Arkitektnytt

Varmepumper med CO2 som arbeidsmedium har blitt en suksess innen visse anvendelsesområder, deriblant anlegg for varmtvannsberedning og boligsystemer for kombinert romoppvarming og varmtvannsberedning. Denne teknologien vil også kunne framstå som et miljøvennlig og energieffektivt alternativ for oppvarming og kjøling av større bygninger, såfremt sekundærsystemene i bygget utformes og driftes for å utnytte CO2-prosessens spesielle egenskaper. En annen fordel med CO2-teknologien er muligheten for å redusere investeringskostnadene i forhold til konvensjonelle varmepumpesystemer.

EUs «Direktiv om bygningers energiytelse» (Energy Performance of Buildings) vil bli gjort gjeldende i Norge fra 2006. Energidirektivet krever at det skal settes minimumskrav til energibruk for nye bygg samt for større bygg som gjennomgår omfattende rehabilitering. Det vil også bli påkrevd energisertifikater for alle større bygninger. Innføringen av det nye direktivet betyr i praksis at byggeiere, byggherrer og utbyggingsselskaper i langt større grad enn tidligere må begynne å fokusere på bygningers totale energibruk, deriblant energibruk til oppvarming og kjøling.

Økt anvendelse
Varmepumper for oppvarming og kjøling av større bygninger har i de senere årene fått økt anvendelse i Norge og resten av verden. Det skyldes at anleggene utnytter omgivelsesvarme (fornybar energi), og dermed reduserer energibehovet for oppvarming med typisk 70 prosent i forhold til konvensjonelle oppvarmingssystemer. Varmepumper som bruker sjøvann, grunnvann eller energibrønner i fjell som varmekilde, dekker dessuten hele eller store deler av kjølebehovet med frikjøling. Det vil si at byggets varmeoverskudd dumpes til varmekilden uten at varmepumpen trenger å kjøres som kjølemaskin. Slike varmepumpeanlegg vil dekke bygningens totale varme- og kjølebehov på en meget energieffektiv måte, og vil i mange tilfeller bidra til god lønnsomhet for byggeieren ettersom energikostnadene holdes på et lavt nivå.

Alternativ til HFK og ammoniakk
I varmepumper benyttes et såkalt arbeidsmedium (kuldemedium) som sirkulerer internt i varmepumpen, og som transporterer varme fra varmekilden til varmeforbruker. For større anlegg har det vært vanlig å benytte syntetisk framstilte arbeidsmedier (HFK). HFK-mediene er imidlertid drivhusgasser og har derfor vært regulert av Kyoto-protokollen siden 2003. Selv om det normalt kun er små lekkasjer fra varmepumpeanlegg med HFK, regnes det som en bedre langtidsløsning å bruke arbeidsmedier som ikke har noen negativ innvirkning på det globale miljø. De viktigste alternativene i den sammenheng er ammoniakk og karbondioksid (CO2).

Norge er det land i verden som har installert flest ammoniakk-varmepumper for bygningsoppvarming. Anleggene oppnår høy energisparing, og driftserfaringene er generelt sett gode. Ulempen med ammoniakk er imidlertid at det på grunn av mediets giftighet kreves spesiell utforming av aggregater og maskinrom, noe som gir relativt kostbare anlegg. I tillegg kan standard ammoniakkanlegg kun levere varme opp mot ca. 50ºC. Ved tilkobling til distribusjonssystemer med relativt høye temperaturkrav vil dermed anleggenes energidekning og energisparing reduseres.

I startgropa
NTNU-SINTEF har i en 15-årsperiode arbeidet med utvikling av varmepumpeteknologi hvor CO2 brukes som arbeidsmedium. CO2 er et ugiftig og ubrennbart medium, som ikke gir noen negativ miljøeffekt ved eventuelle lekkasjer ettersom anleggene fylles med overskudds-CO2 fra industrien. I 1999 ble Norges første og foreløpig eneste CO2-varmepumpeanlegg installert hos Eggprodukter AS i Larvik med utgangspunkt i teknologi utviklet ved NTNU-SINTEF. Varmepumpen produserer 75ºC forbruksvann, og anlegget oppnår 80 prosent energisparing i forhold til konvensjonelle varmtvannsberedere. CO2-teknologien har også blitt lisensiert til Japan via Shecco Technology (Norsk Hydro ASA), som har patentrettighetene. Flere japanske produsenter leverer nå mindre CO2-varmepumper for kombinert romoppvarming og varmtvannsberedning, og anleggene utkonkurrerer gassfyrte anlegg på grunn av sin høye energieffektivitet. De siste par årene er det solgt flere hundre tusen anlegg, og teknologien vil snart bli introdusert på det europeiske markedet.

Også i større bygninger
Beregninger utført av SINTEF Energiforskning AS under NTNU-SINTEFs Smartbygg-program1, viser at varmepumper med CO2 som arbeidsmedium også kan være et miljøvennlig og energieffektivt alternativ til konvensjonelle varmepumper i større bygninger. CO2-varmepumper har den fordel at de kan levere varme til høytempertur radiatorsystemer og varme tappevann opp mot 90ºC uten behov for tilleggsvarme. I de tilfeller hvor varmepumpen dimensjoneres for å dekke bygningens kjølebehov, vil anleggene dessuten dekke en større andel av det årlige varmebehovet enn ammoniakk-varmepumper.

For at en CO2-varmepumpe skal kunne oppnå høy energieffektivitet, er det imidlertid viktig at varmedistribusjonssystemet utformes for å gi lavest mulig returtemperatur under alle driftsforhold. Dette oppnås blant annet ved seriekobling av varmelaster med avtagende temperaturkrav, deriblant radiatorkurser og varmebatteriet i ventilasjonsanlegget. Samtidigheten mellom behovet for romoppvarming og ettervarming av ventilasjonsluft vil i den sammenheng være av stor betydning, ettersom CO2-varmepumpen oppnår størst energieffektivitet når ventilasjonsanlegget er i drift.

Mye varmtvann
Ettersom CO2-varmepumper ikke har noen temperaturbegrensning ved varmeleveranse, representerer de et interessant alternativ i rehabiliterte bygg hvor det brukes høytemperatur radiatorsystemer, og hvor ventilasjonssystemet har blir oppgradert til dagens standard. Selv om CO2-varmepumper vil kunne oppnå høy energieffektivitet selv i kontorbygg, egner teknologien seg enda bedre i bygninger med høyt varmtvannsbehov, for eksempel hoteller, sykehjem, sykehus og idrettsanlegg. Dette skyldes at forvarming og ettervarming av varmtvann vil bidra til lav returtemperatur i varmedistribusjonssystemet gjennom hele året og dermed høy energieffektivitet for CO2-varmepumpen.

Best lønnsomhet
Varmepumper for kombinert oppvarming og kjøling har høyere anleggskostnader enn konkurrerende systemer, men vil i mange tilfeller gi best lønnsomhet på grunn av det lave energibehovet til drift av anleggene. Investeringskostnaden for kommersielle CO2-varmepumper vil imidlertid kunne bli noe lavere enn for konvensjonelle varmepumpeanlegg ettersom det benyttes mindre kompressorer og mindre rørdimensjoner. CO2 er dess-uten et billig arbeidsmedium sammenlignet med HFK-mediene.

I den senere tid har mange internasjonalt ledende produsenter av kulde- og varmepumpeteknisk utstyr utviklet komponenter for CO2-anlegg, deriblant kompressorer, varmevekslere og ventiler. Det betyr at det nå er mulig å bygge større CO2-varmepumper av høy kvalitet. SINTEF Energiforskning AS har for tiden et samarbeid med Statsbygg hvor målet er å bygge en prototyp CO2-varmepumpe for oppvarming og kjøling av en større bygning. CO2-varmepumpen vil prosjekteres og bygges av Teknotherm AS i samarbeid med SINTEF Energiforskning AS, og det arbeides nå for å identifisere et aktuelt bygg.