Optimering af ventilationssystem - FMS Moodle
27-05-2015 Optimering af ventilationssystem Uddannelse: Maskinmester Emne: Optimering af ventilationssystem Virksomhed: Nukissiorfiit, Sisimiut Kontaktperson: Distriktschef, Jan Zachariasen Skole: Fredericia Maskinmesterskole Vejledere: Adjunkt Leif Roest & Lektor Rikke Andreassen Afleveringsdato: 27. maj 2015 Normalsider: 38 sider Sider i alt: 82 sider Sider bilag: 29 sider Studienummer: E20122015 og E20122012 Nicolaj Witt: _____________________________ Jens Christian Ottosen: _____________________________ Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Indhold 1.0 Abstract ........................................................................................................................... 3 2.0 Indledning ........................................................................................................................ 4 2.1 Afgrænsning ................................................................................................................. 6 3.0 Metodeafsnit..................................................................................................................... 7 4.0 Anlægsbeskrivelse............................................................................................................. 9 4.1 Primære formål ............................................................................................................. 9 4.2 Anlægsopbygning ........................................................................................................ 10 4.3 Funktionsbeskrivelse .................................................................................................... 12 5.0 Indgangsanalyse ............................................................................................................. 13 5.1 Måleusikkerhed............................................................................................................ 13 5.2 Data indsamling........................................................................................................... 13 5.3 Data på udsugningsluften ............................................................................................. 19 5.4 Energi til opvarmning af indsugningsluften ..................................................................... 20 5.5 Kildekritik .................................................................................................................... 24 6.0 Genvendingsanlæg.......................................................................................................... 25 6.1 Præsentation – hvorfor varmepumpe ............................................................................ 25 6.2 Placering af veksler ...................................................................................................... 25 6.3 Varmepumpetyper ....................................................................................................... 26 6.4 Cronborg varmepumpe................................................................................................. 28 6.5 Varmetab .................................................................................................................... 30 6.6 Energi og COP ............................................................................................................. 31 6.7 Besparelse .................................................................................................................. 32 6.8 Kildekritik .................................................................................................................... 36 6.9 Del konklusion ............................................................................................................. 36 7.0 Recirkulationssystem ....................................................................................................... 37 7.1 Præsentation – hvorfor affugtning ................................................................................. 37 7.2 Placering af recirkuleringskanal ..................................................................................... 37 7.3 Valg af affugter princip ................................................................................................. 39 7.4 Adsorptionsaffugter ..................................................................................................... 41 7.5 Cotes adsorptionsaffugter ............................................................................................. 42 7.6 Indvirkning på indeklima .............................................................................................. 43 7.7 Besparelse .................................................................................................................. 44 Side 1 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 7.8 Kildekritik .................................................................................................................... 49 7.9 Del konklusion ............................................................................................................. 49 8.0 Tilbagebetalingstid .......................................................................................................... 50 8.1 Pay-back metode ......................................................................................................... 51 8.2 Genvindingsanlæg ....................................................................................................... 52 8.3 Recirkulationssystem.................................................................................................... 54 8.4 Kildekritik .................................................................................................................... 55 8.5 Del konklusion ............................................................................................................. 56 9.0 Diskussion ...................................................................................................................... 57 10.0 Konklusion .................................................................................................................... 58 11.0 Perspektivering ............................................................................................................. 60 13.0 Litteraturliste ................................................................................................................ 62 13.1 Hjemmesider ............................................................................................................. 62 13.2 Bøger og kompendier ................................................................................................. 63 Bilag 1 ................................................................................................................................. 64 Bilag 2 ................................................................................................................................. 66 Bilag 3 ................................................................................................................................. 68 Bilag 4 ................................................................................................................................. 69 Bilag 5 ................................................................................................................................. 71 Bilag 6 ................................................................................................................................. 73 Bilag 7 ................................................................................................................................. 74 Bilag 8 ................................................................................................................................. 76 Bilag 9 ................................................................................................................................. 77 Bilag 10 ............................................................................................................................... 79 Bilag 11 ............................................................................................................................... 80 Bilag 12 ............................................................................................................................... 81 Bilag 13 ............................................................................................................................... 82 Bilag 14 ............................................................................................................................... 83 Side 2 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 1.0 Abstract This study is made on behalf of Nukissiorfiit, as a part of their overall goal of reducing their energy consumption. The study is about an optimization project of the ventilation system on the hydroelectric plant of Nukissiorfiits in Sisimiut. The purpose of this project is to reduce the current electricity use in the heating process of the intake air in the ventilation system. There was found two suggested solutions in relation to the optimization project. The first dealt with a recovery solution with the use of a heating pump, the second dealt with a recirculation solution with the use of a dehumidifier. Regarding the study, there has been made a number of measurements on the ventilation system and the indoor environment in the hydroelectric plant. After the measurements were processed, there was made a duration diagram of the fresh air and a calculation of an overall annual energy consumption for heating the intake air in "step A1" with 408 593 kWh / year. Furthermore there was found a large energy recovery potential in the exhaust air, because the air was measured with a temperature of 16.5 oC. After analyzing the two suggested solutions, the results showed that both of the solutions reduced the energy consumption on the electrical heating device. Although the recovery solution with the use of a heating pump ended up with a practically greater potential, because of its ability to save 214 986 kWh / year, which compared to the current consumption is a saving of 52.6 %. This large reduction gave an acceptable payback time of 1.82 years. The recirculation solution with the use of a dehumidifier was able to save 52 762 kWh / year, which is a saving of 12.9% compared to the current consumption. This reduction gave a payback time of 8.42 years. Although the recirculation solution was not as effective as the previous solution, the added dehumidifier could be useful for the indoor environment in the hydroelectric plant during the summertime, due to the high humidity in the intake air. The study concludes that the recovery solution with the use of a heating pump is the most optimal solution due to its ability to reduce the overall energy consumption in the hydroelectric plant. Side 3 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 2.0 Indledning Dette projekt er udarbejdet som afsluttende bachelorprojekt på Fredericia Maskinmesterskoles 6. semester. Problemstillingen er udarbejdet i samarbejde med Nukissiorfiit. Nukissiorfiit er et energiforsyningsselskab, som producere og levere vand, varme og elektricitet til det grønlandske folk. Nukissiorfiits mål er at levere pålidelig og miljøbevist energi, hvilket har medført, at der gennem årende er blevet opført en række vandkraftværker rundt omkring i Grønland. Et af disse vandkraftværker blev opført i 2009, ca. 30 km nord øst for Sisimiut. Vandkraftværket ved Sisimiut er opført inde i et fjeldet, og ligger for enden af en ca. 120 meter lang adgangstunnel. Siden opførslen har vandkraftværket alene stået for produktionen af elektricitet til Sisimiut. Vandkraftværket består af 2 turbiner på hver 7500 kW, og da Sisimiuts samlede el forbrug til dagligt ligger på omkring 5000 kW, har Nukissiorfiit, siden opførslen af vandkraftværket, anvendt elektrokedler til produktion af fjernvarme. Elektrokedlerne anvender kun den grønne el fra vandkraftværket, hvilket yderligere har været med til at forstærke Nukissiorfiits grønne profil, da fjernvarmeproduktionen ellers tidligere udelukkende kom fra oliefyrede kedler. Vandet der driver turbinerne i vandkraftværket kommer fra en sø, som ikke har nogen direkte vandforsyning, vandniveauet i søen er i stedet styret af mængden af nedbør, samt smeltevand fra de omkringliggende fjelde. I de første 5 år har vandniveauet ikke skabt problemer, da der har været rigeligt med nedbør og smeltevand, men i sommeren 2014 begyndte vandniveauet i søen at falde. Det faldne vandniveau betød at det ikke længere var muligt, at køre fuldlast på turbinerne, da der ellers vil opstå en risiko for at vandtrykket blev for lavt senere på året. Da vandkraftværket var blevet reduceret i last, medførte det at der igen måtte fyres op i oliekedlerne til fjernvarme, da temperaturen begyndte at falde op til vinteren. At køre med de oliefyrede kedler, er både dyrere og langt mere miljøbelastende i forhold til den ”gratis”, grønne energi fra elektrokedlerne. Nukissiorfiit, Sisimiut har derfor valgt at sætte endnu større fokus på deres egetforbrug, netop for at kunne spare på elektriciteten, og derved direkte spare på vandet i søen. Hvis Nukissiorfiit kunne nedbringe deres egetforbrug, ville de altså både spare på deres forbrug, og tjene flere penge, da omkostningerne til produktion af fjernvarme ville falde, hvis de i stedet for at køre med de oliefyrede kedler kunne anvende elektrokedlerne. Nukissiorfiit er i forvejen godt i gang med at nedbringe deres egetforbrug, de har blandt andet en CSR-politik, hvis overordnede mål er, at nedbringe netop egetforbruget med 10 % inden 2017. I forbindelse med arbejdet omkring nedbringelse af egetforbruget har Nukissiorfiit, Sisimiut bedt om en kortlægning af deres interne egetforbrug. Med baggrund i kortlægningen blev der valgt, at stille særlig fokus på ventilationssystemet på vandkraftværket, som særligt i vinterhalvåret har et stort egetforbrug. Grunden til det store egetforbrug skal findes i valget af varmeaggregat, til opvarmning af den kolde indsugningsluft. I forbindelse med opførslen af vandkraftværket blev det bestemt, at varmen til opvarmning af indsugningsluften udelukkende skulle komme fra en elektrisk-varmeflade. Side 4 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Problemstillingen: - Dette projekt vil behandle problemstillingen omkring nedbringelse af egetforbruget, i form af udvikling af en alternativ opvarmningsmetode til supplering af den elektriske-varmeflade. På baggrund af problemstillingen blev der fremlagt følgende problemformulering: - Hvordan er det muligt med en alternativ opvarmningsmetode, at reducere egetforbruget til opvarmning af indsugningsluften i ventilationssystemet, således at det fortsat er muligt, at imødekomme kravene til indeklimaet i vandkraftværket? Til besvarelse af problemformuleringen, bliver der arbejdet med tre hypoteser: - Den ene hypotese tager udgangspunkt i et recirkulationssystem. Ved at installere et recirkulationssystem i det eksisterende ventilationssystem, vil den varme udsugningsluft kunne opblandes med den kolde indsugningsluft, og derved direkte overføre den, ellers tabte varmeenergi fra udsugningsluften. For fortsat at kunne sikre affugtning af vandkraftværket, skal den recirkulerede udsugningsluft affugtes, inden det kan opblandes i indsugningsluften. Det forventes at et sådant system, vil medføre en reduktion af energiforbruget til opvarmning af indsugningsluften med omkring 10 %. - Den anden hypotese omhandler anvendelse af et genvendingsanlæg. Ved at installere et genvendingsanlæg i ventilationssystemet, hvori der gøres brug af en varmepumpe til at hæve differens temperaturen over vekslerne, forventes det at den varme udsugningsluft kan genanvendes til opvarmning af indsugningsluften, og derved medføre en energimæssig gevinst for Nukissiorfiit. Det forventes at et sådant anlæg, vil medføre en reduktion af energiforbruget til opvarmning af indsugningsluften med omkring 20 %. Endelig vil en sidste hypotese behandle tilbagebetalingstiden: Ved behandling af hypoteserne omkring genvending og recirkulering, forventes det at de begge vil medføre en reduktion af Nukissiorfiits egetforbrug, da de begge vil medvirke til en reduktion af belastningen på ventilationssystemets elektriske-varmeflade. Det forventes samtidigt at begge hypoteser vil reducere energiforbruget i et sådant omfang, at der vil være en tilbagebetalingstid på maksimum 2 år for genvendingsløsningen, og 1 år for recirkulationsløsningen. Formålet med projektet vil derfor være at undersøge, hvor meget energi der er i udsugningsluften, og hvor meget af den energi der kan anvendes til opvarmning af indsugningsluften, ved henholdsvis, recirkulering eller genvending. Herefter vil begge hypoteseres potentiale blive diskuteret, og der vil på baggrund af undersøgelsen blive indhentet tilbud på ét recirkulationssystem og ét genvendingsanlæg. Disse tilbud vil blive holdt op imod den årlige besparelse, og der vil til sidst blive udregnet en tilbagebetalingstid. Foruden tilbagebetalingstiden, vil den årlige besparelse i form af reduceret eget forbrug, samt den procentvise årlige energi besparelse blive beregnet. Side 5 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 2.1 Afgrænsning Vi kommer i denne rapport kun til at arbejde med en del af ventilationssystemet. Da der er tale om et meget stort anlægssystem, som er opbygget af to seriekoblede aggregater, vil behandling af begge hypoteser tage udgangspunkt i en placering i det første aggregat (A1). Det efterfølgende aggregat (A2) vil således kun indgå i rapporten i forbindelse med den samlede anlægsbeskrivelse. For at undgå, at projektet bliver for omfattende og overfladisk, vil der i forbindelse med udarbejdelsen af analysen, ikke blive taget højde for turbulente strømninger og eventuelle lækager i ventilationssystemet. Dette er blevet bestemt på baggrund af den meget begrænsede adgang, som er til vandkraftværket henover vinteren, og det har derfor ikke været muligt, at komme derud og lave de nødvendige målinger omkring lækager. Samtidig har disse indvirkninger minimal indflydelse på flowmængde og modstand, i forhold til måleusikkerheden ved flowmålinger. Gennem hele rapporten vil massefylden og varmefylden blive anvendt ud fra faste værdier ved en lufttemperatur på 20 oC ved atmosfærisk tryk på 101,3 kPa1. Massefylden 1,2 kg/m3, og varmefylden 1 kJ/kg*oC. I forbindelse med behandling af hypotesen omkring recirkulering, vil undersøgelsen udelukkende tage udgangspunkt i leverandørkravene til indeklimaet i vandkraftværket. Disse krav vil blive fastsat ud fra de nuværende temperature og fugtigheder på indeklimaet. Dette er blevet valgt, da en undersøgelse af samtlige elementers individuelle krav til indeklimaet, vil blive alt for omfattende i forhold til projektets egentlige problem. Der vil derudover ligeledes i forbindelse med behandling af hypotesen omkring genvending, også blive taget udgangspunkt i leverandøroplysningerne omkring tryktab over genvendingsvekslerne. Dette er nødvendigt, da besvarelsen af hypotesen omkring genvending, udelukkende kan ses som et investeringsforslag, og det er derfor ikke muligt at udføre de reelle forsøg, omkring tryktab. Der vil i forbindelse med valg af varmepumpe og affugter i de to hypoteser, ikke blive taget højde for den rent logistiske del i form af den fysiske placering af varmepumpe og affugter. Dette er blevet valgt, da det vil blive alt for omfattende at få en fagkyndig, specielt til Grønland, for at vurdere hvordan varmepumpen og affugteren skulle placeres. Der vil således kun blive taget højde for placering af den rent tekniske del, som direkte har noget med selve energibesparelsen at gøre. Med teknik del, menes der placering af veksler og recirkulationskanal i det eksisterende ventilationssystem. Projektet behandler ligeledes ikke styring- og reguleringstekniske løsninger i forbindelse med dimensionering af genvendingsanlæg og recirkulationssystem. Dog kalkuleres der med en udgift til indregulering, i forbindelse med tilbagebetalingsberegninger. 1 Fra tabelværdi i bogen ”Ventilationsståbi” side 41 Side 6 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 3.0 Metodeafsnit I dette afsnit vil der blive præciseret hvilke metoder, som vil blive anvendt i forbindelse med problemløsningen. Efter at have lavet en kortlægning af Nukissiorfiit’s interne egetforbrug af el, blev der rettet særlig fokus mod vandkraftværket’s ventilationssystem, hvis el forbrug skældte sig ud, ved at være betydeligt større end de andre interne forbrugere. Kortlægningen af el forbrug i Sisimiut blev udarbejdet ved brug af datalogning fra elmålere. Egetforbruget på vandkraftværket blev efterfølgende kortlagt på baggrund af interview med driftschef for EL-afd. John Thomsen. Projektet påbegyndes med et interview af driftschef for EL-afd. John Thomsen for at få klarlagt driften af ventilationssystemet. Interview er valgt, da rigtigheden af dokumentationen ikke kunne garanteres pga. tidligere ændringer og forbedreringer af anlægget. Dette interview vil ligeledes blive brugt i et afsnit omkring anlægsbeskrivelse, som kort vil forklarer hvorledes ventilationssystemet er opbygget, og hvordan det fungere. Til fastlægning af den energimængde, som årligt bruges til opvarmning af indsugningsluften, vil blive opstillet et varighedsdiagram for friskluften. Metoden er valgt, da der ikke er logninger, fra trendkurver eller elmålere, af el forbruget til el varmefladen i indsugningskanalen. Varighedsdiagrammet vil derfor være det mest retvisende redskab til beregning af el varmefladen årlige energiforbrug. Problemformuleringen vil blive undersøgt inden for følgende teoretiske aspekter: Ventilationsteknik Køleteknik Økonomi - Ventilationsteknikken vil blive anvendt i forbindelse beskrivelse af hvordan ventilationssystemet ventilere tunnel og kraftstation, samt hvordan luftens tilstandsændring igennem anlægget. Derudover vil teorien omkring affugter, blive vist ved hjælp af mollier diagram. - Køleteknik skal belyse teorien omkring varmetransmission, som vil danne grundlag for samtlige energiberegninger gennem projektet, Derudover vil der også blive anvendt kølediagrammer i forbindelse med valg af kølemiddel til varmepumpe. - Økonomien skal anvendes til besvarelse af hypotesen omkring tilbagebetalingstid. Der vil i forbindelse med beregning af tilbagebetalingstiden for både genvendings hypotesen og recirkulerings hypotesen, blive taget udgangspunkt i teorien omkring simpel tilbagebetalingstid. I disse beregninger vil både tage højde for investering- og opsætningsudgifter samt efterfølgende vedligeholdelsesudgifter. Side 7 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Data fra ventilationssystemet vil blive indsamlet ved måling af flow, temperatur og fugt i ventilation, og i selve vandkraftværket. Vejrstationer ved Sisimiut, samt ved vandkraftværket skal danne grundlag for data omkring temperatur og fugt i friskluften. Disse bearbejdes ud fra tidligere nævnte teorier, således at data benyttes sammen med analysen. Beregninger foretages for at klarlægge varmebehovet i tunnelen, som skal holdes op mod den mulige besparelse ved det nye anlæg. Analyseafsnittene omkring de tre hypoteser, vil til sidst danne baggrund for en diskussion hvor teori, databeregninger og økonomi skal bearbejdes. Diskussionen skal sammen med analyseafsnittene danne grundlag for en egentlig konklusion, hvor den bedste løsning til reduktion af egetforbruget i ventilationssystemet kan bestemmes. Side 8 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 4.0 Anlægsbeskrivelse Følgende afsnit skal danne grundlag for en bedre forståelse af ventilationssystemets opbygning, og derved en bedre forståelse af den efterfølgende teori, som vil blive gennemgået i forbindelse med besvarelse af problemformuleringen. 4.1 Primære formål Ventilationssystemet i vandkraftværket blev installeret med tre primære formål: Ventilere luften i adgangstunnel, således fugtigt luft blev udskiftet med frisk luft. Sikre vandkraftværksanlægget mod kulde og frost om vinteren. Sikre et konstant overtryk i kraftstationen. - Det fugtige miljø er et produkt af vandkraftværkets placering, og stammer fra vandnedsivning det vil sige vand, som via små sprækker i fjeldet er sivet ned fra fjeldets overflade. I forbindelse med udsprængning til vandkraftværket begyndte nedsivningsvandet at sive ud af væggene, hvilket er årsagen til det fugtige miljø. For at sikre såvel mekanik som elektronik mod korrosion, er det ventilationssystemet opgave, at levere den tilstrækkelige luftudskiftning, således at luftfugtigheden kan holdes nede. - I Grønland svinger temperaturen meget fra sommer til vinter. Omkring Sisimiut kan temperaturen i vintermånederne komme helt ned omkring – 30 oC. Temperauren inde i fjeldet vil aldrig, naturligt, blive så lav, da fjeldets masse vil isolere mod de store temperaturudsving, og derved bibeholde en rimelig konstant temperatur året rundt. Men på grund af kravet om luftudskiftning til affugtning af indeklimaet, er det nødvendigt at opvarme indsugningsluften, for at kunne opretholde en optimal driftstemperatur i vandkraftværket. Derudover sikre en opvarmning af indsugningsluften, at luften pr. kg. kan indeholde mere fugt, hvilket er en fordel i forbindelse med affugtning af indeklimaet. Setpunktstemperaturen i adgangstunnelen kan manuelt indstilles fra 8 til 16 oC, på nuværende tidspunkt er setpunktstemperaturen i adgangstunnelen sat til 12 oC. - Der blev i forbindelse med opførslen af vandkraftværket stillet krav til at ventilationssystemet skulle sikre et overtryk i kraftstationen. Argumentet for dette var, at vandkraftværket i forbindelse med driften bruger en lille mængde luft, og for at minimere risikoen for undertryk, blev det bestemt, at der altid skulle herske et lille overtryk i kraftstationen. Luft flowet på ind- og udsugningsluften er altså ikke den samme, indsugningsflowet er større end udsugningsflowet pga. luftforbruget i kraftstationen. Side 9 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 4.2 Anlægsopbygning Ventilationssystemet er opbygget i to step. Figur 1 - Billede fra SRO-system Første step (A1) er placeret ved indgangen af adgangstunnelen, i portalbygningen, og er bestående af et indsugningsaggregat, og et udsugningsaggregat (se figur 1). Indsugningsaggregatet er opbygget af en række komponenter, hvor hovedkomponenterne er ventilatorfanen, den elektriske varmeflade (79,9 kW varmeeffekt)2, et filter samt en række spjæld. Den opvarmede indsugningsluft fra step A1 blæses ind ved indgangen til tunnelen. Udsugningsaggregatet er ligesom indsugningsaggregatet bestående af en række spjæld, men i stedet for en ventilatorfane, er udsugningsaggregatet opbygget med to parallelkoblede faner. Den ene fane anvendes i forbindelse med den daglige drift, hvor den anden udelukkende anvendes i tilfælde af brand3. Andet step (A2) er placeret i modsatte ende af adgangstunnelen (se figur 2), ved indgangen til kraftstationen, og består ligeledes af et indsugningsaggregat, og et udsugningsaggregat. Indsugningsaggregatet i A2 er ligesom A1 bestående af en ventilatorfane, en elektrisk varmeflade, et filter samt en række spjæld. Udsugningsaggregatet fra kraftstationen er kun besående af en række spjæld, hvilket betyder at den samlede udsugningskraft udelukkende styres af udsugningsventilatoren i A1. 2 3 Bilag 1 - Datablad på varmeflade til indsugning i portalbrygningen Bilag 12 – Billede af udsugningskanalen Side 10 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Figur 2 – Plantegning af adgangstunnel Udsugningsaggregaterne i A1 og A2 er derfor sammenkoblet med en ventilationskanal, som er ført under loftet i adgangstunnelen, hele vejen fra kraftstationen til portalbygningen (se figur 2)4. Figur 3 - Princip skitse af step A1 Derved tvinges indsugningsluften gennem kraftstationen, da der ikke sker nogen direkte udsugning fra selve adgangstunnelen. Princip skitsen over step A1 (Figur 3), skal danne grundlag for en bedre forstående af placering af de efterfølgende optimeringer, i forbindelse med behandling af de to hypoteser. 4 Bilag 13 – Billede af udsugningskanalen der løber under loftet Side 11 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 4.3 Funktionsbeskrivelse For at sikre de primære opgaver med opvarmning, affugtning og overtrykssikring, er flowet på ventilatorerne fastsat således, at der altid opnås den størst mulige udskiftning af luft. Temperaturen på indsugningsluften styres udelukkende af regulering på el varmefladens effekt. I forbindelse med meget lave udetemperaturer (under -18oC), kan el varmefladen ikke nå at varme luften tilstrækkeligt op pga. det store luft flow. Derfor nedreguleres ventilatorerne, således at indsugningsluften fortsat kan opnå den ønskede temperatur. Nedreguleringen betyder dog, at der må gås på kompromis med luftudskiftningen, for at imødekomme kravene til temperaturen. De -18 oC stammer fra observation af SRO-systemet til ventilationssystemet, hvilket betyder at de -18 oC er et skøn, hvor der ikke er taget højde for hysterese, og komma værdier. Der vil derfor være en vis usikkerhed, i forhold til nødagtigheden ved denne nedreguleringstemperatur. Men da det ikke var muligt, at finde noget dokumentation omkring nedreguleringstemperaturen, vil de -18 oC blive brugt, som udgangspunkt for nedregulering af indsugningsflowet gennem dette projekt. I tilfælde af brænd i vandkraftværket, vil ind- og udsugningsventilator stoppe og spjæld vil lukke, for at minimere yderligere brandudviklingen, samt for at undgå røgspredning via ventilationssystemet. For at starte brandventilatoren i udsugningsaggregat A1, skal den manuelt aktiveres, fra enten et sikkerhedsrum i kraftstationen eller ved indgangen til adgangstunnelen. Brandventilatorens primære opgave er at suge røgen ud af vandkraftværket, for derved at sikre en sikker evakuering. Der stilles ikke specifikke krav til brandventilationen i forhold til minimum flow5, den skal blot være i stand til, at fjerne røgen i tilfælde af brand. Der skal i forbindelse med udvidelse og optimering af det samlede ventilationssystem, derfor ikke tages højde for et maksimum trykfald i udsugningskanalerne, da der ikke er krav til flowet på brandventilatoren. Der skal dog tages højde for, at trykfladet i forbindelse med udvidelse og optimering ikke bliver unødvendigt forøget, da det vil kunne medføre en ineffektiv røgudsugning. Et acceptabelt trykfald i udsugningskanalen, vil blive fastsat ud fra tabelværdier for tryktab6. 5 6 ”Temaveiledning brandnvern i kraftforsyningen” – Norges vassdrags- og energidirektorat Oplyst af leverandøren på ventilationssystemet, Henrik Mai fra NIRAS Greenland A/S Bogen ”Ventilationsståbi” afsnit 17.2 – omkring tryktab (strømningstab) Side 12 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 5.0 Indgangsanalyse Denne analyse vil omhandle den nuværende driftssituation, i forhold til energitab i udsugningsluft, samt årlig energi tilførsel til indsugningsluften. Indgangsanalysen skal danne grundlag for det videre arbejde med de tre hypoteser. 5.1 Måleusikkerhed I forbindelse med udførslen af de efterfølgende målinger, som skal danne grundlag for hele projektet, forekommer der en række forskellige usikkerheder. De faste usikkerheder stammer fra de anvendte instrumenter, hvor usikkerheden direkte kan aflæses af vejledningen til instrumentet7. Men der vil også forekomme andre usikkerheder, som er vanskelige at fastsætte, f.eks. usikkerheden ved selve udførslen, samt efterfølgende aflæsningsusikkerhed på grafer. Der kan dog ses bort fra usikkerheden ved temperature og fugtighedsmålinger i dette projekt, da målingerne skal danne grundlag for nogle faste differens (diff.) værdier, som vil blive anvendt gennem hele projektet. Da usikkerheden er konstant, vil diff. i forbindelse med beregning af energibesparelser på hypoteserne også være konstant. Det er derfor ikke nødvendigt, at tage højde for måleusikkerheden, da resultatet af besparelsen i sidste ende vil være det samme. Måleusikkerheden på temperatur og fugtighed er på 5 %8, og det vil derfor ikke have nogen indflydelse på valget af efterfølgende aggregater (varmepumpe og affugter), da der kun er tale om meget små afvigelser, i forhold til luftens temperatur og fugtighed. Der vil dog blive taget højde for måleusikkerheden, ved måling af flowet på ind- og udsugningsluften, da denne målte værdi skal sammenlignes med et oplyst flow fra leverandøren. Måleusikkerheden på flowmålingsudstyret alene ligger typisk mellem 5-20 %9, hvilket betyder at usikkerheden ved flowmåling kan være meget stor. Hvis luft flowet måles forkert med 20 %, kan det have stor indflydelse på valget af efterfølgende aggregater (varmepumpe og affugter), og i værste fald ende ud i en fejlinvestering. 5.2 Data indsamling Til beregning på ventilationssystemet tages der udgangspunkt i de oplyste driftsdata fra leverandøren10, men pga. div. efterfølgende små justeringer på systemet, blev det besluttet at driftsdata skulle eftervises ved måling, for at sikre den korrekte data til videre behandling. Der blev i forbindelse med målingerne sat særlig fokus på flowet af ind- og udsugningsluft, samt temperature og fugtindhold i adgangstunnel og i ind- og udsugningsluften. 7 ”Kimo Ami 300” – Bilag 2 Bilag 2 – omkring fysiske målinger på ventilationssystemet 9 Dokumentation på 5-20 % måleusikkerhed på flowmåler udstyr (”Ventilationsståbi” side 463 fig. 24.6). 10 Data fra leverandøren på flow og anlægsdimensioner – Bilag A på USB-stik 8 Side 13 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Temperatur og fugt: Der blev først udført en række målinger af temperatur og fugtindhold i henholdsvis ind- og udsugningskanal, samt i adgangstunnelen. Tabel 1 - over temperatur og fugtighed Som det fremgår af tabel 1 er temperaturen ved indgangen til tunnelen målt til 14 oC, og til 11,4 o C i tunnelens udgang (ved indgang til kraftstation), luften bliver altså afkølet i forbindelse med gennemstrømning af tunnelen. Temperaturen i udgangen af tunnelen på 11.4 oC stemmer godt overens med setpunktstemperaturen på 12 oC, men pga. afkøling af luften gennem tunnelen er det nødvendigt, at blæse varmere luft ind ved indgangen. Dette forklare således også hvorfor der blev målt en indsugningstemperatur på 16,7 oC, denne høje temperatur på indsugningsluften, er nødvendigt for at kunne sikre temperaturen på 12 oC ved udgangen af tunnelen. Det blev efterfølgende besluttet at hypoteserne skulle behandles ud fra indsugningstemperatur på 16,7 oC, i stedet for den oplyste setpunktstemperatur på 12 oC. Da temperaturen på 16,7 oC er, hvad el varmefladen skal varme indsugningsluften op til, ved det aktuelle flow, for at sikre temperaturen ved udgangen af tunnelen. Som det også fremgår af tabel 1 er der på måletidspunktet ikke problemer med fugtindholdet. Ved at indføre friskluften (luft før opvarmning) og indsugningsluften (luft efter opvarmning) i et mollier diagram (figur 4) ses det, at den absolutte fugtighed er konstant. Den tørre indsugningsluft må derfor være et direkte produkt af den lave absolutte fugtighed på friskluften, som igen skyldes en lav friskluftstemperatur. I forbindelse med højere friskluftstemperaturer henover sommeren, vil friskluftens absolutte fugtighed stige. Da den absolutte fugtighed er identisk på friskluften og indsugningsluften, vil indsugningsluften derfor også blive tilsvarende fugtigere. Side 14 af 83 Figur 4 - Opvarmning af luft Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Som det fremgår af tabel 2, er der stor variation i absolut fugtindhold fra sommer til vinter. Det er derfor blevet bestemt, at arbejde med to gennemsnitberegning af absolut fugtindhold, henholdsvis et sommer og et vinter gennemsnit11. Dette skyldes at en samlede gennemsnitsberegning for hele året vil danne et falsk billede af driftssituationen, da værdien vil ligge meget langt fra både sommer og vinter gennemsnittet. Tabel 2 - over friskluftens gennemsnits temp. RF og abs. fugtighed Flow på ind- og udsugningsluft: Flowet på indsugningsluften, var fra leverandøren opgivet til 12.000 m3/h12 ved en belastning af ventilatorfanen på 100 %. I forbindelse med indregulering af indsugningsflowet, blev det efterfølgende bestemt, at ventilatorfanen maksimum skulle belastes med 65 %, netop for at sikre en tilstrækkelig opvarmning af indsugningsluften henover el varmefladen. Ud fra leverandøroplysninger er flowet på indsugningsluften på nuværende tidspunkt, under almindelig driftsforhold på 65 % af 12.000 m3/h, hvilket svare til 7.800 m3/h. Flowet på udsugningsluften, var ikke direkte opgivet fra leverandøren. Det var i stedet muligt, at opstille en indirekte udregning af udsugningsflowet, ud fra oplysninger omkring udsugning fra de forskellige områder i vandkraftværket. Ud fra disse oplysninger var det muligt, at beregne diff. luftflowet mellem ind- og udsugningsflowet. Diff. luftflowet må anses for, at være det luftforbrug som eksistere i vandkraftværket. Da driften af vandkraftværket i forhold til luftforbrug kan anses for mere eller mindre konstant, må diff. luftflowet mellem ind- og udsugningsflowet også kunne anses som konstant, uanset belastning af ventilationssystemet. Forbruget i vandkraftværket og derved diff. luftflowet blev beregnet til 100 m3/h13. Ud fra leverandøroplysninger er flowet på udsugningsluften på nuværende tidspunkt, altid 100 m3/h mindre end flowet på indsugningsluften, uanset flowet på indsugningsluften. Og flowet på udsugningsluften er således på nuværende tidspunkt, under almindelig driftsforhold 7.700 m3/h. 11 12 13 Bilag 3 - omkring DMI’s data fra vejrstation i Sisimiut USB-stik – bilag A – kommentar omkring udsugning USB-stik – bilag A – (10.200 – 10.100) = 100 m3/h Side 15 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Efter fastsættelse af driftsdata på baggrund af leverandøroplysninger, skulle driftsdataen eftervises ved måling. Målingerne på ind- og udsugningsflowet blev foretaget med et vingehjulsanemometer, som rent ventilationsteknisk kan have en måleusikkerhed på optil 20 %. Ligeledes var det ikke muligt, at imødekomme bestemmelsen omkring afstand fra måleplan til efterfølgende strømningsforhindring14, pga. ventilationssystemet opbygning. At denne afstand ikke kunne overholdes i forbindelse med målingen, medførte ligeledes en måleusikkerhed på optil 20 %15. Der er også blevet taget højde for en personlig måleusikkerhed ved selve aflæsningen på 10 % - denne værdi er fastsat på baggrund af den begrænsede tid, som var til at udføre de nødvendige antal målinger. Dette betyder, at der i forbindelse med måling af flowet på ind- og udsugningsluften regnes med en samlede usikkerhed på: 𝑆𝑎𝑚𝑙𝑒𝑑𝑒 𝑚å𝑙𝑒𝑢𝑠𝑖𝑘𝑘𝑒𝑟ℎ𝑒𝑑 = 20 + 20 + 10 = 50 % Tabel 3 - over luftflow Målingerne i tabel 3 afviger en del fra leverandørens driftsdata, men hvis der tages højde for den samlede måleusikkerhed på 50 %, stemmer målingerne alligevel godt overens. Tabel 4 - over luftflow inklusive usikkerhed Når der bliver taget højde for måleusikkerheden på 50 % (se tabel 4), viser det sig, at de oplyste driftsdata fra leverandøren godt kan sammenholdes med de målte værdier, da de leverandøroplyste flowmængder ligger indenfor usikkerhedsmarginen for de målte værdier. Efter at have foretaget og behandlet flowmålingerne på ind- og udsugningsluften, blev det besluttet at der skulle foretages endnu en undersøgelse af flowet, for at underbygge den endelig fastlæggelse af flowmængderne på ind- og udsugningsluften. 14 15 ”Ventilationsståbi” side 464 ”Bestemmelse af måleplan” Bog - Ventilationsståbi side 464 fig. 24.8 Side 16 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ I forbindelse med den anden undersøgelse af flowet på ind- og udsugningsluften, blev der taget udgangspunkt i oplysningerne omkring nedregulering af indsugningsflowet16, samt oplysningerne på el varmeflades varmeeffekt på 79,9 kW (kJ/s)17. Ud fra disse oplysninger kan opstilles følgende formel for luft flowet over el varmefladen under normal drift: 𝐹𝑙𝑜𝑤 𝑝å 𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑙𝑢𝑓𝑡 = 𝑃𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 ∆𝑡𝑚𝑎𝑘𝑠_𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 ∗ 𝜌𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝑐𝑙𝑢𝑓𝑡 I forbindelse med beregning af indsugnings flow, vil der ikke blive taget højde for fugten i luften. 𝐹𝑙𝑜𝑤 𝑝å 𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑙𝑢𝑓𝑡 = 𝑘𝐽 79,9 𝑠 (16,7℃ − (−18℃)) ∗ 1,2 𝑘𝑔 𝑘𝐽 ∗1 𝑘𝑔 ∗ ℃ 𝑚3 ∗ 3600 𝑠 𝑚3 = 6907,78 ℎ ℎ Ved hjælp af den maksimale diff. temperatur der kan være over el varmefladen, før flowet på indsugningsluften reguleres ned, samt effekten på el varmefladen, er det muligt at beregne flowet på indsugningsluften. Afvigelsen på det beregnede indsugningsflow (6907,78 m3/h), i forhold til det leverandøroplyste flow (7800 m3/h), kan skyldes at de -18 oC, er fundet på baggrund af observation16. Leverandøroplysningerne omkring flowet på ind- og udsugningsluften, er nu blevet eftervist, først ved måling, og efterfølgende ved beregning. På baggrund af målinger og beregning blev det valgt, at anvende leverandøroplysningerne på flowet af indsugningsluften (7800 m3/h) og udsugningsluften (7700 m3/h) ved efterfølgende energiberegninger igennem projektet. 16 17 Se afsnit 4.3 ”Funktionsbeskrivelse” Se afsnit 4.2 ”Anlægsopbygning” Side 17 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Side 18 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 5.3 Data på udsugningsluften De parametre på udsugningsluften, som har indflydelse på det videre arbejde er luftens temperatur, massestrøm og absolutte fugtighed. Gennemsnitstemperatur: tudsug = 16,5oC Leverandør oplyst udsugningsluft flow: qudsug = 7700 m3/h Absolut fugtighed i udsugningsluften er blevet fastsat ud fra en konstant Δx, mellem ind- og udsugningsluften hele året18, det betyder at der optages lige meget fugt i tunnel både sommer og vinter. Δx fastsættes ud fra målingerne på ind- og udsugningsluften19: Δx = 𝑥𝑢𝑑 − 𝑥𝑖𝑛𝑑 → 2,9 𝑔 𝑔 𝑔 − 0,7 = 2,2 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑘𝑔 Gennemsnit absolut fugtighed på udsugningsluften om sommeren: 𝑥𝑢𝑑_𝑠𝑜𝑚𝑚𝑒𝑟 = 𝑥𝑖𝑛𝑑_𝑠𝑜𝑚𝑒𝑟 + ∆x → 4,6 𝑔 𝑔 𝑔 + 2,2 = 6,8 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑘𝑔 Gennemsnit absolut fugtighed på udsugningsluften om vinteren: 𝑥𝑢𝑑_𝑣𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 = 𝑥𝑖𝑛𝑑_𝑣𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 + ∆x → 0,9 18 19 𝑔 𝑔 𝑔 + 2,2 = 3,1 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑘𝑔 Bestemt i samarbejde med Bill Pedersen, lektor i Ventilation på Fredericia Maskinmesterskole Se afsnit 5.2 – Tabel 1 over fysiske målinger på temperatur og fugt Side 19 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 5.4 Energi til opvarmning af indsugningsluften Til fastlægning af den energimængde, som årligt bruges til opvarmning af indsugningsluften, opstilles et varighedsdiagram for friskluften. Data til opstilling af varighedsdiagrammet stammer fra daglige målinger af friskluftens temperatur over en periode på tre år fra 2011 - 201320. I forbindelse med energiberegninger, på baggrund af varighedsdiagram (se figur 5), blev der ikke taget højde for fugten i luften. Først blev det årlige energibehov til opvarmning af indsugningsluften beregnet, ud fra ønsket om optimalt luft flow hele året. Figur 5 - Varighedsdiagram over friskluftstemperatur – Y-akse = oC –- X-akse = % Beregning af energi til opvarmning af indsugningsluften21: 𝐸𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔_𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 𝐴𝑡 = 𝑚3 7.800 𝑠 𝑘𝑔 𝑘𝐽 = 𝑉𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 ∗ 𝜌𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝑐𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝐴𝑡 → 𝑠 ∗ 1,2 𝑚3 ∗ 1 𝑘𝑔 ∗ ℃ ∗ 𝐴𝑡 3600 ℎ 1 ℎ ℃∗ℎ ∗ (16,7℃ − (−22℃)) ∗ (8760 ∗ 98%) = 166.116 2 å𝑟 å𝑟 20 USB-stik – bilag C – Behandling af data fra Vandkraftværkets vejrstation til fremstilling af varighedsdiagram 21 USB-stik - Bilag D - Energiberegninger på baggrund af varighedsdiagram – Brian Glyngø Thisvad powerpoint ”udeklima data” Side 20 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Det årlige energibehov til opvarmning af indsugningsluften: 𝐸𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔_𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 𝑚3 𝑘𝑔 𝑘𝐽 ℃∗ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝑠 = 𝑠 ∗ 1,2 𝑚3 ∗ 1 𝑘𝑔 ∗ ℃ ∗ 166.116 å𝑟 = 431.902 å𝑟 3600 ℎ 7.800 Som det fremgår af funktionsbeskrivelsen i afsnit 5.3, vil flowet på indsugningsluften, i tilfælde af Figur 6 - Varighedsdiagram over friskluftstemperatur meget lav friskluftstemperature (under -18 oC) blive nedreguleret, for fortsat at kunne imødekomme kravende til temperaturen i adgangstunnelen. Figur 6, viser varighedsdiagrammet over friskluftstemperaturen, hvor den grønne streg viser, at der er behov for opvarmning 98 % af året, ved en indsugningstemperatur på 16,7 oC22. Den lilla streg viser, at friskluftstemperaturen 7 % af året er under -18 oC, hvilket betyder at luft flowet over el varmefladen 7 % af året, er under normal drift flow (<7800 m3/h). For at kunne få et retvisende resultat, er det derfor blevet bestemt, kun at anvende varighedsdiagrammet til bestemmelse af energimængden i den del af året, hvor luft flowet over el varmefladen er konstant (normal drift flow på 7800 m3/h). 22 Se afsnit 4.3 ”Funktionsbeskrivelse” Side 21 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Figur 7 - Udklip af Varighedsdiagram over friskluftstemperatur (-7 %) Figur 7, viser varighedsdiagrammet for friskluftstemperaturen ned til -18 oC, og vil blive anvendt i de efterfølgende beregninger af energiforbruget til opvarmning af indsugningsluften. Energiforbruget de resterende 7 % af året, hvor der også er behov for opvarmning, vil blive beregnet efterfølgende. Beregning af energi til opvarmning af indsugningsluften ved normal drifts flow: 𝐸𝑛𝑜𝑟𝑚_ 𝑓𝑙𝑜𝑤 𝐴𝑡 = 𝑚3 ℎ ∗ 1,2 𝑘𝑔 ∗ 1 𝑘𝐽 ∗ 𝐴 = 𝑉𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 ∗ 𝜌𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝑐𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝐴𝑡 → 𝑡 𝑠 𝑚3 𝑘𝑔 ∗ ℃ 3600 ℎ 7800 1 ℎ ℃∗ℎ ∗ (16,7℃ − (−18℃)) ∗ (8760 ∗ (98% − 7%)) = 138.307 2 å𝑟 å𝑟 Det årlige energibehov til opvarmning af indsugningsluften: 𝐸𝑛𝑜𝑟𝑚_𝑓𝑙𝑜𝑤 𝑚3 ℎ ∗ 1,2 𝑘𝑔 ∗ 1 𝑘𝐽 ∗ 138.307 ℃ ∗ ℎ = 359.598 𝑘𝑊ℎ = 𝑠 𝑚3 𝑘𝑔 ∗ ℃ å𝑟 å𝑟 3600 ℎ 7800 Side 22 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Der skal nu tages højde for de sidste 7 % af året, hvor luft flowet over el varmefladen er mindre end ved normal drift. Da det mindre luft flow er et produkt af el varmefladens manglende kapacitet, må det forventes at el varmefladen kører maksimum belastning (79,9 kW) i de sidste 7 % af året. Derfor kan energiforbruget til opvarmning af indsugningsluften de sidste 7 % af året, hvor friskluftstemperaturen er under -18 oC, beregnes vedhjælp af en simpel energiberegning. 𝐸𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟.−18℃ = 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 ∗ 𝑑𝑟𝑖𝑓𝑡𝑠𝑡𝑖𝑑 𝐸𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟.−18℃ = 79,9𝑘𝑊 ∗ (8760 ℎ 𝑘𝑊ℎ ∗ 7%) = 48.995 å𝑟 å𝑟 Det er nu muligt at summere de to energiforbrug sammen, og derved få et retvisende resultat for det årlige energiforbrug til opvarmning af indsugningsluften. 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 = 𝐸𝑛𝑜𝑟𝑚_𝑓𝑙𝑜𝑤 + 𝐸𝑢𝑛𝑑𝑒𝑟.−18℃ 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 = 359.598 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ + 48.995 = 408.593 å𝑟 å𝑟 å𝑟 Side 23 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 5.5 Kildekritik Indgangsanalysen danner grundlag for resten af projektets beregninger. Det har derfor været meget vigtigt at være kritisk i forbindelse med dataindsamling samt målinger, således at det endelige resultat på projektet, kan blive så retvisende som muligt. Fastsættelse af flowet i såvel ind- som udsugningskanalen, er blevet bestemt ud fra tre separate kilder, med udgangspunkt i oplysningerne fra leverandøren af ventilationssystemet. For at sikre en kritisk tilgang til de aktuelle flow, blev leverandøroplysningerne eftervist ved personlig målinger af flow, samt ved efterfølgende flow beregninger. Fastsættelse af nedreguleringstemperaturen for indsugningsflowet blev bestemt ud fra interview med driftsmester John Thomsen. Men da der ikke forelagde nogen præcis værdi for nedreguleringstemperaturen, blev undtagelsen fra driftsmester John Thomsen eftervis ved en selvstændig observation i ventilationssystemets SRO-system. Fastsættelse af temperatur og fugt i vandkraftværket blev som udgangspunkt bestemt ud fra personlige målinger i vandkraftværket. Målingerne blev foretaget med certificeret måleudstyr, og instruktionen til korrekt anvendes af måleudstyret blev ligeledes nøje fuldt i forbindelse med udførslen af målingerne. Da det ikke var muligt at foretage målinger af temperatur og fugt i vandkraftværket på andre tidspunkter af året, blev disse værdier fastsat på baggrund af interview med driftsmester John Thomsen. Driftsmester John Thomsen kunne oplyse af fugtigheden i vandkraftværket stiger i forbindelse med af fugtigheden stiger på friskluften. At fugtigheden på friskluften omkring Sisimiut varigere henover året blev efterfølgende bevis på baggrund af data fra ”DMI”. Fastsættelse af temperatur og fugt på friskluften blev bestemt ud fra data fra ”DMI – Dansk Metrologisk Institut ”. DMI er et offentlig instans under klima- og energiministeriet, som er en troværdig kilde. Side 24 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 6.0 Genvendingsanlæg Dette afsnit vil gennemgå hypotesen omkring genvendingsanlæg med tilhørende varmepumpe. Afsnittet skal desuden danne grundlag for en efterfølgende beregning af tilbagebetalingstid, samt den endelige konklusion 6.1 Præsentation – hvorfor varmepumpe Ideen om at genvende varmen fra udsugningsluften til opvarmning af indsugningsluften tager udgangspunkt i to væskekoblede vekslere, med en almindelig cirkulationspumpe til fremdrivning af væskemediet mellem de to vekslere. Med baggrund i udgangspunktet blev der efterfølgende tilføjet en varmepumpe ud fra argumentet om, at en varmepumpe vil medføre muligheden for at trække mere energi ud af udsugningsluften. Argumentet bygger på teorien omkring varmetransmission, hvor en større diff. temperatur ved konstant flow og veksler areal, vil medføre større effekt overførsel: 𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑘 ∗ ∆𝑡 k er et udtryk for modstanden igennem vekslervæggen samt over luft- og væskegrænselag ved et givet flow. Disse værdier ses som konstante i dette eksempel! Hvis der tages udgangspunkt i varmeveksleren i indsugningskanalen, så bliver det ved hjælp af en varmepumpe, muligt at hæve temperaturen på varmemediet i varmeveksleren. Ved at hæve temperaturen på varmemediet, øges diff. temperaturen over varmeveksleren også, hvorved det er muligt, at overføre mere energi ved samme veksler areal. Det er ligeledes mulighed for at øge diff. temperaturen over kølefladen i udsugningskanalen, ved at sænke temperaturen på varmemediet inden det gennemløber kølefladen. Alternativet til at øge diff. temperaturen ville være, at udvide arealet (A) på veksleren. At øge vekslerarealet vil dog medføre et større trykfald over vekslerne, hvilket ikke er ønskværdigt i forhold til optimal drift af ventilationssystemet, specielt i forhold til kølefladen i udsugningskanal23. 6.2 Placering af veksler I forbindelse med anvendelse af genvendingsanlæg til opvarmning af indsugningsluften, forventes det fortsat, at der vil være behov for supplerende opvarmning fra el varmeflade, ved meget lave friskluftstemperaturer. Det vil derfor være fordelagtigt at placere varmeveksleren før el varmefladen i indsugningskanalen, da varmeveksleren derved vil blive udsat for størst mulig diff. temperatur under alle forhold, hvilket vil give en større effektoverførsel24. Men pga. det eksisterende ventilationssystems udformning er det desværre ikke muligt, at placere varmeveksleren før el varmefladen. Varmeveksleren vil derfor blive placeret efter el varmefladen, i udmundingen til indsugning i toppen af adgangstunnelen25. Der er ikke samme problem ved placeringen af køleveksleren i udsugningskanalen, da temperaturen på udsugningsluften anses for konstant i hele udsugningskanalen. 23 24 25 Se afsnit 4.3 ”Funktionsbeskrivelse” omkring brandventilation og maks. trykflad. Se afsnit 6.1 ” Præsentation – hvorfor varmepumpe” Bilag 14 – Billede af udmundingen i indsugningskanalen Side 25 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Der skal dog i forbindelse med valg af køleveksler, tages højde for trykfaldet på luftsiden af veksleren, da det vil have indvirkning på brandventilationen26. 6.3 Varmepumpetyper Der findes en række forskellige varmepumpetyper, men det blev hurtigt besluttet, at varmepumpen skulle fungere som en væske/væske varmepumpe (se figur 8)27. I væske/væske varmepumper overføres energien fra udsugningsluften via en væske/luft veksler til et separat væskesystem, som gennemløber fordamperen i varmepumpen. Varmepumpens kondensator gennemløbes ligeledes af et separat væskesystem, som via en væske/luft veksler overfører energien til indsugningsluften. Figur 8 - Væske/væske varmepumpe Alternativet til en væske/væske varmepumpe var væske/luft- eller luft/luft varmepumpen (se figur 9)27. Disse principper blev dog ret hurtigt valgt fra, da de begge vil kræver en større fyldning. Den større fyldning er et produkt af, at overfaldearealet på en luftveksler skal være større end arealet på en væskeveksler, for at kunne overføre samme mængde energi, ved konstant flow. Figur 9 - Øverst Væske/luft - Nederst Luft/luft 26 27 Se afsnit 4.3 – ”Funktionsbeskrivelse” Billede lånt af ”Midtjysk EL center” – www.midtjyskelcenter.dk Side 26 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Dette skyldes at luftens varmefylde er på ca. 1 kJ/kg*oC, hvor væske (med udgangsgangspunkt i vand) har en varmefylde på ca. 4,2 kJ/kg*oC. Den større fyldning er også et produkt af den større afstand, som ville være fra varmepumpen til henholdsvis fordamper og kondensator, da de i forbindelse med anvendelse af luft/luft varmepumper, skal placeres i henholdsvis ind- og udsugningskanalen. En større fyldning vil medføre større sikkerhedskrav, pga. den tilsvarende større miljøpåvirkning ved lækage af kølemiddel. Da der anvendes HFC-kølemiddel, må der max anvendes 10 kg kølemiddel i nye anlæg, alt derover vil kræve særlig tilladelse28. I forbindelse med valget af varmepumpetype, blev muligheden for anvendelse af naturlige kølemidler også undersøgt. Anvendelsen af naturlige kølemidler som ammoniak29, CO230 og vand, vil gøre det muligt at anvende et varmepumpesystem med en fyldning på over 10 kg. Men desværre er udviklingen af naturlige kølemidler til brug i varmepumper, fortsat på udviklingsstadiet. Det har derfor ikke været muligt, at indhente tilbud på en varmepumpe, som anvendte et naturligt kølemiddel. Det endelige valg af væske/væske varmepumpen kræver, at der bliver etableres to separate væskekredse fra henholdsvis fordamper og kondensator ud til væske/luft vekslerne i ventilationskanalerne. Hver væskekreds skal derfor påregnes en ekstra udgift til en væske/luft veksler i henholdsvis ind- og udsugningskanalen (se figur 10). Derudover vil væske/væske varmepumpen også medføre en ekstra overgangsmodstand, da energien i kondensator og fordamper ikke overføres direkte til og fra luften, men først skal igennem de to separate væskekredse. Figur 10 - Princip skitse af Step A1 med væske/væske varmepumpe 28 29 30 ”Bekendtgørelse om regulering af visse industrielle drivhusgasser” - BEK nr 552 af 02/07/2002 EL-forsk projektnr. 343-059 – Forskningsprojekt omkring varmepumper med ammoniak EL-forsk projektnr. 342-078 – Forskningsprojekt omkring højtemperatur varmepumper med CO 2 Side 27 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Efter beslutningen om valget af en væske/væske varmepumpeløsning, blev der indhentet en række tilbud fra forskellige leverandører31. Tilbuddene blev indhentet på baggrund af de målinger og observationer, som omtales i ”Indgangsanalysen” afsnit 5.0, med særlig fokus på flowmængder og temperatur på ind- og udsugningsluften. Efter at have gennemgået tilbuddene, blev der valgt en varmepumpeløsning fra ”Cronborg”. Det væsentlige argument for valget af Cronborg var, at de som de eneste kunne levere en løsning, der kun indebar en varmepumpe løsning. Andre leverandøre (Exhausto, Nilan) leverede kun samlede genvendingsmoduller, som inkluderede filtre, ventilatorer samt andre genvendingsprincipper som heatpipe og roterende varmeveksler. Disse samlede genvendingsmoduller havde været det ideelle valg, hvis der var tale om opsætning af et nyt ventilationssystem, men da dette projekt omhandler optimering af et eksisterende ventilationssystem, er et samlede genvendingsmodul ikke løsningen. Dette skyldes især store krav til udskiftninger i det eksisterende system, hvilket vil medføre store merudgifter. 6.4 Cronborg varmepumpe Tilbuddet blev indhentet via mailkorrespondance med en teknisk sælger fra Cronborg32. I den forbindelse blev det i sammenråd besluttet, at temperaturen på udsugningsluften efter kølefladen ikke måtte komme under 0oC for at undgå isdannelse på køleveksleren. Dette blev besluttet, da Cronborg ikke kunne levere en separat varmepumpe med afrimningsfunktion. Der blev derfor fastsat en mindste værdi for temperaturen på udsugningsluften efter køleveksler på 3oC. Tilbuddet blev efterfølgende udfærdiget ud fra oplysninger på udsugningsluftens temperatur (16,5oC) og flow (7.700 m3/h). Den mulige anvendelige effekt i udsugningsluften blev nu udregnet. I forbindelse med beregning af anvendelig effekt i udsugningsluften, vil der ikke blive taget højde for fugten i luften. 𝐴𝑛𝑣𝑒𝑛𝑑𝑒𝑙𝑖𝑔 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 = 𝑉𝑢𝑑𝑠𝑢𝑔 ∗ 𝜌𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ ∆𝑡𝑣𝑒𝑘𝑠𝑙𝑒𝑟_𝑢𝑑𝑠𝑢𝑔 ∗ 𝑐𝑙𝑢𝑓𝑡 𝑚3 𝑘𝑔 𝑘𝐽 ℎ 𝐴𝑛𝑣𝑒𝑛𝑑𝑒𝑙𝑖𝑔𝑒 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 = 𝑠 ∗ 1,2 𝑚3 ∗ (16,5℃ − 3℃) ∗ 1 𝑘𝑔 ∗ ℃ = 34,65𝑘𝑊 3600 ℎ 7.700 31 32 De forskellige leverandører af varmepumper til ventilation - Cronborg, Exhausto, Nilan USB-stik – bilag E - Mail fra Cronborg Side 28 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Valg af varmepumpe: På baggrund af den anvendelige effekt på 34,65 kW opstillede den tekniske sælger fra Cronborg et tilbud på en Recool 45 varmepumpe – driftsdata på Recool 45 varmepumpen33: Figur 11 - Data på Recool 45 varmepumpe fra Cronborg Som det fremgår af databladet på Recool 45 (se figur 11), har den en varmekapacitet på 46 kW og et el forbrug på 11 kW, hvilket betyder at Recool 45 kan optage: 𝑅𝑒𝑐𝑜𝑜𝑙 45 𝑜𝑝𝑡𝑎𝑔𝑛𝑒 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 = 46𝑘𝑊 − 11𝑘𝑊 = 35𝑘𝑊 Da den anvendelige effekt i udsugningsluften er blevet fastsat til lige under 35 kW (34,65 kW), passer Recool 45 perfekt, da den netop er designet til at optage 35 kW. Varmepumpen kan derved køre meget tæt ved designlasten på 35 kW, hvilket må forventes at være pumpens optimale driftsområde. Valg af væske/luft veksler: Da der som tidligere beskrevet blev valgt en væske/væske varmepumpe, skulle der ud over varmepumpen også anskaffes to væske/luft veksler til henholdsvis ind- og udsugningskanalen. Tilbuddet på væske/luft vekslerne blev indhentet separat på baggrund af driftsdata på varmepumpen, samt fysiske dimensioner af ventilationssystemets ind- og udsugningskanaler34. Der blev valgt to væske/luft veksler fra tt-coils. Både veksleren i ind- og udsugningskanalen bliver specielt fremstillet til anvendelse med Recool 45, samt i forhold til flow og temperature på luften i ind- og udsugningskanalen. 33 34 Bilag 4 - Databladet og listepris Bilag 5 - Tilbud på væske/luft vekslerne fra tt-coils Side 29 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ I forbindelse med indhentning af tilbud på væske/luft veksler, skulle der tages højde for trykfaldet over veksleren i udsugningskanalen, pga. brandventilationen og ønsket om ikke at forøge trykfaldet unødvendigt35. Trykfaldet på luftsiden af den valgte væske/luft veksler fra tt-coles er på 77 Pa36. Det acceptable trykfald blev fastsat ud fra tabelværdi i bogen Ventilationsståbi side 324, Fig. 17.10. Trykfaldsværdien blev aflæst i tabellen ud fra – en væskekoblet varmeveksler, lameldeling 2 mm, effektvariant 2, med en lufthastighed på 2,25 m/s (aktuel lufthastighed i udsugningskanal 2,19 m/s). Et acceptabelt trykfald blev derved fastsat til 90 Pa, og da trykfaldet over den valgte veksler var på 77 Pa, bliver trykfaldet i udsugningskanalen altså ikke unødvendig forøget. Buffertanke kold og varm: Den tekniske sælger fra Cronborg37 anbefalede derudover, at der blev indbygget buffertanke i de to separate væskekredse mellem henholdsvis fordamper og væske/luft veksleren i udsugningskanalen, og kondensatoren og væske/luft veksleren i indsugningskanalen. Buffertankene skal i forbindelse med svingene temperature i ventilationskanalen, minimimere svingningernes indflydelse på driften af varmepumpen. Ved brug af buffertankene kan der således sikres en mere kontinuert drift af varmepumpen, samt minimere risikoen for opkogning og tilfrysning i de separate væskekredse. Varmebuffertanken imellem kondensatoren og væske/luft vekslerne i indsugningskanalen, skal også anvendes i de perioder af året, hvor varmebehovet er lavere end den effekt, som kan overføres via varmepumpen. Derved kan overskudsvarmen oplagres i varmebuffer beholderen, når varmebufferen er ”opladet”, kan varmepumpen slukke, og energien til opvarmning vil derefter komme fra varmebufferen. Dette vil medføre en besparelse på varmepumpedriften, da driften vil blive mere kontinuerligt, med mindre stop/start drift, og varmepumpen kan derved konstant køre ved optimal last, hvilket vil sige designlasten på 35 kW. 6.5 Varmetab Der vil altid forekomme varmeudveksling med omgivelserne, så længe der er en diff. temperatur. Der vil derfor også være et varmetab fra kondensatoren, og fra den anvendte varmebuffertank, som ikke vil gå direkte til opvarmning af indsugningsluften. Der vil dog blive set bort fra dette varmetab, da den tabte varmeenergi fra kondensator og varmebuffertank, vil gå til opvarmning af ventilationsrummet. Dette betyder at varmetabet vil gå indirekte til opvarmningen af indsugningsluften til vandkraftværket, da ventilationsrummet er beliggende i vandkraftværket. Der kan således ses bort fra alt varmetab til opvarmning af indsugningsluften, da varmen i sidste ende, alligevel går til opvarmning af vandkraftværket. 35 36 37 Se afsnit 4.3 ”Funktionsbeskrivelse” Bilag 5 – Tilbud på væske/luft vekslerne fra tt-coils USB-stik – bilag E - Mail fra Cronborg Side 30 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 6.6 Energi og COP Den valgte Recool 45 varmepumpe kan overføre 34,65 kW, hvilket giver en COP på 4,238. Der skal dog i den forbindelse tages højde for, at den oplyste COP-faktor, kun gælder mellem varmepumpens fordamper og kondensator. Den oplyste COP-faktor tager derfor ikke højde for det effektforbrug der kommer fra cirkulationspumperne. Der er derfor blevet opstillet en formel for den samlede COP-faktor fra væske/luft veksleren i udsugningskanalen til væske/luft veksleren i indsugningskanalen. Da det i dette projekt er varmepumpens varmekapacitet, som skal anvendes, er det denne der skal anvendes ved COPudregning. 𝐶𝑂𝑃 = 𝑉𝑎𝑟𝑚𝑒𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 Varmekapacitet er lig varmepumpens effektoverførsel + effektforbrug. Effekttabet over væske/luft veksleren i indsugningskanalen har i dette tilfælde ikke nogen betydning, pga. veksleren placering. Da væske/luft veksleren er placeret i den del af indsugningskanalen som befinder sig i tunnelen, vil effekttabet over veksleren alligevel gå til opvarmning af luften i tunnelen, og veksleren vil i dette tilfælde derfor have en temperaturvirkningsgrad på 100 %. 𝑉𝑎𝑟𝑚𝑒𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 = 34,65𝑘𝑊 + 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 Det samlede effektforbrug er summen af effekten på kompressoren i varmepumpen, samt effekten på de to cirkulationspumper (pumpevarme, pumpekøl). 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 = 𝐾𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 38 + 𝑝𝑢𝑚𝑝𝑒𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒39 + 𝑝𝑢𝑚𝑝𝑒𝑘ø𝑙 39 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 = 11𝑘𝑊 + 0,1𝑘𝑊 + 0,09𝑘𝑊 = 11,19𝑘𝑊 𝑉𝑎𝑟𝑚𝑒𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 = 34,65𝑘𝑊 + 11,19𝑘𝑊 = 45,84𝑘𝑊 38 39 Bilag 4 - Datablad på varmepumpe omkring effekt overførsel og COP Bilag 6 - Datablad på cirkulationspumpe varme og køl Side 31 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Det er nu muligt at udregne den samlede COP-faktor fra køleveksleren i udsugningskanalen til varmeveksleren i indsugningskanalen. 𝐶𝑂𝑃𝑆𝑎𝑚𝑙𝑒𝑑𝑒 = 45,84𝑘𝑊 = 4,1 11,19𝑘𝑊 Den samlede COP-faktor bliver en smule mindre end den opgivet COP-faktor for varmepumpen, hvilket er et produkt af valget af en væske/væske varmepumpe. COP diff. på knap 0,1 er dog så lav, at det ikke kommer til at have nogen indflydelse på valget af varmepumpe type. Pga. den anvendte varmebuffer, vil varmepumpen køre med konstant belastning, hvilket betyder at COP også vil være konstant. Der foreligger ikke nogen specifikke krav til COP, men med en COP-faktor på 4,1, opnås der fortsat en god fortjeneste pr. anvendt kW. Hvilket kan have stor indflydelse på tilbagebetalingstiden. 6.7 Besparelse Ved at anvende varmepumpen fra Cronborg, bliver det muligt at generere 45,84 kW til opvarmning af indsugningsluften, hvilket medføre et nedsat behov for opvarmning via el varmefladen. For at kunne bestemme det reducerede energiforbrug på el varmefladen, skal der beregnes en nye setpunkts temp. for el varmefladen. Først beregnes den største diff. temperatur der kan forekomme over væske/luft veksleren i indsugningskanal, ved normalt indsugnings flow på 7.800 m3/h. I forbindelse med beregning af størst diff. temperatur over væske/luft veksleren i indsugningskanalen, vil der ikke blive taget højde for fugten i luften. ∆𝑡𝑣𝑒𝑘𝑠𝑙𝑒𝑟_𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 = ∆𝑡𝑣𝑒𝑘𝑠𝑙𝑒𝑟_𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 = 𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑝𝑢𝑚𝑝𝑒𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 𝑉𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 ∗ 𝜌𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝑐𝑙𝑢𝑓𝑡 45,84𝑘𝑊 7.800 𝑚3 𝑘𝑔 𝑘𝐽 ℎ 𝑠 ∗ 1,2 𝑚3 ∗ 1 𝑘𝑔 ∗ ℃ 3600 ℎ Side 32 af 83 = 17,6℃ Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Ved at fratrække den største diff. temperatur der kan forekomme over væske/luft veksleren i indsugningskanalen (17,6 oC), fra den ønskede indsugningstemperatur (16,7 oC), kan den lavest tilladelige temp. før veksleren bestemmes. Den lavest tilladelige temperatur før veksleren kan derved anset for at være den nye setpunkts temp. for el varmefladen: 𝑁𝑦 𝑠𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑘𝑡 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑓𝑙𝑎𝑑𝑒 = 𝑡𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 − ∆𝑡𝑣𝑒𝑘𝑠𝑙𝑒𝑟_𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 𝑁𝑦 𝑠𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑘𝑡 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑓𝑙𝑎𝑑𝑒 = 16,7℃ − 17,6℃ = −0,9℃ Figur 12 - Princip skitse af step A1 med anvendte værdier for Cronborg Recool 45 Skitse af ventilationssystemet ved anvendelse af Recool 45 med varmevekslere og cirkulationspumper kan ses i figur 12. Side 33 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Vedhjælp af den nye setpunktstemperatur for el varmefladen, kan el varmefladens nye årlige energiforbrug beregnes. Igen anvendes varighedsdiagrammet over friskluftstemperaturen. I forbindelse med energiberegninger, på baggrund af varighedsdiagram (se figur 13), bliver der ikke taget højde for fugten i luften. Figur 13 - Varighedsdiagram ved -0,9oC Beregning af energiforbrug, på el varmefladen, til opvarmning af indsugningsluften efter varmepumpe: 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒_𝑔𝑒𝑛 𝐴𝑡 = 𝑚3 7.800 𝑠 𝑘𝑔 𝑘𝐽 = 𝑉𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔 ∗ 𝜌𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝑐𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝐴𝑡 → ∗ 1,2 ∗ 1 ∗ 𝐴𝑡 𝑠 𝑚3 𝑘𝑔 ∗ ℃ 3.600 ℎ 1 ℎ ℃∗ℎ ∗ (−0,9℃ − (−21℃)) ∗ (8.760 ∗ 51%) = 44.899 2 å𝑟 å𝑟 Det årlige energiforbrug, på el varmefladen, til opvarmning af indsugningsluften efter varmepumpe: 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒_𝑔𝑒𝑛 𝑚3 7.800 𝑠 𝑘𝑔 𝑘𝐽 ℃∗ℎ 𝑘𝑊ℎ = 𝑠 ∗ 1,2 𝑚3 ∗ 1 𝑘𝑔 ∗ ℃ ∗ 44.899 å𝑟 = 116.737 å𝑟 3.600 ℎ Side 34 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Det er nu muligt at beregne den årlige besparelse. Der skal i den forbindelse tages højde for den årlige energimængde som varmepumpen forventes at bruge: ∆𝐸𝑙𝑔𝑒𝑛 = 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 − 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒_𝑔𝑒𝑛 − 𝐸𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑝𝑢𝑚𝑝𝑒 → 408.593 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ − 116.737 − 𝐸𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑝𝑢𝑚𝑝𝑒 å𝑟 å𝑟 Beregn af varmepumpens årlige energiforbrug: Det er muligt at beregne varmepumpens årlige energiforbrug vedhjælp af COPfaktoren, da varmepumpen pga. anvendelsen af varmebuffer vil køre med konstant designlast. 𝐸𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑝𝑢𝑚𝑝𝑒 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝐸𝑖𝑛𝑑𝑠𝑢𝑔_𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 − 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒_𝑔𝑒𝑛 431.902 å𝑟 − 116.737 å𝑟 𝑘𝑊ℎ = → = 76.870 𝐶𝑂𝑃𝑠𝑎𝑚𝑙𝑒𝑑𝑒 4,1 å𝑟 Årlig besparelse: ∆𝐸𝑙𝑔𝑒𝑛 = 408.593 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ − 116.737 − 76.870 = 214.986 å𝑟 å𝑟 å𝑟 å𝑟 Det reducerede energiforbrug til opvarmning: 𝑘𝑊ℎ 214.986 ∆𝐸𝑙𝑔𝑒𝑛 å𝑟 = 0,526 → 52,6 % 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑒𝑟𝑒𝑡 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 𝑖 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡 = → 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 408.593 𝑘𝑊ℎ å𝑟 Side 35 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 6.8 Kildekritik Analysen omkring genvending danner grundlag for besvarelsen af hypotesen omkring genvending med tilhørende varmepumpe. Det har derfor været meget vigtigt, at være kritisk over for de valg der bliver taget, samt i forbindelse med beregning af de energibesparelser, som skal begrunde det endelige valg, således at det endelige resultat på projektet, kan blive så realistisk som muligt. Fastsættelse af den endelige placering af væske/luft vekslerens, før el varmefladen i indsugningskanalen, skete på baggrund af en vurdering ud fra egne observationer, og ikke ud fra en fagmands vurdering. Dette skyldes at, der ikke var mulighed for, at få en ventilationsspecialist til at vurdere hvorledes det var muligt, at placere væske/luft veksleren før el varmefladen. I forbindelse med valget af varmpumpetype, blev der foretaget et fravalg af naturlige kølemidler, dette fravalg skete på baggrund af indhentet information omkring muligheden for anvendelse af naturlige kølemidler fra forskningsprojekter fra www.elforsk.dk40. Forskningsprojekterne er foretaget af virksomheder, samt af Danmark Tekniske Universitet, som er to uafhængige kilder. Det må forventes at projekter med støtte fra www.elforsk.dk, kan anses for meget troværdige. Fastsættelse af et maksimum trykfald over væske/luft veksleren i udsugningskanalen, skete ud fra tabelværdien i tabel ”vejledende værdier for trykfald for de mest anvendte komponenter” i bogen ”Ventilationsståbi”. Denne kilde må anses for at være troværdig, da bogen danner grundlag for hele undervisningen omkring ventilationsteknik på Fredericia Maskinmesterskole. Der skal dog ses kritisk på, om den anvendte tabelværdi, er aflæst korrekt i forhold til den valgte væske/luft veksler. Derudover er bogen ”ventilationsståbi” fra år 2001, og værdierne kan derfor måske være ændret. 6.9 Del konklusion Ved at genanvende varmeenergi i udsugningsluften, til opvarmning af den friske indsugningsluft via væskekoblede vekslere, blev det muligt at reducere energiforbruget på el varmefladen. For at opnå en yderlige besparelse, skal der installeres en varmepumpe, for at hæve diff. temperaturen over vekslerne, hvorved det bliver muligt at genvende endnu mere varmeenergi. Den valgte varmepumpeløsning kom fra Cronborg, og deres Recool 45 varmepumpemodel gør det muligt at reducere energiforbruget til opvarmning af indsugningsluften med 52,6 %. Reduktionen på 52,6 % er mere end dobbelt den forventede reduktion på 20 %, hvilket er meget tilfredsstillende. Den store reduktion skyldes i højgrad den valgte varmepumpes COP-faktor på 4,1. Ud over det reducerede energiforbrug, bevirker anvendelsen af genvendingssystemet også, at det fremover vil være muligt, at opretholde det ønskede luft flow på 7.800 m3/h året rundt. Det vil således ikke længere være nødvendigt, at nedregulere flowet i forbindelse med meget lave ude temperaturer, for at opretholde indsugningstemperaturen på 16,7oC. 40 Dansk Energi’s forsknings- og udviklingsprogram Side 36 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 7.0 Recirkulationssystem Dette afsnit vil gennemgå hypotesen omkring recirkulationssystem med tilhørende affugter. Afsnittet skal desuden danne grundlag for en efterfølgende beregning af tilbagebetalingstid, samt den endelige konklusion 7.1 Præsentation – hvorfor affugtning Anvendelse af recirkulering af udsugningsluften til opvarmning af indsugningsluften, er en relativ simpel måde at genvende energi fra udsugningsluften. Ved at recirkulere en del af udsugningsluften kan flowmængden af frisk indsugningsluft nedreguleres, hvilket medføre et mindre energiforbrug på el varmefladen, da luft flowet som skal opvarmes bliver mindre. Men som det også fremgår tidligere i rapporten er en af ventilationssystems primære opgaver, at affugte indeklimaet i vandkraftværket. Det er derfor ikke muligt at recirkulere udsugningsluften direkte, da en direkte recirkulering vil bevirke af indsugningsluftens fugtindhold vil stige, og affugtningen af indeklimaet vil derved blive forringet. Dette er selvfølgelig ikke acceptabelt, og det blev derfor besluttet, at hvis der skulle anvendes recirkulering, skulle der som minimum kunne sikres et fugtindhold i indsugningsluften, som tilsvarrede det fugtindhold der eksisterende i indsugningsluften før ombygningen. Det blev derfor bestemt, at der skulle anvendes en affugter i forbindelse med recirkulering, således at den recirkulerede udsugningsluft affugtes, inden den bliver opblandet med den friske indsugningsluft. 7.2 Placering af recirkuleringskanal Det vil være mest optimalt, at foretage udsugningen fra udsugningskanalen på tryksiden af udsugningsventilatoren i step A1 (se figur 14). På tryksiden af udsugningsventilatoren hærsker der i modsætning til i resten af udsugningskanalen, et lille overtryk. Ligeledes vil det være en fordel, at tilføre den recirkulerede luft på sugsiden af indsugningsventilatoren, da der her, i modsætning til resten af indsugningskanalen, hærsker et lille undertryk. En sådan placering vil ikke kræve nogen tvungen recirkulering, da der vil være et naturligt flow fra overtryk mod undertryk. Figur 14 - Princip tegning over naturligt flow Side 37 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Desværre er en sådan placering af recirkulationssystemet ikke mulig, pga. det eksisterende ventilationssystems udformning. Den eneste mulighed, for at kunne anvende recirkulering på det eksisterende ventilationssystem, er ved at placere recirkulationssystemet på modsatte side af indog udsugningsventilatorerne. En sådan placering vil medføre, at luftens naturlige flowretning bliver fra indsugningskanalen over i udsugningskanalen. Dette er selvfølgelig ikke optimalt, og derfor skal der anvendes en separat ventilator til at overvinde diff. trykket mellem ind- og udsugningsluften, således at luften bliver tvunget fra udsugningskanalen over i indsugningskanalen. Se figur 15 for illustration. Figur 15 - Princip skitse med separat ventilator Side 38 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 7.3 Valg af affugter princip I forbindelse med valg af affugter princip, blev der taget udgangspunkt i to kendte teorier: Kondenseringsaffugtning Adsorptionsaffugtning Kondenseringsaffugteren er opbygget omkring en kølekompressor, hvor affugtningen af luften sker ved at lede luften henover fordamperen, og derefter henover kondensatoren for igen at blive varmet op (se figur 16). Kondenseringsaffugteren viste sig dog hurtigt ikke at være ideel, i forhold til affugtning af den recirkulerede luft, da den bygger på teorien om kondensering, hvor luften køles ned til under dugpunktet. Hvis der tages udgangspunkt i de målte værdier på luften i ”Indgangsanalyse” afsnit 5.2, hvor udsugningsluften er 16,5 oC med RF 25 %, og indblæsningsluften er 16,7 oC med RF 6,2 %, vil processen indsat i et mollier diagram få et forløb som vist på figur 17. Det ses af forløbet i mollier diagrammet, at den recirkulerede luft i forbindelse med affugtning, ved kondenseringsprincippet, skal køles ned til under frysepunktet. Dette medføre en risiko for isdannelse på kølefladen, hvilket vil nedsætte effektiviteten af afkølingen og derved også affugtningen. Det vil derfor være nødvendigt at anvende en køleflade med afrimningsfunktion. I forbindelse med afrimning vil affugtningen være inaktiv, hvilket ikke er acceptabelt, da den fugtige udsugningsluft derved vil blive recirkuleret direkte tilbage i indsugningsluften. Ud over den rent tekniske udfordring, skal omkostningerne til driften af en kølekompressor også vurderes, da en så kraftig nedkøling, som er nødvendig for at sikre en ordentlig affugtning, vil kræve et højt energiforbrug. Figur 16 - Kondenseringssaffugter princip Figur 17 - Kondensering i mollier Den endelige antagelse af, at kondensationsaffugterprincippet ikke er den ideelle affugter løsning i forbindelse med dette projekt, blev efterfølgende endeligt fastlagt i samråd med fagmand Bill Pedersen, Lektor i ventilation på Fredericia Maskinmesterskole. Side 39 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Fokus blev i stedet for rettet mod adsorptionsaffugtningsprincippet, hvor luften ledes gennem en roterende flade, indeholdende Silicagel som optager fugten i luften, se figur 1841. Figur 18 - Adsorptionsaffugter (silicagel) princip Fordelen ved adsorptionsaffugtning med silicagel, frem for kondenseringsaffugtning, er at luften ikke bliver kølet ned under frysepunktet, hvorved risikoen for isdannelse elimineres. Silicagels evne til at absorbere væske skyldes dens meget porøse struktur og store indre overflade42. Silicagelen kan ikke optage uendelige mængder fugt, det er derfor nødvendigt at afdampe den optagede fugt fra silicagelen, således at den kan anvendes igen. Det er altså nødvendigt at regenerere silicagelen ved at varme den op, og derved afdampe den optagede fugt, før den kan genanvendes. For at kunne sikre en kontinuert affugtning ved anvendelse af silicagel, er adsoroptionsaffugteren udformet som en roterende flade. Som det fremgår af figur 18, bliver den roterende silicagel flade påvirket af to separate luftstrømme. I forbindelse med dette projekt, vil størstedelen af den roterende flade gennemstrømmes af den recirkulerede luft, som ønskes affugtet. Den resterende del vil derimod blive gennemstrømmet af en forvarmet luftstrøm, hvis funktion er at fordampe fugten fra silicagelen. Dette betyder at silicagelen vil blive regenereret hver gang den roteres forbi den forvarmede luftstrøm, hvorved det bliver muligt at genvende silicagelen. Udover hovedformlet med at få affugtet den recirkulerede luft, vil anvendelsen af adsorptionsaffugteren også medføre til en ekstra opvarmning af den recirkulerede luft. Denne ekstra opvarmning er et produkt af kondensationsvarmen, som opstår i forbindelse med, at den recirkulerede luftstrøm, gennemstrømmer silicagelen i adsorptionsaffugteren. Derudover vil den varme regenereringsluft også opvarme silicagelen, den varme silicagel vil derved også bidrage til opvarmning af den recirkulerede luft. 41 42 Billede lånt af http://www.condair.dk Bilag 7 – Artikel om adsorptionsaffugter Side 40 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 7.4 Adsorptionsaffugter Efter beslutningen om valget af en adsorptionsaffugter løsning, blev der indhentet en række tilbud fra forskellige leverandøre43. Tilbuddene blev indhentet på baggrund af de målinger og observationer, som omtales i ”Indgangsanalyse” afsnit 5.2, med særlig fokus på flowmængder, temperatur og fugtindhold på ind- og udsugningsluften. Efter at have gennemgået tilbuddene, skulle der vælges en affugter, men da driftsdata, såsom affugtningsgrad og temperatur på den tørre luft, næsten var identisk på de forskellige affugtere, blev der beregnet en virkningsgrad på de forskellige adsorptionsaffugtere44. Denne virkningsgrad vil danne grundlag for det endelige valg af adsorptionsaffugter. Virkningsgraden blev beregnet ud fra den tilførte varmeeffekt til den recirkulerede luft, pr. anvendt kW på adsorptionsaffugteren: 𝜂𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 = 𝑃𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔_𝑎𝑓𝑓𝑢𝑔𝑡𝑒𝑟 Der blev ikke taget højde for affugtningsgraden, da de alle var i stand til at affugte den recirkulerede luft til et absolutfugtindhold på 1 g/kg. Derudover er det også temperaturen på den recirkulerede luft, som er vigtigt for det overordnede problem i dette projekt. Ud fra tabel 5 ses det, at den mest driftsøkonomiske adsorptionsaffugter er Cotes CR3200T. Cotes CR3200T er desuden også en af de affugter med mindst flowkapacitet, og der kunne godt Tabel 5 - Virkningsgrad på affugterne argumenteres for, at vælge en adsorptionsaffugter med større kapacitet, da den i sidste ende måske vil kunne bidrage med en større samlede besparelse, da en større recirkuleringskapacitet vil medføre et mindre flow over el varmefladen. Men for at få det bedst mulige resultat i forbindelse med sammenligning af hypoteserne i dette projekt, vælges der den mest effektive adsorptionsaffugter. Hvis det endelige resultat viser, at der ligger en stor besparelse i recirkulering ved samtidig brug af adsorptionsaffugter, kan der efterfølgende laves beregner på de større adsorptionsaffugtere med dårligere ”selvstændig” virkningsgrad. 43 44 De forskellige leverandører var Condair og Cotes Bilag 8 – Udregninger på virkningsgrad af adsorptionsaffugterne Side 41 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 7.5 Cotes adsorptionsaffugter Tilbuddet blev indhentet via mailkorrespondance med en teknisk sælger fra Cotes45, hvor det blev anbefalet, at anvende cotes beregningsprogram46, til at fastsætte driftsdata på den valgte CR3200T affugter. Ved at benytte Cotes CR3200T bliver det muligt at recirkulere 3.600m3/h, hvilket betyder at friskluft flowet kan reduceres fra 7.800 m3/h til 4.200 m3/h. Vrec=3.600 m3/h Vfrisk_ny=4.200 m3/h Vopblandet=7.800 m3/h Mængden af luft der skal opvarmes af el varmefladen bliver derved mærkbart reduceret, og der kan derfor også forventes en mærkbar besparelse på forbruget til opvarmning via el varmefladen. Der blev i forbindelse med bestemmelse af flowmængder, ikke taget højde for det mertryk der hærsker over den separate ventilator i recirkulationskanalen. Det mertryk er som omtalt i afsnit 7.2 ”Placering af recirkulationskanal”, et produkt af, at den recirkulerede luft skal transporteres fra et undertryk til et overtryk. Da det ikke har været muligt at finde oplysninger på differenstrykkets indvirkning på ventilatorens kapacitet, er der ikke taget højde for dennes indflydelse. I forbindelse med indhentning af tilbud på Cotes CR3200T, gjorde sælgeren opmærksom på en svaghed ved anvendelse af adsorptionsprincippet til affugtning af procesluft45. Da Silicagelen i adsorptionsaffugtere er meget følsom over for fremmede stoffer og partikler i luft, er det meget vigtigt at luften, som skal affugtes, er ren, da affugtningseffekten ellers vil blive forringet. Udsugningsluften i vandkraftværket anses dog som ren i forhold til risikoen for forringelse af affugtningseffekten, med undtagelse af de oliedampe der kommer fra lejer og hydraulik. Det har dog ikke været muligt, at fastsætte koncentrationen af oliedampe i udsugningsluften, og det har derfor ikke været muligt, at finde frem til hvorvidt oliedampen vil have en indvirkning på effekten af adsorptionsaffugteren. For at undgå, at oliedampe fra udsugningsluften, i forbindelse med recirkulering og affugtning, sætter sig i den porøse overflade på silicagelen, blev det valgt, at olien skulle fjernes fra udsugningsluften før recirkulering. Der blev derfor indhentet til tilbud på et oliefang. Det endelige tilbud på et oliefang til beskyttelse af adsorptionsaffugteren blev givet af firmaet – Ventilationsfilter47. I forbindelse med en endelig opsætning af adsorptionsaffugteren, anbefales det dog, at der bliver foretaget en måling af koncentrationen af oliedampe i udsugningsluften, for at få afklaret hvorvidt der er behov for at opsætte et oliefang, før recirkulering. 45 46 47 USB-stik – bilag F - Mail fra Cotes Bilag 9 - calculator.cotes.com (Driftsdata på Cotes CR3200T) Telefon samtale med Claus Bærentsen, Sales manager – Ventilationsfilter Side 42 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ I tilfælde af brand, og derved anvendelse af brandventilatoren, vil installationen af recirkuleringssystemet ikke have nogen indflydelse. Dette skyldes at alle spjæld i hele ventilationssystemet skal lukke automatisk i tilfælde brand48. Derved skal der blot installeres spjæld ved tilgang og afgang af recirkulationskanalen, således at recirkulationskanalen bliver lukket af i tilfælde af brand. 7.6 Indvirkning på indeklima Ved at anvende Cotes CR3200T adsorptionsaffugter bliver det muligt at recirkulere 3.600 m3/h, som efter affugtning vil have en temperatur på 26oC og en absolut fugtighed på 1 g/kg49. Som det fremgår af ”Indgangsanalysen” afsnit 5.2, er indsugningsluftens absolutte (abs.) fugtighed blevet målt til 0,7 g/kg og den gennemsnittet abs. fugtighed på friskluften over vinteren var blevet beregnet til 0,9 g/kg. At den recirkulerede luft har en abs. fugtighed på 1 g/kg, betyder at den samlede indsugningslufts abs. fugtighed efter opblanding med den recirkulerede luft, vil stige en smule i forhold til den nuværende indsugningsluft. Den samlede indsugningslufts abs. fugtighed efter opblanding, vil dog fortsat være under 1 g/kg, hvilket er mere end acceptabelt i forhold til, at kunne sikre indeklimaet. Indeklimaet vil til gengæld blive forbedret henover sommeren, hvor adsorptionsaffugteren vil bevirke til en reduktion af den abs. fugtighed på den samlede indsugningsluft efter opblanding. Friskluften og derved også indsugningsluften før opblanding, har henover sommeren en gennemsnitlig abs. fugtighed på 4,6 g/kg50. Pga. den højere fugtighed på indsugningsluften om sommeren, vil fugtighedsgraden på den recirkulerede luft efter affugtning også stige henover sommeren, hvor den vil være på 3,1 g/kg49. Den recirkulerede luft vil, om sommeren, dog stadigvæk have et lavere fugtindhold end indsugningsluften, hvorved den samlede abs. fugtighed efter opblanding altså derfor vil falde. Udover den højere abs. fugtighed på recirkulationsluften henover sommeren, vil temperaturen på den recirkulerede luft efter affugtning også stige til 30 oC. Den højere temperatur på den recirkulerede luft henover sommeren, skyldes et større kondensationsbehov, hvilket medfører den højere kondensationsenergi51. 48 49 50 51 ”Temaveiledning brandnvern i kraftforsyningen” – Norges vassdrags- og energidirektorat Oplyst af leverandøren på ventilationssystemet, Henrik Mai fra NIRAS Greenland A/S Bilag 9 - calculator.cotes.com (Driftsdata på Cotes CR3200T) Se Afsnit 5.2 - omkring ”Temperatur og fugt” i Indgangsanalysen Se Afsnit 7.3 - ”Valg af affugter princip” Side 43 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 7.7 Besparelse For at kunne beregne besparelsen på opvarmning af indsugningsluften, ved anvendelse af recirkuleringssystem med tilhørerne adsorptionsaffugter, skal der beregnes en ny setpunkts temperatur for el varmefladen. Opvarmningen af indsugningsluften i forbindelse med anvendelse af recirkulering, sker ved opblanding af to luftstrømme – den friske luft udefra og den recirkulerede luft fra udsugningskanalen. I forbindelse med beregning på opblanding af luftstrømme, skal der både tages højde for temperatur og fugtighed. Men da fugtindholdet i friskluften svinger meget fra de kolde tørre måneder om vinteren, til de varme fugtigere måneder om sommeren, er det svært at fastsætte en retvisende gennemsnitsværdi for et helt år. Derudover har det svingende fugtindhold i luften, også indflydelse på temperaturen af den recirkulerede luft efter affugtning, pga. den svingende kondensationsenergi, som varigere alt efter den absolutte fugtighed på friskluften52. Pga. af svingerne vil besparelsen blive beregnet ud fra gennemsnits temperatur og fugtighed om vinteren. Det skyldes at recirkulationstemperaturen efter affugtning er lavest om vinteren, hvilket betyder, at det er om vinteren, hvor el varmefladen vil have den højeste setpunkts temperatur. Ved at tage udgangspunkt i den højeste setpunkts temperatur på el varmefladen, vil besparelsen blive udregnet ud fra den højeste belastning på el varmefladen, hvilket betyder at resultatet vil bliver en minimums besparelse. Mollier diagrammet vil danne grundlag for fastsættelse af den nye setpunkts temperaturen for el varmefladen. Der vil i den forbindelse blive anvendt følgende punkter: Recirkulerede luft efter affugtning: Trec = 26 oC (temperature efter affugtning) xrec = 1 g/kg (absolut fugtighed efter affugtning) Friskluften/indsugningsluftens absolutte fugtighed: Tfrisk_varm = X (ny setpunkt temperatur for el varmefladen) xfrisk = 0,9 g/kg (gennemsnit for friskluften vinter)53 52 53 Se Afsnit 7.6 ”Indvirkning på indeklimaet”). Se Afsnit 5.2 ”Indgangsanalysen – Data indsamling” Side 44 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ For at kunne indtegne opblandingsforløbet i mollier diagrammet, og derved finde setpunktstemperaturen for el varmefladen, skal data på luften efter opblanding først bestemmes. - temperaturen på luften efter opblanding fastsættes efter den målte indsugningstemperatur fra indgangsanalyse på 16,7 oC. - den absolutte fugtighed på luften efter opblanding beregnes som en funktion af den recirkulerede luft og friskluftens absolutte fugtighed: 𝑥𝑏𝑙𝑎𝑛𝑑𝑒𝑡 ∗ 𝑉𝑏𝑙𝑎𝑛𝑑𝑒𝑡 = 𝑥𝑟𝑒𝑐 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑐 + 𝑥𝑓𝑟𝑖𝑠𝑘 ∗ 𝑉𝑓𝑟𝑖𝑠𝑘_𝑛𝑦 𝑥𝑏𝑙𝑎𝑛𝑑𝑒𝑡 = 𝑥𝑟𝑒𝑐 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑐 + 𝑥𝑓𝑟𝑖𝑠𝑘 ∗ 𝑉𝑓𝑟𝑖𝑠𝑘_𝑛𝑦 𝑉𝑏𝑙𝑎𝑛𝑑𝑒𝑡 𝑔 𝑔 𝑚3 𝑚3 ∗ 3.600 + 0,9 ∗ 4.200 𝑔 𝑘𝑔 ℎ 𝑘𝑔 ℎ → = 0,95 3 𝑚 𝑘𝑔 7.800 ℎ 1 Luften efter opblanding: Tblandet = 16,7 oC (temperatur på indsugningsluft til adgangstunnel)54 xblandet = 0,95 g/kg (absolut fugtighed på indsugningsluften til adgangstunnel) 54 Se Afsnit 5.2- ”Indgangsanalyse – Data indsamling” Side 45 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Setpunktstemperaturen for el varmefladen blev nu fastsat ved brug af teorien omkring opblanding af luftmængder i mollier diagram55 - se på figur 19 i forbindelse denne forklaring: Der blev tegnet en streg fra punktet ”Recirkulerede luft efter affugtning”, gennem punktet ”Luften efter opblanding”. Stregen blev efterfølgende forlænget til skæringspunktet med friskluftens gennemsnitlige absolutte (abs.) fugtighed om vinteren på 0,9 g/kg. Da den abs. fugtighed over el varmefladen er konstant, vil setpunktet for el varmefladen være skæringspunktet mellem friskluftens abs. fugtighed 0,9 g/kg, og den forlængede streng der gennemløber punkterne ”Luft efter opblanding” og punktet ”Recirkulerede luft efter affugtning”. Figur 19 - Udklip af mollier diagram Som det fremgår af udklippet af mollier diagrammet ovenfor, bliver den nye setpunkts temperatur for el varmefladen, efter anvendelse af recirkulering og affugtning med adsorptionsaffugter: 𝑁𝑦 𝑠𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑘𝑡 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒𝑓𝑙𝑎𝑑𝑒 = 7℃ 55 Bog – ”Ventilations ståbi” side 140 Side 46 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ For at sikre forståelse af hvor i anlægget der hærsker de forskellige temperature og fugtigheder i forbindelse med anvendelse af recirkulering, er der blevet fremstillet en principskitse (figur 20). Principskitsen over recirkulering med tilhørende affugter, tager udgangspunkt i principskitsen over step A1 (figur 2 i”Anlægsopbygning”, afsnit 4.2). Figur 20 - Princip skitse af step A1 med værdier ved recirkulering Vedhjælp af den nye setpunkts temperatur for el varmefladen, kan el varmefladens nye årlige energiforbrug beregnes. Igen anvendes varighedsdiagrammet (se figur 21) over friskluftstemperaturen. I forbindelse med anvendelse af varighedsdiagram til energiberegning på el varmefladen, vil der ikke blive taget højde for fugten i luften. Figur 21 - Varighedsdiagram over el varmeflade efter brug af recirkulering Side 47 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Beregning af energiforbrug, på el varmefladen, til opvarmning af indsugningsluften efter recirkulering: 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒_𝑟𝑒𝑐 𝑚3 4.200 𝑠 𝑘𝑔 𝑘𝐽 = 𝑉𝑓𝑟𝑖𝑠𝑘_𝑛𝑦 ∗ 𝜌𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝑐𝑙𝑢𝑓𝑡 ∗ 𝐴𝑡 → 𝑠 ∗ 1,2 𝑚3 ∗ 1 𝑘𝑔 ∗ ℃ ∗ 𝐴𝑡 3.600 ℎ 𝐴𝑡 = 1 ℎ ℃∗ℎ ∗ (7℃ − (−20℃)) ∗ (8.760 ∗ 80%) = 94.608 2 å𝑟 å𝑟 Det årlige energiforbrug, på el varmefladen, til opvarmning af indsugningsluften efter recirkulering: 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒_𝑟𝑒𝑐 𝑚3 𝑠 ∗ 1,2 𝑘𝑔 ∗ 1 𝑘𝐽 ∗ 94.608 ℃ ∗ ℎ = 132.451 𝑘𝑊ℎ = 𝑠 𝑚3 𝑘𝑔 ∗ ℃ å𝑟 å𝑟 3.600 ℎ 4.200 I forbindelse med bestemmelse af adsorptionsaffugterens årlige energiforbrug, blev det valgt at adsorptionsaffugteren vil køre med 100 % belastning året rundt. Dette blev valgt på trods af, at indblæsningstemperaturen på 16,7 oC, på visse tidspunkter af sommerhalvåret, godt kunne opretholdes ved mindre belastning end 100 %. Men da der i forbindelse med sommerhalvåret, tidligere har været problemer med fugt i adgangstunnelen, må det forventes at adsorptionsaffugterens fulde potentiale også ønskes anvendt over sommerhalvåret. 𝐸𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑝𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑎𝑓𝑓𝑢𝑔𝑡𝑒𝑟 = 25,5𝑘𝑊 ∗ 8.760 ℎ 𝑘𝑊ℎ = 223.380 å𝑟 å𝑟 Det er nu muligt at beregne den årlige besparelse. Der skal i den forbindelse tages højde for den årlige energimængde som adsorptionsaffugteren forventes at bruge. Årlig besparelse: ∆𝐸𝑙𝑟𝑒𝑐 = 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 − 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒_𝑟𝑒𝑐 − 𝐸𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑝𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑎𝑓𝑓𝑢𝑔𝑡𝑒𝑟 ∆𝐸𝑙𝑟𝑒𝑐 = 408.593 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑊ℎ − 132.451 − 223.380 = 52.762 å𝑟 å𝑟 å𝑟 å𝑟 Det reducerede energiforbrug til opvarmning: 𝑘𝑊ℎ 52.762 ∆𝐸𝑙𝑟𝑒𝑐 å𝑟 = 0,129 → 12,9 % 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑒𝑟𝑒𝑡 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓𝑜𝑟𝑏𝑟𝑢𝑔 𝑖 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡 = → 𝐸𝑒𝑙_𝑣𝑎𝑟𝑚𝑒 408.593 𝑘𝑊ℎ å𝑟 Side 48 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 7.8 Kildekritik Analysen omkring recirkulationssystem danner grundlag for besvarelsen af hypotesen omkring recirkulering med tilhørende affugter. Det har derfor været meget vigtigt, at være kritisk overfor de valg der bliver taget, samt i forbindelse med beregning af de energibesparelser, som skal begrunde det endelige valg, således at det endelige resultat på projektet, kan blive så realistisk som muligt. Fastsættelse af det endelig valg af adsorptionsaffugterprincip, skete ud fra en udelukkelses metode af kondensationsaffugterprincippet. Udelukkelsen skete på baggrund af to separate kilder, med udgangspunkt i en personlig eftervisning af problematiske omkring isdannelse, ved tegning af kondensationsforløbet i et mollier diagram. Problematikken blev efterfølgende bekræftet af fagmand Bill Pedersen, ventilationsunderviser på FMS. Fastsættelse af den nye setpunktstemperatur på el varmefladen, i forbindelse med anvendelse af recirkulering med tilhørende affuger, blev bestemt ud fra aflæsning i mollier diagram. For at sikre en kritisk tilgang til denne aflæsning, var der flere personer til at bekræfte den endelig aflæsningsværdi. 7.9 Del konklusion Ved at recirkulere udsugningsluften, og derved opblande en del af udsugningsluften, med den friske indsugningsluft, bliver det muligt at nedsætte friskluft flowet over el varmefladen. Men pga. krav til indeklimaet var det nødvendigt at etablere en affugtning af den recirkulerede luft, da koncentrationen af fugt i vandkraftværket ellers vil stige. Til affugtning af den recirkulerede luft, blev valgt en adsorptionsaffugter fra Cotes. Den valgte adsorptionsaffugter gjorde det muligt at recirkulere 3.600 m3/h, hvorved det blev muligt at reducere energiforbruget til opvarmning af indsugningsluften med 12,9 %. Reduktionen på 12,9 % lever fint op til forventningerne omkring recirkulation, som var sat til 10 %. Samtidig skal det også tages med, at anvendelsen af en adsorptionsaffugter, vil medføre muligheden for at affugte indeklimaet i vandkraftværket. Udover det reducerede energiforbrug, bevirker anvendelsen af recirkulering med adsorptionsaffugter også, at det fremover vil være muligt, at opretholde det ønskede luft flow på 7.800 m3/h året rundt. Det vil således ikke længere være nødvendigt, at nedregulere flowet i forbindelse med meget lave ude temperaturer, for at opretholde indsugningstemperaturen på 16,7oC. Side 49 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 8.0 Tilbagebetalingstid I dette afsnit vil den økonomiske gevinst, ved individuel anvendelse af hypoteserne blive beregnet, afsnittet skal være med til at underbygge valget i den endelige konklusion. For at kunne beregne en tilbagebetalingstiden på de to hypoteser, skal den økonomiske besparelse ved investeringen først beregnes. Den økonomiske besparelse vil blive beregnet ud fra den energimæssige besparelse i kWh. Derfor skal der først fastsættes en pris pr. sparet kWh. Prisen i Sisimiut56 er på nuværende tidspunkt 1,56 kr./kWh, men da den sparede energi kun kan sælges til afbrydelig varme, kan der ikke regnes med den normale el pris på 1,56 kr./kWh. Ved afbrydelig varme skal forstås den energi, som anvendes til drift af elektrokedler i forbindelse med el overskud. Prisen på den afbrydelig varme er på nuværende tidspunkt 0,78 kr./kWh. Grunden til at der arbejdes ud fra to forskellige priser på elektriciteten er, at Nukissiorfiit er forpligtiget til at levere elektricitet til almindelig forbrug, men ikke forpligtiget til at levere elektricitet til elektrokedler. Forbrugere der anvender elektrokedler, er derfor selv ansvarlige for, at have en ”back up” i form af en oliefyret kedel i tilfælde af el underskud, hvor der ikke må anvendes afbrydelig varme. Det er dog ikke sandfærdigt, at beregne en tilbagebetalingstid ved direkte, at anvende prisen på afbrydelig varme. Nukissiorfiit har selv installeret elektrokedler til deres fjernvarmesystem, som kun nogle dele af byen er tilkoblet. Dette bevirker at der ikke er sikkerhed for hvor de sparede kWh. bliver brugt. Prisen på fjernvarme er på 0,85 kr./kWh. Da denne pris også dækker over udgifterne til drift af cirkulationspumperne, som fremdriver fjernvarmevandet. Dette skyldes at udgiften til drift af cirkulationspumperne er konstante, uanset hvorledes fjernvarmen produceres. Nukissiorfiit vil derfor ikke have nogen økonomisk besparelse på driften af cirkulationspumperne i forbindelse med anvendelse af afbrydelig varme. Nukissiorfiit har derfor opstillet en afregningspris, til beregning af den økonomiske gevinst på 0,70 kr./kWh, hvis den besparede el bruges til fjernvarme. Denne pris svinger dog en smule i forbindelse med stigende og faldene oliepriser, men anses som en realistisk gennemsnitværdi. I forbindelse med beregning af de økonomiske besparelser, ved individuel anvendelse af de to hypoteser, vil der derfor blive tages udgangspunkt i Nukissiorfiits egen afregningspris på 0,70 kr./kWh. 56 Bilag 10 – Uddrag af Nukissiorfiit’s prisblad nr. 27 Side 50 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 8.1 Pay-back metode For at bestemme en tilbagebetalingstid, så skal der vurderes om beregningen skal foregå ud fra en simpel tilbagebetalingsmetode, eller om der skal tages hensyntagen til en kalkulationsrente57 (dynamisk). I forbindelse med beregning af tilbagebetalingstid, vil prisen på 0,7 kr./kWh danne grundlag for besparelsen. Denne pris er som tidligere beskrevet, afhængig af olieprisen. Olieprisen er det seneste år faldet med 40 %58, hvilket har stor indflydelse på Nukissiorfiits afregningspris. Da afregningsprisen netop er fastsat ud fra de besparelser, som kan opnås ved at gå fra oliefyrede kedler til elektrokedler. På grund af de store udsving i olieprisen, vil der i forbindelse med beregning af tilbagebetalingstiden, ikke blive taget højde for Nukissiorfiits kalkulationsrente på 6%59. Dette skyldes at forrentningen på investeringen i dette projekt er meget afhængig af olieprisen. Og da det ikke har været muligt at fastsætte en fast pris på olien, vil der heller ikke blive taget højde for kalkulationsrenten, da svingerende på olieprisen reelt kan have langt større indflydelse på den endelige tilbagebetalingstid. Tilbagebetalingstiden vil derfor blive beregnet ud fra en simpel tilbagebetalingsmetode, som vil tage udgangspunkt i den nuværende afregningspris på 0,70 kr./kWh. 57 Kalkulationsrenten er det rentekrav, en virksomhed som minimum vil stille sig tilfreds med til forrentning af det investerede beløb. 58 http://www.euroinvestor.dk/boerser/gtis-energy/brent-oil/2327059 59 Konsulent afdelingen i Nukissiorfiit, Nuuk. Side 51 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 8.2 Genvindingsanlæg Tilbagebetalingstiden på genvendingsanlægget vil blive beregnet ud fra udgifterne til investeringen (se tabel 6), samt de efterfølgende vedligeholdelsesudgifterne pr. år. Investeringsprisen er lavet ud fra samarbejde med Cronborg, som hurtigt kunne oplyse priserne på varmepumpe (Recool 45) og buffertanke, da der i disse to tilfælde var tale om lagervare60. Men i forbindelse med fastsættelse af priser på indregulering, rør og ventiler og montering, var det nød til at lave nogle estimerede priser, da der ikke var mulighed for, at få en ekspert fra Cronborg til at inspicere det nuværende anlæg. Prisen på varme- og køleveksler er lavet i samarbejde med firmaet tt-coils, som Cronborg har henvist til. Både varme- og køleveksler vil blive fremstillet specielt til ventilationssystemet på vandkraftværket61. Fragtprisen med Royal Arctic Line62, er lavet ud fra volumen beregning på varmepumpen og buffertankene, samt på vurdering af rør og ventiler. Ud over transporten til Sisimiut, skal der privatcharters et skib fra Sisimiut ud til vandkraftværket, denne pris er fastsat ud fra tidligere betaling for fragt med privatcharter63. Tabel 6 - Investering på Genvendingsanlæg 60 61 62 63 Bilag 4 – Pris på Recool 45 og buffertanke Bilag 5 – Pris på varme- og køleveksler Bilag 11 – Uddrag af pristariffer på skibsfragt Driftschef, John Thomsen Side 52 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Investeringen er den første del af en investeringskalkule, hvor den anden er vedligeholdelses udgifterne. Cronborg har oplyst at anlægget har en levetid på minimum 15 år, hvor der ikke skal foretage vedligehold på anlægget i denne tid. Men selve varmepumpen med HFC-gas skal have et eftersyn én gang om året64. Firmaet ”VVS Teknik” i Sisimiut er også certificeret til netop at foretage eftersyn på varmepumpe, der blev derfor indhentet et tilbud på et eftersyn. ”VVS Teknik” i Sisimiut kunne oplyse at de tog 450 kr./time65, for at udføre et eftersyn af varmepumpen. Den samlede pris på eftersyn af varmepumpen er derfor, i samarbejde med Nukissiorfiit, blevet vurderet til 7.500 kr./år. I den samlede pris bliver der udover time prisen for eftersynet, også medregnet transportomkostninger fra Sisimiut til vandkraftværket. Der kan nu beregnes en simpel tilbagebetalingstid: 𝐵𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒 𝑝𝑟. å𝑟 = (∆𝐸𝐿 ∗ 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛 𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠) − 𝑉𝑒𝑑𝑙𝑖𝑔ℎ𝑜𝑙𝑑 𝑝𝑟. å𝑟 𝐵𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒 𝑝𝑟. å𝑟 = (214986 𝑘𝑤ℎ ∗ 0,7 𝑘𝑟. ) − 7.500 𝑘𝑟. = 142.990 𝑘𝑟. 𝑘𝑤ℎ Simpel tilbagebetalingstid ved genvendingsanlæg 𝑇𝑖𝑙𝑏𝑎𝑔𝑒𝑏𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑡𝑖𝑑 = 64 65 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 𝐵𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒 𝑝𝑟. å𝑟 = 260.592 𝑘𝑟. 142.990 𝑘𝑟. KOMMISSIONENS FORORDNING (EF) Nr. 303/2008 af 2. april 2008 USB-stik – bilag G - Mail fra ”VVS Teknik” Sisimiut Side 53 af 83 = 1,82 å𝑟 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 8.3 Recirkulationssystem Tilbagebetalingstiden på recirkulationsanlægget skal også beregnes ud fra udgifterne til investeringen (se tabel 7), samt de efterfølgende vedligeholdelsesudgifterne pr. år. Investeringsprisen fra Cotes66 er kun på adsorptionsaffugter modullet CR3200T. I forbindelse med fastsættelse af priser på indregulering, for rørtilslutninger, spjæld og montering, var det nød til at lave nogle estimerede priser, da der ikke var mulighed for, at få en ekspert fra Cotes til at inspicere det nuværende anlæg. I forbindelse med monteringen skal der indsættes et rør fra adsorptionsaffugteren ud til det fri, dette rør skal bruges til at bortlede den frugtige regenereringsluft. Den præcise pris på dette rørtræk er svært at fastsætte, monteringsprisen er der estimeret med et særligt stort overslag, for på den måde at sikre en retvisende pris, i forhold til uforudsete udgifter. Tilbuddet på oliefanget, til beskyttelse af silicagelen i adsorptionsaffugteren, blev indhentet fra firmaet ”Ventilationsfilter”. Oliefanget viste sig at blive en specielbestilling, da det skulle fremstilles specielt, for at passe til dimensionerne i recirkulationskanalen. Fragtpriserne er udregnet på samme måde, som ved genvendingsanlægget. Der anvendes ligeledes samme pris, for fragt fra Sisimiut til vandkraftværket med privatcharteret skib. Tabel 7 - Investering på adsorptionsaffugter 66 Produkt Specialist, Dorte Partov, Cotes Side 54 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ For at kunne beregne besparelsen på anvendelse af recirkulering med adsorptionsaffugter, skal der ud over den rent energimæssige besparelse, også tages højde for udgiften til vedligeholdelse af adsorptionsaffugteren. Der blev derfor indhentet oplysninger på de årlige vedligeholdelsesomkostninger67 på Cortes CR3200T. Filterskift to gange årligt, pris 660 kr. pr. gang. Diverse forventet udgift på 2.000 kr. om året Silicagel rotor minimum levetid 10 år, pris 25.000 kr. Garanti på ikke sliddele de første 2 år. Å𝑟𝑙𝑖𝑔 𝑣𝑒𝑑𝑙𝑖𝑔𝑒ℎ𝑜𝑙𝑑𝑒𝑙𝑠𝑒𝑠𝑜𝑚𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔 = 660 𝑘𝑟. 𝑠𝑡𝑦𝑘 𝑘𝑟. 25.000 𝑘𝑟. 𝑘𝑟. ∗2 + 2.000 + = 5.820 𝑠𝑡𝑦𝑘 å𝑟 å𝑟 10 å𝑟 å𝑟 På trods af garantien på ikke sliddele de første 2 år, regnes der med en fast udgift på 2.000 kr. på diverse posten. Dette gøres for at sikre at udgifterne til vedligehold også er dækket de første 2 år. Der kan nu beregnes en simpel tilbagebetalingstid: 𝐵𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒 𝑝𝑟. å𝑟 = (∆𝐸𝐿 ∗ 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛 𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠) − 𝑉𝑒𝑑𝑙𝑖𝑔ℎ𝑜𝑙𝑑 𝑝𝑟. Å𝑟 𝐵𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒 𝑝𝑟. å𝑟 = (52.762 𝑘𝑤ℎ ∗ 0,7 𝑘𝑟. ) − 5.820 𝑘𝑟. = 31.113 𝑘𝑟. 𝑘𝑤ℎ Simpel tilbagebetalingstid ved recirkulationsanlæg 𝑇𝑖𝑙𝑏𝑎𝑔𝑒𝑏𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑡𝑖𝑑 = 67 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 𝐵𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑒𝑙𝑠𝑒 𝑝𝑟. å𝑟 = 261.828 𝑘𝑟. 31.113 𝑘𝑟. = 8,42 å𝑟 USB-stik – bilag F - Vedligeholdelsesomkostninger fra Dorte Partov, Produkt specialist hos Cotes Side 55 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 8.4 Kildekritik Det har været nødvendigt at være kritisk omkring Nukissiorfiits egen afregningspris på 0,70 kr./kWh. da oplysningerne kun kommer fra distriktschefen Jan Zachariasen, der er således kun én kilde til at bekræfte denne pris. Men da distriktschefen selv har en interesse i, at hans budget ikke overskrides pga. en forkert afregningspris, må det vurderes at prisen på 0,7 kr./kWh er troværdig. Argumentationen for simpel tilbagebetalingstid skyldes en meget svingende oliepris. Kilden kommer fra selskabet Euroinvestor.dk, som sælger oversigt over aktie-, obligations- og valutakurser samt råvarepriser til kunder i hele landet. Dette kan ikke stå alene, og skal ses sammen med aktiemarkedet, Nasdaq’s68 lister på råolieprisen. Begge disse kilder kan anses for at være uafhængige. Prisestimatet til rør, spjæld, montering og indregulering er lavet på antagelser, og kan ikke anses for at være en troværdig kilde. Men da det ikke har været muligt, at få virksomhederne til Grønland uden betaling, har det været nødvendigt at foretage disse pris antagelser. 8.5 Del konklusion Det ses nu at Nukissiorfiit’s interne pris på 0,70 kr./kWh. giver en besparelse på 142.990 kr. per år for genvendingsanlægget med varmepumpe, og 31.113 kr. per år for recirkulationsanlægget med affugter. Besparelserne vil medføre en tilbagebetalingstid på 1,82 år for varmepumpeløsningen, som derved bekræfter hypotesen omkring en tilbagebetalingstid på 2 år. Besparelsen på recirkuleringsløsningen vil derimod medføre en tilbagebetalingstid på 8,42 år, hvilket betyder at recirkulationsløsningen afkræfter hypotesen omkring en tilbagebetalingstid på 1 år. 68 Olieprisen fra Nasdaq: http://www.nasdaq.com/markets/crude-oil-brent.aspx?timeframe=1y Side 56 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 9.0 Diskussion De tre hypoteser er nu blevet behandlet, og i den forbindelse er der blevet beregnet en energi besparelse på opvarmning af indsugningsluften ved brug af henholdsvis genvending og recirkulering. Der er ligeledes også blevet beregnet en tilbagebetalingstid på begge investeringer, og det er således nu muligt, at sætte de to optimeringsforslag op imod hinanden. Der er både fordele og ulemper forbundet med anvendelsen af enten genvending og recirkulering, men fælles for dem er, at de begge formår at bidrage med en nedbringelse af Nukissiorfiits egetforbrug. Der er dog en stor forskel i forhold til hvor meget de individuelt bidrager til nedsættelsen af egetforbruget – genvendingsanlægget med tilhørende varmepumpe, var i stand til at nedbringe forbruget med 214.986 KWh/år, hvor recirkulationssystemet med tilhørende affugter kun bidrog med en besparelse på 52.762 kWh/år. Hvis der samtidig også tages højde for tilbagebetalingstiden på 1,82 år for genvendingsanlægget, og 8,42 år for recirkulationssystemet, er der ikke umiddelbart tvivl om valget. I forhold til anvendelse af recirkulering, og den begrænsede årlige besparelse på energi til opvarmning af indsugningsluften, skal der fortsat huskes på, at beregningen er en minimums besparelse. På trods af at beregningen på recirkuleringen er en minimums besparelse, er det dog højest usandsynligt, at den endelige besparelse på opvarmning af indsugningsluften ved brug af recirkulering, vil overstige besparelsen ved anvendelse af genvending med tilhørende varmepumpe. Der er dog også et andet aspekt, som ikke direkte har noget med nedsættelse af Nukissiorfiits egetforbrug, men som alligevel kan have indflydelse på det endelige valg, og det er affugtning af indeklimaet i vandkraftværket. Fugtindholdet i luften kan have store indflydelser på leve tiden af et anlæg, især de elektriske installationer er meget overfølsomme over for fugt. I forbindelse med anvendelse af recirkulering med tilhørende affugter, er det blevet bevist, at der vil ske en gradvis affugtning af indeklimaet henover sommerhalvåret, hvor problemet med fugtigt indeklima er størst. Det vil derved måske være muligt, at forlænge levetiden på nogle af komponenterne ved at anvende recirkulering med tilhørende affugter. Dette betyder således at der på længere sigt, ved anvendelse af recirkulering med tilhørende affugter, måske vil kunne opnås yderligere besparelse, end blot den årlige besparelse på 52.762 kWh/år til opvarmning af indsugningsluften. Denne besparelse vil dog ikke være en energibesparelse på egetforbruget, men en økonomisk besparelse på vedligeholdelse af vandkraftværket. Genvendingsløsningen bidrager dog også med en lille forbedring af indeklimaet i vandkraftværket, ved at muliggøre optimal luftudskiftning (7.800 m3/h) hele året rundt. Dette skyldes, at el varmefladen sammen med væske/luft varmeveksleren kan levere den tilstrækkelige mængde energi til opvarmning af indsugningsluften året rundt. Der vil således ikke længere være behov for nedregulering af indsugnings flowet i forbindelse med meget lave friskluftstemperature (under –18 o C). Denne forbedring af indeklimaet i forhold til fugt, vil dog langtfra være på niveau med den forbedre, som kan opnås ved anvendelse af recirkulering med tilhørende affugter. Side 57 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 10.0 Konklusion I forbindelse med gennemgang af indgangsanalysen blev der fundet frem til, at den elektriske varmeflade, som opvarmer indsugningsluften, på nuværende tidspunkt har et årligt energiforbrug på 408.593 kWh. Der blev udover beregninger også foretaget forskellige relevante målinger i forhold til ventilationssystem. Temperaturen i udsugningskanalen blev blandt andet målt til 16,5 o C, hvilket bekræftede forventningen om, at der var masser af energi tilstede i udsugningsluften. Efterfølgende blev analyserne behandlet for henholdsvis hypotesen omkring genvending med tilhørende varmepumpe og hypotesen omkring recirkulering med tilhørende affugter. Besparelse ved genvending: I forbindelse med analysen omkring genvending med tilhørende varmepumpe, faldt det endelige valg af varmepumpetype på en væske/væske varmepumpe fra Cronborg, modelnavn Recool 45. Cronborgs Recool 45 gjorde det muligt, at reducere det årlige energiforbrug med 214.986 kWh. Hvilket svare til en besparelse på 52,6 % i forhold til nuværende forbrug. Besparelse ved recirkulering: I forbindelse med analysen omkring recirkulering med tilhørende affugter, faldt det endelige valg af affugtertype på en adsorptionsaffugter fra Cotes, modelnavn CR3200T. Cotes CR3200T gjorde det muligt, at reducere det årlige energiforbrug med 52.762 kWh. Hvilket svare til en besparelse på 12,9 % i forhold til nuværende forbrug. Pris: Endeligt blev der i forbindelse med analysen af den sidste hypotese omkring tilbagebetalingstid, indhentet tilbud på henholdsvis Cronborgs Recool 45 og Cotes CR3200T. Cronborgs Recool 45: 260.592 kr. Cotes CR3200T: 272.017 kr. Prisen er samlet, hvilket betyder der er taget højde for indkøb, fragt, montering og indregulering. Side 58 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Tilbagebetalingstid: Efterfølgende blev der beregnet en simpel tilbagebetalingstid. I denne tilbagebetalingstid, blev der foruden den samlede pris, også taget højde for den årlige udgift til vedligeholdelse. Cronborgs Recool 45: 1,82 år Cotes CR3200T: 8,42 år På baggrund af resultaterne i de udarbejdede analyser, kan det konkluderes, at den bedste løsning på en alternativ opvarmningsmetode - hvis hovedformål er reduktion af egetforbruget til opvarmning af indsugningsluften - er en genvendingsløsningen med tilhørende varmepumpe. Valget af genvendingsløsningen med tilhørende varmepumpe, skete først og fremmest på baggrund af den store reduktion i egetforbruget. Denne store reduktion på 214.986 kWh om året, medførte samtidig en meget acceptabel tilbagebetalingstid på 1,82 år. Udover en besparelse, vil installationen af genvendingsløsningen også skabe en mulighed for, at opretholde det optimale indsugnings flow på 7.800 m3/h året rundt. Dette medfører at genvendingsløsningen ikke blot imødekommer kravene til indeklimaet i vandkraftværket, men faktisk bidrag til en bedre luftudskiftning henover vintermånederne. Endeligt vil genvendingsløsningen, rent rentabilitetsmæssigt, være en god investering for Nukissiorfiit i forhold til at imødekomme deres egen CSR-politik, omkring nedsættelse af deres samlede egetforbrug med 10 % inden år 2017. Side 59 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 11.0 Perspektivering I forbindelse med arbejdet omkring besvarelsen af problemformuleringen i dette projekt, blev der under analyserne reflekteret over mulige alternative hypoteser, i forhold til de to opstillede hypoteser omkring genvending og recirkulering. I forbindelse med denne reflektering, er der blevet udvalgt tre alternative hypoteser, som vil blive gennemgået i denne perspektivering. Simpel nedregulering af indsugnings flowet: Den første alternative hypotese, tog udgangspunkt ventilationssystemets primære formål med at affugte indeklimaet i vandkraftværket. Efter at have foretaget målinger af fugtigheden i udsugningsluften (25 % relativ, ved 16,5 oC), stod det klart, at behovet for affugtning af indeklimaet i vandkraftværket, henover vinterhalvåret var begrænset. Det stod også klart at dette begrænsede behov for affugtning, skyldes den meget tørre friskluft, som blev indsuget henover vinterhalvåret. Den første alternative hypotese var derfor blot at nedregulere luft flowet på indsugningsluften, i forbindelse med meget tørre/kold friskluft. Derved vil energiforbruget til opvarmning falde, da flowet over el varmefladen vil blive reduceret. Denne første alternative hypotese blev yderligere vagt til live, da det vidste sig, at der ikke stilles særlige krave til luft flow i et ventilationssystem, det kræves blot at luftens indhold af forskellige stoffer ikke overstiger visse grænseværdier69. Disse grænseværdier skal selvfølgelig undersøges over eftervises ved målinger, før en eventuel nedregulering af indsugnings flowet kan finde sted. Besparelse rent energimæssigt vil muligvis ikke blive ligeså god, som ved anvendelsen af genvendingsanlægget med tilhørende varmepumpe. Men til gengæld vil en simpel nedregulering af indsugnings flowet ikke medføre nogen ændre på det eksisterende ventilationssystem, og den vil i realiteten kunne anses for omkostningsfri. Opsætning af ”små” separate affugter, i særligt fugtige områder: Den anden alternative hypotese, tog udgangspunkt i den allerede anvendte hypotese omkring recirkulering med tilhørende affugter. Efter at have gennemarbejdet analyseafsnittet, som behandler hypotesen om recirkulering med tilhørende affugter, stod det klart at den helt store udgift, lå i driften af affugteren. Ved f.eks. at sætte ind der hvor koncentrationen af fugt var størst i vandkraftværket, ville det måske være muligt at minimere udgiften til driften af affugteren, da kapaciteten på affugteren derved kunne reduceres. Den anden alternative hypotese var derfor, at undersøge hvor i vandkraftværket nedsivningen af vand var størst, da det må forventes at det også er der, hvor koncentrationen af fugt vil være størst. Derved vil der kunne placeres ”små” separate affugter rundt i de fugtigste områder, hvorved den samlede fugtighed i indeklimaet på vandkraftværket vil blive reduceret. Denne reduktion af 69 Læs ”At-vejledning C.0.1” omkring grænseværdier for stoffer og materialer Side 60 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ fugtigheden, vil samtidig reducere behovet for luftudskiftning, hvilket betyder at indsugnings flowet kan nedreguleres, hvilket igen vil reducere energiforbruget på el varmefladen. Hæv temperaturen i adgangstunnelen: Den tredje alternative hypotese, tog udgangspunkt i den allerede anvendte hypotese omkring genvending med tilhørende varmepumpe. Efter at have gennemarbejdet analyseafsnittet omkring recirkulering med tilhørende affugter, stod det klart, at der i forbindelse med ”varmere” frisklufttemperature, ikke ville være behov for konstant anvendelse af varmepumpen. I den forbindelse blev der valgt at anvende en varmebuffer til oplæring af varmeenergi, hvilket ville medføre længere intervaller mellem start og stop af varmepumpen. Men hvis man i stedet for at anvende en varmebuffer til oplæring af varmeenergien, kunne temperaturen hæves i adgangstunnelen, hvorved adgangstunnel vil fungere som varmebuffer. En højere temperatur i adgangstunnelen, vil samtidig nedbring behovet for opvarmning af luften i ”step A2”70, hvilket vil medføre til yderligere reduktion af Nukissiorfiits egetforbrug, da opvarmningen af indsugningsluften i step A2 indtil kraftstationen også sker via en el varmeflade. Den tredje alternative hypotese underbygger således den allerede anvendte hypotese omkring anvendelse af genvending med tilhørende varmepumpe. Der skal i forbindelse med den tredje alternative hypotese dog undersøges - hvorvidt det vil have negative konsekvenser for driften af ventilationssystemet, samt for indeklimaet i vandkraftværket det, at hæve temperaturen i adgangstunnelen. 70 Se afsnit 4.2 ”Anlægsopbygning” Side 61 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ 13.0 Litteraturliste 13.1 Hjemmesider [1] Norsk Lovgivning i kraftforsyninger | Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap http://oppslagsverket.dsb.no/content/el-tilsyn/forskrifter/elektriskeforsyningsanlegg/temaveiledning-brannvern-i-kraftforsyningen/ - bestemmelserne som Vandkraftværket er lavet ud fra, og bruges i afsnit 4.3 [2] Skitse af varmepumpe princip | Midtjysk el center | http://www.midtjyskelcenter.dk/page17452.aspx [3] ”Bekendtgørelse om regulering af visse industrielle drivhusgasser” | Retsinformation | https://www.retsinformation.dk/forms/R0710.aspx?id=12578 - Lovgivning omkring fyldning med HFC-gas op til 10 kg [4] Forskningsprojekter med anvendelse af naturlige kølemidler | EL-forsk | http://www.elforsk.dk/ELFORSK/Projekter/ProjectSearch/ProjektInfo.aspx?proji=343-059 http://www.elforsk.dk/ELFORSK/Projekter/ProjectSearch/ProjektInfo.aspx?proji=342-078 - Hhv. projektnr. 343-059 (Ammoniak) og 342-078 (CO2) [5] Prisblad nr. 27 | Nukissiorfiit – Forsyningsselskab https://www.nukissiorfiit.gl/wp-content/uploads/2012/11/Prisblad-nr-27-fra-1-februar-2015da.pdf - Pris oversigt på el, vand og varme på Grønland [6] Pristariffer | Royal Arctic Line http://www.ral.dk/media/321699/2015_04_tarif.pdf - Priser på skibsfragt Side 62 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ [7] Lov om eftersyn af anlæg med HFC-gas | Miljøministeriet http://mst.dk/media/mst/67181/308_2008%28EF%29.pdf - 0,12 kg til 10 kg HFC-gas skal der laves eftersyn én gang årligt af en certificeret fagmand [8] Oliepris udviklingen | Euroinvestor http://www.euroinvestor.dk/boerser/gtis-energy/brent-oil/2327059 - Olieprisen er faldet med 40% inden for den seneste år 13.2 Bøger og kompendier [1] Ventilationsståbi – 2. udgave af Nyt Teknisk Forlag ISBN: 978-87-571-1982-4 [2] Noget om køleteknik I+II – 4. udgave af Eigil Nielsen ISBN: 978-87-90477-07-3 [2] Den gode opgave – 4. udgave af Lotte Rienecker og Peter Stray Jørgensen ISBN: 978-87-593-1521-7 Side 63 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 1 Det nuværende aggregat A1 fra Novenco, for at dokumentere effekten på varmefladen Side 64 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Side 65 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 2 Målinger ude fra vandkraftværket er foretaget d. 31-03-2015, og målingerne har indbefattet flow, temperatur og relativ fugtighed. Det var ikke muligt at få en kopi af certifikaterne for instrumentet, men var udlånt af VVS-teknik, hvor vi så disse certifikater. Til alle målinger er anvendt apparatet ”Kimo Ami 300” med tilhørende tilbehør: - 71 Ved flowmåling er anvendt vingehjulsanemometer, som har en måleusikkerhed mellem 5 og 20 %. Fugt og temperatur måling er foregået med et thermo-hygrometer, hvor måleusikkerheden er mellem 0,5-5%, når målingen varer omkring 20 min. Dertil kommer målemetoden med en usikkerhed på 10 %71. ”Ventilation Ståbi” s. 465 Side 66 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Der er foretaget målinger på temperatur og fugtighed i den tunnel, som ventilationssystemet skal tilfører luft. Dette er gjort for at synliggøre problemet med at om sommeren har de problem med for meget fugt i luften. I udgangen af tunnelen er der forskellige fugtigheder - den laveste var i midten, og den højeste var ved klippevæggen, hvor der så er lavet en middelværdi. Nedenfor ses en skitse over byggeriet, for at illustrere målingerne. Side 67 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 3 Data til dette bilag er fremskaffet fra DMI’s rapport ”Technical Report 14-08”, som er målinger fra Grønland i årene 1961 til 2001. Der bruges data fra vejrstationen i Sisimiut, som er den tætteste vejrstation med fugtmåling ift. vandkraftværket. Det benyttes kun gennemsnit tal for sommer og vinter. Rapport: http://www.dmi.dk/fileadmin/user_upload/Rapporter/TR/2014/tr14-08.pdf Data: http://www.dmi.dk/fileadmin/user_upload/Rapporter/TR/2014/tr14-08.zip Vinter – Januar, Februar og Marts Temperatur: -13,9 °C Relativ fugtighed: 80 % Absolut fugtighed: 0,9 g/kg Sommer – Juni, Juli og August Temperatur: 5,3 °C Relativ fugtighed: 85 % Absolut fugtighed: 4,7 g/kg Data og rapport fra DMI ligger på USB-stik – bilag B Side 68 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 4 Datablad og listepris på Recool 45, samt flow mængder på vand/glykol blanding. Side 69 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Buffertanke valg: Side 70 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 5 Tilbud på hhv. køleveksleren og varmevekslere: Side 71 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Side 72 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 6 Cirkulationspumpe aflæsning på konstant tryk ved 2 m - 8,25 m3/h (varm) og 6,46 m3/h (kold)72. 72 Bilag 4 Side 73 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 7 Side 74 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Side 75 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 8 Beregningerne på virkningsgrader på affugterne tager kun højde for varmeoverførsel til tørluft. Tallene t.tør (temperatur efter affugteren) og P.forbrug (effektforbrug) kommer fra de to leverandører hhv. Cotes og Condair. Side 76 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 9 I dette bilag findes oversigten af programmet der benyttes til Cotes affugtere hhv. vinter og sommer. Vinter: Side 77 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Sommer: Side 78 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 10 Uddrag af Nukissiorfiit’s prisblad nr. 27: Side 79 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 11 Uddrag af Royal Arctic Line’s pristariffer på fragt: Side 80 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 12 Billede af udsugningskanalen med normal og brandventilationskanal Side 81 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 13 Billede af udsugningskanalen der løber under adgangstunnelens loft Side 82 af 83 Optimering af ventilationssystem _______________________________________________________________________________________ Bilag 14 Billede af udmunding i indsugningskanalen, samt udsugningskanalen. Side 83 af 83
© Copyright 2024