avloppsåtervinning Vasagatan 7 Stockholm Utarbetad av Jörgen Wallin, Energum energipartner AB Stockholm, december 215
Beställargruppen lokaler, BELOK, är ett samarbete mellan Energimyndigheten och Sveriges största fastighetsägare med inriktning på kommersiella lokaler. BELOK initierades 21 av Energimyndigheten och gruppen driver idag olika utvecklingsprojekt med inriktning mot energieffektivitet och miljöfrågor. Gruppens målsättning är att energieffektiva system, produkter och metoder tidigare skall komma ut på marknaden. Utvecklingsprojekten syftar till att effektivisera energianvändningen samtidigt som funktion och komfort förbättras. Gruppens medlemsföretag är: AMF Fastigheter Akademiska Hus Castellum/Corallen Fabege Fastighetskontoret Stockholms stad Fortifikationsverket Hufvudstaden Jernhusen Locum Lokalförvaltningen - LF Malmö Stad Serviceförvaltningen Midroc Skandia fastigheter (f.d. Diligentia) Skolfastigheter i Stockholm - SISAB Specialfastigheter Statens Fastighetsverk Swedavia Vasakronan Västfastigheter Till gruppen är även knutna: Statens Energimyndighet Boverket Byggherrarna CIT Energy Management 2(9)
Vasagatan 7 Stockholm - Studie av effektivitet för avloppsåtervinningsvärmeväxlare Inledning Vasakronan har med hjälp av företaget Effektiv Energiåtervinning AB installerat en ny typ av värmeväxlare för återvinning av avloppsvärme. Installationen har väckt intresse hos branschen och energimyndigheten och eftersom information om denna typ av information delvis saknas efterfrågas en utredning och analys av effektivitet för denna värmeväxlare. Utredningen utförs på uppdrag av Belok. Beskrivning av uppdraget Projektet utförs genom att mäta på värmeväxlaren efter att den anslutits till byggnadens kylsystem. Genom att värmeväxlaren är ansluten till byggnadens kylsystem får man ett installationsscenario som kan liknas vid en värmepumpinstallation. Återvinningssystemet instrumenteras upp så att kontinuerlig mätning kan ske under en veckas tid. Data för kylvattenflöde och temperaturer samt avloppsvattnets inlopp och utloppstemperaturer mäts. Data för kallvatten till byggnaden skulle ha samlas in via redan befintligt mätsystem av Vasakronona och presenteras till projektet, vilket inte har skett. När data hade insamlats, analyserades värmeväxlarens kapacitet. I projektet har följande arbetsmoment utförts: Mätning och loggning av kylvattenflöde under en veckas tid Mätning och loggning av temperatur på avloppsvatten till och från värmeväxlaren under en veckas tid Mätning och loggning av temperatur på kylvatten till och från värmeväxlaren under en veckas tid. Databehandling och analyser samt effektivitetsberäkningar Sammanfattande av resultat i skriftlig rapport Projektbegränsningar I projektet skulle en energimätare installeras av installatören, tyvärr saknades delar och tidplanen medgav inte att projektstarten kunde skjutas mer än vad som redan gjorts. Därför fick en tillfällig installation för temperatur av kylvattenflödet göras. I projektet skulle även installatören bereda för installation av mätkabel i avloppsröret. Detta var inte möjligt för installatören att göra utan att installationen byggts om, inte heller detta fanns tid för i projektet vilket innebar att temperaturgivare fick installeras utanpå avloppsröret vid in- och utlopp. En mätkabel installerades även i avloppsröret men 3(9)
eftersom det inte var möjligt att skjuta in mätkabeln i sin helhet användes endast denna för att jämföra med de andra installerade temperaturgivarna. Mätningarna monterades under måndag 7 december enligt överenskommelse med installatören. Dock hade installatören råkat ut för problem och montaget av energimätaren var inte klar den dagen. Först dagen efter kunde systemet startas. Dock kunde inte installatören ställa in rätt flöde på systemet förrän onsdag den 9:e december. Och först från denna dag kunde analyser börja göras. Tyvärr så gick den ballong som installatören monterat för blockera flöde i by-passledningen förbi avloppsvärmeväxlaren sönder under den 1:e december vilket innebar att inget avloppsflöde fanns från den 1:e. Så det data som finns tillgänglig för analys begränsas till tiden onsdag 9:e december kl. 8: till torsdag 1:e december kl. 14:3. På grund av projektets begränsade tidplan fanns ingen möjlighet att förlänga mätserien. Installatören hade fått i uppgift att inhämta data från vattenmätare så att uppmätt avloppsflöde kunde verifieras, tyvärr har denna information inte levererats till utredningen. Därmed har ingen verifiering av uppmätt avloppsflöde kunnat göras. Systembeskrivning En värmeväxlare som är 6 meter lång har monterats på spillvattenledningen i garaget på Vasagatan 7. Värmeväxlaren är tillverkad av SPUAB. Enligt uppgift från installatören har värmeväxlaren en patentsökt konstruktion där röret pressats för att få en struktur som gör att avloppsvattnet får en turbulent karaktär. Figur 1 visar hur värmeväxlaren ser ut. Figur 1 - Skiss av värmeväxlarens konstruktion (Källa: www.spuab.se) Värmeväxlaren är monterad under nivån för den ordinarie avloppsledningen. Således kommer värmeväxlaren konstant att vara fylld med vatten. Figur 2 visar hur värmeväxlaren har installerats. 4(9)
Avloppsflöde [l/s] Effectiveness Studie av effektivitet värmeväxlare Luftfylld boll för att blockera flöde i by-pass ledning Avloppsvärmeväxlare Figur 2 - Skiss värmeväxlarinstallation Effektivitetsanalys Mätvärdesinsamling utfördes under en vecka med en minuts intervall där mätloggers levererar medelvärdet under den loggade minuten. Som nämnts tidigare i rapporten har endast 3 timmars mätdata kunnat användas för att analysera funktionen hos värmeväxlaren. Mätdatat efterbehandlas genom att medelvärden per timme skapas för att reducera effekter av trögheter i mätsystemet. Olika intressanta effektivitetsmått har analyserats för att få en beskrivande bild av hur växlarens maximala prestanda i systemet, växlaren med den injustering som gjorts idag på kylsidan och även hur temperaturnivåer ser ut. I Figur 3 till 5 visas resultatet av dessa analyser. 7..8 6. 5. 4. 3. 2. 1...7.6.5.4.3.2.1 Flöde avloppsvatten [l/s] Effectiveness värmeväxlare Figur 3 - Effectivness och avloppsflöde 5(9)
Avloppsflöde [l/s] Återvinningsgrad Studie av effektivitet värmeväxlare Värmeväxlarens effectiveness beskriver hur effektiv värmeväxlaren är i den installation vid den situation (avloppsflödesprofil) och injustering av kylvattenflöde som gjorts vid detta tillfälle. Värmeväxlarens effectiveness beräknas som: ε = q q max Där q är den faktiskt uppmätta återvinningseffekten och qmax är den teoretiskt maximala återvinningseffekten för systemet, dvs: q max = C min (T Varm.in T Kall.in ) Där Cmin är den lägsta värmekapaciteten vid varje tidpunkt för en av de båda fluiderna i systemet, dvs. antingen den varma eller kalla sidan av värmeväxlaren. I detta system så är kan man anse att den specifika värmekapaciteten är ungefär samma på båda sidor av värmeväxlaren vilket innebär att Cmin är endast beroende på flödet på varma och kalla sidan. I detta system så kommer Cmin att variera mellan kalla och varma sidan. Man kan tänka sig att jämföra detta mått med hur mycket som skulle vara teoretiskt möjligt där man endast är begränsad av den inkommande temperaturen i kylsystemet. Figur 4 visar hur återvinningsgraden ser ut för ett sådant fall. 7..8 6. 5. 4. 3. 2. 1...7.6.5.4.3.2.1 Flöde avloppsvatten [l/s] Återvinningsgrad Figur 4 - Återvinningsgrad och flöde på avloppsvatten Om man jämför utfallet i Figur 3 och 4 kan man se att återvinningsgraden är lägre än systemets effektivitet (effectiveness) under vissa tider vilket visar att avloppsflödet är högre än kylflödet vid dessa tidpunkter. På det hela taget är återvinningsgraden lägre än systemets effektivitet. 6(9)
Temperatur [ C] Återvinningseffekt [kw] Avloppsflöde [l/s] Återvinningseffekt [kw] Studie av effektivitet värmeväxlare Återvunnen effekt är även det intressant för att ge en bild om storleken på den återvunna värmen. I Figur 5 visas hur effekten på den återvunna värmen ändras med flödet i avloppet. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1.. 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Flöde avloppsvatten [l/s] Återvinningseffekt [kw] Figur 5 - Effekt på återvunnen värme Under analystiden så kommer man maximalt upp i en återvunnen effekt på 18.3 kw, tillgängligt i avloppet finns under det tillfället 298 kw. Tittar man på när avloppsflödet är som lägst så återvinner man 2.3 kw av de 6.5 kw som finns tillgängligt. Temperaturnivåer på avloppsvatten och kylvatten är intressanta när man analyserar potential och effektivitet i en anläggning för återvinning av värme från avloppsvatten. I Figur 6 visas hur temperaturen ser ut på avloppsvattensidan. 3 3 25 25 2 2 15 1 5 15 1 5 Temperatur tillopp avloppsvatten [ C] Temperatur retur avloppsvatten [ C] Återvinningseffekt [kw] Figur 6- Temperaturer avloppsvatten och återvinningseffekt 7(9)
Temperatur [ C] Återvinningseffekt [kw] Studie av effektivitet värmeväxlare Temperaturen på avloppsvattnet går lite upp och ner under perioden, toppnoteringen är 27 C under morgonperioden. Under natten når man den lägsta temperaturen på 19 C. Även temperaturen på kylvattnet (värmebärarens) till avloppsvärmeväxlaren är av intresse eftersom den påverkar möjligheten att återvinna energin. I Figur 7 visas hur kylvattnets temperatur varierar över mätperioden. 14. 12. 1. 8. 6. 4. 2.. 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Temperatur till värmeväxlare [ C] Temperatur från värmeväxlare [ C] Återvinningseffekt [kw] Figur 7 - Temperaturer kylvatten till avloppsvärmeväxlare samt återvinningseffekt Temperaturen på kylvattnet till återvinningsväxlaren har legat på en konstant nivå på runt 5.5 C vilket kan anses vara en bra nivå för utredningen. I ett fall där man är direktkopplad mot en värmepump kan man eventuellt tänka sig att framledningstemperaturen kan sänkas någon grad till utan att äventyra att man sänker avloppstemperaturen till för låga nivåer. Slutsatser Tillgänglig energi och flöde i avloppet varierar kraftigt i denna byggnad, troligtvis beror det på att avloppsvatten från hotellet i byggnaden ansluter till detta avloppsrör vilket göra att höga flöden uppstår t.ex. när hotellgäster duschar samtidigt och när man kör tvättstugan i hotelldelen. Växlarens möjlighet att effektivt återvinna värme ur avloppet varierar med avloppsvattnets flöde och temperatur. Vid lågflödesscenarion har växlaren en god förmåga att återvinna energi ur avloppet medan vid högflödesscenarion har växlaren en låg återvinningseffektivitet. Totalt under analysperioden har systemet återvunnit 254 kwh värme ur avloppet. Jämför man detta med det som systemet maximalt kunnat återvinna med det kylvattenflöde som gällde vid mätningen så visar det att man har återvunnit 26.7 % av möjlig energi vilket får anses vara klart godkänt. Jämför man det med det som är teoretiskt möjligt, d.v.s. om systemet alltid skulle högsta flödet på kylvattensidan så har man återvunnit 1.1 % av det teoretisk möjliga. Detta är såklart inte lika bra. Systemet är således inte optimalt injusterat som det är idag. 8(9)
Om man anser att mätperioden motsvarar en normaltid för byggnaden (vilket är osäkert) kan man göra en mycket grov uppskattning av årlig återvunnen energi. Hade vi kunnat mäta under längre tid hade denna uppskattning kunnat göras med bättre noggrannhet. Med denna osäkra bakgrund till uppskattning av årligt återvunnen värme så kommer man till ett resultat på ungefär 7 MWh återvunnen värme per år. Den årliga återvinningen för detta system kan ökas genom att systemet optimeras för maximal prestanda. 9(9)