Verktyg för att analysera Karlstad Centralsjukhus värme &
kylproduktion
A tool for analyzing Karlstad Central Hospital heating & cooling production
Martin Hammar
Institutionen för ingenjörsvetenskap, fysik och matematik Högskoleingenjörsprogrammet i energi- & miljöteknik Examensarbete högskoleingenjör 22,5hp
Roger Renström Lena Stawreberg
Sammanfattning
Världens energipriser har ökat drastiskt sedan 1970-talet. Detta skapar incitament för investeringar för att sänka sina energikostnader, vilket det satsas på inom industri-, transport- och
bebyggelsesektorn.
Karlstad Centralsjukhus är inget undantag gällande dessa investeringar och med en lokalyta motsvarande 26 fotbollsplaner med aktivitet dygnen runt förbrukas här stora mängder energi, om inte annat bara för att värma och kyla sjukhuset till ett behagligt klimat. För tillfället sker
ombyggnationer över hela sjukhuset för att minska dess energianvändning. Efter ombyggnationer som färdigställdes september 2010 ändrades sjukhusets energiproduktion. Det installerades då sex värmepumpar, två kopplade mot sjukhusets kylsystem för återvinna värme och fyra stycken mot 81 nya borrhål och Klarälven, som rinner förbi sjukhuset. Fjärrvärme används som reserv- och
spetskraft när inte värmepumparna klarar leverera hela värmebehovet. Sjukhusets kyla produceras genom de två värmepumparna, kylmaskiner samt frikyla från berget.
I projekteringen av anläggningen var värmepumparna dimensionerade att lösa värmeenergibehovet till -4°C resten skulle täckas upp av fjärrvärme. Berget skulle ge möjlighet att säsongslagra energi mellan årstiderna. Drift av anläggningen har dock visat att verkligheten skiljer sig från
projekteringen. Värmepumparna har inte kunnat användas fullt ut vintertid då varken berg eller älv har fungerat sig som tänkt. Den driftstrategi som togs fram vid projekteringen stämmer därmed inte utan en ny måste tas fram. Detta examensarbete är ett steg i detta arbete, projektets mål var att i samarbete med Centralsjukhusets driftpersonal ta fram ett verktyg för att kunna analysera
sjukhusets drifthistorik. Verktygets målgrupp är sjukhusets driftpersonal så dess utformning måste vara lättförstådd för dessa varför en testperiod gjordes av dessa innan slutgiltig överlämning.
Verktyget som togs fram gjordes i Microsoft Exel och det skapar fyra stycken varaktighetsdiagram av drifthistoriken för varje år. Två som visar värme- respektive kyleffekten i kW under ett år och vad som producerat denna effekt. De andra två visar kostnaden per månad i tusen kronor för dessa effekter. Detta gör verktyget genom att bearbeta data som samlas in effekt och temperaturmätare som finns installerade i anläggningen och samlas in genom övervakningsprogrammet Citec och statistikprogrammet WebEss. Genom att jämföra effektdiagrammet för värme och
kostnadsdiagrammet går det då att se exempelvis vad värmepumparna producerat och hur mycket denna produktion kostat.
Ett ledord i arbetet har varit enkelhet för de senare användarna. Verktyget skulle vara smidigt och snabbt att uppdatera och enkelt att förstå. Vilket även uppnåddes. Efter en veckas testperiod hade driftgruppen inga önskade ändringar varav verktyget lämnades över slutgiltigt.
Det överlämnades även fyra rekommendationer till landstinget för att få bättre kontroll på sina energikostnader.
Abstract
The Worlds energy usage has dramatically increased since the 1970's and as a consequence also the prices for energy. This creates incentives for investments with the purpose to decrease energy costs, which is a development you can see in the industry, transport and building sectors.
Karlstad Central Hospital is no exception with a floorspace equivalent of 26 football fields and activity around the clock. Just to heat and cool the hospital to a pleasant climate consumes a large amount of energy. Currently the parts of the hospital is being rebuilt to reduce its energy
consumption. In September 2010 the hospital's energy production changed . When six heatpumps were installed, two linked to hospital cooling system to recover heat and four to geothermal heat by 81 boreholes and the river Klarälven, which runs past the hospital. Long-distance heating is used for peak loads and in reserve when the heat pumps cannot supply all heating needs. The hospital's cooling is produced by the two heat pumps, three cooling machines and free cooling from the geothermal connection.
When designing the new energy production it was meant that the heat pumps should produce the heat required to -4 ° C, the rest would be covered by long-distance heating. The boreholes would make possible to storage energy between seasons. But operation of the plant has shown that reality differs from the theory. The heatpumps have not been fully utilized during the winter when neither the geothermal or the river behaved as intended. The operating strategy that was developed during project planning valid and therefore needs to be revised. This thesis is a step in that effort. The project's objectives was to produce a tool to analyze the hospital's operating history in cooperation with the Central Hospital's engineering staff. The tools users is meant to be the same staff so its design must be easily understood for those. A trialperiod took place therefore before the final handover.
The tool was developed in Microsoft Excel and it creates four graphs showing the operational history of each year. Two of them are showing the heat- or cold-output in kilowatts for a year and what produces this output. The other two shows the cost in thousand swedish crowns to produce these effects. The tool calculates thus by collecting data from power and temperatur gauges installed in the hospitol and is collected by the monitoring program Citec och statistics program WebEss. By comparing the power and cost graph for heat it can be seen for example what heat pumps produced and how much the production cost.
A key word in the development of the tool has been simplicity for the users. The tool should be easy and fast to update and simple to understand, which was achieved. After a week's trial had been running the staff had no wanted changes so the tool was handed over.
Förord
Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vi seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete.
Innehållsförteckning
1. Inledning... 1
2. Sjukhusets energisystem och produktionsenheter... 3
Programvaror på CSK... 4
Sjukhusets kyl- och värmekostnader... 5
3. Metod... 6
4. Resultat... 8
5. Diskussion ...11
6. Slutsatser...13
7. Rekommendationer... 13
8. Tackord... 14
Referenslista...15
Bilaga 1- NATURLIG ENERGI Centralsjukhuset i Karlstad...B1
1. Inledning
Sveriges energiförsörjning har ändrats kraftigt sedan oljekrisen under 1970-talet.
Oljeförbrukningen idag är närmast halverat jämfört med då samtidigt som vår
energianvändning ökat med närmare 50 %, vilket ändå är en liten ökning då världens energianvändning har fördubblats [1]. Den ökade förbrukningen har även lett till ökade energipriser, oljepriset är idag fyra gånger så högt jämfört med 1970-talet, priset för kol och naturgas fördubblat [2]. Detta har gett incitament till energieffektiviseringar och allt eftersom priset stiget desto fler investeringar. Vilket även som går att se i de tre stora energisektorerna vi har i Sverige: inom transportsektorn försöker man få ner sina bränslekostnader och är låg bränsleförbrukning är idag ett säljargument vid försäljning av bilar, industrisektorn lockas till att göra energieffektiviseringar av energimyndigheten genom Programmet för
energieffektiviseringar (PFE) [3]. Även inom bebyggelse sker många förändringar. Här minskar man energikostnaderna genom att sänka uppvärmningsbehovet i byggnader genom bygga energisnålare. Något EU strävar efter i ett led i deras handlingsplan för att
energibespara 20% av Europas energianvändning fram till 2020, där de pratar om att bland annat att passivhus kan om några år ska bli en standard för nybyggnationer. [4]. Ett annat sätt för att få en energismartare byggnad är att ändra sin produktion av värme och kyla, vilket bland andra Sundsvalls Sjukhus gjort, sedan sommaren 2000 då de kyler sjukhuset sina byggnader med snökyla, vilket har både miljö- och energimässa fördelar mot konventionella kylmaskiner. [5]
I Värmland finns det idag 3 st akutsjukhus som drivs av Landstinget i Värmland (LIV) Det största av dessa är Centralsjukhuset i Karlstad (CSK). CSK är länets största arbetsplats med ca 3200 anställda och har cirka 29 000 inskrivna patienter. Fysiskt är sjukhuset flera
byggnader som tillsammans utgör en lokalyta på 145 111 m², vilket motsvarar cirka 26 st fotbollsplaner [6]. I enlighet med landstingets miljöprogram pågår ständigt ett arbete i LIV:s byggnader att minska energianvändningen. Centralsjukhuset är ej ett undantag och med ett maximalt värmeeffektbehov på cirka 4200 kW så finns alltid det något att förbättra. För tillfället sker ombyggnationer i befintliga byggnader för att minska uppvärmningsbehovet.
Förutom några få byggnader levereras sjukhusets värmebehov från en energicentral som är lokaliserad i byggnad 41.[Bilaga 1]
CSK:s energicentral har även den byggts om med tiden för att minska sjukhusets
energikostnader. Från att tidigare haft fjärrvärme och kylmaskiner så började centralen byggas om med ledorden redundans, robust och energieffektivitet i början av 2000-talet. Första byggsteget var bygga ut kylanläggningen så att sjukhuset även kyldes av Klarälven. I September 2010 togs nästa steg. Då installerade 6 stycken värmepumpar och 81 st berghål borrades. Fyra värmepumpar hämtar värme från berghålen och Klarälven. De övriga två värmepumparna arbetar mot kylsystemet, vilket gör att nyttig energi erhålls åt båda håll av värmepumparna. Fjärrvärmen som tidigare täckte hela värmebehovet är kvar men används som spets- och reservkraft. Sjukhusets kylbehov täcks av, förutom under sommarmånaderna, återvinningsvärmepumparna. På sommarmånaderna kyls sjukhuset av frikyla från berget och kylmaskinerna som är kvar som spets- och reservkraft. [Bilaga 1]
Enligt de teoretiska beräkningar som är gjorda vid projekteringen av SWECO ska värmepumparna klara hela värmebehovet ner till -4°C. Tanken är att berget ska ska
energilagra mellan årstiderna så att värme tas ur berget vintertid och kyla sommartid [Bilaga 1]. Det har dock visat sig sedan anläggningen togs i drift att värmepumparna inte levererar
hela sin kapacitet. Detta på grund av att Klarälven inte håller 4°C som troddes vid projekteringen, temperaturen i älven vintertid är istället mellan 1-2°C vilket är för kallt - p.g.a. frysrisken - att uthämta någon energi ur. Värmepumparna har då endast körts mot berget under de kallaste månaderna, som inte det heller betett sig väntat utan laddas ur mycket fortare beräknat. Anläggningen körs idag efter den driftstrategi som är framtogs vid
projekteringen vilket inte är optimalt då förutsättningar vid projekteringen inte stämmer. De som är idag ansvariga för sjukhusets drift är en driftgrupp som har ansvarat att dels optimera anläggningen via befintligt driftsystem men även sköta skötseln av själva hårdvaran och svara på larm och underhåll. Det upplevs av driftgruppen som komplicerat att veta hur
anläggningen ska köras då det finns många olika driftscenarion och de har ingen tid att sätta sig in i detta.
Detta examensarbete görs enligt en förfrågan från LIV för att genom simulering ta fram nya driftscenarion. Målet ändrades då det bedömdes för komplext att lösa inom ramen av examensarbetets 22,5 hp. Istället genom att LIV:s intresse och mål är att sänka sina energikostnader framarbetades det nya målet att i samarbete med sjukhusets driftpersonal skapa ett verktyg som visar sjukhusets drifthistorik på ett som skapar möjlighet till driftanalyser. Programvaran för verktyget är Microsoft Excel 2002 och det ska visa hur energiförbrukningen sett ut dels genom effektanvändning i kilowatt (kW) och kostnaden i tusen kronor (tkr) månadsvis. Verktygets målgrupp är sjukhusets driftgrupp. För de ska kunna använda sig av verktyget är ett ledord enkelhet ; det ska vara enkelt att lägga in ny data för driftgruppen, max 10 minuter. Det ska även vara enkelt för gruppen att förstå sig på verktyget varav det skapas i samråd med dessa, innan slutgiltig överlämning av verktyget ska en testperiod ske för att säkerställa detta.
2. Sjukhusets energisystem och produktionsenheter
Hjärtat i sjukhusets energisystem finns i byggnad 41. Där produceras sjukhusets värme och kyla till sjukhusets vattenburna system (se i figur 1). Varmvattnet som produceras är mellan 63°C-73°C varmt med en högre temperaturen vid större värmebehov. Kylvattnet ut till sjukhuset är 11°C. Fjärrvärmeanslutningen är den som finns kvar sedan gammalt och har förmågan att producera 4200 kW vilket är sjukhusets dimensionerade värmebehov.
Värmepumparna som finns installerade är av så kallade tandemtyp, vilket innebär att två kompressorer jobbar parallellt med varandra, varje pump har har två par tandemtyper alltså totalt 4 kompressorer som tillsammans har en eleffekt på 120 kW och tillsammans har värmepumparna en uppskattad värmeeffekt på totalt 2600 kW. Fyra hämtar värme från en krets kopplad mot berg och älv och två återvinner värme från kylsystemet En
cirkulationspump på 37 kW ser till att vätska alltid cirkulerar i berget oavsett om energiuttag sker. Minimitemperatur för att kunna ta ur värme är för älven 3°C och för berget -2°C, detta i båda fallen för att undvika frysskador. Kyla produceras av tre grupper,
återvinningsvärmepumparna med en kyleffekt på 780 kW, kylmaskinerna med en kyleffekt 4500 kW och frikylan från berget begränsas av en värmeväxlare på 800 kW. Kylmaskinerna har ammoniak som kylmedel och två större som jobbar mot Klarälven och en som tar kyla via luften. I alla kretsar finns det ett cirkulationspumpar med storlekar på mellan 4-15 kW. Alla pumpar och värmeväxlares effekt går att finna i tabell 1.
Figur 1: Översiktsbild över Centralsjukhusets energicentral. På värmekretsen (VP01) sitter
Fjärrvärmeanslutningen och värmepump A-F ihopkopplad. A-D tar energi från berg och älv och E-F återvinner värme från kylsystemet KBP01. Kylmaskinerna KA01-02 är kopplade mot älven och 03 mot luft. Det finns ett flertal cirkulationspumpar i systemet (ex. P51) och effektmätare (ME) samt en flödesmätare mot berget (GF41) och även värmeväxlare (VVX)
Tabell 1: Tabell med lista över alla värmepumpar, kylmaskiner och cirkulationspumpar som finns i CSK:s energicentral och storlekar på dessa i kW.
Namn: I figur 1 Eleffekt [kW] Värm/Kyleffekt [kW]
Värmeväxlare Fjärrvärme VVX- FJV
- 4200
Värmepump A-D VP A-D 480 1530
Värmepump E-F VP E-F 240 1000
Kylmaskin 01 KA01 240 1500
Kylmaskin 02 KA02 200 1430
Kylmaskin 03 KA03 120 700
Värmeväxlare älv - kylmaskiner VVX- KA
800 Värmeväxlare älv - värmepumpar VVX-
ÄLV
800 Värmeväxlare kyla - berg VVX-
FRI
800
Cirkulationspump P51 11 -
Cirkulationspump P52 15 -
Cirkulationspump berg P53 37 -
Cirkulationspump P54 4 -
Cirkulationspump P55 5,5 -
Cirkulationspump P56 7,5 -
Älvpump P57a 10 -
Älvpump P57b 10 -
Älvpump P57c 10 -
Cirkulationspump P58 10,5
Programvaror på CSK
Landstinget i Värmland (LIV) har ett flertal byggnader i länet, främst vårdcentraler och sjukhus. Underhållet av dessa sköts av driftgrupper som är lokaliserade på flera platser. På CSK finns en av dessa grupper. Det styrsystem som används för att övervaka och reglera byggnaderna är uppbyggt på datorundercentraler (kallas DUC:ar), vilket är en dator som sitter exv. i ett fläktrum och reglerar fläktsystemet och vilken alla mätare i rummet kopplas till.
Undercentralerna är i sin tur kopplade till en datahuvudcentral som behandlar informationen den får från flera undercentraler och är den man styr från. Systemet är nätverksbaserat så det är ej ett måste att ha en huvudcentral i samma byggnad som undercentralerna. Genom att LIV har många byggnader i länet med olika ålder och storlek medför det att även
datorundercentralerna är av olika ålder och fabrikat. Generellt så vill en undercentral endast kommunicera med en huvudcentral av samma fabrikat, det finns ingen standard på vilket protokoll som ska användas även fast det är på gång. För att ändå överblicka driften av sina
fastigheter har LIV en datorhuvudcentral med särskilda översättningsprotokoll som gör att de kan kommunicera med de flesta datorundercentralerna på marknaden, dock ibland med tappad förmåga att administrera exempelvis att att det inte går att stänga ner alla maskiner via Citec eller ändra alla börvärden, men däremot går det att se dom.[7] Denna programvara heter Citec. I Citec visas momentanvärden och börvärden för byggnaderna såsom temperatur i rum eller tryck i ledningar. Citec larmar även när något inte fungerar, exempelvis om ett börvärde inte hålls. I programmet finns det ett analysverktyg som där man kan se alla mätares historik.
Det finns även en funktion att spara ”vyer” alltså att spara vilka mätare man vill kunna se samtidigt och vilken tidskala man vill se över.[8]
Som ett komplement till Citec har LIV även ett statistikprogram, ESS200 med webbvarianten WebEss. I WebEss går det att se de data från många mätare som syns i Citec men då i
summerade tabeller och diagram. Statistiken går att jämföra dagsvis, månadsvis, årsvis, per m² och på diverse andra sätt. Här går det att se data bland andra; huvudmätaren för fjärrvärme och el, den separata elförbrukningen för kompressorerna i värmepumparna.[8]
Sjukhusets kyl- och värmekostnader
Sjukhusets energikostnader är för fjärrvärme och den el som krävs för att driva systemets värme & cirkulationspumpar. Leverantör för fjärrvärmen är Karlstad Energi, dessa har både en fast och en rörlig kostnad per månad. Den fasta kostnaden är på 420 kr/kW för den högsta medeleffektförbrukning under en timme föregående år. Den rörliga kostnaden har olika prisnivåer beroende på årstid. För 2011 betalades ett sommarpris mellan maj-augusti på 103 kr/MWh och ett vinterpris mellan september-april på 423 kr/MWh. [8]
Elkostnaden är uppdelad i två stycken kostnader, dels en nätavgift som betalas till den som äger elnätet, vilket i Karlstad är Karlstad Energi. Nätavgiften är uppdelad i en effektavgift på 220kr/kW för högsta levererade timmedelseffekten under förgående år, en överföringsavgift på 3,40 öre/kWh och en fast avgift på 35 000 kr årligen.. Den andra kostnaden för elen är för själva energiförbrukningen. LIV köper sin el via TelgeKraft, som köper deras elbehov från Nordpool, landstingets elpris följer därmed nordpools priser. Under 2011 var elkostnaden billigast för CSK i juni med ett pris på 35 kr/MWh (exkl. skatt och moms) och dyrast under april med ett pris på 129,51 kr/MWh. Detta är då bara elpriset, utöver detta tillkommer arvodet till TelgeKrafts 11,25 kr/MWh, elcertifikatskostnad på 26,13 kr/MWh och skatt på 290kr/MWh. Snittet under 2011 för den rörliga elkostnaden låg på cirka 50 kr/MWh exkl.
skatt och moms och inklusive dessa 377 kr/MWh. [8]
3. Metod
Grunden för att skapa ett verktyg där drifthistoriken kan analyseras är data om driften och i studien har data från 2011 använts. Det finns i nuläget fem relevanta effektmätare installerade på CSK. Dessa är placerad så att de mäter total värmeeffekt från värmepumparna, kyleffekten från återvinningsvärmepumparna, kyleffekt från kylmaskinerna, kyleffekt från berget och effekten som tas och ges av berget, se figur 1. Det finns även mätvärden på utetemperaturen, älvstemperaturen och temperaturen på den vätska som kommer upp från berget Dessa mätvärden finns tillgängliga via Citec och deras fullständiga söknamn går att se i tabell 2.
Tabell 2: Förteckning över mätare och i Citec och enhet till dessa.
10141-KBP01-ME01 Kyleffekt från kylmaskiner [kW]
10141-KBP01-ME02: Kyleffekt från berg (frikyla) [kW]
10141-KBP01-ME03 Kyleffekt från VP E-F [kW]
10141-VPA01-ME01 Värmeeffekt från värmepumparna [kW]
10141-VKM01-GF41 Flödesmätare till berg [l/s]
10141-VKM01- GT4T1
Temperatur som skickas ner till berget [°C]
10141-VKM01- GT5R2
Temperatur som kommer upp från berget [°C]
30104-AS01-GT3N Utetemperaturen [°C]
KM02-GT41 Temperatur älv [°C]
Alla mätvärden finns inte tillgängliga i Citec utan WebEss måste också användas för att få data på förbrukning av fjärrvärme samt elförbrukningen för värmepumparna var för sig. I WebEss går att se tabeller och diagram med månadsstatistik för de senaste 3 årens
förbrukning av fjärrvärme och elförbrukning för värmepumparna. Denna data måste omvandlas till effekt, i denna transformation antas alla månader vara 30 dagar långa. De mätvärden som är intressanta för arbetet som finns i WebEss visas i tabell 3. Det finns ingen elmätning för kylmaskinerna så för att få ut dessas förbrukning antas COP värdet för dessa vara 6 enligt samråd med Bengt-Åke Karlsson, energiansvarig på landstingsfastigheter.[8]
Tabell 3: Förteckning över identitetsnamn i WebEss och förklaring till dessa. I WebEss hittas dessa i katalogträdet
”Driftcentral” → ”Karlstad Centralsjukhus” → ”10141”.
FJV-H Fjärrvärmeförbrukningen [MWh]
EL VPA01 A-D Elförbrukningen för värmepump A-D [kWh]
EL-VPA01-E Elförbrukningen för värmepump E [kWh]
EL-VPA01-F Elförbrukningen för värmepump F [kWh]
Vid projekteringen av det nuvarande energisystem skapade SWECO ett varaktighetsdiagram över värme och kyleffekterna där det effekterna är uppdelade (se figur 2). Då detta är något som driftpersonalen på CSK känner igen är detta målbilden för diagrammen som ska skapas.
Detta varaktighetsdiagrammet ska visa CSK:s effektbehov på ett sätt som visar hur mycket av värmeeffekten som kommer ifrån fjärrvärme, berg/älv värmepumparna och
återvinningspumparna och för kyleffekten återvinningspumparna, kylmaskinerna och frikylan från berget.
Uppdelningen på hur mycket som kommer från berg/älv värmepumparna resp
återvinningspumparna och visa även deras elanvändning beräknas på två sätt. Effekten från berg/älv värmepumparna sker genom att den totala värmepumpseffekten subtraheras med kyleffekten från återvinningspumparna och sedan subtraheras med eleffekten från alla
värmepumpar. Om inte en av effektmätarna fungerar multipliceras elförbrukningen med snitt COP värdet för värmepumparna, vilket under perioden oktober-december 2011 var 3,4.
Värmeeffekten från återvinningspumparna antas vara lika med kyleffekten som ges av dessa.
Om kylmätaren inte fungerar så multipliceras elförbrukningen med COP värdet tidigare redogjort.
Sjukhusets energikostnader beräknas vara det rörliga priset för el och fjärrvärme. I
Elkostnaderna ingår värmepumparna och kylmaskinerna. Driftpriset anges i kr/kWh för el och desamma för fjärrvärmens sommar-/vinterpris. Priset kommer vara justerbart i det framtagna verktyget men kommer vara förinställt för fjärrvärme på sommarpriset 103 kr/MWh
vinterpriset 423 kr/MWh och elpriset 0,95 kr/kWh.
Figur 2: Varaktighetsdiagram över ett år för Centralsjukhuset i Karlstads kyl&värmebehov gjord av SWECO i kW och en temperaturkurva i °C. Det övre diagrammet visar effekten varje värmekälla ger vid olika datum och temperaturer. Det undre diagrammet visar hur kyleffekten på samma sätt. [Bilaga 1]
När verktyget anses vara klart kommer driftgruppen testa denna under cirka en vecka för att säkerställa att verktyget är iterativt. Därefter så justeras eventuella önskemål innan slutgiltig överlämning.
4. Resultat
Resultatet av projektet blev ett analysverktyg gjort i Microsoft Excel 2002. Verktyget består av tre exceldokument. Två innehållandes data; DataCitec, DataWebEss, och ett, Analys, som är motorn i verktyg och behandlar informationen och bearbetar denna till fyra
varaktighetsdiagram som visar värmeeffekt, kyleffekt och driftkostnad för vardera per månad.
DataCitec innehåller data från Citec. Det uppdateras och skapas genom att i Citecs analysverktyg öppna en vy vid namn ”Analys” som innehåller mätvärden från effekt och temperatur data mellan 2011-01-01 till 2014-01-01 (se i tabell 2) och sedan spara denna över den gamla DataCitec. DataWebEss innehåller data från WebEss och är uppbyggt i 4 flikar med samma namn som de tabeller som det tas data ifrån (se tabell 3), vilket är för fjärrvärme och värmepumparna. Dessa tabeller kopieras över från WebEss till och över tabellerna i resp flik. Analys uppbyggnad är sex flikar; en introsida, tre diagramsidor för åren 2011 till 2013 och två där beräkningar sker. I introfliken finns det instruktioner för hur DataCitec &
DataWebEss uppdateras , en text om verktyget och hur det tolkas samt möjligheten att ändra priserna för fjärrvärme och el . I flikarna 2011, 2012 och 2013 visas producerade
varaktighetsdiagram för respektive år.
Beräkningsprocessen sker i flera steg. Första steget hämtar data från DataCitec och
DataWebEss, filtrerar denna så att alla värden som saknas får ett nollvärde. Sedan hanteras datan från de två källorna separat för att senare hamna i en tabell som sträcker sig från januari 2011 till 2014. Genom att uppgifterna om elförbrukning och fjärrvärmeanvändningen finns i kWh och MWh så blir det månadsvärden för dessa. Effektmätaren mäter alla
värmepumpars värmeeffekt. Verktyget beräknar en uppskattning hur mycket som kommer ifrån berg/älv pumparna resp. återvinningspumparna och deras elanvändning. Vidare beräknas endast den rörliga delen av fjärrvärmens sommar-/vinterpris och elförbrukningen för
värmepumparna, alla tre priser är justerbara i introfliken av Analys, då i enheten kr/kWh.
De fyra diagram som skapas av verktyget är: Värme20XX, Kostnader20XX Värme, Kyla20XX och Kostnader20XX Kyla. Diagrammen har årets månader som x-axel. Kostnadsdiagrammen har tusen kronor (tkr) som y-axel medan effektdiagrammen har kilowatt kW och °C som y- axlar. Diagrammen är uppdelade så det går att se hur mycket effekt som berg/älv pumparna, återvinningspumparna resp fjärrvärmen har genererat i och vad dessa effekter kostat i kostnadsdiagrammet. För kyleffektdiagrammen är det uppdelat så man effekterna för
kylmaskinerna, återvinningspumparna och frikylan. Diagrammen uppdateras i halvmånader, den visar alltså 24 medelvärden per år.
Diagrammet Värme 2011 (se figur 3) visar hur värmeeffektbehovet för CSK varierat under året och om effekten är från berg/älv värmepumparna, återvinningsvärmepumparna och fjärrvärmen, det går även att urskilja hur stor värmepumparnas eleffekt varit. Med i diagrammet är även tre temperaturkurvor, för bergen, älven och utetemperaturen.
Figur 3: CSK:s värmeeffektbehov 2011 i kW. Den högra skalan är i °C och gäller för
temperaturerna. De effekter som går att se i diagrammet är effekt för berg/älv värmepumparna (märkt A-D, blå färg), återvinningsvärmepumparna (märkt E-F, grön färg) och fjärrvärmen (rödvitt-randigt). De randiga mönsterna är betald energi, alltså el och fjärrvärme.
Figur 4: CSK:s värmekostnad 2011 i tusen kronor. Med A-D menas berg/älv
värmepumparna och E-F är återvinningspumparna. Det är endast de rörliga kostnaderna för el och fjärrvärme som redovisas i diagrammet.
Diagrammet kostnader värme 2011, som går att se figur 4, visar kostnaderna med för
uppvärmningen av CSK 2011. Elkostnaden är uppdelad för de två värmepumpsgrupperna och kostnaden för fjärrvärme är det som visas i diagrammet. Det är de rörliga kostnaderna för el och fjärrvärme som räknas ut i diagrammet.
Diagrammet Kyla 2011 (se i figur 5) visar kyleffekten är från kylmaskinerna, återvinningen och frikylan från berget med effekten inverterad. Diagrammet visar historiken för 2011 men då mätarhistoriken för effektmätarna inte sträcker sig längre än oktober 2011 så går ej att se driften för hela 2011.
Figur 5: CSK:s kyleffektbehov 2011 i kW. Den högra skalan visar är i °C och gäller för temperaturerna. På grund av mätarhistoriken ej sträcker sig längre bak än oktober så blir historiken bristfällig.
Figur 6: CSK:s kylkostnader 2011 i tusen kronor. Det är elkostnaderna för återvinnings värmepumparna (E-F)och kylmaskinerna (York). Frikylan från berg/älv är gratis så syns inte här. Genom mätarhistoriken inte sträcker sig längre än oktober 2011 så syns inte när kylmaskinerna har gått då dessa går främst på sommaren, så bilden än inkomplett.
Diagrammet Kostnader 2011 Kyla (se figur 6), visar kylkostnaden för Centralsjukhuset 2011.
Den visar elkostnaden för värmepumparna E-F och den uppskattade elförbrukning av
kylmaskinerna. Även här är diagrammet bristfälligt. Det finns ingen drifthistorik under 2011 för kylmaskinerna varav de inte kan redovisas.
Efter att driftgruppens testat mjukvaran i cirka en vecka var utlåtande att dokumentet var begripligt och användarvänligt och då inga ändringar begärdes gjordes heller inga
förändringar.
5. Diskussion
En viktig del i utvecklingen av verktyget var att reda ut vem som var målgruppen, då detta definierar verktygets utformning. Då driftgruppen utgjorde målgruppen blev ett viktigt ledord enkelhet Verktyget skulle vara enkelt att uppdatera och enkelt att förstå. För att det skulle bli enkelt att uppdatera sattes målen att det skulle ta så kort tid och att det skulle vara så tydligt hur man uppdaterade så att inga felsteg gjordes. Citec är på sätt så väldigt bra, genom att det går förskapa en vy med rätt mätvärden och tid förinställt så det är bara att trycka på spara.
WebEss är mindre bra i detta avseende, utan riktigt stöd för att konvertera till Excel är man tvungen där att markera sin tabell genom att dra över tabellen med musen. Misstagen att göra fel i detta är ändå små då man ser samma tabell i exceldokumentet och vet att man ska kopiera över denna. Då det tar cirka 5 minuter att uppdatera verktyget och så uppnåddes målet att det ska vara enkelt att uppdatera.
I avseende att det skulle vara enkelt att förstå efterliknades det varaktighetsdiagram som SWECO gjorde vid projekteringen av anläggningen då detta är något driftgruppen är bekanta med och jobbat med tidigare. Detta faktum tros vara anledningen att driftgruppen inte hade några frågor eller önskemål efter testperioden då verktyget var för dom förståeligt för det liknande något de tidigare använt. Varav målet om enkelt att förstå uppnåddes.
Om studiens resultat istället skulle använts med tanken att redogöra kostnaderna för energisystemet hade det ställt helt andra krav på verktyget som inte hade varit möjligt på grund av LIV idag inte mäter all data som behövts. Kostnadsdiagrammen hade behövt en helt annan beräkningsmatris, istället för den nuvarande förenklade beräkningsmetoden med endast driftpriset hade de fasta kostnaderna behövt vara med och beräknats. Speciellt då dessa kostar ungefär lika mycket per månad som den rörliga kostnaden. Men detta hade inte kunnat gjorts som systemet är uppbyggt idag. Genom att den enda data som finns att tillgå av
fjärrvärmeförbrukningen är månadsvärden från WebEss går det aldrig se mer exakt än en medeleffekten för en månad. Genom att den fasta kostnaden baseras på den högsta medeleffekten under en timme föregående år är det omöjligt att räkna ut den riktiga fasta kostnaden. Men detta är inte lika relevant för driftgruppen då driftpriset räcker för dessa då de inte kan påverka den fasta kostnaden så länge det är så inexakt. Om sjukhuset skaffar sig möjligheten att själva kunna räkna ut den fasta kostnaden blir det givetvis intressantare då man kan kapa denna fasta kostnad genom sätta ett tak på effekttaget på fjärrvärmen. Likaså är det svårt att göra exaktare beräkningarna på elpriset då elprisets fasta kostnad har samma problematik som fjärrvärmen med en okunskap om max effektuttag. Det kan dock vara möjligt att beräkna den rörliga elkostnaden på ett exaktare sätt än i nuläget då elpriset sätts till x kr/kWh för hela året och alla år på samma ställe, om data på spotpriserna från Nordpool kan hämtas på ett enkelt sätt. Huruvida detta är möjligt har inte undersökts då idén insågs i ett för sent skede i arbetet. Det kan dock inträffa gånger det är billigare att köpa fjärrvärme än
producera värme från värmepumparna, exempelvis mars 2011 då spotpriset var 130kr/MWh.
En vidare analys på detta hade varit intressant vart brytpunkten finns. Men ett snittpris på elen säger tillräckligt mycket för att kunna driftanalysera åtminstone som systemet är uppbyggt idag utan möjlighet att påverka max. effektuttag. Nuvarande metod är även enkel och kräver ingen uppdatering vilket som tidigare sagt var ett mål. Sedan finns det alltid möjligheten att i efterhand beräkna ut ett snittpris som inkluderar det fasta priset med det rörliga och få ut vad dessa kostade för exempelvis 2011 kr/kWh. Men detta är inte något som driftgruppen inte har tillgång till själva och det blir därmed inte lite enkelt.
Det COP värde som används i beräkningarna för värmepumparna är endast för
värmepumparnas elförbrukning. Detta ger en felaktig bild och ett för högt COP värde då värmepumparna kräver ett antal cirkulationspumpar som även de har en elförbrukning. Men då det inte finns någon mätning några cirkulationspumpar bortses dessa i beräkningarna.
Vilket gör att kostnaderna för värmepumparna är högre än vad som verktyget beräknar. Detta gäller även kylmaskinerna.
Den analys som går att göra av driften 2011 genom att jämföra effektdiagrammet för värme 2011 (figur 3) och kostnaderna för denna effekt (figur 4) är att under maj-augusti när
fjärrvärmen är billig bör fjärrvärme köpas så den täcker hela värmebehovet och frikylan från berg kylbehovet så långt det går. Detta gjordes inte under första halvan av sommarperioden utan värmepumparna kördes.
Under vintertid bör fjärrvärmen endast användas som spetskraft då den är helt klart dyrast.
Vidare går att se att värmepumparna totalt aldrig levererar mer än 2200 kW vilket är 15%
lägre än de projekterade 2600 kW. Detta kan bero på att under första vinterperioden så hade anläggningen tagits i drift under föregående höst. Berget hade därmed inte hunnit ”laddas”
med någon värme och hade temperaturen -2°C under hela vintern vilken begränsade uttaget därifrån, älven levererade däremot under hela 2011, i alla fall kan man tolka det så från älvens temperatur under perioden.
Det finns dock en felkälla gällande älvens temperatur, mätaren av denna sitter invid
vattenpumparna i den pumpgrop där upptaget sker. När pumparna inte går har det observerats att temperaturen i pumpgropen kan gå upp till 10°C för att sedan sjunka snabbt när pumparna körs igång. Under den andra vinterperioden i slutet av året hade berget laddats under
sommaren och var varmt, men då älvens temperatur understeg 3°C under november kunde pumparna ändock inte leverera full värmeeffekt.
Genom att historiken för kyldriften endast finns för oktober-december under 2011 går det inte göra någon driftanalys för denna, då historiken är kort och under vintertid när kylbehovet täcks av återvinningsvärmepumparna.
6. Slutsatser
Ett för centralsjukhusets driftpersonal iterativt verktyg för att analysera drifthistoriken har skapats där enkelheten har säkerställts genom en testperiod. Kostnadsberäkningarna i verktyget är ej exakta men tillräckliga för verktygets målgrupp för dessa ska kunna använda verktyget.
Vid ett vidare arbete för att utveckla verktyget och analysera CSK:s drift föreslås det att elmätare på kylmaskinerna och cirkulationspumpar bör installeras och likaså en effektmätare på fjärrvärmeförbrukningen och även värmeväxlarna mot älven, vilket rekommenderas nedan.
Detta skulle vara ett första steg för att kunna analysera fjärrvärmeförbrukningen vidare för kunna kapa den fasta kostnaden genom begränsa effektuttaget. Genom att älvpumparna har en effekt på 30 kW skulle en vidare analys på deras nytta vara intressant som inte är möjlig om inte effekt- och elmätare installeras. Även en analys på hur högt elpriset får vara för att det ska vara billigare med värmepumpar gentemot fjärrvärme, speciellt när alla
cirkulationspumpars elförbrukning räknas med i kostnaderna för värmepumparna skulle vara intressant.
7. Rekommendationer
Följande rekommendationer görs till Landstinget i Värmland för att få bättre koll på sin energiproduktion och därmed sina kostnader.
• Installera elmätare på cirkulations- och älvpumpar
• Installera elmätare på kylmaskinerna
• Placera om temperaturmätare så att den mäter Klarälven temperatur istället för pumpgropens
• Installera en effektmätare på fjärrvärmeförbrukningen
8. Tackord
Jag skulle vilja tacka alla de personer som bidragit i det här projektet. Ensam är inte stark så utan er hade jag högst troligen aldrig blivit klar.
Särskilda tack riktas till följande.
Först till Landstinget i Värmland och då främst Jonas Skalare för möjligheten att göra det här projektet och allt stöd du har gett, vidare Bengt Åke Karlsson för all hjälp och tålamod med mina frågor och funderingar, även ett tack riktas till driftpersonalen på CSK och då främst Edin Sehalic för den hjälp jag fått.
Vidare skulle jag vilja tacka min handledare Roger Renström för den vägledning jag fått både under arbetets gång och under rapportens utformning. Handledningen har verkligen hjälpt att staka fram bra riktningar när det funnits osäkerheter.
Slutligen skulle jag vilja tacka min flickvän Jeanette Wolfbrandt för allt ditt stöd, i vått som torrt.
Referenslista
1. ÅF Energi & Miljöfakta, Energifaktaboken, tillgänglig som e-bok, www.energiochmiljo.se 2. International Energy Agency, Key World STATISTICS 2011, tillgänglig via:
http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/name,26707,en.html 3. Energimyndigheten, http://energimyndigheten.se/pfe, besökt 2012-05-25, Uppdaterad:
2011-02-24
4. Energimyndigheten, http://energimyndigheten.se/sv/Internationellt/Internationellt- energisamarbete--/Energifragan-inom-EU/forslag-om-energitrygghet-energisolidaritet-och- energieffektivitet/Kommissionens-forsta-paket-for-en-ny-energipolitik/EUs-handlingsplan- for-energibesparing/, besökt 2012-05-25, Uppdaterad 2008-01-09
5.Skogsberg, Kjell, The Sundsvall Regional Hospital snow cooling plant—results from the first year of operation, Cold Regions Science and Technology, 34 (2), p.135-142, Apr 2002 6. Landstinget i Värmland ,www.liv.se/Halsa-och-vard/Sjukhus/Centralsjukhuset-Karlstad/ , besökt 2012-05-02, uppdaterad 2012-04-05.
7.Svenska Kommunförbundet, Driften på webben Strategier för behovsstyrda IT-Iösningar för fastighetens tekniska system, Katarina Tryck, Stockholm-Hammarby, 2002, ISBN: 91- 7289-068-1
8. Muntlig kontakt, Bengt-Åke Karlsson, Energiansvarig LIV fastigheter
01 23 45 67 9 09 47 6 9 9 9 3 ! " 9 # $ 9 $
(()'(*+ ,+(- )'(*+.)+(/0122
)'(*+34*35(
)'(*+ 0675
075('7)+8
+7
