Optimal udnyttelse af solcelle-el i batterier og varmepumpe i énfamiliehuse - Varmepumpe til lagring af solcelle-el

I projektet har vi undersøgt muligheden for at bruge en eksisterende varmepumpe med tilhørende varmtvandsbeholder som termisk energilager. Varmepumpen er en Nilan jordvarmepumpe tilsluttet en 180 liter beholder med indvendig spiral. Forsøget skal kortlægge, hvor velegnet den aktuelle varmepumpe med beholder er til at absorbere overskuds-el fra solcelleanlægget.

Der bliver målt på elforbruget til hele enheden inklusive brine-pumpe i jordvarmekredsen. Varmtvandsforbruget bliver målt med flowmåler og temperaturfølere. Forbruget bliver styret ved hjælp af en magnetventil som kan aktiveres on/off via pc’ens styringsprogram.

Lav effektivitet ved høj brugsvandstemperatur

Det er undersøgt, hvad det betyder for varmepumpens effektivitet, hvis den tvinges til at levere en højere brugsvandstemperatur end normalt. Forsøgene viste (bekræftede), at effektiviteten faldt drastisk med stigende beholdertemperatur, dels på grund af varmetab, dels på grund af forringede driftsforhold for varmepumpens kredsproces.

Der tegner sig nemlig følgende billede af effektivitetens afhængighed af beholdertemperaturen:

Ud fra alle disse forsøg tegner der sig det nævnte billede af effektivitetens afhængighed af beholdertemperaturen:

Det ses at ved 54 grader er effektiviteten lavere, end ved ren el-patronkørsel.  Det - samt de øvrige resultater af forsøgene - er analyseret nedenfor.

Først er der kørt i en periode med aftapning af ca. 200 l blandet vand (40°C) pr. døgn. Varmepumpens driftsfunktion blev sat til ”sommer” og elvarmepatron frakoblet. Fremløbstemperaturen blev sat til ca. 45°C, således at der kunne opnås en varmtvandstemperatur på lidt under dette niveau. Der blev målt følgende effektivitet:

COP ved drift af tappeprogram (ingen rumvarme).

Gennemsnitseffektiviteten er beregnet til 2,34 for perioden. Udsvingene skyldes at varmepumpens driftsmønster ikke er helt det samme fra dag til dag.

Dernæst blev varmepumpens driftstemperatur øget fra ca. 45 til ca. 55 °C.

COP ved forhøjet temperatur.

Dette gav et drastisk fald, idet systemeffektivitet i perioden blev målt til 0,81 (!), altså en del ringere end man kunne forvente af ren elvarme (COP=1) fra en intern el-patron i varmtvandsbeholderen. Den meget lave effektivitet kan måske skyldes varmetab i forbindelse med en udvendig el-patron som medfører yderlige varmetab i rørkredsen.

På nedenstående figur ses hvordan driftsmønsteret ændrer sig ved skift fra ca. 45 til ca. 55 °C.

Varmepumpens effektoptag viser hyppigere og højere spidser ved drift af el-patron.

Det ser ud til at elvarmepatron kobler ind på trods af at den blev deaktiveret i brugermenuen! Samtidig er der et højere tomgangsforbrug i forhold til perioden med lavere driftstemperatur. Effektiviteten vil derfor være stærkt forringet med denne indstilling.

Endelig er det forsøgt at sænke temperaturen til cirka 34°C selv om dette er lavere end den ønskede brugsvandstemperatur. Det vil være muligt at sænke temperaturen i de perioder, hvor der ikke forventes et varmtvandsforbrug, for eksempel midt på dagen og om natten. Herved kan tanken tømmes for energi, så den er klar til opladning, når der er overskud af solenergi.

COP ved sænket driftstemperatur.

Gennemsnitseffektiviteten er beregnet til 2,99 for perioden.

En efterfølgende kørsel ved 50°C viste at her kunne varmepumpen netop køre i normal drift uden at el-patronen gik i gang.

Ud fra alle disse forsøg tegner der sig det nævnte billede af effektivitetens afhængighed af beholdertemperaturen:

Målepunkter for COP. Temperaturen på jordvarmekredsen var cirka 5 °C.

Konklusionen er, at man for den specifikke varmepumpe bør bruge den indbyggede el-patron i varmtvandsbeholderen, såfremt man vil lagre energi ved en temperatur på over 50°C. Herved bør man kunne opnå en effektivitet på knap 1,0 alt efter beholderens varmetab.

Ved lavere temperaturer kan man lade varmepumpen oplade beholderen med en gennemsnitlig effektivitet på omkring 2,5. Da beholderens volumen er 180 liter er den maksimale elektriske energi, der kan absorberes ved opvarmning fra fx 30 - 80°C, knap 9 kWh.

Hvis man ikke ”tør” lade beholderen blive koldere end fx 40°C vil en endnu større procentdel at el-energien blive afsat i el-patronen under opladning, og man kan derfor overveje om det er umagen værd at bruge varmepumpen til det første lille temperaturløft.

Man kan på baggrund af målingerne beregne, hvordan en opladning af beholderen med overskuds-el vil forløbe, som vist herunder. Der ses et knæk ved 50°C hvor el-patronen tager over. Ved opvarmning af vand fra ca. 40 til 65 grader kan der optages 4,7 kWh el. Kapacitetsmæssigt svarer det til de mest almindelige batteripakker på markedet.

Energilagring i varmtvandsbeholder med varmepumpe.

Måling af varmetab

Man må huske, at når man overopvarmer beholderen, vil der ske et større varmetab end normalt. For at kvantificere tabet, er der gennemført en standby-test med intern temperaturmåling i beholderen. Forsøget viser, at selvafladningen (varmetabet) fra et lille varmelager er ganske betydelig set i forhold til energiindholdet. Temperaturen falder fra 50 til 34 grader på en uge. Virkningsgraden ved termisk energilagring vil derfor afhænge stærkt af hvor længe energien skal gemmes.

Varmetabskoefficienten kan heraf beregnes til cirka 0,9W/K. Hvis man regner med at beholderen i gennemsnit er 10 K varmere end den ellers ville være, bliver varmetabet forøget som vist i tabellen. Hvis man bruger en varmepumpe med beholder som afløb for overskuds-el, skal man derfor tage hensyn til det øgede varmetab såvel som den forringede COP, når varmepumpen skal varme op til en højere temperatur end ellers.

Man bruger altså i dette tilfælde 259 kWh mere om året, svarende til et effektivitetstab på 23 %. Man kan også sige, at man henter 77 % af den lagrede el-energi ud af systemet igen som varmt vand. En del af tabet vil dog komme husets rumopvarmning til gode.

Bemærk at COP-værdien her er beregnet ud fra at el-patronen IKKE er i drift.

Konklusion vedrørende varmepumpeforsøg

• Varmtvandsbeholderen skal have en fornuftig størrelse, fx over 200 l samt en god isolering uden kuldebroer. Denne størrelse vil sikre at man kan optage et par timers overskuds-el fra et typisk solcelleanlæg på 4 - 5 kW (svarende til typiske batteriløsninger)
• Styringen skal kunne begrænse hvilke perioder, der skal opvarmes i, fx via et signal fra solcelleanlæggets inverter eller en timer. På den måde kan man sikre sig at beholderen er kold, når solen begynder at skinne og der vil være overskud af el
• Der bør sidde en el-patron direkte i beholderen, som evt. kan opvarme det sidste stykke, hvor varmepumpen ikke kan følge med. Her skal styringen kunne slukke helt for kompressoren, som ellers bare vil levere ”varme til fuglene”
• Varmepumpen skal være egnet til formålet, dvs. den skal kunne tilpasse sig over et stort temperaturområde uden væsentlig forringelse af effektfaktoren
• Samlet hentes ca. 77 % af den lagrede el-energi ud af systemet igen som varmt vand. En del af tabet vil dog komme husets rumopvarmning til gode. Dvs. ca. samme virkningsgrad, som for batterier. Men økonomisk hentes ”færre penge” ud af varmepumpelageret, idet varmt vand normalt er meget billigere end el købt fra nettet

Til teknikeren

Den simpleste strategi for energilagring er påvist at fungere ved at overstyre termostaten, således at beholderen bliver varmet op til en højere temperatur end normalt.  Dette kunne lade sig gøre ved at koble en modstand ind parallelt med den indbyggede føler. Varmepumpen og dens styring gav dog visse udfordringer, specielt med styring af el-patronen.

Referencer og fabrikantoplysninger for dette område

PV Magazine Deutchland har en udmærket artikel om varme fra PV: www.pv-magazine.de/themen/heizen-mit-solarstrom.

Panasonic har en Heat Pump Manager, som kan styre deres varmepumper alt efter hvor meget solstrøm, der er til rådighed, dvs. forceret opvarmning af både beholder og bygningsmasse.

Det samme har det danske firma Vesttherm, som primært leverer brugsvandsvarmepumper til eksportmarkedet.

Det foreslås, at der udføres tests med én af disse varmepumper.