Värme och kyla

Forskare vid IUC(Installatörernasutbildningscentrum) iKatrineholm. Vid IUCfinns sedan 2005 ettnytt laboratorium förexperiment på ochprovning av kylmaskiner.Laboratoriet är ettsamarbete mellanutbildningscentrumet,avdelningen förEnergiteknik vid KTHsamt värmepump- ochkylteknikbranscherna.klorfria köldmedier. Men komponenterna i de system som slog igenom medhjälp av tävlingen, främst kompressorer och oljor, var inte anpassade till denya köldmedierna. Det ledde till driftproblem, haverier och många försäkringsärenden.Trots de tekniska problemen medförde tävlingen ett nytt intresseför värmepumpar samtidigt som energipriserna åter ökade.Forskningsprogram i samarbete har gett resultatKyl- och värmepumpsbranschen kännetecknas av en stor spridning i företagsstorlekoch verksamhet. Därför var det extra lyckosamt att få med ettstörre antal tillverkare och användare när det första sammanhållna forskningsprogrammet,Alternativa köldmedier, startade 1994. Ett projekt handladeom utformning och smörjning av kompressorlager. Det löste ett av deproblem som uppkom vid bytet till klorfria köldmedier. Det problemlösandeoch kunskapsuppbyggande samarbetet mellan branschen och forskarna var7

mycket framgångsrikt. Detta första program kom att följas av ytterligare två,Klimat 21 och eff-Sys. De finansierades av Energimyndigheten tillsammansmed ett femtiotal industrier och organisationer.Resultaten från dessa program har redan minskat energianvändningen ikyl- och värmepumpsanläggningar, och kommer i framtiden att spara ännumer energi. Konkreta resultat spänner över breda fält. Det handlar om alltifråndatormodeller för villavärmepumpar och kyldiskar i butiker, till värmeöverföringsåväl i små kylskåp som i stora värmepumpar i fjärrvärmesystemet.Inom eff-Sys och dess föregångare har kunskap om värmepumpandetekniker byggts upp hos”… med den årliga besparingenpå cirka 13 miljarder kr/år kanall värmepumpsforskningsedan 1975 återbetalas på fyradagar….”EFF-SYS, SLUTRAPPORT, MARS 2005både forskare och industrier.Samarbetet har bildat en basför en framgångsrik industriellutveckling. En mogenmarknad har vuxit fram utandirekta stöd sedan mitten av80-talet. En indikation på attsvenskt värmepumpskunnandeockså hör till det absolutainternationella toppskiktetär att InternationalEnergy Agency’s informationscenter för värmepumpande teknologi, HeatPump Centre, ligger hos SP i Sverige. www.heatpumpcentre.org8Värmepumpsforskning – en lönsam affärDe samhällsekonomiska, miljömässiga och företagsekonomiska vinsternaav den svenska värmepumpsforskningen har varit stora sedan 1970-talet.Den har bland annat ökat energieffektiviseringen och hjälpt till att minskaoljeanvändningen. Värmepumpstekniken har också bidragit till att Sverigehar världens mest miljövänliga komfortkyla i kontor och lokaler genomfjärrkyla. Utan värmepumpar hade det inte heller funnits förutsättningarför att pröva frikylatekniken. Samtidigt har de värmepumpar som användsi Sverige bidragit till att vår energianvändning minskat.En beräkning från 2005 kan belysa hur mycket värmepumpsforskningenkostat i relation till de uppnådda resultaten: Alla installerade värmepumpari Sverige bidrar med ”gratisenergi” som kan beräknas motsvara 13 miljarderkWh per år. Om besparingen värderas till 1 kr/kWh motsvarar det13 miljarder kronor per år. Det innebär att kostnaden för all värmepumpsforskningsedan 1975 återbetalas på fyra dagar.

Värmepumpar spelaren viktig roll i samhälletUnder 70- och 80-tal utvecklades stora demonstrationsanläggningar, delvisfinansierades av offentliga medel. De följdes av ett stort antal värmepumparanslutna till fjärrvärmesystemen. Dessa pumpar hade en oftast eneffekt på 10 MW, vilket blev en standardstorlek. De byggdes sedan sammantill större anläggningar. Dessa system använde värmekällor som tidigareinte använts, som renat avloppsvatten, värme från sopförbränning ochöverskottsvärme från fjärrkylningssystem. Denna energi användes till attbåde kyla och värma byggnader genom att omvandla överskottenergin tillnyttig energi i ett annat system.Fjärrvärme från avloppsvatten,spillvärme och havsvattenI Stockholms fjärrvärmesystem finns två stora anläggningar med värmepumparsom använder helt olika tekniker för att utvinna energi. Värtaverket,med en värmekapacitet på 260 MW och en kylkapacitet på 48MW, använder bräckt vatten från Östersjön som värmekälla. Saltet i vatt-Värmepumpen vid Värtanär unik, den är byggd på enflotte ovanpå vattenintaget.9

Hammarbyverket har en värmeeffektpå 225 MW och en kyleffektpå 40 MW och använder renatavloppsvatten som värmekälla.10

net ställer extra krav på att värmepumpen är beständig mot korrosion. Iforskningsprogrammet Klimat-21 studerades denna teknik. Dessutom gavforskningen resultat om hur värmepumpars förångare kunde anpassas tillde nya klorfria köldmedierna.Verket i Värtan levererar också fjärrkyla via ett separat nät. Kylan återförvärme från anslutna kontorsbyggnader som sedan återvinns i värmeverket.Det kylda vattnet kan sedan gå tillbaka och hämta mer värme till systemet.I Hammarbyverket används renat avloppsvatten från det närbelägna reningsverket,dit vattnet skickas tillbaka efter att ha kylts av i värmepumparnasförångare. Trots att Hammarbyverket ligger vid kajkanten är detbättre att använda avloppsvattnet som alltid är varmare än sjövattnet.Fjärrvärmesystem kan ge kylning på sommarenAvfall används som bränsle i kraftvärmeverk. Det är ett effektivt sätt attanvända restprodukter som inte kan ingå i retursystem. Men det kräver enmycket effektiv avgasrening och underhåll.Värmen från kraftvärmeverket används i fjärrvärmenäten och elektricitetenkan användas för att driva värmepumpar utanför fjärrvärmeområdet.På sommaren, när värmen enbart behövs för tappvarmvatten, kan fjärrvärmenätenistället användas för att distribuera värmedriven fjärrkyla. Detger möjlighet att producera el även på sommaren, vilket ger bättre verkningsgradoch ekonomi.Svenska forskare har tagit fram värmedrivna kylsystem som arbetar medde temperaturer, 70-80 grader, som fungerar just med fjärrvärmenät.Fjärrkyla används för att kylalokaler och bostäder genomatt pumpa runt kallt vatten i ettrörsystem, ett fjärrkylanät.Värmedriven fjärrkyla innebäratt man använder fjärrvärmenätetsvärme för att drivaden kylmaskin som producerarfjärrkylan.Frikyla betyder att man hämtartillräckligt kallt vattnen frånen sjö eller älv, och pumparrunt det för att få den önskadekylningen. Man kan även användautomhusluft för kylning,om utetemperaturen är tillräckligtlåg.11

Bilden visar ett vattenintagfrån Stockholmsström byggtpå 1700-talet. Husetmed grönt tak ärUtrikesdepartementet.Det lägre husetär Sagerska Palatset,statsministernstjänstebostad.Några exempel på anläggningarmed frikyla i StockholmKARDUANSMAKAR-JAKOBSGATANFREDSGATANDROTTNINGGATAN-GATANMALMTORGSGATANKYLAN-LÄGGNINGVÄRME-VÄXLAREGUSTAV ADOLFSTORGSTRÖMGATANFigur 3. Idag används intaget till ett frikylasystem. Kallt sjövatten pumpas till en värmeväxlarei UDs källare där det kyler vattnet i ett kylsystem. Kylsystemets vatten pumpassedan runt till andra regeringsbyggnader i Klarakvarteren. När sjövattnet blir varmtunder sommaren sätts kylmaskiner in.12

Regalskeppet Vasa bärgades efter300 år på havsbotten. För att skeppetska hålla i ytterligare 300 år krävs enklimatanläggning som klarar att hållamuseiklimatet konstant trots värmenoch fukten från alla besökare. Därföranvänder museet frikyla från Saltsjön.Inomhustemperaturen korrigeras medvärmepumpar om det behövs.13

Värmepumpar – enstandardlösning i svenska villorI dag är värmepumpar en standardlösning för villavärme utanför områdenmed fjärrvärme. Hälften av alla installerade villavärmepumpar i Europa,undantaget luft-luftvärmepumpar, sitter i svenska villor. Nu expanderaräven marknaden för värmepumpar i lokaler. Dessutom ökar försäljningenkraftigt i flera andra europeiska länder.Frånluftsvärmepumpar började installeras i Sverige redan på 1970-taletFigur 4. Marknaden för värmepumpar har ökat när energiprisernastigit 14Källa: Svenska Värmepumpföreningen, Svenska Petroleum Institutet

Figur 5. VillavärmeEn femtedel av de svenska småhusen har i dagnågon form av värmepump. Ungefär hälften avdem har värmepumpsystem som täcker så gottsom hela uppvärmningsbehovet.i samband med den första oljekrisen. Då infördes krav på att nya byggnaderskulle byggas med värmeåtervinning som utvann värmen från denvarma frånluften och förde tillbaka energin till huset. I hus med balanseradventilation växlades värmen från den utgående varma frånluften och denkalla intagsluften. Hus med enbart frånluftssystem, vilket var den vanligastelösningen för bostadshus, fick frånluftsvärmepumpar som värmderadiatorer och tappvarmvatten. Den tekniken har hela tiden utvecklas ochidag förses 90 procent av alla nyproducerade villor i Sverige med frånluftvärmepumpar.En annan standardlösning i svenska hus är bergvärmepumpar, främstför villor men även i större byggnader. Fördelen med det systemet är attberget, som är värmekällan, har en relativt konstant temperatur.Ett skäl till att allt fler väljer värmepumpar är att tekniken har utvecklatsoch pumparna blir allt driftsäkrare och håller längre. Problem somorsakades av nya köldmedier är sedan länge avhjälpta. I dag är driftproblemenmycket små med tanke på hur många pumpar som finns i bruk.De problem som finns gäller oftast importerade luft-luftvärmepumpar sominte är dimensionerade för det svenska klimatet och inte fackmannamässigtinstallerade.15

AkvifärKYLNING AVVENTILATIONSLUFTAkvifärVARMENERGIBRUNNKALLENERGIBRUNNKYLNING AVVENTILATIONSLUFTFÖRVÄRMNING AVVENTILATIONSLUFTAkvifärAkvifärVARMENERGIBRUNNKALLENERGIBRUNNVARMENERGIBRUNNKALLENERGIBRUNNFigur. 6. Akvifären i FrösundavikI ett akvifärsystem ändrar vattenflödet riktning mellan årstiderna. Vattnet går från en kall brunn till envarm på sommaren FÖRVÄRMNING och tvärt om AVpå vintern. Detta akvifärsystem ger den värme och kyla som behövspå SAS huvudkontorVENTILATIONSLUFTi Frösundavik, Solna.16

Att kyla matKylning av livsmedel är det som drivit fram kyltekniken. Först användesnaturis och isskåp. På 1940-talet kom de mekaniska kylskåpen. Behovet avatt kyla livsmedel är minst lika stort i dag, så att maten inte förstörs ochatt de som äter den inte ska bli sjuka. Av det skälet är det också viktigt attkylkedjan är obruten från producent till konsument. Livsmedelsbutikernaskyl- och frysdiskar är en mycket viktig länk i denna kedja. Här ska matenhålla en låg temperatur samtidigt som kunderna ska kunna se och plockamaten ur diskarna. Därför är det viktigt att personalen i butikerna vet hurde ska packa kyldiskarna.Svensk forskning har skapat energieffektiva butiker såväl som bra butiksutrustning.”Den energieffektiva kyldisken” är ett exempel på genomfördadoktorandprojekt. I ett internationellt samarbetsprojekt har användningav koldioxid som köldmedium utvecklats och utvärderats. Med hjälp aven speciell sorts kopplingar, kaskadkopplingar, ökar verkningsgraden ochdärmed minskar driftskostnaden. Koldioxid används i det lägsta temperaturstegetoch andra köldmedier i det högre temperaturområdet.14,4 °C11,4 °CVarutemperaturen i enöppen kyldisk kan varierakraftigt. Blir maten för varm,förstörs den snabbt. Omman fotograferar kyldiskarmed en infraröd kamera, kanman mäta temperaturen påvarorna i olika positioner,och på så sätt lära sighur kyldiskar bäst skakonstrueras och livsmedlenförvaras.7,4 °C8,1 °C17

KomfortkylaMånga undrar varför vi här uppe i kalla Norden måste ha komfortkylapå våra arbetsplatser. Men det finns många skäl till det. Till att börja medär våra hus ofta mycket välisolerade för att minska behovet av uppvärmningpå vintern. Värme från datorer och annan kontorsutrustning har ocksåökat.FrikylaOftast utformas byggnader och system så att man kan ta tillvara på denkyla som finns i kall uteluft nattetid, men också i marken och vatten. Detkallas för frikyla eftersom ingen värmepump behöver användas. Iblandräcker frikyla för att skapa ett bra inneklimat, men den kan också fungerasom en bas där ett annat kylsystem kan komplettera vid behov.Ventilations- och kylsystem kan också hjälpa till att utjämna temperaturskillnadermellan fasad och inre delar av en byggnad.Aggregatrum förklimatisering av luft kräverstora utrymmen. InfraCityi Upplands Väsby har enanläggning för sorptiv kylapå vinden.Sorptiv kylaEn speciell typ av kylanläggning, så kallad sorptiv kylning, har utvecklats iSverige. Det bygger på ett torkmedel som applicerats på ett roterande hjul i ettluftbehandlingsaggregat. Systemet kan under gynnsamma omständigheter ensamtförsörja en byggnad med tillräcklig kyla. Fördelen med sorptiv kyla är att18

SpjällFläkt+VärmebatteriBefuktareFilterTFrånluftTLokalTTilluftSpjäll Filter TorkrotorFläktposition2RoterandevärmeväxlareFläktposition1Figur 7. InfraCitys anläggning för sorptiv kyla. Inkommande utomhusluft torkas i torkrotornvilket höjer temperaturen. I den roterande värmeväxlaren kyls luften ned igen. Därefterkyls luften ännu mer med hjälp av en befuktare till önskad temperatur, och tilluften blåses in ilokalen. Den rumstempererade frånluften kyls ner i en annan befuktare. Den passerar därefterden roterande värmeväxlaren, och tar upp värmen från tilluften. Frånluften värmes ytterligarei värmebatteriet som kan drivas med fjärrvärme. Den heta luften tar sedan med sig fukten fråntork-rotorn och blåses ut från byggnaden.det är tämligen billigt att använda höga luftflöden vilket ger bra inomhusluft.En nackdel är den kräver billig drivenergi, som returvatten från fjärrvärmenätsommartid eller solvärmt vatten. Men när förutsättningarna är de rätta är detett mycket intressant alternativ.Mobil kyla har gjorts bättreLuftkonditionering är i dag standardutrustning i bilar och lastbilar. Läckagefrån dessa system står för en ökande andel av de utsläpp som hotarozonskiktet och utsläpp av växthusgaser. I Sverige utvecklas nu ett alternativtill traditionell luftkonditionering genom att man använder koldioxidsom köldmedium. Fortsatt utveckling av detta system kan ge lägre bränsleförbrukningoch minskad miljöpåverkan från både lätta och tunga fordon.19

Figur 8. Värmepumpsteknologi som en del av ett tänkbart energisystem föruppvärmning och kylning i samhälletÅTERVINNINGTILL DEPONIFASTBRÄNSLEUPPVÄRMNINGKYLAFJÄRRVÄRMEVÄRMEDRIVENKYLANLÄGGNINGFILTERÅNGATURBINVÄRME-VÄXLAREBIOBRÄNSLEBiobränsle och sopor används i en ångpanna i ett kraftvärmeverk.Ångan driver en turbin och en generator som skapar elektricitet.20

Värmepumpar iuthålliga energisystemVärmepumpar passar mycket väl in i ett framtida uthålligt energisystem.De fungerar utmärkt i områden där bebyggelsen inte är tät nog för att motiverafjärrvärmenät, samtidigt som biobränslen inte är lämpliga eller tillräckligtkostnadseffektiva.Som visas i Figur 8 kan ett framtida svenskt energisystem bygga påfjärrvärmenät med kombinerad värme- och elproduktion för tättbebyggdaområden. Biobränslepannor kan användas där det går, med värmepumpar– drivna av el från kraftvärmeverket – som ett komplement i de områdensom inte nås av fjärrvärme eller där biobränslepannor inte fungerar.Energisystem skapade för att utnyttja värmepumparnas möjlighet attbåde ge värme till fjärrvärmenät och att kylt vatten till fjärrkylnät kommeratt ha låg energiförbrukning och hög kostnadseffektivitet.Framtidens värmepump har många funktionerIdag kompletteras ofta en villas värmebehov under de kallaste vinterdagarnamed direktverkande el. Morgondagens utvecklade värmepumpar kommeratt klara husets hela värmebehov och därmed minskar belastningen påelnätet. De är också behovsstyrda och fullt integrerade med byggnadensövriga system. Målet är att skapa högeffektiva värmepumpssystem, snarareän ”supervärmepumpar”.Små frånluftvärmepumpar fungerar utmärkt i byggnader med låg energiåtgång,där de kan ge varmvatten och spetsvärme. I många fall kan ettsystem med små värmepumpar vara mer kostnadseffektivt än ett värmeglestfjärrvärmenät eller en biobränslepanna. Små effektiva luft-luftvärmepumparär också ett intressant alternativ när det gäller att konvertera husmed direktverkande elvärme utan möjlighet till vattenburen värme.22Framtidens värmepumparkanske drivs med biobränsleEtt intressant framtidsperspektiv är en värmepump som drivs med biobränsle.Även om effektiviteten blir lägre än en eldriven värmepump, kan energiåtgångenfrån exempelvis pellets eller biogas bli lägre än i en konventionellvärmepanna. Ett hinder för systemet är kostnaden för en extra enhet, värmepumpen.Värmepumpar har en lovande framtid som en viktig teknik för ett uthålligtenergisystem.

”Värmepumpsforskningi samarbete med näringslivethar bildat bas för en framgångsrikindustriell utveckling.En mogen marknad har vuxit fram...”23

Värme och kyla– Värmepumpsteknologiför ett hållbart samhälleBox 310 · 631 04 EskilstunaTel: 016-544 24 20 00Fax: 016-544 20 99www.stem.seEnergimyndigheten verkar för ett hållbart energisystem iSverige och internationellt. En viktig del av arbetet är attstödja forskning, utveckling och demonstration inom energiområdet.Denna kunskapsöversikt beskriver utvecklingeninom värmepumpsteknologin under de senaste 30 åren. Denvisar hur teknologin fungerar i olika värme- och kraftsystemoch tecknar en bild av forskningen bakom dagens modernalösningar.Den stora fördelen med värmepumpar är att de utvinnerenergi från förnybara källor och spillvärme med låg temperatur.Via värmepumpen höjs temperaturen så att den bliranvändbar. Värmepumpar används ofta för att balanseratermiska överskott och underskott. Ett exempel är bergvärmepumpensom på vintern använder den värmeenergi somskapats av sommarens solinstrålning.Men värmepumpar används också för att ge kyla, ettbehov som blir allt större i dagens kontorsmiljöer. Men detstora användningsområdet för kyla är förstås fortfarande kylskåpoch frysboxar.Värmepumpar är i dag en standardlösning i svenska hem.Marknaden växer starkt och hälften av alla värmepumpar iEuropa, undantaget luft-luftvärmepumpar, finns i Sverige.Värmepumpar har en lovande framtid som en viktig bidragsgivaretill ett uthålligt energisystem.