Examensarbete i Byggteknik
Energibesparing för uppvärmning
av vatten i simhall
- Exempel från Sunnerbohallen i Ljungby
Energy savings for the heating of water in
swimming pools
- Example from Sunnerbohallen in Ljungby
Författare: Miki Trubarac, Nikola
Trubarac
Handledare: Marie Johansson Examinator: Åsa Bolmsvik
Handledare, företag: Lars Lindgren,
Ljungby kommun
Badanläggningar är en av de mest energikrävande lokaltyperna i Sverige och har ett genomsnittligt energibehov på 403 kWh/m2. Att kunna minska
energianvändningen i denna typ av lokaler kan därför bidra stort till Sveriges mål om att halvera energiförbrukningen till år 2050. I Ljungby kommun finns en badanläggningen med en äldre del byggd 1960 och en nyare del med ett äventyrsbad byggt 2006. I äventyrsbadet sker idag värmeåtervinning tack vare installerade värmeväxlare. I den gamla delen av anläggningen finns en 25-metersbassäng där uppvärmningen är ”kostnadsfri” under åtta och en halv månader. Uppvärmningen är gratis eftersom bassängen använder energi från kylaggregaten från den intilliggande ishallen för uppvärmning. Då kylaggregaten är avstängda, d.v.s. under tre och en halv månader, sker ingen energiåtervinning. Genom att installera en värmeväxlare som används under tre och en halv månader minskar energikostnaderna för badanläggningen. Detta examensarbete kommer endast att beröra energianvändningen för badvattnet i bassängerna. Någon energiåtervinning från duschvattnet är idag svårt då duschvattnet rinner i samma ledning som toalettvattnet, även kallat svartvatten.
Kommunens energistatistik kommer ligga till grund för beräkningar av energiförbrukningen hos respektive bassängsystem. Det finns tre helt skilda
bassängsystem som kommer redovisas. För äventyrsbadet, som består av hopp- och landningsbassäng samt plask- och lekbassäng, kommer energibesparingar att redovisas. För den gamla delen av simhallen, 25-metersbassängen, kommer tre alternativa lösningar tas fram för att visa energiförbrukningen.
Bathing facilities are one of the most energy-intensive building types in Sweden and have an average energy demand at 403 kWh/m2. To reduce energy use in this kind of premises can therefore contribute greatly to Sweden's target of reducing energy consumption by 50% by the year 2050. In Ljungby municipality, there is a bathing establishment with an older part built in 1960 and a newer part with a water park built in 2006. In the water park there is today heat recovery thanks to an installed heat exchanger. In the old part of the facility including a 25-metre
swimming pool, the heating is "free" during the eight and a half months. Heating is free due to the pool using energy from the cooling aggregates from the adjoining ice rink for heating. The cooling units are turned off during the non-ice season in the summer, that is, during these three-and-a-half months, there is no energy recovery.
By installing a heat exchanger that is used during the three-and-a-half months reduces the energy cost of bathing facility. This thesis will only concern energy use for the water in the pools. Any energy recovery from the shower water is hard since shower water flows in the same pipes as the toilet water, also called black water. The municipality's energy statistics will form the basis for calculations of the energy consumption of the respective pool system. There are three completely different pool systems which will be studied. For the water park, which consists of a jumping and landing pool and a splash and play pool, energy savings will be calculated. For the old part of the swimming pool, a 25-meter lap pool, three alternative solutions will be studied to show the energy consumption.
Den genomsnittliga energianvändningen för badhus på 403 kWh/m2 vilket gör denna lokaltyp till den mest energikrävande i Sverige. Detta examensarbete visar att användning av värmeväxlare generar stora energibesparingar vilket minskar den totala kostnaden för vattenuppvärmning i badanläggningar. Genom att samutnyttja olika anläggningars resurser (t.ex kylanläggningar för ishallar) kan värmetillförseln för vattenuppvärmning nästintill vara gratis.
Uppdraget kom från Ljungby kommun, där Johan Mansfeld och Björn Eliasson väckte idén. Tidigare studier hade gjorts för kvarteret Sunnerbo genom en inhyrd konsult och redovisade energiförbrukning och möjlig energieffektivisering. Då det inte finns många tidigare studier för badanläggningar var den vetenskapliga researchen svår och källorna kändes opålitliga. En del studier hade gjorts men endast för småhus eller flerbostadshus. Badanläggningar är väldigt extrema byggnader med komplicerade system vilket försvårade projektet en aning. Vi vill tacka Lars Lindgren och Bernt Gudmundsson, handledare på Ljungby kommun, som hjälpt oss i rätt riktning och viktig information under arbetets gång. Ett stort tack till Marie Johansson, handledare på universitetet, som hjälpt oss med rapportskrivning och den vetenskapliga researchen.
1. Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ______________________________________________________ 1
1.2 Syfte och mål ___________________________________________________ 2
1.3 Avgränsningar __________________________________________________ 3
2. Teori ... 4
2.1 Allmänt om energi _______________________________________________ 4
2.2 Energi i idrottsanläggningar och badhus ______________________________ 4
2.2.1 Energiförbrukning ... 4
2.2.2 Möjliga källor för energibesparing i badhus ... 5
2.3 Vattenbehandlingssystem i badhus __________________________________ 6
2.3.1 Filtrering ... 7
2.3.2 Klorering ... 7
2.3.3 pH-reglering ... 8
2.3.4 Avloppsvattenrening ... 8
2.4 Värmeväxlare __________________________________________________ 8
2.4.1 Medströmsvärmeväxlare ... 9
2.4.2 Motströmsvärmeväxlare ... 9
2.4.3 Plattvärmeväxlare ... 10
2.4.4 Spiralvärmeväxlare ... 11
2.5 Beräkning av energivinster i värmeväxlare ___________________________ 12
3. Metod ... 15
4. Genomförande ... 16
5. De olika bassängsystemen ... 18
5.1 Hopp- och landningsbassäng ______________________________________ 19
5.2 Plask- och lekbassäng ___________________________________________ 20
5.3 25-metersbassäng ______________________________________________ 22
6. Resultat och analys ... 24
6.1 Hopp- och landningsbassäng ______________________________________ 24
6.1.1 Energiförbrukning för vattenuppvärmning utan värmeväxlare ... 25
6.1.2 Energiförbrukning för vattenuppvärmning med värmeväxlare ... 26
6.1.3 Energibesparing i MWh och kronor ... 26
6.2 Plask- och lekbassäng ___________________________________________ 27
6.2.1 Energiförbrukning för vattenuppvärmning utan värmeväxlare ... 28
6.2.2 Energiförbrukning för vattenuppvärmning med värmeväxlare ... 29
6.2.3 Energibesparing i MWh och kronor ... 29
6.4.2 Alternativ B: Värmeväxlare som används 3,5 månader ... 31
6.4.3 Alternativ C: Värmeväxlare som används året runt ... 32
7. Diskussion och slutsatser ... 35
Referenser ... 38
1. Introduktion
Sveriges miljömål är att minska energianvändningen med 20 % till år 2020 och 50 % till 2050 i förhållande till år 1995 (Energimyndigheten, 2014). Att bygga energisnåla hus, men även att kunna förbättra de befintliga husens och
byggnadernas energiförbrukning, läggs det stor fokus på idag. Minskas
energiförbrukningen så minskar även utsläppet utav luftföroreningar som påverkar klimatet. Genom att använda sig utav förnybara bränslen, effektivare
energianvändning, återvinning av spillvärme m.m. inom fjärrvärmesystemen har koldioxidutsläppen minskat med en femtedel i Sverige de två sista decennierna (Svensk fjärrvärme, 2009). Enligt Energimyndigheten är badhus de
idrottsanläggningar som är mest energikrävande med en genomsnittlig
energianvändning på 403 kWh per kvadratmeter och år (Energimyndigheten, 2011). Att minska energianvändningen i denna typ av lokaler skulle kunna göra mycket för att uppfylla Sveriges energimål.
1.1 Bakgrund
Kvarteret Fritiden i Ljungby kommun är ett idrottsområde som består utav två ishallar, Sunnerbohov och Tältet, samt en idrottshall som heter Sunnerbohallen, se Figur 1. Sunnerbohallen är i sin tur uppdelad i ett äventyrsbad, två simbassänger (en 25 meters och en hopp- och landningsbassäng), en stor idrottslokal samt två mindre lokaler lämpade för pingis och skytte. Intill Sunnerbohallen finns även ett utomhusbad med en simbassäng samt en barnpool.
Figur 1. Flygbild över kvarteret Fritiden. Från vänster till höger: Tältet, Sunnerbohov, Sunnerbohallen, utomhusbassäng (Google Earth, 2014).
Inom Ljungby kommun arbetar man på att minska energiåtgången och mängden varmvatten som behövs i Sunnerbohov och Sunnerbohallen.
Ett alternativ skulle kunna vara är att energin från exempelvis spillvattnet i 25-metersbassängen och undervisningsbassängen återanvänds till förvärmning av inkommande spädvatten till bassängerna.
Alla byggnaderna på området värms upp av kommunens fjärrvärmesystem, via Ljungby Energi. Eftersom Sunnerbohov inte har is året om behöver kylaggregaten inte vara igång mellan mitten av april och augusti, vilket gör att
energiförbrukningen blir mindre under denna period. Däremot ökar kostnaderna för uppvärmning av bassängvattnet till 25-metersbassängen och
undervisningsbassängen.
En möjlig lösning för att kunna återanvända energin i spillvattnet från
25-metersbassängen är att installera en värmeväxlare. Inkommande spädvatten ska då växlas med utgående bassängvatten och på så sätt förvärma spädvattnet.
En annan möjlighet skulle kunna vara att utnyttja energin i duschvattnet. Den behagliga temperaturen som ställs in vid duschning ligger mellan 37-40 °C. Då duschvattnet rinner över kroppen och vidare ner i avloppet tappar vattnet i snitt 3°C. Det betyder att omkring 90 % outnyttjad energi går till spillo (förutsatt att inkommande vatten är ca 10°C). Värmeenergin i detta vatten skulle kunna utnyttjas i en värmeväxlare. En anläggning av denna typ finns installerad i Oskarshamns simhall (Tyrberg, 2007). I Oskarshamn återvinner värmeväxlaren värmen från duschvattnet och förvärmer inkommande kallvatten till duscharna. Uppvärmning utav vattnet i någon bassäng med denna metod är en alternativ lösning för anläggningen i Ljungby.
1.2 Syfte och mål
Badhus är en speciell verksamhet vilket generar i ett större energibehov, till skillnad från bostäder, för att uppfylla en behaglig miljö för både luft och vatten. Det totala energibehovet omfattar summan av uppvärmning, ventilation,
tappvarmvatten samt el för fläktar, pumpar, kompressorer och belysning. Det finns tre olika system inom den yttre gränsen i ett badhus: luftbehandlingssystem, vattenbehandlingssystem samt rummet (Sjökvist, 2013). Rummet omfattar belysning. Detta examensarbete kommer endast att fokusera på
vattenbehandlingssystemet i badhus.
Syftet med examensarbetet är att förstå hur man genom att utnyttja en värmeväxlare kan återvinna energi från spillvatten för att förvärma vattnet i bassängerna i
Sunnerbohallen. Ett delmål är att ta reda på vilka energibesparingar som har gjorts i äventyrsbadet med hjälp av värmeväxlare.
1.3 Avgränsningar
Examensarbetet kommer inrikta sig på att hitta en lösning för spillvattnet i 25-metersbassängen och undervisningsbassängen.
En del system kombinerar värmeväxlare med värmepumpar för att komma upp till högre temperatur. Energiberäkningar kommer endast inrikta sig på värmeväxlare och kommer inte ta hänsyn till värmepumpar.
Eftersom duschvatten, även kallat gråvatten, i detta fall rinner i samma ledning som svartvattnet från toaletterna, är det svårt att återvinna energi ur duschvattnet. Energiåtervinning ur duschvatten förutsätter att gråvatten och svartvatten är skiljt från varandra.
2. Teori
2.1 Allmänt om energi
Energi kan aldrig skapas eller förstöras, det kan bara övergå från en fysikalisk form till en annan. Enligt termodynamikens andra huvudsats kan värme inte av sig själv gå över från en kropp vid lägre temperatur till en annan med högre temperatur (Alvarez, 2006).
För att kunna överföra värme från en kropp med lägre temperatur till en annan kropp med högre temperatur krävs att energi tillförs i processen. Denna energi kan tillföras genom kylmaskiner och värmepumpar.
Den vätska eller gas som ändrar tillstånd i ett system utsätts för en process. En process talar om vägen eller på vilket sätt som materian ändrat form. Vid en tryckökning sker fysikaliska förändringar i materian som gör att den ändrar tillstånd, en process sker. När kroppar, vätskor och gaser utsätts för tryckökning genererar det en volymändring hos materian.
Processer som förekommer kan vara reversibla samt irreversibla. En reversibel process innebär att den är omvändbar, d.v.s. systemet som genomgår processen kan återföras till begynnelsetillståndet utan någon ändring av omgivningen.
När en varm kropp kommer i kontakt med en kall kropp vet vi att en viss temperaturutjämning kommer att ske genom ledning. Detta är ett exempel på en irreversibel process, värmetransporten sker från en varm kropp till en kall kropp. Det som gör processen irreversibel är att ingen har sett att värmen av sig själv har gått i den motsatta riktningen (Alvarez, 2006).
Hos en värmeväxlare måste en viss temperaturskillnad finnas mellan det varma och det kalla mediet, detta för att en temperaturövergång ska ske av sig själv. Det gör att värmeväxlare också räknas som irreversibla processer (Alvarez, 2006). Ett homogent termodynamiskt system innebär att den kemiska sammansättningen och de fysikaliska egenskaperna av systemets materia är lika överallt (Alvarez, 2006). Om materian varierar inom systemets gränser kallas systemet för heterogent. Ett exempel på ett homogent system är en värmepump. Värmepumpen innehåller två faser med skilda fysikaliska egenskaper, nämligen vätska och gas.
2.2 Energi i idrottsanläggningar och badhus
2.2.1 Energiförbrukning
Energimyndigheten gjorde år 2009 en studie på energiförbrukningen i
idrottsanläggningar i Sverige (Energimyndigheten, 2009). I genomsnitt förbrukar Sveriges idrottsanläggningar 270 kWh per kvadratmeter och år. Studien visade att badanläggningar är de mest energikrävande idrottsanläggningarna med en
fjärrvärme och används för uppvärmning. Detta betyder att drygt 60 % av energiförbrukningen utgörs av värme (Sjökvist, 2013).
Därtill kommer en liten andel el för uppvärmning på 0,9kWh/ m2. Därutöver används 163kWh/ m2 el för annat än uppvärmning. Denna el används till
ventilationsfläktar (53 kWh/ m2), belysning (34 kWh/ m2) och pumpar (28 kWh/ m2). Fläktarna tar en stor del andel av elanvändningen, men behövs främst på grund av den fuktiga miljön i badhusen. Pumparna behövs främst för att pumpa vattnet i bassängerna till och från reningsanläggningar. Andra stora elanvändare är
belysning och bastuaggregat, se Figur 2.
Figur 2. Fördelning av elanvändning utom för uppvärmning i badhus (Energimyndigheten 2009).
2.2.2 Möjliga källor för energibesparing i badhus
Då det finns två stora energianvändningsområden i badhus, fjärrvärme för
uppvärmning och elanvändning för annat så är det dessa två källor man bör studera för att se var det är möjligt att spara energi. Energimyndigheten skriver sin rapport att det är möjligt att spara upp till 38 % av den nuvarande elanvändningen genom att effektivisera belysning, pumpar och fläktar (Energimyndigheten 2009). Den andra stora möjligheten är att utvinna mer energi ur det vatten som används i badhusen.
Badhus förbrukar en stor mängd vatten för bassänger, pooler, duschar, kranar och toaletter. Eftersom vattenmängden är stor, krävs det ett högt energibehov för att värma tappvarmvatten och bassängvattnet. Då bassängvattnet ständigt ska bytas för att hålla vattenkvaliteten och tappvarmvattnet rinner rakt ner i avloppssystemet, går en stor mängd energi till spillo. Det vatten som rinner ner i avloppssystemet kallas för spillvatten.
Bassängvattnet har vanligtvis en temperatur kring 28° C. Det vatten som tillsätts bassängen, även kallat spädvatten, är normalt ca 4° C varmare än vattnet i
bassängen (Menerga, 2014). För att bassängvattnet ska hållas fräscht späds det med 30 l/dygn, badande. Eftersom bassängvattnet har en temperatur på 28° C när det
lämnar bassängen kan energi återvinnas från detta vatten innan det rinner ut i avloppssystemet. Installeras en värmeväxlare kan det utgående vattnet förvärma det inkommande kallvattnet.
En annan stor källa till förbrukning av varmvatten är duscharna. För att få en behaglig temperatur vid duschning ställs den mellan 37-40° C. Då duschvattnet träffat kroppen och rinner vidare ner i avloppssystemet har temperaturen endast reducerats med ca 3° C. Det vatten som fortsätter ner har då en temperatur mellan 34-37° C, vilket är ca 90 % outnyttjad energi i form av värme (förutsatt att inkommande vatten är ca 10° C). Denna energi skulle kunna användas till att förvärma inkommande kallvatten (Ekologiska byggvaruhuset, 2014).
2.3 Vattenbehandlingssystem i badhus
Vattnet i en bassäng måste hålla en behaglig temperatur och ha en tillräckligt god vattenkvalitet. Bassängvatten kräver ständig cirkulation för att säkerställa
vattenkvaliteten. Badvattnet ska uppfylla fyra kriterier för att kunna klassas som godkänt badvatten (Persson, 2006). De fyra kriterierna är att vattnet
skall se inbjudande ut
inte ska sprida vattenburna sjukdomar bland de badande inte skall ge irritation i ögon eller slemhinnor
skall ha en lämplig badtemperatur
För att vattnet skall ha en lämplig badtemperatur måste det värmas. Detta sker ofta samtidigt som en del av bassängens vatten byts ut. Rekommendationen är att byta ut 30 l/dygn och badande. Detta spädvatten håller normalt en temperatur som är 4 grader högre än bassängvattnet. Uppvärmning av detta vatten sker oftast med fjärrvärme genom en toppvärmning. Samma mängd spädvatten rinner då också ut i avloppet varje dygn. Detta vatten har en temperatur som är lika hög som
bassängens temperatur och är möjlig att utnyttja i en värmeväxlare för att värma inkommande vatten.
Reningsprocessen kräver mycket energi och vatten, därför krävs en stor energimängd i form av el till pumparna som får vattnet att cirkulera
genomreningssystemet. Reningen av vattnet sker ofta genom att vattnet passerar genom - filtrering, klorering och en reglering av pH-värdet. Stor
vattenförbrukningen sker också när filtrena ska backspolas, d.v.s. rengöras från de partiklar som har fastnat i filtret. Filtrena ska backspolas med jämna mellanrum. Vid backspolning kopplas filtrena bort från bassängvattenflödet och spolas igenom med vatten i motsatt håll som bassängvattenflödet strömmar för att effektivast få bort föroreningarna som fastnat. Det vatten som här spolas ut går ner i
2.3.1 Filtrering
Filter som ska användas i badanläggningar delas in i två huvudgrupper, öppna och slutna tryckfilter. Det finns olika sorters filter men de vanligast förekommande är sandfilter och diatomitfilter, se Figur 3 och Figur 4. Det som skiljer sandfilter från diatomitfilter är själva filtermediet. Sandfilter har sand som filtermedia medan diatomitfilter har diatomitpulver (kiselmaterial). För att kunna hålla en
badanläggning driftsatt även vid filterbyte eller backspolning, parallellkopplas ofta flera filter istället för att använda ett enda stort filter (Persson, 2006).
Figur 3. Slutna sandfilter.
Figur 4. Diatomitfilter
Filtrets uppgift är att avlägsna små partiklar och lösta organiska föroreningar från badvattnet så att det hålls rent och håller en tillräckligt låg grumlighet. Eftersom filtret plockar upp väldigt små partiklar från badvattnet, måste filtret klara av att beflockas. Beflockning innebär att ett flockningsmedel tillsätts i badvattnet innan filtret, vilket gör att små partiklar tillsammans bildar större partiklar som tillslut är tillräckligt stora och fastnar i filtret (Sjökvist, 2013).
2.3.2 Klorering
När kloret hamnar i vattnet bildar det underklorsyra och hypoklorit, vilka utgör det aktivt fria kloret. Det fria kloret reagerar med organiska ämnen som finns i
badvattnet, exempelvis svett, urin, hårspray med mera, och bildar kloraminer. Kloret dödar mikroorganismer genom att inaktivera viktiga enzymer. Kloraminer är betydligt sämre bakteriedödare än underklorsyra och förutom det även andra negativa egenskaper som klorlukt i badanläggningar, ögonsveda och hudirritation (Persson, 2006).
2.3.3 pH-reglering
Det finns flera olika metoder för att reglera pH-värdet i badvatten. Används klorgas som desinficering så sänks värdet vilket leder till att ett medel som höjer värdet måste tillsättas. Används natrium- och kalciumhypoklorit som höjer värdet istället, krävs det ett surt medel för att sänka värdet. För att sänka pH-värdet tillsätter man koldioxid eller saltsyra. Då saltsyran är frätande och farligt att hantera är koldioxid mer förekommande. Koldioxiden har också en förmåga att höja alkaniteten i vattnet, vilket förbättrar vattnets förmåga att motstå försurning.
2.3.4 Avloppsvattenrening
Det vatten som använts i badhus kommer efter användning att rinna ut i det kommunala avloppssystemet och vidare till avloppsreningsverk.
Avloppsreningsverk är ett av landets viktigaste miljöverksamheter då det renar förbrukat vatten innan det släpps ut i sjöar, hav och vattendrag. Innehållet i vattnet är olika beroende på var det kommer ifrån. Spillvatten från hushåll innehåller t.ex. fosfor, kväve, organiska material med mer som kan ställa till med problem om det släpps ut innan det har blivit renat. Beroende på vilken verksamhet som drivs i en industri kan spillvatten se olika ut i form av mängd och innehåll (Lidström, 2012). Spillvatten är det vatten som kommer från badhuset och är förorenat vatten. Allt förbrukat vatten som kommer från duschar, kranar, tvätt, bassänger och toaletter rinner ner i avloppssystemet.
Det finns spillvatten kan delas in i två typer och det är gråvatten samt svartvatten. Gråvattnet omfattar duschvatten, kranar, tvätt och bassängvatten och går även under namnet BDT-vatten. Svartvatten är det vatten som kommer från toaletter och detta vatten har en högre föroreningsgrad än vad gråvattnet har.
2.4 Värmeväxlare
En värmeväxlares uppgift är att överföra värme från ett medium till ett annat. Genom att installera en värmeväxlare kan energi i frånvattnet sparas och återanvändas för att värma inkommande kallvatten. Det genererar minskade uppvärmningskostnader för varmvattnet eftersom det förvärms och endast behöver en toppvärmning. Medierna i värmeväxlaren är oftast gaser eller vätskor, men även fasta ämnen i partikelform förekommer. Arbetsmedierna är oftast skilda från varandra med en skiljevägg. Skiljeväggen ska då passeras av den från det varma till det kalla arbetsmediet överförda värmemängden. Därför ska
varma mediet. De värmeväxlare som har en skiljevägg mellan de båda arbetsmedierna kallas för ytvärmeväxlare.
Vissa värmeväxlare saknar skiljevägg mellan medierna. Den här typen av
värmeväxlare blandar de båda arbetsmedierna, det kalla och det varma mediet, till ett enda media som lämnar värmeväxlaren gemensamt.
Värmeväxlare delas in i tre olika grupper Medströmsvärmeväxlare
Motströmsvärmeväxlare Tvärströmsvärmeväxlare
2.4.1 Medströmsvärmeväxlare
En medströmsvärmeväxlare består av två koncentriska rör (samma centrum). I det inre röret strömmar det ena mediet, oftast det kalla mediet tk1 se Figur 5. Det andra
mediet, d.v.s. det varma mediet, rör sig i samma riktning som det kalla mediet i den ringformiga spalten mellan de båda rören.
Det kalla mediets utloppstemperatur kommer alltid att vara lägre än det varma mediets utloppstemperatur. Anledningen till att det kalla mediets temperatur är lägre beror på temperaturfallet över skiljeväggen. För att värmetransport ska kunna äga rum i värmeväxlaren måste det finnas något temperaturfall över skiljeväggen.
Figur 5. Medströmsvärmeväxlare (Alvarez 2006).
2.4.2 Motströmsvärmeväxlare
En motströmsvärmeväxlare består även den, likt medströmsvärmeväxlaren, utav två koncentriska rör. Däremot sker genomströmningen på ett annat sätt i en
motströmsvärmeväxlare än i en medströmsvärmeväxlare. I en
mediet genomströmmar i det inre röret medan det varma mediet genomströmmar i den ringformiga spalten mellan de båda rören, se Figur 6.
Figur 6. Motströmsvärmeväxlare (Alvarez 2006).
I en motströmsvärmeväxlare kan utloppstemperaturen för det kalla mediet, tk2 i
Figur 6, överstiga utloppstemperaturen för det varma mediet, tv2 se Figur 6. Det kan
bero på att det inkommande varma mediets temperatur och motströmsvärmeväxlarens effektivitet.
2.4.3 Plattvärmeväxlare
En plattvärmeväxlare består utav korrugerade stålplattor som hålls på plats av en övre och en undre bärstång. Plattorna består även av en gummipackning av vågigt mönster. Varje stålplatta har hål i samtliga hörn där arbetsmediet ska
genomströmma, se Figur 7. Genom en ledning genomströmmar mediet och distribueras ut i plattorna, se Figur 8. Placeringen av packning görs för att
kontrollera flödet mellan stålplattorna (Plattvärmeväxlare, 2014). Ser man på Figur 7 så strömmar de båda arbetsmedierna mot varandra vilket gör att
plattvärmeväxlare tillhör gruppen motströmsvärmeväxlare.
Figur 8. Strömningsschema i en plattvärmeväxlare (WCR).
För att stålplattorna lätt ska kunna demonteras för rengöring eller ändras till antalet, hålls de på plats av två gavelplåtar och bultar, se Figur 9. Anledningen till att ändra antalet stålplattor beror på om värmeöverföringen behöver minskas eller ökas. Detta leder till att pengar sparas genom en ökning av värmeöverföringen i den befintliga värmeväxlaren och några nya investeringar i fler plattvärmeväxlare inte behöver göras.
Figur 9. Plattvärmeväxlare (Alvarez 2006).
2.4.4 Spiralvärmeväxlare
Figur 10. Spiralvärmeväxlare (Alvarez 2006).
Genomströmningsriktningen för de båda arbetsmedierna, se Figur 11, vilket även visar att spiralvärmeväxlare tillhör gruppen tvärströmsvärmeväxlare.
Spiralvärmeväxlare och plattvärmeväxlare används framförallt inom livsmedelindustrin i exempelvis kylskåp. De båda värmeväxlarna kallas för kompakta värmeväxlare.
Figur 11. Genomströmningsriktningen för en spiralvärmeväxlare (Alvarez 2006).
2.5 Beräkning av energivinster i värmeväxlare
För att beräkna effektiviteten hos en värmeväxlare behöver man veta hur stor massa som strömmar genom värmeväxlaren och vilken temperaturskillnaden är på
inkommande och utgående vatten. För att beräkna massflödet, mängd vätska/gas som passerar igenom under en viss tid, används nedanstående ekvation (1). Massflödet anges i kg/s.
m massflöde [kg/s]
V förbrukad spädvattenmängd [m3/år]
l/m3 antalet liter per kubikmeter [l/m3]
d/år antal dygn per år h/d antal timmar per dygn s/h antal sekunder per timma
För att beräkna hur stor värmemängd som tillförs mediet genom uppvärmning behövs materialets specifika värmekapacitet och förändringen i temperatur, Ekvation (2). Där Q Tillförd värmemängd [kJ/s = kW] m Massflöde [kg/s] Cp Specifik värmekapacitet [kJ/kg° C]
T1 Önskad temperatur (bassängvattentemperatur) [° C]
T2 Inkommande temperatur(spädvattentemperatur) [° C]
Den tillförda värmemängden kan därefter användas för att beräkna energimängden som tillförs mediet per år (ekvation (3).
Där
E Energi [kWh/år]
Q Tillförd värmemängd [kJ/s = kW]
d/år Antal dygn per år h/d Antal timmar per dyn
Med den tillförda energin är det möjligt att beräkna kostnaden för uppvärmningen av mediet per år, ekvation (4).
3. Metod
För att undersöka hur mycket energi som kan sparas i badanläggningar kommer arbetet att starta med att en grundläggande litteraturstudie inom området utförs. Litteraturstudien sker via nätet genom att läsa rapporter, artiklar och olika
tillverkares hemsidor för produkter. Även litteraturstudier på universitetsbiblioteket kommer ligga till grund för teoridelen, framförallt för beskrivningen av olika värmeväxlare och dess funktion samt allmänt om energi.
För att kunna studera hur man minskar energianvändning i simhallar studeras hur värmeväxlare och värmepumpar fungerar. En viktig del är då att kunna beräkna hur mycket energi som kan överföras i en värmeväxlare. Denna typ av beräkningar kommer sedan att ligga till grund för de beräkningar som kommer att utföras på de bassängsystem som skall studeras i detalj i arbetet.
Intervjuer med badanläggningens driftansvariga kommer göras. Intervjuerna kommer ligga till grund för förståelse för bassängernas uppbyggnad och ge data för att gå vidare med beräkningarna i resultatet. Statistik över energi- och
vattenförbrukning i ishallen och badanläggningen hämtas från kommunens egen mätning, d.v.s. inga egna mätningar för respektive förbrukning ska göras. Ett antal studiebesök kommer att göras i Sunnerbohallen för att få en klarare uppfattning om anläggningens funktion och hur källarplanet, där en eventuellt en ny värmeväxlare ska installeras, är uppbyggt. Genom studiebesöken ska en klarare bild av
badvattnets väg från bassäng ut till rening och energiåtervinning att fås.
Efter att litteraturstudien gjorts kommer resultatdelen att behandlas. Den tidigare insamlade statistiken används vid beräkningarna för energiåtgången de olika bassängerna. I äventyrsbadet, där hopp- och landningsbassängen samt plask- och lekbassängen finns, redovisas hur stora besparingar som gjorts med hjälp av redan installerade värmeväxlare. För 25-metersbassängen kommer tre olika resultat redovisas; dagens energikostnader då endast värmemängd från kylaggregaten i ishallen tas tillvara, dagens energikostnader då kylaggregaten kombineras med värmeväxlare samt endast värmeväxlare under ett helt år utan tillförd värmemängd från kylaggregaten.
4. Genomförande
Först och främst bestämdes ett möte med Johan Mansfeld på Ljungby kommun. Uppgiften diskuterades och handlingar av olika slag tilldelades för att kunna utföra själva arbetet. Handlingarna bestod av ritningar för badanläggningen och statistik för varje enskilt bassängsystems vattenförbrukning.
För att gå vidare i projektet gjordes en grundläggande litteraturstudie via nätet. Rapporter, artiklar och tidigare studier för energieffektivisering för
badanläggningar lästes för att få en tydligare bild av projektets utformning samt vad som mer skulle behövas ta reda som gällde anläggningen i Ljungby.
Under tiden litteraturstudien pågick bestämdes handledningsmöten med den tilldelade handledaren på universitetet. Dessa handledningar visade sig vara väldigt viktiga då den vetenskapliga litteraturstudien var begränsad via nätet.
Vidare litteraturstudier gjordes på universitetsbiblioteket i Växjö, där kunskaper om värmeväxlare och energiåtervinning ökade.
Efter litteraturstudien startade arbetet för just vårt fall, badanläggningen i Ljungby. Ett nytt möte med handledaren på företaget bestämdes och under detta möte gavs det en rundtur av själva badanläggningen. Rundturen leddes av Bernt
Gudmundsson, anläggningschef, och Lars Lindgren, projektansvarig för äventyrsbadet då det byggdes. Under rundturen togs det anteckningar för varje enskilt bassängsystem som sen skulle användas för kommande beräkningar. Varje ledningssystem hade temperaturmätare som visade vattnets temperatur vid olika faser av värmeväxlingen. Spädvatten- och spillvattentemperatur antecknades före värmeväxlingen, men också efter att värmeväxlingen skett.
Eftersom det redan fanns plattvärmeväxlare installerade i den nya delen av badanläggningen (hopp-, landnings-, plask- och lekbassängen), beräknades energibesparingen först och främst för denna del för att få en uppfattning om energiminskningen.
När beräkningarna för den nya delen av badanläggningen var klara, fortsatte arbetet med den äldre delen av badhuset, nämligen 25-metersbassängen. Här behövdes dock mer information och statistik eftersom 25-metersbassängen utnyttjade värmen från kylaggregaten i ishallen. Statistiken fanns tillgänglig på Ljungby kommun i form av en tidigare rapport utförd av en inhyrd konsult som visade hur hela området skulle kunna energieffektiviseras.
För beräkningarna av 25-metersbassängen användes den tilldelade statistiken, dock gjordes några antaganden för värmeväxlaren. I den nya delen av badanläggningen kunde den tilldelade förbrukningsstatistiken ligga till grund för beräkningarna. För 25-metersbassängen var det möjligt att utföra en egen mätning av vattenflödet i ledningssystemet. Genom att använda en 20 liters hink och ett rätvinklat avloppsrör kunde vattenflödet för 25-metersbassängen bestämmas.
Beräkningarna för de tre bassängsystemen utfördes i följande ordning Beräkning av massflöde
Beräkningar av tillförd värmemängd
Beräkning av energiförbrukningen för ett helt år
Kostnadsberäkning gör den tillförda värmemängden under ett helt år Då samtliga beräkningar för varje enskilt bassängsystem var färdiga, gjordes en sammanställning av resultaten och redovisades i en tabell. För 25-metersbassängen redovisades även resultatet i en enskild tabell för de alternativa lösningarna. Den första tabellen visar vilken typ av bassäng som redovisas, energiförbrukningen utan och med värmeväxlare samt hur stor besparingen blir per år tack vare
värmeväxlaren.
Tabellen för 25-metersbassängen redovisar dagens energiförbrukning och förslag på potentiell energiförbrukning då värme återvinns med värmeväxlare. Denna tabell visar också energiförbrukningen då uppvärmningen från kylaggregaten kombineras ihop med värmeväxlare. Värmeväxlaren kopplas in då kylaggregaten är avstängda. Avslutningsvis kommer tabellen redovisa energiförbrukningen för
5. De olika bassängsystemen
I detta kapitel kommer de tre helt från varandra skilda bassängsystemen att beskrivas. Varje bassängsystem har varsitt uppvärmningssystem där värmeväxling med toppvärmning sker i äventyrsbadet, medan 25-metersbassängen värms upp av värmen från kylaggregaten under åtta och en halv månader om året. De resterande tre och en halv månaderna sker uppvärmningen endast med fjärrvärme, ingen energiåtervinning sker under denna period. I den här simhallen tillsätts spädvattnet med den temperatur som bassängvattnet har och inte 4°C varmare som beskrivits i kapitel 2.4.2. Vattnets väg från att det rinner ut från bassängen och ska
värmeväxlas, till att det ska renas och pumpas ut i bassängen igen kommer förklaras i detta kapitel. För att se planritning på simhallen, se Bilaga A. Figur 12-14 visar hur miljön kring bassängerna ser ut.
Figur 12. Hopp- och landningsbassäng.
Figur 14. 25-metersbassäng
Vatten- och energiförbrukningen för de olika bassängerna redovisas i Tabell 1. Siffrorna är hämtade från tidigare statistik från Ljungby kommun. Tabellen visar vatten- och energiförbrukning för år 2012.
Tabell 1. Vatten- och energiförbrukning för de olika bassängerna.
Bassängtyp Vattenförbrukning (m3/år) Energiförbrukning för uppvärmning av vattnet (kWh)
Hopp- och landningsbassäng
11 584 53 899
Plask- och lekbassäng 7326 17 041
25-metersbassäng 31 623 189 605
5.1 Hopp- och landningsbassäng
Figur 15. Beskrivning av ledningssystemet för hopp- och landningsbassäng.
Ett schema för vattenflödet kan ses i Figur 15. Bassängvattnet pumpas in från det kommunala vattenledningsnätet med hjälp av en pump. Därefter rinner vattnet igenom Givare 1 som registrerar temperaturen på vattnet. Vattnet fortsätter sedan till en Strypventil som reglerar mängden vatten som rinner igenom. Huvuddelen av det inkommande spädvattnet fortsätter sedan ner till Värmeväxlare 1 där det förvärms med hjälp av utgående spillvatten från bassängen. Därefter rinner vattnet igenom Givare 2 som registrerar temperaturen innan vattnet leds tillbaka till huvudledningen och vidare till bassängen.
Skulle Givare 1 registrera för låg temperatur, kopplas Värmeväxlare 2 in för att ytterligare värmeväxla vattnet med hjälp av fjärrvärme, d.v.s. toppvärmning sker. Där toppvärms vattnet för att sedan ledas tillbaka till huvudledningen. Innan vattnet når huvudledningen, rinner det igenom Givare 4 som registrerar temperaturen. Därefter leds vattnet igenom Givare 3 innan det når bassängen. Det utgående spillvattnet leds senare vidare tillbaka till Värmeväxlare 1 för att förvärma det nya inkommande spädvattnet. Spillvattnet fortsätter sedan vidare till ett sandfilter som renar vattnet innan det ska tillbaka till pumpen. Samtidigt som det renade vattnet rinner till pumpen fylls det på med nytt inkommande spädvatten med temperaturen 10°C från det kommunala ledningsnätet. Vid bassängerna sitter det skvalprännor som byter ut bassängvattnet när bassängerna blir överfyllda. Det inkommande spädvattnet ersätter spillvattnet som rinner ut i skvalprännorna. Spillvattnet leds senare vidare till ett reningsverk.
5.2 Plask- och lekbassäng
återgående bassängvatten. Precis som för hopp- och landningsbassängen har det återgående bassängvattnet renats med hjälp av sandfilter. Strypventiler finns utplacerade i ledningssystemet och reglerar vattenmängden i ledningen. I figuren finns också två värmeväxlare.
Figur 16. Beskrivning av ledningssystemet för plask- och lekbassäng.
Ett schema för vattenflödet i plask- och lekbassängen kan ses i Figur 16. Systemet är uppbyggt på samma sätt som hopp- och landningsbassängen. Bassängvattnet pumpas in från det kommunala vattenledningsnätet med hjälp av en pump. Därefter rinner vattnet igenom Givare 1 som registrerar temperaturen. Vattnet fortsätter sedan vidare till en strypventil som reglerar mängden vatten som ska igenom. Huvuddelen av vattnet fortsätter sedan vidare till Värmeväxlare 1 där det förvärms av utgående spillvatten. Därefter rinner vattnet igenom Givare 2 som registrerar temperaturen innan det leds tillbaka till huvudledningen.
Skillnaden mellan plask- och lekbassängen och hopp- och landningsbassängen är att toppvärmningen alltid är inkopplad här. Anledningen är att temperaturen i plask- och lekbassängen ligger på ca 34° C och den temperaturen klarar inte
Värmeväxlare 1 att komma upp i med det utgående spillvattnet. Därför leds även vatten från huvudledningen till Värmeväxlare 2 där vattnet förvärms med hjälp av fjärrvärme. Därefter rinner vattnet igenom Givare 4 som registrerar temperaturen innan det leds tillbaka till huvudledningen. Temperaturen i Givare 4 är lite högre än den önskade temperaturen i bassängen. Den brukar ligga på ca 39° C för att
inkommande bassängvatten ska hamna på 34° C då det blandas med
huvudledningen. Precis som i hopp- och landningsbassängen så sitter Givare 3 vid huvudledningen och registrerar temperaturen en sista gång innan det leds in i bassängen.
det återvänder till pumpen. Samtidigt som det renade vattnet leds till pumpen leds även nytt 10° C inkommande spädvatten. Vid bassängerna sitter det skvalprännor som byter ut vattnet när bassängerna blir överfyllda. Det inkommande spädvattnet ersätter spillvattnet som rinner ut i skvalprännorna. Spillvattnet leds sedan vidare till ett reningsverk.
5.3 25-metersbassäng
Figur 17 visar vattensystemet för 25-metersbassängen vilket skiljer sig något från de andra två bassängsystemen i Figur 15-16. Precis som för Figur 15-16 finns det givare om registrerar vattentemperaturen i ledningssystemet. Det finns en pump som pumpar vattnet till bassängen. Vid pumpen blandas det inkommande spädvattnet med återgående bassängvatten. Reningsprocessen av det återgående bassängvattnet sker via ett diatomitfilter. Det inkommande spädvattnet förvärms med hjälp av tillförd värme från ishallens kylaggregat under åtta och en halv månader om året. De resterande tre och en halv månaderna har spädvattnet
temperaturen 10° C. Strypventiler finns utplacerade i ledningssystemet och reglerar vattenmängden i ledningen. I figuren finns två värmeväxlare, en som återvinner värme från kylaggregaten och en som toppvärmer vattnet innan det leds ut i bassängen. För denna bassäng så leds spillvattnet till ishallens smältningsgrop för att hjälpa till att smälta den is som skrapas bort från isbanan. Snösmältningen kräver 70 MWh/år.
Figur 17. Beskrivning av ledningssystemet för 25-metersbassäng.
Givare 2 som registrerar temperaturen efter att det värmeväxlats innan det leds tillbaka till huvudledningen och vidare till bassängen.
Skulle Givare 1 registrera för låg temperatur, kopplas även Värmeväxlare 2 in för att ytterligare värmeväxla vattnet med hjälp av fjärrvärme. Där toppvärms vattnet innan det rinner förbi Givare 4 som registrerar temperaturen innan det leds tillbaka till huvudledningen. Innan bassängvattnet leds in i bassängen rinner det igenom ytterligare en givare, Givare 3, som registrerar temperaturen en sista gång. Efter att vattnet varit i bassängen leds en viss mängd vidare till smältgropen samtidigt som en resterande mängd rinner tillbaka till pumpen. Innan det når pumpen renas vattnet med hjälp av ett diatomitfilter. Sedan rinner det tillbaka till pumpen samtidigt som nytt inkommande spädvatten fylls på. Vid bassängerna sitter det skvalprännor som byter ut vattnet när bassängerna blir överfyllda. Det inkommande spädvattnet ersätter spillvattnet som rinner ut i skvalprännorna. Spillvattnet leds senare vidare till ett reningsverk.
I nästa kapitel redovisas energiförbrukningen för hopp- och landningsbassäng samt plask- och lekbassäng. Det sker värmeväxling mellan inkommande spädvatten och utgående spillvatten i båda bassängsystemen. Resultatet för de båda systemen kommer redovisa energiförbrukning utan värmeväxlare och med värmeväxlare samt hur stora besparingarna är i MWh och kronor.
Eftersom ingen värmeväxling sker mellan inkommande spädvatten och utgående spillvatten för 25-metersbassängen, kommer följande tre alternativ redovisas
Dagens energiförbrukning då uppvärmningen är gratis åtta och en halv månad om året och kostar under tre och en halv månader då kylaggregaten är avstängda.
Energiförbrukningen då uppvärmningen är gratis åtta och en halv månad och en värmeväxlare används under tre och en halv månader då
kylaggregaten är avstängda.
6. Resultat och analys
Resultatet kommer redovisa de tre helt från varandra skilda bassängsystemen Hopp- och landningsbassäng
Plask- och lekbassäng 25-metersbassäng
Anledningen till denna uppdelning är att i de två övre punkterna, som omfattar äventyrsbadet, återvinner man redan energi ur spillvattnet via värmeväxlare. 25-metersbassängen som finns i den gamla delen av badanläggningen återvinner ingen energi för att förvärma det inkommande bassängvattnet och det är eventuellt här en värmeväxlare ska placeras.
Resultatet baseras på ett konstant vattenflöde i ledningarna, d.v.s. att anläggningen byter spädvattnet 24 timmar om dygnet, året om. Det bör uppmärksammas att 2012 är ett skottår, vilket gör att det är 366 dagar jämfört med 365 dagar för ett normalår. Resultatet baseras på år 2012:s vattenförbrukning och då skottår gäller räknar vi med 366 dagar.
6.1 Hopp- och landningsbassäng
Hopp- och landningsbassängen i äventyrsbadet håller en temperatur på 28° C. För att hålla vattennivå förbrukade man år 2012 ca 11 584 m3 spädvatten för bassängen. Det inkommande spädvattnet tas direkt från kommunens ledningsnät och har en medeltemperatur på strax under 10° C och måste värmas upp till 28° C innan det leds ut i bassängen.
Det inkommande spädvattnet och det utgående bassängvattnet värmeväxlas i en plattvärmeväxlare, se Figur 18 vilket gör att spädvattnet blir förvärmt.
Flödesschema för hopp- och landningsbassängen, se Figur 19. Temperaturen som spädvattnet har efter att det lämnat värmeväxlingen ligger på ca 24° C. Nu behövs endast en toppvärmning på 4° C göras för att uppnå önskad temperatur på
spädvattnet innan det kan ledas ut i bassängen. Toppvärmningen sker med hjälp av fjärrvärme.
Figur 19. Flödesschema inklusive flöden och vattentemperatur för hopp- och landningsbassäng.
Efter värmeväxlingen rinner spillvattnet ut till avloppssystemet och har
temperaturen ca 14-15° C. Genom att använda sig utav en plattvärmeväxlare har ungefär 50 % av energin i spillvattnet återanvänts till föruppvärmning av
inkommande spädvatten. Det medför minskade energikostnader för uppvärmning av bassängvattnet.
För att visa på hur mycket energi som sparas på detta sätt visas i de följande avsnitten energiförbrukning utan värmeväxlare och med värmeväxlare. Därefter kommer att visas hur stor besparingen blir i MWh och kronor.
6.1.1 Energiförbrukning för vattenuppvärmning utan värmeväxlare
Genom den statistik som tagits del av från Ljungby kommun vet vi att
spädvattenmängden år 2012 var 11 584 m3 för hopp- och landningsbassängen. För att få ett konstant massflöde m, använder vi ekvation (1) (se kapitel 2).
(1)
Massflödet är 0,367 kg/s och temperaturen för det inkommande vattnet är 10° C och den önskade bassängtemperaturen är 28° C. Genom att använda ekvation (2) (se kapitel 2) blir den tillförda värmemängden utan någon värmeväxlare.
(2)
(3)
Energiförbrukningen för den tillförda värmemängden år 2012 är 242,553 MWh. Fjärrvärmen kostar idag 335,60 kr/MWh och för att beräkna kostnaderna för den tillförda värmemängden använder vi ekvation (4) (se kapitel 2). Ekvation (4) visar kostnaden för att värma spädvattnet utan någon värmeväxling.
(4)
6.1.2 Energiförbrukning för vattenuppvärmning med värmeväxlare
Samma massflöde för spädvattnet gäller fortfarande för kommande beräkningar, d.v.s. m = 0,367 kg/s. Det som skiljer sig i följande beräkningar är att en del av uppvärmningen av spädvattnet sker i värmeväxlaren. Spädvattnet har fortfarande temperaturen 10° C innan det ska värmeväxlas. Efter värmeväxlingen har spädvattnet temperaturen ca 24° C. Ekvation (2) visar den tillförda värmemängd som behövs för toppvärmningen av spädvattnet efter värmeväxling.
(2) För att temperaturen hos spädvattnet ska öka från 24° C till 28° C genom fjärrvärme måste 6,136 kJ/s tillföras. Precis som tidigare så tillförs denna
värmemängd 24 timmar om dygnet i 366 dagar under år 2012. Ekvation (3) visar energiförbrukningen med värmeväxling.
(3)
Den tillförda värmemängden för toppvärmningen av spädvattnet från 24° C till 28° C är 53,899 MWh/år. Fjärrvärmen kostar 335,60 kr/MWh och genom att använda ekvation (4) blir kostnaden för uppvärmningen av spädvattnet från 24° C till 28° C med värmeväxling.
(4)
6.1.3 Energibesparing i MWh och kronor
Utan värmeväxlare var energiförbrukningen 242,553 MWh/år och med
energiåtervinning, genom värmeväxling, var den 53,899 MWh/år. Detta gör att den totala värmeförbrukningen är betydligt mindre.
(5) Genom att förvärma spädvattnet från 10° C till 24° C med värmeväxling har energiförbrukningen minskat med 188,654MWh för år 2012. Tack vare
värmeväxlingen har den totala energiförbrukningen minskat med ca 78 %. Genom att använda ekvation (4) ser vi hur stor besparingen blir rent kostnadsmässigt.
6.2 Plask- och lekbassäng
Plask- och lekbassängen i äventyrsbadet håller en temperatur på 34° C. För att hålla vattennivå förbrukade man år 2012 ca 7326 m3 spädvatten för bassängen. Det inkommande spädvattnet tas direkt från kommunens ledningsnät och har en medeltemperatur på strax under 10° C och måste värmas upp till 34° C innan det leds ut i bassängen.
Det inkommande spädvattnet och det utgående bassängvattnet värmeväxlas i en plattvärmeväxlare, se Figur 20, vilket gör att spädvattnet blir förvärmt på samma sätt som för hopp- och landningsbassängen. Temperaturen som spädvattnet har efter att det lämnat värmeväxlingen är ca 32° C. Nu behövs en toppvärmning på 2° C göras för att uppnå önskad temperatur på spädvattnet innan det kan ledas ut i bassängen. Toppvärmningen sker med hjälp av fjärrvärme. För att få en uppfattning av flödesschemat, se Figur 21.
Figur 21. Flödesschema inklusive flöden och vattentemperatur för plask- och lekbassäng.
Efter värmeväxlingen rinner spillvattnet ut till avloppssystemet och har temperaturen ca 25° C. Vid vissa fall leds avloppsvattnet bort till ishallens
smältningsgrop, dock endast då spillvattnet från 25-metersbassängen inte räcker till för snösmältningen. Genom att använda sig utav en plattvärmeväxlare har ungefär 26 % av energin i spillvattnet återanvänts till föruppvärmning av inkommande spädvatten. Precis som för hopp- och landningsbassängen så sparar man energi vilket minskar kostnaderna för uppvärmning av bassängvattnet.
För att visa på hur mycket energi som sparas på detta sätt visas i de följande avsnitten energiförbrukning utan värmeväxlare och med värmeväxlare. Därefter kommer att visas hur stor besparingen blir i MWh och kronor.
6.2.1 Energiförbrukning för vattenuppvärmning utan värmeväxlare
Från den statistik som tagits del av från Ljungby kommun vet vi att
spädvattenmängden år 2012 var 7326 m3 för plask- och lekbassängen. För att få ett konstant massflöde m för spädvattnet, använder vi ekvation (1).
Den tillförda värmemängden för att värma det inkommande vattnet från 10° C till den önskade bassängtemperaturen 34° C är 23,27 kJ/s. Vi vet även här att
värmemängden tillförs 24 timmar om dygnet i 366 dagar år 2012. Genom att använda ekvation (3) blir energiförbrukningen utan någon värmeväxling. (3)
Energiförbrukningen för den tillförda värmemängden år 2012 är 204,404 MWh. Fjärrvärmen kostar idag 335,60 kr/MWh och för att beräkna kostnaderna för den tillförda värmemängden använder vi ekvation (4). Ekvation (4) visar kostnaden för att värma spädvattnen utan någon värmeväxling.
(4)
6.2.2 Energiförbrukning för vattenuppvärmning med värmeväxlare
För kommande beräkningar gäller fortfarande samma massflöde för spädvattnet, d.v.s. m=0,232 kg/s. Det som skiljer sig i följande beräkningar är att en del av uppvärmningen v spädvattnet sker i värmeväxlaren. Spädvattnet har fortfarande temperaturen 10° C innan det ska värmeväxlas. Efter värmeväxlingen har spädvattnet temperaturen ca 32° C. Genom att använda ekvation (2) beräknar vi den tillförda värmemängd som behövs för toppvärmningen av spädvattnet efter värmeväxling.
(2)
För att spädvattnet ska öka från 32° C till 34° C genom fjärruppvärmning måste 1,94 kJ/s tillföras. Värmemängden tillförs precis som för hopp- och
landningsbassängen 24 timmar om dygnet i 366 dagar år 2012. Genom att använda ekvation (3) beräknar vi energiförbrukningen med värmeväxling för år 2012. (3)
För att toppvärma spädvattnet från 32° C till 34° C år 2012 behövs 17,041 MWh tillföras. Fjärrvärmen kostar 335,60 kr/MWh och genom att använda ekvation (4) blir kostnaden för uppvärmningen av spädvattnet från 32° C till 34° C med värmeväxling.
(4)
6.2.3 Energibesparing i MWh och kronor
Utan någon värmeväxlare var energiförbrukningen 204,404 MWh/år och med energiåtervinning, genom värmeväxling, var den 17,041 MWh/år. Detta gör att den totala värmeförbrukningen är betydligt mindre.
(5) Genom att värmeväxlaren förvärmt spädvattnet från 10° C till ca 32° C har energiförbrukningen minskat med 187,363 MWh för år 2012. Tack vare
(4)
6.3 25-metersbassängen
25-metersbassängen i den gamla delen av badhuset håller en temperatur på 28° C. För att hålla vattennivå förbrukade man år 2012 ca 31 623 m3 spädvatten för bassängen. Det inkommande spädvattnet har en medeltemperatur på strax under 10° C och tas direkt från kommunens ledningsnät. Spädvattnet måste värmas upp till 28° C innan det kan ledas ut i bassängen.
I den gamla delen av badhuset finns idag energiåtervinning där 25-metersbassängen och ishallen utnyttjar varandras resurser, dock sker inte denna återvinning året om. Ishallen har is från ca 15:e juli t.o.m. mars, ungefär åtta och en halv månader (d.v.s. 261 dagar). De resterande tre och en halv månaderna sker ingen energiåtervinning och här kan en värmeväxlare installeras för att minska energiförbrukningen.
Då ishallen är igång och det finns is, arbetar kylaggregaten för att kyla isen. Det gör att energi bildas från kylaggregaten som används för uppvärmning av spädvattnet samt att värma bassängvattnet i 25-metersbassängen. Värmemängden från
kylaggregaten klarar att värma spädvattnet från 10° C till 28° C och därmed behövs ingen toppvärmning. Den energi som krävs för att värma badvattnet under åtta och en halv månader är alltså gratis. Kostnaderna för uppvärmning av spädvattnet sker därför endast under tre och en halv månader då kylaggregaten är avstängda. Ishallen i sin tur utnyttjar spillvattnet från 25-metersbassängen för smältning av snön som hamnar i smältgropen efter att isen har skrapats. Det sker även att spillvatten från plask- och lekbassängen leds bort till smältgropen då 25-metersbassängens spillvatten inte räcker till.
6.3.1 Energiförbrukning för dagens system för vattenuppvärmning
Energikostnaderna uppstår under de tre och en halv månader då kylaggregaten är avstängda. Årsförbrukningen av vatten i denna bassäng är ca 31 623 m3. Massflödet för spädvattnet kan beräknas med ekvation (1) till 1,0 kg/s.
(1)
Genom att använda ekvation (2) blir den tillförda värmemängden utan någon värmeväxlare med antagande att man värmer det inkommande spädvattnet från 10 grader till 28 grader.
(2)
Den tillförda värmemängd för att värma det inkommande vattnet från 10° C till den önskade bassängtemperaturen 28° C krävs det 75,24 kJ/s. Vattenmängden tillförs 24 timmar om dygnet i 105 dagar. Genom att använda ekvation (3) blir
Energiförbrukningen för den tillförda värmemängden under 105 dagar är 189,605 MWh. Fjärrvärmen kostar idag 335,60 kr/MWh och för att beräkna kostnaderna för den tillförda värmemängden använder vi ekvation (4). Ekvation (4) visar kostnaden för att värma spädvattnen från 10° C till 28° C utan någon värmeväxling.
(4)
6.4 Alternativa lösningar för 25-metersbassängen
Det är i 25-metersbassängen de stora möjligheterna för energibesparing finns. Eftersom ingen värmeväxling sker mellan inkommande spädvatten och utgående spillvatten för 25-metersbassängen, kommer följande tre alternativ redovisas
Alternativ A: Dagens energiförbrukning då uppvärmningen är gratis åtta och en halv månad om året och kostar under tre och en halv månader då kylaggregaten är avstängda.
Alternativ B: Energiförbrukningen då uppvärmningen är gratis åtta och en halv månad och en värmeväxlare används under tre och en halv månader då kylaggregaten är avstängda.
Alternativ C: Energiförbrukningen utan tillförd värme från kylaggregat och endast värmeväxlare som används året om.
I kapitlen nedan kommer de olika alternativen att beskrivas närmare liksom deras behov av tillförd energi och energikostnader.
6.4.1 Alternativ A: Dagens system
I dagens system utnyttjas värme från ishallens kylsystem för att värma upp bassängens under de månaderna ishallen är i bruk, se kapitel 6.3.1. Under
resterande del av året värms vattnet upp via fjärrvärme. Energiförbrukningen för att värma vattnet från spädvattnets 10 grader till bassängvattnets 28 grader kräver då en energimängd på: 189,605 MWh. Detta till en kostnad för att köpa in energin via fjärrvärmesystemet på: 63 632 kr. Under de tre och en halv månad som ishallens aggregat är avstängda så kommer spillvattnet i detta alternativ att rinna direkt ut i avloppssystemet utan energiåtervinning med en temperatur av 28° C.
6.4.2 Alternativ B: Värmeväxlare som används 3,5 månader
För att spara energi och kostnader så skulle det vara möjligt att installera en värmeväxlare som under de tre och en halv månad som ishallens kylaggregat är avstängda värmeväxlar det utgående spillvattnet med det inkommande spädvattnet. Ett alternativ är att sätta in en plattvärmeväxlare som värmeväxlar vattnet under de 3,5 månader ishallen inte är i bruk. Plattvärmeväxlaren antas ha samma
verkningsgrad i 25-metersbassängen som den har för hopp- och
grader. Resterande 4 graders värmning sker via toppvärmning med fjärrvärme. Genom att använda ekvation (2) blir den tillförda värmemängden med
värmeväxlare.
(2) För att toppvärma det inkommande spädvattnet från 24° C till 28° C genom fjärruppvärmning måste 16,72 kJ/s tillföras. Värmemängden tillförs 24 timmar om dygnet i 105 dagar. Genom att använda ekvation (3) blir energiförbrukningen med värmeväxling under tre och en halv månader.
(3)
Toppvärmningen av spädvattnet från 24° C till 28° C under tre och en halv månader behöver 42,135 MWh tillföras. Fjärrvärmen kostar 335,60 kr/MWh och genom att använda ekvation (4) blir kostnaden för toppvärmningen av spädvattnet med värmeväxling.
(4)
6.4.3 Alternativ C: Värmeväxlare som används året runt
Det tredje alternativet innebär att man installerar en värmeväxlare i 25-meters bassängen som används hela året. Detta innebär att värmeenergin från ishallens kylanläggning kan användas för andra ändamål. Man måste i detta alternativ också hitta en annan lösning för att smälta snön i ishallens smältgrop. Det mest uppenbara alternativet för att smälta snön i smältgropen är att använda sig av det 25 grader varma vatten som idag leds ut i avloppet från plask- och lekbassängen. För att beräkna energiåtgången för detta fall så beräknas först energiåtgången för att kunna toppvärma vattnet i 25-meters bassängen med fjärrvärme, därefter kontrolleras också om vattnet från plask- och lekbassängen räcker till för att smälta snön i ishallens smältgrop.
I detta avsnitt kommer en värmeväxlare att installeras och utnyttjas under ett helt år. Det inkommande spädvattnet kommer att värmeväxlas med det utgående bassängvattnet, se Figur 22. Temperaturen som spädvattnet har efter att den lämnat värmeväxlaren är ca 24° C. Nu behövs en toppvärmning på 4° C göras för att uppnå önskad temperatur på spädvattnet innan det kan ledas ut i bassängen.
Figur 22. Flödesschema inklusive flöden och vattentemperatur för 25-metersbassäng.
Massflödet för spädvattnet är 1,0 kg/s för 25-metersbassängen. Temperaturen för det inkommande vattnet är 10° C och den önskade bassängtemperaturen är 28° C. Genom att använda ekvation (2) blir den tillförda värmemängden med
värmeväxlare.
(2) För att toppvärma det redan förvärmda spädvattnet från 24° C till 28° C måste 16,72 kJ/s tillföras. Denna värmemängd tillförs genom fjärrvärmeenergi. Värmemängden tillförs 24 timmar om dygnet i 366 dagar år 2012. Genom att använda ekvation (3) blir energiförbrukningen med värmeväxling.
(3)
Energiförbrukningen för den tillförda värmemängden år 2012 är 146,869 MWh. Fjärrvärmen kostar idag 335,60 kr/MWh och genom att använda ekvation (4) kan kostnaden för den tillförda energimängden beräknas. Kostnaden blir
(4)
För att kunna räkna på hur mycket vatten som krävs för att smälta snö i
Beräkningen gäller för avloppsvattnet som har värmeväxlats från plask- och lekbassängen med temperaturen 25° C. Genom att använda ekvation (3) och omvandla den får vi följande tillförda värmemängd.
(3)
För att smälta snön med hjälp av avloppsvattnet från plask- och lekbassängen krävs det att 15,78 kJ/s tillförs. Smältningen sker 17 timmar om dygnet i 261 dagar, alltså åtta och en halv månader. Genom att använda ekvation (2) ser vi om massflödet från plask- och lekbassängen är tillräckligt stort för att klara smältningsprocessen.
(2)
För att avloppsvattnet ska kunna smälta snön i ishallen krävs ett massflöde på minst 0,199 kg/s. Avloppsvattnet från plask- och lekbassängen rinner idag med
7. Diskussion och slutsatser
I tabell 2 redovisas en sammanfattning av resultatet från kapitel 6 för
energiförbrukningen för respektive bassäng under år 2012. Tabellen visar hur stor besparing man gör genom de installerade värmeväxlarna i hopp- och
landningsbassängen och plask- och lekbassängen. Resultaten visar att värmeväxlarna leder till en energibesparing på drygt 180 000 kWh per år per bassäng. Detta innebär också en besparing i kostnader på drygt 60 000 kr per år per bassäng. Detta visar på en kraftig effekt av att installera värmeväxlare.
Tabell 2. Sammanfattning av energiförbrukningen år 2012 med värmeväxlare och utan värmeväxlare.
Typ av bassäng
Energiför-brukning
utan
värme-växlare
(kWh)
Energi-förbrukning
med
värmeväxlare
(kWh)
Energi-besparing
(kWh)
Bespari
ng (kr)
Hopp- och
landningsbassäng
242 553
53 899
188 654
63 312
Plask- och
lekbassäng
204 404
17 041
187 363
62 879
25-metersbassäng
189 605
De data som visas för 25-metersbassängen är den energi som krävs för
uppvärmning av vattnet under de 3,5 månader per år då ishallens kylaggregat är avstängda. Under dessa 3,5 månader värms vattnet direkt från kommunens
fjärrvärmesystem med köpt energi. Under resterande 8,5 månader värms vattnet via spillvärme från ishallen och ingen energi behöver därför köpas.
Den del av simhallen som idag inte har någon värmeväxlare installerad är 25-metersbassängen. För denna bassäng har tre olika alternativ undersökt för att se om det är möjligt att spara mer energi och sänka uppvärmningskostnaderna. Tre alternativa lösningar har studerats:
Alternativ A: Dagens energiförbrukning då uppvärmningen är gratis åtta och en halv månad om året och kostar under tre och en halv månader då kylaggregaten är avstängda.
Alternativ B: Energiförbrukningen då uppvärmningen är gratis åtta och en halv månad och en värmeväxlare används under tre och en halv månader då kylaggregaten är avstängda.
Alternativ C: Energiförbrukningen utan tillförd värme från kylaggregat och endast värmeväxlare som används året om.
I Tabell 3 redovisas en sammanfattning av resultatet från dessa tre alternativa lösningar.
25-meterbassäng
Energiförbrukning (kWh) Kostnad (kr)
Alternativ A
189 605
63 632
Alternativ B
42 135
14 141
Alternativ C
146 869
49 289
Alternativ B: Att använda kylaggregaten under åtta och en halv månad, för att sedan koppla in en ny värmeväxlare under resterande tre och en halv månader. Då hade energikostnaderna endast varit 14 141 kr/år. Detta skulle ge en besparing på nästan 150 000 kWh per år och en kostnadsminskning på nästan 50 000 kr per år. Då måste dock kostnaden för installationen av en ny värmeväxlare tas med i
beräkningen. Det vi inte vet är om det går att kombinera kylaggregaten för att sedan koppla spillvattnet till värmeväxlaren. Det leder till ett ännu mer uppdelat
ledningsnät.
Alternativ C: Detta alternativ innebär att man installerar en värmeväxlare i 25-metersbassängen som utnyttjas hela året. Då måste man utnyttja spillvattnet från plask- och lekbassängens avloppsvatten för smältningsprocessen i ishallen. Det betyder att spillvattnet från 25-metersbassängen med temperaturen 28° C inte behöver ledas till smältningsgropen. Detta alternativ skulle vara ett bra sätt att ta hand om den energi som finns i spillvattnet från plask- och lekbassängen som idag rinner ut i avloppet efter värmeväxling med en temperatur av 25° C.
Alternativet innebär också att den värmeenergi som idag kommer från ishallens kylaggregat kan utnyttjas för annat än uppvärmning av vattnet för
25-metersbassängen. Detta innebär dock ombyggnader av systemet. Kylanläggningen producerar överslagmässigt en energimängd på:
(2) Vilket motsvarar en energimängd på:
(3)
Efter en ombyggnad skulle denna energi räcka mer än väl till att toppvärma vattnet för samtliga bassänger i Sunnerbohallen utan extra tillskott från fjärrvärme under den period av året då ishallen är i drift. Alternativt kan denna energi användas till att värma vattnet i duscharna i simhallen.
Badanläggningen i Sunnerbohallen gör idag en del besparingar tack vare
installationen utav värmeväxlare i äventyrsbadets ledningssystem för vattnet. De beräkningar som gjorts är baserade på hämtad statistik för vattenförbrukningen för respektive bassänger, d.v.s. hopp- och landningsbassäng samt plask- och
lekbassängen. Dock ska statistiken inte litas på till 100 procent eftersom fel på mätinstrument kan förekomma. Något man kan vara kritisk till är spädvattnets temperatur efter värmeväxlingen för plask- och lekbassängen. En temperatur på 32° C kan ses som en aning för hög utan temperaturen bör ligga runt 28-30° C. Här kan termometrarna för vattensystemet ha gett en för hög temperatur. Denna
För 25-metersbassängen har ett antagande gjorts för värmeväxlingen och hur effektiv den är vilket kan påverka det slutliga resultatet. Det som kan påverka resultatet och värmeförlusterna för spillvattnet är val av ledning samt hur långt bort från bassängen värmeväxlingen sker. Kylaggregaten är avstängda under tre och en halv månader vilket gör att en plattvärmeväxlare kan återvinna energi under denna tid. Värmeväxlaren skulle då minska energiförbrukningen med ca 78 %.
Besparingen utgör ca 49 500 kr under de tre och en halv månaderna för år 2012. Jämför man resultatet från våra beräkningar med andra studier så visar den att en energibesparing från bassängvattnet är ca 56 % då bassängtemperaturen är 32° C och det inkommande vattnet är 21° C (Sjökvist, 2013). Vår studie visar att
värmeväxlaren har en högre verkningsgrad och sparar 78 % av energin i spillvattnet för hopp- och landningsbassängen. För plask- och lekbassängen är verkningsgraden ca 92 % vilket anses vara en för hög siffra. Som tidigare nämnt kan fel på
termometrar och annan utrustning göra att resultatet blir felaktigt.
En möjlig energikälla där ingen energiåtervinning sker idag är duschvattnet. Dock finns här ett problem eftersom gråvatten och svartvatten leds bort i samma
Referenser
Alvarez, Henrik (2006): Energiteknik. Sverige. Tredje upplagan. Del 1. Sidnummer 245, 246, 247, 281, 312, 406, 407, 414, 415, 419, 420. ISBN-91-44-05409-3 Alvarez, Henrik (2006): Energiteknik. Sverige. Tredje upplagan. Del 2. Sidnummer 673, 738, 740, 741. ISBN 978-91-44-04510-8
Bjurling, F och Ngo, P. (2011): Energiåtervinning ur avloppsvatten, Energy Technology vid Kungliga Tekniska Högskolan.
Ekologiska byggvaruhuset (2014): http://www.ekologiskabyggvarhuset.se hämtad 02.04.2014
Energi i idrottsanläggningar (2011): http://www.energimyndigheten.se hämtad 21.05.2014
Energimyndigheten (2014): Mål rörande energianvändning i Sverige och EU. www.energimyndigheten.se/Offentlig-sektor/Tillsynsvagledning/Mal-rorande-energianvandning-i-Sverige-och-EU/. 2014-05-18
Lidström, Viveka (2012): Vårt vatten: Grundläggande lärobok i vatten- och avloppsteknik. Lunds tekniska högskola. Institutionen för Kemiteknik. Första upplagan. Sidnummer 88. ISSN-1654-5117.
Menerga (2014): http://www.menerga.se hämtad 18.04.2014 Persson, Erik (2006): Energianalys och bestämning av nyckeltal hos
badanläggningar. Examensarbete. Energiteknik vid Umeå Universitet Tekniska högskola
Plattvärmeväxlare (2014): http://www.wcr.se/plattvarmevaxlare hämtad 24.04.2014 Sjökvist, Malin (2013): Möjligheter till energieffektivisering i badhus.
Examensarbete. Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten vid Uppsala Universitet.
Svensk fjärrvärme (2009): Fjärrvärmen och miljön: http://www.svenskjarrvarme.se
hämtad 02.04.2014
