UMEÅ UNIVERSITET Examensarbete Institutionen för Tillämpad fysik och elektronik 2006-01-19 Absorptionskylmaskin för Gålnäs industriområde. Stefan Fällström Civilingenjörsprogramme i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)
Sammanfattning De senaste tio åren har kylbehovet i fastigheter runt om i Sverige ökat. Kyla till dessa fastigheter kan produceras på olika sätt, tex med en kompressordriven kylanläggning, frikyla från en närliggande sjö eller ett hav, eller med en absorptionskylmaskin som drivs av fjärrvärme. Syftet med detta examensarbete är att dimensionera en absorptionskylmaskin på Gålnäs industriområde i Örnsköldsvik samt att titta på om det är tekniskt och ekonomiskt genomförbart med det kylbehov som idag finns på området. Eftersom industriområdet som har studerats i denna utredning ligger för långt från närmaste vatten är inte frikyla något alternativ. Det finns en fjärrvärmeledning framdragen till industriområdet och därför vill Övik Energi titta på alternativet absorptionskyla. Utredningen visar att effektbehovet för kylning är 860 kw fördelat på komfortkyla, avfuktningskyla och kondensorkyla. Komfortkyla och avfuktningskylan kommer att vara i drift på sommaren, medan kondensorkylan skall vara i drift året om. Ett förslag projekterades, inklusive ackumulatortank för att täcka dygnsvariationer. En absorptionskylmaskin kräver en framledningstemperatur hos fjärrvärmenätet på cirka 80 C. Detta innebär att temperaturen måste höjas cirka 10 C sommartid för att komma upp i absorptionskylmaskinens drifttemperatur. Vid denna temperatur kan absorptionskylmaskinen leverera en kylvattentemperatur på cirka 5-6 C. Om man genomför detta projekt skulle den totala investeringen för hela anläggningen - absorptionskylmaskin, kylnät, kyltorn, pumpar, ackumulatortank, maskinbyggnad och installationskostnader - bli cirka 7,3 Mkr. Detta resulterar i en återbetalningstid på 13 år, förutsatt att kunderna betalar 650 kr/mwh för komfort- och avfuktningskylan och 285 kr/mwh för kondensorkylan. i
Abstract Over the last ten years the need for chillers in buildings has drastically increased. Cold can be produced in a variety of way for instance, with conventional compression chillers, by using the cold water from a nearby lake or river or by using absorption chillers combined with district heating. The purpose of this thesis is to dimension an absorption cooling system in Gålnäs industrial area in the city of Örnsköldsvik and examine the technical and economical feasibility for a project to cover the areas current cooling requirements. Since the industrial area studied in this report lacks nearby water, the use water from a lake or river for district cooling is not an option. However, there are district heating pipelines available in the industrial area and thus Övik Energi wanted to explore the feasibility of absorption cooling. Using a market survey the cooling requirements for Gålnäs industrial area was acquired. The total cooling requirements was estimated to 860 kw, including air conditioning, dehydration cooling and condenser cooling. Air conditioning and dehydration cooling will be used in the summer time, while the condenser cooling will be active all year. A cooling pipeline system connecting the customers was designed and a cooling accumulation tank, which covers the daily cooling usage variations, was dimensioned. An absorption cooling system requires supply flow temperature from district heating to be about 80ºC. This results in an increased temperature in the district heating system during the summer period with about 10ºC to reach the operation temperature of needed in an absorption chiller. At this temperature the absorption chiller can produce a cooling temperature of 5-6ºC. The total investment for this project, including absorption chiller, cooling pipeline system, cooling tower, pumps, accumulation tank, buildings and installation costs, is estimated to be about 7.3 MSEK. The projects payback time will therefore be 13 years, assuming that the customers pay 650 SEK/MWh for air conditioning and dehydration cooling and 285 SEK/MWh for condenser cooling. ii
Innehållsförteckning SAMMANFATTNING...I ABSTRACT... II 1 INLEDNING...1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 1.3 SYFTE... 1 FÖRUTSÄTTNINGAR... 1 2 ABSORPTIONSKYLMASKIN...2 2.1 HISTORIA... 2 2.2 ABSORPTIONSPRINCIPEN... 2 2.3 SCHEMATISK FUNKTIONSFÖRKLARING... 4 2.4 UPPSTÄLLNINGSSÄTT... 6 2.5 ABSORBSTIONSLÖSNING LIBR... 7 2.6 EXTERN KYLNING AV ABSORPTIONSKYLMASKINEN... 8 2.6.1 Allmän beskrivning av kyltorn...8 2.6.2 Legionärsjukan...10 2.6.3 Teori för dimensionering av kyltorn...10 2.6.4 Kylning vintertid...11 2.7 REGLERINGSMETODER... 13 2.8 KRISTALLISATION... 13 2.9 UNDERHÅLL AV ABSORPTIONSKYLMASKINEN... 14 2.10 INKOPPLING AV EN ABSORPTIONSKYLMASKIN PÅ FJÄRRVÄRMENÄTET... 14 2.11 ABSORPTIONKYLMASKINENS EFFEKTIVITET... 15 2.12 MINDRE ABSORPTIONSKYLMASKINER... 16 3 ENERGILAGRING KOPPLAD TILL ABSORPTIONSKYLMASKIN....18 3.1.1 Vattenackumulator...19 3.1.2 PCM-lager...20 4 EXEMPEL PÅ STÄDER MED ABSORPTIONSKYLMASKINER...22 4.1 LINKÖPING... 22 4.2 4.3 GÖTEBORG... 23 UMEÅ... 24 5 GÅLNÄS INDUSTRIOMRÅDE I ÖRNSKÖLDSVIK...25 5.1 DYGNSBEHOVET AV KYLA PÅ GÅLNÄS INDUSTRIOMRÅDE... 26 5.2 KOSTNADSBERÄKNING FÖR ÄNDRING AV FRAMLEDNINGSTEMPERATUR I ÖVIKS FJÄRRVÄRMENÄT... 27 5.2.1 Teori för värmeförlustberäkningar...28 5.2.2 Pumpberäkningar...30 5.2.3 Värmepumpsberäkningar...31 5.3 EKONOMISKA BERÄKNINGAR... 33 6 RESULTAT...34 6.1 ABSORPTIONSKYLMASKIN MED KYLTORN OCH ACKUMULATORTANK... 34 6.2 PUMP MELLAN ABSORPTIONSKYLMASKINEN OCH KYLTORNET... 36 6.3 KOSTNAD VID ÄNDRING AV FRAMLEDNINGSTEMPERATUR... 37 6.4 KOSTNADER OCH DIMENSIONERING AV KYLNÄTET... 37 6.4.1 Fall 1...38 6.4.2 Fall 2...39 6.5 KYLNING VINTERTID... 41 6.5.1 Förutsättningar...41 6.6 DRIFTTID... 41 6.7 PRODUKTIONSPRIS PÅ KYLAN... 42 6.8 INVEST ERINGSKALKYL... 43 iii
6.9 KÄNSLIGHETSANALYS PÅ RESULTATET... 44 7 DISKUSSION...47 8 SLUTSATSER...48 9 REFERENSER...49 10 BILAGA...51 iv
1 Inledning 1.1 Bakgrund Övik Energi bygger en 6 km lång transferledning från Hörnett till Själevad/Gålnäs. Detta för att erbjuda fjärrvärme till fastighetsägare på industriområdet Gålnäs och för att ansluta ett befintligt närvärmenät i villaområdet Själevad till Övik Energis centrala fjärrvärmenät. Några av verksamheterna på industriområdet har även kylbehov. Behovet av komfortkyla ökar snabbt. En anledning till detta är att byggnaderna isoleras väl för att spara energi. Vidare, med ett ökat antal datorer och andra värmealstrande apparater kommer inomhustemperaturen att stiga och behovet av kyla att öka. Denna kyla produceras för närvarande med konventionella elkompressordrivna kylmaskiner, som innehåller miljöskadliga köldmedier. Ett alternativ till konventionella kylmaskiner är absorptionskylmaskiner som är fria från miljöskadliga köldmedier och till största delen drivs med värme. I samband med att Gålnäs industriområdet får tillgång till fjärrvärme så vill Övik Energi undersöka möjligheten för fastighetsägarna att byta ut sina kylmaskiner mot närkyla. Närkyla ska i så fall produceras av fjärrvärme med hjälp av en absorptionskylmaskin. Därmed minskar risken för skadliga köldmedieutsläpp, samtidigt som Örnsköldsviks kommuns mål att minska elanvändning tillgodoses och leveranserna av fjärrvärme ökar sommartid. Detta minskar de relativt höga förlusterna i fjärrvärmenätet under sommaren. Övik Energi planerar för ett kraftvärmeverk i framtiden för att man vill ha kraftvärmeproduktion även på sommaren så att man kan producera el. Då kan det vara fördelaktigt att sänka temperaturen på returledningen under delar av året. Med lägre temperatur så kan man minska driftskostnaderna. Även temperaturen på framledningen sänks från 100 C vintertid till 70 C sommartid för att sänka driftkostnaderna. Det är på sommaren lågtemperaturdrivna absorptionskylmaskiner kommer in i bilden. Det finns maskiner som klarar av en drivtemperatur på 80 C. En höjning av framledningstemperaturen på 10 C leder till högre driftskostnader men det kan kompenseras med att man tjänar pengar när kylan från absorptionskylmaskinen säljs. Absorptionskylmaskinen drivs till största delen av värme, den el som krävs är till driften av cirkulationspumpar. Om man kan byta ut kompressionskylmaskiner mot absorptionskylmaskiner i industrin, ger det en minskad elanvändning och minskade koldioxidutsläpp. Eftersom den svenska elmarknaden är en del av den större europeiska elmarknaden kan el som konsumeras i Sverige ge upphov till koldioxidutsläpp eftersom marginalel idag produceras med hjälp av kolkondenskraft, i tex Tyskland, som släpper ut stora mängder koldioxid. 1.2 Syfte Att undersöka om det är genomförbart att installera en absorptionskylmaskin på Gålnäs industriområde i Örnsköldsvik. De aspekter som ska tas hänsyn till är om det är tekniskt och ekonomiskt möjligt. 1.3 Förutsättningar Förutsättningen för att det ska gå att dimensionera en absorptionskylmaskin är att man får tillgång till en produktspecifikation med teknisk data över en maskin. Dessutom måste man ha kännedom om vilka förutsättningar som behövs för att maskinen ska gå effektivt samt vilka 1
fjärrvärmetemperaturer de klarar av att producera kyla på. Det behövs även information om hur stort kylbehovet är och vilka dygnsvariationer på kylförbrukningen det finns i området. 2 Absorptionskylmaskin 2.1 Historia Principen bakom absorptionskylmaskiner upptäcktes redan år 1777, [1]. På 1850-talet lyckades en fransk forskare som hette Ferdinand Carre göra en värmedriven absorptionsmaskin. Ferdinand använde sig av ammoniak som kylmedium och vatten som absorbent. Denna kombination var den enda som lyckades etablera sig på den kommersiella marknaden på 1800- och tidiga 1900-talet, [1]. Under 1920 och 1930-talet lades mycket kraft på att forska runt absorptionskylcykler. Det gjordes markanta framsteg särskilt med maskiner med liten kapacitet. Det tillverkades små gaseldade ammoniak-vatten-kylaggregat som blev mycket populära i delar av värden där elektricitet ännu inte fanns. På 1940-talet började företaget Carrier en intensiv forskning och utveckling kring stora absorptionskylmaskiner. Fem år senare kom den första stora absorptionskylmaskinen ut i kommersiell drift. Maskinen installerades hos Sealright Corporation i Fulton New York. Den användes till att kyla processvatten 24 timmar om dygnet, [1]. Absorptionskylmaskiner massproducerades under 1950-talet i USA. På grund av den hotande bristen på gas men även på grund av kärnkraftens utbyggnad vann eldrivna kylmaskiner marknadsandelar i USA under 1970-talet. Utvecklingen av absorptionskylmaskiner tog ny fart i Japan och år 1985 svarade dessa för 80 % av den storskaliga marknaden i Japan. Under år 1998 var världsproduktionen av absorptionskylmaskiner ungefär 8600 aggregat, och av dessa var över 85 % kylmaskiner med mer än 350 kw kapacitet, [2]. Absorptionskylmaskiner kyler idag många olika industrier och hundratals luftkonditioneringssystem. Den amerikanska flottan använder sig av absorptionskylmaskiner i atomubåtar. Absorptionskylmaskinerna finns i dag i många olika storlekar allt ifrån några hundra kw till flera MW, [1]. 2.2 Absorptionsprincipen När man nämner kyla så tänker de flesta personer på elkompressordrivna kylmaskiner som innehåller lättflyktiga ämnen som kokar redan vid minusgrader. De flesta ser inte kokande vatten som ett kylmedium, utan snarare som något som används till kokning av potatis och makaroner. Man kan ändra kokpunkten på vatten genom att ändra trycket. Vatten kokar vid 100 C vid havsnivån, men ju högre upp man kommer desto lägre blir trycket och desto lägre blir koktemperaturen. På 3000 meters höjd kokar vatten vid 80 C, [1]. 2
Figur 1. Fasdiagram för vatten, förstoring av område vid låga temperaturer och tryck, [3]. Figur 1 visar kokpunkten för vatten vid olika tryck. När man sänker lufttrycket så sjunker kokpunkten. Det är kokning vid väldigt låga tryck och temperaturer som är själva grundidén med absorptionsmaskiner. Vatten skulle kunna användas som kylmedium och kan fås att koka vid temperaturer mellan 4 och 7 C om trycket är 800 till 1000 Pa. För att klara av dessa låga tryck så måste en mekanisk pump med mycket stor kapacitet användas. Storleken och kostnaden för en mekanisk pump gör hela apparaten oekonomisk. Alternativet blir därför att använda sig av en absorbator som tar mindre plats och är billigare än en mekanisk pump. Det finns många sorters salter i vår vardag som kan absorbera fukt. Ett exempel är vanligt bordssalt som blir klumpigt om det står framme en längre tid. Det beror på att saltet absorberar fukt från luften. Ett annat exempel är kalciumklorid som är ett salt som sprids ut på grusvägar för att absorbera fukt. Därmed blir vägbanan fuktig och den dammar inte. Som absorbent i stora absorptionskylmaskiner används litiumbromidlösning (LiBr). Varför man valt just LiBr som absorbent är att av alla salter som kan användas är LiBr det som har den bästa förmågan att absorbera vattenånga. Absorptionsprocessen grundas på två fundamentala förutsättningar; Att LiBr-lösningen har extremt god förmåga att absorbera vattenånga och att vatten kokar vid låga temperaturer när det råder mycket lågt tryck. 3
Absorptionsmaskinens fyra huvudkomponenter är förångare, absorbator, generator och kondensor. Detta är alltså är samma komponenter som i en traditionell kompressorkylmaskin förutom att generatorn byts ut mot en kompressor och absorbatorn mot en strypventil, [1]. 2.3 Schematisk funktionsförklaring Absorptionsprocessens två fundamentala förutsättningar används för att uppnå kylning i en absorptionskylmaskin. Absorptionskylmaskinen fungerar så att vatten pumpas upp till munstycken med en kylmediumpump enligt Figur 2. Vattnet sprejas ut i en förångare vid lågt tryck. Där träffar vattnet en kyllastledning och förångas. Vattnet drar då åt sig värme ur ledningen och på så sätt kyls vattnet i kyllastledningen. Vattenångan transporteras till absorbatorn, som är en behållare med LiBr, där vattenångan absorberas av LiBr. Ångan transporteras av sig själv från förångaren till absorbatorn eftersom ångtrycket är lägre i absorbatorn jämfört med i förångaren. Ju mer vattenånga som produceras desto mer utspädd blir LiBr-lösningen. Figur 2. Schematisk bild över första och andra steget i absorptionsprocessen, [4]. Processen fortsätter tills LiBr har absorberat så mycket vattenånga så att den är mättad och avstannar processen. 4
Figur 3. Schematisk bild över första, andra och tredjesteget i absorptionsprocessen, [4]. För att förhindra att processen avstannar måste den svaga lösningen pumpas upp i en generator (Figur 3). I generatorn tillsätts värme, tex fjärrvärme som gör att lösningen börjar koka. Vattnet separeras då från LiBr-lösningen. Den starka LiBr-lösningen rinner sedan själv ner till absorbatorn. Eftersom den kalla svaga LiBr-lösningen från absorbatorn måste värmas upp och den varma starka LiBr-lösningen från generatorn måste kylas ner sätts en värmeväxlare in mellan absorbatorn och generatorn (Figur 3). Denna växlare ökar effektiviteten i cykeln. Figur 4. Schematisk bild över absorptionsprocessen, [4]. 5
Den starka LiBr-lösningen måste kylas ytterligare för att den ska kunna absorbera så mycket vattenånga som möjligt. Den kyls ner med hjälp av en kylledning med kylmedel, tex vatten, som transporterar bort värmen, enligt Figur 4. Vattnet som kokas bort från den svaga LiBrlösningen i generatorn transporteras till en kondensor. Där kondenseras vattenångan till vatten med hjälp av en kylledning. Vattnet rinner sedan ner till förångaren där det pumpas upp genom munstyckena för att ännu en gång sprejas ut på kyllastledningen och därmed är absorptionskylcykeln sluten och därmed finns inga vattenförluster internt i cykeln. Det vatten som processen behöver är vattnet som kyler absorbatorn och kondensorn och det kan kylas av ett kyltorn om man inte har sjövatten eller dylikt, [4]. 2.4 Uppställningssätt Ett exempel på ett uppställningssätt där man har arrangerat de olika komponenterna i en absorptionskylmaskin kan ses i Figur 5. Figur 5. Exempel på en tvåtanksuppställning i en absorptionskylmaskin, [1]. Den nedre tanken består av en förångare och en absorbator, och den övre tanken består av en generator och en kondensor. Värmeväxlare och pumpar är monterade utanför tankarna. Denna tvåtanksuppställning gör att det blir en naturlig avskiljning mellan högt tryck och hög temperatur i övre tanken och lågt tryck och låg temperatur i den nedre tanken. Uppställningen gör att man kan minimera antalet pumpar till två. Vätskan rinner av sig själv från generatorn till absorbatorn och från kondensorn till förångaren. Förångaren är placerad på den högra sidan i den undre tanken. Vattnet flödar från kondensorn till förångarpumpen som pumpar vattnet till munstyckena där det sprutas ut och förångas på kyllastledningen. LiBr i absorbatorn har ett lägre partialtryck än vattnet så vattenångan dras 6
från förångaren och absorberas i absorbatorn. Lösningen som bildas pumpas upp genom värmeväxlaren till generatorn. Där kokas vattnet bort och den starka LiBr lösningen rinner tillbaka av sig själv till absorbatorn. Vattnet som kokas bort kondenseras i kondensorn och rinner ner till förångaren, [1]. 2.5 Absorptionslösning LiBr Tryck, temperatur och koncentration av LiBr kan bestämmas i ett jämviktsdiagram. I Figur 6 går det att följa lösningscykeln genom hela processen i absorptionskylmaskinen. Förutsättningarna i jämviktsdiagrammet är att kylvattnet kyls till 6,6 C (44 F) och att vattnet som sprejas på kyllastledningen i förångaren har en temperatur på 4,4 C (40 F). Vid denna temperatur är ångtrycket 845 Pa (0,25 inch hg), [1]. Figur 6. Ett exempel på ett jämviktsdiagram för LiBr lösning, [1]. Linje 1-2 i diagrammet visar flödet av den svaga lösningen från absorbatorn genom värmeväxlaren. Temperaturen i punkt två beror på vilken temperatur den starka lösningen har som har lämnat generatorn, den starka lösningen värmeväxlas mot den svaga lösningen. I punkt 2 flödar lösningen till generatorn. Linje 2-3 visar att värme tillsätts i generatorn och temperaturen stiger tills ångtrycket är lika med trycket i generatorn. I linje 3-4 kokar vattenångan bort från lösningen. Lösningen blir starkare ju mer ånga som kokas bort. 7
I punkt 4 lämnar den starka lösningen generatorn och lösningen har då en koncentration på 64 %. Linje 4-5 visar flödet av den starka lösningen från generatorn genom värmeväxlaren. Temperaturen i Punkt 2 och 5 beror på hur stort värmeutbyte som kan ske i värmeväxlaren, vilket kan variera från fall till fall. På denna maskin finns det en öppning på värmeväxlaren där man kan portionera in kallare svag lösning till den varma starka lösningen. Denna process är linjen 5-6 och det gör man för att undvika kristallisationslinjen. Om kristallisation av LiBr inträffar så stannar processen. Linje 6-7 visar avkylningen av den starka lösningen i absorbatorn. I linje 7-1 absorberar LiBr vattenångan och LiBr koncentrationen sjunker från 64 % till 60 %, [1]. 2.6 Extern kylning av absorptionskylmaskinen En absorptionskylmaskin måste ha extern kylning eftersom maskinen laddas med värme från fjärrvärmenätet samt drar ur värme från kylledningen. Sjö- och havskyla innebär att man utnyttjar kallt vatten från sjöar, hav eller andra vattendrag som grund för externkylning. Vatten med en temperatur på 15-20 C pumpas upp och kyler via en värmeväxlare vattnet som cirkulerar i absorptionskylmaskinen. Om man har tillgång till en sjö eller ett hav nära sin absorptionskylmaskin så är detta det mest ekonomiska alternativet för extern kylning av maskinen eftersom det ger en lägre investeringskostnad än ett kyltorn. Kyltorn är den typen av kylning som kommer att användas på Gålnäs industriområde eftersom det är långt till närliggande vattendrag. 2.6.1 Allmän beskrivning av kyltorn När vatten går från flytande fas till ånga frigörs det energi. För att få vatten att förångas måste alltså man tillföra energi. T ex elektrisk energi tillföra till en vattenkokare för att få vattnet att koka. Ett kyltorn utnyttjar fasövergången genom att skapa ett tillstånd då varmt vatten förångas med hjälp av att blåsa luft. I ett kyltorn sprutas varmt vatten in i toppen av en låda. En fläkt suger in stora mängder luft genom lådan och med denna luft kyls vattnet som sedan rinner ner till botten av kyltornet (enligt Figur 7). Där samlas vattnet upp och pumpas tillbaka till maskinen som det ska kyla. Eftersom det försvinner vatten vid förångningsprocessen måste vatten tillföras för att systemet ska innehålla en konstant vattenmängd. 8
Figur 7. Principskiss över ett kyltorn, [5]. Vattendropparna som faller genom kyltornet blir kylda med hjälp av följande faktorer; förångning, konvektion och strålning enligt Figur 8. Figur 8. Kylningsfaktorer hos en vattendroppe, [5]. 9
Värmen som försvinner från droppen genom strålning är väldigt liten och försummas oftast. Genom konvektion och ledning försvinner 25-30 % av den totala värmeövergången från vattendroppen till luften. Storleken på den faktorn beror på hur stor temperaturskillnad är mellan luften och vattnet i kyltornet. Den sista och största faktorn är avdunstning. Avdunstning sker när luft och vatten kommer i kontakt med varandra och orsakas av tryckskillnaden mellan vattenångan på ytan av vattendroppen och vattnet i luften. Avdunstning i ett kyltorn sker i lådan och mängden vatten som avdunstas beror på följande faktorer: Mängden luft som passar vattnet. Omgivningens våta temperatur. Mängden vatten som ska kylas. Volymen på lådan. Våta temperaturen är den lägsta temperaturen som kan nås genom förångning av vatten i luftmiljö, [5]. 2.6.2 Legionärsjukan Legionärsjukan är en lunginflammation orsakad av legionellabakterier. Bakterien finns i vatten och jordsamlingar. För att bli smittad måste man andas in bakterien i lungorna och samtidigt ha nedsatt immunförsvar. De flesta har fått i sig bakterien utan att bli sjuk och ungefär 50 till 80 st sjukdomsfall rapporteras årligen i Sverige. Legionärsjukan sprids i dåligt konstruerade vattensystem och smittar genom inandning av vattendimma från duschar, klimatanläggningar, bubbelpooler och kyltorn. Bakterien som heter Legionella pneumophila trivs i varmt stillastående vatten och har en kraftig tillväxt mellan 18 C och 45 C. Kyltornets arbetstemperatur på 20 C till 40 C och klimat är ideala för legionellabakteriens tillväxt. Därför krävs en bra vattenreningsutrustning som kan rena vattnet från dessa bakterier. För att minimera risken att bakterien sprids med hjälp av kyltorn ska följande aspekter beaktas, [6]. Bygg tornet på en plats som minimerar att partiklar sugs in i systemet. Använd moderna filter som ska vara utbytbara. Bygg tornet i kvalitetsmaterial så att korrosion undviks. Undvik sprejmunstycken om tornet är beläget på känsliga platser. Ha regelbundna kontroller av filter och vattenrening, [5], [6]. 2.6.3 Teori för dimensionering av kyltorn Det kan vara väldigt mödosamt att utföra beräkningar på kyltorn om man använder sig av teorier för värmeöverföring och masstransport var för sig. Men om man använder sig av Merkels totala värmeteori så förenklas beräkningarna. Merkels teori [5] säger att den totala värmeöverföringen som förekommer på vilken position som helst i tornet är proportionell mot skillnaden mellan den totala entalpin i luften i den punkten och den totala entalpin i den mättade luften vid samma temperatur som vattnet i samma punkt. Merkels teori beräknas enligt följande: ( ) Q = K * A * H w H g (1) 10
Där Q Bortförd värme genom ledning [W] och förångning. K Masstransportskoefficient. [kg/m 2 s] A Kontaktarean mellan luft och vatten. [m 2 ] H w Entalpin för mättad luft vid vatten- [kj/kg] temperatur. H Entalpin för kringliggande luft. [kj/kg] g Den totala värmen som försvinner från vattnet beräknas enligt följande: ( T ) φ m v* Cp * T (2) v = v 1 2 Där φ v Totala värmen som försvinner från [W] vattnet. m v Vattnets massflöde. [kg/s] Cp v Specifika värmekapaciteten för vatten. [kj/kgk] T 1 Vattnets inloppstemperatur. [K] T Vattnets utloppstemperatur. [K] 2 Den totala värmen som tas upp av luften beräknas enligt följande: L ( H H ) φ = L (3) L * g1 g2 Där φ L Totala värmen som tas upp av luften. [W] L L Luftflödet. [kg/s] H Entalpin av frånluft. [kj/kg] g1 H Entalpin av tilluft. [kj/kg] g2 Värmeförlusterna till omgivningen försummas så som följande: ( T T ) mv* Cpv * 1 2 H g1 = + LL H g2 φ = φ efter lite omskrivning kan skrivas v L (4) 2.6.4 Kylning vintertid För kylning vintertid kan man använda sig av en kylmedelskylare, illustrerad enligt Figur 9. Vid kall väderlek kan man stänga av absorptionskylmaskinen och istället koppla in en kylmedelskylare. Vattnet som kommer ifrån kylnätet växlas mot en glykolvattenblandning i en plattvärmeväxlare. Glykolvattenblandningen har man för att inte kylmedelskylaren ska frysa om det är minusgrader ute. Den varma glykolvattenblandningen kyls i ett kylpaket i kylmedelskylaren. Kall uteluft sugs igenom kylpaketet med hjälp av fläktar och den avkylda 11
glykolvattenblandningen cirkulerar tillbaka till plattvärmeväxlaren. En kylmedelskylare har en lägre driftskostnad än en absorptionskylmaskin och används med fördel under vintern när kylbehovet är mindre och uteluftens dygnsmedeltemperatur ligger under 0 C, [7]. Figur 9. Luftkyld kylmedelskylare, [7]. För att dimensionera en plattvärmeväxlare används NTU-metoden. NTU står för number of heat transfer units. Detta är en dimensionslös kvot som används för att beräkna värmeväxlarens UA-värde. NTU-värdet för motströmsvärmeväxlare beräknas enligt följande: NTU 1 ε 1 = ln c 1 ε * c 1 (5) Där NTU Number of heat transfer units. [-] c Värmekapacitets förhållandet. [-] ε Effektiviteten. [-] Värmekapacitetsförhållandet c beräknas enligt följande: C min_ av _( m *, * ) min kall Cpkall mvarm Cpvar m c = = (6) Cmax max_ av _( mkall* Cpkall, mvar m* Cpvar m ) Där C Specifikt värmeflöde, kall/varm sida. [W/K] m Massflöde, kall/varm sida. [kg/s] Cp Specifik värmekapacitet, kall/varm sida. [kj/kgk] Den termiska effektiviteten beräknas enligt följande: Q ε = (7) C min ( T T ) varm, in kall, in 12
Där Q Verkligt värmeutbyte. [W] T var m, in In temperatur på varma sidan. [K] T, In temperatur på kalla sidan. [K] kall in Den effektiva värmeytan i plattvärmeväxlaren beräknas enligt följande: NTU * cmin A = (8) U Där A Effektiv värmeyta. [m 2 ] U Värmeövergångskoefficint. [W/m 2 K] c Värmeövergångsförhållande. [W/K] min 2.7 Regleringsmetoder På tidiga absorptionskylmaskiner reglerades kylkapaciteten genom att styra flödet av LiBrlösning till generatorn samtidigt som man reducerade ångflödet och kondensorns kylmediumflöde. Detta var en extremt komplicerad regleringsmetod och krävde stor systemkännedom. Senare förenklade man denna metod så att endast kondensorns köldmedium reglerades. Den vanligaste regleringsmetoden idag är att man reglerar varmvattenflödet in i generatorn med hjälp av en strypventil. Man minskar på värmen när man vill minska kylkapaciteten och ökar värmen när man vill öka kylkapaciteten. Detta sätt fungerar bra om man vill reglera ner kapaciteten till 10 % av maxkapaciteten. Värmekonsumtionen varierar direkt proportionellt mot kyllasten, [1], [4]. Det finns två viktiga saker som man vill undvika när man kör en absorptionskylmaskin. Detta är att hålla maskinen tät så att inte luft tränger in och att undvika kristallisation av LiBr. Med kristallisation menas att LiBr-lösningen går från flytande till fast form. Om det läcker in luft i maskinen kommer följande saker att uppstå: trycket i absorbatorn och vattnets förångningstemperatur ökar. Maskinen tappar i kapacitet och det ökar risken för att LiBr kristalliseras. När kapaciteten sjunker blir det mindre last i generatorn och kondensorn, genom att lösningen kommer att koncentreras vid högre temperatur och högre tryck vilket resulterar i en starkare lösning. Om lösningen blir för koncentrerad så kan den kristallisera i värmeväxlaren. Det kan också uppstå korrosion på de inre delarna i maskinen. När maskinen är fri från syre så uppkommer det ingen korrosion. Fria metallytor i kombination med syre och LiBr resulterar i korrosion. För att undvika dessa fel så vakuumpumpas maskinen med jämna intervaller, [1]. 2.8 Kristallisation Kristallisation av LiBr kan ske om det blir ett långt oberäknat stopp t ex strömavbrott. När kristallisation inträffar händer följande: kristallisationen sker vanligtvis i värmeväxlaren och detta förhindrar den starka LiBr-lösningen att komma tillbaka till absorbatorn eftersom röret blir täppt av LiBr i fast form. Den starka lösningen rinner då ner absorbatorn genom generatorns bräddavlopp. Den varma lösningen pumpas sedan via lösningspumpen till tuberna 13
i värmeväxlaren. När den varma lösningen nåt fram till värmeväxlaren dekristalliseras kristallerna automatiskt. Om stoppet på maskinen sker vid ett strömavbrott kan inte lösningen dekristalliseras automatiskt, för pumpen går inte. Det blir även kristallisation i pumpen, för att åtgärda detta problem så värmer man upp pumpen tills kristallisationen dekristalliseras. Dekristallisation av växlaren sker automatiskt så fort pumpen fungerar, [8]. För att göra maskinen säker mot kristallisation måste man ha ett säkerhetssystem som stoppar maskinen om temperaturen på kylmedelvattnet blir för hög [8], [9]. 2.9 Underhåll av absorptionskylmaskinen En absorptionskylmaskin innehåller inga rörliga delar förutom de två lösningspumparna som cirkulerar lösningen i maskinen. Detta leder till att absorptionskylmaskinen blir driftsäker och underhållskostnaderna låga. Det underhåll en absorptionskylmaskin kräver i kontinuerlig och tillfredställande drift är i stora drag följande: Varje månad: Kontrollera LiBr och vattnets inblandning. Bestäm ackumuleringshastigheten av ej kondenserbara gaser. Kontrollera justeringen av kapacitetskontrollsventilen. Varje halvår: Ta prov på lösningen. Kontrollera mängden LiBr-lösningen. Varje år: Kontrollera nersmutsning i lösningsbehållarna. Vartannat år: Byt ut serviceventilens membran. Vart sjunde år: Inspektera pumparna, [8]. 2.10 Inkoppling av en absorptionskylmaskin på fjärrvärmenätet De två vanligaste sätten att koppla in en absorptionskylmaskin på ett fjärrvärmenät är FRAM/FRAM eller FRAM/RETUR. En FRAM/FRAM-koppling är kopplad så att fjärrvärmens framledning går in i absorptionskylmaskinen. Returen från absorptionskylmaskinen är i sin tur också kopplad till fjärrvärmens framledning. Denna inkoppling medför att avkylt vatten blandar sig med det varma framledningsvattnet i fjärrvärmeröret. Det är inget problem om det rör sig om små enheter med liten effekt, men om det blir för många absorptionskylmaskiner i ett fjärrvärmenät kan det påverka framledningstemperaturen negativt. Det blir svårt att hålla en jämn framledningstemperatur i nätet, [14]. En FRAM/RETUR-koppling är kopplad så att fjärrvärmens framledning går in i absorptionskylmaskinen. Returen från absorptionskylmaskinen är i sin tur kopplad till fjärrvärmens returledning. Eftersom absorptionskylmaskinens returvatten är mycket varmare än fjärrvärmenätets returvatten så blir fjärvärmereturen uppvärmd. Det är som i föregående 14
inkoppling (FRAM/FRAM) inget problem om det rör sig om små enheter med liten effekt. Men för många absorptionskylmaskiner i ett fjärrvärmenät leder till en förhöjd returtemperatur vilket inte är att önska om man har kraftvärme, [14]. 2.11 Absorptionkylmaskinens effektivitet Investeringskostnaden för en absorptionskylmaskin är hög jämfört med en vanlig kompressordriven kylmaskin. Detta gäller särskilt de fall där man behöver använda sig av kyltorn för att kyla absorptionskylmaskinen. Även köldfaktorn (COP) är mycket mindre i en absorptionskylmaskin jämfört med kompressordriven kylmaskin. Det skiljer ca 4 gånger. Absorptionskylmaskiner körs oftast vid en drifttemperatur på 120-gradig drivvärme. Vilket är högre än vad som finns att tillgå i ett fjärrvärmesystem sommartid. För att få ett maximalt COP måste maskinen köras med den drivtemperatur som den är byggd för. Körs den med en lägre temperatur påverkas COP negativt. Anledningen till detta är att kyllastflödet är anpassat efter maskinens drivtemperatur och ändras inte om man sänker drivtemperaturen. När man kör på en lägre drifttemperatur så minskar effekten på maskinen medan kylningen av maskinen har samma effekt som tidigare med resultatet att COP sjunker enligt Figur 10, [9]. Figur 10. Variation av köldfaktor med drivtemperaturen för en maskin designad för 120 C drivtemperatur, [9]. Energiverkningsgraden för en absorptionskylmaskin beräknas som förhållandet mellan kyllastvattnets kyleffekt och tillförde driveffekten. Detta förhållande kallas köldfaktorn COP och beräknas enligt följande. COP För För = (9) Q Gen Q + P Pump Q Q Gen Där COP Köldfaktorn. [-] Q Förångarens kyleffekt. [kw] För 15
Q Gen Generatorns driveffekt. [kw] P Pumpeffekten. [kw] Pump Effekten hos cirkulationspumparna PPumpär så liten så att den ofta försummas. 2.12 Mindre absorptionskylmaskiner Mindre absorptionskylmaskiner av storleken (36-107 kw) finns på marknaden. De tillverkas av Yazaki Energy Systems Inc. De tillverkar tre modeller med effekterna 36 kw, 72 kw och 107 kw. Dessa maskiner kan kopplas in i enskilda fastigheter eller i industrier efter behov. Om kunden redan är kopplad till fjärrvärme så är det inget problem att även ansluta absorptionskylmaskinen till fjärrvärmen eftersom de dagar kylbehovet är som störst behöver fastigheten inte värmas upp med fjärrvärme. Dessa små absorptionskylmaskiner är framtagna för en drivtemperatur på fjärrvärmen på ca 87 C. Temperaturen på kyllastvattnet som maskinen producerar är ungefär 7 C. Maskinen lämpar sig väl för ändamål som komfortkyla och kylning av maskiner o.s.v. För att kyla maskinen används mindre kyltorn eller frikyla på samma sätt som det står beskrivet i kapitel 2.6 för större absorptionskylmaskiner, [10]. Figur 11. Kylprestanda för en 107 KW absorptionskylmaskin, [10]. Små maskiner är känsliga för temperaturförändringar på fjärrvärmevattnet och kylmedelvattnet. I Figur 11 kan man se att en sänkning av fjärrvärmetemperaturen på endast 5 C ger en sänkning av kyleffekten på ca 15 %. Även temperaturändringar av kylmedelvattnet ger stora utslag på kyleffekten. 16
Figur 12. Värmeförbrukning för en 107 kw absorptionskylmaskin, [10]. Köldfaktorn i dessa små absorptionskylmaskiner håller sig runt 0.65-0.8 beroende på vilken fjärrvärmetemperatur man har. För att driva en 107 kw absorptionskylmaskin behövs det en fjärrvärmeeffekt på 150 kw enligt Figur 12. 17
3 Energilagring kopplad till absorptionskylmaskin. Varmvattenackumulatortankar är vanligt förekommande i svenska fjärrvärmenät. Ackumulatortankarna ser till att jämna ut värmepikarna som kan förekomma under dygnet så att produktionsenheten får en jämnare gång. När man pratar om kyla är det inte vanligt med ackumulatortankar. Eftersom en kompressordriven kylmaskin, som idag är vanligt förekommande, är lätt att reglera efter kylbehov, så finns det inget behov av en ackumulatortank. Oftast finns det många små kylmaskiner i ett och samma hus som jobbar individuellt enligt Figur 13. Figur 13. Exempel på små kompressionskylmaskiner i ett fler bostadshus, [2]. Många små kylmaskiner i en stad resulterar i stora elektriska behov mitt på dagen när det är som varmast. I många länder är även elkostnaden flera gånger högre mitt på dagen än på natten, vilket innebär att kostnaden för kylan blir dyr. Det finns pengar att spara genom att få bort dessa små kylenheter och ersätta dem med en stor centraliserad kylmaskin kopplad till ett kylnät med ackumulatortank. Behovet av kyla varierar över lång sikt mellan sommar och vinter och på kort sikt mellan dag och natt. En absorptionskylmaskin får högre effektivitet om den får köra under konstant last under en längre tid. Genom att lagra kyla som maskinen producerar nattetid och sedan använda kylan under dagens effekttoppar, får man lägre energiförbrukning för produktionen samtidigt som det möjliggör ett högre effektuttag. På så sätt kan man koppla in fler kunder på en mindre produktionsanläggning. När man lagrar kylan kan man använda sig av vanligt vatten eller PCM-material (Phase Change Materials = Fasändringsmaterial). 18
3.1.1 Vattenackumulator Kyla som lagras i en vattenackumulatortank laddas med en vattentemperatur på 6 C. För att få mindre värmeföluster vill man få skiktning i tanken. Det kan man få om man låter det kalla framledningsvattnet gå in i botten av tanken och det varmare returledningsvattnet gå in i toppen av tanken. Flödet som kommer in i toppen av tanken hålls lågt så att inte omblandning i tanken ska ske. Ett exempel på uppställning med vattenackumulatortank kopplad till en absorptionskylmaskin kan ses i Figur 14, [11]. Figur 14. Absorptionskylmaskin kopplad till en vattenackumulatortank, [12]. När man använder sig av kyltillämpningar är skillnaden mellan framlednings- och returtemperaturen relativt liten ca 8-10 C. När temperatur skillnaden i tanken blir litet krävs det stora volymer vatten för att lagra kylan. Vatten har som lagringsmedium en lagringskapacitet på ca 9 kwh/m 3, [11]. Den teoretiska vattenvolym som behövs för att lagra en given energimängd beräknas enligt följande: Q = ρ * Cpvatten * V * T (10) Där V Volym. [m 3 ] T Temperaturdifferens. [K] Cp Specifik värmekapacitet. [J/kgK] vatten ρ Densitet vatten. [kg/ m 3 ] Q Energimängd. [J] 19
3.1.2 PCM-lager När ett stelnat PCM värms upp och når sin smältpunkt går det igenom en fasövergång från fast till flytande. Under fasövergången absorberar materialet en viss mängd värme som kallas smältentalpi. När man tillför värme så håller materialet en konstant temperatur under hela fasomvandlingen. Även om man går från flytande till fast form så håller materialet en konstant temperatur under omvandlingsprocessen. Ett exempel på uppställning med PCMlager kopplad till en absorptionskylmaskin kan ses i Figur 15. Figur 15. Absorptionskylmaskin kopplad till ett PCM-lager, [12]. Ett vanligt fasändringsmaterial är paraffin. När man använder paraffin i ett lager kombineras det med fördel med vatten. Då ökar värmelagringsförmågan och temperaturen under fasövergången hålls konstant. När man har små temperaturdifferenser i lagret blir skillnaden i värmelagring mellan paraffin och vatten stor (Enligt Figur 16). Ju större temperaturdifferenser desto mindre blir värmelagringskapacitetsskillnaden mellan paraffin och vatten. Det beror på att Cp för vatten är dubbelt så stort som Cp för paraffin, som ligger på 2,1 kj/kgk, [13]. Paraffin har som lagringsmedium en lagringskapacitet ca 25 kwh/m 3, [11]. 20
Figur 16. Värmelagringskapaciteten i ett paraffinlager jämfört med ett vattenlager, 13]. Små temperaturintervall och hög andel paraffin möjliggör väldigt kompakta lager, vilket visas i Figur 17. Figur 17. Förhållande i värmelagringskapacitet mellan paraffin och vatten, [13]. 21
Värmen som kan lagras i ett fasändringsmatrial kan räknas ut enligt följande: Q Där PCM ( m Cp* T ) Vatten + ( m* Cp* T ) PCM + ( m H smält ) PCM = * * (11) Q PCM Värmemängd. [J] m Massan. [kg] Cp Specifik värmekapacitet. [J/kgK] H smält Specifik smältentalpi. [kj/kg] 4 Exempel på städer med absorptionskylmaskiner 4.1 Linköping I Linköping har Universitetssjukhuset och Universitetet absorptionskylmaskiner. Sjukhuset har en absorptionskylmaskin kompletterat med ett antal kompressorkylmaskiner, universitetet har tre stycken absorptionskylmaskiner som kompletteras med ett antal kompressorkylmaskiner. Figur 18. Skiss över anläggningen vid Universitetssjukhuset i Linköping, [14]. Absorptionskylmaskinen som sitter i universitetssjukhuset i Linköping har en effekt på cirka 2,0 MW (Figur 20) (Carrier 16HJ 118). Maskinen körs mellan maj och oktober när kylbehovet är som störst och den drivs av den befintliga fjärrvärmen som är kopplad till byggnaden. Under vinterhalvåret är det kyltornet som förser systemet med kyla eftersom den 22
kyla som behövs på vintern inte är så stor som på sommaren. Kyltornet ger då max 1 MW kyleffekt. Man har tidigare kört enligt FRAM/RETUR- principen, men eftersom man saknar automatiskt styrutrustning har man gått över till FRAM/FRAM- principen, vilket har inneburit snabbare reglermöjligheter. Effekten på absorptionskylmaskinen styrs genom att flödet till generatorn ändras. Flödet regleras efter önskad framledningstemperatur vilket i sin tur bestäms av utetemperaturen. Eftersom absorptionskylmaskinen är trögstyrd har man kopplat in kylkompressorer som tar hand om de snabba temperaturändringarna som kan inträffa i lokaler som har fönster mot sydsidan. Detta kan behövas på ställen där man inte tolererar några temperaturändringar så som i många sjukhuslokaler, [14]. Figur 19. Principskiss över kylsystemet på universitetsområdet i Linköping, [14]. Absorptionskylmaskinerna som sitter på universitetsområdet har en maxeffekt på ca 6,5 MW, fördelat på fem maskiner. (Figur 21) AKM 1 är en Carrier 16JB 047 som ger ca 1MW. AKM 2,3 är Carrier 16HJ 118 som ger 2 MW/st. I Fysikhuset sitter två stycken ammoniakmaskiner på 0.75 MW/st. Anläggningen körs mellan maj och oktober på samma sätt som på universitetssjukhuset. Den enda skillnaden mellan systemen är att på universitetsområdet finns inte möjligheten att producera kyla med hjälp av kyltorn vintertid. Produktionen vintertid får köras med kompressormaskiner som sitter i Fysikhuset, [14]. 4.2 Göteborg Göteborg har ett stort antal absorptionskylmaskiner i varierande storlekar och den totala effektkapaciteten är 26 MW. Den största absorptionskylmaskinen finns i Östra sjukhuset. Där finns också kompressionskyla som används som spetsproduktion och kyltorn som används till produktion av frikyla. Absorptionskylmaskinen körs med FRAM/FRAM-koppling, samma som de använde sig av i Linköping. På Östra sjukhuset tillämpar man en glidande 23
framledningstemperatur, 90 C vid maxeffekt och ner till 80 C allt eftersom effektuttaget minskar. Det gör man för att få en bättre verkningsgrad på maskinen vid maxeffekt. När maskinen går vid fullast kopplas kompressorkylmaskinen in för att ta hand om topplasten. Kyltornen utnyttjas som frikyla vintertid, [14]. 4.3 Umeå Umeå Energi har byggt en absorptionskylanläggning (se Figur 20) på Ersboda norr om Umeå. Anläggningen har kostat tio miljoner kronor och har en effekt på 2 MW. Absorptionskylmaskinen försörjer Ersbodas och Mariedals affärer och industriområden med kyla. Absorptionskylmaskinen drivs under högsäsongen av fjärrvärme från Dåva kraftvärmeverk som ligger norr om Umeå. Under vintern kyls systemet med den installerade frikylan. Den kommer från ett kylpaket med glykolkrets och fläktar, som kyler nätet med kall uteluft, [15]. Figur 20. Absorptionsanläggning på Ersboda (2MW) producerar kyla till Ersbodas och Mariehems affärsområden och industriområden, [15]. 24
5 Gålnäs industriområde i Örnsköldsvik Figur 21. Karta över Gålnäs industriområde söder om Örnsköldsvik. Gålnäs industriområde (Figur 21) söder om Örnsköldsvik har undersökts med avseende på om det är genomförbart att sätta in en absorptionskylmaskin. För att ta reda på om det fanns ett kylbehov i området så gjordes en marknadsundersökning. Marknadsundersökningen genomfördes på så sätt att arbetsplatserna besöktes och inventering av kylan gjordes. På vissa företag räckte det med en telefondialog med fastighetsägaren och resultatet av marknadsundersökningen ses i Tabell 1. Ett förslag till kylnät på Gålnäs Industriområde kan ses i Figur 21. 25
Tabell 1. Företagsbeskrivning på Gålnäs industriområde i Örnsköldsvik. Företag Kyleffekt Företagspresentation 1: Sanmina AB 360 kw Sanmina är ett företag som tillverkar kretskort till sjukhusapparater. Kylan används till att avfukta tillverkningslokalerna och kylbehovet finns tills det blir minusgrader utomhus. 2: Hägges Finbageri AB 100 kw 40 kw Hägges har en bageriverksamhet och använder sin kyla till sina kylrum och komfortkyla. Komfortkylan går endast sommartid medan kylrummen måste ha kylan året runt. 3: Thunberg Trading 40 kw Thunberg Trading är ett däckförsäljningsföretag som endast har komfortkyla under sommaren. 4: Bergströms Rökeri 100 kw Bergströms Rökeri röker köttprodukter och har kylrum till att kyla köttet. De kommer att ha kylbehov året runt. 5: Örnalp 40 kw Örnalp svetsar och bearbetar aluminium och titan. De har endast komfortkyla under sommaren. 6: Pon Cat 40 kw Pon Cat gör elgeneratorer i varierande storlekar. De har endast komfortkyla under sommaren. 7: Nordic Flangers AB 40 kw Nordic Flangers tillverkar rörböjar i olika dimensioner. De har endast komfortkyla under sommaren. Totalt: 760 kw Den totala kyleffekten på Gålnäs industriområde blev 760 kw. Absorptionskylan till kylrummen används endast till kondenseringskylning av kylrummens kompressorkylmaskiner. Kyler man kondensorn på en kylmaskin till ett kylrum så minskar man eleffektförbrukningen till kylmaskinen med ca 40 %, [16]. Men, det förbrukas 6 delar kyla för att få bort en del elenergi. Den användbara kyleffekten på Gålnäs industriområde blir då 860 kw. I samråd med marknadsavdelningen på Övik Energi beslutades om ett dimensionerande effektbehov på 1 MW. Då har även framtida utbyggnad tagits i beaktning. 5.1 Dygnsbehovet av kyla på Gålnäs industriområde Dygnsvariationskurvan (Figur 22) som gäller från maj till augusti togs fram genom att de olika kylbehovsområderna (komfortkyla, kondenseringskyla och avfuktningskyla) separerades. Kondensorkylan och avfuktningskylan kommer att behövas dygnet runt. Den effekten ligger på 560 kw och läggs som grund i diagrammet och varieras inte under dygnet. Det resterande 440 kw är komfortkyla och varieras under dygnet. Behovet är som störst mellan kl. 11-16 när det är som varmast. Resterande tid på dygnet mattas behovet av ju närmare natten vi kommer och ökas successivt på morgonen. 26
Dyngsvariation Maj-Augusti 1,2 1 Kyleffekt [MW] 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tid på dygnet Figur 22. Dygnsvariationen av kyleffekten på Gålnäs industriområde. Den resterande tiden från september till april sker det inte någon dygnsvariation på kylbehovet. Då är det bara kylan till kylrummens kondenseringsdel och delvis avfuktningskylan (Avfuktningskylan är i drift tills ute temperaturen har hamnat på minusgrader) som behövs. Effektbehovet vintertid beräknas till 250-350 kw. 5.2 Kostnadsberäkning för ändring av framledningstemperatur i Öviks fjärrvärmenät Eftersom avkylningen hos fjärrvärmekunderna är låg under sommarmånaderna så sänks framledningstemperaturen enligt Figur 23. Figur 23 visar hur framledningstemperaturen ändras beroende på utetemperatur. Absorptionskylmaskinen behöver en högre fjärrvärmetemperatur än den normala framledningstemperaturen sommartid. Nedan beräknas kostnadsändringen som blir när man ändrar framledning och returledningstemperaturen i Örnsköldsviks fjärrvärmenät. 27
Figur 23. Temperaturer och fjärrvärmeflöden i Örnsköldsviks centrum 2003, [17]. I beräkningsavsnittet kommer det att redovisas beräkningar av värmeförluster, distributionspumpskostnader och värmepumpskostnader. I beräkningen nämns sommaren och det är från 1 maj till 1 september. 5.2.1 Teori för värmeförlustberäkningar Värmeförlustkostnaden som uppkommer vid höjning av framledningstemperaturen och returledningstemperaturen beräknas nedan. Värmeförlusten innan ändring beräknas enligt följande: Q Förlust WTot GTid * σ Förlust G = Tot * (12) Där Q Förlust Värmeförluster. [kwh] G Gradtimmar på sommaren. [ Ch] Tid G Hela årets gradtimmar. [ Ch] Tot W Total värmeproduktion. [kwh] Tot σ Värmeförlust. [%] Förlust Medeleffekten hos värmeförlusten: 28
V Förlust P Medel = (13) tvar Där P Medel Medeleffekten. [W] t Varaktighet. [h] Var V Värmeförlust. [%] Förlust Nytt resulterade gradtidtal för framledningen beräknas enligt följande: ( T + T ) + T G = * t (14) Fram Ändring, F Retur Tid, Re s, F TUte 2 Var Där G Tid, Re s, F Resulterande gradtidtal. [ Ch] T Framledningstemperatur. [ C] Fram T Re Returledningstemperatur. [ C] tur T, Temperaturändring i framledningen. [ C] Ändring F T Ute Medelutetemperatur i Övik på sommaren. [ C] Nya resulterade värmeförluster för framledningen beräknas enligt följande: V Förlust,Re s, F V * G Förlust Tid,Re s, F = (15) G Tid Där V Förlust Re s, F. Resulterande förlusten för framledningen. [kwh] De ökande värmeförlusterna i % vid höjning av framledningstemperaturen beräknades enligt följande: V Förlust.Re s, F Pr osent, F = VFörlust β (16) Där β Prosent, F Ökande värmeförluster. [%] Den ökande produktionskostnaden när ändring av framledningstemperaturen genomförs beräknas enligt följande: K Pr oduktion, F VFörlust * βprosent, F * KM arginal, V = (17) Där K oduktion, F K M inal, V Pr Ökad produktionskostnad. [kr/sommar] arg Marginalkostnad värme. [kr/kwh] Nytt resulterade gradtidtal för returledning beräknas enligt följande: 29
( T + T ) + T G = * t (18) Fram ÄndringR, Retur Tid, Re s, R TUte 2 Var Där G Tid, Re s, R Resulterande gradtidtal. [ Ch] T, Temperaturändring i returledningen. [ C] Ändring R Nya resulterade värmeförluster för returledningen beräknas enligt följande: V Förlust,Re s, R V * G Förlust Tid,Re s, R = (19) G Tid Där V Förlust Re s, R. Resulterande förlusten för returledningen. [kwh] De ökande värmeförlusterna i % vid höjning av returledningstemperaturen beräknades enligt följande: V Förlust.Re s, R Pr osent, R = VFörlust β (20) Där β Prosent, R Ökande värmeförluster. [%] Den ökande produktionskostnaden när ändring av returledningstemperaturen genomförs beräknas enligt följande: K Pr oduktion, R VFörlustRe s, R * βprosent, R * KM arginal, V = (21) Där K oduktion, R Pr Produktionskostnad. [kr/sommar] Kostnadsändringen som man får när man höjer framlednings- och returledningstemperaturerna fås genom att lägga ihop de höjda produktionskostnaderna enligt följande: K Tot. VF KProduktionR, + KProduktion, F = (22) Där K Tot. VF Kostnadsändring. [kr/sommar] 5.2.2 Pumpberäkningar Den kostnadsändring som fås i distributionspumpen genom höjning av framledningstemperaturen och returledningstemperaturen beräknas nedan. Pumpkostnad innan ändring beräknas enligt följande: K = Q * El (23) Pump Förbrukad p 30