Lagring av Kyla i Kommersiella Fastigheter
Undersökning och jämförelse av olika kyllagringslösningar till fastigheten Nöten 3
Stina Busin
TRITA-ITM-EX 2020:362
Master of Science ThesisTRITA-ITM-EX 2020:362
Lagring av kyla i kommersiella fastigheter -
Undersökning och jämförelse av olika kyllagringslösningar till fastigheten Nöten 3
Stina Busin
Approved
2020-06-17
Examiner
Anders Malmquist
Supervisor
Justin Chiu
Commissioner Contact person
Summary
The Swedish energy and environmental goals state that the Swedish electricity production should be 100%
renewable in 2040, which predicts a more flexible electricity use. In additional is a capacity shortage threatening urban areas since the electricity grid has not been expanded in the same pace as the electricity demand. In 2017, the construction and real estate sector accounted for 32% of the final energy use in Sweden and comfort cooling of commercial real estate becomes more important with a warmer climate and higher requirements from tenants. Comfort cooling are either locally produced, often with machines driven by electricity, or delivered from a district cooling network. One alternative to decrease the power demand on the electricity grid and district cooling network is to store during times when the cooling need is low or the electricity is cheap for later use when the electricity cost is higher or cooling need is high. Today electricity grid providers have costs that vary with time and demand, this gives an economical incitement to install a cold thermal energy storage in the real estate.
The real estate Nöten 3 owned by the real estate company Vasakronan has been used as the case study to simulate a cold thermal energy storage. Cooling machines have recently been installed to decrease the amount of the bought energy but the district cooling is still in use to cover high peak demands.
There are several different possible storage mediums where ice, non-ice phase change material (PCM), and liquid water have been studied. The company “PCM Products” deliver the studied PCM, Baltimore Aircoil the ice storage system and the water storage are estimated from previous published reports.
A simulation model in Excel was created based on hourly data of the property’s cooling need. The model simulates the cooling system with different cold thermal energy storage where the cooling machines work are regulated based on the variation in the electricity grid cost to minimize the cost. The cold thermal energy storage size and dimension as well as the cooling systems investment, maintenance and operation costs are presented and compared for the optimal storage solution.
A cold thermal energy storage of 2 900 kWh with the storage medium PCM and cooling machines with a total capacity of 490 kW are found to be the most suitable cooling system for the property, since it is primarily the only storage that fits inside the building. The cooling system with storage and smaller cooling machines are estimated to be economically feasible compared to today’s cooling system with larger cooling machines and district cooling. An additional cold thermal energy storage of 1250 kWh with the storage medium PCM are proposed, which can complement the already installed cooling machines. The smaller storage enables decoupling from the district cooling and would be economically feasible.
The model has several uncertainties, mainly in the economic calculations since the costs are based on information from only one supplier of each product. In addition, the operation and life span is uncertain since they are based on the supplier records and not reviewed reports. Therefore, an installation of a 1250 kWh PCM cold thermal energy storage is recommended as a complement to the existing cooling machine.
That enables examination of the optimal size and operation of a cold thermal energy storage without creating a greater risk since the stored cold only are needed during high cooling needs during the summer months.
At the same time is it predicted to be economically feasible since the district cooling can be disconnected.
Sammanfattning
Det svenska energi- och klimatmålet säger att den svenska elproduktionen ska vara 100% förnybar till 2040 vilket förutspås sätta större press på flexibel elanvändning. Utöver det hotar en kapacitetsbrist i främst de svenska storstäderna då eleffektbehovet vid vissa tidpunkter förutspås bli högre än vad elnätet klarar av att leverera. Bygg- och fastighetssektorn stod 2017 för 32% av den slutliga energianvändningen i Sverige och kylning av kommersiella fastigheter blir allt viktigare med ett varmare klimat och högre krav från hyresgäster.
Kyla produceras antingen lokalt, till exempel med kylmaskiner, vilket oftast drivs utav elektricitet alternativt levereras via ett fjärrkylnätverk. Ett sätt att sänka effektbehovet på elnätet alternativt fjärrkylnätverket är att lagra under perioder då kylbehovet är lågt eller elektriciteten billig för att sedan utnyttja den då elpriset stiger eller kyleffektbehovet är högt. Elnätsleverantörerna har idag varierande kostnader beroende på om elektriciteten levereras under hög- eller låglasttider vilket ger ett ekonomiskt incitament att installera ett kyllager i fastigheten.
Vasakronans fastighet Nöten 3 har använts som studieobjekt för att simulera ett kyllager. Fastigheten har nyligen installerat kylmaskiner men är fortfarande kopplat till fjärrkyla för att täcka höga kyleffektbehov.
Det finns flera olika medium att lagra kyla i där fasförändrande material/Phase change material (PCM), is samt vatten har undersökts. Den undersökta PCM lösningen är levererad från PCM products, islagringslösningen från Baltimore Aircoil medan vattenlagringslösningen uppskattats från tidigare rapporter om stora ackumuleringstankar.
En simuleringsmodell i Excel har skapats utifrån timdata över fastighetens kylanvändning. Där har fastighetens kylsystem simulerats med olika kyllagringslösningar där kylmaskinens arbete styrts utifrån elnätleverantörens prissättning. Kyllagrets storlek och dimensioner samt kylsystemets investerings-, underhålls och driftkostnader har presenterats och jämförts mot varandra för att finna den optimala lösningen för den undersökta fastigheten.
Ett kyllager med PCM på 2 900 kWh och kylmaskiner på totalt 495 kW anses vara det mest optimala för fastigheten då det dels är det enda kyllagret som får plats i fastigheten. Kylsystemet med kyllagret uppskattas vara ekonomiskt lönsamt jämfört mot ett kylsystem med kylmaskiner och fjärrkylabonnemang. Ytterligare ett alternativ på kyllager till de redan installerade kylmaskinerna presenteras. Ett kyllager på 1250 kWh möjliggör en frånkoppling från fjärrkylanätverket som har en relativt hög fast kostnad men lågt energiuttag.
Simuleringsmodellen har många osäkerheter främst gällande de ekonomiska beräkningarna då kostnaderna främst baserats på uppgifter från en leverantör av varje produkt. Även driften och livslängden är osäker då de är baserade på leverantörernas egna uppgifter och inte fristående rapporter. Därmed rekommenderas en installation av ett 1250 kWh PCM lager i Nöten 3 som komplement till de nuvarande kylmaskinerna då det möjliggör undersökning av optimal storlek och drift av kyllagret utan att utgöra en stor risk då kyllagret endast behövs för att täcka höga kyleffektbehov under sommarmånaderna. Samtidigt uppskattas det vara ekonomiskt lönsamt då fjärrkylabonnemanget kan sägas upp.
Innehåll
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och frågeställningar ... 1
1.3 Disposition ... 2
2 Teori... 3
2.1 Fastigheter ... 3
2.1.1 Energianvändning i fastigheter ... 3
2.1.2 Nöten 3 ... 3
2.1.3 Kylning av kommersiella fastigheter ... 3
2.1.4 Kylsystemet i fastigheten Nöten 3 ... 4
2.2 Kylmaskiner ... 5
2.2.1 Kylmaskiners prestanda ... 6
2.2.2 Borrhålslager ... 6
2.3 Dimensionering och drift av kylsystem i kommersiella fastigheters ... 7
2.4 Termodynamik ... 7
2.4.1 Värmeöverföring ... 7
2.5 Termisk energilagring ... 7
2.5.1 Sensibel värmelagring ... 8
2.5.2 Latent värmelagring ... 8
2.5.3 Kemisk värmelagring ... 9
2.5.4 Kall termisk energilagring ... 9
2.6 Lagringsmedium ... 9
2.6.1 Vatten ... 9
2.6.2 Is ... 10
2.6.3 Fasändringsmaterial, PCM ... 11
2.7 Lagringsstrategier ... 13
2.7.1 Fulltäckande kyllager ... 13
2.7.2 Deltäckande kyllager ... 13
2.7.3 Kyleffekt... 13
2.8 Prissättning av energi ... 13
2.8.1 Elnätskostnader – Vattenfall ... 14
2.8.2 Elhandelskostnad – Entelios ... 14
2.8.3 Fjärrkylakostnader – Norrenergi ... 14
2.9 Exempel på kyllagring ... 15
2.9.1 Stockholm Waterfront building ... 15
2.9.2 University of Bergen ... 16
3 Metod ... 18
3.1 Fas 1 - Litteraturstudie ... 18
3.2 Fas 2 - Simuleringsmodell ... 18
3.3 Fas 3 - Ekonomiska beräkningar ... 20
3.3.1 Nominell och real-kalkylränta och energiprisökning ... 20
3.3.2 Nuvärdesmetoden ... 20
3.3.3 Livscykelkostnadsanalys, LCC ... 21
3.3.4 Pay back-metoden ... 22
3.3.5 Ekonomiska parametrar ... 22
3.4 Fas 4 – Jämförelse av kylsystem ... 22
3.5 Antaganden ... 23
3.5.1 Komponenter i kylsystemet ... 23
3.5.2 Växlingskurs ... 23
4 Resultat... 24
4.1 Specifika fastighetsdata ... 24
4.1.1 Kylbehov ... 24
4.1.2 Dimensionering ... 25
4.2 Uppskattade kostnader ... 25
4.2.1 Kylmaskin ... 25
4.2.2 Fjärrkyla ... 26
4.2.3 Elektricitet ... 26
4.2.4 Rör ... 26
4.3 Driftkort, simuleringsresultat och föreslagen design ... 27
4.3.1 Kylsystem I - 690 kW kylmaskiner och fjärrkyla abonnemang ... 27
4.3.2 Kylsystem II - Endast kylmaskiner ... 29
4.3.3 Kylsystem III - Kylmaskiner och kyllager med PCM ... 31
4.3.4 Kylsystem IV - Kylmaskiner och islager ... 35
4.3.5 Kylsystem V - Kylmaskiner och ackumulatortank med vatten ... 40
4.4 Jämförelse kylsystem ... 45
4.4.1 Kylsystem I – Kylmaskin samt fjärrkyla ... 46
4.4.2 Kylsystem II - Endast kylmaskin ... 46
4.4.3 Kylsystem III - PlusICE hydrated salt S8 ... 46
4.4.4 Kylsystem IV – Islager ... 46
4.4.5 Kylsystem V - Ackumulatortank ... 47
4.5 Slutliga designförslag ... 47
4.5.1 Designförslag av nytt kylsystem till Nöten 3... 47
4.5.2 Designförslag av tillägg till nuvarande kylsystem i Nöten 3 ... 48
5 Diskussion ... 50
5.1 Implementering och val av kyllager ... 50
5.2 Kostnader ... 50
5.3 Simulering ... 51
5.4 Driftsäkerhet och styrning ... 51
5.5 Hållbarhetsanalys ... 52
6 Slutsats ... 53
7 Framtida arbete... 54
8 Referenser ... 55
Figurförteckning
Figur 1 - Fördelning köpta energislag till Vasakronans fastigheter ... 3
Figur 2 - Schematisk översikt av ångkompressionscykeln i en värmepump/kylmaskin. ... 5
Figur 3 - Förskjutningen av kylmaskinens produktion över dagen med ett kyllager (Christenson, 2013). ... 8
Figur 4- Vattenkyllager tillsammans med kylmaskin. Lagring av kyla till vänster, uttag av kyla till höger (Cypess LTD, 2020). ... 9
Figur 5 - Exempel på kylsystem med islager (Wu, Feng, & Tsai, 2015). ... 10
Figur 6 - Exempel på kylsystem med PCM kyllager (Christenson, 2013). ... 11
Figur 7 - Exempel på PCMproducts FlatICE behållare staplade på varandra. ... 12
Figur 8 - Enkel skiss över kylsystemets uppbyggnad (PCM products, 2020). ... 16
Figur 9 - FlatICE behållare placerade inuti en cylindrisk behållare (PCM products, 2020). ... 17
Figur 10 - Metodschema för kylsystemsimulering ... 19
Figur 11 - Varaktigheten för uttagna kyleffekter i Nöten 3. ... 24
Figur 12 - Uttagen kyleffekt per timme under 2017-2019 för Nöten 3. ... 24
Figur 13 - Dimensionering på tilltänkt lokal för installation av kyllager... 25
Figur 14 - Driftkort över kylsystem I inkl. möjliga flödesriktningar. ... 27
Figur 15 – Driftkort över kylsystem I då kylmaskinen täcker hela fastighetens kylbehov. ... 28
Figur 16 - Driftkort över kylsystem I då kyla levereras från både kylmaskinen och fjärrkylanätet. ... 28
Figur 17 - Driftkort över kylsystem II samt det enda driftfallet. ... 30
Figur 18 - Driftkort över kylsystem III, inkl. möjliga flödesriktningar. ... 31
Figur 19 - Driftkort för driftfallet "Endast uppladdning av kyllager" för kylsystem med PCM kyllager. ... 32
Figur 20 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kylmaskin" för kylsystem III. ... 32
Figur 21 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kyllager" för kylsystem III. ... 33
Figur 22 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet och uppladdning av kyllager med kylmaskin" för kylsystem III. ... 34
Figur 23 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kylmaskin och kyllager" för kylsystem III. . 34
Figur 24 - Driftkort över kylsystemet IV inkl. möjliga flödesriktningar och olika köldbärare. ... 36
Figur 25 - Driftkort för driftfallet "Endast uppladdning av kyllager" för kylsystem IV. ... 36
Figur 26 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kylmaskin" för kylsystem IV. ... 37
Figur 27 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kyllager" för kylsystem IV... 37
Figur 28 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet och uppladdning av kyllager med kylmaskin" för kylsystem IV. ... 38
Figur 29 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kylmaskin och kyllager" för kylsystem IV. . 38
Figur 30 - Dimensioner för Islagring container, Balitmore Aircoil - TSU L462M. ... 39
Figur 31 - Driftkort över kylsystemet V inkl. möjliga flödesriktningar. ... 40
Figur 32 - Driftkort för driftfallet "Endast uppladdning av kyllager" för kylsystem V. ... 41
Figur 33 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kylmaskin" för kylsystem V. ... 41
Figur 34 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kyllager" för kylsystem V. ... 42
Figur 35 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet och uppladdning av kyllager med kylmaskin" för kylsystem V. ... 42
Figur 36 - Driftkort för driftfallet "Kylning av fastighet med kylmaskin och kyllager" för kylsystem V. ... 43
Figur 37 – Föreslagen dimensionering för ackumuleringstank på 312 m3. ... 44
Figur 38 – Kylsystemens uppskattade eleffekttoppar per månad. ... 45
Figur 39 - Kylsystemens uppskattade eleffekttoppar under höglasttid. ... 46
Figur 40 - Föreslagen dimensionering för PCM kyllager i Nöten 3. ... 47
Figur 41 - Dimensioneringsförslag av PCM kyllager tank på 28 m3. ... 49
Tabellförteckning
Tabell 1 - Teknisk data för ett kylvattenlager. ... 10
Tabell 2 - Tekniska data för islager. ... 11
Tabell 3 - Teknisk data för PlusICE S8. ... 12
Tabell 4 - Teknisk data Rubitherm 8HC ... 12
Tabell 5 - Prislista Effektabonnemang - Högspänning N3 ... 14
Tabell 6 - Uppskattat genomsnittligt elhandelspris från Entelios. ... 14
Tabell 7 - Norrenergis prislista 2020 för fjärrkyla – Effektdel. ... 15
Tabell 8 - Norrenergis prislista 2020 för fjärrkyla - Energi och flöde. ... 15
Tabell 9 - Ingångsdata kylsystemmodell ... 18
Tabell 10 - Utgångsdata för varje timme i kylsystemmodellen. ... 19
Tabell 11 - Utgångsdata för årssimulering av kylsystemmodellen. ... 20
Tabell 12 - Gemensamma ekonomiska parametrar i livscykelkostnadsanalysen. ... 22
Tabell 13 - Växlingskurser använd i de ekonomiska beräkningarna (XE, 2020). ... 23
Tabell 14 - Kylanvändning i Nöten 3 under 2017-2019. ... 25
Tabell 15 - Genomsnittlig fjärrkylakostnad per kWh inkl. alla avgifter. ... 26
Tabell 16 - Uppskattat totalt kWh-pris för de olika kylsystemen. ... 26
Tabell 17 - Utgångsdata från simuleringen av ett kylsystem med kylmaskiner och fjärrkyla abonnemang. 29 Tabell 18 - Simulerade eleffekttoppar per månad samt under höglasttid för kylsystem med kylmaskiner och fjärrkyla abonnemang... 29
Tabell 19 - Utgångsdata från simuleringen av ett kylsystem med endast kylmaskiner. ... 30
Tabell 20 - Simulerade eleffekttoppar per månad samt under höglasttid för kylsystem med endast kylmaskiner. ... 30
Tabell 21 - Utgångsdata från simuleringen av ett kylsystem med kylmaskiner och PCM kyllager. ... 35
Tabell 22 - Simulerade eleffekttoppar per månad samt under höglasttid för kylsystem med kylmaskiner och PCM kyllager. ... 35
Tabell 23 - Utgångsdata från simuleringen av ett kylsystem med kylmaskiner och islager. ... 39
Tabell 24 - Simulerade eleffekttoppar per månad samt under höglasttid för kylsystem med kylmaskiner och islager. ... 39
Tabell 25 - Utgångsdata från simuleringen av ett kylsystem med kylmaskiner och ackumuleringstank. .... 43
Tabell 26 - Simulerade eleffekttoppar per månad samt under höglasttid för kylsystem med kylmaskiner och ackumuleringstank. ... 43
Tabell 27 - Jämförelse av kylsystemens utdata. ... 45
Tabell 28 - Livscykelkostnadsanalys vid olika kalkylperioder. ... 48
Tabell 29 - Utgångsdata från simuleringen dagens kylsystem i Nöten 3 med ett tillagt PCM kyllager. ... 48
Tabell 30 - Uppskattat kilowattimmepris för elektricitet för dagens kylsystem i Nöten 3 med ett tillagt PCM kyllager. ... 48
Tabell 31 - Storlek och ekonomisk jämförelse mellan dagens kylsystem i Nöten 3 (Kylsystem I) och dagens kylsystem i Nöten 3 med ett tillagt PCM kyllager. ... 49
Förkortningar
LCC Livscykelkostnadsanalys
PCM Phase change materials/ Fasförändrande material
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
De svenska energi- och klimatmålen säger bland annat att elproduktionen 2040 ska vara 100% förnybar (Energimyndigheten, 2019). Energimyndigheten har genomfört en studie för att undersöka hur denna omställning ska genomföras och förutspå hur framtidens elsystem kommer att se ut. Resultatet visar på att produktionen i elsystemet kommer bli allt mer fluktuerande, med fler mikroproducenter och en större geografisk spridning samtidigt som användarsidan förändras och blir allt mer flexibel i sin efterfrågan.
Utöver detta kommer även energilagring och gränsöverskridande elhandel blir allt viktigare för att kunna ha ett lika stabilt och säkert elsystem som idag (Energimyndigheten, 2018).
Det är inte bara klimatmålen som sätter press på en förändring i energisystemet, utav även det snabbt ökande eleffektbehovet. Delar av Sverige riskerar att drabbas utav kapacitetsbrist inom de kommande åren där tillgången till elektricitet inte klarar av att möta efterfrågan vid vissa tidpunkter. Detta då majoriteten av den svenska elproduktionen är placerad långt ifrån där de förbrukas. Det svenska stamnätet som huvudsakligen transporterar elektricitet från vattenkraften i norra Sverige samt från de två kärnkraftverk har inte expanderats i samma takt som efterfrågan vilket riskerar att skapa kapacitetsbrist i främst större städer. Även i de regionala och lokala elnäten i större städer förutspås kapacitetsbrist där efterfrågan i vissa stadsdelar inte kommer kunna mötas vid höga effektbehov. Att bygga ut elnätet är dyrt och tidskrävande vilket gör kontroll och styrning av elanvändningen hos konsumenterna i regionen till ett viktigt verktyg för att undvika höga effekttoppar som inte kan mötas av dagens infrastruktur (Bergström, 2020).
Bygg- och fastighetssektorn stod under 2017 för 32% av den slutliga energianvändningen i Sverige där uppvärmning av fastigheter utgjorde den huvudsakliga användningen. Uppvärmningsbehovet varierar med utomhustemperaturen mellan åren vilket påverkar den totala energianvändningen (Boverket, 2020). Sedan slutet på 90-talet har komfortkyla blivit allt viktigare i kommersiella fastigheter vilket ökat energianvändningen ytterligare, men som likt värmebehovet varierar med utomhustemperaturen. Kylan produceras antingen lokalt med hjälp utav kylmaskiner alternativt levereras regionalt via ett fjärrkylanät.
Framtida efterfrågan på fjärrkyla har undersökts och förväntas öka ytterligare, i och med en förväntad ökning utav laster samt utfasning av kylmaskiner (Devcco, 2019). De växande kraven på komfortkyla i kommersiella fastigheter tyder på att efterfrågan på kyla i allmänhet kommer att öka.
Vasakronan är Sveriges största fastighetsbolag med totalt 173 kontors- och butiksfastigheter i Stockholm, Göteborg, Malmö och Uppsala. Ett utav bolagets ambitioner är att ”Ta ett socialt ansvar och sträva efter en långsiktig hållbar utveckling” och har därmed satt upp långsiktiga ekonomiska, sociala och miljömässiga mål för sin verksamhet. Några av dessa mål säger bland annat att fastigheterna ska vara självförsörjande på energi, ha ett halverat effektbehov samt att Vasakronans verksamhet inom hela värdekedjan ska vara klimatneutral till 2030 (Vasakronan, 2020).
Nöten 3 är en kontorsfastighet ursprungligen från 1949, beläggen i Solna Strand. Fastigheten är uppdelad på två huskroppar på nästan 47 000 kvadratmeter uppvärmd area. Fastigheten har den nästa högsta miljömärkningen LEED Guld (Vasakronan, 2020) vilket är en samlad bedömning av bland annat fastighetens miljöpåverkan, inomhusklimat och närmiljö (Svensk byggtjänst, 2016).
Ökad efterfrågan på kyla kommer sätta större press på både fjärrkyla- och elnätet (Borglund, 2019) (Ising, 2019). Ett alternativ till att bygga ut infrastrukturen är att styra behovet. Ett sätt att göra detta är att lagra kyla under perioder då kylbehovet är lågt eller elektriciteten billig för att sedan utnyttja den då elpriset stiger eller kyleffektbehovet är högt.
1.2 Syfte och frågeställningar
Studiens syfte är att undersöka ifall det är ekonomiskt, socialt och miljömässigt hållbart att installera ett kyllager i fastigheten Nöten 3 för att sänka eleffektbehovet och därmed möjligen sänka driftkostnaderna.
2
Studien ämnar jämföra olika lagringsförslag för att sedan ta fram ett designförslag gällande lagringsmaterial, storlek, temperaturer, plats och drift för fastigheten. Följande frågeställningar har formulerats,
- Är det tekniskt möjligt att installera ett kyllager i fastigheten som är ekonomiskt lönsamt och miljömässigt hållbart utan att påverka inomhuskomforten?
- Vilken lagringsdesign är lämpligast utifrån fastighetens förutsättningar och behov?
- Hur kan fastighetens eleffektbehov reduceras samt styras och vilka ekonomiska besparingar innebär detta?
1.3 Disposition
Teoridelen presenterar grundläggande information gällande kylning av kommersiella fastigheter inkluderade olika tekniker. Slutligen presenteras grundläggande teori gällande termodynamik och energilagring, samt går in specifikt på de kyllagringsmaterial som kommer att undersökas och jämföras.
Följande presenterar metoden främst hur modellen är uppbyggd och hur den simulerar kylsystemets styrning. Även den ekonomiska analysen med tillhörande ekvationer presenteras.
Resultatet presenterar först fastighetens kylbehov, följt utav uppskattade kostnader och förslagen design och styrning av de olika kylsystemen som använts i simuleringarna och kostnadsjämförelsen. Fortsatt presenteras simuleringsresultaten för de olika kylsystemen vilka sedan jämförs. Det förslagna kylsystemet beskrivs sedan närmre med två olika designförslag.
Diskussionen belyser främst studiens osäkerheter, men även vilka fler parametrar som ett kylsystem med kyllager kan dimensioneras och styras utifrån för ytterligare komplexitet.
3
2 Teori
2.1 Fastigheter
Nedan följer generell information om energianvändningen inom Vasakronans fastighetsbestånd samt specifik information om den undersökta fastigheten Nöten 3. Även generell teori om fastigheters olika kylsystem.
2.1.1 Energianvändning i fastigheter
Den köpta energin hos fastigheterna inom Vasakronans bestånd utgörs av fjärrvärme, fjärrkyla samt elektricitet där fördelningen presenteras i Figur 1. Fördelningen skiljer sig dock mycket mellan de olika fastigheterna beroende på till exempel energiprestanda, verksamhet och kyl- och värmesystem. Fastigheter som inte är anslutna till fjärrkyla rapporterar ingen energianvändning för kyla då den produceras av kylmaskiner drivna av elektricitet (Vasakronan, 2020).
Figur 1 - Fördelning köpta energislag till Vasakronans fastigheter
2.1.2 Nöten 3
Nöten 3 hade en total energianvändning på 4 300 MWh under 2019 vilket motsvarar 93 kWh per kvadratmeter. Fastigheten värms och kyls just nu med fjärrvärme och –kyla från Norrenergi och elektriciteten levereras av Vattenfall. Under 2019 anlades en geoenergianläggning med 35 borrhål för säsongslagring av värme och kyla. Detta förväntas tillsammans med en värmepump minska fastighetens värme- och kylbehov med totalt 4 400 MWh per år (Kisch, 2018). Det nya kylsystemet förväntas vara igång under slutet av 2020. Mer specifik data över fastighetens kylanvändning presenteras i resultatet.
2.1.3 Kylning av kommersiella fastigheter
Det finns olika tekniker för att kyla kommersiella fastigheter varav vissa går att kombinera för en mer effektiv kylning.
Passiv lågenergi-kylning är ett passivt kylsystem som istället för att transportera bort värme från byggnaden fokuserar på att stoppa värme innan den kommer in. Inom detta område finns byggnadstekniska aspekter som hög termisk tröghet, proportionerlig andel fönster, solskydd i olika former etc. (Kalz & Pfafferott, 2014) (Alberg Østergaard & Oropeza-Perez, 2018).
Aktiv lågenergi-kylning utnyttjar lågvärdig energi för att transportera bort värme. Exempel på kyltekniker är restkyla och geotermisk energi där kylan ur berggrund, grundvatten eller luft utnyttjas. En viss mängd elektricitet används inom dessa kylsystem för att driva pumpar och fläktar (Kalz & Pfafferott, 2014).
Värme 57%
Kyla 13%
Elektricitet 30%
Fördelning mellan köpta energislag till
Vasakronans fastigheter
4
Mekaniska kylsystem består av kylmaskiner med köldmedium som flyttar värme genom en förångningsprocess där stora tryckförändringar förändrar köldmediets temperatur. Detta gör det därmed möjligt att förflytta värmeenergi från köldbäraren på förångarsidan till värmebäraren på kondensorsidan.
Processen drivs av en kompressor som går på elektricitet (Kalz & Pfafferott, 2014) (Alberg Østergaard &
Oropeza-Perez, 2018). Processen beskrivs ytterligare under avsnitt 0 Kylmaskiner.
Det finns flera tekniker för värmedrivna kylsystem där värmeenergi utnyttjas för att driva kylsystemet.
Absorptionsystem transporterar likt en kylmaskin bort värmeenergi genom en förångningsprocess, men processen drivs utav värme från till exempel en förbränningsprocess, spillvärme eller solvärme.
Adsorptionsprocessen använder sig utav hygroskopiskt poröst salt som under processen adsorberar vätska ifrån förångaren vilket kyler den och i sin tur även den externa köldbäraren. Denna kylprocess sker tills saltet blivit mättat och en reverserad process där värme används för att förånga den adsorberade vätskan krävs för att processen ska kunna ske igen, vilket till skillnad från de övriga processerna gör den cyklisk. En sista teknisk lösning för att producera kyla med värmeenergi är sorptiv kyla som utnyttjar att lufttemperaturen sjunker när vatten tillförs. En flerstegsprocess där till- och frånluften torkas, värms och fuktas skapar kall tilluft med rätt luftfuktighet (Eliasson, 2017).
Fjärrkyla framställer kyla centralt och levererar det via kallt vatten till kunder genom ett lokalt nätverk av rör. Vilken kylteknik som används bestäms utifrån lokala förutsättningar och flera tekniker kan samverka för att möta efterfrågan. Den centraliserade kylframställningen möjliggör ökad effektivitet samt bättre förutsättningar att styra produktionen bättre genom lagring för att minska effekttopparna (Kalz & Pfafferott, 2014) (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2013).
2.1.4 Kylsystemet i fastigheten Nöten 3
För tillfället kyls fastigheten med fjärrkyla levererad från Norrenergi. Två värmeväxlare på 750 kW vardera överför kylan till det interna systemet som täcker båda huskropparnas kylbehov. Kyla levereras till lokalerna via aktiva kylbafflar och kylbatterier i tilluftsaggregat (Andersson, 2020). Då dessa kräver olika temperaturer är kylsystemet uppdelat i två där det ena förser kylbafflarna med 14°C och 17°C kyla medan det andra systemet förser kylbatterierna med 8°C till 10°C. Vilken temperatur som levereras beror på daggpunkten i uteluften (Kisch, 2018) vilken är den temperatur då luften får en 100% relativ luftfuktighet (Energihjulet, 2004). För att få ett behagligt inomhusklimat bör den relativa luftfuktigheten varken vara för hög eller låg utan ligga mellan 30-70% (intab, 2020). Luftbehandlingsaggregaten är dimensionerade för att kunna hålla temperaturen i lokalerna mellan 20-25°C för uteklimat från -25°C och 90% relativ luftfuktighet under vintern till +30°C med en relativ luftfuktighet på 50% under sommaren (Kisch, 2018).
Ett borrhålslager för säsongslagring av värme och kyla har nyligen byggts i anslutning till fastigheten. En vatten- och spritblandning används som energibärare för att undvika frysning vid kyllagring. Två kylmaskiner kommer under 2020 att installeras för att tillsammans med borrhålslagret täcka delar av fastighetens behov av värme och komfort kyla. De beställda kylmaskinerna, av typen DLE 450 med köldmediet koldioxid, R744, har fyra kompressorer och en nominell kyleffekt på 345 kW vardera. Varvtalen på två av de fyra kompressorerna kan steglöst varieras så att kylmaskinerna kan arbeta på dellast när kylbehovet är lågt. Kylmaskinerna jobbar mellan temperaturerna 8°C för utgående och 17°C i retur för köldbäraren. Detta ger kylmaskinerna ett COP för kyla på runt 3 (Larsson, 2019) (Andersson, 2020). Värme och kyllagringen minskar skillnaderna i arbetstemperaturer vilket förbättrar kylmaskinernas prestanda och ger energibesparingar. Inkopplingen av fjärrkyla kommer att behållas för att täcka effekttopparna (Andersson, 2020).
Kylbaslasten utgörs främst utav lokaler i fastigheten med specifika kylbehov, konferensrum samt feljusteringar där delar av fastigheten värms och kyls samtidigt. Baslasten skulle därmed eventuellt kunna sjunka något ifall en utredning av driften genomfördes. Även installation av tidskanaler som varierar kylsystemets börvärde över dygnet skulle kunna sänka baslasten (Andersson, 2020).
5
2.2 Kylmaskiner
Då Nöten 3 kommer att installera kylmaskiner för att kyla fastigheten kommer denna process beskrivas ytterligare.
Värmepumpar och kylmaskiner är en och samma maskin där olika sidor av ångkompressionscykeln utnyttjas. Cykeln kan anpassas för att antingen leverera värme, kyla alternativt både och.
En ångkompressionscykel består av en kompressor, kondensor, expansionsventil och förångare samt ett lämpligt köldmedium utifrån förutsättningar och behov. En enkel ångkompressionscykel jobbar mellan två tryck och temperaturer. Förångat köldmedium går in i kompressorn vilken ökar trycket och höjer mediets temperatur. Det varma köldmediet passerar sedan kondensor, vilket är en värmeväxlare mot den sidan där uppvärmning kommer ske. Köldmediet kyls av och återgår från gas till flytande, samtidigt som den externa värmebäraren ökat i temperatur. Köldmediet passerar sedan en expansionsventil vilken sänker trycket och därmed mediets temperatur. Köldmediet passerar sedan genom en förångare, vilket är en värmeväxlare mot sidan där kylning sker. Köldmediet som nu har en lägre temperatur än den externa köldbäraren kommer att ta upp värme tills mediet återigen är förångat. Värmeenergi kan på så sätt förflyttas från ett kallare medium till ett varmare och både uppvärmning och kylning kan ske i samma process (Karlsson, 2014). En schematisk bild över processen visas i Figur 2.
Figur 2 - Schematisk översikt av ångkompressionscykeln i en värmepump/kylmaskin.
Kylmaskiner kan köras på olika driftförhållanden beroende på hur stort kylbehovet för tillfället är, där kompressorns arbete påverkas för att reglera effekten. Beroende på vilken typ av kompressor kylmaskinen har används olika metoder. En metod är att starta och stoppa kompressorn i sekvenser för att reglera den totala kyleffekten vilket främst lämpar sig för appliceringar där lagringskapaciteten på den kalla sidan är god, så som kylskåp. Denna metod kan förbättra kylmaskinens prestanda då kompressorns verkningsgrad bibehålls samtidigt som värmeväxlarna blir överdimensionerade vilket ökar värmeöverföringen. Dock bör antalet start och stopp begränsas för att bibehålla stabilitet och undvika slitage. I andra fall kan kompressorns varvtal regleras, vilket dock kan leda till läckage av köldmedium och därmed försämrad verkningsgrad (Drivteknik, 2020) (Larsson, 2019).
6
2.2.1 Kylmaskiners prestanda
Fördelen med ångkompressorcykeln är det endast är kompressorn samt eventuella cirkulationspumpar som kräver mekaniskt arbete, vilka vanligtvis drivs utav elektricitet. Hur mycket värme eller kyla som kan produceras beror sedan på temperaturerna på värmekällan och -sänkan (Karlsson, 2014).
En kylmaskins prestanda beskrivs utav Coefficient of Performance, förkortat COP2 för kyla och beräknas enligt ekvation 1 och anger förhållandet mellan den kylan en cykel leverera och den tillförda energin kompressorn kräver. Ett högre COP2 visar därmed på en energieffektivare kylning.
𝐶𝑂𝑃2= 𝑄𝐿
𝑊𝑖𝑛 (1) 𝑄𝐿= 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑒𝑟𝑎𝑑 𝑘𝑦𝑙𝑎 [W]
𝑊𝐼𝑛= 𝑇𝑖𝑙𝑙𝑓ö𝑟𝑑 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 [W]
Carnots kylcykel motsvarar den ideala kylprocessen och har därmed den teoretiskt högsta verkningsgraden, COP2C och beräknas enligt ekvation 2.
𝐶𝑂𝑃2𝐶 = 𝑇𝑇2
1−𝑇2 (2)
𝑇1= 𝐾𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 (𝐻ö𝑔𝑟𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟)[𝐾]
𝑇2= 𝐹ö𝑟å𝑛𝑔𝑎𝑟𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 (𝐿ä𝑔𝑟𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟)[𝐾]
Vid verkliga förhållandet påverkar verkningsgraderna för kompressorn, elmotorn samt kraftöverföringen prestandan och ger ett lägre verkligt COP2 (Bohdanowicz, Havtun, & Claesson, 2018)(de Kleijn, 2020).
Mindre temperaturskillnader mellan kondensorn och förångaren förbättrar därmed COP2 för en kylmaskin.
Värme levererad till värmebäraren behöver därmed transporteras bort för att inte försämra kylmaskinens prestanda, och vid behov av både värme och kyla bör temperaturskillnaden mellan de efterfrågade temperaturerna inte vara för stor.
Vilka temperaturer som önskas ut ifrån kylmaskinen påverkar också verkningsgraden. En sänkning av framledningstemperaturen på köldbäraren påverkar cykelns temperaturer och försämrar därmed verkningsgraden med upp till 4% per grads temperatursänkning. Även för små temperaturförändringar mellan framlednings- och returtemperaturer på den externa köldbäraren kan påverka kylmaskinens verkningsgrad väsentligt (IMI Hydronic Engineering, 2020).
2.2.2 Borrhålslager
Borrhålslager utnyttjar berggrunden för att säsongslagra värme och/eller kyla då temperaturvariationen på 10 till 20 meters djup i princip är konstant över säsongerna. Borrhål med individuella kollektorslangar placeras tätt. Borrhållagrets design, djup och storlek beror på energibehov, lokala förutsättningar samt bergets geologiska och termiska egenskaper. Lagret är inte isolerat nedåt eller åt sidorna vilket gör det fördelaktigt att maximera volymen i relation till lagringsytan för att minimera värmeförlusterna. Cirkulära, kvadratiska och hexagonformade placeringar av borrhålen är därmed vanligast (Reuss, 2015).
Den vanligaste applikationen för borrhålslager är kombinerad värme och kyllagring. Lågtempererad värme används för värmekälla till värmepumpar under uppvärmningssäsongen. Den producerade kylan lagras i berget fram till kylsäsongen där den till en början kan användas för direkt kylning. När temperaturen i kyllagret ökat så att direktkylning inte längre täcker kylbehovet, kan kyla istället användas indirekt tillsammans med kylmaskiner för att mer effektivt leverera kyla, vilket i sin tur producerar värme som lagras till nästkommande uppvärmningssäsong (Reuss, 2015).
7
2.3 Dimensionering och drift av kylsystem i kommersiella fastigheters
När ett kylsystem dimensioneras för en fastighet behöver behovet och dess variationer över dagen och året undersökas. En fastighets baslast är det effektbehovet som behövs under större delen utav året (Nationalencyklopedin, 2020). Fastighetens förbrukningstoppar under timmar då kylbehovet är som störst kallas topplast (Nationalencyklopedin, 2020).
Kylsystemets börvärden är den temperatur, tryck och flöde som systemet strävar efter att leverera medan ärvärde är de faktiska värdena som levereras (Bjurström, n.d).
Börvärden i ett kylsystem för komfortkyla ligger mellan 8-10°C på köldbäraren som transporterar kyla från kylmaskinens köldmedium till luften i ventilationsaggregaten och vattnet i kylbaffelsystemet. Den kalla temperaturen i kylmaskinens köldmedium behöver därmed vara några grader lägre för att kunna kyla köldbäraren.
Börvärdet för tilluften i ventilationen ligger runt 19-20°C medan börvärdet för kylbaffelsystemet ligger på 19°C.
Fastigheters kylsystem dimensioneras utifrån det förväntade kyleffektbehovet. Detta beror dels på fastighetens byggnadstekniska aspekter samt aktivitet i lokalerna. Pågår mycket värmealstrande aktivitet alternativt värmekänslig aktivitet ökar kyleffektbehovet. Många fastigheter har idag hyresavtal som tillåter viss variation på inomhustemperaturen vilket minskar kyleffektbehovet (Holm, 2015).
2.4 Termodynamik 2.4.1 Värmeöverföring
Temperaturskillnader mellan två kroppar skapar värmeöverföring för att jämna ut dessa skillnader i temperatur. Detta kan dels ske genom ledning där partiklar i fasta, flytande eller gasformiga medier stävar efter jämvikt och partiklar med högre temperatur överför energi till övriga partiklar vilket utjämnar temperaturen och skapar en värmeöverföring. Konvektion är den värmeöverföringen som sker när en vätska eller gas flödar över ett fast medium. Storleken på värmeöverföringen kan påverkas genom att variera flödeshastigheten. Strålning är en typ av värmeöverföring utan något medium. Värmeenergi överförs via elektromagnetisk strålning från varmare till kallare ytor. (Jernkontoret, 2020)
Gemensamt för de olika typerna av värmeöverföring är att de alla drivs utav temperaturskillnader i mediet eller mellan kroppar och ytor. Temperaturerna i den termiska lagringen behöver därmed anpassas utefter produktion och behov för att kunna utnyttjas.
2.5 Termisk energilagring
Syftet med att lagra termisk energi är att kunna förskjuta produktion av termisk energi ifrån utnyttjandet.
Detta dels för att bättre kunna utnyttja intermittenta energikällor men även för att kunna sänka eller förskjuta effektbehovet av till exempel elektricitet. Lagringen kan ske med olika metoder beroende på de givna förutsättningarna så som temperatur, storlek och lagringstid (Dincer, 2004). Exempel på hur kylproduktionen förskjuts under dagen visas i Figur 3.
8
Figur 3 - Förskjutningen av kylmaskinens produktion över dagen med ett kyllager (Christenson, 2013).
Förändringen av mängden lagrad värmeenergi i ett medium beräknas som 𝑞 = 𝐶𝑃∙ 𝑚 ∙ ∆𝑇 där q är lagrad värmemängd i Joule (J), Cp ämnets specifika värmekapacitet i Joule per kilogram och kelvin (J/kg*K), m mediets massa i kilogram (kg) samt ΔT som är temperaturförändringen i Kelvin (K) (Ehinger, 2020). För att beräkna den förändrade värmeenergin i en volym används formeln 𝑞 = 𝐶𝑃∙ 𝜌 ∙ 𝑉 ∙ ∆T där ρ är ämnets densitet i kg/m3, och V mediets volym i m3 (Ehrensvärdska gymnasiet, 2014). Vattens specifika värmekapacitet är bestämd till 4,19 kJ/kg*K och densitet till 1 000 kg/m3 (Ehrensvärdska gymnasiet, 2014).
2.5.1 Sensibel värmelagring
Sensibel värmelagring lagrar termisk energi genom att höja temperaturen i mediet utan att det genomgår en fasomvandling. Sökta egenskaper i medium för sensibel lagring är hög specifik värmekapacitet, definierat som den mängd energi som behöver tillföras till ett kilogram av mediet för att höja temperaturen en kelvin.
Ett stort temperaturintervall mellan fasomvandlingstemperaturerna ger en högre energilagring per massenhet, men främst behöver temperaturintervallet överensstämma med den termiska produktionen och behovet. Även mediets värmeledningsförmåga är en viktig aspekt så att en tillräcklig värmeeffekt kan uppnås. (Dincer, 2004)
2.5.2 Latent värmelagring
Latent värmelagring lagrar termisk energi i medium som genomgår en fasomvandling och den specifika fasförändringsentalpin, definierat som mängd energi för att fasomvandla ett kilogram av mediet, utnyttjas.
Då denna för det mesta är större än mediets specifika värmekapacitet kan mer energi lagras per massenhet.
Lagringsmediet för latent lagring bör likt sensibel lagring ha en hög fasövergångsentalpi per massenhet, lämplig fasövergångstemperatur samt bra värmeledningsförmåga. Latent värmelagring ställer utöver det även fler krav på lagringsmediet så som helt reversibel fasövergång samt liten volymförändring mellan faserna. På grund av detta är en fasövergång mellan fast och flytande form vanligast då övergången till gasform resulterar i stora volymförändringar (Dincer, 2004).
9
2.5.3 Kemisk värmelagring
Vid kemisk värmelagring upptas värmeenergi vid en kemisk reaktion och lagras i produkten. När reaktionen sedan reverseras avges den lagrade värmen (Jernkontoret, 2020). Denna studie kommer inte att undersöka kemisk värmelagring och därav inte gå djupare in på detta område.
2.5.4 Kall termisk energilagring
De olika värmelagringsmetoderna kan på samma sätt användas för att lagra kyla genom att välja ett lagringsmedium anpassat för temperaturer under den efterfrågade temperaturen. Genom att under lågbelastade timmar kyla mediet och där med sänka mediets energiinnehåll och temperatur, kan kylan vid behov utnyttjas genom att mediet tar upp energi. Kall termisk lagring är främst en effektbesparande teknik då lagringen jämnar ut energianvändningen och sänker toppeffekterna. Viss energibesparing kan uppnås då installerade kylmaskiner kan jobba på en jämnare och effektivare nivå (Kosi, o.a., 2015).
2.6 Lagringsmedium
En mängd olika medium kan användas för att lagra värme och kyla. Nedan följer exempel på de vanligaste medierna använda inom kyllagring.
2.6.1 Vatten
Vatten är det vanligaste lagringsmediet för lagring av både värme och kyla när behovstemperaturen ligger mellan 0°C och 100°C. Detta då vatten i flytande form har bra fysikaliska och kemiska egenskaper samtidigt som det är billigt. Exempel på dessa egenskaper är dels en hög specifik värmekapacitet då det krävs relativt mycket energi att höja temperaturen en grad samt ett stort temperaturintervall då det existerar i flytande form som är väl anpassat för många lagringsbehov. Vatten är även som ämne ogiftigt och reagerar inte kemiskt med de vanligaste materialen som idag används. Ett kylsystem med kyllager där vatten används som både köldbärare och lagringsmedium behöver inga värmeväxlare och temperaturen är densamma vid lagring som användning. Då det är sensibel värmelagring krävs större volymer än vid latent värmelagring. För att uppnå så mycket stagnation, uppdelning mellan varmt och kallt vatten, som möjligt är en stor hög tank med förhållandet 3 mellan höjd och diameter fördelaktigt vilket kan skapa problem med plats (Kosi, o.a., 2015) (Christenson, 2013) (Hake, 2014). Exempel på hur ett kylsystem med vattentank kan vara uppbyggt presenteras i Figur 4 (Cypess LTD, 2020). Kylvattenlagrets tekniska data presenteras i Tabell 1 (Cypess LTD, 2020) (Ehrensvärdska gymnasiet, 2014) (Hake, 2014).
Figur 4- Vattenkyllager tillsammans med kylmaskin. Lagring av kyla till vänster, uttag av kyla till höger (Cypess LTD, 2020).
10
Tabell 1 - Teknisk data för ett kylvattenlager.
Vatten (4°C)
Densitet 1 000 Kg/m3
Specifik värmekapacitet 4,19 (11,64*10-4) kJ/kg∙K (kW/kg∙K)
Kyleffekt 1 000 W/kWh lagrad
Uppskattad initial kostnad 183 Kr/kWh
2.6.2 Is
Kyllagring med is är ett vanligt medium i latent kyllagring då det är billigt, ofarligt och har en hög fasförändringsentalpi. Det finns flera olika tekniska lösningar för produktion och lagring av is beroende på applikation och behov (Kosi, o.a., 2015). Två vanliga islagringslösningar för fastigheter och annan verksamhet som kräver kyla är system med extern smält alternativt intern smältning. System med extern smältning levererar konstant kylvatten på 1 till 2°C och tillämpas främst i mejerier, bryggerier och övrig livsmedelsverksamhet (Baltimore Aircoil Company, 2019). För kyllagring till ventilationstillämpning då något högre temperaturer efterfrågas används istället islagringssystem med intern smältning (Baltimore Aircoil Company, 2019). Då kylmaskinen behöver jobba på temperaturer under fryspunkten för att kunna producera is minskar maskinens effektivitet i jämförelse med arbetstemperaturer på mellan 5-7°C. De lägre temperaturerna på kylvattnet minskar dock flödet i kylsystemet och därmed pumparnas effektbehov (Kosi, o.a., 2015). Exempel på hur ett kylsystem med islager kan vara uppbyggt presenteras i Figur 5 (Wu, Feng, &
Tsai, 2015). Livslängden för en islagringscontainer uppskattas till 30 år (CALMAC, 2020). Tekniska data för ett islager presenteras
11
Tabell 2 (Ehrensvärdska gymnasiet, 2014) (Dorsander, 2020) (Baltimore Aircoil Company, 2019) (Lindberg, 2020).
Figur 5 - Exempel på kylsystem med islager (Wu, Feng, & Tsai, 2015).
12
Tabell 2 - Tekniska data för islager.
Is (-4°C)
Fasförändringstemperatur 0 °C
Densitet 920 Kg/m3
Latent värmekapacitet 334 (0,093) kJ/kg (kW/kg) Specifik värmekapacitet 2,2 (6,1*10-4) kJ/kg∙K (kW/kg∙K)
Kyleffekt 200 W/kWh lagrad
Uppskattad initial kostnad 1 457 Kr/kWh
2.6.3 Fasändringsmaterial, PCM
Latent lagringsystem vid andra temperaturer kan konstrueras med fasförändrande material, PCM (Phase Change Materials). Dessa medium har olika sammansättning beroende på applicering och temperaturer, där ett exempel för kyllagring är eutektiska salter. Då fasförändringstemperaturen för lagringsmediet kan varieras för att passa kylmaskinerna kan kylmaskinerna köras effektivare vilket sparar energi. Exempel på hur ett kylsystem med PCM kyllager kan vara uppbyggt presenteras i Figur 6 (Christenson, 2013). I 0 och 2.6.3.2 presenteras två olika PCM.
Figur 6 - Exempel på kylsystem med PCM kyllager (Christenson, 2013).
2.6.3.1 PlusICE hydrated salt S8
En PCM produkt framtaget av det brittiska företaget PCM Products. Materialet är vattenbaserat med tillsatta salt vilka höjer fasförändringstemperaturen. PlusICE S8 är framtaget för större applikationer så som fastighetskyla då hydratiserat salt har en lägre kostnad jämfört med t.ex. organiska PCM samt en fasförändringstemperatur anpassat för ventilationssystem på 8°C (Dicken, 2020). Den vanligaste
13
installationslösningen av Plus ICE S8 är FlatICE design där PCMet är förpackat i platta rektangulära plastförpackningar som staplas på varandra i tankar, exempel visas i Figur 7. Kylvatten flödar sedan runt och mellan PCM förpackningarna för att hämta alt leverera kyla. PCM products största tank är på 100m3 och flera tankar kan kombineras vid behov (PCM products, 2011). Vid en temperaturskillnad på 5K mellan PCMet och kylvattnet kan en kyleffekt på 250 W per lagrad kWh uppnås. Materialets livslängd är fastställd till över 25 år. (Dicken, 2020). Materialets tekniska data presenteras i Tabell 3 (PCM products, 2020).
Figur 7 - Exempel på PCMproducts FlatICE behållare staplade på varandra.
Tabell 3 - Teknisk data för PlusICE S8.
PlusICE hydrated salt S8
Fasförändringstemperatur 8 °C
Densitet 1 475 Kg/m3
Latent värmekapacitet 130 (0,036) kJ/kg (kW/kg) Specifik värmekapacitet 1,9 (5,3*10-4) kJ/kg∙K (kW/kg∙K)
Kyleffekt 250 W/kWh lagrad
Värmeledningsförmåga 0,44 W/m∙K
Uppskattad initial kostnad 713 Kr/kWh
2.6.3.2 Rubitherm 8HC
En PCM produkt från det tysklandsbaserade företaget RubiTherm. PCMet består av organiska material vilket innebär att materialet har varierande entalpiförändring och värmekapacitet vid olika temperaturer samt smält och frysprocesser. Rubitherm 8HC har en huvudsaklig fasförändringstemperatur på 8°C med en variation på 2°C. PCM materialet är antingen förpackat i plastkapslar placerat i en tank som kylvattnet flödar runt, alternativt direkt placerat i en tank där kylvattnet flödar igenom via små rör. Vid en temperaturskillnad på 5K laddas kyllagret ur på 4 timmar vilket ger en möjlig kyleffekt på 250 W per lagrad kWh. Materialet klarar över 10 000 upp- och urladdningscykler vilket motsvarar över 30 års livslängd vid dygnscykler (Pawelz, 2020). Materialets övriga tekniska data presenteras i
Tabell 4 (Rubitherm, 2020).
RT8HC är ett petroleumbaserat paraffin vilket gör PCM materialet mycket dyrare än ett oorganiskt för ungefär samma värmekapacitet. Användning av PCM material i ett stort kyllager kan därmed inte genomföras och materialet kommer inte att undersökas närmare.
Tabell 4 - Teknisk data Rubitherm 8HC
14 Rubitherm 8HC organiskt PCM
Fasförändringstemperatur 8 °C
Densitet [Fast(-15°C)/Flytande
(+15°C) 880/770 Kg/m3
Latent värmekapacitet
(Frysning 6-8°C) 126 (0,035) kJ/kg (kW/kg) Specifik värmekapacitet Mellan 2 – 11
(0,56 – 3,1*10-3) kJ/kg∙K (kW/kg∙K)
Kyleffekt 250 W/kWh lagrad
Värmeledningsförmåga 0,2 W/m∙K
Uppskattad initial kostnad 2 100 – 4 200 Kr/kWh
2.7 Lagringsstrategier
Design och styrning av kyllagret kan utvecklas olika beroende på systemets behov och förutsättningar, nedan följer två olika strategier.
2.7.1 Fulltäckande kyllager
Ett fulltäckande kyllager är dimensionerat för att helt kunna möta kylbehovet under en dag för att totalt förskjuta effektbehovet från dagen till natten. Detta kräver större dimensionering på lager och kylmaskin vilket innebär högre investeringskostnader. Denna typ av lagring implementeras oftast vid till exempel tillbyggnader där det redan finns en kylmaskin som genom att producera och lagra kyla under natten kan förse även den nya delen med kyla (Christenson, 2013) (Kosi, o.a., 2015).
2.7.2 Deltäckande kyllager
Deltäckande kyllager är dimensionerat för att tillsammans med kylmaskinen täcka toppeffekterna under dagen. På så sätt kan kylmaskinen dimensioneras för att täcka en 24 timmars kylbehov istället för toppeffekterna och lagret dimensioneras så att den totala kyleffekten i systemet täcker toppbehoven. Detta minskar storleken på lager i jämförelse med fulltäckande kyllager och kylmaskin i jämförelse med fulltäckande kyllager och kylsystem utan lagring (Christenson, 2013) (Kosi, o.a., 2015).
Dimensioneringen och styrningen av deltäckande kyllager kan variera där till exempel högre energikostnader under timmar med hög efterfrågan kan göra det lönsamt att variera kylmaskinen arbete efter detta och under dessa timmar ta mer effekt från kyllagret (Christenson, 2013).
2.7.3 Kyleffekt
För att få bra överföring av kylan från köldbärare till lager och vise versa bör en temperaturskillnad på minst 5 K hållas mellan inkommande köldbärare och lagret. Detta påverkar främst tilloppstemperaturen som behöver sänkas när kyla ska lagras istället för att gå direkt till fastigheten (Dicken, 2020). Detta gäller inte vid kyllagring i vatten då ingen värmeöverföring sker i lagret utan kylt vatten lagras direkt i tanken (Cypess LTD, 2020).
2.8 Prissättning av energi
Elektricitet och fjärrkyla är de energislag som Nöten 3 köper. Energiproducenterna och leverantörerna har ofta monopol i ett område då det krävs mycket fast infrastruktur som både gör det svårt för flera aktörer att vara verksamma i samma område samt inte samhällsekonomiskt hållbart (Ellevio, 2020).
Energimarknadsinspektionen arbetar på uppdrag av regeringen för att övervaka energimarknader och leverantörer samt för att stärka kundernas ställning (Energimarknadsinspektionen, 2020).
Kostnaden för elektricitet innefattar en del för levererad elektricitet samt en nätavgift för transporten av elektriciteten. Det går att välja elbolag elektriciteten ska köpas ifrån, medan elnätsföretaget har lokalt monopol (Konsumenteras energimarknadsbyrå, 2019). Nöten 3 som är placerad i Solna har Vattenfall som elnätsleverantör och Entelios som elleverantör.
15
Energibolaget som levererar fjärrvärme och fjärrkyla har lokalt monopol. I Solna levererar Norrenergi fjärrvärme och –kyla (Norrenergi, 2018).
2.8.1 Elnätskostnader – Vattenfall
Vattenfalls nättariff innefattar en fast månadsavgift, en rörlig månadsavgift utifrån toppeffekt och leveranstider samt en överföringsavgift utifrån totala leveransen samt leveranstider. Leverans under höglasttid, vilket definieras som vardagar mellan 06 och 22 mellan november och mars. Vissa undantag, så som helgdagar, betraktas inte som vardag och därmed ingen höglasttid.
Utifrån fastighetens behov finns olika abonnemangsalternativ (Vattenfall, 2020). Nöten 3 har effektabonnemanget, Högspänning N3. Prislistan exklusive moms presenteras i Tabell 5.
Tabell 5 - Prislista Effektabonnemang - Högspänning N3
Prislista Elnäts – Högspänning N3 Vattenfall
Fast avgift 2 600 Kr/månad
Månadseffektavgift 30 Kr/kW, månad Högbelastningsavgift* 61 Kr/kW, månad Överföringsavgift –
Höglasttid* 21 Öre/kWh
Överföringsavgift – Övrig tid 7,3 Öre/kWh
*Höglasttid: Vardagar kl. 06-22, november – mars, vissa dagar, t.ex. helgdagar betraktas inte som vardag.
2.8.2 Elhandelskostnad – Entelios
Elhandelsavtal kan tecknas med valfri leverantör vilket för Nöten 3 är Entelios.
Elhandelskostnaden inkluderar utöver elpriset en mängd skatter och avgifter. Börspriset för elektricitet styrs av tillgång och efterfrågan vilket dels påverkas av konsumenternas användningsmönster men också mycket utav yttre faktorer som till exempel vädret (Fortum, 2020). Då kostnaden för elhandel varierar så pass mycket av tillgången som påverkas utav yttre faktorer saknas det tydliga kostnadsmönster, och en fast kostnad för energidelen har därmed antagits utifrån tidigare elhandelsfakturor och presenteras i Tabell 6.
Tabell 6 - Uppskattat genomsnittligt elhandelspris från Entelios.
Elhandel - Entelios
Elhandel 0,4 Kr/kWh
2.8.3 Fjärrkylakostnader – Norrenergi
Fjärrkyla levererad av Norrenergi prissätts utifrån de tre parametrarna, abonnerad effekt, uttagen kylenergi samt toppflöde. Samtliga priser är exklusive moms.
Den abonnerade effekten motsvarar fastighetens förväntade maximala kyleffektbehov och avtalas mellan kunden och Norrenergi. För denna betalas en årlig effektavgift utifrån storlek och prislistan för effektdelen 2020 presenteras i Tabell 7 (Norrenergi, 2020).
16
Tabell 7 - Norrenergis prislista 2020 för fjärrkyla – Effektdel.
Prislista, Effektdel - Fjärrkyla Norrenergi
Abonnerad effekt [kW] Effektpris per år [kr/kW, år]
1 - 100 850
101 - 200 500
201 - 350 400
351 - 550 350
551 - 800 310
801 - 1200 290
1201 - 2000 275
2001 - 4000 270
Uttagen kylenergi debiteras mellan maj och september och beräknas utifrån vattens fysikaliska egenskaper, vattenflödet och temperaturskillnaden mellan inkommande och utgående kylvatten enligt ekvation 3.
Nämnaren på 3600 är en enhetsomvandlare från joule till kilowattimmar.
𝐾𝑦𝑙𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 [𝑘𝑊ℎ] =𝑐𝑉𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛∗𝜌𝑉𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛∗𝐹𝑙ö𝑑𝑒 ∗ ∆𝑇
3 600 (3)
𝑐𝑉𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛= 𝑉𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛𝑠 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑘𝑎 𝑣ä𝑟𝑚𝑒𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡, 4,19 [𝐽 𝑘𝑔 ∙ 𝐾⁄ ] 𝜌𝑉𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 = 𝑉𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛𝑠 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡, 1000 [𝑘𝑔
𝑚3
⁄ ] 𝐹𝑙ö𝑑𝑒 = 𝐾𝑦𝑙𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛𝑓𝑙ö𝑑𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑜𝑚 𝑚ä𝑡𝑡𝑎𝑟𝑒 [𝑚3⁄ ] ℎ
∆𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠 𝑚𝑒𝑙𝑙𝑎𝑛 𝑖𝑛 − 𝑜𝑐ℎ 𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟𝑓𝑙ö𝑑𝑒 [𝐾]
Under juni, juli och augusti tillkommer en avgift för respektive månads flödestopp. Flödestoppen är ett medelvärde av de 3 högsta timflödena från 3 olika dygn under respektive månad.
Utnyttjas kyla under perioden oktober till april erhålls ett negativt energipris (Norrenergi, 2020).
Prislistan för år 2020 presenteras i Tabell 8.
Tabell 8 - Norrenergis prislista 2020 för fjärrkyla - Energi och flöde.
Prislista, Komfortkyla - Fjärrkyla Norrenergi
Prisdel Pris
Energi 250 kr/MWh
Flöde (juni, juli och aug.) 660 kr/m3,h
2.9 Exempel på kyllagring
Det finns idag vissa fastigheter som lagrar kyla med olika kyllagringsmetoder men det tillhör ännu inte vanligheten i Sverige.
2.9.1 Stockholm Waterfront building
Stockholm Waterfront är ett kvarter belägget bredvid Stockholms centralstation som invigdes 2011.
Byggnaden inhyser kongresshallar, hotell, kontorslokaler och restauranger (Waterfront building, 2020)
17
(aStory, 2020) (Stockholm Waterfront Congress centre, 2020). Byggnaden har stora energibehov i och med höga luftflöden och stora glasfasader. För att minska byggnadens energianvändning utnyttjas bland annat frikyla ifrån intilliggande Klara sjö, samt ett 13 MWh stort islager. Lagret hjälper till att täcka effekttoppar som kylmaskinerna inte klarar av att täcka, möjliggör en minskning av eleffekttoppar samt säkerställer kylleveras även vid driftproblem av kylmaskinerna (Dorsander, 2020) (Öhman, 2011).
Kylsystemet med tillhörande islager består av tre kylmaskiner, varav två kan producera is, samt fem islager- containrar med internsmältning levererade av Baltimore Aircoil som är placerade i byggnadens garage. Ett rörsystem med etylenglykol kopplade till kylmaskinerna är placerade inuti en vattenfylld tank. Vid frysning av lagret kyls etylenglykolen till -4°C utav kylmaskinerna och vid urladdning används styrventiler för att få en slutlig temperatur på 9°C ut till fastigheten (Dorsander, 2020).
Total storlek på islagret är 250 ton vilket motsvarar en lagringskapacitet på 13 MWh och en möjlig maxeffekt på 2,5 MW, vilket tillsammans med kylsystemets tre kylmaskiner kan uppnå en kyleffekt på 5 MW. Då kylsystemet är överdimensionerat har islagrets fulla kapacitet ännu inte utnyttjats och islagret är för det mesta avställt under vinterhalvåret då förlusterna inte gör det lönsamt utan laddas upp som säkerhet vid viktiga konferenser ifall driftproblem skulle uppstå. Några driftproblem med islager som upptäckts är att många styrventiler går sönder vilket är svårt att upptäcka i det stora systemet, samt att finna de optimala parametrarna för när kylmaskinerna ska börja ladda upp islagret då för snäva parametrar riskerar att leda till att kylmaskinerna ställer om driften för ofta (Dorsander, 2020).
2.9.2 University of Bergen
Universitetet i Bergen, Norge, har installerat ett PCM kyllager för att kunna minska storleken på kylmaskinerna i kylsystemet. Kyllagret är levererat utav PCM products och består FlatICE behållare innehållande PCM material med en fasändringstemperatur på 10°C vilka placerade i 4 cylindriska tankar på 60m3 vardera. Lagret har en storlek på 11 200 kWh med en maximal kyleffekt på 1 600 kW.
Kylsystemet har två driftlägen där kylmaskinerna i det första driftfallet kyler vatten till 4,5°C som sedan levereras till lagringstankarna för att frysa PCMet och därmed lagrar kylan. I det andra driftfallet levereras uppvärmt returvatten ifrån fastigheten till lagringstankarna vilket smälter PCMet och tar ut lagrad kyla.
Belastningen på kylmaskinerna minskar därmed. En enkel skiss över kylsystemets uppbyggnad visas i Figur 8. Bild på FlatICE behållare inuti en av tankarna visas i Figur 9 (PCM products, 2020).
Figur 8 - Enkel skiss över kylsystemets uppbyggnad (PCM products, 2020).
18
Figur 9 - FlatICE behållare placerade inuti en cylindrisk behållare (PCM products, 2020).
19
3 Metod
3.1 Fas 1 - Litteraturstudie
Först genomfördes en litteraturstudie för att få grundläggande kunskap om fastigheters energianvändning, kylsystem samt lagring av värme och kyla. Detta presenteras under respektive rubrik under Teori. En blandning av kurslitteratur, vetenskapliga publikationer och företagsdokument användes tillsammans med intervjuer med sakkunniga. Under denna fas undersöktes även fastigheten Nöten 3s kylanvändning vilket presenteras i resultatet.
Metodvalet baserades dels på Jarosław Milewski m.fl. (2013) vilka dimensionerade ett säsongslager av värme utifrån en litteraturstudie som sammanställde tidigare publicerade resultat på området. Utifrån denna teori analyserade dem scenarion över värmebehov (Milewski, Wolowicz, & Bujalski, 2013). Även Sweet och McLeskey Jr. (2011) berörde ämnet i sin rapport där de numeriskt simulerade och optimerade ett säsongslager för värme (Sweet & McLeskey Jr., 2012).
3.2 Fas 2 - Simuleringsmodell
Utifrån funnen teori skapades en modell i Excel som simulerar ett kylsystem för fastigheten för att finna den optimala storleken på kylmaskin och kyllager samt optimera driften av kylmaskinen utifrån behov och eltaxor. Modellen baseras på timdata från levererad fjärrkyla till fastigheten de tre senaste åren (2017-2019) utifrån vilken fastighetens kylbehov uppskattades. Nödvändig ingångdata för modellen presenteras i Tabell 9. Några ingångsdata är även utgångsdata då dessa parametrar varierades för att finna lämplig storlek.
Tabell 9 - Ingångsdata kylsystemmodell
Ingångsdata Enhet
Storlek - Kylmaskin kW Storlek - Kyllager kWh
Max kyleffekt - Kyllager % av kyllager Timbehov - Kyleffekt kWh/h
COP kylmaskin -
För varje timme beräknar modellen hur kylbehovet ska mötas utifrån ifall det är en hög eller låglasttid samt lagerstatusen vid föregående timmes slut. Mellan november och mars maximeras kylmaskinen drift under låglasttimmarna för att både möta behovet samt ladda upp lagret fram tills att lagret är fullt, och kylmaskinerna går då ner till att bara möta timbehovet. Under dygnets höglasttimmar utnyttjas i första hand den lagrade kylan för att minimera kylmaskinens elanvändning. Under resterande månader när elpriset är konstant över dygnet arbetar kylmaskinen för att alltid ha ett fullt kyllager som kan utnyttjas under timmar då behovet är större än kylmaskinen. När lagret är fullt går kylmaskinen ner på dellast för att möta timbehovet.
Ifall producerad kyla överstiger timbehovet lagras resterande kyla tills att lagret är fullt. Produceras det istället för lite kyla under en timme möts detta med lagrad kyla. Mängden lagrad kyla efter varje timmes eventuella lagring eller uttag presenteras för att kunna tas hänsyn till under nästkommande timme. För mycket kyla som varken används eller kan lagras kan inte produceras då kylmaskinerna i så fall går ner på dellast. Kan en timmes kylbehov inte mötas utav både kylmaskinen och uttag ur lagret presenteras detta som kylbrist.
Kylmaskinens COP varierade mellan 2,5 och 3 utifrån leverantörens uppgifter. Arbetade kylmaskinen mot lagret gav det generellt ett lägre COP medan arbete för att kyla fastigheten gav det högsta COP. Utifrån detta uppskattades elanvändning och utgångsdata för varje timme presenteras i Tabell 10. Figur 10 sammanställer hur simuleringen väljer driftfall utifrån olika parametrar.
20
Tabell 10 - Utgångsdata för varje timme i kylsystemmodellen.
Utgångsdata/timme Enhet
Höglasttid/låglasttid -
Dellast kylmaskin % samt kW
Producerat överskottskyla kWh/h
Underskott kWh/h
Lagras kWh
Uttag kWh
Lager kWh
Överskottskyla (Används eller lagras ej) kWh/h Underskott av kyla (Behov som inte kan täckas
av både kylmaskin och lager) kWh/h
Elförbrukning kWh/h
Kyleffektbehov
Höglasttid Låglasttid
> Kyllager < Kyllager
Kylbehovet möts i förstahand av kyllager och toppas
med kylmaskin
Behovet möts av kyllager
> Kyllager < Kyllager
Kyllager fullt
Kyllagring möjlig
Kylmaskinen jobbar på dellast
och möter kylbehovet
Kylmaskinen arbetar på maxeffekt och överskottskyla lagras Kylmaskinen
arbetar på maxeffekt och toppas med lagrad
kyla
Figur 10 - Metodschema för kylsystemsimulering
För varje årssimulering presenteras det maximala underskottet av kyla för att kunna avgöra ifall systemet är av tillräcklig storlek. Utöver det presenteras elanvändningen under hög- samt låglasttimmar, varje månads toppeffekter samt höglasttid toppeffekter med tillhörande kostnader. Detta summeras sedan till en vad kylmaskinens elanvändning kostar per år när endast de rörliga kostnaderna tas till hänsyn. Fasta avgifter är inte inkluderade då annan elanvändning i fastigheten också tar del av dessa kostnader. Utgångsdata för årssimulering presenteras i Tabell 11.
