Effektiviseringspotential för värmesystem med sol och pellets : Parameterstudier, emissionsfaktoreroch simuleringsresultat

Syftet med denna studie är att hitta driftsbetingelser som sänker pelletsförbrukning och utsläpp och därmed även de totala kostnaderna för ett värmesystem. Värmesystemet har två huvudsakliga energikällor; sol och pellets. En elpatron används också, för att täcka upp med värme när solen lyser med sin frånvaro och pelletsystemet inte har hunnit börja leverera värme,till exempel i samband med start av brännaren. Lasten utgör värme till ett småhus av dagens standard och tappvarmvattenbehov.

Emissions from realistic operation of residential wood pellets heating systems

Emissions from residential combustion appliances vary significantly depending on the firing behaviours and combustion conditions, in addition to combustion technologies and fuel quality. Although wood pellet combustion in residential heating boilers is efficient, the combustion conditions during start-up and stop phases are not optimal and produce significantly high emissions such as carbon monoxide and hydrocarbon from incomplete combustion. The emissions from the start-up and stop phases of the pellet boilers are not fully taken into account in test methods for ecolabels which primarily focus on emissions during operation on full load and part load. The objective of the thesis is to investigate the emission characteristics during realistic operation of residential wood pellet boilers in order to identify when the major part of the annual emissions occur. Emissions from four residential wood pellet boilers were measured and characterized for three operating phases (start-up, steady and stop). Emissions from realistic operation of combined solar and wood pellet heating systems was continuously measured to investigate the influence of start-up and stop phases on total annual emissions. Measured emission data from the pellet devices were used to build an emission model to predict the annual emission factors from the dynamic operation of the heating system using the simulation software TRNSYS. Start-up emissions are found to vary with ignition type, supply of air and fuel, and time to complete the phase. Stop emissions are influenced by fan operation characteristics and the cleaning routine. Start-up and stop phases under realistic operation conditions contribute 80 – 95% of annual carbon monoxide (CO) emission, 60 – 90% total hydrocarbon (TOC), 10 – 20% of nitrogen oxides (NO), and 30 – 40% particles emissions. Annual emission factors from realistic operation of tested residential heating system with a top fed wood pelt boiler can be between 190 and 400 mg/MJ for the CO emissions, between 60 and 95 mg/MJ for the NO, between 6 and 25 mg/MJ for the TOC, between 30 and 116 mg/MJ for the particulate matter and between 2x10-13 /MJ and 4x10-13 /MJ for the number of particles. If the boiler has the cleaning sequence with compressed air such as in boiler B2, annual CO emission factor can be up to 550 mg/MJ. Average CO, TOC and particles emissions under realistic annual condition were greater than the limits values of two eco labels. These results highlight the importance of start-up and stop phases in annual emission factors (especially CO and TOC). Since a large or dominating part of the annual emissions in real operation arise from the start-up and stop sequences, test methods required by the ecolabels should take these emissions into account. In this way it will encourage the boiler manufacturers to minimize annual emissions. The annual emissions of residential pellet heating system can be reduced by optimizing the number of start-ups of the pellet boiler. It is possible to reduce up to 85% of the number of start-ups by optimizing the system design and its controller such as switching of the boiler pump after it stops, using two temperature sensors for boiler ON/OFF control, optimizing of the positions of the connections to the storage tank, increasing the mixing valve temperature in the boiler circuit and decreasing the pump flow rate. For 85 % reduction of start-ups, 75 % of CO and TOC emission factors were reduced while 13% increase in NO and 15 % increase in particle emissions was observed.

Eldningsresultat för pellets med tillsats av magnesium

Vid förbränning av biobränslen såsom träpellets bildas partiklar som orsakar avsättningar på ytor i pannans konvektionsparti. Det som leder till försämrad effektivitet och kräver sotning. Dessutom sker utsläpp av partiklar till uteluften som kan ge hälsoeffekter. Vid förbränning kan alkalimetaller, som till exempel kalium, frigöras från bränslet och de kan bilda klibbiga avsättningar tillsammans med klor, svavel eller kisel, som i sin tur samlar in mer partiklar och det bygger på avsättningar i konvektionspartiet. Det förväntas att magnesi-um reagerar (huvudsakligen med klor, svavel och kisel) så att sammansättningar med högre smältpunkter erhålls, vilket kan minska avsättningar i konvektionspartiet. Karlstads Universitet har producerat tre olika typer av träpellets; en referenspellet utan tillsat-ser, en pellet med magnesiumoxid (MgO) och en pellet med magnesiumhydroxid (Mg(OH)2). Kortare eldningsprov med de olika bränslena har genomförts i en 20 kW pelletspanna och uppkomna avsättningar i konvektionspartiet och emissioner har registreras. Avsättningarna i konvektionspartiet kvantifierades med en gravimetrisk metod och analyserades med SEM, vilket gör det möjligt att se vilka grundämnen som förekommer i avsättningarna. Gasformiga emissioner som CO, NO och TOC registrerades liksom partikelutsläpp. Motsvarande försök gjordes också med en kommersiellt tillverkad pellet. Tillsats av MgO och Mg(OH)2 ökade mängden flygaska och partikelutsläpp (PM 2,5). Massan av fasta beläggningar i konvektionspartiet ökade också jämfört med referenspellets utan dessa tillsatser. Dessutom bildades stora mängder flygaska i fallen med magnesiumtillsats. Att tillsatserna bildade flygaska kan förklaras av den normalt mycket låga askhalten i träpel-lets och därmed är också halten av alkalimetaller låg jämfört med pellets som tillverkas av spannmål. Magnesiumtillsatsen syftar till att reagera med alkalimetaller och bilda föreningar med så hög smältpunkt att de inte fastnar i pannans konvektionsparti. Troligen är magnesium-tillsatsen för hög jämfört med mängden alkali i pelletsen. Från SEM-analysen kan man se att mängden kalium minskar med magnesiumtillsatserna och det verkar som att principen fungerar. Dock hamnade stora mängder flygaska med hög andel magnesium i konvektionspartiet (lös flygaska har avlägsnats före den gravimetriska mätning-en och före SEM-analysen av substraten). Detta kan ha förhindrat substraten från att få högre andel fasta avsättningar från bland annat kalium och klor under denna korta mätperiod som genomfördes. Det kan dock inte uteslutas att de minskade avsättningarna av kalium och klor berodde på just tillsatsen av magnesium.

The Application Of Renewable Energy For Prefab Houses In Germany

Within the framework of the REBUS project the German building industry has been investigated regarding their energy concepts. The intention was to evaluatethe establishment of renewable energy sources on the German market for new built houses and prefab houses in particular. For this purpose the products of 85manufacturers of prefab houses have been analyzed. Of special interest was the applicationof heating and hot water systems driven by solar energy and biomass. The results show that both techniques are well accepted and established. Almost 90% of themanufacturers offer solar systems on request and almost 70% heating systems based on Pellets. 24% offered solar and 7% as standard options in their range. From theachieved figures the potential of the Swedish market can be worked out. Strategies to introduce renewable energy to a greater extent to Swedish house manufacturers and builders might also be found.

Methodology for identifying parameters for the TRNSYS model Type 210 -wood pellet stoves and boilers

This report describes a method how to perform measurements on boilers and stoves and how to identify parameters from the measurements for the boiler/stove-model TRNSYS Type 210. The model can be used for detailed annual system simulations using TRNSYS. Experience from measurements on three different pellet stoves and four boilers were used to develop this methodology. Recommendations for the set up of measurements are given and the re-quired combustion theory for the data evaluation and data preparation are given. The data evalua-tion showed that the uncertainties are quite large for the measured flue gas flow rate and for boilers and stoves with high fraction of energy going to the water jacket also the calculated heat rate to the room may have large uncertainties. A methodology for the parameter identification process and identified parameters for two different stoves and three boilers are given. Finally the identified models are compared with measured data showing that the model generally agreed well with meas-ured data during both stationary and dynamic conditions.

Mätning och utvärdering av PM brännaren

The PM-brännaren (pellets burner) have on commission by the company been measured and evaluated in the combustion laboratory of SERC. The objective was to measure the perform-ance and the emissions of CO and NO for three different combustion powers and for start and stop conditions. The burner have been mounted in the Bionett-boiler from Ariterm and been adjusted by the company. The boiler has been connected to a buffer store that admits firing during long period with constant inlet temperature to the boiler. The measurements have been performed by operating the boiler on constant power until stationary conditions are reached. Thereafter the following two hours of operation have been evaluated. The results show that the burner fulfils the limit values for Blauer Engel labelling and the proposed limit values for Nordic Eco labelling. The measured concentration of NO is far below all organisations limit values for NOx. Concerning the start and stop emissions there are no demands from organisa-tions to compare with, but comparing with other boilers measured at SERC, the CO emissions from PM-brännaren is in the same order of magnitude.

Förstudie småskalig pelletanvändning i Chile

Syftet med denna förstudie var att undersöka vilka förutsättningar finns för pelletvärmesystem och om marknaden i Chile kan vara intressant för svenska företag som tillverka den typ värmesystem. De viktigaste resultaten är:1.Träpellets finns tillgängliga i Chile tillverkade av tre företag med en total tillverkningskapacitet av 100000 ton. En typ pellets finns på marknaden som har ungefär samma kvalitet som svensk tillverkade pellets.2.Än så länge finns i Chile bara ett företag som tillverkar pelletskaminer. Det finns ytterligare företag som importerar pelletskaminer och pelletspannor från Europa. 3.På grund av det milda klimatet har bostadshus inga vattenburna värmedistributionssystem eller även inga värmesystem alls.4.Mest vanliga är enkla vedkaminer. Det finns potential att ersätta dessa kaminer speciellt i storstadsområdet där deras användning har inskränkts på grund av de höga utsläppen de orsakar och där gas, el eller olja för uppvärmning kan ersättas.5.Priser för svenska pelletkaminer är för höga för att kunna konkurrera på den chilenska marknaden.6.På grund av det milda klimatet och de höga kostnaderna för vattenburna värmedistributionssystem kommer vattenburna värmesystem att ha även i framtiden bara en liten marknad.

Småhusens framtida utformning : -Hur påverkar Boverkets nya byggregler?

Från och med 1:a jan 2010 gäller nya byggregler avseende energianvändning och effektbehov för nya byggnader. De nya kraven innebär en skärpning för alla byggnader som använder el för uppvärmning. För att begränsa effektbehovet för elvärmda hus införs krav på maximal installerad eleffekt och kraven på köpt energimängd blir lägre i hus med elvärme än i hus som har annat uppvärmningssätt. Denna rapport undersöker hur byggandet kan komma att påverkas av de nya byggreglerna och vilka system som kan komma att bli dominerande i småhusen framöver. En villa med olika isolerstandard simulerades på fyra olika orter från Malmö i söder till Kiruna i norr och energianvändningen för de olika uppvärmningssystemen beräknades sedan scha-blonmässigt med hjälp av tillverkarnas data. Två olika isolerstandarder och ett passivhus simu-lerades med respektive utan från och tilluft med värmeåtervinning. Resultaten visar att traditionella frånluftvärmepumpar inte klarar kraven, både vad gäller ener-gi och effekt, förutom möjligen i sydligaste Sverige i ett välisolerat hus. En kondenserande frånluftvärmepump som kyler frånluften kraftigare och utvinner kondensationsvärme klarar kraven om den uppfyller vad tillverkaren lovar. En frånluft/jordvärmepump klarar också kra-ven, men ligger nära gränsen i Mellansverige. De uppvärmningsalternativ som klarar de nya energikraven med god marginal i alla klimatzoner är kondenserande frånluftvärmepump, bergvärmepump, fjärrvärme (FTX krävs i norra Sverige), pelletkamin med FTX samt passiv-huset. De el-baserade uppvärmningsalternativ som ger lägst elanvändning är bergvärmepump samt passivhus alternativet. Dessa ligger på alla orter långt under kravgränserna från BBR.Uppvärmning med enbart pellets eller fjärrvärme (utan FTX eller solvärme) klarar inte energi-kraven med tillräcklig marginal förutom i Malmö. Det krävs ytterligare åtgärder som kan vara tilläggsisolering, värmeåtervinning med FTX, frånluftvärmepump eller solvärme. Pelletvärme-systemen får lite svårare att klara energikraven, pga pelletkaminens verkningsgrad. Det blir alltså i praktiken krav på FTX med ved, pellets och oftast med fjärrvärme.En ekonomisk utvärdering har genomförts baserad på första årets energi-, kapital- och under-hållskostnader. Kapitalkostnader delas upp på komponentens förväntade livslängd med annui-tetsmetoden. Framtida underhållskostnader diskonteras ett nuvärde och delas upp med annui-tetsmetoden. Dagens energipriser och en kalkylränta på 4,5 % används som utgångspunkt, men varieras för olika scenarier. Fjärrvärme tycks ge bland de lägsta kostnaderna av de studerade alternativen. I alla fall i de kommuner som ligger under medelpriset för svensk fjärrvärme. Vedeldning har inte studerats här, men ger säkerligen lägst totalkostnader om man accepterar den tid som krävs för att han-tera ved och elda. Det studerade passivhuset hör också till de alternativ som har bland de lägs-ta kostnaderna då investering och energianvändning vägs samman. Men räntenivån har en stor inverkan på systemens totalkostnad. Låg ränta har en utjämnande effekt på totalkostnaden. Vid högre ränta ökar kostnaden mest för system med lång livslängd (avskrivningstid), vilket gör passivhusen dyrare. Pelleteldning i nybyggda hus kommer nog att utgöra en mindre del av installationerna, då det krävs FTX och investeringskostnaden blir ganska hög, men om lösningar med frånluftvärme-pump och luftburen pelletkamin mot förmodan skulle komma att uppfylla kraven för ett icke elvärmt hus kan det bli ett uppsving av sådana lösningar.

Knubbved istället för vanlig ved? : slutrapport från projekt Styckeved för småskalig eldning

Chunkwood is a wood fuel with a fuel particle length between 50 and 150 mm, i.e. with a sizebetween wood chips and conventional firewood. Chunkwood can be produced and handled asrational as wood chips and can dry during storage like conventional firewood. This is known sincelong. In project Smallwood for small scale heating we have investigated if chunkwood can be usedin a small scale as a fuel for heating detached houses in conventional firewood boilers as well asautomatically fed to a boiler in a similar way as wood chips. We have also compared completesystems for small scale production, distribution and heating with chunkwood, wood chips andconventional firewood.Storage of chunkwood produced for testing small scale boilers confirmed that chunkwood can dryduring storage at least as good as conventional firewood. Tests in different boilers for detachedhomes showed that chunkwood can be used in conventional firewood boilers as well as in automaticallyfed wood chips boilers. Chunkwood can be delivered to the customer to the same or lowercost as wood chips and firewood, but need much less handling by the customer than conventionalfirewood. However, if chunkwood is used in a conventional firewood boiler, it needs some handlingby shovel and wheelbarrow. Technical development of handling from the storage to the boiler isneeded. In a somewhat larger scale, e.g. a boiler for apartment blocks or a small district heatingsystem, chunkwood should be very interesting as a replacement of fuel pellets or fuel briquettes. Itwould be interesting with some projects, which in this scale demonstrates the whole system fromthe forest to heat.

Slutrapport för EU-projekt SolNET P22416-1

SolNET var den första europeiska forskarskolan för termisk solvenergi med 10 doktorander, där sju gemensamma doktorandkurser utvecklades och genomfördes under projektets gång. Projektet stöddes av EU-programmet Marie-Curie från juni 2006 till maj 2010.Centrum för solenergiforskning SERC vid Högskolan Dalarna deltog med en doktorand, Janne Paavilainen. SERC genomförde den första av doktorandkurserna, om dynamisk systemsimulering. 30 studenter deltog från 16 länder varav 22 var doktorander och tre var från industri.Under 2007 genomförde Paavilainen en teknoekonomisk utvärdering av mellanstora pellet- och solvärmesystem för närvärme som presenterades vid konferensen Eurosun 2008. Resultaten visar under vilka förutsättningar som solvärme kan vara ekonomisk lönsamt i närvärmesystem i Sverige och Finland. Paavilainen har varit medförfattare till en tidsskriftsartikel om SERCs simuleringsmodell för pelletspannor och –kaminer samt varit medförfattare till två tidsskriftsartiklar tillsammans med SPF (Schweiz) och TU Graz (Österrike) om en ny pannmodell för gas, olja och pellets. Dessa två validerade modeller i programmet TRNSYS används nu rutinmässigt i Sverige av SP och SERC och i Europa av ett flertal forskargrupper. Den nya pannmodellen som utvecklades med SPF och TU Graz har också införlivats i programmet Polysun som används av flera hundra användare runt hela världen, inkl. SERCs magisterstudenter.