Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Fakulteten för teknik- och naturvetenskap Avdelningen för energi-, miljö- och byggteknik
Åsa Forsberg
Energieffektivisering i ett verkstadsföretag
En analys av energibesparande åtgärder samt
uppvärmnings- och kylsystems driftkostnader och koldioxidutsläpp
Energy efficiency improvement in a workshop company
An analysis of energy saving measures
heating and cooling systems operation costs and carbon dioxide emissions
Examensarbete 22,5 hp
Energi- och miljöingenjörsprogrammet
Datum: 2010-05-19 Handledare: Roger Renström Examinator: Roger Renström
Sammanfattning
I detta arbete har ett verkstadsföretags energianvändning undersökts i syfte att hitta områden där energieffektiva åtgärder kan genomföras. Företagets kombinerade olje- och eluppvärm- ning av lokalerna jämfördes med andra alternativa uppvärmningsformer inklusive kylning av lokalerna i följande kombinationer:
1. Bergvärmepumpanläggning för uppvärmning och kylning
2. Fjärrvärmeanläggning för uppvärmning och kylning med absorptionskylmaskin 3. Fjärrvärmeanläggning för uppvärmning och kylning med lågtempererat ytvatten
Energianvändning, driftkostnader och miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp beräknades för de nuvarande uppvärmningssystemen och de tre alternativen inklusive kylning. Berg- värmepumpanläggningen för uppvärmning och kylning ger den största energibesparingen av köpt energi med en minskning på 34 MWh per år i jämförelse med nuvarande uppvärmning.
Den största driftkostnads- och koldioxidminskningen ger fjärrvärmeanläggningen med lågtempererat ytvatten för kylning av lokalerna. Driftkostnaden minskar med 42 kkr per år och koldioxidutsläppen med 43 ton CO2 per år. Skillnaderna mellan alternativen var inte så stora när det gällde driftkostnaderna. Däremot visade sig bergvärmepumpanläggningen ge klart mindre minskningar av koldioxidutsläpp än de andra två alternativen med fjärrvärme.
Ett val av alternativt uppvärmnings- och kylsystem medför också ett val av energislag. Valet är antingen elektrisk energi eller värmeenergi i ovanstående tre alternativ. En viktning kan göras vid bedömning av energianvändningen för uppvärmning utifrån faktorer som anger hur mycket energi som åtgår för att generera den energi som slutanvändaren köper. Med en viktningsfaktor för el på 2,5 medför det att fjärrvärmeanläggningen med lågtempererat ytvatten för kylning får det lägsta jämförelsetalet för uppvärmning och kylning.
En inventering av belysningen gjordes också. Företaget har redan idag en energieffektiv belysning men en ytterligare besparing på 2 MWh per år kan göras utan att byta armaturer.
Slutligen noterades att drifttiden på en kompressor i snitt låg på 11 timmar per dag.
Kompressorn levererar tryckluft till maskiner och verktyg via ett luftnät. Drifttiden kan bero på att behovet av tryckluft är konstant stort i verksamheten men kan även tyda på läckage i luftnätet.
Abstract
The energy use in a workshop company has been examined in this work in order to find areas for energy efficiency improvement. The combined oil- and electricity heating in the company were compared with other alternative heating systems including cooling of the premises in following combinations:
1. Ground source heat pump for heating and cooling 2. District heating and absorption cooling
3. District heating and low temperate surface water cooling
Energy use, operation costs and carbon dioxide emissions were calculated for the current heating systems and the three alternatives including cooling. The ground source heat pump for heating and cooling decreases bought energy with 34 MWh annually compared to current heating only. The district heating and low temperate surface water cooling has the largest reduction of operation cost and carbon dioxide. The operation cost decreases with 42 kSEK and the carbon dioxide with 43 metric ton CO2 annually. The differences between the alternatives were smaller concerning the operation costs. The ground source heat pump alternative had smaller reductions of carbon dioxide than the other two alternatives with district heating.
An alternative heating and cooling system can also lead to alternative energy use. The choice is between electrical or heat energy. A weighting can be done to evaluate the energy use for heating on basis of how much energy is needed in order to generate the energy the end user buys. A 2.5 factor for electrical energy entails the alternative with district heating and low temperate surface water cooling gets the lowest heating and cooling energy in comparison.
An inventory of the lighting was also done. The company has already an energy effective lighting but yet another saving of 2 MWh can be done annually without replacement of armatures.
Finally, the operation time of the compressor was calculated with a mean value of 11 hours per day. The compressor delivers pressure air to machines and tools. There can be a great demand for pressure air in the workshop but the operation time can also be an indication of leakage in the air net.
Innehåll
1 Inledning ... 6
2 Bakgrund... 7
2.1 Energianvändningen inom verkstadsindustrin... 7
2.2 Inomhusklimat ... 8
2.3 Ökning av kylanvändning... 8
2.4 Åtgärder och tekniker för att minska kylbehovet ... 8
2.5 Olika typer av kylning ... 10
3 Genomförande ... 11
3.1 Kartläggning av företaget ... 11
3.2 Datainsamling ... 11
3.3 Företagets elanvändning ... 13
3.4 Beräkning av kylbehov ... 14
3.5 Alternativa uppvärmningssystem och kompletterande kylsystem ... 15
3.6 Energivärdering vid byte av uppvärmningssystem ... 16
3.7 Beräkning av energibesparing vid byte av lysrör ... 16
4 Resultat ... 17
4.1 Energianvändning ... 17
4.1.1 Verksamhetsel ... 19
4.1.2 Tryckluft ... 22
4.2 Jämförelse mellan företagets och verkstadsindustrins elanvändning ... 22
4.3 Byggnadens balanstemperatur ... 23
4.4 Byggnadens kylbehov ... 23
4.5 Jämförelser mellan olika uppvärmnings- och kylsystem ... 23
4.5.1 Energianvändning för uppvärmning och kylning av lokalerna ... 24
4.5.2 Driftkostnader ... 25
4.5.3 Koldioxidutsläpp ... 26
5 Diskussion ... 27
5.1 Jämförelse mellan företagets och verkstadsindustrins elanvändning ... 27
5.2 Uppvärmning och kylning av lokalerna ... 28
5.2.1 Energianvändning ... 28
5.2.2 Driftkostnader ... 29
5.2.3 Koldioxidutsläpp ... 30
5.3 Belysning ... 30
5.4 Tryckluft ... 30
5.5 Felkällor... 30
6 Slutsatser ... 31
7 Tackord ... 31
Bilaga 1
Ritning över lokalerna: bottenvåning ... 33 Bilaga 2
Dygnsmedeltemperatur, Karlstad 2006... 34 Bilaga 3
Mätning av inom- och utomhustemperatur under perioden 13 september–3 oktober 2008. ... 35 Bilaga 4
Jämförelse mellan effektuttag av el, dygnsmedeltemperatur och uppmätt dygnstemperatur ute under perioden 13 september–3 oktober 2008. ... 36 Bilaga 5
Värme-/kylbehov [MWh/år] ... 37 Driftkostnad [kkr/år] ... 37 Koldioxidutsläpp [ton CO2/år] ... 37 Bilaga 6
Effektuttag mellan olika tidsintervall den 11 november 2008 ... 38
1 Inledning
Vår energianvändning kan kopplas till en ökad risk för klimatförändring. Därför är det viktigt att i möjligaste mån minska vår energianvändning. I takt med ökande energipriser blir det dessutom mer lönsamt att se över och minska energianvändningen. Inom industrin finns det exempel på företag som mer än halverat sina kostnader utan allt för stora investeringar.
Kostnaderna påverkas också beroende på vilket energislag som används. Genom att byta från ett fossilt till ett förnybart bränsle kan kostnaderna minska samtidigt som miljön gynnas.
Ett problemområde inom industrin är värmealstringen i produktionsprocesser och stödsystem.
Under uppvärmningssäsongen kan detta värmetillskott bidra till eller ersätta uppvärmning av lokalerna men under övrig säsong kan kylning av lokalerna vara nödvändig, både ur ett produktions- och arbetsmiljömässigt perspektiv.
I detta examensarbete undersöktes möjligheter till energieffektivisering, alternativa uppvärm- ningssystem samt användning av olika kylsystem i ett verkstadsföretag. Uppvärmnings- och kylsystemens driftkostnader och miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp undersöktes också.
Arbetet utfördes inom energi- och miljöingenjörsprogrammet vid Karlstads universitet.
Handledare och examinator var Roger Renström, universitetslektor på avdelningen för energi-, miljö- och byggteknik inom fakulteten för teknik- och naturvetenskap.
Det företag som tackade ja till att undersökas i arbetet är ett verkstadsföretag, Löfman & Co Verkstad AB, som i fortsättningen kallas företaget. Verksamheten startades 1933 och företaget är underleverantör inom området mekanisk bearbetning. I verkstaden produceras maskindelar och -system med hjälp av dator- och manuellt styrda svarvar och fräsar.
Produktionsserierna är korta och skiljer i antal från år till år. Materialet är i huvudsak rostfritt stål. Även plåt-, svets- och montagearbeten utförs. Maskinparken består av sju svarvar, fem fräsar, bandsåg, radialborr, rundslip, svetsaggregat, gradsax, kantpress och rullbock. Vid produktionen uppstår vattendimma som leds bort med tre oljedimavskiljare. Punktutsug finns vid ett flertal arbetsstationer. En skruvkompressor levererar via ett luftnät tryckluft till
maskiner och verktyg. En kyltork mot kondens och tryckluftsbehållare är anslutna till kompressorn.
Sedan 1937 har produktionen skett i den nuvarande byggnaden. En tillbyggnad gjordes 2002 i samband med att verksamheten utökades. Detta har medfört att den ursprungliga byggnaden och tillbyggnaden har olika uppvärmnings- och ventilationssystem. Den ursprungliga
byggnaden renoverades 2005 då bland annat belysningsarmaturer i taket och fönster byttes ut.
Företaget har ett värmeöverskott under sommarmånaderna som idag delvis kyls bort med luft/luftvärmepump i kontorsdelen. I verkstadslokalerna sker ingen kylning, där används bordsfläktar och korsdrag skapas med öppna portar för att öka luftflödet, vilket ger viss svalka.
Syftet med arbetet var att ringa in områden där energieffektiviseringar kunde göras i företaget och undersöka eventuella konsekvenser gällande driftkostnader och miljöpåverkan.
Målet med arbetet var att föreslå åtgärder som minskar den totala energianvändningen där även energianvändning för kylning av lokalerna ingår. Åtgärdsförslagen skulle även minska driftkostnaderna och negativ påverkan på miljön i form av koldioxidutsläpp.
De avgränsningar som är gjorda är att vattenanvändningen inte undersöktes. Energianvänd- ningen för uppvärmning av vatten antogs ingå i baslasten av el. Dimensioneringar av värme- och kylanläggningar, kostnader för investeringar och återbetalningstider ingår inte.
2 Bakgrund
2.1 Energianvändningen inom verkstadsindustrin
Sammansättningen av energislagen i energianvändningen inom industrin varierar inom olika branscher. Inom verkstadsindustrin är det elektrisk energi som står för den största andelen enligt Diagram 1. (1)
Elanvändningen i sin tur fördelar sig enligt Diagram 2. Uppgifterna kommer från en sammanställning gjord 1985 och kan ha förändrats sedan dess. (2)
Elektrisk energi 64%
Stenkol och koks
1%
Gasol 3%
Natur- och stadgas
3%
Biobränsle 1%
Eldningsoljor 7%
Övriga bränslen
9%
Fjärrvärme 12%
Diagram 1. Fördelningen av energislag inom verkstadsindustrin. (1)
Diagram 2. Fördelningen över elanvändningen inom verkstadsindustrin. (2) Fläktmotorer
22%
Tryckluft 5%
Svetsning Mekanisk 3%
bearbetning Övrig process 32%
7%
Belysning 19%
Elpannor, värme- pumpar
12%
Elanvändningen inom verkstadsindustrin
2.2 Inomhusklimat
Faktorer som påverkar inomhusklimatet är luftens temperatur, yttemperatur, luftrörelser och luftfuktighet samt luftens halt av olika föroreningar. Rumstemperaturen bestäms i samspel mellan utomhusklimatet, byggnadens konstruktion, verksamheten och det klimatstyrande systemet i byggnaden. I första hand är det utomhustemperaturens variationer över året som bestämmer värmeflödena genom byggnadskonstruktionen.
I lokalbyggnader dimensioneras generellt en klimatanläggning nästan uteslutande utifrån värmeöverskotten. Den interna värmeutvecklingen ger ofta ett stort värmeöverskott (i fort- sättningen kallad kylbehov) vilket medför att en lokalbyggnads balanstemperatur ofta ligger mycket lågt, i många fall till och med under 0 °C. Beroende på verksamhetens interna värme- utveckling kan det innebära att välisolerade byggnader får en högre total energianvändning om det medför att kylbehovet överstiger värmebehovet under den kalla årstiden. Därför är det inte alltid optimalt med en långt driven isoleringsnivå i en lokalbyggnad. (3)
2.3 Ökning av kylanvändning
Ett flertal undersökningar visar att användning av kylanläggningar i lokaler ökar stadigt.
I Sverige har kyld yta fördubblats mellan åren 1990 och 2005. Enligt beräkningar kommer kylanvändningen att tredubblas under den närmaste 30-årsperioden. (4) Därför är det viktigt att hitta energieffektiva lösningar för att möta denna ökning.
2.4 Åtgärder och tekniker för att minska kylbehovet
Överskottsvärme i byggnader bildas förutom av utomhustemperaturen också av solinstrålning, maskiner, belysning och personer i lokalerna. Värmen lagras även i byggnaden och avges när temperaturen i lokalerna sjunker. Genom att i första hand skärma av solinstrålningen med solskydd, slå av maskiner och släcka belysning när behovet av dessa inte finns samt välja lämplig klädsel minskas behovet av kylning.
Används lokalerna enbart under dagtid kan överskottsvärmen ventileras bort övrig tid. Vid utomhustemperaturer kring 16–18 °C och lägre kan utomhusluft användas för kylning enligt Figur 1. Denna form av kylning kallas också frikyla, då det är ett sätt att kyla utan en energi- krävande process. Frikyla kan även utnyttjas vid användning av vattenburna kylsystem. En värmeväxlare mot utomhusluften krävs i detta fall i form av till exempel ett kyltorn. Det normala kylintervallet ligger mellan 7 och 10 °C utomhustemperatur. Frikyla kan, förutom från luften, även utvinnas från grund- och ytvatten, mark och berg, se Figur 1 och Figur 2. (4)
Figur 1. Principschema över en bergkylanläggning kombinerad med frikylning mot utomhusluften. (25)
Figur 2. Principschema över fjärr-/frikyleanläggning med lågtempererat ytvatten. (26) KMK Kylmedelskylare (VVX)
VVX Värmeväxlare GT Temperaturgivare SV Reglerventil
P Pump
2.5 Olika typer av kylning
Det vanligaste sättet att producera kyla är med kompressordrivna kylmaskiner. De fungerar på samma sätt som en värmepump med den skillnaden att den kalla sidan nyttjas i stället för den varma.
Värmedrivna kylmaskiner för vattendistribuerad kyla, så kallade absorptionskylmaskiner, kan drivas helt utan tillskott av el alternativt med en eldriven pump för att trycksätta och transportera köldmedielösningen. Den största energiåtgången är värmetillförseln i generatorn.
Pumpens energianvändning är i jämförelse marginell. (5)
Alternativa metoder är evaporativ och sorptiv kylning av luft. Temperaturen sänks genom att fukta luften. Vid sorptiv kylning avfuktas tilluften innan den fuktas.
Idag finns också möjligheten att använda så kallad fjärrkyla. Det är en kylform som erbjuds av lokala energiföretag i fjärrkylenät. (4) Ett alternativt sätt är att nyttja fjärrvärmen via en absorptionskylmaskin enligt Figur 3 för att kyla lokalerna.
Figur 3. Principschema över en absorptionsanläggning där den inramade högra sidan ersätter den inringade kompressorn till vänster i en mekanisk kylmaskin. (14)
3 Genomförande
Arbetet delades upp i följande delområden:
kartläggning av företaget
insamling av data gällande företagets energianvändning och temperaturvariationer inom- och utomhus
sammanställning av insamlade data
jämförelse mellan företagets och verkstadsindustrins elanvändning
beräkning av energibesparing vid byte av lysrör
beräkning av kylbehov
undersökning av alternativa värme- och kylsystems energianvändning, driftkostnad och koldioxidutsläpp
3.1 Kartläggning av företaget
En kartläggning gjordes inledningsvis på företagets byggnad genom att okulärt besikta och studera ritningar över byggnaden. Det visade sig att byggnaden bestod av en äldre,
ursprunglig och en nyare del, enligt Bilaga 1. Den ursprungliga byggnadsdelen kallas i fortsättningen ursprunglig byggnad, den nyare delen tillbyggnad och båda byggnadsdelarna tillsammans benämns enbart byggnad. Därefter kartlades byggnadens ventilationssystem genom att studera dessa okulärt och utifrån ritningar, funktionsbeskrivningar och luftflödes- protokoll, som företaget tillhandahöll. Den ursprungliga byggnaden ventileras med självdrag och tillbyggnaden har från- och tilluftsventilation med värmeåtervinning (FTX). Uppvärm- ningen av lokalerna kartlades okulärt och visade sig också vara två olika system; olje- uppvärmning i den ursprungliga byggnaden och direktverkande el i tillbyggnaden. Maskin- parken inventerades, drifttider noterades på mekanisk ventilation och tryckluftsaggregat, företagsledning och personal intervjuades för att få en uppfattning om verksamheten och arbetsrutiner.
3.2 Datainsamling
Efter kartläggningen av företaget samlades data in på före- tagets energianvändning som innefattar eldningsolja för uppvärmning av ursprungliga byggnaden och el för uppvärm- ning av tillbyggnaden och övrig elanvändning. Detta gjordes med hjälp av historiska data som erhölls av företagets olje- och elleverantörer. Uppgifter i detta arbete innefattar
oljeleveranser för åren 2005 till och med våren 2008 (6) och elanvändningen från och med 2006 till och med oktober 2008 (7). Data över företagets elanvändning var genomsnittliga timvärden och för att få en mer detaljerad överblick gjordes även egna mätningar med tätare intervall. Utrustningen som användes var av märket Metrix och elbehörig person (8) riggade mätutrustningen enligt Bild 1. Strömtänger anslöts till servisledningen och en datalogger samlade in uppgifter om företagets totala effektuttag var sjätte minut under
perioden 7–12 november 2008. Bild 1. Elmätning på servisledning.
För att bedöma hur stor del av elanvändningen som uppvärmning av lokalerna i tillbyggnaden står för samlades data in över temperaturvariationer i utomhusluften i Karlstad. Detta gjordes dels utifrån historiska data på dygnsmedeltemperaturen utomhus från och med den 1 januari 2006 till och med den 14 oktober 2008, som erhölls från Karlstads Energi AB (9), enligt Bilaga 2. För att bedöma hur varmt det var i lokalerna i förhållande till utomhustemperaturen gjordes också egna mätningar på luftens temperatur från och med den 13 september till och med den 3 oktober 2008. Resultatet är sammanställt i Bilaga 3. Mätningarna gjordes med en utrustning av märket Mitec bestående av en datalogger placerad utomhus och tre inomhus i verkstadslokalerna. Inomhusmätningarna gjordes på cirka 1,8 meters höjd i båda byggnads- delarna och även nära taket i tillbyggnadsdelen enligt Bild 2. Mätvärdena loggades med 15 minuters mellanrum.
Oljeanvändningen sammanställdes i en tabell och omvandlades från volym till värmeenergi med en antagen verkningsgrad utifrån ekvationen (5):
där:
energiinnehåll [kWh/m3]
volym [m3]
oljepannans verkningsgrad [%]
Data på elanvändningen under 2006 valdes som studieunderlag, då den hade större sam- stämmighet med 2008 års elanvändning fram till september då sammanställningen av data påbörjades. 2007 års siffror var lägre och valdes därför bort. De genomsnittliga timvärdena på effektuttagen sammanställdes i diagram. Effektuttagen för den varmaste respektive kallaste månaden 2006 visas i Diagram 3 och Diagram 4.
Uppgifterna över dygnsmedeltemperaturen fördes in i samma diagram som timvärdena på effektuttagen. Detta gjordes för att se sambandet mellan utomhustemperatur och eluppvärm- ning av lokalerna.
Bild 2. Temperaturmätning i takhöjd, tillbyggnadsdelen.
Dataloggerns placering.
3.3 Företagets elanvändning
De sammanställda diagrammen över elanvändningen studerades månadsvis och det första som undersöktes var om någon del av elanvändningen var konstant över året. Detta gjordes genom att se hur stor elanvändningen var under juli månad enligt Diagram 3, det vill säga den period då inget behov för uppvärmning fanns samt dagar och tider då ingen verksamhet pågick.
Under första halvan av månaden pågick verksamhet och under andra halvan pågick ingen eller mycket begränsad verksamhet då företaget hade semesterstängt. Genom att bedöma det
minsta effektuttaget under första halvan och medelvärdet av effektuttaget under andra halvan av juli månad bestämdes ett genomsnittligt effektuttag som antogs vara konstant över året oavsett årstid och verksamhetsgrad i företaget. Denna elanvändning kallas i arbetet baslast och antogs bestå av drift av cirkulationspumpar, varmvattenberedare, säkerhetsbelysning och larm. Baslasten beräknades enligt följande:
Baslast = genomsnittligt konstant effektuttag × 365 dagar × 24 timmar
Därefter kartlades eluppvärmningens storlek. Detta gjordes genom att jämföra statistik över utetemperaturen för Karlstad 2006 (9), enligt Bilaga 2, med elanvändningen samma år.
Sambandet mellan ökat effektuttag under tider då ingen verksamhet pågick i lokalerna och sjunkande utetemperatur antogs motsvara eluppvärmningen av tillbyggnaden och markerades i diagrammen. Ett genomsnittligt effektuttag för uppvärmning per månad bestämdes och elanvändningen beräknades enligt följande:
Eluppvärmning = genomsnittligt effektuttag × antal dagar × 24 timmar
Den totala elanvändningen sammanställdes tillsammans med baslasten av el och eluppvärm- ningen av tillbyggnaden i en tabell. Den återstående elanvändningen motsvaras av verksam- hetens elanvändning enligt Tabell 3.
Verksamhetselen delades i sin tur upp i fyra områden:
ventilation
belysning
kontorsmaskiner
verkstadsmaskiner och -processer
En detaljstudie gjordes utifrån den egna elmätningen under en dag, enligt Diagram 5, för att urskilja de olika områdena. Uppdelningen gjordes för att bedöma hur stora andelar av verksamhetselen de olika områdena motsvarade och jämföra dessa mot verkstadsindustrins genomsnittliga elanvändning inom samma områden.
Ventilation
Ventilationen i den ursprungliga byggnaden sker genom självdrag medan tillbyggnaden har ett från- och tilluftssystem med värmeåtervinning och reglerutrustning för konstant tillufts- temperatur ställd på 18 °C. Ventilationen är tidsstyrd, vardagar under dagtid är den igång 12 timmar, avstängd nattetid och helger. Vid övertidsarbete sätts ventilationen igång och stängs av manuellt. Utifrån den egna elmätningen och uppgifter om den inställda tids- styrningen av ventilationen och personalens arbetstider och rutiner, bestämdes ett genom- snittligt effektuttag för ventilationen och elanvändningen räknades ut enligt följande:
Elanvändning = effektuttag vid start × drifttid per arbetsdag × antal dagar per år
Belysning
En okulär inventering av belysningen gjordes för att beräkna dess andel av den totala elanvändningen, enligt Tabell 4, och beräknades enligt följande:
Elanvändning = antal lysrör × effekt på lysrör och driftdon × total brinntid Total brinntid = antal arbetsdagar per år × antal arbetstimmar per arbetsdag
Denna beräkning motsvarar den maximala elanvändningen för belysningen och användes vid beräkning av energibesparing vid byte av lysrör på sidan 16. En bedömning gjordes också utifrån att alla lysrör inte alltid lyser samtidigt och att ett mindre antal lysrör var ur funktion vid inventeringen. Detta antagande användes vid bedömningen av belysningens andel av verksamhetselen.
Kontorsmaskiner
Elanvändningen för kontorsmaskiner bedömdes utifrån ökningen av effektuttaget vid den tid kontorspersonalen började sitt arbete enligt följande:
Elanvändning = effektuttag × antal arbetsdagar per år × arbetstid per dag Verkstadsmaskiner och -processer
Då elanvändningen i verkstaden varierade mest bestämdes ventilationens, belysningens och kontorsmaskinernas elanvändning först och resterande elanvändning antogs motsvara verkstadsmaskinernas och -processernas elanvändning enligt följande:
Elanvändning = verksamhetselen – elanvändning för ventilation/belysning/konstormaskiner
3.4 Beräkning av kylbehov
För att kunna göra en ungefärlig bedömning av företagets kylbehov, utan att känna till storleken på den interna värmeutvecklingen och byggnadens värmeförluster, gjordes en beräkning utifrån varaktighetsdiagram för utomhustemperatur. För att få fram fördelningen mellan värme- respektive kylbehov över året behövde först byggnadens balanstemperatur bestämmas, den utomhustemperatur då byggnaden varken behöver värmas eller kylas. Detta gjordes genom att jämföra uppmätta inom- och utomhustemperaturer under senare delen av september och början av oktober 2008 med elanvändningen under samma period, se Bilaga 3 och Bilaga 4. En period då ingen verksamhet pågick och ingen eller en mycket låg el-
uppvärmning kunde urskiljas valdes som underlag. Den genomsnittliga utomhustemperaturen under den perioden sattes som byggnadens balanstemperatur.
Med en känd energianvändning för uppvärmning och en beräknad balanstemperatur räknades sedan kylbehovet ut enligt följande:
Byggnadens värmeunderskott (Qvu) motsvarar den blå ytan (Yvu) i varaktighetsdiagrammet och anges i gradtimmar [°Ch]. Den röda ytan (Yvö) motsvarar värmeöverskottet (Qvö) och antogs motsvara samma förhållande som värmeunderskottet enligt följande:
Qvu = konstant × Yvu
Qvö = konstant × Yvö
Konstanten motsvarar byggnadens värmeförlust på grund av transmission (t) genom byggnaden och uteluft som läcker in, s.k. ofrivillig ventilation (ov), enligt följande (3):
konstant där:
värmegenomgångs- koefficient
area [m2]
ofrivilligt ventilationsflöde [m3/s]
luftens densitet [kg/m3]
luftens specifika värme- kapacitet [J/kg,°C]
3.5 Alternativa uppvärmningssystem och kompletterande kylsystem
Alternativ för de nuvarande två uppvärmningssystemen undersöktes sedan. Utifrån litteratur- studier bestämdes två uppvärmningsalternativ med bergvärmepump respektive fjärrvärme och användning av komfort- och frikyla i olika kombinationer. De båda alternativa uppvärmnings- systemen kan även leverera kyla. I Karlstad finns inte fjärrkyla tillgänglig hösten 2008 men fjärrvärmen kan även användas för kylning genom att installera en fjärrvärmedriven
absorptionskylmaskin i byggnaden. Tillbyggnadsdelen med verkstad och kontor behöver konverteras till ett vattenburet system för att något av de alternativa uppvärmningssystemen ska kunna ersätta de nuvarande. Följande kombinationer för uppvärmning och kylning undersöktes:
1. Bergvärmepumpanläggning för uppvärmning och kylning
2. Fjärrvärmeanläggning för uppvärmning och fjärrvärmedriven kylning med absorptions- kylmaskin
3. Fjärrvärmeanläggning för uppvärmning och kylning med lågtempererat ytvatten Yvu
Yvö
Figur 4. Varaktighetsdiagram där ytorna Yvu och Yvö representerar byggnadens värmeunderskott respektive -överskott.
Energianvändning, driftkostnader och miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp beräknades för de olika alternativen och jämfördes med de nuvarande två uppvärmningssystemen, det s.k.
nollalternativet. Energibehovets förändring i jämförelse med dagens energianvändning beräknades utifrån bergvärmepumpens COP-värden för värme och kyla samt absorptions- kylmaskinens verkningsgrad. Företagets nuvarande priser för energianvändning användes för att beräkna driftkostnaderna för olja och el. Fjärrvärmepriser erhölls från Karlstads Energi AB. Vid beräkningen av koldioxidutsläpp bedömdes elanvändningen motsvara den el som kan sparas eller måste produceras på marginalen, s.k. marginalel. Omräkningstalen för att omvandla energianvändningen till koldioxidutsläpp för de olika energislagen hämtades från litteratur i ämnet och energileverantörer.
3.6 Energivärdering vid byte av uppvärmningssystem
De alternativa uppvärmningssystemen som undersöktes i detta arbete innebär att företaget byter ut oljeuppvärmningen mot el- eller fjärrvärme. Att generera el kräver betydligt fler energiomvandlingar i jämförelse med att generera värme. (10) En viktning kan göras vid bedömning av energianvändningen för uppvärmning utifrån faktorer som anger hur mycket energi som åtgår för att generera den energi som slutanvändaren köper. För jämförelser i detta arbete användes viktningsfaktor 2,5 för el och 1 för fjärrvärme utifrån ett förslag i det svenska delbetänkandet gällande energieffektivisering, SOU 2008:25. (11)
3.7 Beräkning av energibesparing vid byte av lysrör
En beräkning gjordes också för att se hur mycket som skulle kunna sparas vid byte av lysrör till ett lägre wattal. Beräkningen gjordes utifrån en inventering av belysningen (se ovan). Två alternativ undersöktes, byte av lysrör från 58 W till 51 W alternativt 49 W, enligt Tabell 5 och Tabell 6. Det lägre wattalet medför även byte av armaturer. (12)
4 Resultat
Nedan presenteras företagets energianvändning, resultat av det som framkom i analysen av befintlig statistik och utförda mätningar samt beräkningar. Förslag på andra uppvärmnings- alternativ än dagens kombinerade olje- och eluppvärmning redovisas med dess konsekvenser gällande energianvändning, driftkostnader och miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp.
4.1 Energianvändning
För att få en överblick över företagets energianvändning sammanställdes el- och olje- användningen med hjälp av statistik från leverantörerna enligt Tabell 1 och Tabell 2. Den månatliga elanvändningen är summerad utifrån leverantörens registrerade effektuttag per timme.
Oljeanvändningen i den ursprungliga byggnaden bestämdes i genomsnitt till 4 000 liter, eller 4 m3, per år. Eldningsoljans energiinnehåll antogs motsvara cirka 10 000 kWh per m3 och pannans verkningsgrad antogs till 75 % vilket motsvarar en energianvändning på:
kWh/år
Statistiken på elanvändningen jämfördes med statistiken på dygnsmedelstemperatur för Karlstad (9) enligt Bilaga 2. Företagets elanvändning sommartid har en nästan konstant baslast dygnet runt på cirka 3 kW enligt Diagram 3. Under perioden 1–14 juli 2006 understeg effektuttaget aldrig 3 kW och under semesterveckorna mellan 15–31 juli låg effektuttaget i genomsnitt på 3 kW. Baslastens andel av elanvändningen, det genomsnittliga effektuttaget och elanvändningen per månad för uppvärmning av lokalerna i tillbyggnaden är sammanställd i Tabell 3. För mars månad 2006 innebar det en elanvändning enligt Diagram 4 på:
14 kW × 31 dagar × 24 timmar = 10 416 kWh
Månad 2006
Januari 23 504 14 % Februari 21 825 13 %
Mars 25 975 16 %
April 16 819 10 %
Maj 17 559 11 %
Juni 13 451 8 %
Juli 6 739 4 %
Augusti 5 459 3 %
September 5 866 4 %
Oktober 8 214 5 %
November 8 633 5 % December 9 881 6 % Totalt 163 925 100 %
2005 2006 2007 2008 Mars 2 029 2 300 2 845 4 003 December 2 029 2 766
Totalt 4 058 5 066 2 845 4 003
Tabell 2. Oljeleveranser (liter) under en fyraårsperiod.
Tabell 1. Elanvändning (kWh) 2006.
Diagram 3. Jämförelse mellan effektuttag (timvärden) av el och dygnsmedeltemperatur varmaste månaden 2006 (juli). Den färgade ytan (gul) motsvarar 3 kW effektuttag varje timme året runt. Perioden 15–31 juli var semestertid.
Diagram 4. Jämförelse mellan effektuttag (timvärden) av el och dygnsmedeltemperatur kallaste månaden 2006 (mars). Den undre gula ytan motsvarar 3 kW effektuttag varje timme året runt. Den övre röda ytan motsvarar eluppvärmning av lokalerna och svart linje visar det genomsnittliga effektuttaget på 14 kW.
0 10 20 30 40 50
01 kl 00 01 kl 08 01 kl 16 02 kl 00 02 kl 08 02 kl 16 03 kl 00 03 kl 08 03 kl 16 04 kl 00 04 kl 08 04 kl 16 05 kl 00 05 kl 08 05 kl 16 06 kl 00 06 kl 08 06 kl 16 07 kl 00 07 kl 08 07 kl 16 08 kl 00 08 kl 08 08 kl 16 09 kl 00 09 kl 08 09 kl 16 10 kl 00 10 kl 08 10 kl 16 11 kl 00 11 kl 08 11 kl 16 12 kl 00 12 kl 08 12 kl 16 13 kl 00 13 kl 08 13 kl 16 14 kl 00 14 kl 08 14 kl 16 15 kl 00 15 kl 08 15 kl 16 16 kl 00 16 kl 08 16 kl 16 17 kl 00 17 kl 08 17 kl 16 18 kl 00 18 kl 08 18 kl 16 19 kl 00 19 kl 08 19 kl 16 20 kl 00 20 kl 08 20 kl 16 21 kl 00 21 kl 08 21 kl 16 22 kl 00 22 kl 08 22 kl 16 23 kl 00 23 kl 08 23 kl 16 24 kl 00 24 kl 08 24 kl 16 25 kl 00 25 kl 08 25 kl 16 26 kl 00 26 kl 08 26 kl 16 27 kl 00 27 kl 08 27 kl 16 28 kl 00 28 kl 08 28 kl 16 29 kl 00 29 kl 08 29 kl 16 30 kl 00 30 kl 08 30 kl 16 31 kl 00 31 kl 08 31 kl 16 Effekt [kW] Temperatur [°C]
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
01 kl 00 01 kl 08 01 kl 16 02 kl 00 02 kl 08 02 kl 16 03 kl 00 03 kl 08 03 kl 16 04 kl 00 04 kl 08 04 kl 16 05 kl 00 05 kl 08 05 kl 16 06 kl 00 06 kl 08 06 kl 16 07 kl 00 07 kl 08 07 kl 16 08 kl 00 08 kl 08 08 kl 16 09 kl 00 09 kl 08 09 kl 16 10 kl 00 10 kl 08 10 kl 16 11 kl 00 11 kl 08 11 kl 16 12 kl 00 12 kl 08 12 kl 16 13 kl 00 13 kl 08 13 kl 16 14 kl 00 14 kl 08 14 kl 16 15 kl 00 15 kl 08 15 kl 16 16 kl 00 16 kl 08 16 kl 16 17 kl 00 17 kl 08 17 kl 16 18 kl 00 18 kl 08 18 kl 16 19 kl 00 19 kl 08 19 kl 16 20 kl 00 20 kl 08 20 kl 16 21 kl 00 21 kl 08 21 kl 16 22 kl 00 22 kl 08 22 kl 16 23 kl 00 23 kl 08 23 kl 16 24 kl 00 24 kl 08 24 kl 16 25 kl 00 25 kl 08 25 kl 16 26 kl 00 26 kl 08 26 kl 16 27 kl 00 27 kl 08 27 kl 16 28 kl 00 28 kl 08 28 kl 16 29 kl 00 29 kl 08 29 kl 16 30 kl 00 30 kl 08 30 kl 16 31 kl 00 31 kl 08 31 kl 16 Effekt [kW] Temperatur [°C]
Mars 2006 Juli 2006
Baslast
Baslast Uppvärmning
Den totala elanvändningen för 2006 är uppdelad i baslast, uppvärmning och verksamhet och är sammanställd i Tabell 3. Den totala elanvändningen låg på cirka 164 MWh varav cirka 26 MWh motsvaras av baslasten, 37 MWh el användes för att värma tillbyggnaden och resterande 101 MWh användes i verksamheten. Årsmedeltemperaturen för 2006 var högre än ett normalår. Temperaturskillnaden var högst under senare delen av året. Den enda perioden som var kallare än ett normalår var under mars månad.
Tabell 3. 2006 års utetemperatur i jämförelse med normalår samt företagets elanvändning samma år.
Medeltemperatur Elanvändning 2006
Normalår 2006 Totalt Baslast Uppvärmning Verksamhet
[°C] [°C] [kWh] [kW] [kWh] [kW] [kWh] [kWh]
Jan -4,3 -3,0 23 504 3 2 232 12 8 928 12 344
Feb -4,1 -3,9 21 825 3 2 016 11 7 392 12 417
Mar -1,1 -4,4 25 975 3 2 232 14 10 416 13 327
Apr 4,2 4,0 16 819 3 2 160 5 3 600 11 059
Maj 10,1 11,0 17 559 3 2 232 2 1 488 13 839
Jun 14,4 15,9 13 451 3 2 160 0 0 11 291
Jul 17,1 19,7 6 739 3 2 232 0 0 4 507
Aug 15,9 17,9 5 459 3 2 232 0 0 3 227
Sep 11,5 14,5 5 866 3 2 160 0 0 3 706
Okt 6,4 9,2 8 214 3 2 232 1 744 5 238
Nov 2,2 4,8 8 633 3 2 160 2 1 440 5 033
Dec -0,9 3,7 9 881 3 2 232 4 2 976 4 673
Summa - - 163 925 26 280 36 984 100 661
Årsmedel 6,0 7,5
4.1.1 Verksamhetsel
Den el som används i verksamheten delades upp i följande områden:
Ventilation
Belysning
Kontorsmaskiner
Verkstadsmaskiner och -processer
En elmätning gjordes under perioden 7–12 november 2008. En arbetsdag detaljstuderades och ovanstående delområden urskiljdes enligt Diagram 5.
Ventilation
Ventilationen bedömdes motsvara ett effektuttag på 7,5 kW med en drifttid på 12 timmar vardagar och 48 veckor på ett år. Det ger en elanvändning på:
7,5 kW × 48 veckor × 5 dagar × 12 timmar = 21 600 kWh/år ≈ 22 MWh/år
Belysning
Belysningen inventerades enligt Tabell 4. Brinntiden är beräknad på 240 arbetsdagar, 10 timmar per dag vilket ger en energianvändning på:
12,934 kW × 240 dagar × 10 timmar = 31 042 kWh/år ≈ 31 MWh/år
Denna beräkning bygger på att samtliga armaturer och lysrör är i funktion. En bedömning utifrån att alla lysrör inte alltid lyser samtidigt och att ett mindre antal lysrör var ur funktion vid inventeringen antogs en energianvändning på cirka 24 MWh/år vara mer trolig, det vill säga en genomsnittlig effekt på 10 kW i stället för 12,9 kW enligt följande:
10 kW × 240 dagar × 10 timmar = 24 000 kWh/år = 24 MWh/år
Diagram 5. Detalj ut mätning av effektuttag var sjätte minut den 11 november 2008. Bortsett från baslast och uppvärmning är effektuttagen är bedömda utifrån personalens arbetstider och rutiner.
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
04:34 04:40 04:46 04:52 04:58 05:04 05:10 05:16 05:22 05:28 05:34 05:40 05:46 05:52 05:58 06:04 06:10 06:16 06:22 06:28 06:34 06:40 06:46 06:52 06:58 07:04 07:10 07:16 07:22 07:28 07:34 07:40 07:46 07:52 07:58 08:04 08:10 08:16 08:22 08:28 08:34 08:40 08:46 08:52 08:58 09:04
Effektuttag mellan kl 5 och 9 [kW]
Ventilation, 7,5 kW
Belysning, 10 kW
Verkstadsmaskiner, 11 kW
Kontorsmaskiner, 5 kW
Uppvärmning, 6 kW Baslast, 3 kW
Processer i verkstaden
Tabell 4. Sammanställning av inventering av belysningsarmaturer och lysrörseffekter i de olika lokalerna.
Armatur [st]
Lysrör [st]
Effekt [W]
Driftdon [W]
Total effekt [kW]
Energi- användning
[kWh/år]
Fördelning [%]
Ny verkstad 30 60 58 10 4,080 9 792 32
Urspr. verkstad 34 68 49 10 4,012 9 629 31
Montering 12 24 58 10 1,632 3 917 13
Plåt och svets 20 40 58 10 2,720 6 528 21
Kontor nb 2 2 58 10 0,136 326 1
Kontor nb 2 2 49 10 0,118 283 1
Kontor 1 tr 2 4 49 10 0,236 566 2
Totalt 12,934 31 042 100
Efter en genomgång av hur stora besparingar som kunde göras framkom att byte av lysrör i verkstaden i tillbyggnaden, plåt- och svetsverkstaden, monteringen och delar av kontoren från 58 W till 51 W skulle ge en energibesparing på cirka 2,1 MWh per år enligt Tabell 5. Ett byte till 49 W kräver även ett byte till nya belysningsarmaturer och skulle ge en besparing på cirka 2,7 MWh per år enligt Tabell 6. Det motsvarar en besparing på 10 respektive 13 % av belysningens energianvändning. Tabell 5. Sammanställning av energibesparing vid byte från 58 W till 51 W lysrör. Byte från 58 W till 51 W lysrör Lys- rör [st] Effekt [W] Drift- don [W] Total effekt [kW] Dagens energi- användning [kWh/år] Ny energi- användning [kWh/år] Besparing [kWh/år] Ny verkstad 60 51 10 3,660 9 792 8 784 1 008 Montering 24 51 10 1,464 3 917 3 514 403
Plåt och svets 40 51 10 2,440 6 528 5 856 672
Kontor nb 2 51 10 0,122 326 293 34
Totalt 7,686 20 563 18 446 2 117 10% Tabell 6. Sammanställning av energibesparing vid byte från 58 W till 49 W lysrör. Byte från 58 W till 49 W lysrör Lys- rör [st] Effekt [W] Drift- don [W] Total effekt [kW] Dagens energi- användning [kWh/år] Ny energi- användning [kWh/år] Besparing [kWh/år] Ny verkstad 60 49 10 3,540 9 792 8 496 1 296 Montering 24 49 10 1,416 3 917 3 398 518
Plåt och svets 40 49 10 2,360 6 528 5 664 864
Kontor nb 2 49 10 0,118 326 283 43 Totalt 7,434 20 563 17 842 2 722
13%
Kontorsmaskiner
Kontorspersonalen kommer till arbetet mellan kl 7 och 7:30 och elanvändningen, datorer kopiatorer m.m., motsvarar ett uppskattat effektuttag på 5 kW, se Diagram 5. Tid för effektuttaget beräknades till 9 timmar vardagar och 48 veckor på ett år, vilket ger en elanvändning på:
5 kW × 48 veckor × 5 dagar × 9 timmar = 10 800 kWh/år ≈ 11 MWh/år
Verkstadsmaskiner och -processer
Resterande elanvändning står verkstadens maskiner och processer inklusive stödsystem för och ger med avrundade värden:
101-(22+24+11) = 44 MWh/år
4.1.2 Tryckluft
Drifttiden på kompressorn, som levererar tryckluft till maskiner och verktyg, noterades under perioden 28 augusti–26 november 2008 och uppgick totalt till 713 timmar. Utslaget på 65 arbetsdagar gav det en genomsnittlig drifttid på cirka 11 timmar per dag.
4.2 Jämförelse mellan företagets och verkstadsindustrins elanvändning Statistiken som beskriver verkstadsindustrins elanvändning jämfördes med företagets elanvändning. Verkstadsindustrins elanvändning för tryckluft, svetsning, mekanisk bearbetning och övrig process på 47 % antogs motsvara företagets elanvändning för verkstadsmaskiner och -processer på 33 %. Verkstadsindustrins elanvändning för drift av fläktmotorer på 22 % antogs till största delen motsvara företagets ventilation på 19 %, elpannor, värmepumpar på 12 % antogs motsvara uppvärmningen på 29 %. Belysningen står för 19 % av elanvändningen i båda jämförelserna enligt Diagram 6 och Diagram 7.
Diagram 6. Detta är samma diagram som presente- rades inledningsvis, Diagram 2 på sidan 7, som visar fördelningen över elanvändningen inom verkstads- industrin. (2)
Diagram 7. Sammanställning av företagets elanvänd- ning exkl. baslast och kontorsmaskiner för jämförelse med verkstadsindustrins elanvändning.
Fläktmotorer 22%
Tryckluft 5%
Svetsning Mekanisk 3%
bearbetning Övrig process 32%
7%
Belysning 19%
Elpannor, värme- pumpar 12%
Elanvändningen inom verkstadsindustrin
Verkstads- maskiner och
-processer 33%
Ventilation 19%
Uppvärmning 29%
Belysning 19%
Företagets elanvändning exkl. baslast och kontor
4.3 Byggnadens balanstemperatur
Temperaturmätningen under perioden 13 september–3 oktober 2008, enligt Bilaga 3, visade att den tredje helgen, 27–28 september, fram till dess att utomhustemperaturen började stiga mot måndagen den 29 september var eluppvärmningen som lägst, utetemperaturen var som högst 17 °C och som lägst 4 °C vilket gav ett medelvärde på cirka 10 °C. Detta medelvärde sattes som byggnadens balanstemperatur.
4.4 Byggnadens kylbehov Med en balanstemperatur på 10 °C blev ytan (Y) för värmeunderskott (vu) och värmeöverskott (vö):
Yvu ≈ 54 000 °Ch Yvö ≈ 18 000 °Ch
Den totala energianvändningen på cirka 70 MWh (Qvu) för uppvärmning av lokalerna motsvarar ytan på
54 000 °Ch enligt nedanstående ekvation. Ytan på 18 000 °Ch, som motsvarar värmeöverskottet räknades ut med samma konstant som värme- underskottet enligt följande
konstantvu = 70 000 / 54 000 = 1,296 Qvö = 1,296 × 18 000 = 23 328 kWh
4.5 Jämförelser mellan olika uppvärmnings- och kylsystem
Byggnaden har idag två uppvärmningssystem med olja och el som energislag. De tre alter- nativa uppvärmnings- och kylsystemen har jämförts ur ett energi-, kostnads- och miljömässigt perspektiv.
Figur 5. Detta är samma figur som visas på sid 15: Varaktighetsdiagram där ytorna Yvu och Yvö representerar byggnadens värmeunderskott respektive -överskott.
Yvu
Yvö
