Fjärrkyla med hjälp av överskottsvärme Ilkka Salo Konventionella kylsystem för byggnader förbrukar inte bara stora mängder elektrisk energi, utan använder dessutom köldmedier av typ HFC/HCFC mera kända som freoner. Dessa substanser har ett välförtjänt rykte om sig att vara allt annat än miljövänliga. Finska ABB:s forsknings- och utvecklingsarbete visar att båda dessa nackdelar kan elimineras med fjärrkyla, en teknik som bygger på att kyla genereras av freonfria absorptionskylaggregat istället för av konventionella kompressorer. Kort sagt kan kyla genereras med hjälp av värme. M ed dagens fjärrvärmesystem (FV), vilka typiskt bygger på kombinerad produktion av elkraft och värme, kan hela värmeeffekten användas för uppvärmningsändamål under vintermånaderna, medan bara en liten del kommer till nytta sommartid. Samma sak gäller för många industrianläggningar, vars överskottsvärme går till spillo, trots att den istället skulle kunna användas för kyländamål. Ofta kan den värme som genereras av processer endast utnyttjas delvis, medan istället värdefull elektrisk energi måste tas i anspråk för att generera kyla. Genom att använda absorptionskylaggregat kan kyla genereras med hjälp av överskottsvärme. Detta innebär att värme Sibeliushallen ett nyligen färdigbyggt kongress- och konsertcentrum i finska Lahtis. ABB har ansvarat för den övergripande tekniska lösningen för byggnadssystem, inklusive fjärrkyla. för uppvärmning och varmvatten levereras istället för elektrisk energi, inga köldmedier av freontyp, buller och vibrationer eli- via FV-nätet och att erforderlig kyla genereras lokalt för en eller flera byggnader mineras. Icke desto mindre har tekniken med hjälp av den termiska energin i hittills inte fått något större genomslag för FV-returvattnet. att kyla byggnader. Ett av huvudskälen till detta är att planeringen för produktion och distribution Från separat planering av enskilda system... av kyla och för luftkonditionering oftast Absorptionskyltekniken i sig är inte någon inte är integrerad med övrig byggnadsplanering. Detta innebär att resultaten kan bli nyhet och dess miljömässiga fördelar är väl kända överskottsvärme kan användas långt ifrån optimala. Denna separata pla- ABB tidning 1/21 39
Demonstration av tekniken för fjärrkyla Jämförelse mellan en konventionell luftbehandlingsenhet (a) med separata kretsar för uppvärmning, kylning och värmeåtervinning etc., och Thermo- Net (b), som utnyttjar moduler av typ Econet, vilka kombinerar alla dessa funktioner i en enda krets. Temperaturnivåerna är låga och energieffektiviteten utmärkt som följd av detta. a b DEMLOCS-projektet har tydligt visat den potential som fjärrvärme erbjuder för kylning, uppvärmning och luftkonditionering av byggnader, liksom de stora möjligheterna till energibesparing när fjärrvärme kombineras med ThermoNet-system i byggnader (se fig.) Bland deltagarna i projektet en del av EU:s program Thermie kan nämnas ABB Finland, som även ansvarar för koordineringen, Helsingfors Energi samt danska Herning Kommunale Vaerker. Två kylanläggningar, en i Helsingfors och en i Herning, konstruerades och byggdes för nya och renoverade byggnader som en del av projektet, vilket löpte från oktober 1995 till oktober 1999. Kylenergin produceras med hjälp av absorptionskylaggregat i Helsingforsanläggningen, respektive med ejektorkylare i Herning. Båda systemen är totalt fria från HFC/HCFC och utnyttjar returvatten från fjärrvärmesystemet, med temperaturen 8 C, vilket är mycket lägre än den temperatur som normalt behövs för denna typ av kylning. Returvattnet från fjärrvärmesystemet används även för att värma byggnaderna. Herning-anläggningen började producera kylenergi för några kontorsbyggnader redan sommaren 1999. Fullskaliga mätningar genomfördes under efterföljande sommar (2). Kylanläggningen i Helsingfors driftsattes i god tid före sommaren 1998, med fullskalig kylenergiproduktion planerad att sammanfalla med färdigställandet av Tellus-byggnaden i Helsingfors sommaren 1999. Resultaten uppfyllde förväntningarna med god marginal, trots att sommaren 1999 i Finland var ovanligt långvarig och varm. nering har gjort det svårt och oekonomiskt att använda termisk energi med låg temperatur, som returvatten från fjärrvärmenät, för absorptionskylning. Detta gäller framför allt under sommarmånaderna när temperaturerna i fjärrvärmenäten är som lägst. ABB Finland har stor erfarenhet av att använda termisk energi med låg temperatur för att värma byggnader. Under senare år har företaget intensivt studerat möjligheterna till energieffektiv och miljövänlig kylning. Genom att kombinera absorptionskylprincipen med modern byggnadsteknik har man kommit fram till mycket intressanta lösningar på området. Forsknings- och utvecklingsarbete inom ABB i Finland har nu gjort det möjligt att på ett ekonomiskt sätt använda återstående fjärrvärmeenergi för kyländamål under sommarmånaderna. Ett exempel är den ABB-konstruerade fjärrkylanläggningen i Helsingfors en del av DEMLOCSprojektet (se faktaruta). Här används returvatten från fjärrvärmenätet med en temperatur på 8 C för absorptionskylning.... till en helt integrerad konstruktionsplattform Nyckeln till ABB:s angreppssätt är parallell konstruktion för att optimera de lokala energi- och byggnadssystemen, som t.ex. luftkonditionering. Detta förbättrar driftekonomin för systemet som helhet. Kylbehovet för de byggnader som är 4 ABB tidning 1/21
1 Temperaturerna för vatten (framledningsvatten: rött, returvatten: blått) och uteluft (grön) under en vintervecka (DEMLOCS-projektet). 6 5 4 3 2 1-1 -2-3 : 8:45 17:3 2:15 11: 19:45 4:3 13:15 22: 6:45 15:3 :15 9: 17:45 2:3 11:15 2: 4:45 13:3 22:15 7: anslutna till den nämnda anläggningen i Detta beror på den integrerade lösningen Helsingfors motsvarar totalt 1,8 MW. Detta för produktion och förbrukning av energi i behov uppfylls med lätthet av absorptionskylaggregatets kapacitet på,9 ABB:s byggnadssystem. MW. Uppvärmningssäsongen Användning av termisk energi med låg temperatur DEMLOCS-projektet visar hur termisk energi med låg temperatur kan användas såväl för att värma som för att kyla byggnader. 1 visar, som ett exempel, varmvatten- och uteluftstemperaturerna under loppet av en vintervecka. Utomhustemperaturen är till en början 25 C men stiger gradvis till C mot slutet av veckan. Under denna period sjunker temperaturen i returvattnet från fjärrvärmenätet från 5 C till 3 C, och temperaturen för det vatten som returneras från ThermoNet - enheterna 2 till FV-nätet ökar från 15 C till 18 C. Med denna metod kan hela fabriksbyggnaden värmas effektivt, även vid en utomhustemperatur på minus 25 C och med en enda energikälla returvatttnet från FV-nätet. 2 Funktionen för ThermoNet/Econet-enheter Kylning (a): Den låga temperaturskillnaden ( T) mellan luft och vatten gör det möjligt att använda höga temperaturer i köldmediet, med stor temperaturskillnad ( T) mellan framledning och returledning. Uppvärmning (b): Den låga temperaturskillnaden ( T) mellan luft och vatten gör det möjligt att använda låga temperaturer i köldmediet, med stor temperaturskillnad ( T) mellan framledning och returledning. Return 15 C...2 C Supply 7 C 1 C Return 15 C...2 C Supply 25 C 4 C a b ABB tidning 1/21 41
3 Kylvattentemperatur (framledning: blå, returledning: röd) till och från ThermoNetenheter, samt energiförbrukningskurvan för en fabriksbyggnad (DEMLOCS-projektet) 25 6 Fördelar över hela linjen 2 Absorptionskylning erbjuder avse- 15 1 3 2 1 P[kW] värda fördelar för såväl miljön som byggnadsägaren. Allmänna fördelar: Elenergi ersätts med "överskotts- 5 8:55 9:24 9:53 1:22 1:51 11:2 11:49 12:18 12:47 13:16 13:45 14:14 14:43 15:12 15:41 16:1 16:39 17:8 17:37 18:6 värme" Minskade utsläpp, exempelvis av CO 2 Kylning utan HFC/HCFC Tillförlitligt energisystem 4 Hur "köldåtervinning" fungerar vid växlande omgivningstemperatur Ökad energiverkningsgrad E Entalpi i uteluft Fördelar för byggnadsägare: T Uteluftstemperatur Mindre direkta investerings- och P Behov (blå), förbrukning (röd), köldåtervinning (grön) 8 6 driftskostnader för egna byggnadssystem Inga kylaggregat 7 6 5 5 4 Mindre underhållsbehov Lägre elenergiförbrukning Bättre utrymmesanvändning Ökad tillförlitlighet Miljövänligare system Inga buller- eller vibrationsproblem P[kW] 4 3 3 2 E[kJ/kg] som ofta uppstår vid konventionell kompressorkylning 2 1 1 7: 7:45 8:3 9:15 1: 1:45 11:3 12:15 13: 13:45 14:3 15:15 16: 16:45 17:3 18:15 19: 19:45 2:3 21:15 22: 22:45 23:3 24:15 Demonstration av den låga ningssäsongerna 199798 och 199899. energiförbrukningen Kolumnerna märkta Behov visar värmeenergin som tas från fjärrvärmesystemet, Tabellen på sidan 43 visar den specifika värmeförbrukningen för fabriksbyggnaden plus den värme som återvinns i Thermoi DEMLOCS-projektet under uppvärm- Net -enheterna, medan kolumnerna Förbrukning bara visar just värmen från FV-nätet. De totala förbrukningssiffrorna på 6,2 och 6,3 kwh/m 3 är enastående låga. Exempelvis är de lägsta värdena i den statistik som publiceras av MOTIVA mer än dubbelt så höga. Medelvärdet här är hela 46 kwh/m 3. (MOTIVA är en organisation som skapats av det finska handelsoch industriministeriet, i syfte att främja 42 ABB tidning 1/21
Tabell: Specifik värmeförbrukning för en fabriksbyggnad under uppvärmningssäsongerna 199798 och 1998-99 (inkluderar ej tappvarmvatten). Enheten är i samtliga fall kwh/m 3. Värmeindex Värmeindex Värmeindex Värmeindex 1997-98 1998-99 1997-98 1998-99 Månad Behov Behov Förbrukning Förbrukning September.1 October.8 1.4.3.4 November 1.7 2..9.9 December 3.2 2.8 1.9 1.3 Januari 3.1 3. 1.7 1.3 Februari 1.8 2.7.8 1.2 Mars 1.4 2.5.4.8 April 1.1 2.1.2.3 Maj.6.9.1.1 Totalt 13.5 16.4 6.2 6.3 rationell energianvändning. MOTIVAstatistiken täcker tusentals byggnader i Finland.) Kylsäsong Användning av termisk energi med låg temperatur 3 visar framlednings- och returtemperaturerna för kylvatten till respektive från ThermoNet -enheterna liksom energiförbrukningskurvan för fabriksbyggnaden. Medelvärdet för framledningsvattnets temperatur är 1 C (912 C), medan returvattentemperaturen ökar från 17,5 C till 22 C när förbrukningen av kylenergi ökar från 1 kw till 5 kw. Kylvattentemperaturen är avsevärt högre än vad som är vanligt inom industrin och temperaturskillnaden nästan dubbelt så hög. Reduktion av toppbelastning genom köldåtervinning 4 visar hur köldåtervinning fungerar vid växlande uteluftsförhållanden. Här kan vi se att återvinningen står för mer än 45 % av det totala behovet (3 kw av 7 kw). Så som framgår minskar återvinningen när utetemperaturen och därmed det totala kylbehovet sjunker. Resultatet är att kylenergiförbrukningen förblir praktiskt taget konstant och varierar mellan 38 och 27 kw, oberoende av variationer i utelufttemperaturen (och därmed i kylbehovet). Sammanfattning Fjärrkyla enligt absorptionskylprincipen, så som den har demonstrerats i Finland och Danmark (se faktaruta på sidan 4) bygger på användning av termisk energi med låg temperatur, i dessa fall temperaturer kring 758 C. Principen kan tillämpas i alla sammanhang där det finns tillgång till överskottsvärme. Även om konceptet i första hand kommer att tillämpas i kombination med fjärrvärmesystem har det potentialen att kunna användas med alla typer av energikällor. Författare Ilkka Salo ABB Installaatiot Oy P.O. Box 181 SF-381 Helsingfors Finland Fax: 358 122 2815 ilkka.salo@fi.abb.com ABB tidning 1/21 43