Sydvestjysk Sygehus - Køleoptimering - FMS Moodle
Fredericia Maskinmesterskole (FMS), Fredericia Bacheloropgave: Optimeringsprojekt Anslag rapporten:60.000, svarende til 25 normalsider Anslag abstract: 1267, svarende til 0,5 normalside Afleveringsdato: 27 maj 2015 27maj 2015 Sydvestjysk Sygehus - Køleoptimering Udarbejdet af: Torben Højland Nielsen Studienummer: E20121028 Vejledere: Lektor, Claus Pedersen Lektor, Rikke Andreassen Maskinmester, Lasse Bo Madsen Abstract The purpose of the thesis has been to achieve the goal of reducing the total energy consumption at Sydvestjysk Sygehus, with 16% by the end of 2016. The refrigerator system uses too much energy, why the solution to the problem had to fulfill some specific demands which included that the new solution should still deliver the same amount of cooling capacity as the current solution and the solution should also be profitable and fulfill a repayment deadline under 5 years. The project has been working with two different hypotheses to a solution, including a direct and cascade solution. The analysis showed that neither of the two of the solutions could fulfill the issue. The analysis showed further that it was not possible to deliver hot water directly through the heat exchanger. The amount of hot water was quite simply too large and by that we made the decision that it should only be used for district heating. Two possible solutions were analyzed and the result of this was that a direct solution was the best. Both solutions were practical options but one had a larger investment establish when the benefit was calculated. This one was the direct solution when a heat pump was installed to cool down the distribution tank, and deliver 500 kW for district heating, resulted in the best repayment. Indholdsfortegnelse Kapitel 1: Indledning ................................................................................................................................. 1 1.1. Baggrund for projektet.............................................................................................................. 1 1.2. Problemstilling .......................................................................................................................... 1 1.3. Problemformulering...................................................................................................................... 2 1.4. Hypotese ....................................................................................................................................... 2 1.5. Problemafgrænsning ..................................................................................................................... 2 Kapitel 2: Metode ...................................................................................................................................... 3 2.1. Metode .......................................................................................................................................... 3 Kapitel 3: Procesbeskrivelse ......................................................................................................................... 4 3.1 Køletårn .......................................................................................................................................... 6 3.2 kølekompressorer .......................................................................................................................... 7 3.3 Ventilation ...................................................................................................................................... 7 Kapitel 4: Analyse ....................................................................................................................................... 8 4.1. Det nuværende anlæg .................................................................................................................. 8 4.1.1. Cop-værdi ...................................................................................................................................... 11 4. 1. 2. Anlægskrav................................................................................................................................... 12 4.2. Afprøvning af hypotese ............................................................................................................... 13 4.2.1. Optimering gennem hævning af kondensatortryk 1 ..................................................................... 13 4.2.2. Optimering gennem hævning af kondensatortryk 2 ..................................................................... 15 4.2.3 Optimering med varmepumpe, kaskade ........................................................................................ 23 4.2.4 Økonomisk afsnit ........................................................................................................................... 28 Kapitel 5: Diskussion ................................................................................................................................... 32 Kapitel 6: Anbefaling .................................................................................................................................. 32 Kapitel 7: Konklusion ............................................................................................................................. 33 Kapitel 8: Vurdering ............................................................................................................................... 33 Kapitel 9: Perspektivering.................................................................................................................... 34 Kapitel10: Litteraturliste ......................................................................................................................... 1 Kapitel 11: Bilag ............................................................................................................................................... i Bilag nr. 1 .............................................................................................................................................. i Bilag nr. 2 ............................................................................................................................................. ii Bilag nr. 3 ............................................................................................................................................ iii Bilag nr. 4 ............................................................................................................................................ iii Bilag nr. 5 ............................................................................................................................................. v Bilag nr.6 ............................................................................................................................................. vi Bilag nr. 7 ........................................................................................................................................... vii Bilag nr. 8 ........................................................................................................................................... vii Bilag nr. 9 .......................................................................................................................................... viii Bilag nr. 10 .......................................................................................................................................... ix Bilag nr. 11 .......................................................................................................................................... xi Bilag nr. 12 ......................................................................................................................................... xii Figur oversigt Figur 1 Entreprisetegning 1999, taget fra teknisk data, med egne tilføjelser ................................................... 5 Figur 2 Kompressor unit, foto efter virkning ..................................................................................................... 5 Figur 3 Mollierdiagram, elfosk.dk ...................................................................................................................... 6 Figur 4, Data i cool pack, efter egen tilvirkning ................................................................................................. 9 Figur 5, Cop-værdi, fra håndbog for Maskinmestre s.478 .............................................................................. 12 Figur 6, Illustrations tegning, efter egen tilvirkning ........................................................................................ 13 Figur 7, Opstillingen i Cool pack, efter tilvirkning............................................................................................ 14 Figur 8, Opstillingen i Cool pack, efter egen tilvirkning ................................................................................... 16 Figur 9, Illustration af varmeydelse, efter egen tilvirkning ............................................................................. 18 Figur 10, Entreprisetegning 1999, taget fra teknisk data, med egne tilføjelser .............................................. 20 Figur 11, Cronborgs Recool beregningsprogram ............................................................................................. 21 Figur 12, Entreprisetegning 1999, taget fra teknisk data, med egne tilføjelser .............................................. 24 Figur 13, Cronborgs Recool beregningsprogram ............................................................................................. 25 Tabel oversigt: Tabel 1, Udsnit fra teknisk data ......................................................................................................................... 7 Tabel 2, Anlægskarakteristik, efter egen tilvirkning ........................................................................................ 29 Tabel 3, Udsnit af Grundfos´ tryktabstabel ..................................................................................................... 28 Kapitel 1: Indledning 1.1. Baggrund for projektet Staten har pålagt Sydvestjysk Sygehus, Esbjerg (fremover benævnt SSE), at spare 16 % af energiforbruget senest ultimo 2016. For at opnå målsætningen, holder teknisk afdeling et energimøde hver tredje uge, hvor mulige spare tiltag drøftes og undersøges. Et vigtigt emne her er, at det skal være økonomisk rentabelt. Sygehuset ønsker bl.a. at energioptimere på centralkøleanlægget og efterspørger i den forbindelse løsningsforslag til energioptimering af det eksisterende køleanlæg. Centralkøleanlægget bruges i dag til komfortkøling af sygehuset, hvor et godt indeklima er vigtigt for patienter og medarbejdere. Grundet centralkøleanlæggets alder og opbygning er der et unødvendig stort energiforbrug, især på kondensatordelen forekommer der et stort spild. Dette skyldes, at et køletårn står for nedkølingen af vandet, hvor varmeluft blæser ud af køletårnet og direkte ud i det fri. SSE ønsker derfor en redegørelse af mulige løsningsforslag, hvor varmegenvinding er tænkt ind. Et tiltag som SSE i dag allerede har gennemført er opsætningen af solceller. Denne løsning har dog vist sig at medføre en række yderligere problemstillinger, idet solcellerne i sommerperioden producer mere strøm end transformerstationen kan afsætte til intern brug. Dette har medført en øget interesse for omrokering af energiforbruget og derved undgåelsen af salg af strøm. Under mit praktikforløb blev jeg sat ind i ovenstående problemstilling med solcellerne. Dette har dannet grundlag for en ide om, hvorvidt det var muligt at kombinere de to problemstillinger, herunder hvorvidt det kunne være muligt at lave en løsning, hvor den billige strøm forvaltes anderledes og samtidig tage højde for løsningen af problemstillingen omkring varmegenvinding. Ud fra ovenstående kan det udledes at der hos SSE forekommer en udfordring i forbindelse med opnåelsen af en besparelse af energiforbruget på de krævede 16 %. SSE har derfor overvejet en række mulige løsninger, hvilket i relation til projektet specifikt har ledt frem til følgende problemstilling: 1.2. Problemstilling SSE´s tekniske afdeling ønsker i forbindelse med projektet, at få klarlagt optimeringspotentialet og herunder mulighederne for en minimering af energiforbruget på det eksisterende centrale køleanlæg. SSE står overfor at skulle nedbringe energiforbruget med 16 % frem til slutningen af 2016. Status er på 1 nuværende tidspunkt, at det nuværende køleanlæg generer en del spildvarme, som i dag blæses direkte ud i atmosfæren. Denne spildvarme ønsker teknisk afdeling, et eller flere løsningsforslag til, hvor energi genanvendelse indgår. Teknisk afdeling ønsker herunder endvidere en undersøgelse af konkrete optimeringsforslag, som er økonomisk forsvarlige, uden at gå på kompromis med kølekapaciteten. Der forventes endvidere fra teknisk afdeling en løsning, hvor spildenergien genbruges, uden at gå på kompromis med tilbagebetalingstiden på maksimalt 5 år. Ovenstående har ledt frem til følgende problemformulering. 1.3. Problemformulering Hvordan kan SSE opnå en reduktion af spildenergien uden at gå på kompromis med tilbagebetalingstiden? For at sikre den bedst mulige undersøgelse og besvarelse af problemformuleringen, vil opgavens analyse tage udgangspunkt i følgende 2 hypoteser. 1.4. Hypotese 1. Ved at hæve kondensatortrykket og levere det varme brugsvand direkte holdes tilbagebetalingstiden under de 5 år. 2. Ved at optimere køleanlægget med en varmepumpe og bruge varmepumpen til at hæve temperaturen, vil investeringen matche tilbagebetalingstiden på de maksimalt 5 år. 1.5. Problemafgrænsning Projektet begrænses til at omhandle kondensatordelen i køleanlægget. Dette for at begrænse undersøgelsens omfang og derved højne kvaliteten af projektet. For yderligere at afgrænse omfanget af projektet, afgrænses der til ikke, at udvælge specifikke komponenter, men derimod udelukkende at tage udgangspunkt i vejledende listepriser på standartkomponenter. 2 Kapitel 2: Metode 2.1. Metode For at besvare problemformuleringen og teste hypoteserne, udarbejdes optimeringsløsningsforslag. Der kræves derfor en forståelse af hvordan anlægget er opbygget, en helhedsforståelse af hvordan anlægget fungerer og endvidere en fastlæggelse af driftsdata, for at kunne argumentere for, at problemformuleringen er besvaret fyldestgørende. Indledningsvis udarbejdes en procesbeskrivelse for det eksisterende køleanlæg. Procesbeskrivelsen skal analysere det nuværende anlæg, for at kunne identificere fejlkilder og energispild. I analysen udarbejdes der et forsimplet diagram af selve køleanlægget, hvorefter energiforbruget til kompressorerne og de forskellige pumper kortlægges. Der bliver endvidere lavet en udregning, som fastlægger hvorvidt køleanlægget kører med overhedning eller ej. Når ovenstående driftsdata er fastlagt samt skitsen i cool pack er tegnet, efterprøves hypoteserne gennem analysen. Forinden den egentlige analyse og efterprøvning af hypoteserne kan gennemføres, skal anlægskrav fastsættes, herunder prisen for brugsvand og driftstiden /perioden. Dette for at, sikre samme forudsætninger for alle løsningsforslag. Analysen indledes herefter med en efterprøvning af de to beskrevne hypoteser, hvorefter retningen for den endelige løsning på problemstillingen fastlægges. Analysen af hypotese nummer et bruges til vurdering af om det er muligt at levere brugsvand til laboratoriebygningen. Der skal til denne analyse bruges en anlægstegning, som danner baggrund for opbygningen. Tegningen indtegnes i cool pack til beregninger af optimeringsløsningen, hvor varmegenvinding er tænkt ind. Viser analysen af hypotese et, at det ikke er muligt at levere til brugsvand, skal der leveres til fjernvarme. Analysen af hypotese to bruges til vurdering af om det er rentabelt, at investere i en varmepumpe. Her skal en analyse af grundlastforbruget være den dimensionerende faktor i forbindelse med varmeydelsen. Efterfølgende analyseres der på forskellige løsningsforslag, som blev genereret i analysen af de to hypoteser. Denne danner baggrund for afdækningen af optimeringspotentialet og en vurdering. Her skal der igen bruges en opbygningstegning som kan indtegnes i cool pack. Der vurderes endvidere ud fra løsningsforslagenes optimeringspotentiale og økonomiske aspekt. Der vil blive lavet beregninger på det økonomiske aspekt herunder tilbagebetalingstiden kontra investeringen, som skal sikre lønsomheden i projektet. Afslutningsvist sammenfattes projektet med en konklusion og en anbefaling, der følges op med et perspektiveringsafsnit. 3 Via observationer og i samarbejde med vedligeholdsmedarbejdere fremskaffes driftsdata via CTS databasen og ved mødeindkaldelse af den driftsansvarlige, Lars Brinck. Driftsperioden aflæses i el-tavle samt sammenholdes mod et ur der registrerer kompressorernes totale driftstid. Et gennemsnit udregnes og bruges som pejling. Herefter anvendes SSE´s database til fastlæggelse af energiforbruget til pumper, køletårn og kompressorer. DMI bruges som kilde til fastlæggelse af den varmeste dag, hvor datoen efterfølgende bliver brugt som udgangspunkt for aflæsning af strømforbruget til udregningen af copværdien. Med ovenstående dataindsamling, kan der opstilles beregninger, som kan fastlægge effekten af kondensatoren. Beregningerne foretages som en varmebalance som udregnes tabsfrie i forhold til sine omgivelser. Optimeringspotentialet er nu afdækket og via analysen gives der nu mulighed for at foretage en vurdering af størrelsen af resultatet. Der indhentes priser fra køleleverandører, som tilpasses efter de analyserede resultater. Efterfølgende analyseres de opnåede løsningsforslag i relation til priser og det vurderes om hypoteserne kan verificeres og anvendes som løsning på problemstillingen. Hermed haves et samlet løsningsforlag der fungerer, som komplet besvarelse på problemformuleringen. Kapitel 3: Procesbeskrivelse I dette afsnit gives en beskrivelse af anlægsopbygningen, som danner rammen for analysegrundlaget. En anlægstegning bliver udarbejdet til supplering af anlægsbeskrivelsen, tegningen vil være forsimplet og der tages udgangspunkt i en oprindelig entreprisetegning, som har fået tilføjet indholdet, der forefindes efter de to vekslere. Tegningen er en forenklet tegning, hvor der kun er optegnet en enkelt kreds. For at lette analysedelen, er temperaturerne sat på. Se illustrering nedenfor, figur nr. 1 4 Figur 1 Entreprisetegning 1999, taget fra teknisk data, med egne tilføjelser Det nuværende anlæg består af 3 parallelle units, se figur 2, med hver deres kompressor, kondensator, fordamper og stænkudskiller, kølemediet er NH3. I distributionstanken opbevares vandet, som cirkuleres rundt til kølefladerne i ventilationsanlægget. Vandet og ammoniakken holdes adskilt via en veksler, som fungerer som fordamper, se figur 1. Fordamperen er en oversvømmet fordamper, hvor energien overføres fra NH3 til vandet. Den Figur 2 kompressor unit, foto efter egen tilvirkning våde NH3-gas fortsætter til stænkudskilleren via en naturlig cirkulation, mediet sendes til stænkudskilleren. I stænkudskilleren opdeles blandingen, den våde NH3 samles i bunden af stænkudskilleren og den tørmættede NH3 suges mod kompressoren. Via sugeledningens længde, sikres det, at gassen er overhedet og beskytter derved kompressoren mod væskeslag. Gennem faldrøret sendes olien, som ikke er blevet opfanget af olieudskilleren, ned i en oliesump, hvor den løber tilbage til kompressoren. Nh3-gassen komprimeres i kompressoren og sendes derefter videre til kondensatoren. Kondensatoren er en pladeveksler, hvor kondenseringen sker ved hjælp af en højtrykssvømmer, som er monteret efter 5 kondensatoren. Højtrykssvømmerventilen er opbygget sådan, at den åbner, når væskestanden begynder at stige og omvendt lukker den ved fald. For at bevare det store overblik, deles køleanlægget op i 3 dele: en køletårns-, en kompressor- og en ventilationsdel. 3.1 Køletårn Kondensatordelen i centralkøleanlægget består af 3 pladevarmevekslere, en til hver køleunit. Et køletårn fra Vestas Aircoil køler vandet og er placeret på taget af den tekniske afdeling. Køletårnet er ca. 5 meter højt og er af følgende model: OCT09HB03-090. For at cirkulere vandet rundt, er der tilknyttet en centrifugalpumpe på 18,5KW til hver veksler. Når vandet passerer veksleren i kælderen (kondensatoren), er der sket en nedkøling af vandet på 6 grader. Pumpernes formål er at trykke vandet op gennem et fælles rør, som ender i toppen af køletårnet. Endvidere er pumperne individuelt styret og start-/stopsignalet kommer fra den tilhørende kompressor. Overskydende vand opsamles i bunden af køletårnet og sendes via rør til en opsamlertank. Opsamlertanken har flere formål: at opsamle den overskydende vandmængde og at sikre en kapacitet som gør, at køletårnet ikke løber tør for vand, idet noget af vandet fordamper ved selve processen. Opsamlertanken er derfor udstyret med sin egen vandforsyning, som styres gennem en niveausvømmer, der åbner en magnetventil efter behov. Vandforbruget på køletårnet er fastlagt af leverandøren til 3,2m3/h ved fuld kølekapacitet. Princippet i køletårnet er, at der sker en overrisling af rørene, hvor dyserne sprayer vanddråber udover rørene1, hvilket medfører, at vandets overfladeareal forøges og derved virkningsgraden. Udeluften har indflydelse på, hvor i mollierdiagrammet luftens slutpunkt bliver, derved også hvor meget energi, der bliver overført til luften. Når vandet sprayes udover rørene, bliver det til overhedet damp. Der bliver produceret så meget damp, at dampmængden er i overskud. Det medfører, Figur 3 mollierdiagram, elfosk.dk at x (fugtigheden) passerer mætningskurven, som igen vil tilføre en kraftig temperaturstigning, som det ses på figur 3. Den energimængde, der bliver tilført luften, afgiver rørene i køletårnet, som derved bliver nedkølet. Hvis vejret en dag er fugtigt og varmt vil Δx ikke blive så stor, hvilket har indflydelse på den energimængde, der frigives fra rørene, som derved heller ikke vil blive så stor. Derved bliver rørene ikke nedkølet så meget, som hvis vejret er tørt og koldt. Det har betydning for effektiviteten af køletårnet og hvor meget blæserne skal arbejde. 1 Nielsen, E. 2013. Noget om køleteknik bind 1, (4 udgave)s.340 6 På toppen af køletårnet sider der i alt 3 stk. ventilatorer, som hver især har påmonteret en 5,5KW elmotor, der styres via 3 frekvensomformere. Frekvensomformernes opgave er at ændre hastigheden på blæserne afhængig af temperaturændringen, og derved forsøge at holde det ønskede set-punkt konstant. Setpunktet måles på tilgangssiden af veksleren (vandsiden), og er sat til 19 grader. 3.2 kølekompressorer Anlægget består af 3 parallelle kompressorer, som drives af et direkte træk fra elmotorerne. Kompressorerne styres individuelt med et betjeningspanel, som er monteret på fronten af kompressoren model GM411. Kompressorerne er af følgende model og mærke, se tabel 1: Tabel 1, udsnit fra teknisk data Type Gram HC-8125A Antal 1 stk. Cylinder antal 8 stk. Boring/slaglængde 100/125mm Kulde ydelse 868 KW Elmotor effekt 160 KW Gram HC-8100A 2 stk. 8 stk. 100/100mm 554 KW 110 KW 2 Den indbyrdes styring sker via et master/slave princip , masteren bestemmer og kompressoren udvælges af teknisk afdeling. Udvælgelsen til masteren skifter i løbet af driftsperioden og sikrer, at den rette kompressor passer til driftsperioden i form af ydelse og timeantal. Formålet med kompressorerne er, at nedkøle væsken i distributionstanken og i sidste ende at sikre god komfort i de tilsluttede stuer. På distributionstanken er der ønsket en set- punkt temperatur på 5 grader, som måles på udgangsrøret. 3.3 Ventilation Distributionspumpernes opgave er at transportere kølevand ud til kølefladerne i ventilationsanlæggene. Distributionspumpe-arrangementet består af fire parallelforbundne centrifugalpumper, der hver er udstyret med en 5,5 kW elmotor, se figur 4. Pumperne er individuelt koblet op mod CTS-anlægget, hvilket muliggør start af et givent antal pumper, afhængigt af det ønskede kuldebehov. Der er til styringen tilknyttet en frekvensomformer, som på skift styrer en af de fire pumper. Styringen tager udgangspunkt i de registrerede driftstimer for hver pumpe, hvilket medfører, at pumperne har været frekvensstyret lige meget over et år. I tilfælde af kuldebehov ved kølefladerne kører pumpe nr. 1 f.eks. frekvensreguleret, og når kuldebehovet øges så meget, at pumpe nr. 1 kører maksimale omdrejninger, kobles pumpe nr. 2 derfor til og bliver frekvensstyret. Fremgangsmåden er gældende for alle pumper, ind til de kører med nominelt omdrejningstal og leverer maksimum kølemængde. Når kølefladerne i ventilationsanlægget har fået tilført kølevandet, sker der en opvarmning af vandet, som bliver sendt tilbage i distributionstanken. Det varme returvand bliver i distributionstanken nedkølet af vandet fra fordamperkredsen. Fordamperkredsen består af 3 parallelle pumper, hvor en veksler 2 Heilmann, T 2011. Praktisk regulering og instrumentering (6. udgave), s.104 7 (fordamper) er tilsluttet hver deres kompressor. De parallelle rør samles i et rør og vandet ledes ned til distributionsstanken. I Distributionstanken er rørtilslutningen lavet således, at der sker størst mulig turbulens af vandet ifølge maskinmester Lars Brinck. Det sikrer en hurtig opblanding af vandet og derved en jævn temperatur. Pumpestyringen er lavet på samme måde som ovennævnte styring, hvor der måles på differenstrykket og pumperne idriftsættes efter timetal. Med ovenstående procesbeskrivelse haves nu et sikkert indblik i virkemåden af det eksisterende køleanlæg, hvorefter analysen af køleanlægget kan påbegyndes. Kapitel 4: Analyse I dette afsnit afdækkes optimeringspotentialet via beregninger og hypoteserne efterprøves. 4.1. Det nuværende anlæg For at afklare optimeringspotentialet for køleanlægget er det essentielt at udregne Cop-værdien, som beskrives nærmere nedenfor. Det centrale køleanlæg, på SSE, er som førnævnt et et-trins køleanlæg med ammoniak som kølemiddel. Det består af 3 køleunits med hver deres kompressor, fordamper og kondensator. For at lave en solid analyse af det nuværende køleanlæg, skal nedenstående punkter fastlægges. Kuldeydelsen Strømforbruget Kondensator kapaciteten Overhedning Cop-værdien Den cirkulerende mængde kølemiddel i kg/s Indledningsvis startes der med at skitsere den nuværende driftssituation i cool pack, og efterfølgende undersøges det, hvorvidt køleanlægget kører med overhedning. Ud fra undersøgelsen vurderes det, om den optegnede skitse er korrekt. Korrektheden af skitsen er vigtig, idet beregningerne vil tage udgangspunkt i de aflæste entalpier i skitsen. Der er til nedenstående driftssituation antaget følgende, underkøling på 5 K ved punktet 3, samt en tørhedsgrad på 0,3 ved punktet 6 og en isentropisk virkningsgrad på 0,8. 8 Figur 4, Data i cool pack, efter egen tilvirkning Princippet for h log p diagrammet er, at det kan bruges til at finde/udregne entalpier, f.eks. kuldeydelsen, kondensatorydelsen eller kompressorens arbejde. På diagrammet ovenfor ses der 1 trykforhold, i det her tilfælde en lavtrykskreds og en højtrykskreds. Det skyldes at køleanlægget er et et-trins køleanlæg. Princippet for et h log p diagram er, at via tryk og temperatur findes den energi, der er på det pågældende sted. Man starter med at indtegne de 2 tryk, som kondensatoren og fordamperen har. Kondensatorens driftstemperatur er via teknisk data oplyst til 34 grader, hvilket svarer til et tryk på 13,12 bar, aflæst i figur 4. Ligeledes er der for fordamperen oplyst en temperatur på 2 grader, som resulterer i et tryk på 4,63 bar. Høj- og lavtrykskredsen bliver opdelt via højtrykssvømmeren, hvilket på diagrammet ses ved den lodrette streg fra punktet 3 til 4. Punktet 3 er udover grænsekurven, idet køleanlægget kører med 5 K i underkøling. Grænsekurven på venstre side symboliserer et stadie, hvor kølemidlet bliver til væske. Punktet 3 har passeret grænsekurven og er derfor ren væske. Det betyder, at kølemidlet her er kondenseret til ren væske, og man kan her aflæse den entalpi, som kommer ind i fordamperen ved punkt 3 og 4. Kondensatordelen, som er højtrykskredsen, går fra punkt 2 til 3. Jo tættere kølemidlet er på punktet 3, desto mere af kølemidlet er derved kondenseret. Fordamperens arbejde foregå fra 4 til 1, og herfra er den pågældende kuldeydelse udregnet. Kompressorens arbejde starter ved punktet 1, hvor kølemidlet suges ind i kompressoren og slutter ved punktet 2. Ved at følge s-linien op findes det teoretiske arbejde. Men da vi skal bruge det virkelige arbejde, regnes der med en isentropisk virkningsgrad på 0,8 og derved findes punktet 2. Ved punktet 2 aflæses også dampens temperatur, som er den højeste temperatur køleanlægget kan opnå, ved denne driftssituation. Dampens temperatur aflæsses til 75,3 grader og idet kølemiddelsolien kan holde til 110 grader før den forkokser, ses der ingen problemer. 9 For at undersøge om kompressoren kører med overhedning er nedenstående udregninger lavet. Overhedning sikrer kompressoren mod væskeslag og ændrer skitsen og derved også entalpierne. Ved at køre med overhedning, vil punktet 1 og 2 flyttes længere mod højre og den nuværende overhedningstemperatur vil stige, desuden vil kulde- og kondensatorydelsen ændres. Derfor laves nedenstående beregninger for at fastslå rigtigheden af skitsen. Flg. Data bruges. Sugerørets længde = 2,5 m Rørets indvendige diameter = 94mm Rørests udvendige diameter = 100mm Isoleringstykkelse = 75 mm 1mm alu omkring Varmeledningstal alu = 250 W/ m*K Varme overgangstal udven.= 10 W/m2*k Varme overgangstal indven.= 15 W/m2*k Varmeledningstal stål = 50 W/ m*K Varmeledningstal iso = 0,036 W/ m*K Damp temp = 2ᵒC Rum temp. = 20ᵒC 𝜋 1 0,100 1 0,250 1 0,252 1 1 +𝐿𝑛∗( +𝑙𝑛∗( +𝑙𝑛∗( ∗ )∗ )∗ )∗ 15∗0,094 0,094 2∗50 0,100 2∗0,036 0,250 2∗250 10∗0,252 Ptrans = Krør * l*Δt => 0,232*2,520-2 = => K = 0,232W/m*ᵒC =10,46W Det ses fra udregningen at sugeledningen afgiver 10,46 W. For at udregne overhedningen laves følgende beregning: P= m*h => 0,01046𝑘𝐽/𝑠 1,04𝐾𝑔/𝑠 => =0,01KJ/kg Overhedning kræver energi og det kan derfor konkluderes, at køleanlægget ikke kører med overhedning. Energimængden er så lille, at den er uden betydning for driften af køleanlægget, endvidere kan det konkluderes at ovenstående skitse er korrekt og derved kan Cop-værdien fastlægges. 10 4.1.1. Cop-værdi Et køleanlægs effektivitet karakteriseres efter Cop-værdien3. Cop-værdien er et udtryk for, hvor meget køleeffekt man får ud af at tilføre effekt til kompressoren, se nedenstående formel. 𝐶𝑜𝑝 = 𝐹𝑗𝑒𝑟𝑛𝑒𝑡 𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 𝑖 𝑓𝑜𝑟𝑑𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟 𝑇𝑖𝑙𝑓ø𝑟𝑡 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑖 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 Jo højere Cop-værdien er, desto billigere er køleanlægget at drive rent energimæssigt. Den oplyste Copværdi er 6,2, idet det antages, at køleanlægget ikke kører efter optimale forhold, udregnes en mere brugbar og reel Cop-værdi. For at fastlægge Cop-værdien efter strengeste krav, bruges den varmeste dag sidste år, ifølge DMI den 10.07 2014. Endvidere ses følgende data (se nedenstående) som forudsætning for den udregnede Cop-værdi. Nedenstående virkningsgrader er i samarbejde med maskinmester Lasse Bo, blevet antaget, da det ikke har været muligt at fremskaffe disse data. Fordampertemperatur: + 2ᵒC Kondensatortemperatur: + 34ᵒC Elmotorens virkningsgrad = 0,9 Kompressorernes mekaniske virkningsgrad = 0,85 Kompressorernes isentropiske virkningsgrad = 0,8 Effekttilførslen er placeret i nævneren i brøken, hvorfor strømforbruget aflæses ved måler nr. 8N9D0173 via CTS-anlægget. Strømforbruget indeholder flere forbrugere, herunder kompressor, cirkulationspumpe og distributionspumpe. Det er kun kompressorens strømforbrug der skal bruges, hvorfor pumpernes strømforbrug fratrækkes. Pumperne kører efter før nævnte styring (differenstryk), hvilket gør at en faktor 1,5 bruges for at fastlægge strømforbruget på pumperne. Strømforbruget er aflæst til 274,15 kWh og efter at pumpernes forbrug er fratrukket bliver effekttilførslen udregnet til 253,63 kWh, se bilag nr. 4. Effekttilførslen er summen af de 3 kompressorer, der igen skal fordeles ud på hver enkelt kompressor, hvilket resulterer i, at hver enkelt kompressor bruger 84,54 kW og yder derved kun 70,4 % i gennemsnit af kapaciteten. En samlet Cop-værdi for anlægget er udregnet til 4,62, hvilket må vurderes som realistisk. For at efterprøve denne påstand udregnes Cop-værdien på en anden måde og sammenlignes, se bilag nr. 3. 3 Håndbog for Maskinmestre 10 udgave s.476, af maskinmestrenes forening 2013, 11 Den udregnede Cop-værdi på 4,62 ses brugbar, idet brugen af antagende virkningsgrader er forholdsvis få og aflæsningerne i cool pack er begrænset til et minimum. Ud fra figur nr. 5, som ses som en vejledende værdi for Cop-værdien Maskinmestrenes følgende håndbog. måde: på køleanlæg, Figuren ifølge fungerer Temperaturforskellen på mellem fordamper og kondensator = 32ᵒC, de 32ᵒC aflæses og det kan nu ses, at Cop-værdien bør ligge mellem 4 og 6 afhængig af, hvor effektiv anlægget er. Ud fra ovenstående vurderes det, at den nye Cop-værdi er Figur 5, Cop-værdi, fra håndbog for Maskinmestre s.478 præsentabel for køleanlægget og vil derfor blive brugt fremover. Af sikkerhedsmæssige årsager undersøges nu køleanlæggets komponenters makstryk. Makstrykket aflæses visuelt på de forskellige komponenters mærkeplade, og det laveste tryk vil som udgangspunkt blive brugt. Efter en gennemgang af køleanlægget kan det konstateres at være 24 bar. Sikkerhedsventilen kan ikke aflæsses fysisk, og oplysningerne skal derfor hentes i teknisk data. Sikkerhedsventilens tryk er indstillet således, at alarmen starter ved 15 bar og cutout, som medfølger stop af kompressoren, træder i kraft ved 18 bar. For at kunne efterprøve hypoteserne er der opstillet en række anlægskrav. 4. 1. 2. Anlægskrav. For at kunne besvare hypotesen, må kravene til det leverede brugsvand først opstilles. Laboratoriebygningen har brug for brugsvand, hvor temperaturen på 55 ᵒC ses som udgangspunkt. En forudsætning er, at der på ingen måde må gås på kompromis med kølekapaciteten. Det forventes, at køleanlægget vil kunne levere den udregnede kuldeydelse på 1172,68 kW under alle driftsforhold. Køleanlæggets driftsperiode vil blive fastlagt efter nedenstående forudsætninger, og det er oplyst, at der er et konstant forbrug af varmt vand, og derved udnytte, at der ikke skal tages højde for lagerkapacitet. Følgende fastlægges som forudsætning: 1. Pris. Det varme brugsvand afregnes pr. kWh fjernvarme, som bruges til opvarmning af brugsvandet. 0,39kr pr. kWh inkl. afgifter. 2. Måned. Driftsperioden bliver fastsat efter strømforbrug fra elmålere, men også efter møde med driftsansvarlig. Driftsperioden fastsættes fra maj til september. 3. Tidspunkt. Tidsintervallet fastsættes til at være fra kl. 07. 00 til kl. 22.00 og med i alt 1500 driftstimer årligt. 12 4.2. Afprøvning af hypotese I dette afsnit efterprøves hypoteserne. 4.2.1. Optimering gennem hævning af kondensatortryk 1 For at efterprøve hypotese nr.1, ved at hæve kondensatortrykket og levere det varme brugsvand direkte holdes tilbagebetalingstiden under de 5 år, analyseres nedenstående parametre. Fordelen ved denne opbygningsmetode er, at den energi der før gik til spilde nu bliver genbrugt til opvarmning af brugsvand, se illustrations tegning figur 6. Desuden vil den ekstra energitilførsel gøre, at solcellestrømmen bliver brugt internt og derved er en ekstra gevinst. Endvidere vil denne løsning have den fordel, at køletårnet ikke skal køre, hvilket betyder, at udgifter til fordampet vand, kondensatorpumperne og ventilatorer blive overflødige. Fordyrende led i form af varmevekslere begrænses til et minimum, og derfor ses denne løsning som meget spændende. For at undersøge om det er muligt, skal følgende kriterier analyseres, se nedenstående. Er det muligt at levere 65 grader varmtvand? Kan olien klare den nye temperatur? Kan komponenterne klare det nye tryk? Opretholdes den rette kuldeydelse på 1172,68 kW? Figur 6, illustrations tegning, efter egen tilvirkning Via cool pack analyseres det hvorvidt det er muligt, at levere 65 grader varmtvand under de givne trykforhold. Er det muligt og er ovenstående kriterier opfyldt, vil den økonomiske del blive taget i betragtning. Er det ikke muligt at levere de 65 grader varmtvand forkastes ideen, og hypotesen kan derved ikke verificeres. 13 For at efterprøve dette, tages der udgangspunkt i en ny skitse for køleanlægget, figur 7. Figur 8, 7, Opstillingen opstillingen ii Cool cool pack, efter tilvirkning egen tilvirkning Teknisk afdelings ønske er en leveret temperatur på 65 grader fra pladevarmeveksleren for at nå udgangspunktet på 55 grader ved laboratoriet. Kondensatortrykket er derfor hævet til 29,52 bar som aflæsses på ovenstående figur 8 mellem punktet 2 og 3. Underkølingen på 5 Kelvin er bibeholdt og fordamperens temperatur på de 2 grader er uændret, og derved også trykket. Køleanlægget kører stadigvæk med en isentropisk virkningsgrad på 0,8 som resulterer i at punkt 2 opnår en damptemperatur på 170 grader. Den høje damptemperatur vil skabe problemer for smøreolien, hvor maks. temperaturen er 110 grader før den begynder at forkokse. Analysen viser tydeligt, at det ikke er muligt at levere direkte, når kondensatoren sættes til 65 grader kondenseringstemperatur. Ved at hæve kondensatortrykket og levere det varme brugsvand direkte, holdes tilbagebetalingstiden under de 5 år. Denne hypotese kan ikke verificeres, da en stigning af trykket til 29,5 bar er for høj i forhold til komponenterne maks. tryk. Konklusionen er derfor, at der ikke kan leveres 65 grader varmtvand direkte med ovenstående opbygning. Sikkerhedsventilen er indstillet til alarm ved 15 bar og stop af kompressor ved 18 bar. Den høje damptemperatur vil også skabe problemer for smøreolien i anlægget og det er derfor ikke realistisk at fortsætte denne analysedel. 14 Ovenstående analyse viser et potentiale i den tilhørende opbygning, og idégrundlaget til en ny hypotese udledes herfra. Dette skyldes, at opbygningen ses som billig i indkøb og nem måde at optimere køleanlægget på, hvilket kan resultere i en effektiv måde at løse problemstillingen på. Hvorfor denne hypotese efterprøves. Ved at hæve trykket på kondensatoren til 14,9 bar og booste brugsvandet, og derefter lade fjernvarme opvarme resten, vil det være muligt at holde tilbagebetalingstiden under 5 år. 4.2.2. Optimering gennem hævning af kondensatortryk 2 For at afklare den nye hypotese tages udgangspunkt i ovenstående opbygningstegning, som ses på side 13. Opbygningen har de fordele, at den ikke kræver større ombygning af køleanlægget. De eksisterende komponenter kan genbruges, og den eneste udgift er rørføringen og brugsvandspumpen. I analysen bruges en skitse fra cool pack over den nye driftssituation, som skal bruges til beregninger over optimeringspotentialet. Ud fra analysen vurderes det, om potentialet er stort nok til at forfølge. I givet tilfælde vil der blive lavet en økonomisk betragtning, hvor der analyseres på besparelsen, samt blive udregnet en investeringspris over, hvad den nye installation må koste. For at få mest ud af pladevarmeveksleren (kondensatoren) hæves trykket til 14,9 bar. Det vil sikre at køleanlægget kører med maks. damptemperatur. Varmeveksleren skal bibeholde sin nuværende placering, men brugsvandet skal cirkulere på den anden side. Som før nævnt betyder det, at køletårnet ikke skal køre, hvilket giver den gevinst, at den varme som før gik til spilde i luften, nu bliver optaget i brugsvandet. Opbygning kræver stadig at fjernvarmen opvarmer den resterende del fra 38 grader til 65 grader, som er målet. Det øgede tryk kræver også yderligere effekttilførsel til kompressorerne, og derfor ses nedenstående opstilling som nødvendig for at skabe overblik og kunne beregne det øgede effektbehov. 15 Opstillingen i Cool pack. Figur 8, opstillingen i Cool pack, efter egen tilvirkning Ovenstående skitse viser driftssituationen, hvor trykket er øget til det tilladte. Igen bruges en isentropisk virkningsgrad på 0,8 for at finde det virkelige punkt 2. Som det ses, holder punktet sig indenfor de 110 grader som aflæsses til 101 grader. For at udregne optimeringspotentialet er der afsat punkter fra 1 til 4, hvilket stemmer overens med opstillingen i cool pack figur 8 og anlægstegningen på side 13 Trykket i køleanlægget er bestemt af kondensatorens temperatur, det vil sige mætningstrykket på køleanlæggets højtryksside. Kondensatorens kapacitet er bestemt ud fra fordamperkuldeydelsen plus kompressorens optagede effekt. Temperatur og tryk hænger sammen, når man har en blanding af væske og damp, det vil sige mellem grænsekurverne. Når kølemiddelsdampen opvarmes udvider det sig. Opvarmningen sker via tryk fra kompressoren. Kondensatoren er derfor afhængig af, hvor meget varme den kan fjerne fra kølemidlet for at opretholde et konstant tryk. Kondensatoren er som førnævnt en pladevarmeveksler som køles af brugsvandet. Brugsvandstemperaturen på tilløbssiden er 6 grader, og det kan maks. optage den højeste temperatur som ses ved punkt 2. Hvis hele kondensatorkapaciteten skal bruges skal der tages udgangspunkt i kondenseringstemperaturen (38 grader). Opstillingen er afhængig af den varmemængde/flow der fjernes fra pladeveksleren. Er den aktuelle varmemængde, som flyttes, ikke tilstrækkelig stiger trykket i kondensatoren og derved temperaturen. Derfor skal brugsvandsmasse strømmen dimensioneres. For at få tryk og temperatur til at hænge sammen afdækkes nu, hvor meget flow der på kølevandssiden skal til for at opretholde den konstante kondenseringstemperatur. Følgende formler vil blive brugt til at 16 dimensionere flowet. Via skitsen i cool pack findes de entalpier som udregningen kræver. Varmeveksleren og kondensatoren er en og samme komponent og derfor sættes formlerne lig hinanden. Pveksler = mv*cv*(t1-t2) Pkondensator = m*(h2-h3) mv*cv*(t1-t2)= m*(h2-h3) det betyder at indput = output, i det der ikke regnes med tab til omgivelserne. For at finde det nødvendige flow, isoleres nu mv mv = 𝑚𝑘∗(ℎ2−ℎ3) 𝑐𝑣∗(𝑡1−𝑡2) = P= m*c*Δt= 1,04∗(1670,1−355,4) 4,19∗(38−6) => = 10,19Kg/s 10,19*4,19*(38-6)=> = 1367,3kW Den nye brugsvandspumpe skal kunne flytte 10,19kg/s*3,6 = 36,7 m3/h og varmeveksleren vil tilføre brugsvandet 1367 kW. Kompressoren skal nu arbejde ekstra for at komme op på det nye tryk hvilket betyder ekstra eludgifter, som bliver udregnet i nedenstående. Se følgende beregning af Pel-kompressor. 𝑃𝑖 1,04∗(1647,9−1461,8) 0,8∗0,9 => = 253kW Pelny = 𝜂𝑚∗𝜂𝑒𝑙𝑚 = 1,04∗(1670,1−1461,8) 0,8∗0,9 => = 283,2kW ƩP = Pelny – Pel 283,2 – 253 => Pel = 𝜂𝑚∗𝜂𝑒𝑙𝑚 = 𝑃𝑖 = 30,2kW Beregningen viser at kompressorerne skal have tilført 30,2 kW ekstra effekt for at komme op på det ønskede kondensatortryk. Brugsvandspumpen skal levere 36,7 m3/h varmt vand til laboratoriebygningen. For at teste hypotesen laves nu en opsummering. Analysen viser, at Kondensatoren er afhængig af, at brugsvandspumpen fjerner varmen fra den, hvorfor laboratoriebygningen skal have et konstant forbrug, der matcher kondensatorens behov. Efter en samtale med Lasse Bo, hvor resultatet blev drøftet, blev det konkluderet, at laboratoriebygningen ikke ville kunne aftage et så stort forbrug. Det vurderes, at løsningen ikke vil fungere optimalt, og derfor vil der i nedenstående analyse blive afsat til fjernvarme. 17 Der tages derfor udgangspunkt i 3 senarier. I den første analyse undersøges muligheden for at levere direkte, men denne gang til fjernvarme. Den anden analyse tager udgangspunkt i den førnævnte hypotese. Ved at optimere køleanlægget med en varmepumpe og bruge varmepumpen til at hæve temperaturen, vil investeringen matche tilbagebetalingstiden på de 5 år. Her skal der dog også leveres til fjernvarme. Hensigten er at begge løsninger skal kunne understøtte grundlasten af fjernevarme/ køling, hvilket vil blive nærmere forklaret i nedenstående analyse. Den tredje analyse, belyser muligheden for at montere en varmeveksler mellem pladeveksleren og kompressoren, som igen skal levere til fjernvarme. Ved at undersøge varme/kulde behovet over et år, får man et overblik over spidsbelastningen samt hvor stort et anlæg der skal bruges for at tage grundlasten af fjernvarmen. Gennem sygehuset CTS-anlæg ses det, at spidsbelastningen er i juli og august, men da det ikke har været muligt at fremskaffe brugbart data fra CTS-anlægget, anvendes data fra Esbjerg Forsyning. Esbjerg Forsyning oplyser, at det aktuelle fjernvarmestik den 10.07 2014 bruger mellem 118 KWh og 589 kWh, se bilag nr. 5. Det vurderes, at en ydelse på 500 kW vil være passende for SSE, med den begrundelse, at ydelsen derved er fremtidssikret i en vis grad, samt at målingen er taget den varmeste dag over en time. For at vise hensigten er der lavet en principskitse. Skitsen illustrerer, som forventet, at fjernvarmeforbruget er nedafgående i sommerperioden (blå kurve) og kølekapaciteten er stigende (rød kurve). Meningen er, at køleanlægget skal dække fjernvarmeforbruget i det der betegnes som low peak (grundlasten). Skitsen er ren illustration og skal kun ses som en visuel forklaring, se figur 9. Figur 9, illustration af varmeydelse, efter egen tilvirkning Fordelen er at fjernvarmen vil kunne bruges til internt brug og afsættes med det samme. Med varmeydelsen dimensioneret giver det nu mening, at analysere muligheden for stadigvæk at levere via den direkte opbygning. Opbygningen adskiller sig fra ovenstående, idet denne løsning skal opbygges 18 anderledes, hvilket vil blive nærmere forklaret på side 20. For at kunne bruge regneprogrammet (Recool) og senere udregne optimerings potentialet skal der udvælges et kølemiddel. Kølemiddel: Den nuværende lovgivning gør, at køleleverandører til enhver tid skal favorisere de naturlige kølemidler. Pr. 01. januar 2007 er det ikke tilladt at installere nye køleanlæg med HFC kølemiddel med kølemiddelfyldninger, i den enkelte kølekreds, der er lig med eller større end 10 kg. Ifølge bekendtgørelse nr. 552. Dog er varmepumper undtaget. Der analyseres derfor på de naturlige kølemidler. På lavtrykskredsen kører det eksisterende køleanlæg allerede med ammoniak, men et alternativ til ammoniak kunne være CO2. Det nuværende køleanlæg er opbygget til at køre med ammoniak, hvilket er et godt kølemiddel, som besidder gode egenskaber. Ammoniakkens fordampningsevne er stor, den kondenserer let ved at fjerne varme fra dampene og har endvidere velegnede trykforhold4. Derfor vurderes det som yderst relevant at bibeholde det kølemiddel til lavtrykskredsen. Der skal ligeledes vælges et kølemiddel til højtrykskredsen(varmepumpen), som har de rette termodynamiske egenskaber. Det vil sige: Det skal have et passende fordamper- og kondenseringstryk samt gode muligheder for at optage mest mulig varme. Når et kølemiddel fordamper udvikles der en dampmængde, som varierer fra kølemiddel til kølemiddel. Den volumen kølemidlet udvikler har betydning for fyldningen af kompressoren, og derved den leverede kuldeydelse. For at kølemidlet skal kunne bruges, må det ikke være aggressivt overfor de komponenter/materialer der skal bruges i anlægget, f.eks. angriber ammoniak kobber og kan derfor ikke anvendes i ammoniak anlæg. I samarbejde med Karsten Pedersen, teknisk chef for Cronborg Aps via tlf. samtale er følgende kølemiddel R290 (propan) valgt. Cronborg er et firma med stor ekspertise inden for genbrug af spildvarme. Firmaet er etableret i 2008 og har genbrug af varme som varemærke. Til understøttelse af valget henvises der til en artikel: Propan det naturlige valg, om valg af det R290 som kølemiddel. R290 er valgt på grund af det temperaturområde hvor mediet arbejder og det forholdsvise moderate anlægstryk ved 65 grader =23,4bar. Propan har den fordel, at man kan vælge en fornuftig størrelse på kompressoren og også have en lav fyldning i forhold til opnået kølekapacitet. Propan indeholder ikke elementer med tendens til syredannelse, så det er skånsomt for teknikken. Ifølge Karsten Pedersen giver R290 også en fordel i forhold til komponentvalg, idet det stort set er en standardvare. Dette bevirker, at servicedele er nemt tilgængelige. 4 Nielsen, E. 2013. Noget om køleteknik bind 2, (4 udgave) s.120 19 Ud fra ovenstående vurderes det, at R290 er et godt kølemiddel med gode egenskaber. Det er et naturligt kølemiddel og derfor billig, idet det ikke er omfattet af nogen miljøafgifter. Det vurderes derfor som et velegnet kølemiddel i højtrykskredse. Varmepumpen skal køre som en ekstern køleunit som køler på distributionstanken. Den kobles parallel ind, som det ses på tegningen (figur 10), med de andre køleunits, men der skal kun være en varmepumpe. Figur 10, Entreprisetegning entreprisetegning 1999, taget fra teknisk data, med egene egne tilføjelser tilføjelser De eksisterende cirkulationspumper skal cirkulere vand gennem varmepumpens veksler og fordamperen. Derfor forventes det at en 3-vejs mængdereguleringsventil skal styre mængden gennem varmepumpens veksler, hvilket vil blive undersøgt nærmere, ellers skal der bare monteres et T-stykke. Køletårnet vil stadig skulle bruges i spidsbelastningerne, men noget af den varme der før ville gå til spilde anvendes nu til fjernvarme. Den valgte opstilling genbruger de samme data som før, hvor fordamperens temperatur skal ligge på 2 grader for at nå distributionstankens temperatur på 5 grader, ligeledes skal kondensatortemperaturen ligge på 65 grader for at kunne levere til fjernvarmestikket. For at kunne udregne optimeringspotentialet og senere vurdere hvilken løsning der skal bruges, laves følgende afsnit. 20 Optimeringspotentialet: Med temperaturen og kølemidlet fastsat kan varmepumpens driftsdata nu fastsættes. Der bliver brugt Cronborgs Recool beregningsprogram som giver følgende data, se figur 11: Figur 11, Cronborgs Recool beregningsprogram Som det ses i ovenstående data, er valget truffet på en skruekompressor med et slagvolumen på 584m3/h. En af hovedårsagerne til valget af skruekompressor skyldes den høje driftstemperatur, hvor en stempelkompressor vil skulle have ekstra køling i topstykket for at kunne holde til varmen i længden. Desuden er skruekompressoren meget kompakt og fylder derved ikke så meget. Det ses af beregningen, at der kan forventes et elforbrug på 134,7 kW. Det eksisterende køleanlæg skal ikke mere tage grundlasten, og derfor skal der udregnes et elforbrug for det eksisterende køleanlæg, hvor grundlasten er fra trykket, det vil sige det reelle elforbrug. For udregningen bruges den samlede Cop-værdi, som blev udregnet i analysen på det nuværende anlæg. 𝑃𝑂 Pel= 𝐶𝑜𝑝 = 366 4,6 => Det vil sige det reelle elforbrug ved den direkte løsning bliver 134,7 – 79,5 = 79,5kW = 55,2 kW 21 Med henblik på at teste om tilbagebetalingstiden kan holdes på de 5 år laves nu en opsummering. Opsummeringen vil være et overslag over driftsbesparelsen kontra investeringen, som skal have til formål at skabe det nødvendige overblik for at vælge den økonomisk bedste løsning. Ud fra hver analyse laves nu følgende overslag. De efterfølgende beregninger vil være begrundet af de ovenstående leverede effekter. Der vil endvidere være en økonomisk gevinst i form af reduceret vandforbrug ved køletårnet samt elforbruget til ventilatorer og kondensatorpumpe. Dette er ikke medregnet i nedenstående udregninger. Desuden er der ikke foretaget et konkret komponentvalg, da disse udregninger skal ses som et overslag til en overordnet vurdering. Det forventede energitilskud vil blive udregnet efter den oplyste salgspris på besparet fjernvarme til 52 øre pr. kWh og besparet el til 54 øre pr. kWh. El pris pr. kWh 0,60 kr. Fjernvarme pris pr. GJ 110,62 kr. = pr. kWh 0,39 kr. Tilskud: 22 Energi tilskud 0,52kr*751050kWh 390.546kr Ud fra ovenstående værdier er det nu muligt at lave et overslag over, hvor meget der må investeres for, at overholde tilbagebetalingstiden på de 5 år. Dette skal give mulighed for senere at lave en tilbundsgående økonomisk betragtning af den løsning, hvor der er størst gevinst. Der vil blive brugt en simpel tilbagebetalingsmetode for at vise den resterende investerings sum. Besparelse* Tilbagebetalingstiden = Investering 243.230* 5år = 1.216.150 – (1.090.000 – 390.446) = 516.596 kr. 4.2.3 Optimering med varmepumpe, kaskade For at vurdere og teste hypotesen laves nu en analyse over nedenstående hypotese. Ved at optimere køleanlægget med en varmepumpe og bruge varmepumpen til at hæve temperaturen, vil investeringen matche tilbagebetalingen tiden på de 5 år. Der vil på grund af tidligere analyse blive fokuseret på at genvinde varmen til fjernvarme til internt brug. For at undersøge om ovenstående hypotese er sand, analyseres opstillingen. Først dimensioneres varmebehovet, efterfølgende udvælges et kølemiddel og der udarbejdes en anlægstegning for at skabe det nødvendige overblik. Anlægstegningen vil være en kopi af tidligere skitser, med den ændring, at varmepumpen er indtegnet på vandsiden af kondensatoren. Cronborgs beregningsprogram Recool vil blive brugt til analysere optimeringspotentialet. For at kunne bruge programmet skal driftsdata og kølemiddel fastsættes. Der skal vælges et kølemiddel til varmepumpen, ud fra tidligere analyse blev R290 valgt som kølemiddel. Det skyldtes at propan er velegnet til at arbejde ved den høje temperatur uden at komme op i et højt tryk. I denne opbygning er der valgt R134a, dette skyldes at R290 har øgede sikkerhedskrav og derfor vurderes det at varmepumpen skal stå ude i det fri. R134a klassificeres af arbejdstilsynet som klasse 2, hvor R290 er klasse 1, derved bliver opstillingen lettere at risikovurdere. Endvidere er varmepumpefyldningen under 25 kg og det betyder, at der ikke skal laves et separat kølerum ifølge AT-vejledning B.4.4 § 4.1.1. oktober 2010. Denne analyse er lavet for at uddybe opbygningen ved at montere en varmepumpe på kondensatorens vandside. Varmepumpen skal ikke monteres i kølerummet, men flyttes ud til opsamletankene. For at lette opbygningen er denne montering valgt. Det har den betydning, at man kan nøjes med at montere et Tstykke og en 3-vejs mængdereguleringsventil. Oversigtstegningen viser den valgte løsning. 23 Figur 12, entreprisetegning 1999, taget fra teknisk data, med egne tilføjelser Ovenstående tegning viser en anlægstegning, hvor varmepumpen er monteret. Her virker kondensatoren både som kondensator og fordamper, se figur 12. Kondensatoren forvarmer vandet til varmepumpens fordamper, hvilket betyder at varmepumpen skal hæve temperaturen fra 28 til 65 i stedet for fra 5 til 65 grader. Denne opbygning kaldes for et kaskadeanlæg5. Kaskadeanlægget har den fordel, at det gør det muligt at bruge 2 forskellige kølemidler samtidig. Derved undgås den førnævnte problemstilling ved at bruge ammoniak, og derfor kan olieproblemerne undgås. Kaskadeanlægget er et to-trins køleanlæg, som arbejder sammen for at nå, i dette tilfælde her, den høje temperatur. Lavtrykskompressoren skal med denne opstilling ikke arbejde så hårdt, og kan derfor undgå at komme op i en høj kondensatortemperatur. Kondensatoren vil på den nye opstilling fungere som fordamper for varmepumpen. Det betyder, at varmepumpen køler på det varme vand og derved undgås det, at køletårnet skal køre så meget. Køletårnet vil få reduceret mængden af spildvarme, men det kan ikke undgås med denne opstilling, at køletårnet skal køre. Ovenstående analyser viser, at der er et minimums varmeforbrug på 500 kW fjernvarme, den så kaldte grundlast. Varmepumpen vil blive dimensioneret efter at skulle levere fjernvarme til internt brug og derfor ses de 500 kW igen som dimensioneringsgrundlag. Den eksisterende opbygning bibeholdes, dog skal der monteres en 3-vejsmængdereguleringsventil til at styre flowet igennem varmepumpens veksler. Varmepumpens returvand fra fordamperen vil være 25 grader og derfor sendes det tilbage til køletårnet til yderligere nedkøling. Her skal der igen monteres et Tstykke som vil skabe forbindelsen. Det skal undersøges nærmere, om de eksisterende kondensatorpumper vil kunne overvinde den ekstra belastning. Først analyseres de 2 nedenstående punkter, hvorefter det vurderes, om løsningen har potentiale til at blive analyseret yderligere. 5 Nielsen, E. 2013. Noget om køleteknik bind 1 (4 udgave) s.95 24 Der vil i den efterfølgende analysedel blive undersøgt følgende punkter: Hvor stort er optimeringspotentialet? Økonomisk overslag - kan det betale sig? Med ovenstående parametre på plads er det nu muligt at bruge Cronborgs´ regneprogram til at fastslå optimeringspotentialet. Efterfølgende vil der blive udregnet det nye strømforbrug, da den eksisterende kompressor stadig skal køre. Når ovenstående parametre er udregnet vil det være muligt at vurdere den endelige optimeringsgevinst ved denne opbygning. Findes optimeringspotentialet tilfredsstillende og i givet omfang stort nok til at forfølge, laves en økonomisk betragtning ud fra overslagspris kontra tilbagebetalingstiden. Overslagspriserne hentes fra Cronborg, som vil blive brugt som reference. Priserne er listepriser og vil derfor kunne bruges som vurdering. Vurderingen/overslaget skal bruges til sammenligning med den direkte løsning, som vil kunne give en indikation om hvilken løsning der giver det bedste afkast, ren økonomisk. Her ses beregningsprogrammet Recool, som bruges til at fastslå det forventede elforbrug samt varmeydelsen. Der bruges igen en skruekompressor på grund af den mindre plads samt at skruekompressoren egner sig bedre til at arbejde ved den høje kondensatortemperatur. For en stempelkompressor kræves der ekstra køling af topstykket ved denne arbejdstemperatur. Figur 13, Cronborgs Recool beregningsprogram 25 Via beregningsprogrammet kan det ses en forventet varmeydelse på 500,3 kW og et elforbrug på 96,6 kW, men der skal tillægges det eksisterende køleanlægs elforbrug for at give det mest retvisende billede. Her udregnes nu, for det eksisterende køleanlæg, et elforbrug ved en leveret kuldeydelse på 366 kW fra den direkte løsning. 𝑃𝑂 Pel= 𝐶𝑜𝑝 = 366 4,6 => Det vil sige at kaskadeløsningen bruger 96,6+79,5 = = 79,5 kW = 176,1 kW Fremløbstemperaturen er sat til 65 grader og det vil sige at kaskadeløsningen lever op til ønsket om at kunne bruges til fjernvarme til internt brug. For at vurdere optimeringspotentialet skal der nu laves en opsummering. De efterfølgende beregninger vil være begrundet af de ovenstående leverede effekter. Vurderes optimeringspotentialet større end den direkte løsning vil der være en økonomisk uddybning efterfølgende. Nedenstående opsummering har til formål at give en mulighed for at vurdere, hvilken løsning der skal uddybes, der sammenlignes med den direkte løsning. Det er oplyst, at der er mulighed for at søge om energitilskud, som vil blive udregnet efter disse informationer. Energitilskuddet fastsættes efter følgende: Besparet fjernvarme sælges til 52 øre pr. kWh og besparet el sælges til 54 øre pr. kWh. Endvidere ses følgende som forudsætning: El pris pr. kWh 0,6 kr. Fjernvarme pris pr. GJ 110,62 kr. = pr. kWh 0,39 kr. 26 Ud fra ovenstående værdier er det nu muligt at lave et overslag over, hvor meget der må investeres for at overholde tilbagebetalingstiden på de 5 år. Der vil blive brugt en simpel tilbagebetalingsmetode for at vise den resterende investeringssum. Formålet med dette er, at kunne sammenligne de 3 løsninger og kunne udvælge den der har størst økonomisk gevinst. Besparelse* Tilbagebetalingstiden = Investering 134.127* 5 år = 670.635 - (765.000– 390.234) = 295.869 kr. 27 Der er som tidligere nævnt foretaget en analyse omkring optimeringspotentialet og overslagspris ved montering af en varmeveksler, se bilag nr. 13. Denne løsning er fravalgt idet den årlige besparelse kun udgør 49.481 kr., hvorfor besparelsen sammenlignet med de to andre løsningsforslag anses for betydeligt mindre og derved vurderes ikke at kunne opnå samme effekt som de andre løsninger. 4.2.4 Økonomisk afsnit Sammenligningen af løsningerne, plus optimerings potentialet, har givet følgende resultat. Den direkte løsning har klart det største potentiale, hvor det vurderes at den årlige besparelse energimæssigt vil ligge omkring 243.230 kr. Endvidere er den tilbageværende investeringssum 516.596 kr. Derfor kan det herved udledes at løsningen genereret gennem at køle direkte på distributionstanken og levere til fjernvarme, vurderes som den mest fordelagtige, hvorfor denne vil blive nærmere analyseret i nedenstående afsnit. For at give et retvisende billede af den økonomiske fordel skal det undersøges om de eksisterende pumper kan klare den nye belastning igennem veksleren. Følgende data vil blive brugt som modstandskoefficient, ud fra Grundfos´ tryktabstabel, er det ikke muligt at finde data for den enkelte komponent, antages en værdi ud fra kendte standardværdier for andre anlægskomponenter, se tabel 3 Tabel 3, Udsnit af Grundfos´ tryktabstabel Modstande for 6” rør Komponent Modstands koefficient 90° bøjning 2,5 T-stykke 9 20,5 Sugeside = 3 bøjninger og 1 T-stykke + rør = 2,5*3+9+4m = 100 ∗ 4,61=> Trykside = 5 bøjninger og 8T-stykker + rør =2,5*5+ 9*8 + 14 m = 98,5 ∗ 100 4,61 = = 0,94 mVs = 4,54 mVs Ud fra flowet 165m3/h findes tryktabet pr. 100 lige rør for et 6” rør hvilket er oplyst til 4,61 Sammenlagt giver det et tryk på 5,48 mVs. Det oplyses fra Cronborg, at der typisk regnes med 20 kpa i tryktab gennem veksleren for at sikre god turbulensstrømning, i værste tilfælde bruges 30 kpa, Se bilag nr. 6. Der tages i beregningen ikke hensyn til temperaturforskelle, da massefylden varierer så lidt og derved bruges densiteten for vand ved 4 grader. Beregningen for tryk bruges til at finde pumpens maks. tryk 0,88 28 bar, som ses nedenstående. Der aflæses på fordamperpumpens mærkeplade data omkring pumperne, hvilket har ledt frem til nedenstående anlægskarakteristik tabel 2. Ptrykmaks = ρ*g*h 1000*9,82*9 *10-5 => = 0,88bar Ptryk aktuelt = ρ*g*h 1000*9,82*5,48*10-5 => = 0,53bar Pveksler = 30kpa*10-5 = 0,30bar => Anlægskarakteristikken kan nu indtegnes i Excel, hvor pumpeanlægget ses som et lukket anlæg, da rørsystemet er fyldt og lukket. Væsken vender tilbage til udgangspunktet og derfor er Hstart = 0,0. Htab = K*Q2 Resultat af pumpekarakteristikken i Excel, tabel 2. Tabel 2, anlægskarakteristik, efter egen tilvirkning Det sorte kryds symboliserer pumpens mærkedata. Anlægskarakteristikken er laves ud fra forholdet mellem tryktabet og flowet i anden potens, hvor anlægsmodstanden K findes til 0,000217. Varmepumpens nødvendige flow bliver udregnet 𝑃𝑜 M= 𝑐𝑣∗∆𝑡 => 366 4,19∗(5−2) =21,8kg/s*3,6= = 104,8m3/h Via ovenstående beregninger gives nu et argumenteret gæt på at pumpen godt vil kunne overvinde gennemløbet af varmepumpen, se bilag nr. 12. Men da det ikke er muligt at fremskaffe pumpekarakteristikken eller at lave en flow- og differenstryks-måling ses det som usikkert og derfor regnes 29 med worst case. Endvidere vil en pumpe ikke kunne levere den tilstrækkelige kapacitet og derfor skal der køre 2 pumper under maks. belastning. Det betyder at varmepumpen skal have sin egen kreds. Pumpen skal kunne flytte 104,8 m3/h vand og der tages igen udgangspunkt i en listepris fra Cronborg. Det forudsættes at pumpens NPSH er i orden, og at den kan klare belastningen. Prisen for pumpen er 41.642 kr. inkl. frekvensomformer. Se bilag nr. 7 Nu kan der laves en økonomisk betragtning, hvor hoveddelene til installationen er taget med. Følgende udregning omkring kondensatordelen er antagelser ud fra kvalificeret gæt. Det vil sige reduktioner omkring vandforbruget ved køletårn, el forbruget ved køletårnet herunder kondensator pumpe og ventilator. 30 Ud fra ovenstående regnskab kan det ses, at rør og diverse ikke er postuleret, der gives i stedet for en udregnet pris, som installationen må koste inklusiv arbejdsløn. Der vil i udregningen blive brugt nedenstående formel. Overslag over hvad monteringen af opbygningen må koste for at holde tilbagebetalingstiden på de 5 år. Investeringen inkluderer varmpumpen og energi tilskuddet. Besparelse* Tilbagebetalingstiden = Investering 254.250* 5 år = 1.271.250 - (1.090.000+41.642) + 390.446 = 530.054 kr. Ud fra ovenstående kan det udledes at den direkte løsning vil kunne monteres for den tilbageværende investeringssum. 31 Kapitel 5: Diskussion Det kan af analyseafsnittet udledes at der i arbejdet med projektet har været enkelte metoder som har forårsaget usikkerheder i forhold til analysens resultater. De største usikkerheder i analysen omhandler de cirkulationspumper der anvendes i den eksisterende del af køleanlægget. Det kunne have været ønskeligt at tage en differenstrykmåling og en flowmåling på fordamperpumperne, men dette var ikke muligt i denne omgang. Pumpeforholdet er derfor et argumenteret bud, som antages at ligge op af de virkelige forhold. Det samme gælder for sikkerhedsreglerne omkring brugen af R290. Her må der henvises til en samtale med Rolf Christensen fra arbejdstilsynet som henviser til standarten DS 378-1, som udspecificerer reglerne omkring R290. Det kan dog fastslås at R134a ikke har nogen skærpende sikkerhedskrav i forbindelse med brugen af kølemidler og derfor vil det være betydelig lettere at bruge. Begge løsninger kan udføres i praksis, men af ovenstående analyser ses der tydelig forskel i det økonomiske grundlag. Den direkte løsning vil give den bedste driftsøkonomi, men er også den installation der kan give problemstillinger, idet den skal opstilles i det fri eller på taget. Det vurderes, at det er muligt at installere den direkte løsning på ydersiden af kølerummet og derved lette sikkerhedskravet. Kaskadeløsningen er let at installere og her spiller pladskrav ingen rolle, men den har desværre ikke så god en driftsøkonomi som den direkte løsning. Den endelig anbefaling til Sydvestjysk sygehus ses beskrevet nedenfor. Kapitel 6: Anbefaling For løsningen af problemstillingen anbefales det SSE, at anvende den direkte løsning, hvor der køles på distributionstanken og genvindes til fjernvarme. Dette vurderes at give den største rentable gevinst. Det anbefales dog, at bruge et andet kølemiddel end R290, for at undgå unødvendige sikkerhedsproblemer. Propan er eksplosiv og derfor skal varmepumpen monteres på ydersiden af kælderrummet. Ved valget, af et andet kølemiddel giver det mulighed for at flytte varmepumpen ned i kølerummet og derved samle kølekompressorerne, hvilket ses som en fordel for det tekniske personale. Samlet set vil monteringen af varmepumpen også blive billigere idet huller gennem betonvægen og ekstra rørlængde spares væk. Derudover anbefales det, at varmepumpeunitten har sin egen vandkreds igennem distributionstanken. Dette grundet at pumpestyringen herved bliver simpel og enkelt og i de fleste henseender driftssikker. Yderligere vil pumpen blive dimensioneret efter det nødvendige behov, hvilket kan reducere effekttilførelsen, og derved etablere en yderligere besparelse. 32 Kapitel 7: Konklusion Formålet med projektet har været at undersøge, hvordan SSE kan opnå en reduktion af spildenergien uden at gå på kompromis med tilbagebetalingstiden, og derved styrke SSE´s muligheder for at efterleve kravet om, at opnå en reduktion af det totale energiforbrug. Undersøgelsen af den første hypotese, Ved at hæve kondensatortrykket og levere det varme brugsvand direkte, holdes tilbagebetalingstiden under de 5 år, kunne ikke verificeres. Der blev dog set et potentiale i opbygningen, som gav anledning til en ny hypotese. Ved at hæve trykket på kondensatoren til 14,9 bar og booste brugsvandet og derefter lade fjernvarme opvarme resten, vil det være muligt at holde tilbagebetalingstiden under 5 år. Her viste analysen, at løsningen med at levere til brugsvand ikke var muligt, men at det derimod var muligt, at levere til fjernvarme til internt brug. Der blev nu analyseret ud fra 3 muligheder, en direkte løsning, hvor en varmepumpe kølede direkte på distributionstanken og leverede en varmeydelse på 500kW til fjernvarme stikket og den oprindelige hypotese, ved at optimere køleanlægget med en varmepumpe og bruge varmepumpen til at hæve temperaturen, vil investeringen matche tilbagebetalingstiden, på de 5 år, samt en sidste hvor der blev monteret en varmeveksler, mellem kompressorer og kondensator, alle blev verificeret Dette resulterede i at alle løsninger var mulige rent praktisk. Dog var der forskel, hvis der blev set på de 3 løsninger ud fra et økonomisk perspektiv. Her blev den direkte løsning fundet som værende den mest rentable. Idet der ud fra analysen kunne fremvises en tilbageværende investeringssum på 530.054 kr. ved en 5 årig tilbagebetalingstid. Det betyder, at SSE har mulighed for at opbygge den valgte løsning for 530.054 kr. som derved inkluderer rør, arbejdsløn og diverse indkøringer. Det kan konkluderes, at den valgte løsning vil kunne hjælpe SSE med, at nå deres mål med en reduktion af energi forbruget med 16 % frem til 2016 og samtidig overholde tilbagebetalingstiden på de 5 år. Kapitel 8: Vurdering Vurderingen er lavet med henblik på at evaluere validiteten af de anvendte kilder. Der blev i projektet brugt en køleleverandør til at fastlægge listepriser og generel rådgivning. Data og oplysninger fra Cronborg blev i projektet behandlet ukritisk, da samarbejdet blev set som en sparringspartner. Det vurderes dog at have været mere optimalt at have anvendt minimum 2 producenter, men da Cronborg overordnet set kun har leveret listepriser og sparring, ses kilden som valid. 33 Den varmeste dag er oplyst af DMI og da andre firmaer bruger DMI til vejrdata, ses data fra DMI altid som valid. Yderligere bruges data omkring varmeovergangstal og varmeledningstal fra tidligere undervisningsnotater, hvilket er afgørende for resultatet. Validiteten af resultaterne kan være svære at vurdere, men det antages at ligge i det leje, og derfor ses de som brugbare. Der benyttes cool pack som beregningsgrundlag, hvilket er brugt ukritisk. Der sættes ikke spørgsmålstegn ved validiteten af programmet, da det er et undervisningsprogram der bliver brugt generelt i undervisningen på maskinmester uddannelsen. Grundfos’ tryktabstabel blev brugt som data til vurdering om fordamperpumpen ville kunne klare den nye belastning. Grundfos’ er specialister i pumper og vurderes som en valid og pålidelig kilde. Alle teorier, der benyttes i projektet tager udgangspunkt i fagbøger der benyttes på maskinmester uddannelsen, eller er anerkendte metoder i faget. Kapitel 9: Perspektivering I dette kapitel præsenteres nogle af de yderligere undersøgelsesmuligheder, som blev identificeret gennem udarbejdelsen af projektet. På baggrund af analysen af optimeringspotentialet ses det, at der er flere muligheder. Det kunne være interessant at undersøge muligheden for at hæve temperaturen fra distributionstanken med i analysen. Dette vil kunne resultere i en hævning af fordampertemperaturen og derved forbedre driften af køleanlægget. Derudover vurderes det, at det i henhold til en videre undersøgelse af problemstillingen, hos SSE, kunne være interessant, at undersøge muligheden for at slukke for alle de decentrale køleanlæg og kun bruge det centrale køleanlæg hele året, og derved få flere driftstimer. 34 Kapitel10: Litteraturliste 10.1 Bøger: Heilmann, T. 2009. Pumpe drift og energi (5. udgave) Forlag Heilmann. Heilmann, T 2011. Praktisk regulering og instrumentering (6. udgave) Forlag Heilmann Maskinmestrenes forening 2013, Håndbog for Maskinmestre, bind 1 og 2 (10.udgave) Instruktionsbog for vandkølingsanlæg, Esbjerg sygehus. Instruktionsbog for Kompressorer, Esbjerg sygehus. Nielsen, E. 2013. Noget om køleteknik bind 1 og 2 (4. Udgave) Forlag Eigel.dk 10.2 Online: Dato: ( 2015. 25.04) http://www.elforsk.dk/elforskProjects/341-026/Fremtidens_koeletaarn_341-026.pdf http://www.coolcare.dk/PDF/Casehistorier/Kulde311.pdf https://www.kmo.dk/Dokumenter/K%C3%B8lemiddeloversigt.pdf http://esbjerg.dinforsyning.dk/fileadmin/user_upload/Kundeservice/Prisblade/Priser_2014/Esbjerg_Forsyn ing_-_Priser_2014.pdf http://www.cronborg.dk/Produkter.aspx 1 Kapitel 11: Bilag Bilag nr. 1 Projektvirksomhed Emner Skribent Vejledere Problemstilling Problemformulering Hypotese Metode Sydvestjysk Sygehus Procesoptimering af køleanlæg Torben Nielsen Stud. Nr. E20121028 [email protected] Claus Pedersen lektor [email protected] Rikke Andreassen lektor [email protected] Lasse Bo Madsen maskinmester [email protected] Det centrale Køleanlæg på Sydvestjysk Sygehus genbruger ikke den spildenergi som køleanlægget producerer ved drift. Der forventes fra teknisk afdeling en løsning på problemstillingen hvor tilbagebetalingstiden er under 5 år. Hvordan opnås en reduktion af spild energien uden at gå på kompromis med tilbagebetalingstiden. - Ved at optimere køleanlægget med en varmepumpe og bruge varmepumpen til at hæve temperaturen, vil investeringen matche tilbagebetalingstiden, på de 5år. - Ved at hæve kondensator trykket og levere det varme brugsvand direkte holdes tilbagebetalingstiden på de 5år. - Indsamle drift data og anlægsdata omkring køleanlæg via cts-anlægget og møde med drift ansvarlig. Opnå drift forståelse gennem diagrammer og møde med drift ansvarlig Analyserer køleanlægget Opstille beregninger omkring kuldeydelse og cop-værdi via cool pack. Udvikle løsningsforslag via anlægstegning - i - Delopgaver - og kendte entalpier. Beregning af optimeringspotentialet. Via recool. Sammenlin løsningsforslag via økonomisk betragtning. Vurderer hvilken løsning der giver størst afkast. Konkluderer på baggrund af resultater og mulighed for praktisk udførelse. Proces analyse af det eksisterende køleanlæg. Klarlæg anlægskrav: priser, drifttimer og periode. Dimensionere forbruget af fjernvarme Valg af kølemiddel, ud fra placering og sikkerhed. Udarbejd en anlægstegning Gennem Cronborgs listepriser laves overslags pris. Sammenlin løsningsforslag og med henblik på besparelsen herunder tilbagebetalingstid. Pumpe valg på bagrund af tryktab og veksler. Bilag nr. 2 Drift tid kompressor. Tabellen tager udgangspunkt i de urer som registrerer kompressernes drift i perioden 1995- 2014, da urene registrer den totale drift tid for hver enkelt kompressor laves en tabel som dokumentation. Med hjælp fra Excel laves en tabel hvor gennemsnittet pr. år udregnes for hver enkelt kompressor. Kompressor nr. 1 2 3 Ur registrering h 16018,23 16962,65 6847,57 Antal år 19 19 19 Årlig drifttid h 843,0647 892,7711 360,3984 ii Da kompressorerne kører master/slave princip kan drift tiden ikke aflæses, men for at tjekke påstanden om de 1500 drift timer. Laves følgende beregning. 893*1,5 = 1339,5+ (360/2) = 1519 timer. Der vurderes ud fra det, at følgende data er brug bare. Bilag nr. 3 Referat af møde med drift ansvarlig. d.17.03. 2015 Medvirkende til møde var Lars Brinck og Torben Nielsen praktikant. Følgende data blev fastlagt ud fra Driftslederens erfaringer da det ikke er muligt at fremskaffe data. Køleanlægs drift tid årsbasis. 1500timer. Fra kl. 07.00 morgen til 22.00 aften i sommerperioden. Køletårnes set punkt blev fastlagt til 19 grader Ved en længere diskussion blev set-punktet for ventilatorerne fastsat. Problemet er at temperaturen svinger så meget at det ikke er muligt at holde de 19 grader, for ventilatoren mener Lars. Dog stå 19 grader som set-punkt opgivet til CTS-anlægget og derfor blev de 19 grader valgt. Bilag nr. 4 Udregning af Cop-værdien, ud fra Pel. Pel = 253,66kW 𝑃𝐸𝐿 Belastning i %= Ʃ𝑃 𝑘𝑜𝑚. => 𝑃𝑒𝑙 Pel pr. kom =𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 => 253,66 140+110∗2 253,63 3 => => = 0,704*100= 70,4% = 84,54 kW ηis=0,8 Aflæsning i Cool Pack: H1 =1461,84KJ/kg H2 = 1647,91<kj/Kg, H3 = 334,26Kj/Kg, H4 =334,26 Kj/Kg. iii H5= 210,58 Kj/Kg. H6 = 586,07 Kj/Kg Antaget en tørhedsgrad på 0,3 𝑃𝑒𝑙 = 𝑚𝑘𝑜𝑚.∗( 𝐻2−𝐻1) 𝜂𝑚∗𝜂𝑒𝑙𝑚 = 253,66 = Po = mkom.* (H1- H4) = 𝑋∗(1647,91−1461) 0,85∗0,9 = 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒 => 𝑋 = 1,04 1,04*(1461-334,26) = Fjernet varme i fordamper 1172,68 253,66 Cop = Tilført energi i kompressor = = 1172,68kW = = 4,62 Krydstjek af Cop-værdien Teknisk specifikationer Kompresser nr. 11740 Boring / Slaglængde Slagvol. v/ 1000 rpm Cylinderantal mm m3/h Stk. Model HC 8100 100/100 376 8 Kompresser nr. 11739 Boring / Slaglængde Slagvol. v/ 1000 rpm Cylinderantal mm m3/h Stk. Model HC 8100 100/100 376 8 Kompresser nr. 11738 Boring / Slaglængde Slagvol. v/1000 rpm Cylinderantal mm m3/h Stk. Model HC 8125 125/100 589 8 Aflæst V1 (Specifikt volumen af indsugede kølemiddel) via cool pack til 0,275 m3/kg Vr1 = ηv * Vc 0,75*0,104 = 0,078 Vr2 = ηv * Vc 0,75*0,163 = 0,122 = 0,078 0,275 = = 0,283kg/s m2 = 𝑉1 = 0,122 0,275 = = 0,443kg/s m1 = 𝑉𝑟 𝑉1 𝑉𝑟 Σm = m1*2+m2 = 0,283*2 +0,443 = = 1,01Kg/s Entalpierne genbruges fra skitse på cool pack iv Pkond = m*( H2-H3 ) = 1,01 * (1647,91-334,26 ) = = 1326,79KW Po = m* ( H1-H4 ) = 1,01 * (1461,84-334,26 ) = = 1138,86 KW Udregning af Cop 𝐾𝑢𝑙𝑑𝑒𝑦𝑑𝑒𝑙𝑠𝑒 1138,86 253,63 Cop = 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 = = = 4,49 Pkond = Po + Pi Pi = mkom* (H2-H1 ) = 1,04*(1647,91-1461,84) = = 193,51 kW Pkond = mkon.*( H2-H3) 1,04* (1647,91-334,26 ) = = 1366,2 kW Bilag nr. 5 Måler nr. 8N9D0173 = kompressor,cirkulations,distributions Via SVS logger system er der aflæst et energi forbrug på 274,15 KWh d. 10.07-14 Beregning af køle kapacitet. Cirkulations pumpe mærkeplade P2 = 7,5 KW Distributions pumper anslået samlet effekt P2 = 11 KW P1 = P1 = P2Cir. ηelm P2Dis ηelm = = 7,5 0,95 5,5 0,95 Samlet effekt forbrug pumper = 7,89kw *1,5 = 11,83KW = 5,78kw ∗ 1,5 = 8,68KW = 20,51KW ΣKompressor effekt Måler værdi = 274,15KW ΣPumper = 20,51 KW Kompressor effekt = 253,63KW v Bilag nr.6 Udskrift fra Esbjerg Forsyning, til dimensionering vi Bilag nr. 7 Data blad. Fra Cronborg Bilag nr. 8 Data blad. vii Bilag nr. 9 Liste priser fra Karsten Pedersen, Cronborg viii Bilag nr. 10 Teknisk data køleanlæg. ix x Bilag nr. 11 Pumpemodel: MBG 160 L48 F300-4 𝑃𝑜 = Ʃ𝑃𝑜 𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 Po Mv = 4,19∗𝛥𝑡 1172,68/3= = 390,89kW 390,89 4,19∗(5−2) =31,09*3,6 = = 111,9m3/h 366 4,19∗(5−2) =21,8kg/s*3,6= = 104,8m3/h Varmepumpeveksler: M= 𝑃𝑜 𝑐𝑣∗∆𝑡 => Maks. flow = 3*168 = = 504m3/h Nødvendigt flow 111,9*3+104,8 = 440,5m3/h Tjek op omkring virkningsgrader xi Bilag nr. 12 Tegning af opbygning med varmeveksler: Udregnning til vurdering af optimering med veksler Aflæsninger: H2= 1647,9kj/kg H2veksler = 1566,5kj/kg ƩPveksler =(h2- h2veksler)*m => Pr. veksler = (1647,9 – 1566,5)*1,04 = 84,58 3 Varmeydelse = 84,58kW = 28,19kW 84,58*1500 = 126.875kWh Dim af pumpe: xii Mv = 𝑃𝑣𝑒𝑘𝑠𝑙𝑒𝑟 4,19∗∆𝑡 28,19 4,19∗(65−6) = 0,113kg/s*3,6 = 0,40m3/h Der bliver ikke valgt en centrifugal pumpe til denne løsning men en cirkulationspumpe model 25-100. Overslag: Besparelse: Fjernvarme: 126.875kWh*0,39kr. = = 49.481kr. 126.875kWh*0,52kr. = = 65.975kr. 3 stk. Veksler model 50 = 53.700kr. 3stk. Pumper model 25-10 = 18.849kr. Tilskud: Energi tilskud: Indkøb Besparelse* Tilbagebetalingstiden = Investering 49.481* 5 år = 247.405 - (53.700+18.849) + 65.975 = 240.831 kr. Investeringen skal dække rørføring og montering. Det vurderes at besparelsen pr. år giver et for lille afkast i forhold til de andre løsninger. Derfor undersøges denne løsning ikke nærmere. xiii
© Copyright 2024