Värmeåtervinning från gruvvatten vid Boliden Minerals gruva i Renström

Umeå Universitet 2005-07-06 Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Värmeåtervinning från gruvvatten vid Boliden Minerals gruva i Renström Peter Lundberg Examensarbete inom högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik på C-nivå Handledare, Skellefteå Kraft, Gabriel Waaranperä Examinator, Umeå Universitet TFE, Åke Fransson

Sammanfattning Examensarbetet syftar till att undersöka möjligheten att återvinna värme från gruvvatten vid Boliden Mineral AB: s gruva i Renström. Arbetet innefattar även en utredning om värmeenergi kan användas till att värma upp ventilationsluften till gruvan under vinterhalvåret. Vid undersökning hur värmeåtervinning från gruvvatten kan ske utreds två möjliga system. Det första systemet baseras på att energi överförs via en direktvärmeväxling mellan gruvvattnet och ventilationsluften. Det andra systemet som utreds är att värmeenergi överförs till ventilationsluften med ett värmepumpssystem. Övriga faktorer som utreds är återvinningssystemens placering och dimensionering. För att ta reda på energiinnehållet i gruvvattnet samt vilket energibehov som uppvärmningen av ventilationsluften kräver under en säsong (oktober-mars), mäts flöden och temperaturer för vattnet och ventilationsluften. Mätvärdena ligger sedan till grund för vidare beräkningar av energiinnehållet i gruvvatten samt energiomsättningen för uppvärmning av ventilationsluften. Resultaten av beräkningarna används sedan vid dimensionering av de två undersökta återvinningssystemen. Ett återvinningssystem som bygger på en direktvärmeväxling mellan gruvvatten och ventilationsluft skulle kunna täcka uppvärmningsbehovet ner till utomhustemperaturen -11 C vilket motsvarar cirka 80 % av den tid per år som uppvärmning är nödvändig. Införandet av ett direktvärmeväxlingssystem skulle ge en minskning av energiomsättningen för uppvärmning av ventilationsluften med 1 310 MWh per år. Med hänsyn tagen för driftkostnaden för en cirkulationspump till systemet blir den årliga besparingen, beräknat med elpris på 0,25 kr/kwh, 317 000 kr och med en uppskattad investeringskostnad på 1 365 000 blir återbetalningstiden för systemet cirka 4 år. Ett återvinningssystem med två värmepumpar skulle täcka uppvärmningsbehovet till -14 C vilket motsvarar cirka 89 % av uppvärmningstiden. Införandet av ett värmepumpssystem skulle minska energiomsättningen för luftuppvärmning med 1 080 MWh per år vilket betyder en besparing med 260 000 kr per år (med hänsyn tagen till en driftskostnad för en cirkulationspump på 10 000 kr/år och ett elpris på 0,25 kr/kwh.) Med en investeringskostnad för systemet på 3 095 000 kr blir återbetalningstiden cirka 12 år. Ett direktvärmeväxlingssystem för återvinning av värme från gruvvatten finns och används idag i företaget Inmet Minings gruva i finländska Pyhäsalmi. Återvinningssystemet fungerar väldigt bra. Skillnaden mellan återvinningssystemet i Pyhäsalmi och Renström är den att gruvvattnet har en betydligt högre temperatur cirka 17 C mot 8,5 C vid Renströmsgruvan. Ett värmepumpssystem är ett beprövat system och skulle fungera väl under de förutsättningar som råder vid gruvan. Men då ett direktvärmeväxlingssystem har betydligt lägre investeringskostnader än ett värmepumpssystem bör systemet undersökas noggrannare. Examensarbetet bör ses som en förstudie för vidare undersökning om ett värmeåtervinningssystem och den frågeställning som bör utredas vidare är hur vattentemperaturen i gruvvattnet varierar under vinterhalvåret. 2

Heat recycling from mine water at Boliden Mineral AB s mine in Renström Abstract The focus of the degree project is to investigate the possibility to recycle heat from mine water at Boliden Mineral AB s mine in Renström. This work also investigates if heat from mine water can be used for heating air used for ventilation at the mine during the winter season. Two different kinds of heat recycling systems are studied. The first system is based on a direct heat exchange in a plate heat exchanger between the mine water and the air used for ventilation. The second system is based on heat exchange between the two fluids by using two heat pumps. Other factors that are investigated are the location for the heat exchange and the capacity the two systems. The energy content of the mine water is determined by measuring the flow and temperature of the water. The amount of energy needed for heating the ventilation air is determined by measurements of the variation in the ventilation flow and air temperature during the winter season. When comparing the energy content of the water with the amount of energy needed for heating the air, it is clear that the heat content of the mine water exceeds the capacity energy needed for the ventilation. Knowing the heat content of the mine water, the capacity of the two recycling systems can be calculated. The first recycling system, which is based on a plate heat exchanger, can provide the energy needed down to -11 C which will cover 80 percent of the heating season. Such a recycling system will reduce the amount of energy used, by 1 310 MWh annually. With a running cost of 10 000 Skr for a circulation pump in the system and an estimated price for electricity of 0,25 Skr/kWh the annually energy cost will be reduced by 317 000 Skr. With an investment cost of 1 365 000 Skr for the system the break even point for the investment is reached after approximately 4 years. The second recycling system, which is based on two heat pumps, would provide the amount of energy needed down to -14 C which will cover approximately 89 percent of the heating season. This recycling system will decrease the amount of energy needed by 1 080 MWh annually. Based on a circulation pump and a price for electricity as presented above, the annually energy cost decreases with 260 000 Skr. With an investment cost of 3 095 000 kr for the system the break even point for the investment is reached after approximately 12 years. It s difficult to know how well the first system described will work in a real care. This opinion is based on the relative low water temperature and in some concern how well the system would work during extreme conditions with for example an outdoor temperature of -30 C. When studying an existing heat recycling system based on a plate heat exchanger in Pyhäsalmi, Finland it is seen how such a system should be constructed to work. The second system described is well tested and designed to work with low water temperatures and therefore it is safe to say that a recycling system based on two heat pumps would work well during present conditions. This work should more be recognized as a feasibility study of a heat recycling system from mine water at Renströmsgruvan and further investigations should be done. My suggestion for continuing the studies is to measure how the temperature in the mine water varies during a whole winter season. 3

Innehållsförteckning 1 Inledning... 5 1.1 Bakgrund... 5 1.2 Syfte... 5 1.3 Avgränsningar... 6 2 Renströmsgruvan... 7 2.1 Gruvventilation... 7 2.2 Reningsverk... 8 2.3 Reningsprocess... 9 2.4 Panncentral... 10 3 Metod... 11 3.1 Vattenflöde... 11 3.2 Vattentemperatur... 11 3.3 Ventilationsflöde... 12 3.4 Lufttemperatur... 12 4 Resultat och beräkningar... 13 4.1 Energiinnehåll i gruvvatten... 13 4.2 Energiomsättning för uppvärmning av ventilationsluft... 15 5 Värmeåtervinningssystem... 18 5.1 Utvärdering direktvärmeväxlingssystem... 18 5.2 Utvärdering värmeväxling med värmepumpsystem... 24 6 Ekonomisk analys... 27 6.1 Direktvärmeväxlingssystem... 28 6.2 Värmepumpssystem... 29 7 Presentation av Inmet Minings gruva i Pyhäsalmi i Finland... 31 8 Diskussion... 32 8.1 Placering... 32 8.2 Direktvärmeväxlingssystem... 32 8.3 Värmepumpssystem... 33 8.4 Mätmetoder och mätnoggrannhet... 34 9 Slutsatser... 36 Referenser... 37 Bilagor 4

1 Inledning 1.1 Bakgrund Företaget Boliden Mineral AB har sitt ursprung i den fyndighet av guld som 1924 hittades på Fågelmyren, som senare kom att heta Boliden, belägen cirka tre mil väster om Skellefteå. Guldfyndigheten var vid tidpunkten Europas största som förutom guld även innehöll koppar och silver. Gruvdriften startade 1925 och pågick fram till 1967 då malmen var slutbruten [1]. Företaget har från ursprungsfyndigheten i Boliden vuxit till att omfatta verksamhet inom både gruv- och smältverksindustrin och är idag ett av världens ledande företag i branschen. Verksamhet bedrivs i Sverige, Norge, Finland och Irland. Företaget har ungefär 4500 anställda och omsätter årligen cirka 18 miljarder kronor. Bolidens huvudprodukter är koppar, zink, bly, guld och silver. Verksamhet bedrivs också inom prospektering och metallåtervinning [1]. Idag arbetar Boliden Mineral AB med att införa ett energiledningssystem där syftet är att kartlägga hur energiflöden inom verksamheten ser ut. I Sverige finns idag en skattebefrielse för så kallad elintensiv verksamhet vilket innefattar en stor del av Bolidens verksamhet. Som en anpassning till övriga EU förändras beskattningen av el till att omfatta även den elintensiva verksamheten. Med införande av ett energiledningssystem får Boliden en översikt över olika energiflöden i verksamheten och på sikt kommer denna investering att ge besparingar då detta ger företaget lägre driftkostnader [2]. Som en del av kartläggningen av Bolidens energianvändning har Skellefteå Kraft fått i uppdrag att arbeta med energiöversyner vid flera av företagets anläggningar i Sverige. Ett av projekten är att göra en energiöversyn vid Bolidens gruva i Renström. Skellefteå kraft har i sin tur valt att lägga ut en del av sina uppgifter i detta examensarbete på C-nivå för blivande högskoleingenjörer med inriktning mot energiteknik vid Umeå universitet. 1.2 Syfte Ur gruvan i Renström pumpas stora mängder gruvvatten upp med en relativt hög temperatur och ett stort energiinnehåll. Samtidigt värms ansenliga mängder ventilationsluft upp till gruvan med el och fossila bränslen. Syftet med examensarbetet är att undersöka möjligheter till att återanvända värmeenergi från gruvvattnet till uppvärmning av ventilationsluft. Med ett värmeåtervinningssystem kan användningen av el och fossila bränslen minskas och därmed kan Boliden få såväl miljömässiga som ekonomiska vinster. Resultatet av arbetet kan också användas vid utvärdering av andra värmeåtervinningssystem vid Boliden Mineral AB: s övriga gruvanläggningar. Utgångspunkterna för arbetet är: 1. Energiinnehållet i gruvvattnet 2. Energiomsättning för uppvärmning av ventilationsluften 3. Vilken typ av värmeåtervinningssystem som är lämpligt för uppgiften 5

När det gäller värmeåtervinningssystemet behandlas frågeställningarna: Ska värmeväxling ske med direktvärmeväxling eller med värmepump? Placering, var ska värmeväxling ske? Hur systemet ska dimensioneras? Uppgiften var att undersöka möjligheten till energiåtervinning från gruvvatten där beräkningarna baserades på mätningar av temperaturer och flöden. Mätningarna genomfördes i anslutning till gruvans reningsverk och med hjälp av givare och mobilt datainsamlingssystem samt befintliga mätsystem. För att ta reda på hur mycket energi som krävdes för uppvärmning av ventilationsluften undersöktes hur ventilationsflödet och utomhustemperaturen varierat under senaste vinterhalvåret, det vill säga perioden från oktober till mars månad. Valet av period baserades på den tid då det är nödvändigt att värma ventilationsluften i gruvan. Med data från ovan givna mätningar beräknas energiinnehållet i vattnet samt den energimängd som krävs för uppvärmning av luft som används till ventilationen. Utifrån beräkningsresultaten utreddes sedan möjligheten hur man kan gå tillväga vid utformning av ett värmeåtervinningssystem. 1.3 Avgränsningar Arbetat begränsas till att omfatta Renströmsgruvan eftersom det är här ett värmeåtervinningssystem anses lämpligt att bygga. Detta ställningstagande baseras på att det befintliga uppvärmningssystemet, bestående av en panncentral som förser ventilation och fastigheter med värme genom ett glykol- samt vattenburet system, i Renström bedöms lämpligt för vidare undersökning av en eventuell påbyggnad av ett värmeåtervinningssystem. En annan faktor till avgränsningen är den geografiska placeringen av de byggnader som omfattas av utredningen. Avståndet mellan reningsverk, panncentral och fläkthus är korta. 6

2 Renströmsgruvan Renströmsgruvan är belägen i Skellefteå kommun cirka 15 kilometer väster om Boliden. Gruvan etablerades 1952 och här bryts komplexmalm som innehåller zink, koppar, bly, guld och silver. Årligen produceras ungefär 220 000 ton malm och gruvan har ett nittiotal anställda [3]. Cirka två kilometer från Renström ligger Petiknäsgruvan, vilken togs i drift 1992. Med en ort på 800 meters nivå är denna sammanbunden med gruvan i Renström. Här fraktas en del av den malm som bryts i Petiknäs för att tas upp till marknivå genom befintligt schakt i Renström. Från Renström skickas malmen till Boliden där den anrikas vid Boliden Minerals Anrikningsverk. Efter anrikning skickas malmen vidare som slig till smältverk där den förädlas till rena metaller. Renströmsgruvans framtid ser god ut då man hittat en betydande mineralisering som bland annat innehåller stora mängder zink och sträcker sig ner till 1700 meters nivå [1]. 2.1 Gruvventilation Arbetsmiljön i en gruva är mycket krävande då malmbrytningen sker hundratals meter under marknivå. Vid verksamheten bildas partiklar och gaser som är skadliga och giftiga. Källorna till utsläppen är dieseldrivna fordon, sprängningsverksamhet samt det damm som bildas av malmbrytningen. Alla dessa faktorer har stor betydelse för arbetsmiljön och det finns direkta kopplingar mellan dålig ventilation och sjukdom. Tillgång till bra ventilation, som förser arbetsplatsen med friskluft och ventilerar bort skadliga gaser och partiklar, är därför en förutsättning för att verksamheten i en gruva ska fungera tillfredställande. De viktigaste gränsvärdena för gruvluften är för koloxid och kvävedioxid med lagstadgade gränsvärden på 20 ppm för CO och 1 ppm för NO 2 [4]. Det finns också nivågränsvärden för halten av damm i gruvluften. De viktigaste gränsvärdena som måste upprätthållas är för så kallat respirabelt (1) kvartsdamm där nivån inte får överskrida 0,1 mg/m 3 luft, samt totaldamm (2) som där nivån inte för överskrida 10 mg/m 3 luft [4]. I figur 1 i bilaga 6 kan ses hur antal sjukdomsfall av silikos (kvartslunga) minskat vid en ökning av tilluften till en gruva. Tilluften förses till gruvan genom två schakt (se figur 1) i Renström och genom en ort från Petiknäs. Det finns två stycken frekvensstyrda radialfläktar (TF1 och TF2) som med en effekt på vardera 132 kw som förser gruvan med tilluft. Nere i gruvan styrs luften till respektive ort med hjälpfläktar. Frånluften sköts genom två schakt med självdrag respektive frånluftsfläktar [5]. Tilluftsfläktarna styrs av ett förprogrammerat schema samt av med ett avancerat styr och kontrollsystem, ABB Advant Station 500, som med ett nät av givare och sensorer ser till att rätt mängd tilluft levereras ner i gruvan. Under perioden slutet av oktober till april månad (perioden beror på utomhustemperatur och kan variera lite olika år) värms tilluften från utomhustemperatur till ungefär 3 C. Detta är nödvändigt för att undvika nedisning i tilluftsschakten. Denna åtgärd är väldigt energikrävande och här finns stor potential för effektivisering [5]. 1 Med respirabelt damm avses partiklar som är mindre 5 µm [4]. 2 Totaldamm innefattar alla partiklar som fastnar i ett speciellt filter vid provtagning av luft [4]. 7

Figur 1 visar översiktsbild över ventilationssystem vid Renströmsgruvan. 2.2 Reningsverk Då avståndet mellan gruvorna i Renström och Petiknäs endast är cirka 2 kilometer är verksamheterna till viss del ihopbyggda med varandra. Som tidigare beskrivts så finns en ort mellan gruvorna på 800 meters nivå där, förutom malm, också tilluft skickas från Petiknäs till Renström. De båda gruvorna delar också det vattenreningsverk som är beläget i Renström. I gruvorna i ansamlas stora mängder grundvatten och för att inte gruvorna ska översvämmas måste detta vatten pumpas upp till markytan. Pumpningen sker i etapper med mellanlagring på olika nivåer under jord. När vattnet kommer upp till markytan samlas det i uppsamlingsdammar. I Renström samlas vattnet i en damm som ligger i anslutning till reningsverket. Vattnet i Petiknäs samlas i två dammar ovan jord innan det pumpas vidare till dammen i Renström [6]. I figur 2 visas översiktligt gruvvattnets väg när det nått markytan. Vattnet har under sin färd genom gruvan förorenats och innehåller metaller som arsenik, koppar, zink, bly och måste behandlas innan det kan släppas ut i vattendrag. Reningsverket vid Renströmsgruvan består av två enheter där enhet 1 rymmer en vattenvolym på cirka 60 m 3 och enhet 2 rymmer cirka 30 m 3 vatten. Vattnet pumpas till de två enheterna där det renas separat med samma reningsprocess. Efter rening återförenas vattenflödet och pumpas ut i Skellefteälven [5]. Det riktvärde som finns för metallhalten i gruvvattnet < 2 mg/liter är ett summerat riktvärde för alla ovan givna metaller efter rening. Det finns också ett riktvärde för partikelhalten (suspension) som ligger på < 10 mg/liter [7]. 8

Figur 2 visar schematiskt översikt vattenreningsverk i Renström. 2.3 Reningsprocess Det första som händer när vattnet kommer in i reningsverket är att kalk tillsätts (se figur 3). Detta gör att metallerna som finns i vattnet fälls ut i form av hydroxidpartiklar. Ph-höjningen gör också att det svavel som eventuellt finns, skiljs från vattnet. I steg två tillsätts flockningsmedel vilket gör att hydroxidpartiklarna klumpas ihop och bildar större enheter. I lamellförtjockare sker en koncentrering av hydroxidklumparna som bildats i flockbassängen. I sandfiltret filtreras sedan de koncentrerade hydroxidklumparna från vattnet som efter detta steg skiljts från metaller och eventuellt svavel. Vattnet pumpas sedan ut i Skellefteälven. Sanden separeras slutligen från hydroxidslammet och återanvänds i reningsprocessen. Hydroxidslammet återanvänds därefter i gruvan till återfyllning av orter där malmen är slutbruten [7]. Figur 3 visar principen hur reningsprocessen fungerar. 9

2.4 Panncentral För uppvärmning av ventilationsluften och fastigheterna i Renström finns en panncentral. Denna panncentral är uppdelad i ett primärt och sekundärt system (se figur 4). Primärsystemet består av en elpanna på 3 MW och en oljepanna på 1,15 MW som via två värmeväxlare värmer ventilationsluften i gruvan samt ett antal fastigheter. Värmeöverföringen till ventilationsbatterierna sker med ett glykolsystem medan värme överförs till fastigheterna med ett vattenburet fjärrvärmenät. Ett sekundärsystem finns tillgängligt i fall värmebehovet för ventilationsluften ökar. Detta består av två oljepannor om vardera 1,16 MW [8]. Figur 4 visar schematiskt panncentralens uppbyggnad. 10

3 Metod Syftet med arbetet är att utreda möjligheten till införandet av ett återvinningssystem där värme från gruvvatten används till att värma gruvans ventilationsluft. För att beräkna den energi som finns i gruvvattnet och det energibehov som krävs för uppvärmning av ventilationsluften krävs information om tillståndet för ventilationsluften och gruvvattnet. Under avsnittet ges en förklaring till hur och vilka data som insamlats för uppgiften. Energiinnehållet i vattnet bestäms med kunskap av vattnets flöde och temperatur samt hur variationen för dessa under perioden då uppvärmning av ventilationsluft är nödvändig. För att beräkna energibehovet för uppvärmning av ventilationsluften krävs information om hur stort ventilationsflödet är för luften samt hur temperaturdifferensen ( T) mellan utomhustemperaturen och den efter uppvärmning önskade temperaturen på 3 C varierar under vinterhalvåret då uppvärmning av luften är nödvändig. 3.1 Vattenflöde För att ta reda på flödet av vatten som pumpas upp ur gruvorna i Renström och Petiknäs har data från Reningsverkets egen flödesmätning använts. Syftet med mätningen är att ta reda på det totala flödet av gruvvatten som passerar genom reningsverket. Det bör noteras att reningsverket stängs av för rengöring cirka tre gånger per vecka varav vattenflödet genom reningsverket stoppas under 1-2 timmar [6]. 3.2 Vattentemperatur Mätningarna av vattentemperaturerna utfördes med tre NTC (Negative Temperature Coefficiant) temperaturgivare kopplade till varsin datalogger. Syftet med mätningen av temperaturen på gruvvattnet var att undersöka hur utomhustemperaturen samt reningsprocessen påverkar vattentemperaturen. Mätningen av vattentemperaturen ägde rum under perioden från 22-31 mars 2005 med ett tidsintervall mellan mätningarna på 30 minuter. Som referens till vattentemperaturmätningarna mättes även lufttemperaturen under samma mätperiod. De tre temperaturgivarnas placering visas i figur 5. Vetskapen om gruvvattnets temperaturvariationer är nödvändig under vinterhalvåret då det är under denna period då värme från gruvvattnet är avsedd för att värma upp ventilationsluften. Mätperioden av vattentemperaturen begränsades av att examensarbetet startpunkt var i mars månad och ger inte en fullständig översikt över hur vattentemperaturen varierar under de kallaste dagarna på året. 11

Figur 5 visar mätpunkterna 1,2 och 3 där temperaturgivarna var placerade. Givaren i mätpunkt 1 var placerad cirka 30 centimeter under vattenytan och 3 meter ifrån inlopp till reningsverket och uppmätte temperaturen i gruvvattnet innan reningsverket. Lufttemperaturen mättes av en givare i mätpunkt 2 som var placerad i luften cirka en meter ovanför vattenyta vid mätpunkt 1. Den tredje givaren i mätpunkt 3 var placerad i en brunn efter reningsverk efter att de två vattenflödena återförenats. 3.3 Ventilationsflöde I gruvans kontrollsystem (ABB Advant Station 500) mäts och sparas flöden för tilluftsfläktarna kontinuerligt med ett visst intervall. Ventilationsflödet för tilluften i Renström visas som medelvärden månadsvis från oktober 2004 till och med mars 2005 då det är under denna period som uppvärmning av ventilationsluften sker. 3.4 Lufttemperatur För att beräkna energibehovet för uppvärmning av luft krävs information om temperaturdifferensen ( T) mellan utomhustemperaturen och den efter uppvärmning önskade temperaturen (3 C). Statistik för utomhustemperaturen i Renström har jag hämtat från ABB Advant Station 500 som kontinuerligt lagrar mätvärden på utomhustemperaturen. 12

4 Resultat och beräkningar I detta kapitel redovisas de mätdata som uppsamlats under mätningarna samt de beräkningar på energiinnehållet i gruvvattnet samt den energiomsättning som krävs för uppvärmning av gruvventilationen. 4.1 Energiinnehåll i gruvvatten 4.1.1 Vattenflöde I tabell 1 nedan redovisas det uppmätta volymflödet ( V, m³/s) samt beräknat massflöde för vattnet som passerar genom reningsverket i Renström varje månad. Det beräknade massflödet fås genom ekvation 1 med antagandet att vattnets densitet ρ = 1000 kg/m 3. = V m ρ (kg/s) (1) Tabell 1 visar uppmätt volymflöde samt beräknat massflöde för gruvvatten. Månad (2004/2005) Volymflöde (m 3 /s) Massflöde (kg/s) Oktober 0,042 42 November 0,042 42 December 0,041 41 Januari 0,046 46 Februari 0,046 46 Mars 0,046 46 Medel 0,044 44 Den volym som ryms i de båda verken är cirka 90 m 3. Medelflödet ligger på cirka 0,044 m³/s vilket betyder att vattnet har en omsättningshastighet genom reningsverket på cirka 34 minuter. 4.1.2 Vattentemperatur Den uppmätta medeltemperaturen för gruvvattnet var i mätpunkt 1 och 3 8,5 C respektive 9,3 C. Medeltemperaturen för luften i mätpunkt 2 var 1,2 C. Under mätperioden stoppades reningsverket för underhåll vid tre tillfällen och syns i figur 6 som tre stora temperatursvängningar i mätpunkt 3. 13

Temperatur ( C) 14 12 3 10 8 6 1 4 2 2 0-2 -4-6 22-mar 23-mar 24-mar 25-mar 26-mar 27-mar 28-mar 29-mar 30-mar Figur 6 visar temperaturvariationerna under mätperioden i de olika mätpunkterna 1,2 och 3. 4.1.3 Effekt och energiberäkning Beräkningen av energiinnehållet i gruvvattnet delas upp i två steg. I första steget beräknas vattnets avgivna Q effekt (ekvation 2). Q = m Cp T (kw) (2) Där m är vattnets massflöde (kg/s), cp dess specifika värmekapacitet (kj/kg C), och T ( C), ges av det in och utgående vattnets temperaturer. För effekt och energiberäkningarna sätts temperardifferensen till 4 C då denna temperatur kan tas ut i en plattvärmeväxlare [12]. Den specifika värmekapaciteten sätts till 4,22 kj/kg C. Vattnets energiinnehåll, E, beräknas som produkten av den beräknade effekten och antalet drifttimmar, t, per år som vattnet strömmar genom reningsverket enligt sambandet nedan. E = Q t (MWh) (3) Då det uppmätta vattenflödet är det totala flödet per månad antas antalet drifttimmar per månad vara detsamma som det antal timmar månaden har, eftersom anläggningen alltid är i drift. Resultatet av effekt och energiinnehållsberäkningarna ges i tabell 2. 14

Tabell 2 visar effekt- och energiinnehållsberäkningar för gruvvattnet. Månad (2004/2005) Effekt (kw) Energiinnehåll (MWh) Oktober 710 528 November 713 513 December 689 513 Januari 776 577 Februari 785 527 Mars 781 581 Totalt 3 242 4.2 Energiomsättning för uppvärmning av ventilationsluft 4.2.1 Ventilationsflöde Då tilluftsfläktarna (TF1 och TF2) är identiska och styrs av samma styrsystem är flödet i båda fläktarna detsamma. I tabell 3 redovisas medelflödet för tilluften i Renström under uppvärmningsperioden från oktober 2004 till mars 2005. Tabell 3 visar medelflöden för tilluftsfläktarna (TF1 och TF2) vid Renströmsgruvan. Månad (2004/2005) TF1 (m 3 /h) TF2 (m 3 /h) Totalt (m 3 /h) Oktober 127 000 127 000 254 000 November 113 000 113 000 226 000 December 98 000 98 000 196 000 Januari 124 000 124 000 248 000 Februari 84 000 84 000 168 000 Mars 79 000 79 000 158 000 Medel 104 200 104 200 208 300 4.2.2 Lufttemperatur I tabell 4 nedan kan de uppmätta medeltemperaturerna de senaste 6 månaderna ses tillsammans med differensen ( T) till temperaturen efter uppvärmning som är 3 C. Observera att under oktober månad 2004 låg medeltemperaturen över 0 C vilket betyder att man under större delen av månaden inte behövde värma upp ventilationsluften till gruvan. Tabell 4 visar uppmätt medeltemperatur för utomhusluft samt differensen till lufttemperaturen efter uppvärmning. Månad (2004/2005) Medeltemperatur Renström ( C) T ( C) Oktober 1,9 1,1 November -4.9 7,9 December -4.5 7,5 Januari -5.3 8,3 Februari -3.4 6,4 Mars -5.6 8,6 Medel -3.6 6,6 15

4.2.3 Energibehovsberäkning för ventilationsluften För beräkning av effekt bestäms först massflödet för luften (ekvation 1). Det luftflöde som redovisas i tabell 5 är det flöde som tilluftsfläktarna levererar, det vill säga när lufttemperaturen är höjd till 3 C. Luftens densitet sätts därför till 1,292 kg m³ (vid 3 C) Tabell 5 visar beräknat massflöde för luften. Månad (2004/2005) Massflöde kg/s Oktober 90 November 81 December 70 Januari 89 Februari 60 Mars 56 Den tillförda effekten för uppvärmning av luft beräknas med ekvation 2, där luftens cp sätts till 1,006 kj/kg C [9]. Temperaturdifferensen ( T) fås ur tabell 4. För beräkning av energibehov multipliceras den beräknade effekten med antalet drifttimmar per månad (ekvation 3). Då de uppmätta ventilationsflödena är månadsmedelflöden antas antalet drifttimmar per månad vara detsamma som antalet timmar per månad. Resultatet av effekt och energiberäkningarna kan ses nedan i tabell 6. Tabell 6 visar effekt- och energiberäkningar för ventilationsluften. Månad (2004/2005) Effekt (kw) Energibehov (MWh) Oktober 101 75 November 645 464 December 531 395 Januari 743 553 Februari 388 261 Mars 490 365 Totalt 2 113 Av de genomförda energiberäkningarna kan man se att det finns stora mängder energi i gruvvattnet. Vid en direkt jämförelse mellan energiinnehållet i vattnet mot den energimängd som behövs för uppvärmning av luft så den energi som behövs tillgänglig under hela uppvärmningsperioden. Det bör noteras att energimängden i vattnet är baserad på temperaturen 4 C i en värmeväxling. Figur 7 visar en jämförelse mellan energiinnehållet i vattnet och den mängd energi som behövs för att värma upp ventilationsluften. 16

700,00 Energimängd (MWh) 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 Oktober November December Januari Februari Mars Medel Figur 7 visar energiinnehållet i vattnet (streckad stapel) och energibehovet för uppvärmning av ventilationsluften (prickad stapel) med de i texten givna temperaturdifferenserna. 17

5 Värmeåtervinningssystem Under detta avsnitt utreds möjligheten till återvinning av värme från gruvvattnet för uppvärmning av luften i gruvventilationen genom undersökning av två olika värmeåtervinningssystem som baseras på: 1. Direktvärmeväxling mellan gruvvattnet och tilluften. 2. Värmeväxling med värmepump. Avsnittet innefattar även en ekonomisk analys av de två alternativen. Tilluftsfläktarna i Renström är gamla och företaget planerar att byta ut de två befintliga radialfläktarna mot en ny axialfläkt som har en kapacitet på cirka 150 000 m 3 /h. Anledningen till att det går att minska flödet från Renström från idag cirka 200 000 m 3 /h (uppmätt medelvärde) till 150 000 m 3 /h är att det i framtiden kommer att ta en större mängd tilluft från Petiknäsgruvan än vad som görs idag [9]. Utvärderingen av de två återvinningssystemen har gjorts i samspråk med Alfa Laval AB (Plattvärmeväxlare)[10], Coiltech AB (luftbatterier) [11] samt Grenholms AB (Värmepumpar) [12]. 5.1 Utvärdering direktvärmeväxlingssystem Syftet med ett direktvärmeväxlingssystem är att direkt överföra värmeenergi från vatten till ventilationsluften. Vid beräkningen på ett direktvärmeväxlingssystem används medeltemperaturen på vattnet i uppsamlingsdammen innan reningsverket (8,5 C). På grund av den relativt låga temperaturen växlas vattnet mot en separat krets bestående av vatten blandat med en etylenglykolblandning som sedan överför energin till luftvärmeväxlaren. Detta görs för att minska frysrisken [10]. Figur 8 nedan visar principen för ett direktvärmeväxlingssystem. Figur 8 visar principen för ett direktvärmeväxlingssystem. Först sker en värmeväxling mellan gruvvatten och etylenglykol i en plattvärmeväxlare (1). Den uppvärmda etylenglykolblandningen transporterar värmeenergi till batterierna (2) där den överför energi till batteri 1 som värmer upp den inkommande tilluften (A). Om inte villkoret på 3 C för luften nås efter värmeväxlingen i punkt (A) tillförs resterande mängd energi från befintligt uppvärmningssystem och överförs genom ett förvärmningsbatteri, batteri 2 (B). 18

5.1.1 Placering En frågeställning vid utredningen av placeringen av värmeväxlingen mellan gruvvattnet och glykolkretsen är om man ska använda gruvvattnet före eller efter det är renat i reningsverket. För att systemet ska fungera bra är det viktigt att underhållsbehovet är litet. En viktig faktor som bör beaktas är därför vilken vattenkvalité en plattvärmeväxlare klarar av. Värmeväxlare kan vara känsliga för igensättning och gruvvattnet i Renström innehåller partiklar som skulle kunna orsaka igensättning. Ett exempel kan vara att använda sig av någon typ av filter innan värmeväxlaren som filtrerar bort partiklar. En annan faktor som bör undersökas vid val av placering är att placera värmeväxlaren i ett uppvärmt utrymme så att frysrisken minimeras vid extrema temperaturer, detta då temperaturerna i växlaren är ovanligt låga. En värmeväxling av gruvvattnet innan det renats skulle troligtvis inte påverka reningsprocessen i reningsverket [7]. Värmeväxlingen mellan gruvvattnet och glykolblandningen bör ske i närheten av värmekällan, det vill säga i anslutning till befintligt reningsverk. Denna placering baseras på att inte vatten ska cirkuleras över långa avstånd och då undvika problem vid väldigt låga temperaturer. 5.1.2 Dimensionering Här redovisas olika beräkningar för hur storleken på de olika värmeväxlingarna som är tilltänkta att använda i det två värmeåtervinningssystemen kan bestämmas. De indata som använts i beräkningarna baseras på värmeväxlardata som erhållits från Alfa Laval och Coiltech. Syftet med avsnittet är att ge förenklade exempel på hur en dimensionering av olika värmeväxlare kan se ut. Steg 1 Värmeväxling i plattvärmeväxlare. I systemets första del sker en värmeväxling från gruvvatten till vatten blandat med en 25 % etylenglykolblandning i en motströms plattvärmeväxlare (se figur 9). Vattnet kommer in till växlarens varma sida med en temperatur på 8,5 C (T1) och ett massflöde på 44 kg/s (uppmätt medelflöde se tabell 1). Vattnets utgående temperatur från värmeväxlaren har sedan sänkts till 4,5 C (T2) vilket ger en temperaturdifferens ( T) på 4 C. Den energi som överförs från gruvvattnet tas upp av en vattenglykolblandning på växlarens kalla sida. Inkommande glykolblandning har en temperatur på 2,5 C (T3) som under värmeväxlingen stiger till 6,5 C (T4). Temperaturendifferensen ( T) på den kalla sidan anpassas så att den blir 4 C med hjälp av växlarens längd och massflöde. Figur 9 visar värmeväxling i plattvärmeväxlare. 19

Den från vattnet överförda effekten Q är den beräknade medeleffekten och sätts till 740 kw (bilaga 2). För att bestämma det massflöde som krävs för att etanolglykolblandningen ska kunna ta upp den från gruvvattnet överförda effekten så skrivs ekvation 2, om som Q m = cp T (kg/s) (4) Där Q är den överförda effekten från gruvvattnet. Den specifika värmekapaciteten för glykolblandningen sätts till cp = 3,79 kj/kg C. Temperaturdifferensen mellan den in och utgående glykolblandningen på värmeväxlarens kalla sida sätts till 4 C. Massflödet beräknas till 48,99 kg/s. Den yta (A) som krävs i värmeväxlaren för att överföra effekten från gruvvattnet beräknas genom ekvation 5. A = Q K T LM (m 2 ) (5) Där K (W/m 2 C) är det totala värmegenomgångstalet för värmeväxlaren och T LM ( C) den logaritmiska medeltemperaturen mellan de vätskor som används i värmeväxlingen. Effekten Q = 740kW och värdet för K = 2,474 kw/m² C enligt värmeväxlartillverkare. Den logaritmiska medeltemperaturen, T LM, beräknas genom ekvation 6 där T 1 och T 2 bestäms i ekvation 7 och 8 med temperaturerna T1, T2, T3 och T4 som återfinns i figur 9. T1 T2 T LM = ( C) (6) ln( T1 / T2 ) T 1 = T1-T4 ( C) (7) T 2 = T2-T3 ( C) (8) Vid beräkning av T LM i detta fall blir T 1 och T 2 båda 2 C vilket också medför att T LM blir 2 C. De data som använts för dimensionsberäkningarna återfinns i bilaga 4. Den erfordrade yta som behövs i värmeväxlaren för värmeöverföringen beräknas enligt ovan beskrivna samband till 150 m². 20

Steg 2 värmeväxling i luftvärmeväxlare Värmeväxlingen mellan etylenglykolblandningen och den inkommande ventilationsluften sker genom två korsströmsvärmeväxlare som namngetts till batteri 1 och batteri 2 (se figur 10 nedan). De uppgifter som använts under beräkningarna ges i bilaga 3. Batteri 1 matas med etylenglykolblandningen och dimensioneras för att leverera effekten 744 kw. När behovet är större än den levererade effekten tillförs extra effekt till luften från befintligt pannsystem i batteri 2. Detta batteri dimensioneras att klara hela uppvärmningsbehovet ned till -30 C vilket betyder en maximal levererad effekt på cirka 1770 kw. Figur 10 visar värmeväxling till luft i batteri 1. I batteri 1 inkommer etanolglykolblandningen med en temperatur på 6,5 C och ett massflöde på 49 kg/s. Etanolglykolblandningen lämnar batteriet med en temperatur på 2,5 C vilket medför en temperaturdifferens genom växlaren på 4 C. En effekt på 744 kw har nu levererats från blandningen. Den inkommande ventilationsluften inkommer till batteri 1 med en temperatur på -11 C (T3) och ett flöde på 54 kg/s. Luften har efter batteri 1 värmts upp till 3 C. Den yta (A) som krävs i batteriet för att överföra effekten till ventilationsluften beräknas genom ekvation 9. A = Q KF T LM (m 2 ) (9) Den logaritmiska medeltemperaturen, T LM, beräknas genom ekvation 6 där T 1 och T 2 bestäms med temperaturerna T1, T2, T3 och T4 som återfinns i figur 6. Korrektionsfaktorn, F, korrigerar beräkningarna för anpassning till korsströmsvärmeväxlare då ekvation 9 är anpassad för med- och motströmsvärmeväxlare. Korrektionsfaktorn avläses ur figur 2 (Bilaga 9) med värden som bestäms genom ekvationerna 10 och 11. T 2 T1 P = (10) T3 T1 T3 T 4 R = (11) T 2 T1 21

Arean bestäms sedan med ekvation 9 då Q = 744 kw, det totala värmegenomgångstalet för batteriet, K = 48 W/m² C (3). Den logaritmiska medeltemperaturen har bestämts till 7,6 C och korrektionsfaktorn för värmeväxlingen fås genom P = 0,23 och R = 3,5 ur figur 1 (bilaga 7) och avläses till 0,88. Den värmeöverförande arean i batteri 1 beräknas till 2387 m². Batteri 2 (figur 11) dimensioneras enligt tidigare att klara av effektbehovet för uppvärmning av ventilationsluften från -30 C till 3 C det vill säga en levererad effekt på cirka 1765 kw. Batteriet kopplas till befintlig panncentral som överför värme via en 35 procentig etylenglykolblandning. Glykolblandningen i batteri 2 har en inkommande temperatur på 70 C (T1) och ett massflöde på 15,7 kg/s. Glykolblandningen lämnar batteri 2 med en temperatur på 31 C (T2) och har då levererat effekten 1765 kw till batteriet. I batteriet värms ventilationsluften från maximalt -30 C (T3) till +3 C (T4) och har ett massflöde genom batteriet på 54 kg/s. Figur 11 visar värmeväxling till luft i batteri 2. Den area som batteriet behöver för att överföra den önskade effekten bestäms enligt ekvation 9 med de tidigare beskrivna sambanden under avsnittet. Den levererade effekten är 1765 kw och den logaritmiska medeltemperaturen beräknas till 68,7 C. Det totala (3) värmegenomgångstalet för batteriet, K = 51 W/m² C och korrektionsfaktorn för värmeväxlingen fås genom P = 0,3 och R = 1,10 ur figur 1 i bilaga 7 och avläses till 0,96. Den värmeöverförande arean i batteri 2 beräknas till 527 m². 3 Det totala värmegenomgångstalet (K) för batteriet har beräknats enligt sambandet i ekvation 9 då den värmeöverförande arean för batteriet är given av tillverkare [11]. 22

5.1.3 Analys Uppgiften för systemet är att kontinuerligt leverera tilluft till gruvan som är 3 C. Kapaciteten för systemet begränsas av effekten som kan tas ur gruvvattnet i den första värmeväxlingen, det vill säga den som sker i plattvärmeväxlaren. Som beskrivits tidigare kan effekten 744 kw levereras med antagandet att man sänker temperaturen på gruvvattnet med 4 C under värmeväxlingen. Detta är den maximala effekt som kan överföras mellan gruvvattnet och luften. I figur 12 visas hur effektbehovet för tilluften till gruvan varierar med utomhustemperaturen. I figuren visas också den effekt som kan överföras från batteri 1 till luften. Ur figuren kan ses att batteriet klarar att försörja luftens uppvärmningsbehov till cirka -11 C. 2000 1800 1600 Effekt (kw) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0-5 -10-15 -20-25 -30-35 Figur 12 visar luftens effektbehov vid uppvärmning till 3 C från olika utomhustemperaturer (linjen markerade med punkter). I figuren visas också hur stor effekt som kan överföras till luften från gruvvattnet med beskrivet system (linjen är markerad med trianglar). 23

5.2 Utvärdering värmeväxling med värmepumpsystem Syftet att använda en värmepump i ett värmeåtervinningssystem är att den arbetar med betydligt högre temperaturer än ett direktvärmeväxlingssystem och medför att dimensionen på värmebatteriet kan minskas. Systemet baseras på användningen av två stycken värmepumpar med en kyleffekt på vardera 344 kw [14]. Systemet konstrueras så att värmepumparna ska kunna användas oberoende varandra. En värmepump täcker effektbehovet ned till en viss utomhustemperatur och när effektbehovet ökar kan de båda värmepumparna i systemet köras samtidigt. När effektbehovet överskrider den levererade effekten från de båda värmepumparna tillförs extra effekt från befintlig el- eller oljepanna. Vid dimensionering av värmepumpssystemet används medeltemperaturen på vattnet i uppsamlingsdammen innan reningsverket, 8,5 C. 5.2.1 Placering Avsikten med systemet är värmepumparna kopplas in på befintlig batterikrets i panncentralen och försörjer kretsens basbehov. När effekten från värmepumpen inte räcker till kan resterande effekt tillföras från befintlig el- eller oljepanna. Förslagsvis pumpas gruvvattnet efter rening i reningsverk direkt in i värmepumpen (se figur 13). Detta då värmepumpen är beroende av bra vattenkvalitén för att fungera tillfredställande [14]. 5.2.2 Dimensionering Figur 13 visar schematisk placering av värmepump i befintlig uppvärmningskrets. Här redovisas olika beräkningar för hur storleken på de olika värmeväxlingarna som är tilltänkta att använda i det två värmeåtervinningssystemen kan bestämmas. De uppgifter som använts till beräkningarna baseras på kommunikation med Grenholms och Coiltech. Syftet med avsnittet är att ge förenklade exempel på hur dimensionering av olika värmeväxlare kan se ut. 24

Värmepumpssystemet består av två värmepumpar som har en kyleffekt, Q L, på vardera 344 kw [14]. Kyleffekten är den effekt som köldmediet tar upp i förångaren från värmekällan vilket i detta fall är gruvvatten. Gruvvatten pumpas in i värmepumpens förångare (se figur 14) med ett flöde på 22 kg/s där temperaturen sänks från 8,5 C till 4,8 C. Temperaturdifferensen, T, i förångaren är 3,2 C. I förångaren värms köldmediet med 3,2 C vilket gör att mediet förångas och därefter komprimeras. När köldmediet komprimeras i kompressorn höjs dess tryck och temperatur. I kondensorn kyls köldmediet av vatten från batterikretsen vilket gör att mediet kondenseras från gas till vätskeform. Det är i denna fasövergång som värmeöverföringen sker mellan köldmediet och vattnet i batterikretsen. Figur 14 visar funktionen hos en värmepump. Genom kondensorn cirkuleras det vatten som levererar värme till batterikretsen. Vattentemperaturen höjs genom kondensorn från 40 C och till 50 C med ett flöde i kretsen på 11 kg/s. Den värmeeffekt, Q H, som värmepumpen avger bestäms genom summan av värmepumpens kyleffekt och den tillförda kompressoreffekten (ekvation 12). Värmeeffekten beräknas till 464 kw. = Q L + W Q H (kw) (12) För att bestämma värmepumpens effektivitet kan man beräkna dess effektivitetsfaktor. Denna faktor visar förhållandet mellan den avgivna värmeeffekten mot den tillförda effekten, det vill säga kompressoreffekten. Effektivitetsfaktorn kan beräknas med ekvation 13 och fås till 3,87. Q H W COPVP = (kw) (13) Den totala värmeeffekten för värmepumpssystemet är summan av den avlämnade effekten från de båda värmepumparna (464 kw + 464 kw), 930 kw. Det luftbatteri som används till värmepumpssystemet är identiskt med batteri 2 i systemet med direktvärmeväxling. Dimensioneringsberäkning kan ses i avsnitt 5.1.2 på sida 19. 25

5.2.3 Analys Uppgiften för systemet är att kontinuerligt leverera tilluft till gruvan som är 3 C. Kapaciteten för systemet begränsas av kyleffekten i värmepumpen. Som beskrivits tidigare kan effekten 690 kw levereras med antagandet att temperaturen hos gruvvattnet sänks med 3,2 C i värmepumparnas förångare. Till värmepumparna tillförs 240 kw vilket innebär att värmepumparnas totala värmeeffekt uppgår till cirka 930 kw med en effektivitetsfaktor på 3,87. Denna värmeeffekt täcker uppvärmningsbehovet ner till cirka -14 C. I figur 15 visas hur effektbehovet för tilluften till gruvan varierar med utomhustemperaturen. I figuren visas också den effekt som kan överföras från värmepumpssystemet till luften. Ur figuren kan ses att batteriet klarar att försörja luftens uppvärmningsbehov till cirka -14 C. 2000,00 1800,00 1600,00 Effekt (kw) 1400,00 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0-5 -10-15 -20-25 -30-35 Figur 15 visar luftens effektbehov vid uppvärmning till 3 C från olika utomhustemperaturer (linjen markerade med punkter). I figuren visas också hur stor effekt som kan överföras till luften från gruvvattnet med beskrivet värmepumpssystem (linjen är markerad med trianglar). 26

6 Ekonomisk analys Behovet för uppvärmning av ventilationen i Renström uppgick till 2,1 GWh under perioden oktober 2004 till mars 2005. Denna beräkning är baserad på ventilationsflödet 208 000 m 3 /h. Vid dimensionering av ett nytt värmeåtervinningssystem används ett lägre ventilationsflöde, cirka 150 000 m 3 /h [9] vilket är 28 procent lägre än dagens ventilationsflöde. Minskningen av flödet innebär också en 28 procentig minskning för energibehovet. Med detta i beaktande uppskattas att energibehovet för perioden kommer att sjunka till 1,514 GWh. Med temperaturen 8,5 C på det gruvvatten som används som värmekälla begränsas återvinningssystemet till den effekt som kan tas från vattnet. De undersökta värmeåtervinningssystemen kan täcka uppvärmningsbehovet för ventilationsluften ner till en utomhustemperatur på -11 C med direktvärmeväxling och ner till -14 C med värmepump. För att uppskatta den tid per år som utomhustemperaturen ligger inom ett visst intervall per år kan ett varaktighetsdiagram för uteluftens temperatur som funktion av årets normaltemperatur användas. Ett sådant diagram för perioden 1931-1960 visas i bilaga 1. Under perioden 1931-1960 var normaltemperaturen i Skellefteå 2,8 C [13]. I figur 1 i bilaga 1 kan det utläsas att den tid per år som temperaturen understiger -11 C är cirka 850 timmar. För att uppskatta den energimängd som under denna period måste tillföras till ett uppvärmningssystem kan antalet gradtimmar bestämmas med stöd av figur 1. Figur 16 visar exempel på hur antalet gradtimmar ( Ch) kan uppskattas genom att bestämma ytan mellan kurvan för årets normaltemperatur och det önskade temperaturintervallet. Antalet gradtimmar per år (S) kan bestämmas ur varaktighetsdiagrammet genom att uppskatta den yta (ekvation 14) som bildas mellan kurvan för årets normaltemperatur och det önskade temperaturintervallet (se figur 16). S = T dt ( Ch) (14) Energimängden (E) beräknas som produkten av luftens volymflöde ( V ), densitet (ρ), specifika värmekapacitet (cp) samt det antal gradtimmar (S) per år som temperaturen ligger inom önskat område (ekvation 15). E = V ρ cp S (MWh) (15) 27

6.1 Direktvärmeväxlingssystem Ett direktvärmeväxlingssystem kan som beskrivits tidigare täcka uppvärmningsbehovet för ventilationsluften till en lufttemperatur på -11 C. I varaktighetsdiagrammet (Figur 1 i bilaga 1) kan utläsas att, med normaltemperaturen 2,8 C, antalet timmar per år under perioden 1931-1960 som temperaturen understeg -11 C var cirka 850 timmar. Det är alltså under dessa 850 timmar per år som extra energi måste tillföras från befintligt uppvärmningssystem för att täcka energibehovet. För att beräkna mängden energi som måste tillföras kan i varaktighetsdiagrammet antalet gradtimmar ( Ch) för uppvärmningstiden (850 h) uppskattas. Energibehovet beräknas sedan som produkten av ventilationsflödet (54 kg/s), den specifika värmekapaciteten (1,006 kj/kg C) och summa gradtimmar (3763 Ch). Den totala energiomsättningen för uppvärmning av ventilationsluften med beskrivet direktvärmeväxlingssystem fås till 204 MWh/år. Då energiomsättningen idag är 1514 MWh kan det av resultatet från energiberäkningen ovan utläsas att energiomsättningen för uppvärmning av ventilationsluften minskas med 1 310 MWh per år med ett värmeåtervinningssystem. Med ett antaget elpris på 0,25 kr/kwh sänks uppvärmningskostnaden med 327 000 kronor per år. En faktor som försämrar den årliga besparingen är driftkostnaden för en cirkulationspump till systemet. Med en cirkulationspump på 10 kw [14] och en driftstid per år på cirka 4000 h blir pumpens driftkostnad per år cirka 10 000 kr. Den årliga besparingen beräknas som differensen mellan minskad uppvärmningskostnad (327 000 kr) och cirkulationspumpens driftkostnad (10 000 kr) till 317 000 kr Tabell 20 visar investeringskostnader [15]. Objekt Pris (kr) Projektering 50 000 Markarbeten 50 000 Plattvärmeväxlare [10] 120 000 Grovfilter [10] 150 000 Batteri 1,2 [11] 415 000 Rörkulvert 580 000 Total kostnad 1 365 000 I tabell 20 ovan redovisas investeringskostnader för ett värmeåtervinningssystem. Med de redovisade investeringskostnaderna för systemet samt den årliga besparingen i energikostnad bestäms den tid det tar att tjäna igen värdet på investeringskostnaderna med de minskade driftskostnaderna. Återbetalningstiden blir under givna förutsättningar cirka 4 år för systemet med direktvärmeväxling. 28

6.2 Värmepumpssystem Ett återvinningssystem med installerade värmepumpar kan som beskrivits tidigare täcka uppvärmningsbehovet för ventilationsluften till en lufttemperatur på -14 C. I varaktighetsdiagrammet (figur 2 i bilaga 1) kan utläsas att, med normaltemperaturen 2,8 C, antalet timmar per år som temperaturen understeg -14 C var cirka 450 timmar. Det är alltså under denna period som extra energi måste tillföras från befintligt uppvärmningssystem för att täcka energibehovet. Denna energimängd kan i varaktighetsdiagrammet beräknas genom att uppskatta antalet gradtimmar ( Ch) för den period under året som utomhustemperaturen understiger -14 C. Energimängden beräknas sedan som produkten av ventilationsflödet (54 kg/s), den specifika värmekapaciteten (1,006 kj/kg C) och summa gradtimmar (1505 Ch). Den totala energimängden som måste tillföras systemet fås till 82 MWh per år. För att beräkna mängden energi som värmepumpen producerat per år kan i ett varaktighetsdiagram (figur 3 i bilaga 1) antalet gradtimmar ( Ch) för uppvärmningsperioden (från 0 C till -14 C) uppskattas. Den från värmepumpen årligt avgivna energimängd beräknas sedan som produkten av ventilationsflödet (54 kg/s), den specifika värmekapaciteten (1,006 kj/kg C) och summa gradtimmar (25 086 Ch). Den totala energimängden som värmepumpen levererar till ventilationsluften fås till 1363 MWh per år. En faktor som måste beaktas med ett värmepumpssystem är att energi kontinuerligt tillförs till värmepumparna när de är i drift. Den tillförda energin till värmepumparna kan beräknas som kvoten av den totala energi mängd per år som avges från värmepumparna (1363 MWh) och dess effektivitetsfaktor (3,87). Den energi som tillförs värmepumparna fås till 352 MWh per år. Den energimängd som i ett värmepumpssystem måste tillföras årligen bestäms som summan av den tillförda energin till värmepumparna (352 MWh/år) och den energi som måste tillföras från befintligt uppvärmningssystem (82 MWh/år). Den totala energiomsättningen för uppvärmning av ventilationsluften med beskrivet värmepumpssystem fås till 434 MWh/år. Då energiomsättningen idag är 1514 MWh kan det av resultatet energiberäkningen ovan utläsas att energiomsättningen för uppvärmning av ventilationsluften kan minskas med 1 080 MWh per år med ett värmepumpssystem. Med ett antaget elpris på 0,25 kr/kwh sänks uppvärmningskostnaden med 270 000 kronor per år. En faktor som försämrar den årliga besparingen är driftkostnaden för en cirkulationspump till systemet. Med en cirkulationspump på 10 kw [14] och en driftstid per år på cirka 4000 h blir pumpens driftkostnad per år cirka 10 000 kr. Den årliga besparingen beräknas som differensen mellan minskad uppvärmningskostnad (270 000 kr) och cirkulationspumpens driftkostnad (10 000 kr) till 260 000 kr 29