Plusshusbloggen ved Tor Helge Dokka – 6
En meget sentral komponent for å få til et plusshusprosjektet er å ha et høyeffektivt system for termisk energiforsyning. Lowex beskrevet i dette innlegget er et eksepsjonelt effektivt system brukt i plusshuset vårt.
Lowex
Lowex står for low exergy, eller på norsk laveksergi. Laveksergi betyr kvalitativt å bruke lavverdig energikilder (som omgivelsesenergi i fjell) til å varme og kjøle. Mer kvantitativt betyr det å bruke lav temperatur til å varme opp bygget og høy temperatur til å kjøle bygget, og dermed kan man minimere elektrisitet (høyverdig energi) til oppvarming og kjøling av bygget. For å få til dette kreves et nøye design og optimalisering av hele systemet, fra varmeopptak og varmelagring i energibrønn-systemet, varmepumpe- og varmeveksler-systemet, distribusjonssystemet for termisk energi i bygget, varmeavgivelses-systemet og byggets varme/kjølebalanse, som illustrert i figur 1. Hver av disse fem systemene kan være avgjørende for hvordan total-systemet fungerer og hvor høy ytelse systemet kan få.
Lowex-systemet ble utviklet i et FoU-prosjekt med støtte fra Forskningsrådet med Skanska som prosjekteier, og gikk over tre år (2017-2019). Målsetningen i prosjektet var å utvikle termisk energiforsyning i nullenergibygg og plusshus, med ytelse som var 2 til 2,5 ganger bedre enn state-of-the-art. Prosjektet har vært en suksess med nærmere 15 bygg som er bygget, under bygging eller under planlegging. Erfaring fra de første realisert byggene med Lowex, som Lia Barnehage og House Zero (se Forskningsprosjektet Lowex – Avantor), er brukt for å forbedre systemer og komponenter i nyere prosjekter som Powerhouse Telemark, Skavanger skole og plusshuset vårt.
Systemløsning
Figur 2 viser skjematisk systemløsning for Lowex-systemet i vinterdrift. Typisk prøver vi å optimalisere varme/kjølebalansen til bygget og dimensjonere brønnanlegget slik at vi i snitt får opp ca. 5 grader fra brønnene i oppvarmingssesongen. Denne temperaturen heves til 22-29 ºC grader av varmepumpa før den går ut til gulvvarmesystem, med et snitt på ca. 26 ºC i fyringssesongen. For å varme opp med så lave temperaturer krever dette at det er lav termisk motstand mellom vannet i pex-rørene og gulvoverflaten. I praksis betyr det at pex-rørene er støpt inn med betong eller avrettingsmasse, og samtidig ikke dekker til dette med gulvoverflater som gir stor varmemotstand som tepper eller flytende parkett.
Slipt betong, avrettingsmasse med PU-behandling som vi har brukt i plusshuset vårt, fliser eller en type tynt gulvbelegg (linoleum eller PVC) fungerer alle meget godt. Med en så lav temperaturheving (fra 5 ºC til 26 ºC) skal man i teorien kunne få meget høy COP for varmepumpa, i perioder så høyt som 10. Over året bør årsvarmefaktoren kunne bli over 6. Dette fordrer en moderne inverterstyrt (turtallsregulert) varmepumpe som er riktig dimensjonert og som har meget gode dellastegenskaper.
Foreløpige målinger fra plusshuset vårt indikerer at vi tidvis ligger så høyt, kommer tilbake til mer detaljer på det i et senere blogg-innlegg. I tillegg til høy SCOP for varmepumpe er det også viktig at distribusjonssystemet på både varm og kald side er dimensjonert slik at man får lav energibruk til pumpene (SPP) for brinepumpe (kald side) og sirkulasjonspumpe på varm side.
Oppvarmingssesongen slutter/begynner (vår/høst) når døgnmidlere utetemperatur typisk overskrider 8 ºC. Opp til ca. 14 ºC døgnmiddeltemperatur vil man da ha en passiv sesong der man hverken varmer eller kjøler bygget. Når døgnmiddeltemperatur overskrider 14 ºC vil systemet reverseres, og man sirkulerer ca. 19 ºC vann i pex-rørene, som vist i figur 3. Dette svaler eller termisk stabiliserer bygget, slik at temperaturen holdes stabil i sommerhalvåret. Pådraget (mengdestrøm med 19 ºC vann) justeres ved at retur-tur temperaturdifferanse holdes på ca. 3 K. Det betyr at hvis det er mye varmetilskudd (f.eks. sol) vil sirkulasjonspumpa gires opp for å holde 3 K temperaturdifferanse. Typisk vil overflatetemperaturen på gulvet være på 21-22 grader, og grunnen til at vi ikke kaller det kjøling men heller svaling eller termisk stabilisering av bygget. Overskuddsvarmen fra bygget veksles direkte mot energibrønnene, og lader derfor opp brønnene i løpet av sommerhalvåret. En betydelig andel av denne varmen lagres i grunnen og «gjenvinnes» om vinteren (anslagsvis 40-60 %) og gir dermed varmepumpen høyere COP. Årskjølefaktoren (SEER) for dette systemet bør med riktig design være over 50. Dvs. man bruker helt neglisjerbar energi til å «kjøle»/svale bygget.
Typisk ytelse
Med en moderne inverterstyrt varmepumpe har man ofte veldig effektiv drift når den går mellom 25 og opp til 60 % av maks kapasiteten. Hvis varmepumpen dimensjoneres slik at den ligger i dette området det meste av fyringssesongen bør det være mulig å få en SCOP på over 6.
Vår varmepumpe NIBE S1255-6 har en kapasitet på 6 kW (ved 0/35 ºC) og kan kjøre ned til 1,5-1,8 kW. Denne vil dekke hele varmebehovet i et normalår uten det innebygde el-elementet. Denne varmepumpa dekker også varmtvanns-behovet, og vil i en VV-syklus kjøres opp til ca. 55 ºC og vil da selvsagt ha en lavere COP enn i varmedrift (typisk 3-4 i COP). Foreløpige målinger viser at ved lavt turtall (frekvens) og lav turtemperatur (25-26 ºC) kan COP i perioder være over 10. Vil i et senere blogg-innlegg analysere ytelsen til varmepumpesystemet ved ulike driftsforhold.
Barrierer
Som med de fleste løsninger med høy ytelses er det alltid noen barrierer man må være klar over:
- Lowex-systemet fordrer at relativt mange involverte i byggeprosjektet fra prosjekterende til utførende til ulike leverandører har en nogenlunde forståelse av systemet. Byggebransjen er jo til dels en konservativ bransje der man helst gjør slik man har gjort før, og det vil fungere dårlig på et system som Lowex.
- Det at mange konvensjonelle gulvoverflater som parkett og tepper ikke kan benyttes har vist seg å være en betydelig barriere i mange prosjekter. Og her må man ofte jobbe for å få gjennomslag.
- I perioder vil man tilføre ingen eller lite varme til gulvene, og hvis man da har tynne sokker eller går barbeint vil noen kanskje synes at gulvene er kalde. Dette gjelder kanskje spesielt bad der man i Norge ofte forventer varme gulv året rundt. Det er mulig å legge ekstra elektriske varmekabler i badegulv, men dette vil selvsagt øke energiforbruket betydelig. I vårt plusshus er det ikke gulvvarme i bad i sommerhalvåret.
- Et betydelig problem er også å finne varmepumper som er tilpasset Lowex-systemet. Dette gjelder særlig større bygg med større varmepumper, og der man har krav til å bruke naturlige kuldemedier (som Propan, CO2 eller ammoniakk). Her er det foreløpig problematisk å få tak i varmepumper som er tilpasset de lave temperaturnivåene og har gode dellastegenskaper (kunne gå ned trinnløst til ca 25 % kapasitet).
Energibruk uke 8, 9 og 10
Figur 5 a, 5b og 5c og viser formålsdelt energibruk for uke 8, 9 og 10. Trenden disse ukene er at det el-spesifikke forbruket (målt), som kan sies å være temperaturuavhengig, ligger litt under det som er simulert. Energibruk til varmepumpe for uke 8 og 9 følger trenden vi har sett de foregående ukene, ved at målt forbruk er betydelig under simulert forbruk. I uke 8 og 9 var utetemperaturen nære og litt mildere enn normalen. Uke 10 er den første i året der målt forbruk til varmepumpa er høyere enn simulert. Men hovedforklaringen på det er at uke 10 var en veldig kald uke, med temperatur som lå 7-8 grader under normalen for mars. El-billading var tilnærmet som simulert for uke 8 og 9, men noe høyere i uke 10. Dette kan også forklares med unormalt lav temperatur uka 10.
Når vi går over til overordnet energiflyt i figur 6.a.,b og c., så er variasjonen og differansene større. Denne perioden er jo i en transisjon mellom det vi kan kalle typisk vinterdrift og mer «vårdrift» der solproduksjonen så smått begynner å ta seg opp. I uke 8 (slutten av februar) er det fortsatt neglisjerbar sol, og målt energibruk er litt lavere enn simulert. I uke 9 (starten av mars) er antagelsen i simuleringsmodellen at snøen er blitt borte fra taket, men det er bare toppen av de øverste solcellemodulene som er udekket og som gir litt produksjon. Det samme gjelder til stor grad uke 10, som var veldig kald og med lite snøsmelting. Produsert, eksportert og egenbrukt solstrøm er derfor betydelig mindre enn det som er simulert for disse ukene. Det gjør også at netto levert energi for bygget (uten lading) og netto levert inkludert lading er høyere enn simulert, selv om energibruken til bygget er lavere enn simulert disse to ukene.
