Värme och kyla
Värme och kyla
Värme och kyla
- No tags were found...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Forskare vid IUC(Installatörernasutbildningscentrum) iKatrineholm. Vid IUCfinns sedan 2005 ettnytt laboratorium förexperiment på <strong>och</strong>provning av kylmaskiner.Laboratoriet är ettsamarbete mellanutbildningscentrumet,avdelningen förEnergiteknik vid KTHsamt värmepump- <strong>och</strong>kylteknikbranscherna.klorfria köldmedier. Men komponenterna i de system som slog igenom medhjälp av tävlingen, främst kompressorer <strong>och</strong> oljor, var inte anpassade till denya köldmedierna. Det ledde till driftproblem, haverier <strong>och</strong> många försäkringsärenden.Trots de tekniska problemen medförde tävlingen ett nytt intresseför värmepumpar samtidigt som energipriserna åter ökade.Forskningsprogram i samarbete har gett resultatKyl- <strong>och</strong> värmepumpsbranschen kännetecknas av en stor spridning i företagsstorlek<strong>och</strong> verksamhet. Därför var det extra lyckosamt att få med ettstörre antal tillverkare <strong>och</strong> användare när det första sammanhållna forskningsprogrammet,Alternativa köldmedier, startade 1994. Ett projekt handladeom utformning <strong>och</strong> smörjning av kompressorlager. Det löste ett av deproblem som uppkom vid bytet till klorfria köldmedier. Det problemlösande<strong>och</strong> kunskapsuppbyggande samarbetet mellan branschen <strong>och</strong> forskarna var7
mycket framgångsrikt. Detta första program kom att följas av ytterligare två,Klimat 21 <strong>och</strong> eff-Sys. De finansierades av Energimyndigheten tillsammansmed ett femtiotal industrier <strong>och</strong> organisationer.Resultaten från dessa program har redan minskat energianvändningen ikyl- <strong>och</strong> värmepumpsanläggningar, <strong>och</strong> kommer i framtiden att spara ännumer energi. Konkreta resultat spänner över breda fält. Det handlar om alltifråndatormodeller för villavärmepumpar <strong>och</strong> kyldiskar i butiker, till värmeöverföringsåväl i små kylskåp som i stora värmepumpar i fjärrvärmesystemet.Inom eff-Sys <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> 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.org8<strong>Värme</strong>pumpsforskning – en lönsam affärDe samhällsekonomiska, miljömässiga <strong>och</strong> företagsekonomiska vinsternaav den svenska värmepumpsforskningen har varit stora sedan 1970-talet.Den har bland annat ökat energieffektiviseringen <strong>och</strong> hjälpt till att minskaoljeanvändningen. <strong>Värme</strong>pumpstekniken har också bidragit till att Sverigehar världens mest miljövänliga komfort<strong>kyla</strong> i kontor <strong>och</strong> lokaler genomfjärr<strong>kyla</strong>. Utan värmepumpar hade det inte heller funnits förutsättningarför att pröva fri<strong>kyla</strong>tekniken. 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.
<strong>Värme</strong>pumpar spelaren viktig roll i samhälletUnder 70- <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong>överskottsvärme från fjärrkylningssystem. Denna energi användes till attbåde <strong>kyla</strong> <strong>och</strong> värma byggnader genom att omvandla överskottenergin tillnyttig energi i ett annat system.Fjärrvärme från avloppsvatten,spillvärme <strong>och</strong> havsvattenI Stockholms fjärrvärmesystem finns två stora anläggningar med värmepumparsom använder helt olika tekniker för att utvinna energi. Värtaverket,med en värmekapacitet på 260 MW <strong>och</strong> en kylkapacitet på 48MW, använder bräckt vatten från Östersjön som värmekälla. Saltet i vatt-<strong>Värme</strong>pumpen vid Värtanär unik, den är byggd på enflotte ovanpå vattenintaget.9
Hammarbyverket har en värmeeffektpå 225 MW <strong>och</strong> en kyleffektpå 40 MW <strong>och</strong> 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 fjärr<strong>kyla</strong> via ett separat nät. Kylan återförvärme från anslutna kontorsbyggnader som sedan återvinns i värmeverket.Det kylda vattnet kan sedan gå tillbaka <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> underhåll.<strong>Värme</strong>n från kraftvärmeverket används i fjärrvärmenäten <strong>och</strong> elektricitetenkan användas för att driva värmepumpar utanför fjärrvärmeområdet.På sommaren, när värmen enbart behövs för tappvarmvatten, kan fjärrvärmenätenistället användas för att distribuera värmedriven fjärr<strong>kyla</strong>. Detger möjlighet att producera el även på sommaren, vilket ger bättre verkningsgrad<strong>och</strong> ekonomi.Svenska forskare har tagit fram värmedrivna kylsystem som arbetar medde temperaturer, 70-80 grader, som fungerar just med fjärrvärmenät.Fjärr<strong>kyla</strong> används för att <strong>kyla</strong>lokaler <strong>och</strong> bostäder genomatt pumpa runt kallt vatten i ettrörsystem, ett fjärr<strong>kyla</strong>nät.<strong>Värme</strong>driven fjärr<strong>kyla</strong> innebäratt man använder fjärrvärmenätetsvärme för att drivaden kylmaskin som producerarfjärr<strong>kyla</strong>n.Fri<strong>kyla</strong> betyder att man hämtartillräckligt kallt vattnen frånen sjö eller älv, <strong>och</strong> 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 fri<strong>kyla</strong> i StockholmKARDUANSMAKAR-JAKOBSGATANFREDSGATANDROTTNINGGATAN-GATANMALMTORGSGATANKYLAN-LÄGGNINGVÄRME-VÄXLAREGUSTAV ADOLFSTORGSTRÖMGATANFigur 3. Idag används intaget till ett fri<strong>kyla</strong>system. 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 värmen<strong>och</strong> fukten från alla besökare. Därföranvänder museet fri<strong>kyla</strong> från Saltsjön.Inomhustemperaturen korrigeras medvärmepumpar om det behövs.13
<strong>Värme</strong>pumpar – 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 <strong>Värme</strong>pumpföreningen, 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 <strong>och</strong> förde tillbaka energin till huset. I hus med balanseradventilation växlades värmen från den utgående varma frånluften <strong>och</strong> denkalla intagsluften. Hus med enbart frånluftssystem, vilket var den vanligastelösningen för bostadshus, fick frånluftsvärmepumpar som värmderadiatorer <strong>och</strong> tappvarmvatten. Den tekniken har hela tiden utvecklas <strong>och</strong>idag 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 utvecklats<strong>och</strong> pumparna blir allt driftsäkrare <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> tvärt om AVpå vintern. Detta akvifärsystem ger den värme <strong>och</strong> <strong>kyla</strong> som behövspå SAS huvudkontorVENTILATIONSLUFTi Frösundavik, Solna.16
Att <strong>kyla</strong> matKylning av livsmedel är det som drivit fram kyltekniken. Först användesnaturis <strong>och</strong> isskåp. På 1940-talet kom de mekaniska kylskåpen. Behovet avatt <strong>kyla</strong> livsmedel är minst lika stort i dag, så att maten inte förstörs <strong>och</strong>att de som äter den inte ska bli sjuka. Av det skälet är det också viktigt attkylkedjan är obruten från producent till konsument. Livsmedelsbutikernaskyl- <strong>och</strong> frysdiskar är en mycket viktig länk i denna kedja. Här ska matenhålla en låg temperatur samtidigt som kunderna ska kunna se <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> utvärderats. Med hjälp aven speciell sorts kopplingar, kaskadkopplingar, ökar verkningsgraden <strong>och</strong>därmed minskar driftskostnaden. Koldioxid används i det lägsta temperatursteget<strong>och</strong> 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,<strong>och</strong> på så sätt lära sighur kyldiskar bäst skakonstrueras <strong>och</strong> livsmedlenförvaras.7,4 °C8,1 °C17
Komfort<strong>kyla</strong>Många undrar varför vi här uppe i kalla Norden måste ha komfort<strong>kyla</strong>på 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. <strong>Värme</strong> från datorer <strong>och</strong> annan kontorsutrustning har ocksåökat.Fri<strong>kyla</strong>Oftast utformas byggnader <strong>och</strong> system så att man kan ta tillvara på den<strong>kyla</strong> som finns i kall uteluft nattetid, men också i marken <strong>och</strong> vatten. Detkallas för fri<strong>kyla</strong> eftersom ingen värmepump behöver användas. Iblandräcker fri<strong>kyla</strong> för att skapa ett bra inneklimat, men den kan också fungerasom en bas där ett annat kylsystem kan komplettera vid behov.Ventilations- <strong>och</strong> kylsystem kan också hjälpa till att utjämna temperaturskillnadermellan fasad <strong>och</strong> inre delar av en byggnad.Aggregatrum förklimatisering av luft kräverstora utrymmen. InfraCityi Upplands Väsby har enanläggning för sorptiv <strong>kyla</strong>på vinden.Sorptiv <strong>kyla</strong>En speciell typ av <strong>kyla</strong>nläggning, 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 <strong>kyla</strong>. Fördelen med sorptiv <strong>kyla</strong> är att18
SpjällFläkt+<strong>Värme</strong>batteriBefuktareFilterTFrånluftTLokalTTilluftSpjäll Filter TorkrotorFläktposition2RoterandevärmeväxlareFläktposition1Figur 7. InfraCitys anläggning för sorptiv <strong>kyla</strong>. 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, <strong>och</strong> tilluften blåses in ilokalen. Den rumstempererade frånluften kyls ner i en annan befuktare. Den passerar därefterden roterande värmeväxlaren, <strong>och</strong> tar upp värmen från tilluften. Frånluften värmes ytterligarei värmebatteriet som kan drivas med fjärrvärme. Den heta luften tar sedan med sig fukten fråntork-rotorn <strong>och</strong> 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 <strong>kyla</strong> har gjorts bättreLuftkonditionering är i dag standardutrustning i bilar <strong>och</strong> lastbilar. Läckagefrån dessa system står för en ökande andel av de utsläpp som hotarozonskiktet <strong>och</strong> 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 bränsleförbrukning<strong>och</strong> minskad miljöpåverkan från både lätta <strong>och</strong> tunga fordon.19
Figur 8. <strong>Värme</strong>pumpsteknologi som en del av ett tänkbart energisystem föruppvärmning <strong>och</strong> kylning i samhälletÅTERVINNINGTILL DEPONIFASTBRÄNSLEUPPVÄRMNINGKYLAFJÄRRVÄRMEVÄRMEDRIVENKYLANLÄGGNINGFILTERÅNGATURBINVÄRME-VÄXLAREBIOBRÄNSLEBiobränsle <strong>och</strong> sopor används i en ångpanna i ett kraftvärmeverk.Ångan driver en turbin <strong>och</strong> en generator som skapar elektricitet.20
<strong>Värme</strong>pumpar iuthålliga energisystem<strong>Värme</strong>pumpar 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- <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> att kylt vatten till fjärrkylnät kommeratt ha låg energiförbrukning <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> därmed minskar belastningen påelnätet. De är också behovsstyrda <strong>och</strong> 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 <strong>och</strong> 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.<strong>Värme</strong>pumpar har en lovande framtid som en viktig teknik för ett uthålligtenergisystem.
”<strong>Värme</strong>pumpsforskningi samarbete med näringslivethar bildat bas för en framgångsrikindustriell utveckling.En mogen marknad har vuxit fram...”23
<strong>Värme</strong> <strong>och</strong> <strong>kyla</strong>– <strong>Värme</strong>pumpsteknologiför ett hållbart samhälleBox 310 · 631 04 EskilstunaTel: 016-544 24 20 00Fax: 016-544 20 99www.stem.seEnergimyndigheten verkar för ett hållbart energisystem iSverige <strong>och</strong> internationellt. En viktig del av arbetet är attstödja forskning, utveckling <strong>och</strong> demonstration inom energiområdet.Denna kunskapsöversikt beskriver utvecklingeninom värmepumpsteknologin under de senaste 30 åren. Denvisar hur teknologin fungerar i olika värme- <strong>och</strong> kraftsystem<strong>och</strong> tecknar en bild av forskningen bakom dagens modernalösningar.Den stora fördelen med värmepumpar är att de utvinnerenergi från förnybara källor <strong>och</strong> spillvärme med låg temperatur.Via värmepumpen höjs temperaturen så att den bliranvändbar. <strong>Värme</strong>pumpar används ofta för att balanseratermiska överskott <strong>och</strong> underskott. Ett exempel är bergvärmepumpensom på vintern använder den värmeenergi somskapats av sommarens solinstrålning.Men värmepumpar används också för att ge <strong>kyla</strong>, ettbehov som blir allt större i dagens kontorsmiljöer. Men detstora användningsområdet för <strong>kyla</strong> är förstås fortfarande kylskåp<strong>och</strong> frysboxar.<strong>Värme</strong>pumpar är i dag en standardlösning i svenska hem.Marknaden växer starkt <strong>och</strong> hälften av alla värmepumpar iEuropa, undantaget luft-luftvärmepumpar, finns i Sverige.<strong>Värme</strong>pumpar har en lovande framtid som en viktig bidragsgivaretill ett uthålligt energisystem.