RA

PP

OR

T

Dansk Gasteknisk Center a/s • Dr. Neergaards Vej 5B • 2970 Hørsholm • Tlf. 2016 9600 • Fax 4516 1199 • www.dgc.dk • dgc@dgc.dk

Gas og vedvarende energiSolvarme, gaskedel og stor akkumuleringstank

ProjektrapportJuni 2013

Gas og vedvarende energi

Solvarme, gaskedel og stor akkumuleringstank

Karsten V. Frederiksen

Dansk Gasteknisk Center a/s

Hørsholm 2013

Titel : Gas og vedvarende energi – Solvarme, gaskedel og stor akkumuleringstank

Rapport-

kategori : Projektrapport

Forfatter : Karsten V. Frederiksen

Dato : 25.06.2013

Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s

Filnummer : 735-31 h:\735\31 gasinst med sol_nygas\31

rapportering\ve_solvarme_gaskedel_storakku_final.docx

Projektnavn : Gasinstallation med solfanger (Nygas)

ISBN : 978-87-7795-363-7

Emneord : Energieffektivitet, installation, kedler

(iht. DGC’s liste)

DGC-rapport 1

Indholdsfortegnelse Side

1 Forord .................................................................................................................................... 2

2 Introduktion .......................................................................................................................... 3

2.1 Anlægsbeskrivelse ............................................................................................................... 3

2.2 Måleudstyr og målinger ...................................................................................................... 7

3 Resultat og analyse ............................................................................................................... 8

3.1 Måledata .............................................................................................................................. 8

3.2 Energistrømmene ................................................................................................................ 8

3.3 Solvarmeproduktion og udnyttelse .................................................................................... 10

3.4 Økonomi ............................................................................................................................ 13

4 Konklusion .......................................................................................................................... 15

5 Referencer ........................................................................................................................... 16

Bilag

Bilag 1: Forventet anlægspris iflg. Nygas.

DGC-rapport 2

1 Forord

Med implementering af solvarme i Bygningsreglementet, hvor solvarmean-

lægget betragtes som en af mulighederne for at opfylde energirammen, og

ønsket om mere vedvarende energi (VE) i energisektoren vil solvarme spille

en større rolle fremover. Solvarme handler således ikke længere kun om

økonomi, men også om at tilgodese kravene i energilovgivningen.

På denne baggrund, og fordi gassen kan bygge bro til fremtiden med mere

vedvarende energi, ønsker gasselskaberne at demonstrere nye anlægsløsnin-

ger. Det er endvidere i tråd med projektet ”Totalkoncept for gas i samspil

med vedvarende energi”, der gennemføres i gasselskabernes Fagudvalg for

Gasanvendelse og Installationer (FAU GI) med Per Persson (HMN Natur-

gas) som fagansvarlig.

I nærværende projekt er der gennemført energimålinger på en traditionel

villainstallation (gaskedel og varmtvandsbeholder) kombineret et forholds-

vist stort solfangeranlæg, der gerne skulle bidrage med så stor en andel af

varme- og varmtvandsbehovet som muligt. Det vil sige, at der til installatio-

nen er tilføjet en nyudviklet 3.000 liter akkumuleringstank, der forsynes

med varme fra en solvarmekreds med 25 m2 solfanger.

Arbejdet er gennemført således, at produktudvikler, anlægsvært og installa-

tør Søren Heiberg fra Nygas (Kjellerup – Jylland) har projekteret, opført og

idriftsat anlægget. DGC v/Jørgen T. Jepsen og Karsten V. Frederiksen (pro-

jektleder) har gennemført målingerne og dokumentation af driften, mens

Mikael Näslund, DGC, har kvalitetssikret rapporten.

DGC-rapport 3

2 Introduktion

Nygas ApS v/Søren Heiberg fra Sjørslev (Enggårdsvej 5, 8620 Kjellerup)

har besluttet at lave et større solvarmeanlæg (25 m2), som skal kombineres

med et naturgasanlæg. Tanken er, at solvarmen oplagres i en stor akkumule-

ringstank. Det akkumulerede varme vand shuntes ned til ”gulvvarmetempe-

ratur” og ledes gennem Løgstørrør til opvarmning af boligen. Forventningen

er en besparelse på 50 % af varmeforbruget, og anlægget vil komme til at

koste omkring kr. 100.000-120.000 færdigt til forbrugeren. Se Bilag 1.

Nytænkningen i anlægget er et nyt, enkelt lagdelingsprincip i akkumule-

ringstanken, og det at solvarmen både skal bruges til rumopvarmning og

varmt brugsvand. Desuden minimeres transmissionstabet, ved at shunte det

akkumulerede varme vand ned til lavtemperatur, da det ikke skal bruges til

varmt brugsvand. Anlægget er primært beregnet til boliger med gulvvarme.

Målet for samarbejdet er, at Nygas projekterer, udfører og idriftsætter an-

lægget, mens DGC måler og dokumenterer driften over 12 måneder.

2.1 Anlægsbeskrivelse

Som det fremgår af Googles satellitbillede fra Nygas (se Figur 1) er solfan-

geren placeret med orientering mod syd. Det ses, at der er træer både øst og

vest for gården. Det kan muligvis betyde noget for indstråling først og sidst

på dagen.

Solfanger, varmeakkumuleringstank og opvarmningssystem er opbygget og

koblet sammen som vist på Figur 2-6. Den 25 m2 store solfangerkreds er

koblet til akkumuleringstanken via en pladevarmeveksler. Tanken har et

volumen på 3.000 liter. Fra tankens top går en forsyningsledning med varmt

vand til returen på husets traditionelt opbyggede villagaskedelinstallation.

Tilsvarende er returledningen fra varmeanlægget koblet til bunden af akku-

muleringstanken. Vandmængden fra akkumuleringstanken styres ved hjælp

af en trevejsventil.

Imellem solfanger og akkumuleringstank er der ca. 20 meter rørledning og

tilsvarende mellem tank og husinstallation.

DGC-rapport 4

Følgende specifikationer gælder for anlægget /1/:

Anlægsvært: Søren Heiberg, Enggårdsvej 5, Sjørslev 8620 Kjellerup

Solfangerfabrikat: Sonnenkraft

Solfangerareal: 25 m2

Kedelfabrikat: Weishaupt WTC 15

Kedeleffekt: 15 kW

Opvarmet areal: 250 m2

Akkumuleringstank 3.000 liter

Etableringsstatus: Besluttet ved opstart af projektet

Andre bemærkninger Iflg. Nygas forventes en anlægspris = 124.000 kr. Se Bilag 1 og /2/.

Figur 1 Bygningen med to solfangere orienteret mod syd

Figur 2 Stuehuset, der forsynes med solenergi

DGC-rapport 5

Figur 3 25 m2 solfanger på laden

Figur 4 3.000 liter akkumuleringstank (buffer) i laden

DGC-rapport 6

Figur 5 Placering af solfanger, akkumuleringstank (buffer), gaskedel og

varmtvandsbeholder

Figur 6 Systemopbygning

Radiator /

gulvvarme

Gaskedel

Solvarmebuffer

Varmtvands

beholder

Programforløb:

Når solfangere bliver 5 grader varmere end bunden af solvarmebufferen starter pumperne (1) og (2).

Når toppen af solvarmebufferen bliver 10 grader varmere end retur fra centralvarmeanlæg skifter trevejsventil om og leder returvand gennem solvarmebuffer.

1 2

DGC-rapport 7

Cirkulationspumpen i solfangerkredsen og til akkumuleringstank startes, når

temperaturen i solfangerkredsen er 5 °C højere end i bunden af tanken.

Når temperaturen i toppen af tanken er 10 °C højere end returtemperaturen

fra varmesystemet, ledes returvandet igennem tanken.

2.2 Måleudstyr og målinger

Der er gennemført måling af gasforbrug samt energistrømmene (flow og

temperatur) fra solfanger til akkumuleringstank og fra akkumuleringstank til

varme- og varmtvandssystem. Data logges hvert minut.

På solkredsen er der monteret Brunata HGQ energimåler. Energidata op-

samles (dog ikke data for temperatur og flow).

På henholdsvis anlægskredsen i stuehuset og buffertankkredsen fra akkumu-

leringstanken til huset og kredsen mellem tank og veksler er der monteret

Kamstrup energimåler (Multical 601). Her opsamles energi, flow, fremløbs-

og returtemperatur.

Endvidere måles gasforbruget med en gasmåler fra Elster BK-G4T 0,04-4

m3/h (1 puls pr. 0,01 m

3 gas).

Der er gennemført automatisk logning af forbrug fra de enkelte energimåle-

re. Rå data er gemt på pc, og disse data er efterfølgende sendt til DGC og

analyseret.

DGC-rapport 8

3 Resultat og analyse

I det følgende dokumenteres måleresultaterne og analyserne af disse.

3.1 Måledata

For perioden 1. maj 2011 til 25. maj 2012 er følgende data registreret:

Solenergi (kWh) kWh

Solfanger Til akk.-

tank

Fra akk.-

tank

Gas

9.541 8.844 2.952 21.499

Figur 7 Måledata

Tabellen i Figur 7 viser totalværdierne for de forskellige energistrømme

under demonstrationstiden.

I /3/ findes alle måledataene.

Der er også indhentet måledata om solskinstimer fra DMI /4/ som hjælp til

at analysere resultaterne.

3.2 Energistrømmene

I Figur 8 er energistrømmen vist som gennemsnit målt i [kWh/dag] for hver

af de 12 måneder.

DGC-rapport 9

Figur 8 Energimængder [kWh/dag] vist på månedsbasis.

Tabellen i Figur 7 viser et stort energitab i akkumuleringstanken. Blot 31 %

(2.952/9.541) af den producerede solenergi kommer frem til installationen

fra tanken. Der findes flere forklaringer på dette, hvilket fremgår af næste

afsnit.

Omregnes solenergien i Figur 7-tabellen til årsbasis (12 måneder), fås tabel-

len i Figur 9.

I tabellen er solenergien omregnet til solbidrag pr. m2 solfangerareal, men er

også angivet med et antaget varmetab fra solfanger til veksler før akkumule-

ringstanken. Ledningslængden er sat til 20 meter med et tab på 5 eller 10

W/m over hele året (8.760 timer). Med disse estimerede ledningstab fås en

samlet direkte produktion på 400 kWh/m2, hvilket indikerer en god funktion

af solfangerne.

Solenergi (kWh)

Solfanger Til akk.tank Fra akk.tank

Totalt 8.930 8.277 2.763

Solenergi/m2 354 328 110

Solenergi/m2 (5 W/m) 389 - -

Solenergi/m2 (10 W/m) 424 - -

Figur 9 Solbidrag omregnet til årsbasis, 12 måneder

DGC-rapport 10

3.3 Solvarmeproduktion og udnyttelse

Tabellen i Figur 9 viser, at store dele af solenergien fra solfangeren aldrig

udnyttes i huset. I dette afsnit afdækkes mulige forklaringer på dette.

Den udviklede akkumuleringstank (prototypen) er stort set uisoleret, og det

medfører umiddelbart et stort varmetab. Hvis det antages, at overfladearea-

let er 8 m2, varmeoverføringskoefficienten er 10 W/m

2 °C, og akkumule-

ringstankens middeltemperatur er 20 °C over opstillingsrummets tempera-

tur, fås et varmetab på 1.600 W. Her findes et stort potentiale for bedre ud-

nyttelse af solenergien, idet isolering bidrager til at fastholde en tilstrække-

ligt høj temperatur og dermed sikrer et bidrag af solvarme til varme- og

varmtvandsinstallationen. Se nedenfor.

Vi har kun data for energi fra solfangeren og ingen data om flow og tempe-

raturer i solfangerkredsen. Vi kan derfor ikke bestemme temperaturforskel-

len mellem solfangerkreds og kredsløbet fra varmeveksleren til akkumule-

ringstank.

I det følgende forklares den dårlige udnyttelse af den producerede solenergi

ved at se på driftssituationen for udvalgte dage.

Det første eksempel er fra 3. april 2012, hvor der samtidig var et opvarm-

ningsbehov og solvarmeproduktion. I Figur 10 ses fremløbstemperaturen til

akkumuleringstanken, fremløbetemperaturen fra tanken og returtemperatu-

ren fra varmesystemet. Endvidere ses flow i ledningen fra tanken til varme-

systemet. Dette flow er 0 over hele døgnet og betyder, at ingen solenergi

udnyttes til varmt vand eller opvarmning.

Det vides, at der leveres 28 kWh solenergi til akkumuleringstanken. Kriteri-

et for, at solenergien føres videre fra tanken, er, at temperaturen i toppen af

tanken er mindst 10 °C over returtemperaturen fra varmesystemet. Tempera-

turen i toppen af tanken kan ikke blive højere end temperaturen i ledningen

til tanken, og grafen viser, at denne temperatur aldrig bliver mere end 10 °C

højere end returen fra varmeanlægget. Hvis det skulle opnås, skal tempera-

turen frem til tanken mindst være på 47-50 °C.

DGC-rapport 11

Figur 10 Temperaturforløb og flow for den 3. april 2012

Det andet eksempel omhandler en periode med kraftig solindstråling for at

give et billede af, hvilke temperaturniveauer der med nuværende opbygning

kan opnås, og hvad det betyder for udnyttelsen på installationen.

13. september 2012 er valgt, idet den følger en solrig dag (12. september) og

har samtidig mange solskinstimer for pågældende måned (se Figur 11 og

12). DMI’s statistik over solskinstimer i september 2012 fremgår af Figur

11. Den blå kurve på Figur 12 for flow til akkumuleringstanken viser, hvor-

når solenergien tilføres tanken. Flowet er ca. 460 l/h, samtidig med at der

ikke er flow videre til varme- og varmtvandsanlæg.

Figur 11 Solskinstimer pr. døgn for september 2012

DGC-rapport 12

Figur 12 Temperatur og flow ved buffertank 13. september 2012

En anden solrig dag er den 15. august (se Figur 13 og 14). DMI’s data på

Figur 13 viser, at det er en dag der følger efter flere dage med mange sol-

skinstimer. Det skulle hermed give et billede af det maksimale bidrag af

solenergi på en dag. Der er ca. 13 solskinstimer, og bidraget til akkumule-

ringstanken omfatter tidsrummet fra kl. 9.00 til kl. 19.00 (10 timer).

Det ses her, at energien transporteres videre til installationen. Temperaturen

til akkumuleringstanken er højere end i de to tidligere eksempler. Flowet fra

tanken varierer mellem 180 og 330 l/h. Det er et betydeligt lavere flow end

det fra solvarmeanlægget til tanken.

En forklaring kan være, at flowet i kredsen fra pladevarmeveksleren til buf-

fertanken er for højt, hvilket medfører et utilsigtet lavere temperaturniveau.

På dagen leveres 47 kWh fra solfangerkredsen til akkumuleringstanken, og

23 kWh føres videre til varme- og varmtvandsinstallationen.

Set i lyset af ovennævnte analyser skal det fremhæves, at der med få indgreb

i forhold til isolering af tank og styring af flow vil kunne opnås en betydelig

større udnyttelse af solenergien.

DGC-rapport 13

Figur 13 Solskinstimer pr. døgn for august 2012

Figur 14 Temperatur og flow ved buffertank 15. august 2012

3.4 Økonomi

Som anlægget er installeret nu med uisoleret akkumuleringstank og uheldig

styring, så er der jævnfør Figur 9 kun leveret det, der svarer til 110 kWh/m2

pr. år til installationen, eller 2.763 kWh pr. år.

I situationen uden solvarmeanlægget skulle dette varmebehov dækkes af

Weishaupt-kedelinstallationen alene, og da det i vid udstrækning er om

sommeren, anlægget har leveret varme, vurderes virkningsgraden at være

mellem 84 og 92 % /5/. Med dagens gaspris på 8,65 kr./m3 svarer det til en

DGC-rapport 14

gasudgift på 2.340 kr. pr. år ved en virkningsgrad på 92 % og 2.560 kr. pr.

år ved en virkningsgrad på 84 %.

Med en forventet levetid på anlægget svarende til 20 år og uændret gaspris

kan besparelsen forsvare en merinvestering i et sådan solfangeranlæg på

mellem 47.000 og 51.000 kr.

Som det fremgår af Bilag 1, forventede Nygas i 2011, at prisen for et instal-

leret solvarmeanlæg ville være ca. 124.000 kr. (inkl. moms). Med oven-

nævnte betragtninger vil tilbagebetalingstiden i bedste fald være 48 år.

Set i det lys giver det ikke mening at udføre en sådan installation. Men med

ovennævnte forslag til ændringer (isolering af akkumuleringstank og opti-

mal styring) vil udnyttelsesgraden af den producerede solvarme kunne for-

bedres.

Det får vi dog ikke svar på i dette måleforløb, men antages det eksempelvis,

at den producerede solenergimængde er repræsentativ, og at den målte ener-

gimængde til akkumuleringstanken også kan udnyttes fuldt ud i installatio-

nen, så vil solfangeranlægget kunne bidrage med 8.277 kWh pr. år.

I situationen uden solvarmeanlægget skulle dette varmebehov dækkes af

Weishaupt-kedelinstallationen alene, og med ovennævnte vurderede virk-

ningsgrader mellem 84 og 92 % /5/ og med dagens gaspris på 8,65 kr./m3

svarer det til en gasudgift på 7.010 kr. pr. år ved en virkningsgrad på 92 %

og 7.680 kr. pr. år ved en virkningsgrad på 84 %.

Med en forventet levetid på anlægget svarende til 20 år og uændret gaspris

kan besparelsen forsvare en merinvestering i et sådan solfangeranlæg på

mellem 140.000 og 153.000 kr.

Som det fremgår af Bilag 1 forventer Nygas, at prisen for et installeret sol-

varmeanlæg vil være ca. 124.000 kr. Med ovennævnte betragtninger vil til-

bagebetalingstiden i bedste fald være 16 år.

DGC-rapport 15

4 Konklusion

Med baggrund i de udførte målinger og analyserne på dette sol-/gasanlæg

med stor akkumuleringstank må det konstateres, at en meget lille andel af

den producerede solenergi leveres videre fra akkumuleringstanken til var-

me- og varmtvandsinstallationen. Med en installeret anlægspris på 124.000

kr. bliver tilbagebetalingstiden i størrelsesorden 48 år.

Først og fremmest kan det konstateres, at solfangeren producerer den energi,

som må forventes for et anlæg af denne størrelse. Problemet er, at solenergi-

en kun i begrænset omfang har været anvendt til varme og varmt vand.

Den lave udnyttelse kan forklares, og med simple forandringer på installati-

onen vil det være muligt at forbedre udnyttelsen, så tilbagebetalingstiden i

bedste fald kan reduceres til under det halve.

Fremløbstemperaturen til akkumuleringstanken fra solfangeren kan øges

mærkbart, og en oplagt metode er at reducere flowet fra varmeveksleren til

tanken.

Akkumuleringstanken på 3.000 liter er uisoleret og har store varmetab. Det

vil være oplagt at efterisolere denne effektivt uden kuldebroer i kappen.

Med disse to tiltag vil temperaturen i toppen af akkumuleringstanken i læn-

gere tid over året være så høj, at temperaturforskellen i forhold til returen fra

varmeanlægget er over de 10 °C, der forbedrer energitransport fra tank til

anlæg.

Denne energitransport kan også sikres ved ændring af styringen. Nemlig ved

at reducere den nødvendige temperaturforskel mellem toppen af akkumule-

ringstanken og returen fra varmeanlægget.

Men uanset disse forbedringer og alene set i lyset af en forventet levetid på

et solvarmeanlæg på 20 år er det fortsat svært at se økonomiske fordele ved

den valgte sol-/gasløsning.

DGC-rapport 16

5 Referencer

/1/ Anlægsbeskrivelse jf. mail fra Søren Heiberg (Nygas) til Karsten V.

Frederiksen (DGC), 9. august 2010.

/2/ Præsentation fra Søren Heiberg (Nygas) på Gastekniske Dage 2011.

/3/ DGC-reference for placering af måledatafilen: H:\735\31 Gasinst med

sol_Nygas\MNA\Summary Nygas ny MNA20feb13KVF1.xls

/4/ Solskinstimedata,

www.dmi.dk/dmi/index/danmark/oversigter/maanedsberetning.htm

/5/ Gas og vedvarende energi – Solfanger og gaskedler ved klyngehusbe-

byggelse, Projektrapport – DGC-projekt 735-30, ISBN 978-87-7795-

357-6.

Reference /1/ og /3/ er ikke umiddelbart tilgængelige for eksterne læsere.

DGC-rapport 17

Bilag 1: Forventet anlægspris iflg. Nygas (inkl. moms)