Måleprogram og optimering af ny type energianlæg til enfamiliehuse med varmepumpe og batterilager

Projektperiode: 2018 - 2021

Bygninger

PVT-E-anlæg med kombineret solfanger/solcelle og varmepumpe til forsyning af varme, varmt brugsvand og el. Illustration: Projektet.

Det er ansøgers ambition, at BIPVT-E anlægget på den måde kan blive et attraktivt alternativ til rumopvarmning med olie eller naturgas, at den inden 2030.

Projektet spiller en afgørende for fremme af denne nye løsningsmulighed for den grønne omstilling, hvor enfamiliehuse og boliger kan skifte fra fossile brændsler til 100% selvforsyning med vedvarende energi.

Projektbeskrivelse

I ELFORSK projekt 349-054 udvikles et BIPVT-E system med PVT-energiabsorber, varmepumpe, batteri og styring til enfamilieboliger. Systemet installeres i foråret 2018 i et prøvehus i Stenløse, efter at Landsbyggefonden har bevilget ydelsesstøtte til etableringen.

Simuleringer af systemet har vist, at det kan dække hele boligens varmebehov og omkring halvdelen af elforbruget.

Gennem et etårigt måleprogram ønsker projektgruppen at dokumentere BIPVT-E anlæggets performance under realistiske driftsforhold for dels at optimere systemets nøglekomponenter og styring.

Disse aktiviteter udgør et afgørende grundlag for efterfølgende at kunne bruge dokumentationen til en målrettet markedsføring over for de ca. 400.000 boligejere, der i dag benytter olie- og naturgasfyr.

Med analysen af et helt års drift vil projektgruppen desuden vurdere anlæggets potentiale for og konsekvens ved også at kunne dække behovet for opladning af familiens elbil og anlæggets evne til at levere fleksibelt elforbrug og andre systemtjenester, som kan kommercialiseres af aggregatorer på elmarkedet.

Det er ansøgers ambition, at BIPVT-E anlægget på den måde kan blive et attraktivt alternativ til rumopvarmning med olie eller naturgas, at den inden 2030 vil kunne etableres i hovedparten af de 400.000 boliger uden offentlig økonomisk støtte og dermed bidrage til omkostningseffektivt at realisere de nationale danske forpligtelser til reduktion af drivhusgasser.

Resultat

Projektet har dokumenteret og optimeret fremtidens anlæg til enfamiliehuse, hvor olie- og gasfyr kan erstattes med en ny fossilfri, æstetisk og komfortsikret løsning baseret på de innovative PVT-E moduler.

I princippet kan systemet minde meget om jordvarme anlæg hvor væskefyldte rør året rundt, dag og nat, bringer ren energi udefra til en varmepumpe inde i huset, der så konverterer energien til varmt vand og varme i huset. Forskellen er at PVT-E har flere andre supplerende egenskaber udover at bringe energi udefra ind til huset:

(A) PVT-E modulerne producerer solcellestrøm til husets elforbrug og til at drive varmepumpen. Således skal der ikke købes strøm fra elnettet til varmepumpen.
(B) I modsætning til jordvarmeanlæg har PVT-E modulerne indbyggede fine tynde rør under solcellerne, så man sparer omkostningerne til at grave haven op.
(C) PVT-E modulerne kan også sammenlignes med luft-til-væske varmepumper der suger energi fra luften døgnet rundt. Men PVT-E har ingen bevægelige dele og dermed ingen støj og vedligehold.
(D) PVT-E modulerne kan udgøre selve husets faste selvbærende tag, eller beskytte et underliggende tag mod nedbrydende UV-lys og slitage.
(E) Om sommeren og på solrige dage fungerer PVT-E modulet som en solfanger og kan absorbere solens varmestråling.
(F) På klare tørre nætter kan PVT-E modulerne udsende varme og trække større mængder kulde til en lagertank, som kan udnyttes til at køle en bygning om dagen.

Det vurderes at man med en forventet billiggørelse af PVT-E anlæggets komponenter og kosteffektiv og enkel montage og ved at udnytte systemets flerstrengede fleksibilitet samt ved at udnytte modulerne som egentlige nyttige bygningselementer, så vil økonomien for sådanne anlæg være konkurrencedygtige med de fleste andre alternative ikke fossile energisystemer til boliger

Disse nævnte fordele udgør således mange parametre som skal koordineres og kan kun udnyttes ved en sikker eller en intelligent styring, så anlægget fungerer optimalt. Herudover kommer det svingende

dynamiske el- og varmeforbrug fra husets beboere evt. el-bil skiftende vejrforhold, varierende tarifer for udveksling af energi med nettet osv.

Projektet her er derfor afgørende for at opsamle de mange grundlæggende data og for at dokumentere samspillet mellem de forskellige energi flow, for til sidst at kunne optimere alle komponenter i anlægget og styringen af disse. Med disse måledata og erfaringsgrundlag gav projektet mulighed for dimensionering af mere effektive og mindre kostbare PVT-E anlæg.

Flere cases og anlæg testet
Efter gennemførslen af ELFORSK projektet, som udover huset i Stengården, fortsatte med dimensionering og implementering af optimerede anlæg for yderligere 2 enfamiliehuse, blev det klart dokumenteret at konceptet og systemet fungerer. Med en yderligere opgradering vil det kunne få en afgørende betydning for Danmarks 400.000 boliger som ligger udenfor fjernvarmenettet i Danmark og drives af olie- og gasfyr.

Et vigtigt aspekt var at alle komponenters energiforbrug og ydelser kan måles og indgå i en senere fordeling af driftsomkostninger og energigevinster

Optimering af komponenter (AP1) blev indledningsvis baseret på simuleringer for 5 forskellige enfamiliehuse henholdsvis på Bornholm i Arnager samt på Sjælland i Stenløse, Gentofte, Virum og Kirke-Såby.

Til det første anlæg, rækkehuset i Stengården, var de benyttede simuleringsprogrammer endnu ikke fuldt udviklet samtidig med at den benyttede varmepumpe ikke passede til PVT-E konceptet. Det
samme gjaldt for batteriet og styringen af dette. Ligeledes var prototype PVT-E elementerne for tunge og kostbare. Til gengæld blev der sat mange målepunkter op med 8 forskellige PVT-E modultyper
(f.eks. med og uden indbygget isolering), således at simuleringsprogrammet kunne revideres så det kunne inddrage ukendte parametre og til sidst være i overensstemmelse med de målte data. Især
punkt (F) viste sig at volde problemer da udstråling af varme i PVT-E på klare vinternætter bragte temperaturen ned på et niveau hvor varmepumpen allerede ved -2°C ikke længere kunne følge med.
Det blev efter en vinterperiode klart at samtlige komponenter afprøvet i Stengården skulle ændres væsentligt og optimeres. Den efterfølgende optimering af komponenter kunne de to huse i henholdsvis Gentofte og Virum drage nytte af med nye PVT-E modultyper, ny montagetyper, ny varmepumpe med indbygget styring, ny inverter og batteritype samt nye styringsprogrammer og enheder med redundante styringsmuligheder.

Måleprogram
Design af måleprogram, dataopsamling og optimering af styring (AP2) blev opbygget i mere avanceret form og kan nu videreudbygges sammen med nye interface der løbende måtte dukke op med optimerede nye komponenter som varmepumpen, inverter og batteriet og deres individuelle uafhængige styringer. For husene i Gentofte og Virum blev også mere enkle styringer afprøvet for at
kunne reducere omkostningerne for det samlede anlæg. Styringen og opbygningen for den kommende varmepumpe fra Metrotherm, vil kunne klare de lave temperaturer om vinteren ned til -15°C.

Granskning af projekteringsmateriale (AP3) medførte at projekteringsmaterialet til pilotanlægget, som led i planlægningen af monitoreringspakken, blev gransket med det formål at indarbejde resultaterne fra aktiviteterne fra AP1 og AP2. ET vigtigt resultat blev designet af fire størrelser som fire standard systemer der passer til forskellige typiske enfamiliehuse og deres energiforbrug, således at
man ikke nødvendigvis skal skræddersy et specielt system til hvert eneste hus. Ligeledes kan hele PVTE systemet let modulopbygges med de samme gængse komponenter.

Analyse af anlægskonceptets måledata med henblik på at afklare målopfyldelsen (AP4) gav blandt flere især et vigtigt resultat, nemlig at det var økonomisk interessant at sammenkoble flere huse til en
fælles varmepumpe og et fælles batterilager. Det kunne f.eks. være 5 huse i en gruppe. Allerede for det første anlæg, huset i Stenløse, lykkedes det at opnå komforten for anlægget i forhold til indeklima og stabil forsyning, men lave investeringsomkostninger, opnåelse af bedre afregningsmetoder, effektiv udnyttelse af anlæggets energi måtte vente til PVT-E anlæggene blev opført på husene i Gentofte
og Virum.

Fremtidsanalyse (AP5) for udnyttelsen af konceptet i forhold til f.eks. flere elbiler, individuelle anlæg vs. energifællesskaber, fælles lagringsanlæg, fælles komponenter for grupper af huse, samfundsøkonomi viser at der er en bred vifte af mulige løsninger, men også stor usikkerhed omkring økonomien, såfremt der udveksles energi på tværs af boliger eller i sammenkobling med nettet. Derfor blev der under projektet udviklet optimerede designs og systemkoncepter, hvor man fokuserede på det individuelle system, kosteffektive komponenter, høj energiydelse, et fleksibelt flerstrenget system og sikker og stabil styring ift. komfort. Med fleksibiliteten blev der mulighed for at koble sig på fremtidige energifællesskab.

Et vigtigt aspekt var at alle komponenters energiforbrug og ydelser kan måles og indgå i en senere fordeling af driftsomkostninger og energigevinster. ELFORSK projektets måleprogram og
optimeringsmål blev således nøglen i det fremtidige systemdesign.

Anlægget er konkurrencedygtigt
Det vurderes at man med en forventet billiggørelse af PVT-E anlæggets komponenter og kosteffektiv og enkel montage og ved at udnytte systemets flerstrengede fleksibilitet samt ved at udnytte modulerne som egentlige nyttige bygningselementer, så vil økonomien for sådanne anlæg være konkurrencedygtige med de fleste andre alternative ikke fossile energisystemer til boliger. Det forventes at en masseproduktion af både PVT-E modulerne og af tilhørende varmepumper med indbygget styring hurtigt vil kunne overtage markedet for forsyning af enfamilieboliger med el, varme, varmt vand og køling. Idet der er tale om ø-anlæg og høj grad af selvforsyning, så vil en tilbagebetalingstid på 5 år uafhængigt af el-tarifer, være realistisk allerede i 2023.