Kombinerade bio- och solvärmesystem : Handbok för systemutformning

Syftet med denna skrift är att sammanställa den kunskap som finns beträffande kombinerade pellet- och solvärmesystem för att på så sätt stödja företagen i deras systemutveckling. Denna skrift behandlar erfarenheter som gjorts inom forskning på sol och pellet och omsätter dessa i praktiska råd för systemutformning. Förslag ges på systemutformning, olika tekniska lösningar samt hur systemen bör styras.När solvärme och pellet skall kombineras finns det många möjligheter att koppla ihop systemen. Det finns olika traditioner i olika länder, vilket gör att systemlösningarna varierar från land till land. En generell slutsats är dock att konventionella svenska pannor med inbyggd varmvattenberedning inte är lämpliga i konventionella solvärmesystem. Det ger komplicerade systemlösningar och det är svårt att åstadkomma bra skiktning i tanken.I ett solvärmesystem är det viktigt att tanken kan laddas ur på ett sådant sätt att kraftig skiktning erhålls. Det betyder att tankens botten skall kylas ner till temperaturen på ingående kallvatten och att tankens mellersta del skall kylas till samma temperatur som radiatorreturen. Om solfångaren även vintertid kan arbeta med att förvärma kallvatten av 10 till 20ºC fås en betydligt bättre verkningsgrad på solfångaren än om radiator returen skall förvärmas, som i bästa fall ligger på en temperaturnivå på mellan 30 och 40ºC. Av denna anledning skall radiator returen placeras en bra bit upp från botten i ackumulatortanken och tappvattnet skall förvärmas i en slinga som börjar i tankens botten. Om det finns ett VVC-system måste systemet anslutas på ett speciellt sätt så att inte tankens skiktning störs.En annan viktig parameter i tankens utformning är att värmeförlusterna hålls låga, detta är viktigt för att klara tappvattenlasten mulna perioder och för att hålla energianvändningen låg. I moderna hus där tanken placeras i boutrymmet blir det också en komfortfråga för att undvika över-temperaturer i rummet där tanken placeras. För att få en bra isolering måste man se till att det finns ett lufttätt skikt över hela isoleringen som dessutom sluter tätt mot röranslutningar. Ofrivillig själv-cirkulation i anslutande kretsar som kan kyla av och blanda om ackumulatortanken skall förhindras med backventiler.Vid design av solfångarkretsen måste överhettning och stagnation kunna klaras utan glykolnedbrytning eller andra skador. Partiell förångning innebär att man låter solfångaren koka på ett kontrollerat sätt så att endast ånga blir kvar i solfångaren. Vätska samlas i ett större expansionskärl och systemet återfylls när vätskan kondenserar. Dränerande system med enbart vatten är också en möjlighet, men kräver större noggrannhet vid installationen så att sönderfrysning undviks.Pelletkaminer (luftburna) ger god komfort och lågt elbehov i direktelvärmda hus med öppen planlösning, dvs. om värmen från kaminen kan spridas till alla rum utan att behöva passera genom mer än en dörröppning. Även i lågenergihus kan den luftburna kaminen vara lämplig. I hus med mer sluten planlösning krävs en vattenmantlad kamin med hög andel värme till vattenkretsen och ett vattenburet värmesystem. Det är viktigt att sådana system utformas korrekt för att komforten skall bli hög och elanvändningen låg. Brukarens aspekter och komfortkrav måste beaktas vid användning av kaminer, eftersom det krävs en temperaturskillnad mellan olika rum för att få värmespridning från det rum där kaminen är placerad.

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.

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.

Elbesparing med pelletkaminer och solvärme i direktelvärmda småhus

The aim of this study was to investigate how electricallyheated houses can be converted to using wood pellet and solarheating. There are a large number of wood pellet stoves on themarket. Many stoves have a water jacket, which gives anopportunity to distribute the heat to domestic hot water and aradiator heating system. Three typical Swedish houses with electric resistanceheating have been studied. Fourteen different system conceptsusing wood pellet stoves and solar heating systems have beenevaluated. The systems and the houses have been simulated indetail using TRNSYS. The houses have been divided in up to 10different zones and heat transfer by air circulation throughdoorways and open doors have been simulated. The pellet stoveswere simulated using a recently developed TRNSYS component,which models the start- and stop phases, emissions and thedynamic behaviour of the stoves. The model also calculates theCO-emissions. Simulations were made with one stove without awater jacket and two stoves with different fractions of thegenerated heat distributed in the water circuit. Simulations show that the electricity savings using a pelletstove are greatly affected by the house plan, the systemchoice, if the internal doors are open or closed and thedesired level of comfort. Installing a stove with awater-jacket connected to a radiator system and a hot waterstorage has the advantage that heat can be transferred todomestic hot water and be distributed to other rooms. Suchsystems lead to greater electricity savings, especially inhouses having a traditional layout. It was found that not allrooms needed radiators and that it was more effective in mostcases t use a stove with a higher fraction of the heatdistributed by the water circuit. The economic investigation shows that installing a woodpellet stove without a water jacket gives the lowest totalenergy- and capital costs in the house with an open plan (fortoday's energy prices and the simulated comfort criteria). Inthe houses with a traditional layout a pellet stove givesslightly higher costs than the reference house having onlyelectrical resistance heating due to the fact that less heatingcan be replaced. The concepts including stoves with a waterjacket all give higher costs than the reference system, but theconcept closest to be economical is a system with a bufferstore, a stove with a high fraction of the heat distributed bythe water circuit, a new water radiator heating system and asolar collector. Losses from stoves can be divided into: flue gas lossesincluding leakage air flow when the stove is not in operation;losses during start and stop phases; and losses due to a highair factor. An increased efficiency of the stoves is importantboth from a private economical point of view, but also from theperspective that there can be a lack of bio fuel in the nearfuture also in Sweden. From this point of view it is alsoimportant to utilize as much solar heat as possible. Theutilization of solar heat is low in the simulated systems,depending on the lack of space for a large buffer store. The simulations have shown that the annual efficiency ismuch lower that the nominal efficiency at full power. Thesimulations have also shown that changing the control principlefor the stove can improve efficiency and reduce theCO-emissions. Today's most common control principle for stovesis the on/off control, which results in many starts and stopsand thereby high CO-emissions. A more advanced control varyingthe heating rate from maximum to minimum to keep a constantroom temperature reduces the number of starts and stops andthereby the emissions. Also the efficiency can be higher withsuch a control, and the room temperature will be kept at a moreconstant temperature providing a higher comfort.

Provningsmetod för sol- och biovärmesystem : Systemprestanda och emissionsdata

SP i Borås och SERC, Högskolan Dalarna har i samverkan tagit fram en systemprovnings-metod där kompletta sol- och pelletsvärmesystem har provats i laboratorium under sex dygn. Plus två inledande dygn för termisk stabilisering av systemet. Provningen innefattar verklig-hetstrogna lastfall för två sommardagar, två vinterdagar, och två vår/höstdagar. Syftet är att få fram information om systemets helårsprestanda och systemfunktion genom en kortare tids provning. Vid mätningarna som genomförts vid Högskolan Dalarna har syftet också varit att undersöka systemens emissionsprestanda. Emissionsmätningarna ingår normalt inte i system-provningen, eftersom det skulle öka kostnaderna för att genomföra proven. Ett komplett system inklusive regulatorer provas med undantag för solfångaren, som utgörs av en dator-styrd rigg för att kunna skapa en repeterbar solvärmemängd från en systemspecifik solfångar-krets.Totalt har sju olika sol-pelletsystem provats samt ett referenssystem som utgörs av en kombi-panna utan solvärme. Dessutom har det inom projektet genomförts en jämförande provning mellan SP och Högskolan Dalarna på samma system. Provningsmetoden som utvecklats i detta projekt har visat sig kunna uppfylla målen, det vill säga kunna jämföra systemprestanda mellan olika system och uppskatta årsprestandan. Till detta har även eventuella driftsproblem i systemen kunnat identifieras så att dessa kan åtgärdas och systemen förbättras. För att förbättra provningsmetoden och öka noggrannheten i utvärderingen föreslås ett antal åtgärder inför en fortsatt provning. De viktigaste förändringarna är att se till att pannans och systemets laddstatus är så lika som möjligt vid början av sexdagarssekvensen, liksom vid sekvensens slut. Detta kräver två olika åtgärder: dels att de inledande två dygnen är identiska med de sista två dygnen och att panna triggas igång ett par timmar innan sekvensens början och slut, så att risken minskar att pannan levererar värme till tanken vid sekvensens början och slut. Vidare föreslås att en ny metod skall användas för att mäta värmeavgivningen till rummet från kaminer och att dess noggrannhet undersöks.För att åstadkomma exakt rätt last och solvärmetillskott vid provningen skall riggen använda en teknik med kontinuerlig kompensation av last och solvärmetillskott så att uppmätt och önskad energimängd alltid blir densamma i alla provningar. Detta förenklar även handhavan-det vid provningen och underlättar utvärderingen. För att kunna ge bättre återkoppling och kunna ge råd till hur systemen skall förbättras bör tanktemperaturen alltid mätas i några punk-ter och att förlustkoefficienter för panna och tank tas fram genom ett separat avsvalningsprov.Systemprovningen visar generellt att det är gynnsamt att kombinera pelleteldning med sol-värme. Pelletpannor har en låg verkningsgrad under låglastperioden och med solvärme kan pannan stängas av när driftsförutsättningarna är som sämst. Hög pannverkningsgrad liksom en väl fungerande ackumulatortank och styrsystem har visat sig vara avgörande för att erhålla höga systemprestanda i denna provningsmetod. Pannverk-ningsgraden över mätperioden är betydligt lägre än för motsvarande pannor under stationär drift på full effekt. Detta beror på att driftstiden för brännaren endast utgör en liten del av hela provningsperioden och därför blir pannans egenskaper under stilleståndsperioderna desto viktigare för systemets prestanda. Under stilleståndsperioderna är det värmeförlusterna till rummet som är avgörande för prestandan, medan värmeförlusterna har en försumbar inverkan på verkningsgraden när pannan eldas på full effekt enligt provningsmetoden för pannor EN 303-5. Resultaten pekar alltså på att de normala prestandaprovningarna för pannor enligt EN 303-5 inte ger någon garanti för att pannan är effektiv under verklighetstrogen drift och att provning vid stationär effekt inte heller styr utvecklingen mot bättre isolerade pannor och därmed effektivare sol- och biovärmesystem.Solfångarens prestanda och storlek har också relativt liten inverkan på den totala systempres-tandan. Solfångarprovning som garanterar solfångarens prestanda är viktigt för att garantera solfångarnas kvalitet och prestanda, men alltså inte på något sätt avgörande för att uppnå höga årsprestanda i kombinerade sol- och biobränslesystem Det finns uppenbarligen en stor förbätt-ringspotential för denna typ av system och den utvecklade provmetoden är ett mycket viktigt redskap för att effektivisera sol- och biovärmesystem.Emissionsfaktorer redovisade som medelvärde för hela provningssekvensen (sex dygn) var mellan 192 och 547 mg/MJ för CO, mellan 61 och 95 mg/MJ för NO, mellan 6 och 45 mg/MJ för TOC och mellan 31 och 116 mg/MJ för partiklar. För CO och NO ligger värdena inom de intervall som redovisas från forskningsprogrammet "biobränsle hälsa och miljö BHM. Upp-mätt medelkoncentration av kolväten och partiklar ligger betydligt högre än de emissionsfak-torer som redovisas av BHM.Andelen av emissionerna som släpps ut under start/stopp sekvenserna ligger mellan 63 och 96 % för CO-utsläppen och mellan 48 och 93 % av TOC-utsläppen. För partiklar är motsvarande andel mellan 30 och 39 % och för NO endast 10 till 21 %. Det betyder att styrningen av brän-naren och emissionskarakteristiken under start/stopp-blir mycket avgörande för hur mycket CO och TOC som släpps ut och att nuvarande metoder för miljömärkning av pelletpannor som baseras på stationära mätningar enligt EN 303-5 inte leder till att emissioner av CO och TOC minimeras på årsbasis.

Marknadspotential för sol- och biovärmesystem

I denna rapport analyseras marknaden för kombinerade sol- och pelletsystem, med fokus påsmåhus. Syftet är att presentera antalet objekt inom olika kategorier av hus och värmesystemsom kan vara intressanta för konvertering till bio-sol system samt att ge en uppskattning avårliga uppvärmningsbehov inom respektive kategori. Energistatistik från Statistiska centralbyrån (SCB) har använts i kombination med tidigarestudier av byggnadsbestånd och byggnadsutformning. Dessutom har information inhämtatsfrån olika branschorganisationer. Från föreliggande genomgång står det klart att den största potentialen för bio-sol systemfinns på villamarknaden både för helt nya system och för kompletteringar till befintliga system.År 2006 fanns det 775 000 småhus med vattenburen värme varav ca 183 000 hade vattenburenel. Uppskattningsvis fanns 109 000 småhus med både vattenburen el och lokaleldstadför biobränsle och ca 118 000 hus bedöms ha haft möjlighet till oljeeldning (dennagrupp har troligtvis minskat ytterligare efter 2006). Bland de elvärmda husen finns också ca102 000 småhus med frånluftvärmepumpar eller luft/vattenvärmepumpar. 365 000 av husenhade en biobränslepanna. Därtill kommer 504 000 hus med direktelvärme, varav ca 292 000med lokaleldstad. Medelförbrukningen för uppvärmning och varmvatten för hus som enbart värms med olja ärca 27 MWh/år, medan motsvarande värde för småhus med vattenburen el är ca 15 MWh/år.Småhusen med direktel använder ca 12 MWh/år för uppvärmning och varmvatten. Det betyderatt ekonomin blir betydligt sämre vid konvertering av elvärmda hus jämfört med oljekonvertering,eftersom energibehovet är lägre samt att installationskostnaden kan vara högre.En uppskattning av antalet komponenter som inom 10 år kan komma att installeras i dessahus är 213 000 solfångare, 108 000 ackumulatortankar, 106 000 skorstenar, 84 000 luftburnapelletkaminer och varmvattenberedare, 40 000 vattenmantlade kaminer och 28 000 pannrumspannor.Dessutom tillkommer en utbytesmarknad, kanske speciellt bland husen medbiobränslepanna, där gamla pannor byts ut eller äldre människor som tidigare orkat elda medved till slut byter till pelleteldning. Av nybyggda villor uppvärms ca 30 % med el i kombination med biobränsle (troligtvis lokaleldstad)och ungefär lika stor andel värms med enbart vattenburen el (antagligen oftakompletterat med frånluftvärmepump). Det borde vara av intresse att redan vid nybyggnationenfå in integrerade solfångare och pelleteldning i större utsträckning i nya hus och det kanbli lättare efter att byggreglerna ändras den 1:a januari 2010 med en skärpning av kraven förnybyggda hus som använder el för uppvärmning, alltså även el till värmepumpar. Potentialen för bio-solsystem till flerbostadshus och lokaler är begränsad då 86 % av flerbostadshusenoch nära 70 % av lokalerna värms med fjärrvärme. Det fanns år 2006 ca 6200lokaler med oljeeldning, 4600 lokaler med vattenburen elvärme och 5700 lokaler med direktverkandeelvärme. I lokalerna som redovisas av SCB ingår inte tillverkande industri. Förlägenheter i flerbostadshus gäller att ca 42 000 lägenheter värms med enbart olja, 44 000lägenheter med olja och värmepump, 48 000 lägenheter använder direktel och 31 000 lägenhetervattenburen el.