Fjärrkyla i USA

Comments

Transcription

Fjärrkyla i USA
Fjärrkyla i USA
Johan Andersson
Erik Tornberg
Sammanfattning
Behovet av kyla är idag större än någonsin. För att skapa kylan används i stor utsträckning
traditionella eldrivna kylaggregat. Elektriciteten som används för att driva dessa kylanläggningar är
en stor del av den totala förbrukningen i vissa länder. Med stigande elpriser och en elproduktion som
genererar stora mängder koldioxid finns det både ekonomiska och klimatmässa skäl till att fundera
över alternativ för kylning.
Detta arbete handlar tekniken bakom fjärrkyla. Olika sätt att skapa kyla samt hur kylan transporteras.
Det ges även en beskrivning av vad som krävs för att konvertera ett traditionellt kylsystem till
fjärrkyla.
Arbetet omfattar också en kort analys av vilka tekniker som kan vara lämpliga att använda i USA .
2
Innehållsförteckning
Sammanfattning .................................................................................................................................2
Vad är fjärrkyla?..................................................................................................................................4
Fjärrkyla ur snö ...................................................................................................................................5
Värmepumpar ....................................................................................................................................6
Frikyla .................................................................................................................................................7
Absorptionskyl ....................................................................................................................................8
Fjärrkylans potential i USA ..................................................................................................................9
Snökyla ...........................................................................................................................................9
Värmepumpar...............................................................................................................................11
Absorptionskylar ...........................................................................................................................12
Fördelar och nackdelar gentemot andra kylsystem. ..........................................................................12
Kunder ..........................................................................................................................................12
Kommuner ....................................................................................................................................13
Samhället...................................................................................................................................... 13
Projektet på Hawaii...........................................................................................................................13
Behovet av kyla.................................................................................................................................14
Distribution av fjärrkyla.....................................................................................................................14
Konvertering till fjärrkyla .................................................................................................................. 15
Frågor till tentamen ..........................................................................................................................16
Refferenser .......................................................................................................................................16
Figurer ..........................................................................................................................................16
3
Vad är fjärrkyla?
Fjärrkyla bygger på att kallt vatten produceras i en centralt belägen anläggning. Detta kalla vatten
pumpas ut i ett rörnät för att leverera kyla till anslutna kunder. Vattnet pumpas sedan tillbaka till
kylanläggningen där det kyls på nytt. Principen är densamma som fjärrvärme fast syftet är att
leverera kyla istället för värme. Det finns många olika tekniker för att tillverka fjärrkyla. Den stora
fördelen med fjärrkyla är att det är mindre energikrävande jämfört med loka kylsystem.
Behovet av kyla växer ständigt och är ofta något vi tar förgivet. De viktigaste områdena är bland
annat förvaring av livsmedel, industriella processer och kylning för att skapa bra inomhusklimat. De
tekniker som idag används för framställning av kyla är ofta väldigt elintensiva. Med dagens
elproduktion som i många fall genererar stora utsläpp av växthusgaser är det nödvändigt att
undersöka möjliga alternativ för att generera kyla.
Figur 1 – Principskiss över fjärrkyla
De olika tekniker för skapandet av fjärrkyla som tas upp i detta arbete är:
Frikyla – innebär att man utnyttjar kyla från hav, sjöar och andra vattendrag.
Absorbtionskyla – vilket utnyttjar den värmeenergi som uppstår i samband med produktion
av fjärrvärme.
Värmepumpar – kan framställa kyla och värme på samma gång.
Fjärrkyla ur snö – utnyttjar kylan i snö.
4
Fjärrkyla ur snö
Ett möjligt alternativ att skapa fjärrkyla är att utvinna kyla ur snö. I områden som under
vinterhalvåret har mycket nederbörd i form av snö kan man förvara snön och utvinna kylan under
sommarhalvåret. Denna teknik är relativt oanvänd idag men är på väg att etableras främst på grund
av att snön är gratis och finns i stora mängder. En annan fördel med tekniken är att den kan anses
som miljövänlig då den inte använder miljöfarliga ämnen som köldmedium och är helt förnyelsebar.
Behovet av kyla är stort och dagens konventionella teknik för framställning av kyla kräver stora
mängder elektricitet. Användning av snökyla är ett sätt att minska elberoendet och därmed också
användningen av fossila bränslen.
En anläggning med snökyla består av ett förvaringsutrymme för snön, filter, pumpar och
värmeväxlare.
Det är viktigt att förvaringsutrymmet är isolerat för att minska värmetillförsel från dess omgivning.
Detta kan åstadkommas genom ett isolerande lager av exempelvis träflis som läggs ovanpå snön. En
fördel med att använda träflis som isoleringsmaterial är träflisens förmåga att absorbera miljöfarliga
ämnen som kan finnas i snön. För att förhindra smältvatten att rinna ner i marken bör snölagret ligga
på en vattentät grund. Ett alternativ kan vara att placera förvaringsutrymmet under marknivå för att
minimera förluster i form av värmeinstrålning från solen. Placeringen av snölagret, oavsett om det är
ovan eller under marknivå, bör vara nära stadens centrum för att minimera transporterna av snön.
Innan smältvattnet passerar värmeväxlaren måste det filtreras för att avskilja eventuella
smutspartiklar och föroreningar. Efter filtreringen pumpas smältvattnet vidare till värmeväxlaren. Här
kyler smältvattnet fjärrkylanätet och förs sedan vidare till snölagret med en förhöjd temperatur och
skapar på detta vis nytt smältvatten. Värmeväxlaren måste tillverkas i ett material som tål de
föroreningar som filtreringen inte tar upp. [1]
Figur 2 – Principskiss över snökyla
5
Värmepumpar
Enligt termodynamikens lagar krävs det arbete för att överföra energi från ett kallt medium till ett
varmt. En värmepump består i sin enklaste utformning av fyra komponenter, kompressor,
kondensor, strypventil och en förångare. Dessa komponenter arbetar med ett medium, ofta freoner,
propan eller ammoniak, i ett slutet system för att överföra energi från ett system till ett annat. Dessa
medium har en kokpunkt runt -30 grader Celsius vid atmosfäriskt tryck för att få en cykel som avger
temperaturer som är användbara i dagliga situationer (dusch, varmvatten osv.). In i kompressorn
kommer mediet i gasform vid låg temperatur och lågt tryck för att efter kompressorn ha en hög
temperatur och ett högt tryck. I kondensorn avger mediet mycket av sin värme samtidigt som trycket
består. Då temperaturen sänks så mycket att mediets temperatur går under kokpunkten vid det
givna trycket övergår mediet till vätskefas. Efter kondensorn sänks trycket genom en strypventil och
mediet har nu ett lågt tryck och en låg temperatur. I förångaren tillsätts energi så att mediet vid det
låga trycket förångas och cykeln sluts.
Energin som tillsätts i förångaren för att förånga mediet får en väldigt låg temperatur ut och det är
denna låga temperatur som sedan kan användas för att ta upp energi från en varm kontorslokal,
serverhall eller annan process som behöver kylas.
Figur 3 Värmepump illustration
Fördelen med en värmepump är att den kan placeras var som helst så länge det finns elenergi som
kan driva kompressorn. Detta gör det till en väldigt flexibel maskin som kan användas på de flesta
håll i världen. Det är dock fördelaktigt om den används i en region som har efterfrågan på både
värme och kyla. Det är hela tiden viktigt att värmen i kondensorn kyls bort samt att det tillsätts
6
tillräckligt mycket energi i förångaren för att förånga mediet. Annars måste maskinen gå på dellast
och får på så sätt sämre verkningsgrad. Så länge dessa pumpar går på fullast har de ett högt värde på
COP (Coefficient Of Performance), upp emot 5, vilket betyder att för varje kWh el som sätts in i
processen fås 5 kWh värme. En hög COP innebär också att en värmepump är ett bra alternativ till
andra kommersiellt tillgängliga kylanläggningar, ett högt elpris är det som kan göra andra alternativ
intressanta. Med en reverseringsventil kan man få kondensorn att agera som förångare och vice
versa, detta betyder att i området med kalla vintrar och varma somrar kan man få både komfortkyla
och komfortvärme från en och samma maskin (annars hade det behövts två olika). [2]
Frikyla
Det är möjligt att leverera kyla genom att använda djupa sjöar eller hav som kylare. Detta är möjligt
för att vatten har sin högsta densitet vid 3.98 grader Celsius. Blir vattnet kallare så minskar
densiteten och lika så om temperaturer ökar. Detta leder till att temperaturen på havsbotten eller
sjöbotten alltid är 3.98 grader Celsius. Genom att använda botten som en kylare är det alltså direkt
möjligt att flytta energi från en varm lokal till det kalla havet. Man får samma effekt som en
värmepump utan att behöva tillsätta energi i form av elektricitet. Nedan visas ett exempel från
Cornell University i USA. Det är synligt att man valt att ha två separata system och sedan överföra
värmen via en värmeväxlare. Detta är det vanligaste sättet att använda dessa system då man slipper
eventuella problem med smuts som smiter förbi filtrena och fastnar inne skolans system. Att
installera ett system baserat på denna teknik är dyrt men driftskostnaderna är väldigt låga.
Figur 4 Cornell University djupsjökylning
Detta system kan även användas i samband med upptagning av dricksvatten antingen från djupa
sjöar alternativt borrhål. Vattnet som pumpas upp är ofta för kallt för att vara bekvämt att dricka och
då kan man höja temperaturen på dricksvattnet genom att överföra värme från bostäder, och på så
vis skapa komfortkyla. [3]
7
Absorptionskyl
En absorptionskyl är ett kylaggregat som fungerar helt utan mekanisk eller elektrisk energi. Genom
att tillföra värme i en speciell del av processen kan man flytta energi från ett varmt utrymme till ett
varmare. Första idén att bygga en absorptionskylare kom från fransmannen Ferdinand Carré år 1858.
Idén utvecklades vidare år 1922 av två studenter vid Stockholms universitet för att efter detta även
förbättras av Einstein och hans student Leó Szilárd år 1926.
En absorptionskylare har många fördelar gentemot en kompressordriven kylare. Då den saknar
rörliga delar kan den monteras på platser som kräver låg ljudnivå eller lite vibrationer. Sättet kylaren
drivs på gör även att den kan monteras på platser som har tillgång till spillvärme (exempelvis avgaser
från en bil alternativt spillvärme från en industriprocess). Avsaknaden av en kompressor gör att den
elektriska kostnaden är väldigt liten. Sättet maskinen arbetar och de medier den arbetar med gör att
läckage inte är lika skadliga som ett köldmediumläckage från en konventionell kompressordriven
värmepump. COP för en absorptionskylare ligger i området 0.65 -1.2 beroende på typ och vilken
lösning som används i processen. Detta betyder att kyleffekten är ungefär proportionell mot
värmeeffekten in i processen.
Idag är det två olika typer av absorptionskylare som dominerar på marknaden. Det är litium bromid –
vatten eller ammoniak – vattenlösningar som används mest. Vilken typ av kylare man väljer beror på
vilken temperatur man önskar på den kalla sidan. Litium bromid – vattenlösningar klarar att leverera
en vätska kyld ner till ca 4 grader Celsius. En kylare baserad på ammoniak – vattenlösningar kan
leverera ett kylt medium under 0 grader Celsius. Vilken temperatur kylaren klarar av att leverera är
starkt beroende på vilken värme som är tillgänglig för att driva processen. [4]
Figur 5 - Absorptionskyla principskiss
8
Fjärrkylans potential i USA
Snökyla
Fjärrkyla från snö är givetvis inte en teknik som passar överallt. Tillgång till snö är en självklar
förutsättning. En annan viktig parameter för hur pass konkurrenskraftigt tekniken kan bli är elpriset.
Områden med tillgång till snö och högt elpris är de mest lämpliga områdena för att konkurrera med
konventionell elkyla.
Figur 6 nedan visar medeltemperatur i USA för januari månad. De man kan se är att framförallt de
norra delarna har en låg medeltemperatur och därav en större nederbörd av snö.
Figur 6 – Temperaturkarta över USA
9
Figur 7 – Elpriskarta över USA visar elpriser i olika delstater i USA. Det är framförallt de nordöstra
delarna av USA som har höga elpriser.
Figur 7 – Elpriskarta över USA
Med utgångspunkt från Figur 6 och Figur 7 kan man dra slutsatsen att fjärrkyla från snö är mest
lämpligt i de nordöstra delarna av landet. Där finns både låga medeltemperaturer och höga elpriser
vilket är två viktiga kriterier för införande av fjärrkyla från snö.
Det finns med största säkerhet en mängd andra faktorer att ta hänsyn till men det faller utanför
ramarna för detta arbete.
10
Värmepumpar
Värmepumpar är väldigt flexibla och kan placeras i princip var som helst. Det som begränsar är
kundernas behov utav värme och kyla och detta är dels beroende på den geografiska placeringen
samt hur vida det finns industriella processer som kräver kyla eller värme. Hushåll använder som
regel värme på vintern och kyla på sommaren (i områden med kraftiga temperaturvariationer mellan
sommar och vinter) medan industrier kan ha behov av kyla eller värme året runt. För att driva en
kompressordriven värmepump behöver man kunna kyla bort värme från kondensorn (fjärrvärme)
samt förånga mediet i förångaren (fjärrkyla). Är behovet av kyla lågt kan man behöva tillföra värme
till förångaren från omgivningen istället och intäkter från potentiellt såld fjärrkyla försvinner. Det
samma gäller i varma områden där behovet av värme är lågt och istället behovet av kyla högt, då får
man istället kyla bort potentiell fjärrvärme till omgivningen. Optimalt placeras värmepumpar där
behovet av både kyla och värme är högt samtidigt och året runt. Generellt är detta i kalla områden
med hög industrialisering där hushållskunder är i behov av mycket värme för uppvärmning och
industrier är i behov av kyla till sina processer. I USA gäller detta i de norra områdena av landet, i
huvudsak nordöstra och nordvästra delarna, se figur 8 och 6. Det går givetvis att placera
värmepumpar där det enbart finns behov av värme eller kyla men värmepumpens verkningsgrad
minskar vilket leder till högre förluster.
Figur 8 – Populationskoncentration i USA
11
Absorptionskylar
Absorptionskylars användningsområde beror på var det finns tillgänglig spillvärme. De är väldigt
populära i fordonsvärlden där de kan användas i kombination med varma avgaser för att driva kylar.
Speciellt i USA är det väldigt populärt att ha absorptionskylar i husbilar. Där används avgaserna när
husbilen körs för att driva kylen medan den vid stillastående förlitar sig på en propanlåga.[4] Det har
varit tal om att kombinera absorptionskylar tillsammans med kraftverk och andra industriella
processer där det finns tillgång till spillvärme. Exempelvis skulle en absorptionskyl kunna placeras
efter en turbinavtappning, i kombination med fjärrvärmeproduktion eller en kondensor. Denna idé
kallas CCHP (Combined Cooling Heat and Power) där man producerar både elektricitet, värme samt
kyla. Det finns idag inga kommersiella verk i drift i USA som använder sig av denna teknik. Det har
utförts test där man provat absorptionskylar på redan existerande processer men det har visat sig
olönsamt om det inte finns tillräckligt med spillvärme eller om applikationen i sig inte kräver
användning av en absorptionskyl av andra tekniska anledningar (buller, ljud mm). I dagsläget används
alltså inte absorptionskylar i någon större utsträckning för att producera fjärrkyla i USA.
Fördelar och nackdelar gentemot andra kylsystem.
Kunder
Som byggnadsägare eller markägare kan en uppkoppling mot fjärrkyla innebära frigjort kapital då det
inte längre finns något behov av att investera i egna kylmaskiner. Detta gör att det inte längre finns
behov av underhåll, drift och utbyte av gamla maskiner. Att koppla upp sig eliminerar också risken för
att få vibrationer eller oljud som eventuellt skulle uppstå vid egen produktion. Säkerheten av
leveranser i fjärrkyla är idag väldigt hög och det finns alltid reservmaskiner och lager som kan ta över
vid eventuella avbrott i huvudproduktionen. Producenter av fjärrkyla har ofta tillgång till billig
spillvärme (exempelvis avloppsvatten) för att förånga köldmediet. Vid konstruktion av nya byggnader
kan det vid tillgång till fjärrkyla designas bort utrymme avsatt för individuell produktion av kyla. Detta
utrymme kan istället användas för att generera vinst i kommersiella byggnader.
Det är som regel i områden med hög energitäthet som det lönar sig att bygga ut fjärrkyla. Vid för låg
energitäthet så blir det för stora kostnader att gräva ner rör. Att pumpa vatten långa sträckor
resulterar även i stora tryckförluster vilket måste kompenseras med fler pumpar vilket kostar pengar.
[4]
12
Kommuner
Kommuner med fjärrkyla ger företag med behov av process eller komfortkyla anledning att placera
sin verksamhet i området. [4]
Samhället
Produktion av kyla genom ett centraliserat system gynnar samhället som helhet . Detta för att
produktionen är väldigt kontrollerad. Om produktionen exempelvis görs med värmepumpar så är det
stränga regler och krav på protokoll över läckage av ozonskadande gaser, vilket bidrar till en
förbättrad luftkvalitet. Ett centralt kylsystem minskar även den totala energianvändningen på grund
av maskinernas höga verkningsgrad samt att man kan använda spillvärme från andra processer
(exempelvis kan en absorptionskyl användas i kombination med ett kraftvärmeverk). [4]
Projektet på Hawaii
Just nu pågår en stor installation av fjärrkyla på Hawaii. Hawaii har ett tropiskt klimat året runt
samtidigt som invånarna ställer allt högre krav på komfortkyla. Detta har gjort att elförbrukningen för
komfortkyla hos företag och andra offentliga byggnader har blivit extremt stor. I dagsläget kommer
90 % av den producerade energin som används på Hawaii från importerad olja. Av den producerade
energin används mellan 35 och 45 % till komfortkyla.
Projektet som drivs av ”Honolulu Seawater Air Conditioning” har en budget som uppgår till 1,25
miljarder kronor . I detta projekt är det svenska företaget Capital Cooling inblandat som en av
investerarna och står också för ledning och support.
Projektet går ut på att använda havsvatten på 500 meters djup. Temperaturen på vatten är mellan 6
och 7 grader. Det kalla havsvattnet leds vidare till en växelstation där kylan växlas mot kylvattnet för
husen. Det uppvärmda havsvattnet kommer därefter ledas tillbaka till havet och pumpas ut på ett
djup som har samma temperatur som det vattnet som finns i ledningen. På detta sätt hävdar man att
man inte kommer rubba miljön i havet. Det kommer att byggas 2 km fjärrkyla-ledningar och
anläggningen kommer att ha en total effekt på 100MW. Anläggningen beräknas minska den totala
elanvändningen för komfortkyla med 75 %. Anslutna kunder kommer bland annat vara
finansföretag, sjukhus, advokatkontor och offentliga byggnader. [5]
13
Behovet av kyla
Att ha en behaglig inomhustemperatur är en viktig del i skapandet av ett bra inomhusklimat. Av
denna anledning är det lika viktigt att ha ett bra fungerande kylsystem som att ha ett bra
värmesystem. I dagsläget används cirka 10 % av världens elproduktion för att skapa process- och
komfortkyla. I USA och Japan har ungefär 80 % av alla kommersiella byggnader komfortkyla. I Europa
är siffran något lägre, runt 40 %, men växer snabbt. Nästan 90 % av dagens bilar är utrustade med
luftkonditionering jämfört med 10 % 1990. Detta visar på det snabbt växande behovet av kyla.
På kontor och i vissa industriella byggnader är den interna värmegenereringen påtaglig. Denna
värmegenerering kan till exempel komma från människor, datorer och annan teknisk utrustning.
Allteftersom byggnader isoleras bättre blir denna interna värmegenerering ett större problem under
den varma delen av året.
Kylsystemets storlek bestäms av hur mycket värmeöverskott som måste kylas ner. Ju mer överskott
på värme desto större kapacitet måste kylsystemet ha. [6]
Distribution av fjärrkyla
Effekten som överförs i ett fjärrkylasystem bestämmas av vattnets massflöde och
temperaturdifferensen
) före och efter levererad kyla. En stor temperaturdifferens innebär att
man kan använda rör med liten diameter vilket minskar kostnaden för systemet. En stor temperatur
differens gör även att pumpeffekten minskar vilket ökar systemets verkningsgrad. Typiska värden på
temperaturdifferensen i ett fjärrkylasystem brukar ligga mellan
11 medans hastigheten på
vattnes ligger mellan 2,5 3
.
Rören i fjärrkylanät är oftast tillverkade i stål eller polyetylen. Båda materialen hanterar normala
tryck och hastigheter bra. Rören har oftast ingen isolering eftersom temperaturen under marken är
betydligt lägre jämfört med lufttemperaturen. I geografiska områden med väldigt varmt klimat kan
det vara värt att undersöka om isolering är nödvändig.
Problem som kan uppstå i samband med uppstart av ett nytt fjärrkylasystem är att antalet kunder är
lägre än vad systemet är designat för. Detta resulterar i en lägre hastighet på vattnet vilket kan
medföra större förluster till omgivningen. Ett sätt att lösa detta problem kan vara att isolera vissa
delar av rörsystemet. [4]
14
Konvertering till fjärrkyla
För att införa fjärrkyla i en byggnad som redan har ett kylsystem är det viktigt att ta reda på vilket typ
av kylsystem som redan används. Vissa byggnader lämpar sig bättre än andra för införandet av
fjärrkyla. Generellt sätt kan man säga att det finns två olika typer av kylsystem som används i stora
byggnader. Det ena är byggnader som använder internt kallvatten för kyla. Det andra är byggnader
som använder el för att skapa kyla. Införande av fjärrkyla i en byggnad som redan använder sig av
kallvatten för komfortkyla är relativt enkelt medans införande av fjärrkyla i byggnader som använder
el är betydligt mer komplicerat och kostsamt. [4]
När en byggnad skall konverteras från sitt nuvarande kylsystem till fjärrkyla är det en mängd olika
punkter som bör studeras. Nedan följer en beskrivning av några av de viktigaste punkterna.
Byggnadens maximala kyluttag
Fjärrkylasystemet måste designas efter den maxeffekt som samtliga byggnader kräver under
de varmaste sommardagarna. Om systemet inte kan leverera tillräcklig effekt kommer
byggnaderna inte kylans ned tillräckligt mycket. Om systemet överdimensioneras blir
projektet onödigt dyrt. Maxeffekten behövs även för att dimensionera värmeväxlare och
andra viktiga komponenter.
Kompabilitet hos existerande komponenter
För att avgöra vilka komponenter som behöver bytas eller går att ha kvar görs en bedömning
av varje enskild komponent för att inte ersätta i onödan.
Konverteringskoncept och kostnad
Konverteringen skalla vara så kostnadseffektiv som möjligt samtidigt som kraven för
prestandan måste tillgodoses. En kostnadsjämförelse mellan det befintliga kylsystemet och
införandet av fjärrkyla bör presenteras .
Test och driftsättning
Tester och optimeringar av utrustningen bör genomföras för att uppnå bästa effektivitet.
Organisationen som genomför testerna bör vara oberoende av installatören för att få en så
objektiv bedömning som möjligt.
15
Frågor till tentamen
1. Nämn en fördel med fjärrkyla jämfört med konventionell eldriven luftkonditionering.
2. I arbetet beskrivs 4 olika tekniker för framställning av kyla. Beskriv kortfattat 3 av dessa
tekniker/metoder
Refferenser
[1 ] http://epubl.ltu.se/1402-1773/2008/086/LTU-CUPP-08086-SE.pdf
[2 ] http://sv.wikipedia.org/wiki/V%C3%A4rmepump
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Deep_lake_water_cooling
[4]IEA District heating and coolinghttp://www.chpa.co.uk/medialibrary/2011/04/07/28c85803/CHPA0001%20annex_vi_S6_DHC_Hand
book.pdf
[5]Honolulu Sewater Airconditioning- http://honoluluswac.com/
[6] Capital cooling- http://capitalcooling.se/links/2636_QQQQ-LR_.pdf
Figurer
Figur 2 http://epubl.ltu.se/1402-1773/2008/086/LTU-CUPP-08086-SE.pdf
Figur 3 http://www.energikompetens.se/climacheck.html
Figur 4 http://www.nrel.gov/applying_technologies/climate_neutral/deep_water_cooling.html
Figur 5 http://www.swep.net/index.php?tpl=page0&lang=se&id=312
Figur 6 http://www.tightwatt.com/white-paper/
Figur 7
http://www.thinkenergy.net/EIA%20Map_Average%20electricity%20cost%20by%20state_2007.jpg
Figur 8 http://www.mapofusa.net/us-population-density-map.htm
16