New solution for combining bio- and solar energy for heating of low energy houses

*Bakgrunn* - Vedfyring i ovner og peiser er den nest største kilde til oppvarming etter elektrisitet i norske hjem og det er populært i hele Norden. Mange villaer eller hytter får installert ovner eller peiser som en primær varmekilde og for å skape varmekomfort. Nye hus bygges nå etter lav-energi eller passivhus standard, og resultatet er at rentbrennende ovner og peiser har for høy termisk ytelse sammenlignet med det momentane effektbehovet i rommet de er plassert. This challenge is addressed in the present project. *Målet* med BioSol prosjektet var å utvikle et nytt, sikkert og konkurransedyktig system for varmeoverføring fra ovnen eller peisen til et vannbasert oppvarmingssystem for rom- og tappevannsoppvarming. Et slikt system vil kunne anvende mange av de samme komponenter som inngår i et solvarmesystem, og er begrunnelsen for navnet BioSol. En stor del av det årlige varmebehovet i bygningen kan derved dekkes av fornybar energi, solenergi i sommerhalvåret og bioenergi i den kaldeste årstiden. Innovasjonen skulle ha en innebygget sikkerhet mot koking og overtrykk ved at det hydrauliske systemet operere konstant ved atmosfæretrykk, og at vann befinner seg i vannkappen bare når temperaturforholdene er akseptable og sikre. Drenering av vannkappen skjer også dersom elektrisiteten til sirkulasjonspumpa brytes. Vannkappen skal være enkel og montere og den skal ikke påvirke forbrenningsegenskapene slik at de rentbrennende egenskapene opprettholdes og de gjeldende godkjenninger for ovnen/peisen videreføres. BioSol var et innovasjonsprosjekt for næringslivet med fem hovedpartnere: Jøtul, Aventa, Stansefabrikken Fredrikstad (SFF), Frost Produkt og Darlana University (Sweden). Disse representerer til sammen ekspertise innen forskning og utvikling, industriell framstilling, solvarme, produktdesign og prototypframstilling av tynnveggede stålkammere. I første fase ble utviklingen av vannkappen konsentrert om en spesiell og meget populær peismodell. Varmeoverføringen ble beregnet ved hjelp av simuleringer og vannkappen ble designet, framstilt og testet i laboratorium. En særlig utfordring var å øke varmeoverføringen fra peisen til vannkappen og ulike utforminger og ble testet. Aventa, Stansefabrikken og Jøtul var aktive i denne delen av prosjektet. Aventa utviklet parallelt en styringsalgoritme for varmeoverføringsprosessen og implementerte en beta versjon i det eksisterende kontrollsystemet til solvarmeanlegg. En rekke designalternativer ble foreslått av Frost Produkt der funksjonalitet, brukervennlighet, sikkerhet, estetisk design og optimal ytelse ble kombinert. Tre ulike systemer for kombinasjonene med solvarme ble foreslått, med ulike valg av størrelsen til akkumulatoren. Videre ble en kompakt modell spesielt for hytter designet og testet. Fullskala pilotanlegg ble installert i flere boliger, der brukerne ga verdifulle tilbakemeldinger. Det ble påpekt noen ulemper med konseptet, og dette ble fulgt opp og førte til mindre modifikasjoner av vannkappen. Vannkappens størrelse ble noe redusert for ikke å komme i konflikt med vanlige innrammingsløsninger, og redusert strålingsareal ble kompensert ved at nedre del av røykrøret ble utstyrt med en varmeveksler. Varmeoverføringen ble målt på ulike stadier, først i laboratorium hos Stansefabrikken og senere i Jøtuls forsknings- og utviklingslaboratorium. Det ble også gjort målinger ved forbrenningslaboratoriet til Dalarna University, der også forbrenningsgassens komponenter ble studert. Målet om minimum 3 kW varmeoverføring ved normal forbrenning ble nådd andre år. Ved videre utvikling av varmeveksleren på røykrøret nedre kunne en oppnå samme effektoverføring uten bruk av vannkappen. Det foreligger konkrete planer om å kommersialisere dette produktet i samarbeid med ledende bransjebedrifter i Norge. Det første produktet som vil bli lansert er en ren varmevekslerløsning nederst på røykrøret. Denne utformingen gjør produktet uavhengig av peis- eller ovnstype, og kan dessuten enkelt installeres på eksisterende ovner/peiser. Høydepunkter fra BioSol utviklingen er presentert ved IEA SHC Solar Academy Webinar og Workshop Journée R&D ADEME (2018), Solenergidagen 2017 og i inviterte presentasjoner ved Oslo Innovation Week 2017, German-Norwegian Conference on Renewable Heating in Buildings arrangert av Norsk-Tysk Handelskammer i Oslo (2017), Conference for Solar technology-Knowledge exchange for key actors (Kozani, Greece 2017) og ved Norsk Solenergiforeningens Solvarmekurs og Solenergikveld (lokallag Bergen) (2016). BioSol inkluderte også Aventas prosjektleders oppgave som Subtask A leder i IEA SHC Task 54 Price reduction of solar thermal systems, i perioden 2015-Sept 2018.

Next to electricity is bioenergy in terms of log wood (firewood) the most used energy source for heating in Norwegian houses. The development toward low energy houses and passive houses creates a mismatch between the instant heat power delivered by a stove or fireplace, and the heat demand in the area of the house exposed to the heat from the source. This project presents a new way to transfer heat from a stove or a fireplace to an accumulator which combines high efficiency and negligible risks. The novel design is a hydraulic system without static pressure between the accumulator and the heat exchanger coupled to the stove. Water circulates in the heat exchanger only when heat should be transferred. If not the heat exchanger will be dry. The design removes all risks for accidents and damages due to boiling. The heat transfer rate will be controlled by dynamic flow rate control. The combination of log wood- and solar energy offers renewable energy for space and domestic hot water heating during all seasons. R&D challenges are related to the dynamics of the system. Clean combustion is required both when the heat exchanger is filled with water and when it is dry. The design of the heat exchanger should provide optimal transfer conditions during the whole combustion sequence. An advanced controller will be developed optimizing the function during different temperature conditions in the stove and the accumulator. The project will result in new products for all the partners. The heat exchanger is a new element to the Jøtul stoves. The product is an extension of the Aventa solar heating system for water- and space heating. A new process controller will also be made by Aventa. Heat exchanger and accumulators will be new products from Stansefabrikken, and Frost products will put important design elements in the product. All parties have essential roles, and will also increase the exposure of this product in the market through their various sales and distribution channels.