Kylbehov 1 Kylbehov 2 Medeleffekt 1 Medeleffekt 2
Fjärrkyla i Umeå
I Umeå finns två absorptionskylmaskiner från York i två separata kylnät. På Ålidhem finns en älvkyld på 4,8MW, installerad år 2000. Den drivs av 95-gradigt hetvatten från biopannan, som också är belägen på Ålidhem. En ackumulatortank, installerad 2003 med 4000m3 vatten finns också där för att ta upp dygnets variation i kylförbrukning. Kylnätet sträcker sig från Ålidhem till centrum och Mariehem och förser bland annat Norrlands universitetssjukhus och Umeå universitet med kyla.
Maskinen är kopplad enligt fram/fram-principen och är kopplad så att den kan drivas direkt med hetvattnet från pannan.
I det andra nätet finns en maskin på 2MW, installerad 2004, som drivs av fjärrvärmenätet och kyls av ett kyltorn. Fjärrvärmen kommer ifrån Dåvamyrans kraftvärmeverk där bränslet är avfall. Fjärrvärmen håller en temperatur på 95°C även på sommaren och Umeå energi kan koppla den fram/fram eller fram/retur.
Under den kallare delen av året fås kyla från separata värmeväxlare för frikyla samt kompressorer. Värmen från kondensorerna tas tillvara på för uppvärmning(30).
Kylbehov i Luleå
För att få reda på den befintliga kylan i Luleå beställdes ett utdrag från
köldmedieanmälningarna från miljökontoret. De geografiska områden som undersöktes var Kallaxheden, Stadsön, Svartön, Hertsön, Björksgatan, Porsön och områden däremellan.
I utdraget anges hur många kg som finns installerat i fastigheterna av typerna CFC, HFC och HCFC. Information om naturliga köldmedier såsom kolväten, ammoniak och koldioxid finns alltså inte. Fastighetsägare med en total köldmediemängd över 10 kg har anmälningsplikt. Vid underlåtande av anmälning utgår vite, så utdraget anses vara tillförlitligt.
Det intressanta är inte primärt mängden köldmedie, utan kyleffekten. Kyleffekten per kg köldmedie i kompressorkylmaskiner för komfortkyla kan variera från omkring 2kW/kg till närmare 13kW/kg(28) och beror på bl.a. arbetstemperatur, ålder, storleken och konstruktionen på maskinen.
Ett schablonvärde på 4kW/kg har antagits vid en tidigare undersökning(29) och sattes in som den specifika kyleffekten i Ettnoll. Köldmediemängderna placerades ut geografiskt som punkter med diametern proportionell mot köldmediemängden som i Figur 28. Enligt källan är 4kW/kg ett rättvisande medelvärde som inte är för högt, men från kylmaskin till kylmaskin kan värdet variera. I de tre fall som undersöktes närmare var 4kW ett lite för högt värde. Trots variationen så ger detta en bra indikation på vilka potentiella kunder som kan vara intressanta att studera vidare.
Figur 28: Exempel på hur köldmediemängderna placerats ut geografiskt med diametern proportionell mot köldmedimängden.
Befintlig fjärrkyla i Luleå
Fjärrkylan i Luleå byggdes 2006 och förser idag Kulturens hus, SOS alarm och mediahuset med kyla. Man nyttjar frikyla från Stadsviken utanför Norra hamn. Frikylan har en högsta kapacitet på 5MW. Under en period på sommaren blir vattnet i Stadsviken för varmt för att kunna användas som frikyla. Då används det istället som kondensorkyla till en
kompressorkylmaskin på 1MW vilket ger en bra verkningsgrad. Under 2008 förbrukades 543MWh kyla varav ungefär häften kom direkt från frikyla.
Fjärrkyla i centrum är under utbyggnad. Tomrör har grävts ner i gator i samband med
vägarbeten och en ny produktionsanläggning för frikyla undersöks samtidigt som arbete sker med att knyta till sig nya kylkunder i centrum.
Exempelfall
För att skapa en uppfattning om kostnader och ekonomisk potential för fjärrkyla i Luleå undersöktes kylförbrukningen hos tre kylkunder närmare.
Urvalsprocessen skedde godtyckligt med grundtanken att få med exempel med olika
förutsättningar. Investeringskostnaden per kW för ett litet system (~500kW) är högre än för ett större system, följaktligen valdes exempel med höga effekter.
Resonemanget kring vilka potentiella kunder som skulle undersökas präglades av Luleå energis råd att undersöka kunder med processkyla då de har en jämnare förbrukning över dygnet i jämförelse med komfortkyla som är obefintlig under den kallare delen av året. En jämnare förbrukning innebär att kylmaskinen arbetar med en medeleffekt som ligger närmare den dimensionerade effekten som kan ses i Figur 27.
Vid närmare undersökning av det tre utvalda exempelfallen visade det sig att fallet vid LTU,som beskrivs närmare senare i rapporten, hade de bästa ekonomiska förutsättningarna.
En bidragande orsak var att flödet i fjärrvärmeledningen vid LTU har ett så pass högt flöde så
den ekonomiska kalkylen på tvivelaktig lönsamhet. I samråd med handledarna på Norconsult togs beslutet att inte utreda de två andra fallen vidare. Istället utreddes fallet LTU vidare med variationer avseende kylmetod samt med eller utan ackumulatortank. Detta för att få en bättre överblick över vad dessa variationer får för inverkan ekonomiskt och tekniskt.
Kostnaden för en AKM och kyltorn innefattar inte frakt eller installation
En AKM och kyltorn i undersökt storlek är skrymmande. Därför antogs att maskinen placeras i en separat byggnad med kyltornet ovanpå. Byggnaden ska anslutas med el, VA, fjärrvärme och fjärrkyla. Då byggnaden klassas som arbetsplats ställs krav på vad som ska finnas bl.a.
tvättställ, värme och ventilation.
Schablonkostnaderna för detta skattades med hjälp av Berndt Hortlund och Leif Palage på Norconsult. Sträckorna för att dra fjärrvärme är den faktiskt sträckan. Sträckorna för el och VA gäller för sträckan från maskinhuset till kundens anslutningspunkt för kylan.
De rörliga kostnader som togs med var el till pumpar för AKM och kyltorn samt kommunalt vatten för att ersätta den mängd som förångas i kyltornet. Kostnader rörande fjärrvärme var själva drivvärmen, pumparbetet för det ökade flödet samt temperaturförluster i nätet p.g.a.
förhöjd returtemperatur.
Kostnaden för det ökade pumparbetet beräknades genom att i Ettnoll utgå ifrån det typiska sommarfallet. Där AKM:en skulle stå adderades ett flöde på fjärrvärmenätet. Tryck och flöde simulerades igen i fjärrvärmenätet med de nya värdena. Ökningen i erforderlig pumpeffekt konverterades till en kostnad genom
𝐾𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 =𝑞ö𝑘𝑎𝑑 × 𝑃𝑑𝑖𝑓𝑓 × 𝑃𝑟𝑖𝑠𝑒𝑙 𝜂
där
Kostnad = Kostnad för det ökade flödet i fjärrvärmenätet som krävs för att driva den angivna AKM:en. [kr/MWh]
qökad = Det ökade fjärrvärmeflödet [m3/h]
Pdiff = Differenstrycket d.v.s. skillnaden i tryck mellan fram- och returledningen vid värmeverket. [Pa]
Prisel = Elpris [kr/MWh]
η = Verkningsgrad på pump [-]
Den ökade värmeförlusten i fjärrvärmenätet p.g.a. en ökad temperatur i fjärrvärmereturen beräknades enligt samma princip d.v.s. att först gjordes en simulering av värmeförlusterna i nuläget som sedan jämfördes med en simulering i Ettnoll med en AKM inkopplad.
Driftstiden torde inte vara fullast hela tiden men vid beräkningar antogs dock detta för att inga mätningar på driftstid på dellast fanns att tillgå.
Exempelfall Ferruform
Ferruform är ett dotterbolag till Scania och levererar ramkomponenter, balkar och stötfångare till lastbilsindustrin. Processerna är pressning, svetsning, maskinbearbetning, rullformning och ytbehandling.
De har en kompressormaskin på 570kW som under sommarmånaderna levererar ungefär hälften av energin som processkyla och hälften som komfortkyla. De har ingen frikyla utan använder sig av kompressorn även på vintern. Då återvinns kondensorvärmen. De har även 25
små aggregat för komfortkyla. Snowpower har undersökt kylbehovet på Ferruform och antagit effekten till 750kW och energin till 4000MWh per år.
I detta fall finns visserligen ett ganska stort energibehov men effekten är den lägsta av de tre undersökta fallen vilket gör att produktionsanläggningen blir dyrare per kW. Fjärrvärmeflödet förbi Ferruform var inte högt nog att driva en maskin som kopplas fram/fram. För en sådan koppling skulle kulvert för fjärrvärme vara tvunget att dras och detta bidrar till högre kostnad.
Ferruform kommer efter LTU på fjärrvärmenätet vilket gör att det endast skulle gå att ha en av dessa inkopplad.
Exempelfall Gestamp Hardtech
Gestamp Hardtech tillverkar presshärdade detaljer till bilindustrin. Under processen värms ämnena upp för att sedan snabbt kylas ner under själva presshärdningen.
Det finns två produktionshallar där varje hall har ett kylsystem för processen och ett system för kylning av hydraulolja.
I den gamla hallen används två seriekopplade kompressorer som ger 600 + 400kW. Här finns även värmeåtervinning. I den nya hallen finns en kompressor på 615kW utan
värmeåtervinning. Under den kalla perioden av året används frikyla. Hydrauloljekylningen sker med kyltorn med effekten 750 och 1000kW men under sommaren händer det att
kyltornen inte räcker till så att nödkylning får ske med kommunalt vatten. Kontorsdelen kyls med egna kylmaskiner.
Gestamp Hardtech kan ha hög produktion flera dygn i sträck, det innebär att det kan krävas nära nog full effekt på kylmaskinen under en lång tid. Ett sådant driftsfall skulle kräva en mycket stor ackumulatortank, därför undersöktes detta ej närmare.
Fjärrvärmeflödet vid Gestamp Hardtech är markant lägre än vid LTU. För att kunna tillgodose drivvärmen till en AKM för att ersätta en befintlig kylmaskin skulle en fram/retur-koppling vara den enda möjligheten. Driftskostnaderna skulle därmed bli högre.
Exempelfall LTU
LTU valdes för att kylbehovet ansågs vara tillräckligt stort samt för att det i närheten av LTU finns en fjärrvärmeledning med ett relativt stort flöde under sommaren, där potentialen för att undersöka en fram/fram-koppling var den bästa.
Fjärrkylan på Umeå universitet har varit till belåtenhet och det finns ett intresse för fjärrkyla till LTU. Akademiska hus har låtit WSP göra en kartläggning av den befintliga kylan på LTU och hur den nyttjas.
Akademiska hus i Luleå har 15 kompresorkylmaskiner av varierande storlek varav 13 stycken har frikylningsfunktion med en separat värmeväxlare. Då värmeväxlarna för frikyla är
kopplade parallellt med kylmedelskylaren innebär det att man antingen använder frikyla eller kompressorn. Frikylan kopplas ut när utetemperaturen överstiger +8°C. Vid inkoppling av fjärrkyla skulle denna funktion kunna behållas.
Den installerade kyleffekten från kompressorkylmaskinerna idag är 1,1MW och de producerar cirka 1120MWh/år. Kyllasten antas variera över dygnet så att två fall på LTU utreds; ett fall utan ackumulatortank och ett fall med ackumulatortank. Drifttiden antas till 1020h genom
𝑡 =𝐸
Vid beräkningar av fjärrvärmeflödesbehov antas att kyleffektbehovet över dygnet följer en sinuskurva med maxeffekt 1100kW, medeleffekt 733kW och mineffekt 366kW. Detta är en grov estimering som följer erfarenheter från andra kylnät att medeleffekten är 2/3 av
toppeffekten(25).
Kurvan är justerad så att den högsta kyleffekten är klockan 14:00. Enligt det antagna sommarfallet som nämns tidigare går 21% av det totala fjärrvärmeflödet genom ledningen förbi LTU, där AKM:en är tänkt att kopplas in.
För att se om det finns potential för att koppla in AKM:en enligt fram/fram korrigeras
mätdatan från Lulekraft för att visa flödet förbi LTU, d.v.s. det totala flödet multipliceras med 0,21 och visar medelvärdet för varje timme under dygnet varje månad.
Vid värmeförlustberäkningar tas ingen hänsyn till fjärrvärmebärarens avkylning under
sträckan. Beräkningar gjordes för få en uppfattning om avkylningen och den blev i detta fallet under 0,4°C. Mätningarna på fjärrvärmetemperaturen från Lulekraft visar på större variationer än så, därför ses inte avkylningen i fjärrvärmenätet som ett problem i detta fall.
Nedan följer två fall. Ett där kylmaskinen och kyltornet dimensioneras för att klara toppeffekten på 1100kW och ett fall med en ackumulator som då laddas med en mindre maskin som dimensioneras efter dygnsmedelförbrukningen.
Utöver detta utreddes kostnaden för att istället för kyltorn, ta kyla från Björkskatafjärden. Det skulle ge en lägre driftskostnad men investeringskostnaden skulle bli högre då ledningar skulle behöva grävas samt läggas i vattnet. Fördelar med detta är att frikyla skulle kunna nyttjas då vattentemperaturen är cirka 6°C eller kallare. Frikyla finns redan vid LTU och då detta hamnar utanför den här rapportens fokus utreds det inte närmare.
Kylmaskin utan ackumulatortank
Carrier lämnade uppgifter om en LJ16, storlek 53, som klarar att leverera 1190kW med COP 0,69. Drivvärmen har en temperaturskillnad genom AKM:en på 5°C vilket ger ett flöde på 280m3/h vid maxeffekt enligt
𝑃 = 𝑞 × ∆𝑇 × 𝐶𝑝 × 𝐶𝑂𝑃𝑒𝑎𝑡 där
P = effekt [kW]
q = Flöde [m3/s]
ΔT = Temperaturskillnad på drivvärmens in- och uttemperatur [°C]
Cp = Vattnets specifika värmekapacitet [kJ/kgK]
COPheat = Kylmaskinens verkningsgrad med avseende på drivvärmen [dimensionslöst].
BAC dimensionerade ett kyltorn som klarar att leverera 2914kW under givna förutsättningar.
Om en AKM kopplas in fram/fram så måste fjärrvärmeflödet höjas för att kunna tillgodose effektbehovet hos de efterföljande värmeförbrukarna. Medelflödet för varje timme höjs enligt
𝑞𝑓𝑗 .𝑣.+𝐴𝐾𝑀 = 𝑞𝑓𝑗 .𝑣.+𝑞𝐴𝐾𝑀 3 där
qfj.v.+AKM = Det totala flödet genom fjärrvärmeledningen med en AKM inkopplad [m3/h]
qfj.v. = Flödet i fjärrvärmeledningen innan en AKM kopplas in [m3/h]
qAKM = Flödet genom AKM:en [m3/h]
och visas i Figur 29.
Figur 29: Det genomsnittliga flödet i fjärrvärmeledningen och genom kylmaskinen då den är inkopplad enligt fram/fram-principen utan ackumulator.
Enligt diagrammet kan man se att medelflödet varje månad tillåter att man kör den nämnda maskinen fram/fram-kopplad.
Ser man på de faktiska timvärdena så är det lägsta totala fjärrvärmeflödet 785m3/h. Om 21%
av det totala fjärrvärmeflödet går förbi LTU så ger det 165m3/h.
När AKM:en går med full effekt kräver den ett flöde på 280m3/h. Som tidigare nämnt så krävs ett högre fjärrvärmeflöde till de efterföljande värmeförbrukarna när AKM:en sänker
framledningstemperaturen. Det lägsta möjliga fjärrvärmeflödet som krävs innan AKM:en kopplas in blir alltså
𝑞𝑚𝑖𝑛 = 𝑞𝐴𝐾𝑀 × 0,75 = 280 × 0,75 = 210 där
qmin = Det lägsta flödet som krävs i fjärrvärmeledningen för att en fram/fram-koppling ska vara möjlig [m3/h]