 10.000 3.000 18.000 110.000 9.000 50.000 55.000
355.000 (410.000)
535.000 (610.000)
* Prisen hvis luftkøler anvendes.
5.4 5.4.1
Miljømæssige forhold Emission
Nedenstående tabel viser de i litteraturen angivne værdier for emission af CO, NOx og C0 2 . Endvidere er angivet iltindhold i røggassen.
DG C-rapport
21
Tabel B: Emissionfra mindre gasmotorer Enhed York, Triathlon Marathon (varme) York, Triathlon Marathon (kulde) 3
Yanmar
1
NO x
COz
%vol
ppm
ppm
%
2 )
7,0
600
300
8,0
J
8,0
700
150
7,4
4,0
640
9,7
8,0
<210
850 <1004 )
7,4
6,0
-
230
8,6
J
SACHS J Gasmotorer i Japanske varmepumpean læg-/8/
CO
1 '
5
6
Oz
>
l. Ref. /9/, her angives emissionsniveauer ved 1990 rpmsvarende t1l varme: 7 kW (tude= -l0°C) eller kulde: 8 kW (tude= 29°C) 2. Afuænger markant af last /9/
3. OplystafYanmar
4. <1/z TA-luft 5. Med oxidationskatalysator 6. Middelværdi over året for Japanske gasmotordrevne varmepumpeenheder i 1994 /8/
Osaka Gas har i forbindelse med udviklingsaktiviteter for NOx-reduktion fra gasmotordrevne varmepumper foretaget forbedringer på fire forskellige motorer. Motorerne har alle opnået NOx-emission på max 500 ppm ved lean-burn (=mager forbrænding) drift. Iltprocenten er ikke angivet for disse målinger, men der har været tale om lean-bum motorer. Der er ikke grænseværdier for emission fra gasmotordrevne varmepumper i Japan. Branchen har dog indført egne standarder for maksimal NOxemission /8/. Der er indført et testprogram, hvor NOx-emissionen måles ved forskellig last og udetemperatur, hvorefter årsmiddelværdien beregnes. I 1994 var NOx-emission < 500 ppm (ref. 0% 0 2) og middelværdien på 300 ppm (ref. 0% 0 2) for de japanske enheder. Lean-burn er den valgte NOxreduktionsteknik /8/. CO-emissionen kan reduceres betydeligt, hvis der anvendes katalysator. Det skal bemærkes, at specielt NOx-emissionen afhænger af udetemperatur/ køIetemperatur for motoren 111/. For større lean-burn gasmotorer ligger emissionen af UHC (uforbrændt kulbrinte) i intervallet 500-3500 ppm. For en gasmotor med 7-8% 0 2 i røggassen skønnes UHC-emissionen at være ca. 1200 ppm (metanækvivalent) for
DG C-rapport
22
en moderne gasmotor. Heraf er ca. 90 vol-% metan ved anvendelse af dansk naturgas. I tabel 9 er angivet anslåede emissionsværdier, som vil blive benyttet i forbindelse med dette projekts miljøanalyser. Emissionsværdierne gælder nyere lean-burn gasmotorer.
5.4.2
Støj
Støjniveauet for den indendørs del af den amerikanske varmepumpe Triathlon angives at være 8 dB(A) i 20 fods afstand. For en række japanske varmepumpeenheder er støjniveau angivet til hhv. 50, 60, 62, 52, 61, 59, 63, 60, 61, 63 og 64 dB(A). Dette skal sammenholdes med, at der i Danmark er krav om maks. støjniveau i skel på 35 dB(A) /18/.
5.5 5.5.1
Økonomi
Anlægspris
Anlægsprisen for gasmotordrevne varmepumpeanlæg koblet til et eksisterende radiatorsystem skønnes, som udgangspunkt, at være den samme, som for en airconditionenhed med tilsvarende varmeydelse. Prisen for YORK' s gasmotorbaserede varmepumpeenhed Triathlon er i USA ca. 8.000 USD installeret (1994-95) 171. Ud fra prisindeks forventes prisen i Danmark at være ca. 67.000 kr. Varmeydelsen for denne enhed er ca. 16 kW. Umiddelbart vurderes prisniveauet at være det samme for en enhed på ca. 7 kW varme, som betragtes i dette projekt.
5.5.2
Drifts- og vedligeholdsudgifter
For YORK' s varmepumpe Triathlon angives serviceintervallet at være ca. 4.000 driftstimer svarende til ca. l år. Dette stemmer godt overens med udførte field-tests. Udgiften til drift og vedligehold angives af Y ork at være 150 USD pr. år (1994).
DG C-rapport
23
Årlige serviceudgifter kan alternativt vurderes ved dels at sammenholde med små gasmotordrevne kraftvarmeenheder og dels eldrevne varmepumpeenheder samt små kedelanlæg. Serviceudgifter for gasmotor 1) Serviceudgift for eldrevet varmepumpe 2) 3
Serviceudgift for kondenserende kedel J Serviceudgift for lukket
kedel 3)
kr.
2.000
kr.
600
kr.
1.135
kr.
840
l. Serviceudgift oplyst af Zantingh for en 5,5 kWe gasmotorbaseret kraftvarmeenhed 2. Iflg. folder fra Energistyrelsen 3. lflg. HNG. Pris inkl. service hvert andet år samt udkald
Serviceudgifter for en gasmotordreven varmepumpe vurderes at udgøre ca. 1.500-2.000 kr./år. Dertil kommer forbrug af gas, el og smøreolie. Disse ventes at udgøre: • Gasforbrug 0,083 nm 3/k:Wh (varme) • Årligt elforbrug 0,077 kWhe/kWh (varme) • Smøreolieforbruget udgør ca. 0,0759 kWh (varme) RambøH har foretaget privatøkonomiske analyser, hvis hovedresultater fremgår af afsnit 5.6.
5.6 5.6.1
Samfundsøkonomisk og miljømæssig analyse Generelt
Samfunds- og miljømæssige analyser er foretaget af Rambøll. Analyserne er gennemført i overensstemmelse med Energistyreisens forudsætningsnotat om denne type analyser. Fuldstændig beskrivelse af analysernelode, benyllel datagrundlag samt resultater findes i separat delrapport /2/. 5.6.2
Miljøanalyser
Tabel 9 opsummerer datagrundlaget for energi- og miljøanalyserne. Data for analyserne er nærmere beskrevet i afsnit 5 .4.1. Den betragtede varmepumpe dækker, ud fra de indsamlede energi- og miljømæssige data, stort set hestcase for gasmotordrevne varmepumper.
DGC-rapport
24
Tabel 9: Datagrundlag for miljøanalyse
Enhed COPvarme CO-emission NOx-emission UH C-emission
co2 Støjniveau Støv
mg!MJ'J mg!MJ') mg/MJo kg/GJIJ dB(A)
Best case for aircondition-anlæg 1,2 25 200 800 56,9 50
Data benyttet i Rambølls analyse 1,2 25 235
o
56,9 -
l. Pr. MJ indfyret
RambøH konkluderer på baggrund af analyserne, at ved konvertering fra en kondenserende gaskedel til en gasmotordrevet varmepumpe • opnås en energibesparelse på ca. 15% 1) • bliverNOx-emissionen ca. 7 gange højere 1) (det er mere end for de øvrige gasdrevne varmepumpeanlæg) • øges CO-emissionen ca. 30% l) l)
Som referenceanlæg benyttes kondenserende kedler
5.6.3
Privatøkonomiske analyser
Der er i Rambølls økonomiske analyser anvendt følgende forudsætningstal: Levetid
10 år
års nyttevirkning
1,2
Elforbrug
400kWhelår
Investering "anlæg"
57.000 DKK
Investering "varmeoptager"
5.000DKK
Investering "radiatoranlæg"
30.000DKK
Investering "diverse"
3.000DKK
D&V -udgifter
2.000 DKK/år
Levetiden for gasmotoranlæg er sat lavere end for de øvrige gasdrevne varmepumpeanlæg. Det skal understreges, at forudsætningsdata for gasmotordrevne varmepumpeanlæg er baseret på udenlandske enheder, mens der for øvrige gasdrevne anlæg alene er tale om kvalificerede skøn, idet kommercielle enheder ikke findes.
DG C-rapport
25
RambøiJ konkluderer, at der vi l være en simpel privatøkonomisk tilbagebetalingstid på ca. l 00 år. Fl ere af de øvrige gasdrevne varmepumpeanlæg viser sjg i modsætning hertil økonomisk konkurrencedygtige med kondenserende kedler.
DGC-rapport
26
6 l.
Referencer Hovedrapport "Individuelle el- og gasdrevne varmepumper". Prøvestation for varmepumper, DTI, 1997
2.
"Individuelle el- og gasdrevne varmepumper, samfundsøkonomisk, privatøkonomisk samt energi- og miljømæssig analyse", 1997
3.
Forsyningskataloget 35-39, 1988
4.
Varmeståbi
5.
Heat Pumps in Japan (Third Edition) Heat Pump Technology Center of Japan, March 1995
6.
Minikraftvarmeanlæg, status, DGC-rapport 1996
7.
Brochuremateriale fra - York - Sanyo - Briggs & Stratton
8.
Recent development and progress of Gas engineheat pumps (GHPs)
9.
NGTC's Natura! Gas Heat Pumps, 1995
10.
Heat Pump Energy Efficiency Regulations and standards, IEA Heat pump centre 1996
11.
NOx- reduction technique for gasengine heat pump, IGU/RE7-94, K. I sano, S. Kida, H. Hisaki, Japan 1994
12.
Grøn varme med varmepumper, Varmepumpefabrikantforeningen og Prøvestation for varmepumper, 1997
13.
Varmepumper (brochure), Energistyrelsen 1997
14.
Gas Engines for Heat Pump Installations and Small Cernbined Heat and Power Units, J. Masters, British Gas 1981
15.
Test application of small size gasengine driven heat pump, F. D' aponte
16.
Heat pumps back in fashion
17.
Naturgas til større varmepumper, DGC, Teknisk N ote 1/1997
18.
Bygningsreglementet
DG C-rapport
27
Bilag 1 Eksempel på anlægsopbygning med seks forskellige driftssituationer /5/ H01.
WIIU
H01 watø supply
supply
o
o
o
Hcx Willi' aupply
o
o
o
Mad& D (hoc wucr lUIIIIlY onJy)
MacleA (when c:oolin&)
Hoc wa.1er supply
Hoc wa1cr supply
Ho1 wala' supply
Hoc wata" aupply
Hcx wucr supply
o
o
ChillodiiiCII
t--i--~~~r:-1~~---fl(r----------------+-w~ OlillodiiiCII
t---~*--t--~----,-----~--~~------~--------~~~
Mack B (w non coolin&)
Ha1 Wllc:r
o
supply
Mook E (wnen lle•u>nc)
Hot wuer supvly
o
Hut wa1cr supply
Hot Wltcr supply
o
o
Chillod/1101 W liD'
--~~--;------h~------------~CJ
Cllilledlhol: wau:r ~--ø-4-~---?----~~~----~------~o
......
ChiUodiiiCII ~--~;-~---r------~~----------~0
Mode p (whon hoa!ia&)
