-Best PracticeWarmtepompen
November 2008
1/20
Inhoudsopgave 1
Inleiding ......................................................................................................................... 3
2
Energiebesparing volgens het CORE-model .............................................................. 4
3 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.5
Kenmerken van een warmtepomp .............................................................................. 5 Werking .......................................................................................................................... 5 Warmtepompen: van principe tot apparaat ..................................................................... 5 Opbouw warmtepomp..................................................................................................... 8 Gesloten compressiewarmtepompen. ............................................................................. 8 Open warmtepompen met mechanische damprecompressie (MDR).............................. 9 Open warmtepompen met thermische compressie.......................................................... 9 Duurzaamheid............................................................................................................... 10 Rentabiliteit................................................................................................................... 10
4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.4
Technische aandachtspunten m.b.t. warmtepompen............................................... 11 Pinch temperatuur ......................................................................................................... 11 Kwaliteit van het bronsysteem...................................................................................... 12 Seizoensinvloed op de brontemperatuur ....................................................................... 12 Invloed van belasting op de brontemperatuur............................................................... 12 Gelijktijdigheid van vraag en aanbod van warmte........................................................ 13 Afstand tussen bron- en afgiftesysteem........................................................................ 13 Onderlinge koppeling van processen in de industrie .................................................... 13 Regeltechniek warmtepompen...................................................................................... 13
5 5.1 5.2 5.3 5.4
Energiebesparende systeemoplossingen.................................................................... 14 De combinatie van warmte/kracht en warmtepompen.................................................. 14 Gecombineerde koude/warmte-opwekking met warmtepompen.................................. 14 Warmte en koude bufferen in een aquifer..................................................................... 17 Berekening energiebesparing van mechanische damprecompressie............................. 18
6
Referenties ................................................................................................................... 20
November 2008
2/20
1
Inleiding Het grootste deel van de energiebehoefte in Nederland bestaat uit warmte met een geringe temperatuur. Deze warmte is bedoeld voor het klimatiseren van woningen, gebouwen en tuinbouwkassen. Warmtepompen kunnen uitstekend dienst doen om deze laagwaardige warmte te genereren. Het sterke punt van een warmtepomp is dat hoogwaardige energie, zoals gas en elektriciteit, niet direct wordt omgezet in warmte. De energie wordt benut om warmte van een lage naar een hogere temperatuur te verplaatsen. Dit bespaart energie als het temperatuursverschil klein genoeg is. Voor het verwarmen van woningen betekent dit dat het rendement t.o.v. een gasgestookte ketel verbeterd kan worden als er gebruik wordt gemaakt van een laag-temperatuur-verwarmingssysteem, in combinatie met een warmtebron waarvan de temperatuur hoog genoeg is (bodemwarmtewisselaar of luchttemperaturen hoger dan 10 ºC). In de industrie is de toepassing van een warmtepomp interessant als er een overschot is aan warmte op een laag temperatuurniveau en een tekort op een hoger temperatuurniveau. Deze laag-temperatuurniveauwarmte wordt meestal afgevoerd door middel van koelwater en lucht. Door deze warmte met behulp van een warmtepomp op een hoger temperatuurniveau te brengen (max. ca. 50 °C temperatuurstijging), kan ze vaak worden hergebruikt. Dit leidt uiteraard tot energie- en kostenbesparing. Tevens beperkt dit de koeltorencapaciteit. Toepassingen zijn bijvoorbeeld het bereiden van warm reinigingswater voor de voedingsmiddelenindustrie of verwarmde tankopslag in de chemische industrie. Omdat de warmtepomp ook als koelmachine dienst doet voldoet één apparaat zowel aan de wens tot koeling (airconditioning) als aan de eisen met betrekking tot de verwarming. In deze brochure beschrijven we het principe van de warmtepomp; ook is er aandacht voor de verschillende uitvoeringsvormen. De economische aspecten van de warmtepomp worden toegelicht en ten slotte geven we een aantal voorbeelden van praktische toepassingen.
November 2008
3/20
2
Energiebesparing volgens het CORE-model Voor een effectief en efficiënt energiebeleid in een bedrijf is kennis van de verschillende warmte- en koudevragende processen essentieel. Deze kennis kun je toepassen op twee niveaus: • Energiebeleid op bedrijfsniveau: reductie van de energiebehoefte door het afstemmen van processen onderling. Dit komt neer op het afstemmen van vraag en aanbod van de warmte/koude tussen de verschillende processen. • Energiebeleid op procesniveau: reductie van de energiebehoefte door optimalisatie van de afzonderlijke (deel)processen. Het gaat dan niet alleen over de hoeveelheid benodigde energie, maar ook over de kwaliteit (= temperatuursverschil met de omgeving) van de benodigde energie. Voor de uitwerking hiervan en de randvoorwaarden die nodig zijn voor het efficiënt kunnen toepassen van warmtepompen verwijzen we naar de brochure ‘Efficiënt toepassen van koel- en warmtepomptechniek’. CORE-model In principe hanteren we voor het toepassen van energiebesparingstechnieken het zogenaamde CORE-model (CORE = Correct Order for Reduction of Energy consumption). Dit model geeft aan dat verbeteringen in een zekere volgorde moeten plaatsvinden vanuit de kern, het proces zelf: 1. reductie van de warmtebehoefte (hoeveelheid en temperatuurniveau) door optimalisatie van proces of gebouw; 2. warmte-terugwinning via warmtewisselaars; 3. warmte-terugwinning via warmtepompen; 4. directe opwekking van warmte door verbranden brandstoffen; 5. directe opwekking van warmte m.b.v. elektrische weerstand. Wilt u meer informatie over de randvoorwaarden die nodig zijn voor de efficiënte toepassing van koelsystemen en warmtepompen? Zie weer de brochure ‘Efficiënt toepassen van koel- en warmtepomptechniek’.
November 2008
4/20
3
Kenmerken van een warmtepomp
3.1
Werking Warmtepompen waarderen warmtestromen op door de verhoging van het temperatuurniveau, zoals een vloeistofpomp water op een hoger niveau brengt. Warmtepompen winnen warmte uit een ‘bron’, verhogen de warmte in temperatuur en geven die op een nuttige plaats – de ‘put’– af. Per saldo wordt dus (rest)warmte teruggewonnen. Hoewel warmtepompen zelf aangedreven worden met energie (warmte, brandstof of elektriciteit), is de hoeveelheid ‘aandrijfenergie’ veel lager dan de hoeveelheid nuttige energie die de warmtepomp afgeeft aan de put. De hoeveelheid warmte die aan de bron wordt onttrokken plus de aandrijfenergie is steeds gelijk aan de hoeveelheid warmte die aan de put wordt afgegeven (wet van behoud van energie. Er wordt dus energie bespaard ten opzichte van de situatie dat in de warmtebehoefte van de ‘put’ moet worden voorzien door toepassing van fossiele brandstof. De hoeveelheid bespaarde energie is in principe gelijk aan de hoeveelheid onttrokken warmte – die anders verloren zou gaan – aan de bron. Uiteraard houden we rekening met het feit dat de aandrijfenergie van de warmtepomp meestal elektriciteit is; dit vergt per eenheid dus een hogere brandstofinzet dan warmte. De voor warmtepompen belangrijke verhouding nuttig geproduceerde warmte/aandrijfenergie, noemen we de ‘Coefficient of Performance’ (C.O.P.).
3.2
Warmtepompen: van principe tot apparaat Het algemeen werkingsprincipe van een warmtepomp – in dit geval een warmtepomp van het gesloten type – is weergegeven in figuur 3.1.
Figuur 3.1
Principeschema gesloten (mechanische aangedreven) warmtepomp
De hogedruk-damp uit de compressor (A) stroomt naar de condensor (B) en condenseert daar onder afgifte van warmte bij hoge temperatuur. De aldus ontstane vloeistof stroomt door een expansieventiel (C). Hierbij daalt de druk. Het damp/vloeistofmengsel komt vervolgens in de verdamper (D), waar alle vloeistof verdampt onder opname van warmte bij lage temperatuur. Deze lagedruk-damp wordt door de mechanisch aangedreven Compressor (A) op hogere druk gebracht, waarbij de temperatuur van de damp stijgt. Daarmee is de kringloop gesloten. Op deze manier wordt warmte van lage temperatuur op een hoger temperatuurniveau gebracht.
November 2008
5/20
De verhouding:
C.O.P. =
Qnuttig P
[kW/kW dus dimensieloos]
noemen we de Coefficient of Performance (C.O.P.). De C.O.P. wordt vooral bepaald door de absolute temperatuur van de condensor en het temperatuurverschil tussen condensor en verdamper en veel minder door de temperatuur.
C.O.P. = ηcarnot ⋅
Tcondensor [Tcondensor − Tverdamper ]
[K/K dus dimensieloos]
Het temperatuurverschil heeft veel meer invloed dan het absolute temperatuurniveau. Zo varieert – bij eenzelfde temperatuurlift – de theoretische C.O.P. niet meer dan een factor 2 als de absolute condensortemperatuur van 30 °C naar 300 °C stijgt, hiermee de uithoeken van eventuele warmtepomptoepassingen omspannend. Een daling van de temperatuurlift van 10 K naar 5 K heeft hetzelfde effect!
Figuur 3.2
De C.O.P. neemt sterk af bij stijgende temperatuurlift
November 2008
6/20
Het rendement van de waterpomp (ook wel ‘Carnot-rendement’ genoemd) wordt weergegeven door carnot . Voor een ideale – niet realiseerbare – warmtepomp geldt: carnot=1. In de praktijk varieert carnot van 0,45 voor kleine gesloten warmtepompen tot 0,75 voor grote open warmtepompen. Dit Carnot-rendement is dus een maat voor de efficiency van de warmtepomp als apparaat. De C.O.P. geeft de prestatie weer van een warmtepomp met betrekking tot het opwaarderen van warmte. Deze prestatie wordt dus – zie bovenstaande formule – primair bepaald door de thermodynamische omstandigheden en pas in tweede instantie door het Carnot-rendement dat vrijwel altijd tussen 0,4 en 0,8 ligt. Zo verricht warmtepomp 2 een betere prestatie dan warmtepomp 1. Dit terwijl de C.O.P. van warmtepomp 2 toch lager is. Omdat het per saldo gaat om een hoge C.O.P. is het verbeteren van de thermodynamische omstandigheden – indien mogelijk – het eerste middel om het effect van een warmtepomp te vergroten. Naast de C.O.P. gebruiken we ook het begrip ‘Primary Energy Ratio (P.E.R.)’. Dit is de verhouding van de geleverde nuttige energie – al of niet in de vorm van warmte – tot de hiervoor ingezette fossiele brandstof. In formulevorm:
P.E.R. =
Qnuttig Q fossiel
De P.E.R. van een elektrisch aangedreven warmtepomp (EWP) is derhalve:
P.E.R.WP = ηcentrale ⋅ C.O.P.WP Als we uitgaan van een centraal rendement van 50% is de P.E.R. ongeveer de helft van de C.O.P. Dit betekent dat de C.O.P. van een elektrisch aangedreven warmtepomp ten minste de waarde 2 moet aannemen om energie te besparen. Warmtepompen komen in zeer veel vormen voor. TIP Wat moet de minimale C.O.P. van een elektrische warmtepomp zijn om economisch beter te kunnen zijn dan een gasgestookte ketel? Stel 1kWh(e) kost 0,1 euro en 1m3 aardgas kost 0,30 euro. Omdat de stookwaarde van aardgas 31,65MJ/m3 = 8,79kWh is, kost een kWh(aardgas) dan 0,034 euro. Bij een ketelrendement van 85% kost een kWh (warmte) dus 0,034/0,85 = 0,04 euro. Om dit met een elektrische warmtepomp te kunnen halen, moet de C.O.P. dus minimaal 0,1 euro/0,04 euro = 2,5 zijn. Let wel: het gaat hier om de C.O.P. van de totale warmtepomp-installatie, dus inclusief de ventilatoren en pompen.
Onderstaande opsomming geeft de indeling weer: • Open en gesloten systemen. Open systemen maken voor het werkmedium gebruik van de procesdampen zelf, terwijl bij gesloten systemen gebruik wordt
November 2008
7/20
•
gemaakt van een gesloten kringloop waarin een werkmiddel circuleert, zoals eerder uitgelegd. Mechanische of thermische aandrijving: bij mechanische aandrijving wordt het werkmiddel gecomprimeerd door een compressor; bij thermische aandrijving via een absorptie-/desorptiecyclus.
Bij mechanische aandrijving met een gasturbine of gasmotor is er sprake van een WKK-installatie waarvan de krachtopbrengst wordt gebruikt voor de aandrijving van een warmtepomp. De warmte van de motor is van een vrij hoog temperatuurniveau. Zodoende kan door serieschakeling een goede P.E.R. gerealiseerd worden op een hoger temperatuurniveau. 3.3
Opbouw warmtepomp Een warmtepompsysteem kunnen we onderverdelen in drie hoofdcomponenten: bronsysteem, de warmtepomp zelf (ook wel ‘omzetsysteem’ genoemd) en het afgiftesysteem. Figuur 3.3 toont de toepassing van een warmtepomp voor gebouwverwarming. Het bronsysteem maakt gebruik van grondwater, het omzetsysteem is een elektrisch aangedreven compressiewarmtepomp en het afgiftesysteem is uitgevoerd als vloerverwarming. De website warmtepompenwegwijzer [ref 15] geeft een groot aantal toepassingsvoorbeelden.
Figuur 3.3
3.3.1
Warmtepompsysteem opgebouwd uit drie componenten: bronsysteem, omzetsysteem en afgiftesysteem
Gesloten compressiewarmtepompen De werking van de gesloten mechanisch aangedreven compressiewarmtepomp hebben we al eerder uiteengezet. Figuur 3.1 geeft het principeschema van de gesloten compressiewarmtepomp. Gesloten compressiewarmtepompen worden toegepast bij een condensortemperatuur tussen 50 en 110 °C. De temperatuurlift ligt in de praktijk meestal tussen 20 en 45 °C. De C.O.P. varieert dan tussen 6 en 2,5. Er zijn zeer veel werkmiddelen (=koudemiddelen) beschikbaar voor warmtepompen. Bij warmtepompen tot 50˚C is de keuze zeer groot. Bij hogere temperatuur
November 2008
8/20
warmtepompen wordt deze sterk teruggebracht i.v.m. de maximale systeemdruk. Wilt u meer informatie over de keuze en selectie van koudemiddelen? Zie de brochure ‘Koudemiddelen’. Een gesloten compressie-warmtepomp verschilt in principe niet van een gesloten koelinstallatie. Net als een koelmachine is een warmtepomp in staat warmte aan een medium te onttrekken en aan een ander medium af te geven. Bij de koelinstallatie ervaren we de koude zijde als ‘nuttig’; bij de warmtepomp is dit de warme zijde. Zo kan hetzelfde systeem zowel voor koeling als verwarming worden gebruikt. Voor een uitleg van de werking van de kringloop en zijn hoofdcomponenten verwijzen we naar de brochure ‘Koeltechniek’. 3.3.2
Open warmtepompen met mechanische damprecompressie (MDR) Open systemen zijn alleen gangbaar in de chemische of procesindustrie. Bij een open systeem is de te comprimeren damp afkomstig uit het proces. Vaak is dit waterdamp, maar het kunnen ook koolwaterstoffen zijn, bijvoorbeeld propaan/propeen. De warmtepomp dient ervoor om warmteterugwinning door condensatie op een hoger temperatuurniveau mogelijk te maken. In een open systeem vindt alleen condensatie van de damp plaats. Een verdamper die in een gesloten systeem is geplaatst, is in een open systeem niet nodig. Dit omdat het condensaat via het proces kan worden afgevoerd. De teruggewonnen warmte wordt meestal in het betreffende proces benut, maar dit kan ook een ander procesonderdeel zijn. Wanneer waterdamp de te comprimeren stof is, ligt het temperatuurbereik meestal tussen de 80 en 200 °C. De temperatuurstijging ligt tussen de 5 en 50 °C. In de praktijk zie je vaak een temperatuurstijging van niet meer dan 30 °C. Om de mechanische damprecompressie rendabel te maken, moet het geleverde vermogen ten minste 2-3 MWth of ongeveer 3-5 t/hr stoom en de C.O.P. 5 of meer bedragen.
Figuur 3.4
3.3.3
Mechanische damprecompressie in een indampsysteem
Open warmtepompen met thermische compressie Bij thermische dampcompressie wordt lagedrukprocesdamp in een ejecteur met behulp van hogedrukstoom gecomprimeerd. De procesdamp heeft bij het uittreden van de ejecteur een hogere temperatuur. Hierdoor kan de warmte beter worden benut in het proces. Omdat de stoom vrijwel altijd procesdamp is, ligt de temperatuur bij thermische dampcompressie ongeveer tussen de 60 en 180 °C. De stijging in temperatuur is kleiner
November 2008
9/20
dan bij mechanische dampcompressie en ligt bij circa 25 °C. Bij meerstrapscompressie kan een hogere temperatuurstijging worden bereikt.
Figuur 3.5
3.4
Thermische damprecompressie, toegepast op een indampsysteem
Duurzaamheid Warmtepompen besparen energie en reduceren brandstofgerelateerde emissies (m.n. CO2). Hierdoor belasten zij het milieu minder dan conventionele warmtevoorziening. Als de restwarmte uit fossiele brandstoffen afkomstig is dan is er – volgens de definities van het ministerie van Economische Zaken – geen sprake van duurzaam opgewekte energie. Als de bron wordt gevormd door omgevingswarmte of restwarmte van een efficiënt proces, dan is de toepassing van de warmtepomp naar onze mening duurzaam te noemen.
3.5
Rentabiliteit De rentabiliteit van warmtepompen wordt vooral bepaald door het aantal bedrijfsuren op jaarbasis, de prijsverhouding van aandrijfenergie/fossiele energie en de C.O.P. Hoe hoger het aantal bedrijfsuren en de C.O.P. en hoe lager de verhouding aandrijfenergie/fossiele energie, hoe rendabeler de warmtepomp. Om toepassing van onrendabele warmtepompen te voorkomen is het nodig om een goede energetische analyse over een compleet jaar te maken. Hierin moeten ook deellast-aspecten worden meegenomen.
November 2008
10/20
4
Technische aandachtspunten m.b.t. warmtepompen Bij het integreren van processen door middel van warmtewisselaars en warmtepompen moet je rekening houden met een aantal algemene aspecten. Dit heeft te maken met het onderling verbinden van processtromen.
4.1
Pinch-temperatuur (Zie ook de VNCI-brochure ‘Pinchtechnologie en Restwarmtebenutting’.) Zoals bekend verdeelt de Pinch-temperatuur het proces in twee min of meer gescheiden temperatuurgebieden, namelijk: • Een temperatuurgebied onder de Pinch: hier heerst een warmteoverschot. • Een temperatuurgebied boven de Pinch: hier heerst een warmtetekort. Bij een destillatiekolom is de warmte die vrijkomt bij de topcondensor onder Pinch, de warmte die geleverd moet worden om de reboiler te stoken boven de Pinch. Pinchtechnologie geeft aan dat de bron van warmtepompen onder de Pinch moet staan, terwijl de put boven de Pinch dient te staan. Op deze wijze wordt warmte vanuit een overschotgebied naar een gebied met een warmtetekort gepompt. Figuur 4.1 laat zien dat plaatsing onder de Pinch de warmteoverschotten alleen maar verhoogt. Dit terwijl plaatsing boven de Pinch, een relatief dure energievorm W, andere, goedkopere energievormen Qhot gaat verdringen.
Figuur 4.1
Correcte plaatsing van een warmtepomp: over de Pinch
November 2008
11/20
4.2
Kwaliteit van het bronsysteem Aan het bronsysteem moet de warmte onttrokken worden. Er is een grote keuze aan soorten bronsystemen. Veel voorkomende bronsystemen zijn koelwater van een elektriciteitscentrale of industrie, aquifer, grondwater, oppervlaktewater, lucht of warmte van de zon. De kwaliteit van de bron bepaalt in sterke mate het rendement van de warmtepomp. Energetisch gezien kies je het bronsysteem zo dat het systeem jaargemiddeld de benodigde warmte afgeeft bij een zo hoog mogelijke temperatuur. Enkele belangrijke kwaliteitsaspecten lichten we hieronder toe.
4.2.1
Seizoensinvloed op de brontemperatuur
100 90
capaciteit [%]
80 70 60
capaciteit warmtepomp
50
benodigde verwarmingscapaciteit
40 30 20 10 0 -10
-5
0
5
10
15
20
buitentemperatuur [gr.C.]
Figuur 4.2
Tegenfase van benodigde- en beschikbare capaciteit bij gebouwverwarming met een warmtepomp met buitenlucht als bron
Voor het conditioneren van gebouwen is buitenlucht, energetisch gezien, geen logische keuze. In de winter, als de warmtevraag het grootste is, is de luchttemperatuur laag. In de zomer, als er behoefte is aan koeling, is de luchttemperatuur hoog. De buitenlucht heeft dus een tegengesteld karakter. Zie figuur 4.2. 4.2.2
Invloed van belasting op de brontemperatuur Een bron kan in onbelaste toestand een hoge temperatuur hebben. Onder belasting daalt altijd de brontemperatuur omdat er voor warmtetransport een temperatuurverschil nodig is. Er zijn twee ongewenste situaties die voorkomen moeten worden: a. Langzame afname van de brontemperatuur omdat deze ‘uitgeput’ raakt. De bron is niet geschikt voor continu gebruik; de warmte-aanvoer verloopt te traag om te voldoen aan de warmtevraag. Om de bron weer bruikbaar te maken moet deze geladen worden. Dit kan actief door de bron te laden in periodes met een warmte-overschot, zoals bij een aquifer, of passief door de bron langere tijd niet te gebruiken. b. Snelle daling van de brontemperatuur door overbelasting van de bron. De bron is te klein om aan de grote warmtevraag te voldoen en zal dit compenseren met een groot temperatuurverschil.
November 2008
12/20
4.2.3
Gelijktijdigheid van vraag en aanbod van warmte Als gevolg van een verschillend tijdspatroon van energieaanbod en -vraag kunnen er belangrijke begrenzingen ontstaan ten aanzien van de integratiemogelijkheden. Een batchproces kan bijvoorbeeld bijna nooit direct gekoppeld worden binnen een netwerk. Er moet duidelijk sprake zijn van gelijktijdigheid van vraag en aanbod. Soms is het mogelijk om warmte of koude te bufferen, maar deze voorzieningen leiden tot extra kosten en zijn niet voor alle temperatuurniveaus en capaciteiten beschikbaar. Het tijdsafhankelijke belastingspatroon (dat overigens ook bij eigen krachtopwekking (W/K) een grote rol speelt) heeft grote invloed op de mogelijkheden voor de benutting van restwarmte. Niet alleen de gelijktijdigheid speelt een rol, maar ook de duur van de warmtevraag/-aanbod. De belastingsduur is van wezenlijke invloed op de rentabiliteit van de investering.
4.2.4
Afstand tussen bron- en afgiftesysteem Bij een grote onderlinge afstand tussen het bron- en afgiftesysteem kunnen extra verliezen en kosten optreden. Er is een transportnet met lange leidingen nodig. Dit kan leiden tot extra warmteverliezen en grote drukvallen. Door deze extra verliezen en de extra kosten voor dit transportnet, wordt het kostenvoordeel van de toepassing kleiner.
4.3
Onderlinge koppeling van processen in de industrie Het is voor de bedrijfsvoering lang niet altijd acceptabel dat bepaalde deelprocessen aan elkaar gekoppeld zijn via ingaande en uitgaande energiestromen. Dit omdat dit invloed kan hebben op de procesvoering, -controle en -regeling. Als het ene proces door een bepaald productieschema of een storing tijdelijk uit gebruik is, ontstaat een heel ander energiegebruikspatroon. Dat heeft direct consequenties voor de gekoppelde processen; een gekoppeld proces zal zijn warmtebehoefte ergens anders uit moeten putten. Als dit voor een bedrijf betekent dat bij storing van een bepaald onderdeel het gehele productieproces stilgelegd moet worden, kan zo’n integratie tot extra kosten leiden. Ook het start-/stopgedrag verdient bij gekoppelde processtromen bijzondere aandacht. Als dergelijke onderlinge beïnvloeding op voorhand al wordt onderkend, is het met behulp van regeltechnische voorzieningen in het algemeen goed mogelijk eventuele nadelige effecten te minimaliseren.
4.4
Regeltechniek warmtepompen Bij de regeling van warmtepompen maken we onderscheid tussen interne regeling en externe regeling. De interne regeling heeft als doel om de opgelegde warmtevraag en/of de koudevraag te realiseren. De externe regeling stelt de warmte/koudevraag vast en geeft deze door aan de interne regeling. De belangrijkste regeling voor zowel de open als de gesloten warmtepomp heeft betrekking op de capaciteitsregeling van de compressor. Voor meer informatie zie de brochures ‘Capaciteitsregeling roterende apparatuur’ en ‘Koeltechniek’.
November 2008
13/20
5
Energiebesparende systeemoplossingen
5.1
De combinatie van warmte/kracht en warmtepompen Kenmerk van gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit (W/K) is dat de bij de elektriciteitsopwekking ontstane warmte nuttig wordt gebruikt. In een situatie van gescheiden opwekking vindt de elektriciteitsproductie bijvoorbeeld plaats in een elektriciteitscentrale en wordt de benodigde warmte lokaal, bijvoorbeeld met behulp van een stoomketel, geproduceerd. W/K-eenheden produceren ongeveer 1,2 (STEGeenheden) tot 2 keer zoveel warmte als elektriciteit (kleine gasturbines/afgassenketelcombinaties). Gasmotor W/K-installaties zitten hier tussenin. Omdat warmtepompen vaak warmte produceren met inzet van aandrijfenergie in de vorm van elektriciteit, is er een sterke interactie met eventuele W/K-installaties. In de zin van het CORE-model is toepassing van warmtepompen preferent aan de toepassing van W/K. Er zijn drie situaties denkbaar. • De vereiste kracht voor het proces is aanzienlijk, maar gering ten opzichte van de warmtebehoefte. Rekening houdend met de thermodynamische condities van het proces kunnen zowel W/K als warmtepompen ingezet worden. De warmte die uit de W/K ingezet wordt, is minder gebonden aan het temperatuurniveau van restwarmte dan de warmte uit de warmtepomp. • De warmtebehoefte van het proces is in verhouding 1.2 - 2 zo groot als de krachtbehoefte en aanzienlijk. In dit geval is solitaire W/K toepasbaar. • De vereiste krachtbehoefte is gering, terwijl er sprake is van een aanzienlijke warmtebehoefte op een laag temperatuurniveau en/of met een klein temperatuurverschil ten opzichte van een restwarmtebron. In dit geval is een W/K-installatie niet rendabel, een warmtepomp wel.
5.2
Gecombineerde koude/warmte-opwekking met warmtepompen Aan de bronzijde van de warmtepomp vindt warmte-onttrekking plaats. Ligt de temperatuur van de onttrokken warmte ónder de omgevingstemperatuur? Dan is er sprake van koude-opwekking. Over het algemeen is koude per MJ – zeker bij temperaturen vér onder omgevingstemperatuur – veel kostbaarder dan warmte per MJ uit fossiele bron. Dit komt vooral door het feit dat koelmachines per kW koude ten minste 4-8 keer zo duur zijn als stoom- en heetwaterketels. Het is om deze reden niet verwonderlijk dat gesloten warmtepompen vaak daar worden toegepast waar primair koude wordt gevraagd. Een mooi voorbeeld hiervan is de combinatie van ijsbanen en zwembaden onder één dak. De warmte die bij de ijsbaan onttrokken wordt, wordt nuttig gebruikt in het zwembad. Ook bij de bereiding van voedsel in de voedingsmiddelenindustrie is er behoefte aan koude en warmte. De koude wordt gebruikt om het voedsel te koelen of in te vriezen en de laagwaardige warmte kan (deels) gebruikt worden bij het (voor)verwarmen van het water. Zo combineer je de opwekking van nuttige koude en nuttige warmte in één apparaat.
November 2008
14/20
Onderstaand voorbeeld dient om de volgende twee concrete vragen te beantwoorden: • Wat is de besparingspotentie van gecombineerde koeling/tapwater-opwekking t.o.v. gescheiden opwekking van beide? • In hoeverre is de keuze voor het koudemiddel/installatie van invloed op het rendement? Voorbeeld: Opwekken van koeling en tapwater van een middelgrote industriële toepassing Stel: voor een middelgrote industriële toepassing bestaat een koude- en warmtevraag van een paar honderd kilowatt. De koude- en warmtevraag lopen synchroon en de warmtevraag is voldoende groot. De gewenste temperatuur in de koeling is 5 ˚C en de gewenste tapwatertemperatuur 55 ˚C. Voor de buitentemperatuur gaan we uit van 20 ˚C. Als referentie is er in dit voorbeeld voor gekozen om de koude- en warmtevraag gescheiden op te wekken met twee eenvoudige eentaps dx-installaties met het koudemiddel R134a en aangedreven door een zuigercompressor. Om een temperatuur van 5 ˚C in de koeling te handhaven met een luchtgekoelde dxverdamper is een verdampertemperatuur van -5 ˚C aangenomen. Om het water tot 55 ˚C te kunnen opwarmen is een condensortemperatuur van 60 ˚C aangenomen. De luchtgekoelde condensor heeft 10K nodig.
separate
Koelvermogen
Verwarmvermogen
%
%
100
97
opwekking
Opmerking 0,5 eenheden asvermogen in koelsysteem, 0,5 eenheden asvermogen in warmtepomp.
R134a separate
171
149
opwekking
0,5 eenheden asvermogen in koelsysteem, 0,5 eenheden asvermogen in warmtepomp.
NH3 gecombineerde
91
149
1 eenheid asvermogen
189
246
totale input van 1 eenheid asvermogen
opwekking R134a gecombineerde opwekking NH3 Tabel 5.1
Vergelijk van het vollast opwekkingsrendementen voor koeling van 5 ˚C en een tapwatervoorziening van 55 ˚C
In tabel 5.1 staan de eindresultaten van de onderlinge vergelijking tussen de vier verschillende opwekkings-varianten. Er zijn twee opvallende zaken: a. De gecombineerde opwekking levert vooral winst op voor het verwarmingsvermogen. Enerzijds is dit een gevolg van het feit dat ál het asvermogen bijdraagt aan het verwarmvermogen. Anderzijds is het systeemrendement anders opgebouwd. Het systeemrendement stijgt bij de gecombineerde opwekking. Het totaal te overbruggen temperatuursverschil is kleiner omdat er geen overlap is in het
November 2008
15/20
temperatuurgebied. Aan de andere kant daalt het systeemrendement als gevolg van het grotere temperatuursverschil. Beide effecten zijn te zien in figuur 5.1.
Figuur 5.1
Temperatuurtrajecten en vollast C.O.P. (=Qverdamper/Pas) van een middelgrote zuigercompressor met R134
b. Met de keuze van ammoniak als koudemiddel kan het rendement significant verhoogd worden. Dit is enerzijds het gevolg van de betere thermodynamische eigenschappen van ammoniak t.o.v. R134a. Anderzijds wordt dit veroorzaakt door het complexere en duurdere systeem, zie figuur 5.2: • Een pompsysteem geeft een besparing van 5K temperatuurverschil t.o.v. een dx-systeem aan de koude zijde (verdampen op 0 ˚C i.p.v. op -5 ˚C) ammoniak. • Door toepassing van een persgaswarmtewisselaar kan 5K temperatuurverschil bespaard worden aan de warme zijde (condenseren op 50K i.p.v. 55K). De persgaswarmtewisselaar verwarmt het water uit de condensor tot 55˚C. • Tweetrapscompressie met persgas-terugkoeling is energetisch efficiënter dan eentapscompressie. In het geval dat de installatie in deellast moet kunnen draaien is het ook echt noodzakelijk om de persgastemperatuur niet ontoelaatbaar hoog te laten worden.
November 2008
16/20
Figuur 5.2
5.3
Temperatuurtrajecten en vollast C.O.P. (=Qverdamper/Pas) van een middelgrote zuigercompressor met ammoniak
Warmte en koude bufferen in een aquifer Een aquifer is een grondlaag (bestaande uit zand en grind), waaruit water onttrokken en geïnfiltreerd kan worden. Voor een ondergrondse energieopslag moet een geschikte zandlaag in de bodem aanwezig zijn.
Figuur 5.3Aquifer Een bodemopslagsysteem (aquifer) bestaat uit twee bronnen. Uit deze bronnen wordt beurtelings (zomer/winter) grondwater opgepompt, afgekoeld (winter) of verwarmd (zomer) en via de andere bron weer geïnjecteerd. Na verloop van enkele jaren ontstaat op deze manier een koude bron (6-8 ˚C) en een warme bron (15-18 ˚C). Zo kan warmte die in de zomer ondergronds is opgeslagen in de winter worden gebruikt voor verwarming. In de zomer komt koeling uit de bodem beschikbaar. Een warmtepompsysteem bewaart op deze manier koude en warmte uit de omgeving tot het moment dat het nuttig gebruikt kan worden. De website ‘Warmtepompen in de glastuinbouw’ [ref 14] geeft nuttige informatie over aquifers. Denk aan: de geschiktheid en de bodem voor een groot aantal tuinbouwgebieden in Nederland, de kans op vergunningverlening en een eerste investeringsraming op basis van de locatie of postcode.
November 2008
17/20
5.4
Berekening energiebesparing van mechanische damprecompressie Uitgangspunten zijn: • debiet van de damp; • dampdruk; • damptemperatuur; • gewenste temperatuur van damp na condensatie. Uit de gewenste eindtemperatuur volgt de benodigde druk na de compressor. Het nuttig vermogen dat door de gecomprimeerde damp geleverd wordt, wordt weergegeven door: waarin
Qnuttig = (hgecomprimeerde damp − hcondensaat ) * V Qnuttig = vermogen geleverde warmte (kW) hgecomprimeerde damp = enthalpie gecomprimeerde damp (kJ/kg) hcondensaat = enthalpie condensaat (kJ/kg) V = dampdebiet, te comprimeren massastroom (kg/s) De hoeveelheid compressiearbeid die aan de afvaldamp moet worden toegevoerd wordt gegeven door:
Pel =
(hgecomprimeerde damp − hdamp )
ηaandrijf
waarin Pel hdamp ηaandrijf
*V
= compressievermogen (kW elektrisch) = enthalpie aangezogen damp (kJ/kg) = het rendement in de aandrijfketen
Het isentropisch rendement varieert van ongeveer 0,5 tot 0,85, afhankelijk van de capaciteit en kwaliteit van de compressor. De hoeveelheid compressiearbeid is dan ook uit te drukken als:
Pel =
Wisentropisch *V ηisentropisch *ηaandrijf
waarin Wisentropisch ηisentropisch
November 2008
= benodigde arbeid voor isentropische compressie van de aanzuigdamp van pzuig naar ppers (kW) = het compressorrendement (-)
18/20
Met behulp van deze formule en leveranciersgegevens kan het opgenomen vermogen en het nuttig vermogen worden berekend. De besparing wordt gegeven door: (in uren)
besparing = (Qnuttig * Fwarmte − Pel * Fel ) * bedrijfstijd waarin Fwarmte = de prijs van warmte (euro/kWh). = prijs van elektra (euro/kWh) Fel Bij een ketelrendement van 90% en een gasprijs van 0,35 euro/Nm3 bedraagt de Fwarmte ongeveer 0,047 euro/kWh.
November 2008
19/20
6
Referenties [1] [2]
[3]
[4] [5]
[6] [7]
[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]
Ir. H. Boot en anderen, ‘Handboek Industriële warmtepompen’, Kluwer Bedrijfsinformatie, ISBN 9055761397 Lie, A.B.K, Kerkhof, F.P.J.M., ‘Exergy analysis, Calculating exergies in Aspen Plus’, proc. Aspenworld 94, Boston, USA, 1994 Kerkhof e.a. ‘Exergy analysis with a flowsheeting simulator: theory and applications’, Chemical Engineering Science, Vol.51 No. 20, p 4693-4715, 1996 IEA Heat Pump Centre, ‘Industrial Heat Pumps; experiences, potential and global environmental benefits’, report HPP-AN21-1, 1995 Kayihan, F., ‘Optimum distribution of heat load in distillation colums using intermediate condensers and reboilers, Recent advances in Separation Techniques II’, AICE 192, vol 76, 1980 Meili, A. and Stuecheli, A., 1987, ‘Distillation Colums with Direct vapor Recompression’, Chem. Eng., 94 (2), p. 133-143 ‘Toepassing van warmtepompen in de Nederlandse Industrie, beschrijving van de toepassing van succesvolle industriële warmtepompen’, Novem brochure DV 3.4.30.95.10 Industrial Heat Pumps, ‘MVR/TVR systems in chemical industry’, NOVEM brochure DV 3.4.39 96.11 ‘Marktwijzer Warmtepompen’, Novem brochure DV3-4-0051 ‘Distillation and Heat Pump Technology’, Sulzer Chemtech brochure 22.47.06.40-V.91-100 Wit, J.B. de, ‘The application of industrial heat pumps in The Netherlands’, TNO rapport 94-376, januari 1995 ODESSY, User Manual, 2001 Brochure Pinchtechnologie en Restwarmtebenutting VNCI http://www.warmtepompenindeglastuinbouw.nl/index.html http://www.warmtepompenwegwijzer.nl/
November 2008
20/20
