Et viktig bærekraftsmål for veksthusnæringen er å kvitte seg med den fossile andelen energi. Et annet viktig mål er å redusere behovet for energi og jevne ut behovet for mye energi på en gang (effektbehovet). Dette er ofte kostbart og den økonomiske bærekraften vanskelig å oppnå. Likevel skjer det mye teknologiutvikling i disse dager og de uforutsigelige energiprisene kan gjøre prosjekter mer aktuelle.
57 % av veksthusnæringens energiforbruk er strøm. Mesteparten av dette (44 %) er lys, mens resten er elkjeler (12 %) og varmepumper (1 %). Mange gartnerier kan ikke bruke mer vekstlys ei heller ha mer elektrisk oppvarming pga. for lite kapasitet på nettet. Fremover er det også en storstilt elektrifisering som skal til i resten av samfunnet, noe som vil gi enda større kapasitetsutfordringer. Teknologier som kan bidra til å jevne ut effektbruken og reduserer denne blir derfor enda viktigere i fremtiden. Bytte av tradisjonelle vekstlys til LED-armaturer har vi skrevet om før og vi vil her fokusere på varmepumper og buffertanker, samt sesonglagring av varme.
Varmepumper, hva er det og hvordan funker den?
Varmepumper henter varme fra et medie, som oftest uteluft, men kan også være vann eller grunnfjell og leverer dette inn i bygg. Et valgt arbeidsmedie (oftest kalt kuldemedie) blir fylt på en lukket krets og sirkulerer i denne kretsen. En varmepumpe består av 4 deler som denne kretsen går gjennom; en fordamper, en kompressor, en kondensator og en strupeventil.
Figur 1: Skisse av en varmepumpe med fordamper, kompressor med elektromotor, kondensator og strupeventil koblet sammen med et lukket rørsystem, kilde: Stene, J, 2010, «Varmepumper i veksthus- beafringer». (OBS Oppløsning for lav i opprinnelig dokument)
Fordamperen
De fleste varmepumper benytter seg av faseoverganger til kuldemediet. Det skjer ved at kuldemediet (i væskeform) koker og fordamper ved en temperatur som er lavere enn utetemperaturen. Dette skjer i fordamperen. Fordamperen er varmepumpens utedel (ved luft-luft eller luft-vann varmepumper).
Kompressoren
Kuldemediet føres i gassfasen rundt kretsen ved hjelp av en kompressor som også komprimerer gassen slik at trykk og temperatur øker.
Kondensatoren
Kondensatoren er varmepumpens innedel og gir fra seg mye av energien som latent varme ved faseovergangen fra gass til væske. Kondenseringen skjer grunnet et høyt nok trykk til at temperaturen kuldemediet vil kondensere ved er høyere enn innetemperaturen. Både fordampningen og kondenseringen skjer ideelt ved konstant trykk. Skal man gi høyere temperaturer må kompressoren gi tilsvarende høyere trykk for å oppnå stor nok temperaturforskjell.
Strupeventil
Når kuldemediet er omgjort til væske igjen føres denne tilbake til fordamperen gjennom en strupeventil hvor trykket reduseres tilbake til fordampertrykket.
Kjøling
Ønsker man å oppnå avkjøling inne og kaste overskuddstemperaturen ute, kjører man varmepumpen i revers. Da skifter de ulike komponentene jobb. Ofte er varmepumper brukt i veksthus kjølemaskiner som kjøres i revers. Her ønsker vi oss dedikerte varmepumper.
COP
En viktig betegnelse når vi snakker om varmepumper er coefficient of performance (COP) eller ytelseskoeffisienten. COP’en til en varmpepumpe forteller hvor mye energi vi får levert fra varmepumpen pr. mengde energi vi må bruke, altså hvor effektiv varmepumpen er. COP’en ligger typisk et sted mellom 2,5 og 6 alt etter hvilken type varmepumpe, type arbeidsmedie, temperatur varmepumpen leverer og utetemperatur som gjelder. Det betyr at for hver kWh kompressoren bruker får vi 2,5 til 6 kWh med varme fra kondensatoren.
Både den momentane COP’en og SCOP’en (COP’en målt over året) er viktig. Effektbehovet inne (mengden energi som må bli tilført pr. tidsenhet) er størst når det er kaldest ute og da er ofte COP’en lavere enn SCOP’en. Dette er grunnet den lavere temperaturforskjellen mellom arbeidsmediet i varmpepumpen og utetemperaturen. Varmevekslingen fra uteluft til arbeidsmediet blir da mindre effektiv.
Valg av kuldemedie
Det finnes mange ulike kuldemediene for varmepumper. Noen er brennbare, noen er giftige og noen har stor klimagasseffekt om varmepumpekretsen skulle lekke. Kravene til hvordan kuldemediene må lagres, transporteres og håndteres er med på å bestemme prisen for disse. De har alle ulike egenskaper mtp. hvilke temperaturer og trykk de fordamper og kondenserer.
Mange av dagens medier er i ferd med å fases ut pga. strengere krav til miljø, helse og sikkerhet. Såkalte naturlige arbeidsmedier blir derfor mer og mer aktuelle. Disse inkluderer CO2, ammoniakk og propan. Velger man et kuldemedie som blir faset ut står man i fare for å ikke få etterfylt varmepumpeanlegget sitt.
Dimensjonering av varmepumper
Som med alle grunnlastkilder bør vi unngå å overdimensjonere for å holde investeringer så lønnsomme som mulig. Prosjekter som Norsk Gartnerforbund har hatt på varmepumper forteller oss at en varmepumpe kan dimensjoneres til å dekke et sted mellom 40-70 % av effektbehovet. Erfaringer gir oss en tommelfingerregel på 55 W/m2 veksthus. Begrunnelsen for et slikt tall er en kombinasjon av økonomi og fornuftig gangtid.
En varmepumpe kan gjerne dekke inntil 70 % av varmebehovet. Årlig energibesparelse sammenlignet med et kjeleanlegg er mellom 35-50 % for uteluft-vann-varmepumper (den vanligste typen brukt i veksthus). For bergvarmepumper kan typisk spare 60-75 %, men dette er en betydelig høyere investering.
En forutsetning for disse tallene er at man legger opp til å distribuere varmen i veksthusene med et rørsystem dimensjonert for lave temperaturer, for å oppnå god nok COP. Maksimal utgående temperatur fra varmepumpen bør ikke overstige 40-50 grader.
Akkumulatortank
I et varmepumpeanlegg er det nødvendig med en stor nok akkumulatortank som kan buffre systemet. Spesielt i perioder der det er behov for lite energi og energibehovet svinger veldig vil tankene kunne avlaste systemet ved at kompressorene får lengre gangtid og færre start og stopp. Akkumulatortankene kan også levere varme de minuttene en luftbasert pumpe bruker på å avrime utedelen.
Buffertanker
En annen måte å buffre oppvarmingssystemet på er å sette opp en mye større vanntank enn det som er normalt når vi snakker om akkumulatortanker. Vann har varmekapasitet på 1,16 Wh/liter/°C og vi kan lagre mye varme på en stor tank!
Har vi for eks. en buffertank som er på 200 m3 (200.000 liter) kan vi altså lagre 233 kWh pr. grad vi varmer opp vannet i tanken. Varme man opp vannet i tanken fra 40 til 60 grader er dette 4667 kWh vi kan bruke for eks. om nettene.
Dette er spesielt nyttig der hvor man bruker gass til oppvarming og produksjon av CO2 til plantene. Om nettene er det ikke behov for CO2-en da det ikke foregår fotosyntese. Da kan man la kjelen gå på lav last gjennom dagen for å optimalisere CO2-produksjonen (på dagen er ofte varmebehovet også lavt), og man kan lagre varmen til en tid på døgnet hvor varmebehovet er større.
Vannet i en buffertank vil sjikte seg med varmere vann i toppen og lavere i bunnen. Det kan skille med 30-40 grader. Tanken tappes for varme i toppen og fylles i bunnen.
For oppvarming med elektrisitet (elkjeler eller varmepumper) kan buffertankene bidra til å avlaste nettet.
Kombinasjonen varmepumpe og buffertank
De fleste varmepumpene leverer varme opptil 50 grader. Når man tapper og fyller en buffertank er det ofte i sjiktet 40-80 grader man opererer i. Det kan derfor være utfordrende å fylle en buffertank med varmepumper som kun løfter temperaturen i buffertanken delvis. En kan her vurdere et system med to tanker,- en høy- og en lavtemperert. En buffertank kan uansett bidra inn i energisystemer som er avhengig av en spisslast som leverer høyere temperaturer.
Semilukkede veksthus; Kjøling og avfuktning- hvordan lukke lukene.
Tradisjonelt har store deler av oppvarmingsbehovet i veksthus gått til luftefyring- altså å fjerne fuktighet fra veksthusene ved å lufte ut denne fuktigheten. Da forsvinner også varme og CO2. Kjølebehovet for veksthus kan være så høyt som 600 kW/m2. Altså flere ganger effektbehovet for oppvarming. Derfor har kjøling av veksthusene ikke vært økonomisk lønnsomt.
Ved å høste solvarmen ved å kjøle ned veksthuset med varmepumper og så lagre denne energien i brønner i bakken kan vi oppnå sesonglagring av energien, der vi tidligere kun har klart døgnlagring.
Dette vil være en «gamechanger» der vi får full kontroll på planteklimaet og kan minimere svingningene. Vi kan da klare å opprettholde CO2-nivået for plantene, unngå fuktighet og sykdommer, og kan oppnå hele avlingspotensialet. Dette igjen vil øke bærekraften!
Denne artikkelen er skrevet som en del av Norsk Gartnerforbunds Bærekraftsprosjekt som vil bidra til informasjonsarbeid og veiledning for et mer bærekraftig landbruk. Prosjektarbeidet består av «Bærekraftshåndboken», spesielt rettet mot norsk gartneri- og hagebruksnæring. Underveis publiseres artikler som skal gjøre næringsaktører mer bevisst egen miljøpåvirkning og inspirere til konkrete tiltak. Prosjektet er støttet med midler fra Landbruksdirektoratets klima- og miljøprogram.