EXAMENSARBETE. Fjärrvärmedriven komfortkyla. En teknoekonomisk analys av småskalig absorptionskyla. Björn Larsson 2016

Transkript

1 EXAMENSARBETE Fjärrvärmedriven komfortkyla En teknoekonomisk analys av småskalig absorptionskyla Björn Larsson 2016 Civilingenjörsexamen Hållbar energiteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 i LULEÅ TEKNISKA UNIVERSITET Sammanfattning Fjärrvärmedriven komfortkyla av Björn LARSSON Syftet med det här arbetet är att undersöka den tekniska och ekonomiska potentialen med småskaliga absorptionskylanläggningar (<200 kw kyleffekt). Undersökningen görs i form av en livscykelkostnadsanalys där en absorptionskylanläggning jämförs med en kompressorkylanläggning av motsvarande storlek. I analysen som ingår kostnaderna för installation, drivmedel (värme/el) samt drift-och underhåll. Utgångspunkten läggs på de förutsättningar/villkor som gäller i Västerås, och de kunder som är anslutna till stadens fjärrvärmenät. Resultaten presenteras i form av ett antal fallstudier. Fallen inkluderar en små- och storskalig affärslokal, bostadsrättsförening, samt ett specialfall där priset för vilket fjärrvärme skulle behöva göras tillgängliga för att nå "break even" med en kompressorkylanläggning. Fallstudier utgår i sitt grundutförande från ett fjärrvärmepris på 75 SEK/MWh och ett varierande elpris om cirka 700 SEK/MWh. Resultaten visar att för en absorptionskylmaskin med en kyleffekt på 70 kw har en livscykelkostnad som är till SEK högre jämfört med en kompressorkylanläggning. För bostadsrättsföreningen med en absorptionskylanläggning på 18 kw visade livscykelanalysen att kostnaderna skulle bli till SEK högre. Kostnadsanalys av fjärrvärme visade att fjärrvärme skulle behöva erbjudas till ett pris om cirka 50 SEK/MWh under perioden maj till september för att göra maskinstorlekar runt 125 kw visa ett nollresultat gentemot kompressorkylanläggning. Det enligt den mest fördelaktiga prismodell. Slutsatserna av arbetet är att småskaliga absorptionskylanläggningar sannolikt inte kan konkurrera med kompressorkylare från kostnadsperspektiv. En investering i absorptionskyla bör kanske istället värdesättas utifrån andra egenskaper, såsom möjligheten att binda kunder till fjärrvärmenätet.

3 ii LULEÅ UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Abstract Fjärrvärmedriven komfortkyla by Björn Larsson The purpose of this report is to investigate the technical and economic potential with small scale absorptions chillers (<200 kw cooling capacity). The investigation is done though a life cycle cost analysis comparing absorption chillers to compressor chillers of equal cooling capacity. The analysis includes costs for installation, maintenance/operation and energy (heat/electricity). The emphasis is put on the conditions present in Västerås and customers connected to the district heating network. The results are presented in the form of a number of different case studies. Including a large- and small scale business, and an apartment complex. A special case detailing the cost at which district heating would have to be made available in order to reach break-even with a compressor chiller is also presented. The default case studies are evaluated with a district heating price of 75 SEK/MWh and an electricity price of 700 SEK/MWh. The results show that for a machine size of 70 kw, absorptions chillers have a life cycle cost that is to SEK higher compared to a compressor chiller. For the apartment complex with a 18 kw absorption chiller had a life cycle cost that is to SEK higher compared to a compressor chiller. The cost analysis showed that district heating would have to be offered at a price point of around 50 SEK/MWh during the period May through September, in order to make machine sizes around 125 kw break even with a compressor chiller. That according to the most favorable price model used in the project. The conclusions of the project are that small scale absorptions chillers are unlikely to be able to compete with compressor chillers from a cost perspective. An investment in absorption cooling should perhaps be valued from other viewpoints, such as its ability of tying customers to the district heating network.

4 iii Förord Det här arbetet är utfört som ett led i Civilingenjörsutbildningen Hållbar Energiteknik vid Luleå Teknisk Universitet. Arbetet omfattar 30 högskolepoäng och är genomfört vid Mälarenergis avdelningen för optimering och analys i Västerås. Innan allvaret drar igång vill jag passa på att tacka personer som varit delaktiga i arbetet. Min handledare på Mälarenergi, Einar Port. Du har alltid tagit dig tid att diskutera, ge vägledning och ställa de tuffa frågorna i vid svåra vägval. Arbetet hade inte varit detsamma utan ditt engagemang. Personalen på avdelningen för optimering och analys. Kan inte tänka mig att ha genomfört mitt arbete på någon annan avdelning. Ert trevliga bemötande har gjort att jag sett fram emot att gå till jobbet varje måndag. Sist men inte minst - handledare, examinator och programansvarige vid Luleå Tekniska Universitet, Lars Westerlund. Det var nu fem år sedan jag inledde mina studier mot att bli Civilingenjör. Det har varit en spännande resa där jag inte bara lärt mig mycket om ämnet energiteknik, men också om mig själv. Det är med en känsla av vemod jag skriver dessa sista rader, men allting har en början och ett slut, och jag känner att utbildning du har givit mig har gett mig en verktygslåda för att lyckas.. men först en välbehövlig semester! Trevlig läsning, Björn Larsson

5 iv Innehållsförteckning 1 Introduktion Bakgrund Kraftvärme i Västerås Syfte och mål Tidigare arbeten Tekniker för att producera kyla Fjärrkyla Frikyla Eldriven kyla Absorptionskyla Systemlösningar Drivvärme Anslutning på fjärrvärmenätet Återkylning Prestandajämförelse torr- och evaporativ återkylning Småskalig absorptionskyla Sammanställning av tillverkare Teknisk modell och simuleringar Övergripande metod och mjukvara Nyckeltal för prestanda Kundunderlag Referenslokal Simuleringsmodell Simuleringsresultat Ekonomi Investeringskostnader Rörliga kostnader Fallstudier Diskussion och slutsatser Tekniken Ekonomin Slutsatser Källförteckning 43

6 v Figurförteckning 2.1 Fjarrkylanätet i Västerås Principiell arbetsskiss för en kompressorkylmaskin Principiell arbetsskiss för en absorptionskylmaskin Framledningstemperatur Västerås fjärrvärmenät. Data Inkoppling fram-retur och fram-fram Temperaturfall på framledning vid anslutning fram-fram Inkoppling fram-retur med sekundär varmvattenberedare Principiell arbetsskiss för torr återkylning Principiell arbetsskiss för evaporativ återkylning Utomhustemperatur och relativ fuktighet Prestandajämförelse evaporativ- och torr återkylning Arbetskiss med processteg för absorptionskylmaskin Kundunderlag från Västerås fjärrkylanät Varaktighet kylleverans för referenskund Prestandakurva för Yazaki SC5. Drivvärmestemperatur/kyleffekt Prestandakurva för Yazaki SC5. Drivvärmestemperatur/tillförd värme Simuleringsresultat för Yazaki SC5. Evaporativ återkylning Simuleringsresultat för Yazaki SC5. Torr återkylning Elanvändning vid simulering. Torr och evaporativ återkylning. Yazaki SC Specifik investeringskostnad absorptionskyla. Fjärrsyn Specifik investeringskostnad absorptionskyla. Fjärrsyn Specifik investeringskostnad absorptionskyla. Profu Specifik investeringskostnad kompressorkylanläggning Sammanställd investeringskostnad för AKM och KKM Prisutveckling el år 2017 till Diskonterad livscykelkostnad Fall I - Mindre affärslokal Känslighetsanalys för Fall I - Mindre affärslokal Diskonterad livscykelkostnad Fall II - Större affärslokal Känslighetsanalys för Fall II - Större affärslokal Diskonterad livscykelkostnad Fall III - Bostad Känslighetsanalys för Fall III - Bostad Högsta tillåtna fjärrvärmepris beroende på utnyttjande Högsta tillåtna fjärrvärmepris beroende på utnyttjande. Elpris +20%

7 vi Tabellförteckning 2.1 För- och nackdelar med arbetsparen vatten-libr och ammoniak-vatten Tillverkare av småskaliga absorptionskylmaskiner <250kW Kylbehov för referenskund Genomsnittlig effekt vid beräkning av elektrisk COP Sammanställning av simuleringsresultat Konstanter vid beräkning av investeringskostnad Prisuppgifter för vatten i Västerås Gemensam data vid ekonomisk analys Grunddata för Fall I - Mindre affärslokal Kostnadsjämförelse AKM och KKM. Fall I - Mindre affärslokal Grunddata för Fall II - Större affärslokal Kostnadsjämförelse AKM och KKM. Fall II - Större affärslokal Grunddata för Fall III - Bostad Kostnadsjämförelse AKM och KKM. Fall III - Bostad Elektrisk COP för Fall IV - Varierande fjärrvärmeprissättning Utnyttjandetid för referenslokaler

8 vii Förkortningar AKM BRF COP DL EI F-F F-R FJV FJK HT IEA IR KKM LT MOMS MT SE VV AbsorptionsKylMaskin BostadsRättsFörening Coefficient Of Performance DubbleLift EnergimarknadsInspektionen Fram-Fram Fram-Retur FJärrVärme FJärrKkyla HögTemperatur InternationalEnergyAgency InternRänta KompressorKylMaskin LågTemperatur MervärdesOMsättningsSkatt MedelTemperatur SingleEffect VarmVattenbererade

9 1 Kapitel 1 Introduktion 1.1 Bakgrund Tekniken absorptionskyla är en sedan länge kommersiell teknik för att framställa kyla genom värme. I dag finns flertalet fjärrvärmedrivna absoprtionskylmaskiner (AKM) installerade svenska fjärrvärmenät. Där de är ofta kopplade för kylproduktion mot fjärrkylanät. Det som framförallt har gjort och fortfarande gör tekniken intressant är dess möjlighet för fjärrvärmeföretag att få användning för överskottsvärme som är vanligt förekommande på svenska fjärrvärmenät under sommaren. Hittills har det dock endast varit ekonomiskt försvarbart att installera storskaliga absoprtionskylmaskiner (MW-klassen). Mindre anläggningar har genom höga investeringskostnader i förhållande till annan kylteknik haft svårt att hävda sig. Detta kanske är på väg att förändras. Undersökningar genomförda av Svensk Fjärrvärme visar att prisbilden för småskaliga enheter (<200kW) har förbättrats de senaste åren. Framförallt genom serietillverkning. Hos fjärrvärmeföretag som Mälarenergi är intresset för värmedriven kyla stort. På lång sikt skulle en utbredd installation av absorptionskylmaskiner innebära minskade säsongsvariationer i efterfrågan på fjärrvärme. Det skulle därigenom tillåta Mälarenergi att i högre utsträckning utnyttja deras produktionsanläggning för avfallsförbränning. Som vid produktion har en negativ prisbild, det vill säga intäkterna för avfall och el överskrider de rörliga kostnaderna för produktion av värme. Från en marknadssynpunkt skulle det också innebära att Mälarenergi som fjärrvärmeföretag har möjlighet att erbjuda kunder en helhetslösning med både värme och komfortkyla. Även till de kunder som befinner sig utanför stadens fjärrkylanät. Vidare så skulle det också medföra en stärkt position gentemot eldrivna kyl- och värmemaskiner, som med ett förhållandevis lågt elpris har blir allt mer vanligt förekommande. 1.2 Kraftvärme i Västerås En förutsättning för absorptionskyla är tillgång till billig fjärrvärme. Vid Mälarenergi kraftvärmeverk i Västerås finns totalt 6 stycken olika produktionsenheter (även kallade block). Det första blocket bestod av en oljeeldad panna med tillhörande ångturbin, som driftsattes Kraftvärmeverket har sedan dess byggts ut med fler produktionsenheter för att hantera nya bränsleslag och möta ett ökat fjärrvärmebehov. Av intresse för det här arbetet är block 6 som driftsattes Block 6 har vid produktion av värme och el negativa produktionskostnader. Detta då Mälarenergi genom avfallsförbränningen förmedlar en avfallshanteringstjänst. Genom den fördelaktiga prisbilden går block 6 som basproduktion av el och fjärrvärme. Det är även det block som primärt körs under sommaren. Genom begränsningar i pannan är det inte möjligt för produktionen att understiga cirka 70 % av maximal last. Beroende på lastförhållanden på fjärrvärmenätet kan det under varma perioder på året medföra att värme kan behöva kylas bort. Detta sker för att inte övermätta fjärrvärmenätet. Vanligtvis sker återkylning under perioden maj till september.

10 Kapitel 1. Introduktion Syfte och mål Målet med projektet är att utvärdera potentialen med fjärrvärmedriven absorptionskyla i mindre skala ( 200 kw). Utvärderingen kommer ske genom ett antal fallstudier där absorptionskyla kommer att vägas mot en kompressorkylmaskin med motsvarande kyleffekt. Teknisk data för utvärderingarna kommer i huvudsak att hämtas från tidigare forskningsprojekt och försöksanläggningar. En enklare simuleringsmodell av en absorptionskylmaskin kommer att skapas under projektets gång för att ge författaren en tydligare bild av tekniken. Resultatet från fallstudierna kommer sedan att, utifrån förutsättningarna som råder i Västerås, ligga till grund för att besvara; Hur förhåller sig en anläggning för absorptionskyla gentemot konventionella lösningar för komfortkyla i from av förenklad livscykelanalys som inkluderar installation, drift samt underhållskostnader? Vad bör ett fjärrvärme (SEK/MWh) prissättas för att göra en absorptionskylanläggning ekonomisk försvarbara? Vilken eller vilka lokaltyper kan dra störst nytta av fjärrvärmedriven komfortkyla? Resultaten från projektet kommer att sammanfattas i en skriftlig rapport med inlämning i början av juni Två stycken presentationer av arbetet kommer att hållas. Den första kommer vara inför berörd personal vid Mälarenergis kontor i Västerås. Den andra presentation kommer att hållas vid Luleå Tekniska Universitet den 27 maj som del av examensarbetet. Delmål under arbetets gång har varit; Studera tidigare arbeten inom absorptionskyla i syfte att erhålla djupare kunskap inom arbetsområdet. Skapandet av en teknisk/ekonomisk modell av en absorptionskylmaskin. Utföra fallstudier där den den tekniska och ekonomiska prestandan för absorptionskylmaskin utvärderas beroende av drift- och kostnadsparametrar. Genom att arbetet innefattar en generell analys av förutsättningarna för fjärrvärmedriven absorptionskyla kommer inte lokaler som eventuellt skulle nyttja kylan i processer att behandlas. Orsaken är att dessa lokaler sannolikt ställer högre krav på redundans för kylanläggningen vilket inte anses kunna behandlas som ett generellt fall. Arbetet kommer heller inte att behandla kostnaderna för investering, installation- och drift för sekundärsidan. Det vill säga distribution av kyl i fastigheten/lokalen. Orsaken är att dessa kostnader i hög grad är beroende av lokala förutsättningar och oberoende av kylanläggningen. Fallstudierna som genomförs kommer även att utgå från att fastigheten är kund hos Mälarenergi för; el, vatten och fjärrvärme.

11 Kapitel 1. Introduktion Tidigare arbeten Det finns ett intresse för termiskt driven kyla bland fjärrvärmebolag. Svensk fjärrvärme kunde vid en inventering av absorptionskylmaskiner på fjärrkylanät visa att det är argument som tillgång på spillvärme och en ökad miljömedvetenhet som gör tekniken attraktiv bland svenska fjärrvärmebolag (Nordman, 2009). På nationell nivå har Svensk Fjärrvärme, fjärrsyn och Värmeforsk i flera omgångar undersökt potentialen med fjärrvärmedrivna absorptionskylmaskiner. Undersökningarna som genomförts utgår inte sällan från storskaliga (>1MW) anläggningar (Zinko et al., 2004; Bjurström, Ingvarsson, and Zinko, 2010). Anledning till att mindre anledningar inte behandlats tidigare är att den specifika installationskostnaden (SEK/kW) varit för höga i jämförelse med alternativa kylmaskiner, såsom kompressorkylmaskiner (KKM). Absorptionkyla för mindre anläggningar (<200kW) har undersökts av Fjärrvärmebyrån (FVB) via Fjärrsyn. De fann i sitt arbete att mindre anläggningar har genom serietillverkning sett en förbättrad prisbild. Vilket gör dem aktuella för svenska fjärrvärmenät under förutsättningen att det finns tillgång till billig värme. I arbetet besöktes även flertalet anläggningar i Europa för att samla in drifterfarenheter (Sagebrand, Walletun, and Zinko, 2015). Genom Fjärrsyn har (Matrin and Udomsri, 2013) undersökt prestandan för en småskalig absorptionskylmaskin (ammoniak-vatten) med nominell kyleffekt på 18,6 kw. De fann att det var möjligt att bibehålla kylmaskinens verkningsgrad även vid temperaturer på 70 C. På internationell nivå har möjligheterna med soldriven absorptionskyla undersökts via International Energy Agency (EIA), "Task 38 - Solar Air-Conditioning and Refrigeration" (2006 till 2010). Drivvärmen för dessa anläggningar ligger inom intervallet 70 till 80 C vilket är samma temperaturområde som svenska fjärrvärmenät håller under sommartid. På nivå för examensarbete har fjärrvärmedriven absorptionskyla i klassen över 500 kw undersökts på ett antal platser i Sverige. I samarbete med Luleå Energi har (Gjesvold and Lindberg, 2009) undersökt de tekniska och ekonomiska förutsättningarna för fjärrvärmedriven absorptionskyla i Luleå. Baserat på prisförslag från leverantörer togs ett kostnadsförslag för en anläggning som inkluderade absorptionskylmaskin, kyltorn och ackumulatortank fram. Storleken på anläggningen var i detta fall 760 kw och var avsedd för att förse Luleå Tekniska Universitet med komfortkyla. Slutsatsen från arbetet var att det från en teknisk synpunkt skulle var möjligt att driva en absorptionskylmaskin med de temperaturer som återfinns på fjärrvärmenätet i Luleå under sommartid (cirka 75 C). De fann däremot att en investering för en kylanläggning av den typ som undersöktes i rapporten var svår att försvara ekonomiskt. Vid en undersökning genomförd via Tekniska Verken i Linköping fann (Ekoff and Lund, 2006) att en investering i fjärrvärmedriven absorptionskyla inte var ekonomiskt försvarbart. Anläggningarna som undersöktes där var två större industrier inom livsmedelsframställning. Utgångspunkten för det här arbetet kommer i huvudsak vara rapporter som publicerats via; Värmeforsk, Svensk Fjärrvärme och Fjärrsyn då dessa rapporter behandlar tekniken (absorptionskyla) på ett mer generellt och övergripande sätt. Erfarenheter kommer även att hämtas från IEA soldrivna absorptionskylanläggningar i Task 38 och 48.

12 4 Kapitel 2 Tekniker för att producera kyla Fyra olika tekniker kommer att behandlas; Fri, fjärr, el- och absorptionsdriven kyla. Området absorptionskyla är huvudspåret, medan övriga tekniker behandlas översiktligt. I ett syfte att introducera läsaren till metoderna, och möjliggör kring dem i senare avsnitt av rapporten 2.1 Fjärrkyla Principen med fjärrkyla påminner om fjärrvärme. Kyla produceras vid en central anläggning och distribueras sedan ut till kunder via ett ledningsnät. Temperaturområdet som fjärrkyla arbetar inom är vanligtvis 6 C för utgående vatten och cirka 16 C för returnerade. Returtemperaturen beror på lastförhållanden på fjärrkylanätet. Produktionen av fjärrkyla sker via kompressorkylmaskiner, kylvärmepumpar 1, frikyla och absorptionskyla. Där de tre förstnämnda utgör majoriteten av produktionen (Nordman, 2009). FIGUR 2.1: Fjarrkylanätet i Västerås Från ett systemperspektiv är fjärrkyla en mer flexibel kyllösning än kundproducerad kyla, genom att den möjliggör en variation av produktionen under året. Exempelvis absorptionskyla under varma perioder och frikyla under kallare perioder. Nackdelen med tekniken är den kräver en hög kundtäthet för att vara lönsam. Detta kan tydliggörs i Figur 2.1 där fjärrkylanätet i Västerås kan ses. Detta grunder sig i den (i förhållande till fjärrvärme) låga temperaturskillnaden mellan framledning och retur. Genom att kyleffekten distribueras via en differens på cirka 10 C krävs grövre rörledning och mer pumparbete för att transportera en tillräcklig vattenmängd. Detta medför höga investeringskostnader och fjärrkylanät som ofta begränsas till kundtäta (centrala) delarna av städer (Holmström and Johansson, 2013). 1 kompressorkylmaskin där värme från kondensorn tillvaratas

13 Kapitel 2. Tekniker för att producera kyla Frikyla Begreppet frikyla var under arbetet svårt att finna en strikt definition på. Sammanfattningen av de frikylanläggningar som studerades var att samtliga på ett eller annat sätt nyttjar kyla som finns tillgänglig i naturen. Värmetransporten från den kalla till varma reservoaren sker vanligen genom att direkt eller indirekt värmeväxla en köldbärare mot den kalla reservoaren. De metoder för frikyla som kommer att beskriva här är; Snökyla Frikyla från utomhusluft Frikyla från vattendrag Eftersom att värmesänkan i dessa fall är "gratis" kan elektrisk COP (kwh-kyla/kwh-el) för anläggningarna av denna typ vara i området 50 (Holmström and Johansson, 2013). Generellt krävs det dock speciella platsförhållanden för att en lösning med frikyla skall vara möjlig. Exempelvis kräver snökyla förhållandevis stora ytor för lagring av snö, frikyla från vatten närhet till ett vattendrag. Genom att kylalternativen kräver speciella förhållanden kommer enbart en översiktlig redogörelse för principerna med vardera frikylalternativ att göras. Snökyla Snölager fungerar genom att under vintertid samla snö från snöröjning i ett stort lager. Innan sommaren täcks lagret med ett isolerande skikt av träflis för att minska andel snö som tinar bort. Snölagret kan sedan användas som värmesänka under sommaren. År 2000 togs en snökylanläggning i drift vid Sundsvalls sjukhus. Anläggningen förser sjukhuset med komfortkyla fram till och med september månad varje år. Västernorrlands landsting rapporter att elanvändningen för komfortkyla har minskar från 900 till 65 MWh per år sedan installationen (LVN, 2011). Frikyla från utomhusluft Vid tillfällen då utomhustemperaturen ligger i nivå med köldbäraren kan utomhusluften användas som värmesänka. Alternativet med frikyla från luft lämpar sig främst för luftburna system då vattenburna system har ett snävare temperaturområde för vilket de kan börja leverera kyla. Jämförelsevis kan luftburen kyla levereras vid utomhustemperaturer på 16 C och vattenburen kyla vid 8 C. Vid installation av en kundägd kylanläggning är det möjligt att dra en separat rörledning som kan avlasta kylmaskinen om utomhustemperaturen ligger inom området som nämnts ovan (Holmström and Johansson, 2013). Frikyla från vattendrag Vatten vid botten av sjöar eller andra vattendrag håller en konstant temperatur om cirka 4 C. Genom att antigen direkt eller indirekt värmeväxla mot detta vatten kan det nyttjas som en kylsänka. Utifrån en teknisk synpunkt är anläggningar av den här typen enkla och kräver i många fall endast pump, rörledning och värmeväxlare. Lösningen är däremot beroende av att det finns vattendrag i närheten av den lokal som skall kylas, vilket begränsar möjligheten att upprätta anläggningar av den här typen.

14 Kapitel 2. Tekniker för att producera kyla Eldriven kyla Kompressionskyla Kompressorkylmaskiner är den kylmaskin som oftast avses när kylproduktion nämns. Kylmaskinerna finns i varierande storleksbredd med allt från kylskåp med kyleffekter under en kw till industriella kylanläggningar på flertalet MW. Funktionsbeskrivning En kompressorkylmaskin arbetar utifrån en cyklisk process och bygger på fyra olika komponenter; kondensor, förångare, kompressor och en ventil. Genom att utnyttja att ett arbetsmedium förångas vid olika trycknivåer kan maskinen förflytta värme från en "kall" till en "varm" reservoar. Hur detta går till förklaras enklast via en principskiss, se Figur 2.2. Bortkyld värme Kondensor Ventil Kompressor EL Förångare Köldbärare FIGUR 2.2: Principiell arbetsskiss för en kompressorkylmaskin Kompressor. I kompressorn tillförs arbete (i from av el) för att komprimera arbetsmediet. Tryck och temperatur stiger. Kondensor. I kondensorn avges värme till omgivningen. Under detta steg kondenserar arbetsmediet till vätskefas. Ventil. Trycket på vätskan sänks genom att låta det expandera över en ventil. Som följd av trycksänkningen sjunker även temperaturen på arbetsmediet. Förångare. Efter ventilen är arbetsmediet kallare än den omgivningen som var för avsikt att kylas. Till följd av detta tillförs värme nu till systemet från den "kalla" omgivningen som därmed kyls. Efter förångaren går arbetsmediet vidare till kompressor för att börja om cykeln. Beroende på arbetstryck och köldmedia kan kompressorkylmaskiner leverera inom ett vitt temperaturområde. Valet av arbetsmedium och trycknivå påverkar prestandan för kylmaskinen. Av intresse för det här arbetet är kylleveranser vid cirka 6 C. Maskiner som arbetar inom det området har en verkningsgrad på drygt 3 kw-kyl/kw-el (Björklund, 2016)

15 Kapitel 2. Tekniker för att producera kyla Absorptionskyla Absorptionskyla är en kylteknik som i många avseenden påminner om kompressorkylare. Bägge nyttjar en kondensor för att under högt tryck kondensera att kylmedium och en förångare för att under lågt tryck förånga samma arbetsmedium. Där teknikerna skiljer sig ifrån varandra är att absorptionskyla, genom introduktion av en sekundär arbetskrets, kan ersätta kompressorn. Funktionsbeskrivning Själva arbetsprincipen för en absorptionskylmaskin är mer komplex i jämförelse med kompressorkyla. Den kommer här att beskrivas med utgångspunkt från en kompressionskylmaskin som berördes i det förra avsnittet. En bild av de ingående komponenterna för bägge kylmaskinerna återfinns i Figur 2.3. Den vänstra delen av figuren visar en kompressionskylare. Till höger syns den sekundära arbetskretsen och hur de passar in i cykeln för kompressorkylare. FIGUR 2.3: Principiell arbetsskiss för en absorptionskylmaskin i förhållande till en kompressionskylmaskin. Arbetspar vatten-libr Kylmaskinerna skiljer sig åt i det avseende att absorptionskyla i huvudsak är en termisk driven process. Som det framgår av figuren nyttjar även absorptionskylmaskiner en viss mängd el i form av en cirkulationspump. Andel som krävs är däremot mindre i förhållande till en kompressionskylmaskin. Orsaken är att tryckökningen i en absorptionskylmaskin sker genom pumpning vilket är mindre energikrävande än tryckökning av gaser via en kompressor. Elanvändningen kommer att utforskas närmare i Kapitel 5. För att möjliggöra arbetet nyttjar absorptionskylmaskin två köldmedier. Även kallade arbetspar Två stycken vanligt förekommande arbetspar är ammoniak(nh 3 )-vatten och vattenlitiumbromid(libr) (Flores, Román, and Alpírez, 2014). För och nackdelar med användandet av vardera arbetspar kommer att behandlas längre ned i det här kapitlet. Processen som sågs i Figur 2.3 är för en cykel som nyttjar vatten-libr som arbetspar. Där vatten går via den "primära" kondensor- och förångarkretsen och LiBr via den "sekundära" generator- och absorbatorkretsen. För en kylmaskin som arbetar med arbetsparen ammoniakvatten är rollerna ombytta. Vatten går via den sekundära kretsen, och ammoniak via den primära. En närmare beskrivning av vad som sker i vardera steg, utgående från arbetsparet vatten-libr, kommer att ges på nästkommande sida.

16 Kapitel 2. Tekniker för att producera kyla 8 Generator. I Generatorn kokas en svag (lågkoncentrerad) lösning av vatten-libr via tillförsel av drivvärme (fjärrvärme). Kokningen sker under högt tryck och har till syfte att skilja arbetsparen åt. Det primära köldmediet (vattnet) förs efter separationen vidare till kondensor/förångare-kretsen. Det sekundära arbetsmediet som är en nu är en så kallad stark (högkoncentrerad) lösning av vatten-libr förs vidare till absorbatorn. Absorbator. I absorbatorn blandas den starka lösningen från generatorn med vattenånga från förångaren. Syftet är att återigen binda samman de två strömmarna till en svag lösning. För att återföra blandningen till vätskefas måste den kylas. Kylbehovet kan tillgodoses med exempelvis kyltorn. Värmeväxlare. För att öka effektiviteten för processen nyttjas en regenerativ värmeväxlare mellan den starka och svaga lösningen. Den värmeväxling som sker mellan strömmarna är kritisk ur en prestandasynpunkt då den minskar kylbehovet i absorbatorn, och sänker andelen värme för att koka den starka lösningen i generatorn. Typer av absorptionskylmaskiner Processen som beskrevs i ovanstående avsnittet gäller för en så kallas enstegs (single effect) absorptionskylare. Det refererar till att maskinen har en generator/kondensor. Maskinerna finns även i utförandet Double- och Triple effect. Som genom tillförandet av ett respektive två extra generator- och kondensorsteg, samt intern värmeväxling möjliggör högre avkokning av det primära kylmediet från den svaga lösningen (SoCalGas, 1998). Systemen ställer dock högre krav på drivvärmen och kräver exempelvis gaseldning eller trycksatt ånga. Ett område som framhävs som besvärligt vid drift av absorptionskylmaskiner är den i förhållande till kunders värmeväxlare låga avkylning av fjärrvärmen. Problematiken har bland annat undersökts av (Bjurström, Ingvarsson, and Zinko, 2010) vilka genomfört en detaljerad studie av storskaliga absorptionskylmaskiner (>1MW) för drift på svenska fjärrvärmenät. I utvärderingen behandlas mer avancerade systemkonfigurationer i form av halv-effekt ("dubbellift") och hur en installation skulle påverka fjärrvärmenätet och produktionsanläggningar. Främst i from av en förhöjd returtemperatur på fjärrvärmen. Anledningen till att dubbellift konfigurationerna är intressanta är att de ger en bättre avkylning av värmebäraren om cirka 20 C. Vilket minskar problemen som en förhöjd fjärrvärmeretur medförda. Mer om detta i Kapitel 3. Av ekonomiska skäl är den typen av anläggning dock inte lämpad för mindre maskinstorlekar. Arbetspar I dagsläget finns det en uppsjö av olika arbetspar för absorptionskyla, och det sker fortsatt forskning för att ta fram nya möjliga arbetspar (Sun and Fu, 2012). De arbetspar som fått absolut störst genomslag är vatten-libr och ammoniak-vatten. Bägge är sedan lång tid tillbaka kända; ammoniak-vatten började användas i absorptionskylmaskiner redan i mitten av talet och vatten-libr under andra världskriget (Bjurström, Ingvarsson, and Zinko, 2010). Av de två arbetsparen har vatten-libr visat bättre prestanda. Termisk COP (kw-kyla/kwvärme) var för det arbetsparet cirka 0,8, jämfört med ammoniak-vatten på drygt 0,5 (Flores, Román, and Alpírez, 2014). Testerna som låg till grund för resultatet genomfördes med generatortemperaturer upp till 120 C. Vilket gör att det exakta siffervärdet inte är representativt för drift med fjärrvärme. Ordningen är dock oförändrad.

17 Kapitel 2. Tekniker för att producera kyla 9 (Kurem, 2001) har jämfört de bägge arbetsparen och hur de presterar i absorptionskylmaskiner. Listan som anges i den här rapporten är inte fullständig. De egenskaper som tas upp ansågs var de av betydelse för en mer översiktlig jämförelse. För arbetsparet vatten-libr anges följande egenskaper; korrosivt vid kontakt med luft, högviskös vid låga tryck samt begränsningar i den övre arbetstemperaturen. Temperaturbegränsningen är för att undvika att kristallisering uppstår, vilket innebär att saltlösningen stelnar. Vidare ansågs anläggningar som använder vatten-libr erbjuda en högre säkerhet på grund av ett lägre systemtryck. Att arbetsparet inte är lättflyktigt framhålls som en god egenskap. I praktiken innebär det att andelen LiBr som återfinns i vattnet som lämnar generatorn är nästintill obefintligt. Det medför i sin tur att det inte krävs någon extra utrustning för destillering av det primära köldmediet inte är nödvändig, vilket är fallet då ammoniak-vatten nyttjas. Gällande ammoniak-vatten framhäver författarna egenskaperna; högre pumparbete vid ökade drifttemperaturer, extra utrustning för destillering av det primära köldmediet, begränsningar i materialval, giftigt och en lägre systemverkningsgrad som nackdelar. Fördelarna med arbetsparet är det bredare arbetsområdet. Ammoniak-vatten har inte samma begränsningar gällande frysning under 0 C och risken för kristallisering vid höga koncentrationer. TABELL 2.1: Sammanställning av för- och nackdelar med arbetsparen vatten-libr och ammoniak-vatten.(kurem, 2001; Flores, Román, and Alpírez, 2014) Vatten-LiBr Vatten-ammoniak Fördelar Nackdelar Fördelar Nackdelar COP ( 0, 8) Fryser vid 0 C Arbete <0 C COP ( 0, 5) Generellt billigare Korrosivt Pumparbete Högre säkerhet Kristallisering Lättflyktigt Högviskös Giftigt

18 FRAMLEDNINGSTEMPERATUR [ C] 10 Kapitel 3 Systemlösningar Det här kapitlet kommer att ge en mer ingående beskrivning över den drivvärme som kommer att nyttjas. Kommer även att diskuteras hur olika inkopplingsalternativ på fjärrvärmenätet kan se ut och hur de påverkar systemet som helhet. Ett viktigt avsnitt behandlar hur olika typer av lösningar för återkylning av absorptionskylmaskiner kan se ut. 3.1 Drivvärme 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 Medel: 80,5 C 65, FIGUR 3.1: Framledningstemperatur Västerås fjärrvärmenät. Data 2015 Figur 3.1 visar en sammanställning för hur framledningstemperaturen på Västerås fjärrvärmenät varierade under maj till augusti. År 2015 är det underlag som legat till grund för den här rapporten då block 6 var under provdrift sommaren innan. Vid drift av absorptionskylanläggningar är det fördelaktigt med hög temperatur på drivvärmen, då det möjliggör en högre avkokning av det primära köldmediet. Gällande en rekommenderad temperaturnivå visade kunde forskare genom ett projekt från Fjärrsyn att det var möjligt att bibehålla avkylning av värmebäraren om cirka 10 C och kylmaskinens prestanda vid framledningstemperaturer ned till 70 C (Matrin and Udomsri, 2013). Senare undersökningar rekommenderar dock att framledningen håller en temperatur på åtminstone 75 C för att ge goda driftförutsättningar (Sagebrand, Walletun, and Zinko, 2015). I samtal med personal på Mälarenergi ansågs framledningstemperatur på drygt 75 C vara representativt för fjärrvärmenätet under sommartid. Senare simuleringar kommer utgå från medelvärdet 80 C.

19 FRAMLEDNINGSTEMPERATUR, BLANDNING [ C] Kapitel 3. Systemlösningar Anslutning på fjärrvärmenätet Principiellt sätt finns det två sätt att ansluta fjärrvärmedrivna absorptionskylmaskiner. De kan antingen anslutas enligt principen fram-fram (f-f) eller fram-retur(f-r). Bägge sätten påverkar systemet (fjärrvärmenät och kraftvärmeverket) i en negativ utsträckning (Zinko et al., 2004). Orsaken till det grundar sig i att absorptionskylmaskiner enbart kyler inkommande fjärrvärme med 5 till 10 C. Figur 3.2 visar en skiss över bägge inkopplingsprinciperna. AKM VV AKM VV FIGUR 3.2: Inkoppling fram-retur (väster) och fram-fram (höger) Vid anslutning enligt principen f-f kyls fjärrvärmen över maskinen generator för att sedan ledas tillbaka ut på fjärrvärmenätets framledning igen. Detta innebär att efterföljande kunder kommer att motta en fjärrvärme som är aningen avkyld. Hur stor avkylningen är beror på ett förhållande mellan kylmaskinens storlek och värmeflödet i ledningen. För att undersöka problematiken närmare skapades en enkel matematisk modell över en f-f-koppling där behovet av drivvärme för maskinen tilläts variera, samtidigt som värmeflödet i framledning hölls konstant. Figur 3.3 visar resultatet från beräkningar utförda under antagandet att inkommande fjärrvärme hade en temperatur på 80 C, och att temperaturfallet över generatorn var 10 C ,0% 2,0% 4,0% 6,0% 8,0% 10,0% 12,0% 14,0% VÄRMEFLÖDE AKM / VÄRMEFLÖDE FRAMLEDNING [KW/KW] FIGUR 3.3: Temperaturfall på framledning vid anslutning fram-fram Vad som går att se från Figur 3.3 är att redan vid maskinstorlek som motsvarar cirka 13% av framledningens totala värmeflöde har blandningstemperaturen, det vill säga framledningstemperaturen efter absorptionskylmaskin, sjunkit ned till 70 C. Orsaken är att absorptionskylmaskinen måste få all sin värme från en avkylning på 10 C. Det innebär att när maskinstorleken ökar i förhållande värmeflödet på framledningen ökar samtidigt volymflödet som måste gå över absorptionskylaren. Vid ett värmebehov som motsvarar cirka 13% av framledningens värmeflöde måste nästan all fjärrvärme gå över absorptionskylmaskinen för att tillfredsställa värmebehovet. Det resulterar då i en blandningstemperatur på 70 C efter kylmaskinen.

20 Kapitel 3. Systemlösningar 12 Det andra anslutningsalternativet är enligt principen f-r. Det innebär att fjärrvärmen som gått över absorptionskylmaskinen leds direkt till returledningen. Genom att avkylningen över en absorptionskylmaskinen är lägre än kunders varmvattensberedare (VV) medför kopplingen att temperaturen på den returnerade fjärrvärmen stiger. Konsekvenserna vid en sådan här inkoppling drabbar dock bara fjärrvärmeproducenten i form av; ökade värmeförluster över fjärrvärmenätet, minskad möjligheten att återvinna spillvärme samt en minskad möjlighet att utvinna energi vid rökgaskondensering (RGK) (Bjurström, Ingvarsson, and Zinko, 2010). Fallet går inte att tydliggöra grafiskt på samma vis som en f-f koppling, i och med att det kräver vetskap om hur mycket värme som överförs till kundens varmvattenberedare. Problematiken som redogjordes för i det har avsnittet är beroende av värmebehov/storlek på kylanläggningen. För individuella, småskaliga, absorptionskylmaskiner är påverkan på ett system av den storlek som återfinns i Västerås sannolikt inte märkbar. Däremot medför även inkoppling av många små maskiner enligt principen f-r i slutändan problematik med förhöjd fjärrvärmeretur. För Mälarenergis som har negativa produktionspriser för värmeproduktion under sommartid, och redan kyler fjärrvärmereturen på grund utav lastbegränsningar vid deras produktionsanläggning är detta något av ett ickeproblem. Det betyder däremot inte att problemet helt bör bortses ifrån vid planering av eventuella kylanläggningar. Ökad avkylning av drivvärme För att öka avkylningen över generatorer diskuterar (Zinko et al., 2004) möjligheten att överdimensionera värmeväxlarytorna i absorptionskylmaskinerna. I (Bjurström, Ingvarsson, and Zinko, 2010) presenteras ett antal tänkbara tekniska lösningar vid anslutning av fjärrvärmekunder som har absorptionskylmaskiner installerade. Lösningarna är framtagna för principen f-r. Vilket baserat på den litteratur som studeras under det här arbetet framstår som den inkopplingsalternativ, som på forskningsnivå, verkar vara det mest intressanta (Zinko et al., 2004; Matrin and Udomsri, 2013). Förslagen i arbetet är framlagda utan hänsyn till ekonomi. Nedan presenteras därför enbart det förslag som vid en översikt ansågs vara ekonomisk gångbart. AKM VV1 VV2 FIGUR 3.4: Inkoppling fram-retur med sekundär varmvattenberedare I Figur 3.4 syns en lösning där den utgående fjärrvärmen från absorptionskylmaskinen används för att värme vatten i en separat varmvattenberedare (VV2). På så vis skulle den primära varmvattenberedaren (VV1) kunna avlastas, samtidigt som temperaturen på fjärrvärmereturen sänkas. Om inte kunden inte är i behov av tappvarmvatten vid tillfället då absorptionskylmaskinen är i drift finns det möjlighet att föra flödet direkt till returledningen.

21 Kapitel 3. Systemlösningar Återkylning Absorptionskylmaskiner har två 1 stycken komponenter som kräver återkylning; kondensorn och absorbatorn. Hur återkylningen är löst spelar den mest avgörande rollen för hur väl absorptionskylmaskinen kommer att prestera (Sagebrand, Walletun, and Zinko, 2015; Matrin and Udomsri, 2013). Gällande både levererad kyleffekt och termisk/elektrisk verkningsgrad. Rent principiellt finns det finns det en mängd av olika möjligheter att lösa återkylning för absorptionskylmaskiner. Speciellt för de småskaliga anläggningsstorlekarna. Utgångspunkten för de förslag som presenteras här kommer att vara lösningar som diskuterats i IEAs Task 38 Subtask A. Då temperaturen på drivvärmen och anläggningsstorlekarna överensstämmer med de kylmaskiner som undersöks det här arbetet. Återkylningslösningarna som kommer att beröras här innefattar; öppna kyltorn enligt modellen evaporativa och torra, samt hybrida kyltorn (kombination av evaporativa och torra kyltorn). Metoder som inte kommer att behandlas är återkylning via markbundet vatten (aquifer), borrhål samt frikyla via vattendrag. Anledningen är att dessa alternativ inte kommer beröras är att det krävs speciella platsförhållanden. Nedan följer en beskrivning av vardera kyltornslösning utifrån (Task-38:A1, 2010). Öppet torrt kyltorn Torra kyltorn består i sitt normala utförande av en värmeväxlare (vatten till luft), fläktar samt ett hölje som omsluter kyltornet. Värmeväxlingen mot absorptionskylmaskinen sker indirekt, med en separat slinga för kyltornets köldbärare. Genom att värmeväxlingen sker mot utomhusluften är det inte möjligt att uppnå temperaturer som underskrider den rådande utomhustemperaturen. Ett typiskt värde för utgående köldbärare (från kyltornet) är 5 till 9 C över än den inkommande lufttemperaturen. Det finns torr återkylning även möjligheten att befukta inkommande luft för att förbättra kylförmåga. FIGUR 3.5: Principiell arbetsskiss för torr återkylning Fördelarna med den här typen av kyltorn är att de i jämförelse med öppna evaporativa kyltorn har förhållandevis låga drift- och underhållskostnader, samt att de i regel är enklare att installera. Vidare medför de inga hälsorisker i form av spridning av bakteriespridning med sin frånluft, som kan vara ett problem med öppna evaporativa kyltorn. Nackdelarna har delvis berörts i tidigare stycken; köldbärarens avkylning är förhållandevis låg och begränsas till stor del beroende av utomhustemperaturen. Investeringskostnaden för anläggningar av den här typen är högre än för öppna evaporativa kyltorn, och de har i regel en högre elanvändning för att driva kyltornsfäktarna. 1 Pumpar bortses

22 Kapitel 3. Systemlösningar 14 Öppet evaporativt kyltorn Ett alternativ till torra kyltorn är öppna evaporativa kyltorn. Principen med evaporativa kyltorn bygger på avkylningen genom förångning av vatten, och finns i utförandet öppna och slutna. Den senare av dem två kommer dock inte att behandlas här. Evaporativa kyltorn har högre kylförmåga än torra kyltorn. Den teoretiskt lägsta temperaturnivån som går att uppnå är mättnadslinjen för den inkommande luften. Kylningen av absorptionskylmaskinen sker likt fallet med torrt kyltorn i ett slutet system och indirekt kontakt med köldbäraren som går igenom kyltornet. Avkylningen av vattnet som går igenom kyltornet sker i form av ett öppet system. Skissen i Figur 3.6 visar en översiktlig bild av principen. FIGUR 3.6: Principiell arbetsskiss för evaporativ återkylning (DOE, 2016) Uppvärmt vattnet från värmeväxlingen i absorptionskylmaskinen sprutas in i kyltornet genom munstycken/dysor. Vattnet rinner sedan igenom en typ av packningar ned mot en cistern, samtidigt som det möts av utomhusluft. Den inkommande luften får delar av vattnet att förångas vilket medför en temperatursänkning. Nedkylningen av vattnet sker till ett område 4 till 8 C över den inkommande luftens daggpunkt. För att sätta detta i relation så har 25 C luft med en relativ fuktighet på 60% en daggpunkt på 16,7 C. Jämfört med torra kyltorn har evaporativa kyltorn framförallt en högre potentiell avkylning. Vidare så har anläggningarna av den här typen i regel en lägre investeringskostnad, och kan byggas mer kompakta. De har dock ett antal nackdelar inom områdena; hygien, ersättning av förångat vatten och förhöjda underhållskostnader i relation till torra kyltorn. Av de tre nämnda nackdelarna är risken för tillväxt av bakterier (framförallt legionella) det största problemet, och även den bidragande orsaken till de förhöjda underhållskostnaderna med öppna evaporativa kyltorn. Orsaken är att den fuktiga och tempererade miljön inuti kyltornet, tillsammans med slam som ansamlas från damm och partiklar i utomhusluften gör att bakterier kan frodas. Om inte underhållet av anläggningen sköts på ett korrekt sätt riskeras dessa bakterier spridas genom den utgående luften. Enligt undersökningar som utfördes i Task 38 Hygienic Aspect of Small Wet Cooling Towers blir det här sällan ett problem vid större installationer. Anledningen är att personal som sköter dessa anläggningar genomgått utbildning för underhåll av utrustningen. För småskaliga anläggningar kan detta enligt dem bli ett problem då det sannolikt finns brister i kompetens gällande skötsel och underhåll. I deras arbete framhåller dem ett automatiskt system som lyfter delar av underhållsarbetet från personal. De har i sitt arbete testat ett antal möjliga alternativ för att göra underhållet mer automatiskt. Metoderna kommer inte att redogöras för i detalj i den här rapporten utan sammanfattas genom deras rekommendationer. De framhåller en metod med koppar- och silverjonisering i vattnet. Rekommendationen grunder sig främst på den enkla installationen och förhållandevis låga investeringskostnader i jämförelse med andra alternativ, såsom UV-strålning. De framhåller dock att mer forskning och långvariga test inom området med ökat automatiskt underhålls krävs för att bestämma effektiviteten med metoderna (Task-38:C5, 2012).

23 RELATIV FUKTIGHET [%] LUFTTEMPERATUR [ C] Kapitel 3. Systemlösningar 15 Hybrida kyltorn Hybrida kyltorn kombinerar egenskaperna för evaporativa- och torra kyltorn. Vid kalla väderförhållanden så kan tornet köras som ett torrt kyltorn. Vid högre utomhustemperaturer finns det möjlighet att öka avkylningen genom att köra kyltornet i evaporativ drift. Genom att torra kyltorn har en indirekt värmeväxling mot luften och evaporativa en direkt värmeöverföring till utomhusluften krävs två skilda värmeväxlingssystem. Vilket medför ökade investeringskostnader. Fördelen är att kyltorn av denna typ i regel har lägre driftkostnader i förhållande till evaporativa kyltorn. Underhållskostnaderna är dock högre än för torra kyltorn, orsaken är att samma hygienaspekter som redogjordes för i avsnittet om evaporativa kyltorn måste tas hänsyn till. 3.4 Prestandajämförelse torr- och evaporativ återkylning För att bilda uppfattning hur väl de olika återkylningssystem skulle prestera utifrån de förhållanden som råder i Västerås studerades väderdata. Det som är intressant att studera är hur utomhustemperaturen och den relativa fuktigheten varierat. Figur 3.7 visar en sammanställning av väderdata för sommaren ,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0% 0, Relativ fuktighet [%] Lufttemperatur [ C] FIGUR 3.7: Utomhustemperatur och relativ fuktighet. Data 2013 (Mälarenergi, 2016b) Den relativa fuktigheten har i det här fallet varierat mellan ca 30 till 90 %. Under de varmaste dagarna ligger den relativa fuktigheten lågt. Detta är till fördel för de evaporativa kyltornen, då luften har möjlighet att ta upp större mängder vatten. Dygnets utomhustemperatur har under motsvarande period varierat mellan 5 till ungefär 30 C. För att få en uppfattning hur väl ett torrt respektive evaporativt kyltorn skulle prestera i sammanhanget gjordes uppskattningar baserade på de typiska värdarna som presenterades vardera kyltorns avsnitt. För att återkoppla var det mellan 5 till 9 C över lufttemperaturen för torra kyltorn och 4 till 8 C över luftens mättnadspunkt för evaporativa kyltorn. Vid prestandajämförelsen kommer medelvärdet för vardera alternativ att användas. Detta innebär 7 C över lufttemperaturen för torr återkylning och 6 C över utomhusluftens mättnadspunkt för evaporativ kylning.

24 TEMPERATUR, ÅTERKYLNING [ C] Kapitel 3. Systemlösningar 16 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Daggpunkt + 6 [ C] Lufttemperatur + 7 [ C] FIGUR 3.8: Prestandajämförelse evaporativ- och torr återkylning. Data 2013 Utifrån 3.8 syns det att ett torrt kyltorn har en högre förväntad temperatur efter återkylning jämfört med ett evaporativt kyltorn. För testanläggningen som nämndes under det inledande avsnittet om drivvärmen fann forskningsgruppen att det var kritiskt för kylmaskinens prestanda att återkylningen inte överskred 24 C (Matrin and Udomsri, 2013). Testerna genomfördes dock med drivvärmen tempererad till 70 C, vilket gör att det eventuellt kan finnas spelrum i dessa siffror, om drivvärmen håller en temperatur på 75 C. För jämförelse skulle ett evaporativt kyltornet ha möjlighet att uppfylla kravet på 24 C 100 % av tiden. Ett torrt kyltorn skulle uppfylla detta krav 60 % av tiden. Vad som bör nämnas är att dessa procenttal gäller för möjligheten att leverera en köldbärare som inte överskrider 24,0 C under dygnets alla timmar, i ett syfte se hur tekniken presterar till yttre förhållanden. För komfortkyla hade det varit mer verklighetstroget att enbart studera varma dagar under exempelvis kontorstid. Med andra ord de tidpunkter en kylmaskin kan förväntas vara i drift. Vilket innebär att de procentuella siffrorna som angavs för vardera system tidigare inte skall tolkas som en generell täckningsgrad för ett återkylningssystem.

25 17 Kapitel 4 Småskalig absorptionskyla Det här kapitlet berör de tillverkare av småskaliga som ansågs intressanta för det här arbetet. Tillverkarna är sammanställda utifrån två kriterium och är begränsade till att innefatta maskiner med kyleffekten mellan ungefär 10 till 250 kw. 4.1 Sammanställning av tillverkare Andelen företag som tillverkar småskaliga absorptionskylmaskiner är förhållandevis få om man jämför med tillverkare av storskaliga maskiner. Under arbetets gång påträffades heller inte någon klar definition vad som klassas som små- respektive storskalig maskinstorlek. För den här undersökningen ansattes dock en kyleffekt på drygt 200 kw som ett övre tak. För urvalet av tillverkare upprättades även två kriterier; 1. Systemet skall vara icke-experimentell tillgänglig på marknaden 2. Kylmaskinen skall ingå i en tillverkningsserie Baserat på kraven som nämndes ovan föll en stor del av maskinerna från kända tillverkare, såsom; Carrier, YORK, med flera bort. Främsta orsaken var att maskinstorlekarna vanligen låg på 300 kw kyleffekt som lägst. IEA har sammanställt ett antal tillverkare under för maskinstorlekar under 20kW (Task-38:A1, 2010). En senare sammanställning innehållande kylmaskiner med högre kyleffekt återfanns på (Task-48, 2015). Fjärrsyn har även sammanställt ett antal tillverkare för maskinstorlekar upp till 250 kw (Sagebrand, Walletun, and Zinko, 2015). De maskiner/tillverkare som ansågs intressanta för det här arbetet finns sammanställda i Tabell 4.1, nedan. TABELL 4.1: Tillverkare av småskaliga absorptionskylmaskiner <250kW Företag EAW Solarnext Yazaki PINK baelz Modell WEGRACAL PSC12 WFC PC19 Bee/Hummle Kyleffekt [kw] /160 Drivvärme [ C] Kyla ut/in [ C] 6/12 & 15/18 7/12,5 6/12 & 15/18 6/- & 16/- Arbetspar H 2 O/LiBr NH 3 /H 2 O H 2 O/LiBr NH 3 /H 2 O H 2 O/LiBr Datablad EAW Solarnext Yazaki PINK baelz

26 18 Kapitel 5 Teknisk modell och simuleringar Kommande avsnitt behandlar skapandeprocessen och de resultat som gavs från den tekniska simuleringsmodellen. Sammanställningen är gjort utifrån två stycken maskinstorlekar och ett antal olika konfigurationer av återkylningsystem och ackumulatorstorlekar. I kapitlet visas även exempel på de kunder från Västerås fjärrkylanät som används som underlag till simuleringar. 5.1 Övergripande metod och mjukvara Den ursprungliga tanken med simuleringarna var att skapa en modell där interna flöden och temperaturer kunde studeras, baserat på variationer av ytter parametrar som exempelvis; drivvärme, återkylning, kylbehov. En modell påbörjades i mjukvaran Ebsilon, men efter inledande arbetet lades idén åt sidan. Anledningen var att tiden det skulle ta att få en (väl)fungerande modell i Ebsilon bättre kunde nyttjas till en djupare analys på andra områden. Ett par enklare modeller skapades utifrån produktblad. Miljön som valdes för detta var Excel. Den slutliga modellen som skapades innehöll följande delar; Absorptionskylmaskiner i två storlekar Evaporativ- och torr återkylning Ackumulatortank av varierbar storlek 5.2 Nyckeltal för prestanda I Figur 5.1 visas en singel effect (SE) absorptionskylmaskin med ingående processteg. Det här avsnittet fokuserar på hur ett antal yttre parametrarna kan nyttjas för att teckna ett antal samband/nyckeltal för absorptionskylmaskinens prestanda. Sambanden som kommer att presenteras utgår, om inget annat specificeras från den tidigare nämnda figuren. Utgångspunkten för sambanden som kommer att presenteras bygger på (SoCalGas, 1998; Bjurström, Ingvarsson, and Zinko, 2010). För den intresserade läsaren, som önskar fördjupa sina kunskaper inom absorptionskyla kan de två tidigare givna referenserna rekommenderas. En absorptionskylmaskin måste, som tidigare redogjort för i Kapitel 3, ha extern återkylning för att leverera kyla på ett hållbart sätt. Utgående från en energibalans över de komponenter som ingår i Figur 5.1 kan ett samband för hur mycket återkylning, Q kyla, som krävs tecknas. I ekvation 5.2 avser COP th den termiska verkningsgraden (kw-kyl/kw-värme) för absorptionskylmaskinen. Vid beräkning behandlas generellt inte den energi som tillförs via absorptionskylmaskinens cirkulationspump (steg 1 till 2). Orsaken är den att energin är försumbar i förhållande till övriga energiflöden.

27 Kapitel 5. Teknisk modell och simuleringar 19 Q C Q G P 1 Kondensor 7 Generator Högt tryck Värmeväxlare 5 Lågt tryck P 0 Evaporator 10 Absorbator Q E Q A T 0 T 1 T 2 FIGUR 5.1: Arbetskiss med processteg för absorptionskylmaskin Q G (1 + COP th ) = Q A + Q C }{{} Q kyla (5.1) Vid drift ligger den termiska verkningsgraden inom området 0,5 till 0,8 för SE-maskiner (Flores, Román, and Alpírez, 2014). Det är framförallt beroende på arbetspar och det temperaturområde som prestandan varierar. För att minimera andelen värme som måste tillföras och kylas bort är värmeväxlingen som sker mellan strömmarna 2 till 3 och 4 till 5 viktig. Den termiska verkningsgraden som diskuterades i föregående stycke ses i Ekvation 5.2. COP th = Q E Q G (5.2) För jämförelse mot andra typer av kylmaskiner är det av intresse att veta den elektriska verkningsgraden COP el. Vad det sambandet beskriver är hur mycket el som måste tillföras för att utvinna en enhet kyla (kw-kyla/kw-el). COP el = Q E W HT + W MT + W LT + W torn (5.3) I ekvationen ovan avser de olika indexeringarna HT, MT och LT arbete vid olika temperaturnivåer. Förklarat utifrån Figur 5.1 avser; Högtemperatur (HT) arbetet med att driva den interna cirkulationspumpen, steg 1 till 2. Medeltemperatur (MT) avser pumparbete med återkylningskretsen. Den omfattar absorbatorn och kondensorn. Vanligen är kretsen seriekopplad med absorbatorn först. Lågtemperatur (LT) avser arbete med att driva köldbärarkretsen som går via evaporatorn. I de fall som en ackumulator simuleras faller den under LT. Torn avser fläktarbete för kyltornet.

28 LEVERERAD KYLA [Wh] Kapitel 5. Teknisk modell och simuleringar Kundunderlag Som underlag för kunders kylbehov nyttjades data från ett antal lokaler på Västerås fjärrkylanät. Data som fanns tillgängligt hade en tidupplösning på en timme, och omfattar i huvudsak affärs- och kontorslokaler. Genom att fjärrkylanätet är begränsat till de centrala delarna i Västerås fanns det inte möjlighet att få kundunderlag från exempelvis större elektronikhandel, som genom stor andel värmeavgivande utrustning och belysning, sannolikt hade varit en intressant kundtyp att undersöka närmare. Medelvärde jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Kontor 1 Kontor 2 Galleria 1 Kontor/affärer 1 Kontor/affärer 2 Kontor 3 Kontor 4 Galleria 2 Kontor/affärer 3 Bostad FIGUR 5.2: Normaliserat kylbehov för fjärrkylakunder i Västerås. Data 2013 Figur 5.2 visar månadsvis fördelningen av kylleveransen till tio stycken olika fastigheter i Västerås. Anledning till att 2013 valdes som referensår var att det från en tidigare utredning på Mälarenergi ansågs ha vara ett "normalår" på fjärrkylanätet. Samt att mätdata innehöll mindre andel mätfel än de andra perioderna som undersöktes. I figuren lämnades den vertikala axel medvetet ograderad på grund utav kundsäkerhet. Data är även justerat (normaliserat) så att det maximala timvärdet är detsamma för samtliga lokaler. Detta för att lättare kunna jämföra kunder sinsemellan och på så vis kunna urskilja en trend. Det framgår att det största kylbehovet uppstår under månaderna maj till september. Det går även att se hur samtliga lokaler har ett basbehov av kyla. Lokalerna Kontor 1- och 2, samt Galleria 2 sticker ut från mängden, genom att ha ett förhållandevis högt basbehov. Förvånansvärt visar även lokalen Bostad (bostadsrättsförening) ett jämförelsevis högt basbehov. Genom att det underlag som fanns tillgänglig från fjärrkylanätet är sammanställd utifrån fastighet och inte verksamhet är det svårt att säga vad som är den bidragande orsaken till att just dessa lokaler skiljer sig från de övriga. Det går att spekulera i faktorer som byggnadsplacering, internlast och eventuellt dålig styrning av deras egen kylutrustning. Lokaler med ett högre basbehov är sannolikt inte aktuella för fjärrvärmedriven kyla. Anledningen är att fjärrvärme inte kan erbjudas ett lågt pris utanför sommarmånaderna, och därmed skulle leda till förhöjda driftkostnader för en absorptionskylmaskin. De lokaler som inte hade ett förhöjt basbehov hade samtliga ett basbehov som motsvarade cirka 25 till 50 % av det maximala kylbehovet. Det är möjligt att även dessa lokaler kan vara i behov av extra kyla även vintertid. Stor del kan sannolikt täckas genom en separat kylkrets. I samtal med försäljare är det vanligt att kylanläggningar installeras med en separat kylkrets som har möjlighet att gå via frikyla när utomhustemperaturen ligger i nivå med utgående köldbärare (Björklund, 2016). För ett vattenburet system som arbetar med en utgående temperatur på cirka 6 C kan en avlastning mot frikyla börja ske när utomhustemperaturen ligger i området 7 till 8 C.

29 KYLLEVERANS [kwh/h] Kapitel 5. Teknisk modell och simuleringar Referenslokal Lokalen som användes som underlag vid simulering var lokalen Kontor/affärer 1. Se Figur 5.2 för behovsprofil. Enheten kwh/h kommer att användas när data för kunder presenteras/diskuteras då det saknas information om momentant levererad kyleffekt. Lokalerna Galleria och Kontor 3 simulerades också under arbetets gång. Resultaten ansågs dock bli missvisande på grund utav att det ursprungliga (icke nedskalade) kylbehovet vid tidpunkter låg över 500 kwh/h. När kylbehovet skalades ned till det effektområde som skulle simuleras skapades segment då kylbehovet låg under 500 Wh/h. Det ansågs inte vara representativt för en lokal. Perioden som valdes att studeras närmare var de månader som kunderna frångick sitt basbehov. Från Figur 5.2 framgår perioden maj till och med september. I flytande text kommer de perioden att refereras till som sommar. I huvudsak förmodas det ökade kylleveransen till lokalen vara orsakat av ett ökat behov av komfortkyla. För lokalen kontor/affär var högsta uppmätta kylleveransen 70 kwh/h. Det fanns inte möjlighet att se hur kunden upplevt att kylleveransen fungerat. Det vill säga om den var tillfredsställande eller inte. Det anses dock som en rimlig antagande att kylleveransen varit tillfredsställande, då varaktigheten för maximal kylleverans (70 kwh/h) sannolikt varit högre om systemet i allt för stor utsträckning hade bottnat. 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, VARAKTIGHET [h] FIGUR 5.3: Varaktighet kylleverans för referenskund. Data maj-sep, 2013 till 2015 Upplösningen för kylleveranserna ligger i det fall som presenteras i Figur 5.3 på hela tiotal. Det bidrar till fördelningen får ett trappstegsliknande utseende. Totalt innefattade det data som presenterades i Figur 5.3 tre somrar (maj till och med september) för åren 2013 till Ett undantag gäller för 2015 där data för september månad inte fanns tillgängligt. Tabell 5.1 visar en sammanställning av varaktigheten för de olika kylleveranserna per sommar och hela perioden. TABELL 5.1: Kylbehov för referenskund. Data maj till september Kylbehov [kwh/h] ,7 % 62,8 % 80,4 % 90,0 % 96,5 % 99,6 % 100 % 100 % ,0 % 56,3 % 82,1 % 88,5 % 92,4 % 95,6 % 98,4 % 100 % 2015* 15,6 % 69,0 % 86,7 % 93,6 % 97,8 % 99,4 % 99,9 % 100 % ,1 % 62,2 % 82,8 % 90,5 % 95,4 % 98,1 % 99,4 % 100 % *Inkluderar inte data för september månad

30 Kapitel 5. Teknisk modell och simuleringar 22 Från Tabell 5.1 går det tydligare att se hur antalet timmar med topplast (70 kwh/h) är få. Informationen i tabellen går även att tolka som en täckningsgrad om en maskin hade varit dimensionerad enligt tabellens översta rad. Det under förutsättningen att återkylningen tillåts fungera obehindrat vid högre utomhustemperaturer. En diskussion som förts under projektets gång är hur kylmaskinens storlek skall vara anpassad mot lokalens (maximala) kylbehov. Det vill säga till vilken grad lokalens kylbehov ska/bör det täckas in. Det hela blir i slutändan att finna en balans mellan en ökad investeringskostnad och vilket krav som kunden ställer på lokalens komfort. Det är inte möjligt att ge ett generellt svar på den här frågan, utan är något som måste som vägas från fall till fall. Det går exempelvis kanske inte att kompromissa kylleverans till lokal som förvarar färskvaror, medan en bostad eventuellt kan tolerera att lokalen frångår deras krav på lokalkomfort under årets absolut varmaste dagar. 5.5 Simuleringsmodell Bland de fem tillverkare som nämndes i Tabell 4.1 valdes simuleringsmodellen att skapas utgående från Yazakis maskiner. Anledningen var att maskinerna har en vid spridning i kyleffekter (18 till 176 kw) och data gällande maskinerna prestanda fanns lättillgängligt. Vidare fanns testanläggningar från tillverkare utvärderade av EIA vilket kan agera som en ungefärlig referens vid beräkning (Task-38:A3b, 2012). Främst orsaken till att inga av de övriga maskinerna kunde simulerades var avsaknad på fullständigt datablad, och att data inte sällan bara fanns tillgängligt på tyska. Bazels kylmaskiner (Bee och Bumblebee) ansågs speciellt intressanta och tillverkaren kontaktades för tydliggörande gällande teknisk data. Dessvärre erhölls svar inte i tillräcklig tid för att skapa en simuleringsmodell som kunde inkluderas arbetet. Termisk prestanda och levererad kyla Yazakis WFC-serie (Water fiered chillers) som är absorptionskylmaskiner med kyleffekt från ca 18 till 180 kw. Här kommer principen som användes för att simulera en av deras kylmaskiner, SC5, att beskrivas. Modellen SC5 är en småskalig absorptionskylare med en nominell kyleffekt på 17,6 kw. Driftintervallet för maskinen är mellan 70 till 95 C och specifikationerna som är angivna på tillverkarens datablad gäller för leverans av kyla med temperaturen 7/12,5 C (ut/in). Maskinen arbetar med vatten/libr som arbetspar. För att skapa modellen över kylmaskinen nyttjades graferna i Figur 5.4 och 5.5 Kurvorna är skapade utifrån data som återfinns på tillverkarens hemsida. Se länk i Tabell 4.1. Tillvägagångssättet var att; 1. Baserat på utomhustemperaturen (och relativ fuktighet vid evaporativ kylning) kontrollera vad återkylningen hade möjlighet att leverera för temperatur, Figur Kontrollera vilken temperatur på drivvärmen som skulle krävas för att uppnå den önskade kyleffekten, Figur Utifrån temperaturen på drivvärmen som gavs erhålls hur mycket värme som skulle krävas för att leverera kyleffekten, Figur 5.5

31 TILLFÖRD DRIVVÄME [KW] KYLEFFEKT [KW] Kapitel 5. Teknisk modell och simuleringar TEMPERATUR DRIVVÄRME [ C] 27 C 29,5 C 31 C 32 C Nominell FIGUR 5.4: Prestandakurva för Yazaki SC5. Drivvärmestemperatur/kyleffekt (Yazaki, 2015) TEMPERATUR DRIVVÄRME [ C] 27 C 29,5 C 31 C 32 C Nominell FIGUR 5.5: Prestandakurva för Yazaki SC5. Drivvärmestemperatur/tillförd värme (Yazaki, 2015) I de fall då kyleffekten underskrider exempelvis kurvan för 27 C återkylning går den vidare till den första kurvan den "träffar", enligt Figur 5.4. Det blir således temperaturen på drivvärmen och återkylningen som varieras under simuleringen. I ett verkligt scenario hade det varit flödet som varierades under drift. Det fanns dock inte specificerat hur en sådan reglering skedde, så detta tillvägagångssätt valdes. Vid simuleringen gjordes ett antal antaganden; Drivvärmen ligger inom temperaturintervallet 70 till 80 C Evaporativ återkylning ger en temperatur 6 C över utomhusluftens daggpunkt Torr återkylning ger en temperatur 7 C över utomhusluftens temperatur Om återkylningen överstiger 32 C fortsätter maskinen gå på minimal kyleffekt Uppstart, värmeöverföring och lagring i ackumulatorn sker förlustfritt

32 LEVERERAD KYLA [kw] UTOMHUSTEMPERATUR [ C] Kapitel 5. Teknisk modell och simuleringar 24 Elektrisk verkningsgrad Att göra en uppskattning för kylmaskinens elanvändning är komplicerat. Genom att det är flera delar som samverkar, såsom; kyltornsfläktar och diverse cirkulationspumpar. Den uppskattning som är genomförd här utgår från datablad, uppmätta värden från försöksanläggningar, kontakt med leverantörer och uppskattade siffror från tidigare arbeten. TABELL 5.2: Genomsnittlig effekt vid beräkning av elektrisk COP Fläkt evap. kyltorn Fläkt torrt kyltorn Pump MT Pump HT Pump LT 25 W-el/kW-återkyl 45 W-el/kW-återkyl 380 W 48 W 100 W Fläktarbetet för det evaporativa kyltornet ansattes baserat på data för MITAs PSM-serie vilket har. Kyltornet i fråga var då ett ett evaporativt kyltorn med kyleffekt på 43 kw och fläktarbete på 1,1 kw (Skoog, 2016). Det fanns inte tillgång till diagram för hur fläktarbetet varierade beroende på last. För att kunna genomföra simuleringarna även vid dellastförhållanden gjordes förenklingen att fläktarbetet och återkylning att följa ett linjärt samband. Det vill säga att förhållandet el/återkylning är oförändrat med kyltornet effekt. Det är en grov uppskattning och resulterade i ett värde på 25 W-el/kW-återkylning. För torr återkylning ansattes ett fläktarbetet på 45 W-el/kW-återkylning. Värdet är enligt tidigare förstudier ett vanligt värde för den typen av återkylningslösning. I rapporten omnämns även 25 W-el/kW-återkylning som ett vanligt värde vid evaporativ kylning (Sagebrand, Walletun, and Zinko, 2015). Pumparbetet är för mellan- och lågtemperatur beräknade från angivna volymflöden i absorptionskylmaskinens datablad och antagna värden på tryckökningar över pumparna. Effekten för den interna cirkulationspumpen fanns angivet i databladet, se Tabell Simuleringsresultat Diagrammen som presenteras i det här avsnittet gäller för en Yazakis WFC-SC5 (17,6 kw) och perioden maj till september Konfigurationen inkluderar även en ackumulatortank på 25 kwh och presenteras för både en torr- och evaporativ återkylningslösning. En sammanfattning av intressant data från simuleringar finns sammanställt i Tabell 5.3 i slutet av det här avsnittet. Där återfinns även resultat från simuleringar utförda utan ackumulatortank och en maskinstorlek på 70,7 kw. 35,00 30,00 35,0 30,0 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,00 0, Kyllager, ackumulator [kwh] Levererad kyla[kw] kylbehov [kw] Lufttemperatur [ C] FIGUR 5.6: Simuleringsresultat för Yazaki SC5. Evaporativ återkylning.

33 LEVERERAD KYLA [kw] UTOMHUSTEMPERATUR [ C] Kapitel 5. Teknisk modell och simuleringar 25 Utdraget i Figur 5.6 gäller för ett antal varma dagar i augusti. Anledningen till att dessa dagar valdes att presenteras ligger i att utomhustemperaturen legat i ett område där användningen av torr återkylning ger en synlig inverkan på kylmaskinens förmåga att leverera sin maximala kyleffekt jämfört med evaporativ återkylning. I figurerna visar inte levererade kyla (röd linje) kylleveransen till ackumulatorn. Orsaken är att det gjorde figurerna svårtolkade. Vid prestandaberäkningar tas dessa energibehovet givetvis hänsyn till. Gällande simuleringsmodellens arbetssätt så ligger prioriteringen i första hand på att förse lokalen med det kylbehov den efterfrågar. Ligger kylbehovet under maskinens maximala kyleffekt laddas ackumulatorn med mellanskillnaden. Vid simulering skedde ingen reglering av kylmaskinens effektleverans till ackumulatorn utöver den maximala kyleffekten som maskinen klarar av att leverera. Ett tänkbart alternativ vid verklig drift hade varit att låta maskinen gå på dellast vid uppladdning för att minska antalet uppstarter. På det viset skulle eventuella uppstartsförluster kunnat minimeras. Genom att uppstartsförlusterna försummades i de här beräkningarna så skapades ingen sådan reglering. 35,00 35,0 30,00 30,0 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,00 0, Kyllager, ackumulator [kwh] Levererad kyla[kw] kylbehov [kw] Lufttemperatur [ C] FIGUR 5.7: Simulering av Yazaki SC5. Torr återkylning. Figur 5.7 visar ett utdrag från samma period som 5.6 fast i detta fall med torr återkylning. Jämförs figurerna sinsemellan framgår det att kylmaskinen tvingas sänka den levererade kyleffekten vid tillfällen då utomhustemperaturen når ett område där torra återkylning inte förmår att återkyla maskinen i tillräckligt hög grad. Exempel på detta kan ses dagtid den 2/8 och 3/8. I slutändan medför det här en försämrad täckningsgrad. FIGUR 5.8: Elanvändning vid simulering Yazaki SC5. Maj till september Vänster: Evaporativ återkylning. Höger: Torr återkylning.