värmeväxlare avloppsåtervinning Vasagatan 7 Stockholm Utarbetad av Jörgen Wallin, Energum energipartner AB Stockholm,
Beställargruppen lokaler, BELOK, är ett samarbete mellan Energimyndigheten och Sveriges största fastighetsägare med inriktning på kommersiella lokaler. BELOK initierades 2 av Energimyndigheten och gruppen driver idag olika utvecklingsprojekt med inriktning mot energieffektivitet och miljöfrågor. Gruppens målsättning är att energieffektiva system, produkter och metoder tidigare skall komma ut på marknaden. Utvecklingsprojekten syftar till att effektivisera energianvändningen samtidigt som funktion och komfort förbättras. Gruppens medlemsföretag är: AMF Fastigheter Akademiska Hus Castellum/Corallen Fabege Fastighetskontoret Stockholms stad Fortifikationsverket Hufvudstaden Jernhusen Locum Lokalförvaltningen - LF Malmö Stad Serviceförvaltningen Midroc Skandia fastigheter (f.d. Diligentia) Skolfastigheter i Stockholm - SISAB Specialfastigheter Statens Fastighetsverk Swedavia Vasakronan Västfastigheter Till gruppen är även knutna: Statens Energimyndighet Boverket Byggherrarna CIT Energy Management 2()
Vasagatan 7 Stockholm Utökad studie av effektivitet för avloppsåtervinningsvärmeväxlare Inledning En tidigare studie av den testinstallation av avloppsvärmeväxlare som utfördes visade att med en 6 meter lång värmeväxlare av den modellen som installerades hade förmåga att återvinna 26.7 % av den teoretiskt möjliga värmen från avloppsvattnet. Efter utvärdering av testinstallationen beslutade Vasakronan att permanent installera ett system med dubbelt så lång (2 m) värmeväxlare. Den återvunna värmen från avloppsvattnen distribueras vidare till byggandens värmesystem med en värmepump. Installationen har väckt intresse hos branschen och eftersom information om denna typ av installation delvis saknas, utförs en fortsatt utredning och analys av effektivitet och långtidseffekter för denna värmeväxlare. Utredningen utförs på uppdrag av Belok. Beskrivning av uppdraget Projektet utförs genom att mäta på värmeväxlaren efter att den anslutits till återvinningsvärmepumpens kylmedelsida. Återvinningssystemet instrumenteras upp så att kontinuerlig mätning kan ske under ca 4 månaders tid. Data för kylvattenflöde och temperaturer samt avloppsvattnets inlopp och utloppstemperaturer mäts. När data insamlats, analyserades värmeväxlarens kapacitet och långtidseffekter utvärderade. I projektet har följande arbetsmoment utförts: Mätning och loggning av kylvattenflöde under ca fyra månaders tid Mätning och loggning av temperatur på avloppsvatten till och från värmeväxlaren under ca fyra månaders tid Mätning och loggning av temperatur på kylvatten till och från de båda värmeväxlarna under ca fyra månaders tid Databehandling och analyser samt effektivitetsberäkningar Sammanfattande av resultat i skriftlig rapport Projektbegränsningar I projektet installerades även tempgivare inuti värmeväxlaren för att mäta temperaturfallet längs värmeväxlarens längd. Tempgivarna demonterades dock tidigt i projektet då man fick indikation om att tempgivarna potentiellt kunde göra så att det blev stopp i röret. Inga mätningar från dessa tempgivare finns således med i analysen. 3()
. Systembeskrivning Två värmeväxlare som vardera är 6 meter lång har monterats på spillvattenledningen i garaget på Vasagatan 7. Värmeväxlarna är tillverkad i rostfritt stål. Enligt uppgift från installatören har värmeväxlaren en patentsökt konstruktion där röret pressats för att få en struktur som gör att avloppsvattnet får en turbulent karaktär. Figur visar hur värmeväxlaren ser ut. Figur - Skiss av värmeväxlarens konstruktion (Källa: www.spuab.se) Värmeväxlarna är monterade under nivån för den ordinarie avloppsledningen. Således kommer värmeväxlarna konstant att vara fyllda med vatten. Figur 2 visar hur värmeväxlarna har installerats. Första Avloppsvärmeväxlaren Andra Avloppsvärmeväxlaren Figur 2 - Skiss värmeväxlarinstallation Effektivitetsanalys Mätvärdesinsamling utfördes under ca fyra månaders tid med en minuts intervall där mätloggers levererar medelvärdet under den loggade minuten. Mätdatat efterbehandlas genom att medelvärden per timme skapas för att reducera effekter av trögheter i mätsystemet. Olika intressanta effektivitetsmått har analyserats 4()
Avloppsflöde [l/s] Effectiveness [-] Utökad studie av effektivitet för att få en beskrivande bild av hur växlarens maximala prestanda i systemet. Analyserna har gjorts utgår ifrån den injustering som installatören gjort. I Figur 3 till visas resultatet av dessa analyser. Värmeväxlare Effectiveness 9 8 7 6 4 3 2.9.8.7.6..4.3.2. Avloppsflöde Effectiveness Figur 3 - Effectiveness och avloppsflöde Värmeväxlarens effectiveness beskriver hur effektiv värmeväxlaren är i den installation med de förutsättningar som systemet har (flöden och temperatur). Med andra ord så beskriver effectiveness det nuvarande systemets återvinningsgrad. Detta värde har inget med vad systemet maximala prestanda är. Systemets medeleffectiveness under perioden är ca 38%. Värmeväxlarens effectiveness beräknas som: ε = q q max Där q är den faktiskt uppmätta återvinningseffekten och qmax är den teoretiskt maximala återvinningseffekten för systemet, dvs: q max = C min (T Varm.in T Kall.in ) Där Cmin (m C p ) är den lägsta värmekapaciteten vid varje tidpunkt för en av de båda fluiderna i systemet, dvs. antingen den varma eller kalla sidan av värmeväxlaren. I detta system så kan man anse att den specifika värmekapaciteten (Cp) är ungefär samma på båda sidor av värmeväxlaren vilket innebär att Cmin är till största delen är beroende av flödet. I detta system så kommer Cmin att variera mellan kalla och varma sidan. ()
Avloppsflöde [l/s] Värmeåtervinningsgrad [-] Utökad studie av effektivitet Man kan tänka sig att jämföra detta mått med hur mycket som skulle vara teoretiskt möjligt där man endast är begränsad av den inkommande kylmedelstemperaturen. Dvs om avloppssidan hela tiden skulle vara ha det lägsta flödet. Det skulle ge en verkningsgrad som beräknas som: η = q m avlopp C p (T avloppin T kylmedelin ) Figur 4 visar hur återvinningsgraden ser ut för ett sådant fall. Värmeåtervinningsgrad 9 8 7 6 4 3 2.9.8.7.6..4.3.2. Avloppsflöde Återvinningsgrad Figur 4 - Återvinningsgrad och flöde på avloppsvatten Om man jämför utfallet i Figur 3 och 4 kan man se att återvinningsgraden är lägre än systemets effektivitet (effectiveness) under vissa tider vilket visar att avloppsflödet är högre än kylflödet vid dessa tidpunkter. På det hela taget är återvinningsgraden lägre än systemets effektivitet. Medelåtervinningsgraden beräknat på detta sätt uppgår till ca 29 % under analysperioden. Ett annat mått på prestanda som kan användas är hur stor del av det som är möjligt enligt de regler som finns för avloppsvatten. Stockholm Vattens regelverk säger att man inte får har en lägre avloppstemperatur än temperaturen på inkommande kallvatten till huset. Temperaturen på inkommande kallvatten varierar med utomhustemperaturen och således torde den tillåtna temperaturen på avloppsvattnet variera över året. I denna analys har en årsmedeltemperatur om 8 C använts som prestandamått. Om man då anser att systemet inte får ha en avloppstemperatur lägre än 8 C så ser återvinningsgraden ut enligt Figur. 6()
Avloppsflöde [l/s] Värmeåtervinningseffekt [kw] Avloppsflöde [l/s] Värmeåtervinningsgrad [-] Utökad studie av effektivitet Värmeåtervinningsgrad 8 grader avloppstemperatur 9 8 7 6 4 3 2.9.8.7.6..4.3.2. Avloppsflöde Återvinningsgrad Figur Återvinningsgrad om lägsta möjliga avloppstemperatur är 8 C På årsbasis blir då återvinningsgraden även här ca 29 %. Återvunnen effekt är även det intressant för att ge en bild om storleken på den återvunna värmen. I Figur 6 visas hur effekten på den återvunna värmen ändras med flödet i avloppet. Återvinningseffekt 9 8 7 6 4 3 2 4 3 3 2 2 Avloppsflöde Återvinningseffekt Figur 6 - Effekt på återvunnen värme 7()
Avloppstemperatur [ C] Värmeåtervinningseffekt [kw] Utökad studie av effektivitet Under analystiden så kommer man maximalt upp i en återvunnen medeleffekt/timme på 34.8 kwh/h, tillgängligt i avloppet finns under det tillfället 8.3 kw, eller 29 % av det tillgängliga. Tittar man på när avloppsflödet är lågt så återvinner man i stort sett allt som finns tillgängligt, så avloppsflödet påverkar i stor utsträckning hur mycket som kan återvinnas. Medeleffekten under mätperioden var 2.2 kw. Temperaturnivåer på avloppsvatten och kylvatten är intressanta när man analyserar potential och effektivitet i en anläggning för återvinning av värme från avloppsvatten. I Figur 7 visas hur temperaturen ser ut på avloppsvattensidan. 3 Avloppstemperaturer och Återvinningseffekt 7 3 2 2 6 4 3 2 Avloppstemperatur in Avloppstemperatur ut Återvinningseffekt Figur 7 - Temperaturer avloppsvatten och återvinningseffekt Temperaturen på avloppsvattnet går lite upp och ner under perioden, toppnoteringen är 3.9 C klockan 3: en söndagsmorgon. Lägsta temperaturen som registrerats ut ur växlaren är 7.2 C som uppkommer under en period med obefintligt avloppsflöde. Medeltemperaturen på avloppsvattnet innan värmeväxlaren var 22.3 C och efter värmeväxlingen 6. C. Även temperaturen på kylmedlet (värmebäraren) till avloppsvärmeväxlaren är av intresse eftersom den påverkar möjligheten att återvinna energin. I Figur 8 visas hur kylmedlets temperatur varierar över mätperioden. 8()
Kylmedelstemperatur [ C] Värmeåtervinningseffekt [kw] Utökad studie av effektivitet Kylmedelstemperaturer och Återvinningseffekt 2 2 9 8 7 6 4 3 2 Kylmedelstemperatur in Kylmedelstemperatur ut Återvinningseffekt Figur 8 - Temperaturer kylvatten till avloppsvärmeväxlare samt återvinningseffekt Temperaturen på kylmedlet till återvinningsväxlaren varierade i början av perioden men därefter har temperaturen varit mera konstant på runt 7 C. I slutet på analysperioden har en ny nivå antagits runt C. Mätningar av hur den återvunna energin fördelar sig mellan de två värmeväxlarna som är kopplade i serie är har utförts för att få en bild av hur mycket anläggningen förbättrats jämfört med testinstallationen som utfördes med halva värmeväxlarytan. Tabell Analys av fördelning av återvunnen energi Återvunnet första vvx Återvunnet andra vvx Återvunnet totalt 2234.9 483.3 378.3 64% 36% % Årligt återvunnet första vvx Årligt återvunnet andra vvx Årligt återvunnet totalt 67.99 38.9 6.8 Den första värmeväxlaren definierad som den värmeväxlaren som möter avloppsvattnet först. Dvs, den som får det varmaste avloppsvattnet. I analysen av testinstallationen så uppskattades årlig återvinning med en 6 meter lång värmeväxlare till ca 7 MWh årligen. Det ligger i nivå med vad man får ut ur den första värmeväxlaren som är samma värmeväxlare som användes i testinstallationen. Det är dock tydligt att tillskottet av sektion nummer två inte är lika lönsam då ökningen av återvinningen är 38.6 MWh för den delen. 9()
Analys av långtidseffekter Efter testperioden som genomfördes under ca 6-7 månader monterades värmeväxlaren ned för inspektion och rengöring. Värmeväxlaren var vid det tillfället kraftigt försmutsad. Figur 9 visar hur värmeväxlarens status var efter testperioden slut och hur en rengjord växlare ser ut. Figur 9 Värmeväxlaren i rengjort skick (bild t.v.) och skick efter 6-7 månaders drift (bild t.h.) Från Figur 9 kan man se att i detta fall har värmeväxlaren blivit kraftigt belagd vilket påverkar prestandan. Vasakronan har angett att en av troliga orsaker till den kraftiga beläggning kan bero på att restaurangernas fettavskiljare inte fungerat optimalt under perioden samt att fallet på värmeväxlaren inte varit tillräcklig. Med bakgrund av den identifierade försmutsningen under testperioden så har det varit av största intresse att utvärdera hur prestandan för växlaren är över tid. Tabell 2 beskriver hur återvinngen sett ut över tid. Tabell 2 Återvunnen energi, tillgänglig energi, återvinningsgrad och avloppsflöde per månad Tillgängligt December [kwh] Återvunnet [kwh] VÅV grad system (effectiveness) Medel Avloppsflöde [l/s] 27698.8 6.87.38.7 Tillgängligt Januari [kwh] Återvunnet [kwh] VÅV grad system (effectiveness) Medel Avloppsflöde [l/s] 272.9 88.9.4.9 Tillgängligt Februari [kwh] Återvunnet [kwh] VÅV grad system (effectiveness) Medel Avloppsflöde [l/s] 9382. 74.73.37.76 ()
Avloppsflöde [l/s] Värmeåtervinningsgrad[-] Utökad studie av effektivitet Utifrån återvunnen energi i systemet kan man inte identifiera någon signifikant försämring av prestandan hos växlaren. I Figur nedan så jämförs lite mer är dag tidigt, mitt i och sent i mätperioden för att se hur återvinningsgraden utvecklas över tid. Värmeåtervinningsgrad vid olika tidpunkter 4. 4 3..8.6.4 3 2. 2...2 -.2 -.4 -.6 -.8 - Avloppsflöde Tidig Avloppsflöde Mellan Avloppsflöde Sen VÅV Tidig (64-62) VÅV Mellan (79-7) VÅV Sen (722-7226) Figur Jämförelse mellan återvinningsgrad vid samma veckodagar under tre olika perioder Inte heller i denna figur kan man urskilja något tydligt tecken på att prestandan försämrats över tid. ()
Återvinningsanalys Den årliga återvinningen för avloppsåtervinningssystemet och även det totala systemet med värmeåtervinning från kyla och avlopp har analyserats för att få en bild över systemets förutsättning. I Tabell 3 visas hur den årliga återvinningen ser ut för de olika delarna av systemet. Årlig återvinning ur avlopp [MWh] Årlig lev. Värme från avlopp [MWh] Tabell 3 - Årlig återvinning för systemets olika delar Årlig återvinning ur kyla [MWh] Årlig återvinning Totalt [MWh] COP kyla 6.6 247.3 33.9 2.4 Årlig lev. Värme från kyla Årlig lev. Värme Totalt [MWh] [MWh] COP värme.3 348.6 498.9 3.4 Årlig återvinning ur avlopp Elkostnad VP återvinning ur avlopp Årlig återvinning ur kyla Årlig återvinning Totalt Medelkostnad värme [kr/mwh] 8262.7 9789.8 28382. 8 Elkostnad VP återvinning Elkostnad VP ur kyla återvinning Totalt Kostnadsökning VP återvinning ur avlopp Medelkostnad el VP [kr/mwh] 43678.2 338.6 46.8 Kostnadsökning VP Kostnadsökning VP återvinning ur kyla återvinning Totalt Nettobesparing återvinning ur avlopp Kostnadsökning el VP [kr/mwh] 873.6 2267.7 293.4 2 Nettobesparing Nettobesparing återvinning ur kyla återvinning Totalt Medelvärde återvinning [kr/mwh] 7627. 772. 2479.2 9.3 Beräkningen för årlig återvinning är utförd med antagandet att medelåtervinningen under mätperioden är den samma som medelåtervinningen under året. Troligt är dock att återvinningsgraden under den varmare delen av året drar ner det årliga medelvärdet för återvinningen och eftersom mätperioden varit under det kallare delen av året så är det då troligt att den verkliga årliga återvinningen är lägre än det som redovisas i rapporten. Ekonomianalys LCC I projektet har investeringskostnaden för installationen analyserats och en LCC kalkyl är gjord för att utvärdera hur de ekonomiska förutsättningarna ser ut. I analysen har två fall jämförts med situationen om ingen installation gjorts. De två fallen som analyserats är: 2()
Hela installationen med värmeåtervinning från både avlopp och kylsystem Om endast värmeåtervinning från avloppsvattnet installerats Beräkningsförutsättningar: Tabell 4 Beräkningsförutsättningar LCC kalkyl Utrustningens brukstid, år 2 Värme fjv. Kostnad Kalkylränta, 4.% Värmeprisökning, real real Låneränta 4.% UH-prisökning, real 8 kr/mwh Elpris kr/mwh.% Elprisökning, 3.% real 2.% Belåningsgrad 7% Investeringskostnaden för projektet har erhållits från Vasakronans leverantör. Leverantören har fördelat kostnaden mellan olika poster, från denna fördelning har de olika posterna använts för att ta fram investeringskostnaden för de två olika fallen. I Tabell redovisas kostnaderna. Investering VÅV från avlopp och kyla Sammanställning av kostnader Tabell - Investeringskostnader för de två analysfallen 2 9 kr Investering VÅV från avlopp 4 kr Sammanställning av kostnader Avloppsvvx 4 kr Avloppsvvx 4 kr Installation avloppsvvx 3 kr Installation avloppsvvx 3 kr Dokumentation kr Dokumentation 7 kr Värmepump kr Värmepump 8 kr Installationskostnad 9 kr Installationskostnad kr Projektering kyla 4 kr Projektering avloppsvvx 2 kr Fördyring utvecklingsprojekt - kr Fördyring utvecklingsprojekt - 2 kr LCC analysen för de olika systemalternativen visas i Tabell 6. I LCC kalkylen har den årliga underhållskostnaden uppskattats till kr. 3()
Tabell 6 LCC kalkyl för de olika fallen Alternativ 2 3 Basfallet Värmeåtervinning från avlopp Värmeåtervinning från avlopp och kylsystem Kapitalkostnad (SEK/år) 2 3 Investeringskostnad (SEK) 4 2 9 Ränta (SEK/år) 39 48 6 32 Avskrivning (SEK/år) 7 9 Energikostnad (SEK/år) Värmeenergi, fjv (MWh/år) 498.9 348.6. Värmeenergi, olja (MWh/år)... Värmeenergi, el (MWh/år)... Elenergi (MWh/år). 43.7 4. Kylenergi (MWh/år)... Nuvärde Energikostnad, totalt (SEK) 6 82 347 66 76 2 9 82 Total årlig Energikostnad (SEK) 399 2 322 69 4 4 Underhållskostnad (SEK/år) Årlig UH-kostnad (SEK/år) Renoveringar (SEK/år) Total UH-kost, nuvärde 8 46 8 46 Restvärde vid brukstidens slut (SEK) LCC-kostnad (SEK) 6 82 347 7 22 26 27 27 Analysen visar att investeringen för återvinning ur avloppet inte är har ett positivt utfall, för systemet med värmeåtervinning både från kylsystem och avlopp har ett värde av.8 Mkr under sin livslängd. Slutsatser Avloppsflödet varierar kraftigt i denna byggnad, troligtvis beror det på att avloppssystemet betjänar såväl hotell och ett antal restranger förutom kontorsytor. Detta ger upphov till höga avloppsflöden t.ex. när hotellgäster duschar samtidigt, när man använder tvättstugan i hotelldelen eller när restaurangerna diskar. Växlarnas möjlighet att effektivt återvinna värme ur avloppet varierar med avloppsvattnets flöde och temperatur. Vid lågflödesscenarion har växlaren en god förmåga att återvinna energi ur avloppet medan vid högflödesscenarion har växlaren en låg återvinningseffektivitet. Totalt under analysperioden har systemet återvunnit 3.7 MWh värme ur avloppet eller en medeleffekt på 2.2 kw. Jämför man detta med det som systemet maximalt kunnat återvinna med det kylvattenflöde som gällde vid mätningen så visar det att man har återvunnit 38. % av möjlig energi vilket får anses vara klart godkänt. Jämför man det med det som är teoretiskt möjligt, d.v.s. om systemet alltid skulle högsta flödet på kylvattensidan så har man återvunnit 28.8 % av det teoretisk möjliga. Det som är möjligt utifrån gällande regelverk är att avloppstemperaturen inte får understiga temperaturen på inkommande kallvatten till byggnaden. Ett vanligt förekommande antagande är att inkommande kallvatten har en årsmedeltemperatur på 8 C, om man använder detta värde för att beräkna effektiviteten hos anläggningen enligt gällande regelverk så blir återvinningsgraden 29.2 %. 4()
Om man anser att mätperioden motsvarar en normaltid för byggnaden (vilket är osäkert) kan man göra en uppskattning av årlig återvunnen energi som då hamnar på ca 6.6 MWh. Fördelningen av återvunnen energi ger en tydlig bild av att det finns en optimal installerad längd av värmeväxlare som beror på värmeväxlarens prestanda. I detta fall så ökar återvinningen med ca.8 ggr jämfört med det som uppmättes för testinstallationen. Efter testperioden när värmeväxlaren demonterades och den kraftiga försmutsningen konstaterades så genomfördes åtgärder för att förbättra situationen, fallet på värmeväxlaren ökades för att få bättre genomströmning och fettavskiljares funktion adresserades. Under denna utredning har ingen nämnvärd försämring av funktionen hos växlarna identifierats. Däremot så finns viss indikation att vid perioder med höga temperaturer och flöden så tvättas värmeväxlaren. Då man kan se tendenser att effektiviteten ökar något hos systemet efter dessa perioder. Detta har dock inte helt kunnat säkerställas utan skall ses som en möjlig tes. Det är i vilket fall rådigt att se till att det projekteras avstängningsventiler och överfall för att möjliggöra rengöring och förebygga stopp i avloppssystemet vid installation av denna typ av system. Den ekonomiska analysen visar att kostnaden för installationen är för hög för att få ekonomi om man endast återvinner från avloppsvattnet. För att det skall bli lönsamt måste man få ner kostnaden. I detta fall så står installationskostnaden ca 6 % av kostnaden för projektet. Denna del är knuten till byggnadens förutsättningar så den är inte applicerbar för andra projekt. För många projekt så kommer denna del troligen att bli betydligt lägre. För installationen som helhet med både värmeåtervinning från kylsystem och avlopp blir utfallet betydligt bättre. Således så är det värt att identifiera möjliga installationer där det är möjligt att ha denna typ av kombinerad värmeåtervinning. ()