docEXAMENSARBETE - pure.ltu.se - Luleå tekniska universitet
download 
Report Transcription
EXAMENSARBETE - pure.ltu.se - Luleå tekniska universitet
EXAMENSARBETE Energieffektivt bageri Emanuel Lundberg 2016 Civilingenjörsexamen Hållbar energiteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik Förord Detta projekt har utförts på uppdrag av Polarbröd AB som ett examensarbete vid Luleå Tekniska Universitet. Handledare från Polarbröd var Anders Stenberg och handledare och examinator från Luleå tekniska universitet var Erik Elfgren. Jag vill tacka er för goda råd och tankar under detta projekt. Jag vill också rikta ett tack till Rikard Vesterlund (Polarbröd) som varit till stor hjälp vid arbetet med att kartlägga och förstå de olika system som förser lokalerna med värme och kyla. Luleå, december 2015 Emanuel Lundberg i Sammanfattning En energikartläggning har gjorts på Polarbröds tre bagerier i Älvsbyn, Bredbyn och Omne samt en fördjupad energianalys av bageriet i Älvsbyn. Energikartläggningen visade att bageriet under produktion hade ett genomsnittligt effektbehov på 2 500 kW. Produktionen på bageriet i Älvsbyn är igång dygnet runt från söndag kväll till fredag kväll. Under helgerna, när det inte var någon produktion i bageriet, sjönk effektbehovet till ca 570 kW. Den process som använde störst mängd energi var ugnarna, de använde 56 % (9 400 MWh/år) av det totala elbehovet. Näst störst energianvändning hade kylanläggningen som använde 17 % (2 900 MWh/år). Under 2014 använde bageriet i Älvsbyn 16 600 MWh elektricitet och 190 MWh fjärrvärme för att producera 26 000 ton bröd. Detta ger bageriet ett nyckeltal för energianvändningen på 0,64 kWh/kg producerat bröd. På ugnarna har tidigare gjorts försök att ta tillvara överskottsvärmen, men utan framgång. Därför har denna rapport fokuserats på energioptimering av kylanläggningen och ventilationssystemen. Beräkningar visade att fastigheten under 2014 hade ett totalt kylbehov på 3 000 MWh där gyrofrysarna och lagerfrysen tillsammans använde 2 300 MWh. Ventilationssystemen hade ett kylbehov på 700 MWh. För att minska belastningen på kylanläggningen har ett snölager projekterats som är dimensionerat för att kunna förse byggnaden med den ventilationskyla som krävs. Snölagrets kapacitet är 25 000 m3 och investeringen uppgår till ca 10 miljoner SEK. Snölagret kommer att minska driftskostnaden för kylsystemet med ca 690 000 SEK per år vilket ger en återbetalningstid på 14 år när en kalkylränta på 5 % använts, 35 år för en kalkylränta på 10 %. Om snölagret byggs kommer det sänka det totala årliga energibehovet med ca 670 MWh vilket ger bageriet ett nytt nyckeltal på 0,61 kWh/kg producerat bröd. ii Abstract An energy audit of Polarbröds three bakeries in Älvsbyn, Bredbyn and Omne and a deeper energy analysis of the bakery in Älvsbyn have been made. The energy audit of the bakery in Älvsbyn showed that the factory had an average power consumption of 2 500 kW during production. The bakery has production nonstop from Sunday night until Friday night. In the weekend, when there is no production, the power consumption went down to 570 kW. The process with the highest energy use was the oven which used 56 % (9 400 MWh/year) of the total electricity. The process with the second highest energy use was the chilling plant which used 17 % (2 900 MWh/year). In the year 2014, the bakery used 16 600 MWh of electricity and 190 MWh of district heating. This amount of energy was used to produce 26 000 ton bread. The key figure for the energy use of the bakery is 0.64 kWh/kg produced bread. Previous results have shown that excess heat from the ovens could not easily be recovered. Therefore, in this thesis the focus has been on an energy optimization of the chilling plant and the ventilation system. In the year 2014 the factory had a total cooling energy demand of 3 000 MWh, where the production freezer and the storage freezer together used 2 300 MWh. The ventilation system had a cooling need of 700 MWh. To reduce the load of the chilling plant, a snow storage was designed with a storage capacity of 25 000 m3 at an investment cost of about 10 million SEK. Every year, the snow storage would decrease the total energy use with about 670 MWh and the cooling cost with 690 000 SEK. With a discount rate of 5 % the payback time is 14 years, while a discount rate of 10 % results in 35 years. The key figure for the energy use of the bakery will then drop to 0.61 kWh/kg produced bread. iii Nomenklatur π ππ’π‘π ππ‘πππ πππåπ πππ£ πππ πππ πππ ππ πΜ πΜ πΆπ πΆππ πΆππ£ β βππ βππ_π π π΄ ππ ππ‘ ππ‘ππ‘ π π π π πΜ ππ£ π Μ π ππ’ππ πΌ π Temperatur Utomhustemperatur Tilluftstemperatur Frånluftstemperatur Avluftstemperatur Brödtemperatur efter svalbana Brödtemperatur efter gyrofrys Brödtemperatur innan fryslagret Brödtemperatur i fryslagret Effekt Massflöde Specifik värmekapacitet Specifik värmekapacitet luft Specifik värmekapacitet vatten Entalpi Smältvärme Smältvärme bröd Värmegenomgångskoefficient Area Mättnadstryck Totalt tryck Relativ luftfuktighet Absolut luftfuktighet Densitet Volym Volymflöde Molmassa vatten Gaskonstanten Elektrisk effekt Spänning Ström Energianvändning under en timme iv °C °C °C °C °C °C °C °C °C kW kg/s kJ/kg K kJ/kg K kJ/kg K kJ/kg kJ/kg kJ/kg W/m2 K m2 kPa kPa % kg/kg kg/m3 m3 m3 /s g/mol J/mol K kW V A kWh/h πΌ π΅ πΏ πΏπ πΏπ π»π‘ π»π π΄π π΄π π΄π‘ π΄π‘π π΄π‘π‘π π΄π‘π‘π ππ πππ π βπ§ βπΜ π»ππππ Beteckningar för snölagret Vinkel på kanterna Lagrets bredd Lagrets längd Kantens längd Kantens längd, horisontellt projicerad Höjden på den övre delen av lagret Höjden på den nedre delen av lagret Area av botten Area sidor Area toppen Area på toppens långsida Area på del av toppen Area på toppens bredsida Volymen på lagrets undre del Termisk konduktivitet isoleringsskiktet Tjocklek på isoleringsskiktet Volymen smält snö per timme Regnmängd under en timme ° m m m m m m m2 m2 m2 m2 m2 m2 m3 W/m K m m3 /h m π πΊ ππ’ π΄ππ π π‘π πΎπ΄π πå π·π Beteckningar för ekonomin Restvärdets nuvärde Grundinvestering Nuvärdesfaktor Annuitetsfaktorn Kalkylränta Beräknad amorteringstid Annuiteten Årlig vinst Driftkostnad SEK SEK β β % år SEK SEK SEK v Innehåll 1. 2. Introduktion ........................................................................................................................ 1 1.1. Bakgrund .................................................................................................................... 1 1.2. Syfte ........................................................................................................................... 1 1.3. Alternativa lösningar .................................................................................................. 1 Processbeskrivning ............................................................................................................. 2 2.1. 3. Produktion .................................................................................................................. 2 2.1.1. Ugnar .................................................................................................................. 2 2.1.3. Svalbanor ............................................................................................................ 3 2.1.4. Gyrofrysar .......................................................................................................... 3 2.1.5. Fryslagret ............................................................................................................ 3 2.2. Ventilation .................................................................................................................. 4 2.3. Kylanläggning ............................................................................................................ 5 2.3.1. Absorptionskyla ................................................................................................. 6 2.3.2. Sorptiv kylning ................................................................................................... 7 2.3.3. Frikyla ................................................................................................................ 7 2.3.4. Snölager .............................................................................................................. 8 Metod ............................................................................................................................... 12 3.1. Energikartläggning ................................................................................................... 12 3.1.1. Energibehov ..................................................................................................... 12 3.1.2. Ugnar ................................................................................................................ 12 3.1.3. Kylanläggning .................................................................................................. 13 3.1.4. Ventilation ........................................................................................................ 13 3.1.5. Frysar ................................................................................................................ 13 3.1.6. Belysning .......................................................................................................... 13 3.1.7. Tryckluft ........................................................................................................... 14 3.1.8. Transportband ................................................................................................... 14 3.1.9. Motorvärmare ................................................................................................... 14 3.1.10. Kontorsel .......................................................................................................... 14 3.1.11. Validering ......................................................................................................... 14 3.2. Värme och kylbehov för ventilation......................................................................... 15 3.3. Ny kylanläggning ..................................................................................................... 15 3.3.1. Absorptionskyla ............................................................................................... 16 3.3.2. Sorptiv kylning ................................................................................................. 16 3.3.3. Frikyla .............................................................................................................. 16 3.3.4. Snölager ............................................................................................................ 16 3.4. Nyckeltal .................................................................................................................. 17 vi 4. Resultat ............................................................................................................................. 18 4.1. Effektbehov .............................................................................................................. 18 4.2. Energibehov ............................................................................................................. 20 4.2.1. Ventilation ........................................................................................................ 21 4.2.2. Kylbehov .......................................................................................................... 22 4.2.3. Värmebehov ..................................................................................................... 24 4.3. Snölager .................................................................................................................... 24 4.3.2. Snömängd på Älvsbyns gator ........................................................................... 25 4.3.3. Snösmältning .................................................................................................... 25 4.3.5. Ekonomi ........................................................................................................... 26 4.4. Nyckeltal .................................................................................................................. 27 5. Diskussion och fortsatt arbete .......................................................................................... 28 6. Referenser......................................................................................................................... 29 7. Bilagor .............................................................................................................................. 30 vii 1. Introduktion 1.1. Bakgrund Bagerier är stora energikonsumenter och Polarbröds bagerier är inga undantag. Bröd gräddas i varma ugnar och kyls sedan i kalla frysar. För att säkerställa god kvalité på brödet fryser Polarbröd brödet direkt efter gräddning. Detta bevarar många av de nygräddade egenskaperna men kräver samtidigt mycket energi. Både ugnarna och frysarna värms och kyls med elektricitet. Polarbröd har under senaste året investerat i nya vindkraftverk för att kunna garantera en grön energianvändning. I dagens samhälle är det bra att använda förnybara energikällor men för att göra de stora förändringarna måste dess egen energiförbrukning ses över och reduceras. Under de senaste åren har Polarbröd investerat i nya energisnålare maskiner, trots detta finns det mycket som kan förbättras. Under sommaren 2014 hade kylsystemet problem med att hålla den givna temperaturen inne i bageriet, därför kommer kyl- och ventilationssystemet att utvärderas i detta projekt. 1.2. Syfte Syftet är att kartlägga energibehovet för de tre bagerierna och ta fram hur energianvändningen kan minskas på bageriet i Älvsbyn. 1.3. Alternativa lösningar Polarbröd har stora mängder överskottsvärme stora delar av året. Om denna värme skulle kunna säljas till det lokala fjärrvärmebolaget så skulle värmen kunna användas i andra lokaler. Tyvärr var inte det lokala fjärrvärmebolaget intresserade av att köpa in värme från Polarbröd eftersom Polarbröds energi endast finns att tillgå under Polarbröds produktionstid. Eftersom fjärrvärmen behövs under alla dagar i veckan måste fjärrvärmebolaget äga ett eget värmeverk som kan försörja den värme som då inte Polarbröd levererar. Att ha och driva ett värmeverk för 2 dagars produktion är inte ekonomiskt försvarbart för företaget och de är därför inte intresserade av att köpa in någon värme från Polarbröd. Luften som ventileras ut från ugnarna har en hög temperatur. Istället för att skicka ut den varma luften installerades värmeväxlare för att ta vara på värmen. Innan de installerades trodde Polarbröd att luften som kom ut från ugnen mestadels var ånga och värmeväxlarna dimensionerades därefter. Tyvärr så innehöll luften förutom ånga även socker och mjöl som snabbt fastnade på värmeväxlarens paneler vilket gjorde att de tappade i effektivitet. Till en början tvättades värmeväxlarna med jämna mellanrum men efter en försökstid kopplades de bort för att de inte var tillräckligt lönsamma. Under projektet gjordes beräkningar för att byta ut kylanläggningen mot en absorptionskylmaskin som skulle kunna leverera kyla med hjälp av varma gaser. De varma gaserna skulle då tas från ugnarna (om ett lämpligt system för att ta vara på värmen därifrån kunde åstadkommas). Tidiga beräkningar visade dock på att mängden energi i den varma gasen var för låg för att kunna byta ut kylanläggningen vartefter utredningen lades ner. För att avlasta kylanläggningen togs ett koncept fram där rör i marken skulle förse kylanläggningen med den kyla som behövs för ventilationen. Några beräkningar gjordes men på grund av svåra beräkningar och en stor skillnad på värme- och kylbehovet för bageriet valde jag att inte gå vidare med den idén. 1 2. Processbeskrivning Polarbröd bakar 37 500 ton bröd om året som mestadels säljs i Sverige, viss export görs även till länder runt om i Europa. Polarbröd äger tre bagerier som ligger i Älvsbyn, Bredbyn och Omne. I denna rapport kommer i huvudsak bageriet i Älvsbyn att studeras. Under år 2014 bakade bageriet i Älvsbyn 26 000 ton bröd och använde 16 600 MWh el-energi. Denna energi användes i huvudsak till ugnarna och kylmaskinerna som vardera använde ungefär 56 % (9 400 MWh) och 17 % (2 800 MWh) av den totala elanvändningen. 2.1. Produktion Brödet produceras på en linje av påföljande processer enligt Figur 1. Figur 1 Beskrivning av processen De flesta ingredienserna transporteras till bageriet med tåg. På plats lagras ingredienserna i stora silors innan degen blandas ihop. Degen blandas och breds ut automatiskt innan degen får jäsa på varma jäsningsbanor. Efter jäsning kavlas degen ut till önskad tjocklek vartefter den naggas och stansas ut till rätt form och storlek. Allt detta sker automatiskt, men processen övervakas av personal som ser till att degen har rätt utformning. Efter stansning gräddas brödet i en tunnelugn vid hög temperatur. Denna är den största energianvändaren i fastigheten. Efter ugnen förs brödet genom ett svalt utrymme för att bevara brödets kvalité och lättare kunna hanteras. Denna del är också en stor energianvändare. Efter brödet kylts till önskad temperatur staplas, fryses och paketeras brödet sedan i påsar innan det åker ut till lagerfrysen för lagring innan vidare transport till återförsäljare. 2.1.1. Ugnar I bageriet finns idag 4 stycken ugnar installerade. För att inte ugnarna skall värma upp lokalen sugs den varma luften upp från 3 punkter på varje ugn. Ett utsug längst fram, ett i mitten av ugnen och en längst bak. Luftutsuget fram och bak på ugnen har ett relativt högt flöde men det ventilerar även inomhusluft vilket gör att temperaturen inte är speciellt hög. Luftutsuget från mitten av ugnen däremot har en högre temperatur men istället ett lägre flöde. Tester har tidigare gjorts för att ta vara på värmen från utsuget. Under testerna upptäcktes dock att luften var så pass förorenad att värmeväxlarna som installerats inte klarade att leverera den värmeenergi som var tänkt. I luften fanns mycket socker och vetemjöl vilka ingredienser med stor sannolikhet var orsaken till att värmeväxlarna satte igen och slutade fungera. 2 2.1.2. Svalbanor För att kyla brödet direkt efter gräddning åker brödet på ett band genom en tunnel där kall luft blåses på brödet. Detta hjälper avsvalningen av brödet så att brödets temperatur sjunker från 100 °C ner till ungefär 35 °C. Luften ventileras på liknande sätt som övrig ventilation men luften som blåses på brödet har en temperatur på ungefär 8 °C. För att beräkna kylbehovet har samma beräkningar använts som är beskrivet under avsnittet för ventilation, 2.2. 2.1.3. Gyrofrysar Efter stapling körs brödet genom en frys där brödet åker på ett löpande band. På insidan av frysen sitter förångare som med ammoniak vid lågt tryck kyler utrymmet. Under tiden i frysen kyls brödet från ungefär 30 °C ner till några minusgrader. Det årliga kylenergibehovet bestäms sedan genom att anta en brödtemperatur på 36 °C efter svalbanorna. Linje 1 har den nyaste gyrofrysen och vid installation gjordes tester vilka visade att frysen klarade av att kyla brödet ner till en temperatur av β16 °C. (Lundmark, 2007) De andra linjerna har äldre gyrofrysar och därför antas högre temperaturer. Enligt uppslagsdelen i boken Praktisk kylteknik (Nydal, 2002) fryser bröd vid en temperatur på β6 °C. Enligt anställda på Polarbröd blir inte brödet helt genomfruset efter de övriga gyrofrysarna, därför antas temperaturen på β6 °C men att endast halva brödkakan är frusen. Den beräknade kyleffekten πΜ [kW] på linje 1 är πΜ = πΜ β (πΆπ β (πππ β πππ ) + βππ_π ) , 3600 (1) där πΜ [kg/h] är mängden bröd som producerats på linjen under en timme, πΆπ [kJ/kg K] är den specifika värmekapaciteten för brödet, πππ och πππ [°C] är temperaturen efter svalbanan respektive gyrofrysen, βππ_π [kJ/kg] är smältvärmen för brödet. För linjerna 2 β 4 beräknas kyleffekten enligt πΜ = 2.1.4. πΜ β (πΆπ β (πππ β πππ ) + 0,5 β βππ_π ) . 3600 (2) Fryslagret Efter att brödpåsarna packats i kartonger och blivit staplade på en pall körs det ut på bageriets egna fryslager. Lagret är 44 meter brett och 60 meter långt vilket gör att det spänner upp en yta på ungefär 2 600 m2. Med en medelhöjd på 10 meter är det då en volym på 26 000 m3 luft som håller en temperatur på β22 °C. Under tiden brödet paketeras kommer temperaturen att öka eftersom det befinner sig i en atmosfär som har en högre temperatur. För att simulera detta antas brödet från linje 1 värmas upp till temperaturen β6 °C men den börjar inte smälta, brödet från linjerna 2 β 4 som redan är halvt frusna antas smälta till 0 % frusenhet vartefter hela massan måste frysas när det körs in i lagret. Förutom den kylenergi som behövs för att kyla brödet krävs även en del kyla för att hålla temperaturen i lagret. Kylenergin [kW] för att kyla brödet från linje 1 beräknas med πΜ = πΜ β πΆπ β (πππ β ππ ) , 3600 (3) där πππ [°C] är temperaturen på brödet när det förs in i lagret och ππ [°C] är temperaturen inne i lagret. För att få med den energi som behövs för att frysa brödet beräknas behövd kyleffekt [kW] från linje 2 β 4 med 3 πΜ = πΜ β (πΆπ β (πππ β ππ ) + βππ_π ) . 3600 (4) För att behålla kylan i frysrummet måste även värmen från rummets väggar, golv och tak kompenseras. Eftersom utomhustemperaturen sällan sjunker under β32 °C kommer värme under större delen av året tränga in i lokalen. För att beräkna detta har en värmegenomgångskoefficient (U-värde) tagits fram för de olika delarna. Eftersom exakta värden inte finns att tillgå har uppskattningar gjorts för att hitta värden. Väggarna och taket är uppbyggda av paneler bestående av ett polyuretanlager packat mellan 2 skivor plåt. U-värde för panelerna är tagna från Areco. (Areco, 2009) Kyleffekten [kW] som behövs för att behålla temperaturen i frysen beräknas med πΜ = π β π΄ β βπ (5) där π [W/kg K] är värmegenomgångskoefficienten för panelen. π΄ [m2] är arean på panelen och βπ [°C] är temperaturskillnaden mellan panelens båda sidor. 2.2. Ventilation För att kunna hålla ett behagligt klimat inomhus måste luften ventileras. Detta är extra viktigt i ett bageri då ugnarna tillför mycket värmeenergi till luften under produktion. För att kunna beräkna värme- och kylbehovet för ventilationssystemen har temperaturer, luftfuktigheter och flöden studerats. Tillförd och bortförd värmeenergi har beräknats genom att ta fram luftens entalpi på 4 olika punkter, utomhusluft, luft som tillförs lokalen, luft som sugs ut från lokalen och luft som blåses ut utomhus. I denna rapport kommer de refereras till som utomhustemperatur, tilluftstemperatur, frånluftstemperatur och avluftstemperatur. Entalpin [kJ/kg] beräknas för de olika punkterna med β = πΆππ β π + π β (βππ β πΆππ£ β π), (6) där πΆππ [kJ/kg K] är den specifika värmekapaciteten för luft, π [°C] är temperaturen på luften, π [kg/kg] är absolut luftfuktighet, βππ [kJ/kg] är smältvärmen för vatten och πΆππ£ [kJ/kg K] är den specifika värmekapaciteten för vatten. Temperaturen på luften är avläst vid vald position och resterande värden är beräknade för den temperaturen. (Cengel & Boles, 2002) För att få fram entalpin så måste dock först absolut luftfuktighet [kg/kg] beräknas med π = 0,622 β π β ππ ππ‘ , ππ‘ππ‘ β π β ππ ππ‘ (7) där π [%] är den relativa luftfuktigheten, ππ ππ‘ [kPa] är mättnadstrycket och ππ‘ππ‘ [kPa] är det totala trycket. För att beräkna mättnadstrycket ππ ππ‘ [kPa] görs det med 2 olika formler beroende på rådande temperatur. För temperaturer över 0 β används 4026 (8) 22,45βπ ) π+272,5 . (9) ππ ππ‘ = π (16,64βπ+235) , för temperaturer under 0 β används ππ ππ‘ = 0,6112 β π 4 ( För att sedan kunna beräkna energimängden som till- eller bortförts ventilationsluften beräknas värme-/kyleffekten med ekvation (11). För att kunna beräkna massan vatten/ånga som flödar genom kanalen antas att luften är en ideal gas och därför kan den ideala gaslagen användas. Formeln för den ideala gaslagen kan skrivas om för att beräkna gasens densitet [kg/m3 ] π= π β ππ ππ‘ β ππ£ , π Μ β π (10) där ππ£ [mol] är vattnets molmassa och π Μ [J/mol K] är gaskonstanten. Värme/kylbehovet [kW] beräknas sedan med πΜ = πΜ β π β (β1 β β2 ), π (11) där πΜ [m3/s] är volymflödet luft genom ventilationssystemet och β1 , β2 [kJ/kg] är entalpin för luften innan och efter aggregatet. β1 för fallet med tilluft är entalpin på luften i tilluften och β2 är entalpin på luften utomhus. (Sonntag, Borgnakke, & Van Wylen, 2003) För fallet med frånluft är β1 entalpin för luften ut från lokalen och β2 är entalpin för luften ut från byggnaden. Detta ger att energibehovet blir positivt i tilluftsfallet om luften måste värmas och i frånluftsfallet blir energibehovet positivt om luften avger värme i värmeväxlaren, alltså kyls. 2.3. Kylanläggning För att klara av att kyla allt bröd som produceras använder Polarbröd en tvåstegs kylkompressoranläggning med ammoniak som kylmedel. Denna kylanläggning förser även lokalerna med komfortkyla när behovet finns. Idag finns 8 stycken kompressorer installerade av typen skruvkompressor, 3 av dessa jobbar mot lågtryck och resterande mot mellantryck. Kompressorerna jobbar tillsammans beroende på momentant behov. 2 av kompressorerna, en lågtryck- och en mellantryckskompressor, är varvtalsstyrda, resterande regleras med en stång som ändrar slagvolymen(mekanisk reglering). Tvåstegsanläggningen är inställd på 3 olika tryck som ger olika förångningstemperaturer. Vid Polarbröds bageri styrs anläggningen till de tre temperaturerna β42, β8 och +35 °C. Lågtrycket(β42 °C) används för att kyla frysarna i bageriet och mellantrycket(β8 °C) används för att kyla svalbanor och övrig ventilation. Högtrycket (+35 °C) tas till viss del till vara på i värmepumpar men en stor del kyls mot uteluft via kondensorer på taket. Värmen som produceras av värmepumparna används till att värma lokalerna och ventilationsluften när behovet finns, när dessa installerades för cirka 10 år sedan kunde därmed Polarbröd minska sitt fjärrvärmebehov med 80 %. (Eriksson, Persson, & Hällgren, 2007) Värmepumparna producerar värme så att bageriet är oberoende av värme tills utomhustemperaturen sjunker under β25 °C. 5 2.3.1. Absorptionskyla Absorptionskyla använder värme istället för elektricitet för att höja trycket på köldmediet. I Polarbröds fall skulle då överskottsvärme från ugnarna kunna användas för att driva processen. Maskinen fungerar ungefär som kompressorkylmaskin men istället för en kompressor som höjer trycket genereras detta med värme och en cirkulationspump. Efter att köldmediet tagit upp värme i förångaren förs köldmediet in i absorbatorn där en lösning tar upp vätskan. Den nya lösningen tillsätts sedan värme vilket bidrar till att trycket höjs. Vid tryckhöjningen börjar även vätskan att förångas och släpper därför från lösningen. Det som är kvar av lösningen cirkuleras sedan för att ta upp mer av vätskan. Köldmediet förs vidare till en kondensor där ångan kondenseras till vätska igen och värmen överförs till ett annat kylmedel. Efter detta förs köldmediet genom en strypventil för att trycket ska sjunka och vätskan ska vara redo att ta upp värme igen. En förklarande bild på systemet kan ses i Figur 2. (Armatec, 2008) Figur 2 Bild över en absorptionskylmaskin, det blå området visar på den del som med hjälp av värme höjer trycket på köldmediet. I vanliga kompressorkylmaskiner sitter där istället en kompressor som med elektricitet höjer trycket. 6 2.3.2. Sorptiv kylning Sorptiv kylning använder värme för att producera kyla. Värmen tillförs den utgående luften som sedan genom en värmeväxlare torkar den inkommande luften. Temperaturen på den inkommande luften sänks sedan med hjälp av den utgående luften i en annan värmeväxlare, vilken sitter placerad innan värmaren i utblåskanalen. För att sedan sänka temperaturen ytterligare fuktas luften innan den förs in i lokalen. (Göransson & Carlsten, 2009) Se Figur 3 för ett aggregat i genomskärning. Jämfört med de andra lösningarna som tagits upp i rapporten sitter denna lösning integrerat på varje ventilationsaggregat istället för en huvudenhet som distribuerar kylan. Figur 3 Sorptivt kylaggregat (Munters, u.d.) 2.3.3. Frikyla Frikyla är ett samlingsnamn som beskriver processer där kylenergi till stor del kan fås utan att behöva producera den. Exempel på dessa är att få kyla från sjövatten och berg. Genom att föra en vätska eller gas genom ett medium med lägre temperatur, i detta fall vatten och berg, kan värmeenergi från vätskan eller gasen överföras till det medium vilket det flödar igenom. Eftersom vatten har högst densitet vid 4 °C kommer vattnet nere på botten i en sjö alltid ha temperaturen 4 °C. För att utnyttja den kylenergi som då finns där läggs en slang ut på botten i sjön. När en vätska med högre temperatur då pumpas genom slangen kommer den avge värme till vattnet i sjön och efter ett tag ha samma temperatur som det omgivande vattnet. Slangens längd bestäms utefter det kylbehov som finns. På samma sätt fungerar bergkyla men här är det berget som ackumulerat kylenergin. Vid projektering måste även en viss uppvärmning av köldmediet beräknas så att inte lagrets temperatur ökar över tid och tillslut inte går att använda. Kyla från frikyla kommer inte direkt kunna producera kyla till Polarbröds frysar eftersom dess temperatur inte är tillräcklig låg. En kylmaskin med förkylning från frikyla skulle kunna producera kyla till frysarna men eftersom det då blir en dyrare och mer komplicerad process har detta inte studerats vidare. Temperaturen från frikyla är däremot optimal för att kyla ventilationsluften och luften till svalbanorna. 7 2.3.4. Snölager För att avlasta kylkompressorerna kan kylbehovet för ventilationsluften tas från annat kylmedium. Detta kan då göras genom att spara snö under delen av året det är kallt för att kunna ta kyla därifrån när det är varmare ute. Här uppe i norr där temperaturen stora delar av året ligger under 0 β är det fördelaktigt att spara på snön. Ett snölager består av en snöhög som är isolerad. Snölagret kan vara inomhus, under marken, i marken eller ovanpå marken. I denna rapport kommer ett lager i marken studeras närmare. Inspiration och formler för beräkningar är tagna från den rapport som beskriver projektering och uppbyggnad av Sundsvalls sjukhus snölager. (Skogsberg, 2005) Under sommaren fungerar lagret så att vatten appliceras över snöhögen vartefter vattnet rinner ner genom snön och kyls. I botten av bassängen pumpas det kylda vattnet in i en värmeväxlare där den kyler köldmediet till komfortkylan. Vattnet som då blivit något varmare sprutas då ut över snön igen för att kylas ned. Innan värmeväxlaren sitter även några filter som tar bort eventuell smuts som inte bör flöda genom värmeväxlaren. På grund av att smältningen är så pass kontrollerad är det fördelaktigt att tippa snö från stadens gator där eftersom smutsen i snön tas upp i de filter som renar vattnet. För att beräkna lagrets storlek har volymen smält snö beräknats utifrån urtagen kylenergi till ventilationssystemet, lagrets egen smältning utifrån markens och ovanstående lufts värme och snö som smält på grund av att det regnar på lagret. Figur 4 Huvudmått på snölagret Lagret är utformat som en rektangel med sluttande sidor, se Figur 4. Sidorna sluttar inåt med en vinkel (Ξ±) på 26,6°. Denna vinkel är vald utifrån Sundsvalls lager. Figur 5 Förklaring av vinklad yta på lagret 8 Figur 6 Snölagrets mått i höjdled där toppen i rapporten motsvarar delen ovanför den streckade linjen Med vinkeln kan då den sluttande längden πΏπ [m] πΏπ = π»π , sin(πΌ) (12) πΏπ = π»π , tan(πΌ) (13) och den projicerade bredden πΏπ [m] beräknas. För ytterligare förklaring kan Figur 5 studeras. Höjden på lagret π»π [m] beskrivs mer i Figur 6. Utifrån valda yttermått på lagret kan sedan volymen beräknas. För att kunna beräkna volymen beräknas först några areor. Arean på den plana delen av botten π΄π [m2] beräknas med (14) π΄π = (πΏ β 2 β πΏπ ) β (π΅ β 2 β πΏπ ), och arean [m2] på de sluttande sidorna är beräknad med (15) π΄π = πΏπ β (π΅ + πΏ). Volymen på lagret [m3] beräknas sedan med ππ = π΄π β π»π + (πΏπ β π»π ) β (π΅ + πΏ β 4 β πΏπ ) + 4 β πΏπ 2 β π»π . 3 (16) Figur 7 Areor på lagrets olika ytor på toppen Samma volym antas även rymmas ovanpå lagret vilket ger en total lagervolym av det dubbla. När volymen är bestämd kan då höjden på den övre delen av lagret, π»π‘ , beräknas med π»π‘ = ππ . 1 1 π΅ β πΏ β (4 + 6) 9 (17) För att beräkna luftens påverkan på snölagret måste arean som exponeras mot luften beräknas. Snön ovanpå lagret antas ta form likt ett valmat tak, se Figur 7. Toppen delas in i 3 olika delar vilka beräknas utifrån ekvation (18) - (20). Den totala topp-arean beräknas sedan i ekvation (21). Toppen delas in i totalt 8 stycken bitar, 2 stycken rektanglar på långsidan π΄π‘π , 2 stycken trianglar på kortsidorna π΄π‘π‘π och 4 stycken trianglar på långsidan mellan kortsidans triangel och rektangeln i mitten π΄π‘π‘π . Arean på toppens långsida beräknas enligt π΅ 2 πΏ β π΄π‘π = ( ) + π»π‘ 2 β . 2 2 (18) Arean på toppens triangel bredsida beräknas enligt π΄π‘π‘π πΏ 2 π΅ β = ( ) + π»π‘ 2 β . 4 2 (19) Arean på toppens triangel långsida beräknas enligt π΄π‘π‘π π΅ 2 πΏ β = ( ) + π»π‘ 2 β . 2 8 (20) För att beräkna den totala arean adderas de olika bitarna med följande ekvation: π΄π‘ = 4 β π΄π‘π‘π + 2 β (π΄π‘π‘π + π΄π‘π ). (21) Snösmältning Snön kommer att smälta både på grund av att kyla behövs inne i bageriet och från yttre påfrestningar. För att beräkna hur mycket snö som behövs simuleras snöns smältning utifrån 4 stycken parametrar; effektuttag till fastigheten, marken under lagrets värmeenergi, luften ovanför lagrets värmeenergi och regnets påverkan. Snöns smältning är beräknad för varje timme under hela året. Snösmältning βπΜ [m3/h] på grund av effektuttaget beräknas med βπΜππππππ‘ = 3,6 β πΜ , βππ β ππ πö (22) där ππ πö [kg/m3] är snöns densitet. Snö som smälter på grund av den varma luften ovanför beräknas genom βπΜπ‘πππ βππ‘ππ πππ π β π΄π‘ β βπ§ = β 3600, βππ β ππ πö (23) där πππ π [W/m K] är termisk konduktivitet på isoleringsskiktet, βππ‘ππ [°C] är temperaturskillnaden mellan luften och snön och βπ§ [m] är tjockleken på isoleringsskiktet. Marken under lagret antas ha konstant temperatur under hela året. Volymen snö som smälter på grund av markens värmeenergi beräknas med 10 βπΜππππ = 3,6 β π β π΄π β (πππππ β ππ πö ) . βππ β ππ πö (24) Regnets påverkan på lagret beräknas genom Μ βπππππ = π»ππππ β π΄π‘ β ππ»2 π β πΆππ£ β πππππ , ππ πö β βππ (25) där π»ππππ [m] är mängden regn som faller under en timme och ππ»2 π [kg/m3] är densiteten på vattnet. Snömängd i Älvsbyn För att beräkna hur mycket natursnö som möjligtvis kan samlas in till lagret har Älvsbyns vägnät studerats. Enligt Älvsbyns energi (Älvsbyns Energi, 2014) snöröjs 64 km gator och 23 km gångväg varje vinter. Enligt statistik över nederbörd under 2014 (SMHI, u.d.) beräknades mängden snö som föll över Älvsbyn vintern 2013-2014. Mängden snö beräknades genom att anta nederbörd av snö när utomhustemperaturen låg under 0 °C. All nederbörd som antogs vara snö multiplicerades med 10 på grund av skillnaden i densitet och adderades tills vinterns totala nederbörd av snö var bestämd. För att kunna beräkna volymen snö som skottades bort den vintern togs en godtycklig bredd fram på gator och gångvägar enligt Norrtälje kommuns tekniska handbok (Norrtälje kommun, u.d.). Utifrån handboken användes bredden 5,5 m för bilväg och 2,5 m för gångväg. 11 3. Metod Arbetet påbörjades med en energikartläggning för att ställa upp hur energianvändningen ser ut idag. Detta gjordes genom att ta in data på använd elenergi under året på timbasis. Vart i byggnaden elektriciteten sedan använts finns inte mycket data på, vartefter stora delar av energianvändningen har uppskattats och antagits med olika metoder. 3.1. Energikartläggning 3.1.1. Energibehov De data som tagits in är ifrån eldistributören Vattenfall och visar energianvändningen för varje timme över den period som valt att granskas. I detta fall togs data in över hela 2014 för att få ett årligt effekt-/energibehov. För att kunna jämföra och analysera hur elanvändningen var under året användes funktionen pivottabell i Microsoft Office Excel som sammanställde data på ett överskådligt sätt. Diagram gjordes sedan med en jämförelse mellan olika veckodagar då ett genomsnittligt effektbehov för varje timme användes. Utöver det jämfördes effektbehovet mellan ett vinter- och sommarfall med liknande produktionshastigheter. Fjärrvärmebehovet har tagits in från fastighetschefen på Polarbröd och visar fjärrvärmebehov för varje månad. 3.1.2. Ugnar I bageriet finns 4 stycken ugnar installerade. Ugn 1 är den största och nyaste av de fyra. Ugn 2 och 3 är av liknande i stil och kapacitet. Ugn 4 är den äldsta och med lägst kapacitet av ugnarna. För att bedöma effektbehovet för varje ugn användes några olika tekniker. På ugn 1 och 4 fanns energiräknare som visade på använd eleffekt i kWh. Värdet skrevs upp vid ett tillfälle och jämfördes sedan med ett nytt värde vid en ny tidpunkt. Med energimängden som använts och antalet timmar mellan avläsningarna kunde sedan ett genomsnittligt effektbehov antas. På ugn 2 och 3 fanns dock ingen beräkning, för att anta ett genomsnittligt effektbehov studerades då strömanvändningen under en viss tid. För varje fas fanns en ampere-mätare som visade momentan strömstyrka. Ugnarna värmdes genom pulser vilket visades på amperemätaren att strömmen pendlade mellan noll och en viss strömstyrka. Genom att beräkna tiden strömmen var tillslagen under en minut och dess momentana strömstyrka kunde då energimängden beräknas. Beräkningen gjordes i två steg där först effekten π [kW] vid tillslagen ström för varje fas beräknades med π= β3 β πΌ β ππ’ππ , 1000 (26) där πΌ [A] är strömstyrkan på en fas och ππ’ππ [V] är märkspänningen på fasen. Varje puls (när ingen ström tillfördes) varade ungefär 0,5 s vilket gav en formel för energianvändningen under en timme [kW] enligt πΜ = (3600 β π β 0,5 β 60) β π , 3600 (27) där π är antalet pulser under en minut. Med πΜ adderat från alla faser på en ugn kunde då ett genomsnittligt effektbehov tas fram för ugnen. Eftersom ugn 2 och 3 är likadana togs sedan ett medelvärde mellan de två ugnarnas effekt som sedan tillämpades som genomsnittligt effektbehov för de två ugnarna under året. 12 3.1.3. Kylanläggning Kylanläggningen består av 8 stycken skruvkompressorer som använder ammoniak som arbetsmedium. 3 av dessa jobbar mot lågtryck och 5 mot mellantryck. Kompressorerna körs med olika belastning beroende på vilket behov som finns. Lågtryckskompressorerna styrs för sig och mellantryckskompressorerna styrs för sig. På varje maskin kan momentan strömstyrka studeras, den loggas dock inte vilket gör det svårt att bedöma dess användning över tid. För att uppskatta kylanläggningens totala energibehov studerades därför strömstyrkan för varje maskin vid några tillfällen. En genomsnittlig strömstyrka användes sedan för att bedöma det årliga energibehovet. Utöver kylmaskinerna sitter även 2 värmepumpar i samma rum. Dessa är av samma fabrikat som kylmaskinerna och går därför också att läsa av på samma sätt som kylmaskinerna. Energibehovet för dessa är också beräknat på samma sätt. 3.1.4. Ventilation De flesta ventilationsfläktarna i byggnaden är frekvensstyrda, många av dessa frekvensomvandlare har även statistik över deras energianvändning sedan start och antalet timmar sedan enheten startades. Utifrån energianvändningen och antalet drifttimmar togs då medeleffekten ut i antal kW. För de fall där den totala energianvändningen inte fanns tillgänglig studerades den momentana effekten under några tillfällen och ett medel över året antogs. För de fall där varken loggad energianvändning eller momentan elektricitetsanvändning fanns att tillgå antogs ett effektbehov utifrån studier på aggregatet och diskussioner med den ventilationsansvarige i fastigheten. För att studera energimängder i ventilationsluften har Siemens Desigo Insight använts vilket är det program som Polarbröd använder för att kontrollera byggnadens olika system. För att använda de data som finns lagrat har diagram tagits fram i Desigo Insight och sedan konverterats till datapunkter för att kunna beräknas i Excel. För att konvertera diagrammen har Erik Elfgren tagits till hjälp där han i ett egenskrivet program tagit ut datapunkter från ett diagram. Beräkningarna har gjorts på timbasis för att beräkningarna ska vara så lika verkligheten som möjligt. För att teoretiskt se om det finns någon möjlighet att minska på ventilationen har rådande luftflöden jämförts med Folkhälsomyndighetens lägsta krav. Enligt Folkhälsomyndigheten är rekommendationen på ventilationen att ha ett flöde på minst 7 l/s och människa som vistas i lokalen, utöver det bör det även ventileras 0,35 l/s m2. (Carlson & Haux, 2014) Boverkets byggnadsregler har endast ett krav på 0,35 l/s m2 (Boverket, 2011) men i denna rapport har även antalet personer i lokalerna tagits hänsyn till. 3.1.5. Frysar Eftersom ingen loggning av kylmaskinerna finns att tillgå har frysarnas energibehov beräknats utifrån mängd producerat bröd och dess temperatur vid olika punkter i produktionen och utomhustemperatur. Eftersom fryslagret inte är helt fristående utan till viss del sitter ihop med andra byggnader kommer inte den rådande utomhustemperaturen vara den temperatur som är på alla lagrets omslutande ytor. Utifrån detta har då lagret delats upp i olika delar och därefter har den behövda kyleffekten beräknats. 3.1.6. Belysning För att beräkna energianvändningen av belysningen antogs ett normvärde på belysningen till 10 W/m2. Utifrån ritningar på byggnaden mättes byggnadens golvyta vilket multiplicerat med normvärdet gav belysningens effektbehov. 13 3.1.7. Tryckluft Av de 3 tryckluftskompressorerna som finns installerade används endast alla 3 när de produceras bröd på alla 4 linjer. Detta sker ungefär 30 % av den totala produktionstiden vilket motsvarar ungefär 1750 timmar. De 3 maskinerna regleras tillsammans för att leverera den mängd tryckluft som systemet momentant kräver. Kompressor 1 och 2 är identiska och har 2 effektlägen, på och av. Kompressor 1 bygger upp ett bastryck och körs nästan konstant över hela året. Kompressor 2 används endast om det är full produktion i bageriet. Dessa 2 har vardera en installerad motoreffekt på 55 kW. Den tredje kompressorn är varvtalsstyrd och kan därför lättare regleras utifrån det behov som finns. Denna kompressor är lite mindre och har en installerad motoreffekt på 50 kW. Denna borde användas ungefär lika mycket som den första kompressorn men eftersom den är frekvensstyrd kommer den använda mindre energi. Den tredje kompressorns drift antas därför motsvara en konstant drift på full effekt 55 % av årets timmar. 3.1.8. Transportband För att beräkna effektbehovet för transportbanden studerades motorer på linje 1. Alla elmotorer som påverkade bakningen togs in i beräkningen. Från det att degen blandas tills att kartonger placeras på pall innan de körs in på lagret. Märkeffekten för varje motor adderades tills den totala installerade märkeffekten var kartlagd. Eftersom linje 1 är den största antogs ett något lägre värde på använd medeleffekt per linje till fortsatta beräkningar. Effekten multiplicerades sedan med antalet timmar produktion skedde på specifik linje. 3.1.9. Motorvärmare Tidigare har tidsstyrning använts på motorvärmarstolparna, detta har dock tagits bort eftersom många anställda ibland åkte iväg oplanerat och därför då hade problem att köra iväg med kall bil. Stolparna är därför alltid på och använder en stor del elektricitet. Effektbehovet mättes under ett tillfälle och antogs då vara ett medel. För att beräkna detta antas motorvärmarna användas från den 15 oktober till den 15 maj och sedan endast under tiden det råder produktion i bageriet, den tiden motsvarar då 2440 timmar. 3.1.10. Kontorsel För att uppskatta kontorens användning av elektricitet har en guide från (Energirådgivningen, u.d.) använts. Antal datorer och lampor har uppskattats efter studerande av ritningar över Polarbröds bageri. 3.1.11. Validering För att beräkningarna och de antaganden (av drifttid och effektbehov hos maskiner) som gjorts ska vara rimliga har olika metoder använts för att validera detta. Från Vattenfall har data fåtts över momentan effektanvändning för varje timme under året, detta gav då ett genomsnittligt effektbehov under produktion och fabrikens totala energianvändning under året. Dessa har sedan jämförts med de data som energikartläggningen gav. Viss korrigering på drifttid och effektbehov gjordes sedan för att få dessa att stämma överens. 14 3.2. Värme och kylbehov för ventilation För att hitta ventilationens energibehov, både värme- och kylbehov, har data från år 2014 använts. I Desigo Insight, vilket är Polarbröds datasystem för loggande av datapunkter, har data över temperaturer, flöden och luftfuktigheter tagits in. För att ta fram data över hur det sett ut under året har insticksprogrammet βTrendhanterarenβ använts. Ett exempel på hur det kunde se ut kan studeras i Figur 8 vilken visar på trycket i frånluftskanalen under april månad, detta diagram visar dock endast trycket under de första nio timmarna av april eftersom det inte fanns data att tillgå för de resterande timmarna av månaden. Trycket i kanalen användes i vissa fall för att uppskatta flödet i kanelen när data för detta inte fanns tillgängligt. Figur 8 Exempel på diagramframtagning i Desigo Insight, med trycket [kPa] på y-axeln och tiden på x-axeln. Eftersom programmet endast ger ut data i diagramform har ett datorprogram (av Erik Elfgren) använts för att omvandla dessa till sifferdata. För att få tillräcklig noggrannhet delades varje månad upp i två lika stora delar, där det första diagrammet sträcktes över den första halvan av månaden och resterande i det andra diagrammet. Detta gjordes för varje månad under året och för alla 9 mätpunkter. De mätpunkter som använts är utomhustemperatur, tilluftstemperatur, frånluftstemperatur, avluftstemperatur, tillflöde, avflöde, relativ luftfuktighet utomhus, relativ luftfuktighet för tilluft och relativ luftfuktighet för frånluft. 3.3. Ny kylanläggning Under den varma sommaren 2014 hade kylanläggningen problem med att leverera den mängd kyla som efterfrågades. För att kylanläggningen skulle klara av att kyla produktionen tillräckligt behövde inomhustemperaturen ställas högre än den optimala. Detta visar på att kylanläggningen i dagsläget är underdimensionerad. I denna rapport studeras därför hur kylsystemet skulle kunna avlastas. Nya system har studerats som både avlastar nuvarande system och minskar den genomsnittliga elanvändningen. 15 3.3.1. Absorptionskyla För att producera absorptionskyla så krävs värme, i bageriet finns mycket värme vid ugnarna. Tidigare försök med att ta vara på värmen från ugnarna har dock inte gått så bra. Efter mer läsning om absorptionskyla märktes att det krävs ganska höga temperaturer för att kunna producera den kyla som bageriet kräver. Eftersom tidigare försök med att ta vara på värmen inte fungerat så bra och det krävs för höga temperaturer valdes absorptionskyla bort. 3.3.2. Sorptiv kylning För att kunna använda sig av sorptiv kylning måste alla ventilationsaggregat bytas ut. Detta kommer att bli en dyr investering eftersom de ventilationsaggregat som finns idag fungerar. Om något ventilationsaggregat måste servas eller bytas ut kan ett aggregat med sorptiv kylning vara en god ersättare. Mer studier på detta måste dock göras i samband med bytet. 3.3.3. Frikyla Eftersom närmaste vattendrag ligger alldeles för långt bort är bergvärme det alternativ som skulle kunna användas. För att simulera ett års kylbehov har programmet EED (Energy Earth Designer) använts. Programmet ställdes in med parametrar för Luleå. I programmet fanns en del förinställda städer och Luleå var den som låg närmast. Efter det valdes en viss mängd borrhål och en simulering kördes. Simuleringen kördes med bageriets totala värme- och kylbehov men efterhand insågs det att borrhålen endast behöver förse lokalerna med värme vid en utomhustemperatur under β25 °C. Kylbehovet behöver dock förses från det att utomhustemperaturen stiger över + 8 °C. Eftersom kylbehovet då kommer vara mycket högre än värmebehovet kommer borrhålslagret efter hand värmas upp vilket gör att de då kommer tappa i effektivitet. Detta och komplicerade beräkningar ledde till att detta alternativ inte studerades vidare. 3.3.4. Snölager För att dimensionera snölagret har Kjell Skoglunds rapport använts där det utförligt står hur beräkningarna fortlöpte under dimensioneringen av snölagret i Sundsvall. (Skogsberg, 2005) Den rapporten har även varit till stor hjälp för att få större förståelse om hur ett snölager fungerar. För att dimensionera lagret har Sundsvalls lager använts som mall. Därefter har längden och bredden på lagret anpassats för att möta Polarbröds kylbehov. En ekonomisk kalkyl har även gjorts på snölagret där vissa kostnader är tagna från Kjells rapport. Först gjordes en LCC-beräkning för att beräkna den totala investeringskostnaden. För att kunna jämföra snölagret mot dagens kompressoranläggning har även en beräkning med annuitetsmetoden använts. När snölagret är installerat kommer kompressorkylmaskinerna att ha en mindre belastning. För att kunna beräkna hur mycket driftskostnaden för kompressorkylmaskinerna skulle kunna minskas har en rapport som har utrett möjligheter till Fjärrkyla på Storheden utanför Luleå (Fröjd, Hake, Lottsson, & Stenvall, 2014) tagits till hjälp. I den rapporten tas olika kompressorlösningar fram utifrån kylbehovet i olika lokaler. Dessa data är sedan jämförda med Polarbröds behov vilket gett en ungefärlig bild över hur mycket kostnaden för dagens kylkompressorer skulle kunna minskas med. 16 3.4. Nyckeltal För att kunna jämföra olika byggnader som liknar varandra brukar nyckeltal tas fram. För en verksamhet som producerar varor av olika karaktärer kan ett bra nyckeltal beskriva hur mycket energi som behövs för att producera en viss mängd produkter. När bröd produceras kan därför mängden energi (kWh) ställas mot mängden (kg) bröd som produceras. Detta är tidigare gjort för bageriet där en energikartläggning (Eriksson, Persson, & Hällgren, 2007) visade ett nyckeltal på 0,76 kWh/kg för bageriet år 2005. För att beräkna dagens nyckeltal tas byggnadens totala elbehov (16 600 MWh) och delas med mängden producerat bröd (26 000 kg) vilket ger ett nyckeltal på 0,64 kWh/kg. Detta är en förbättring med ungefär 15 %. Genom att bygga ett snölager skulle detta nyckeltal kunna minskas ännu mer. Eftersom en minskning av elanvändningen från kylanläggningen är svår att mäta/beräkna så antas kylanläggningen ha samma elanvändning för varje kWh kyla som den producerar. Detta ger då att den totala elanvändningen kan skalas ner och ett värde för den del som producerar kyla till ventilationen kan antas. Snölagrets elanvändning kommer endast utgöras av en cirkulationspump som antas vara liten i detta fall och därför försummas. För att mäta Polarbröds energi- och effektbehov med anseende på deras yta har därför 2 nyckeltal till tagits fram. Värden som använts i dessa beräkningar är bageriets effektbehov i genomsnitt (2 500 kW), bageriets totala elanvändning (16 660 MWh) och dess golvyta (14 150 m2). 17 4. Resultat 4.1. Effektbehov Från Vattenfall kunde elanvändningen timvis tas in genom ett Excel-dokument. Utifrån detta ställdes ett diagram upp utifrån medel-användningen för varje timme under en vecka. Detta kan studeras i Figur 9. Utifrån diagrammet kan man tydligt urskilja när produktionen är igång. Effektbehovet sjunker drastiskt efter klockan 21:00 på fredagen och stiger sedan snabbt efter klockan 21:00 på söndagen. Att effektbehovet stiger snabbt på söndagskväll beror till största del av att ugnarna slås på inför kommande arbetspass. Bageriet har en installerad ugnseffekt på drygt 2 MW. Skillnaden i effektbehov mellan vardag och helg är inte riktigt 2 MW vilket kanske motsäger tidigare påstående. En förklaring kan vara att ugnarna inte alltid använder 2 MW, på grund av att alla ugnar inte alltid körs samtidigt. Eftersom diagrammet är för en medelvecka, baserat på årets alla dagar, kan vardagskurvan ibland ligga högre vissa dagar. Under helgen när ingen produktion är igång är effektbehovet ändå relativt högt. Detta beror framförallt på kylanläggningen vilken levererar kyla till fryslagret. Kylanläggningen använder ungefär 360 kW. Resterande effektbehov används av värmepumparna på 30 kW, 2 kondensorfläktar på 15 kW, 2 ventilationsaggregat på 16 kW och en tryckluftskompressor på 55 kW. Totalt har dessa maskiner då ett effektbehov på 476 kW. Eftersom service och underhåll görs under helgerna kommer effektbehovet att öka under mitten av dagen. För att hitta det verkliga effektbehovet tas medeleffekten ut när det inte antas vara någon verksamhet i bageriet. Service och underhåll antas pågå mellan klockan 08:00 och 16:00 vartefter resterande timmars effektbehov sammanställs och ett medel av dessa antas vara tomgångsspänningen. Efter detta fås då en tomgångsspänning på 570 kW. Detta betyder då att 104 kW icke är kartlagt. Effektbehov timvis över veckan 3000 Effekt [kW] 2500 måndag 2000 tisdag onsdag 1500 torsdag 1000 fredag lördag 500 0 00:00 söndag 03:00 06:00 09:00 12:00 Tid 15:00 18:00 Figur 9 En medelveckas effektbehov 18 21:00 00:00 För att se över byggnadens energiskal jämförs ett vinter- och sommarfall där samma produktion råder. De 2 veckorna kan studeras i Figur 10 och visar på att energianvändningen inte skiljer sig märkvärt i de två fallen. Om de data analyseras ses att skillnaden i genomsnitt ligger på endast 30 kW. Detta tyder på att byggnaden är väl isolerad, den påverkas inte nämnvärt beroende på utomhustemperatur. El-energibehov sommar/vinter 3500 3000 Effekt [kW] 2500 2000 1500 Vinter 1000 Sommar 500 0 lördag fredag torsdag onsdag tisdag måndag söndag Veckodag Figur 10 Jämförelse mellan vinter- och sommarfall då det råder full produktion Från energikartläggningen har då elanvändningen delats upp i olika delar i bageriet, resultatet kan studeras i Figur 11. Från diagrammet syns då tydligt att ugnarna är de absolut största elanvändarna. Exakta siffror kan även studeras i Tabell 1. Effektbehovet är då ett genomsnittligt effektbehov under produktion. Tabell 1 Effekt- och energibehov för olika delar av bageriet Ugnar Kylsystem Belysning Tryckluft Transportband Ventilation Värmepump Motorvärmare Kontor Övrigt Effektbehov [kW] 1 563 306 113 128 120 45 24 27 13 161 19 Energibehov [GWh] 9 368 2 880 992 771 636 462 186 82 29 1 285 Totalt elbehov (kWh) Ugnar Kylsystem Belysning Tryckluft Transportband Ventilation Värmepump Motorvärmare Kontorsel Övrigt Figur 11 Olika delars elbehov 4.2. Energibehov Bageriets 2 värmepumpar tillgodoser en stor del av bageriets värmebehov genom spillvärme från kylmaskinerna. Enligt anställda på företaget kan värmepumparna förse lokalerna med värme tills utomhustemperaturen sjunker under β25 °C. Temperaturen kan dock variera något beroende på rådande produktion och tid på dygnet. Om mer värmeenergi behövs är bageriet uppkopplad på Älvsbyns fjärrvärmenät, men eftersom de klarar sig själva en stor del av året blir fjärrvärmeanvändningen inte stor i jämförelse med elanvändningen. Hur energibehovet ser ut över året kan studeras i Figur 12. 20 Energibehov under 2014 Energibehov [MWh/mån] 350 300 250 200 Kyla 150 Värme 100 50 0 Figur 12 Energibehov för fastigheten, månadsvis 4.2.1. Ventilation Med de beräkningsmetoder som angivits under avsnitt 3.1.4 togs fram att de 10 ventilationssystemen som är installerade i fastigheten använder totalt ungefär 460 MWh elektricitet för att driva fläktarna. Utifrån golvytor och antalet människor i lokalerna har ett teoretiskt lägsta värde på ventilationsflödet tagits fram. Två av aggregaten förser endast svalbanor med luft och har därför inte tagits med i denna beräkning. Dessa flöden är sedan jämförda med dagens genomsnittliga ventilationsflöde i Tabell 2. Tabell 2 Ventilationsflöden Aggregat TA 1 TA 2 TA 5 TA 9 TA 12 TA 14 TA 15 TA 100 Teoretiskt ventilationsflöde [l/s] 162 2 315 200 652 216 292 1 731 677 Genomsnittligt ventilationsflöde idag [l/s] 1 000 9 600 933 1 700 3 056 900 2 140 3 130 Många av aggregaten ventilerar mycket mer än vad som regler och rekommendationerna kräver, men det betyder inte att det går att minska flödet på alla aggregat. Aggregat TA 2 ventilerar bagerilokalen där ugnarna står vilket gör att uppvärmningen av lokalen är mer extrem än i andra utrymmen. TA 12 ventilerar lokalerna där kylmaskinerna står, eftersom personer endast vistas där under korta perioder blir den beräknade luftomsättningen rätt låg vilket visar på en än större differens. Dessa 2 aggregat har valts att inte tas med i beräkningen på möjligt minskat ventilationsflöde. För de övriga 6 aggregaten skulle då ventilationsflödet teoretiskt kunna minskas med 9,8 m3/s. 21 4.2.2. Kylbehov För att få kylbehovet mer överskådligt har beräkningarna delats upp i 2 delar där först ventilationens kylbehov är sammanställt och efter det energibehovet för gyrofrysarna på linjerna och lagerfrysen. Ventilation Ventilationssystemens temperaturer, luftfuktigheter och flöden studerats. Utifrån de givna formlerna i avsnitt 2.2 har då ett årligt energibehov kunnat tas fram och uppgår till 700 MWh. Ett detaljerat diagram finns att studera i bilagorna under Diagram för värme och kylbehov. Frysar Mängden bröd som producerades på varje linje under 2014 är beskrivet i Tabell 3. Tabell 3 Genomsnittlig produktion på linjerna Linje 1 Linje 2 Linje 3 Linje 4 Produktion [kg/Tim] 2 100 855 839 1 220 Ut från svalbanorna håller brödet en temperatur runt 35 °C, efter gyrofrysarna runt β6 °C. Linje 1 är den nyaste linjen och har lite effektivare svalbana och frys. Därför kommer brödet ha en något lägre temperatur. De temperaturer som använts i beräkningarna står i Tabell 4. Tabell 4 Temperaturer i produktionen Linje 1 Linje 2 Linje 3 Linje 4 Temperatur efter svalbana [°C] 36 38 38 38 Temperatur efter gyrofrys [°C] β16 β6 β6 β6 I lagerfrysen hålls en temperatur runt β22 °C. Eftersom brödet har en högre temperatur när det förs in i frysen krävs energi för att sänka temperaturen i brödet till β22 °C. Med temperaturer och massflöden kan då kyleffektbehovet beräknas med formler från avsnitt 0 - 2.1.4. Utifrån ugnens drifttid under 2014 så kan då det totala kylbehovet för frysarna beräknas, se Tabell 5. Totalt för alla fyra linjerna uppkommer kylbehovet till 2 300 MWh. Tabell 5 Drifttid och kylbehov för gyrofrys och lagret Linje 1 Linje 2 Linje 3 Linje 4 Drifttid [Timmar] 5 859 5 785 1 674 5 877 Kylbehov gyrofrys Kylbehov Lagerfrys [MWh] [MWh] 952 80 265 201 75 57 385 292 22 Förutom energi för att sänka temperatur i brödet behöver även en viss mängd energi bortföras för att hålla en konstant temperatur i fryslagret. Eftersom lagrets väggar delvis är täckt av andra byggnader är värmeledningen beräknad med olika yttemperaturer på utsidan för olika väggar. En skiss på fryslagret kan studeras i Figur 13. Fryslagret är utbyggt en gång, den nya delen är till höger i bilden. Mellan lagren är en vägg med en passage på båda sidor. Avdelningen mellan lagren är i figuren märkt med βFβ. Vägg βCβ är i dagsläget helt exponerad mot utomhusluft och sträcker sig från det lilla strecket på nedre långsidan, runt på den högra sidan och slutar vid det lilla strecket på ovansidan. Resterande väggar är delvis exponerade mot utomhusluft och delvis inbyggd mot övriga delar av bageriet. Figur 13 Schematisk bild över fryslagret Tabell 6 Använda U-värden för byggnadens olika ytor Del Golv Vägg Tak U-värde [W/m2 K] 0,2 0,14 (Areco, 2009) 0,22 (Areco, 2009) Med dessa antaganden och Tabell 6 kan då fryslagrets kylbehov beräknas med ekvationer från avsnitt 2.1.4. Värmeledning genom vägg och tak som är i kontakt med utomhusluft har beräknats för varje timme under 2014 med rådande utomhustemperatur. Inomhus var temperaturen konstant. För de delar av väggen som inte är i kontakt med utomhusluften har temperaturen på utsidan av väggen sats till 20 °C. Markens temperatur är årets medeltemperatur utomhus och blev 3 °C. För att under år 2014 hålla en konstant temperatur i lagret krävdes då 328 MWh. 23 4.2.3. Värmebehov Värmebehovet är beräknat på liknande sätt som kylbehovet. Värmebehovet är beräknat över hur mycket luften måste värmas innan den förs in i lokalen, om värmen för uppvärmning momentant tas från fjärrvärmen eller intern värmegenerering tas inte hänsyn till. Ett detaljerat diagram för värmebehovet kan studeras i bilagan under Diagram för värme och kylbehov och uppgår totalt till 600 MWh. 4.3. Snölager På Polarbröds bakgård finns en del skog där det skulle kunna byggas ett snölager. Ytan på denna plats uppkommer till ungefär 12 000 m2 vilket visar på stor potential att rymma ett snölager. För att visa på hur det skulle kunna se ut har Sundsvalls snölager klippts in på ytan bakom bageriet. Detta kan studeras i Figur 14. Figur 14 Placering av snölager (Google, Ställverksvägen 14, Älvsbyn, 2015) (Google, Igeltjärnsvägen 20, Sundsvall, 2015) 24 4.3.2. Snömängd på Älvsbyns gator Mängden snö som föll i Älvsbyn under 1 år bestämdes utefter ett medel mellan 3 av SMHIs mätstationer i närheten. En station i Älvsbyn, en i Klöverträsk och en i Brännberg. Data över snömängd togs in under de år som data finns lagrat på varje station och samanställdes sedan till ett genomsnittligt snödjup. Valda parametrar och beräknad snömängd kan studeras i Tabell 7. Tabell 7 Beräknad snömängd Älvsbyn Längd bilväg Längd gångväg Bredd bilväg Bredd gångväg Total yta väg Snödjup Beräknad snömängd 4.3.3. 64 000 23 000 5,5 2,5 409 500 1,4 586 500 m m m m m2 m m3 Snösmältning Utifrån tidigare nämnda formler har snölagrets smältning beräknats på timbasis utifrån 4 olika aspekter. Dess sammansatta smältning under året kan studeras i Figur 15. Denna beräkning är baserad på att snölagret är fyllt den första januari och att ingen snö tillförs under hela året. För att kunna kyla bageriet under 2014 krävdes ungefär 25 000 m3 snö. Hur snön smälter under året kan studeras i Figur 15. Snövolym under året 30000 Snömängd [m3] 25000 20000 15000 10000 5000 0 Figur 15 Snömängd i lagret 25 4.3.5. Ekonomi Kostnader för snölagret är beräknade på 30 år och med en ränta på 5 %. För att ta reda på den totala investeringskostnaden ställdes en LCC-kalkyl upp. För att bygga lagret har sex olika poster sats upp som kan studeras i Tabell 8. För att driva lagret har en driftskostnad tagits fram vilken enligt Kjells rapport (Skogsberg, 2005) uppgår till 0,4 SEK/kWh. Eftersom den kostnaden togs fram år 2000 har en korrigering gjorts med hänsyn till dagens pengavärde vilket ökat driftskostnaden med 21 %. Driftskostnaden uppskattas då till ca 750 000 SEK per år. Flisen ovanpå lagret måste bytas ut efter hand, enligt Kjell behöver den bytas vart fjärde år. Detta ger en ytterligare underhållskostnad på ungefär 50 000 SEK per år. Dessa poster ger att den totala investeringen uppgår till ca 10 miljoner SEK. Tabell 8 Investeringskostnader för lagret 565000 28000 670000 315000 200000 7520000 565000 Grävning Kantuppbyggnad Isolering ovanpå mark Sand och grus Flis Övrigt Grävning SEK SEK SEK SEK SEK SEK SEK För att jämföra mot dagens anläggning användes annuitetsmetoden. Driftskostnad för dagens anläggning togs fram genom att jämföra de aggregat som tagits fram i rapporten βFjärrkylepotential för Storhedenβ (Fröjd, Hake, Lottsson, & Stenvall, 2014). För dessa 5 aggregat fanns även ett snölager för samma kylkapacitet. Kostnaden för kylaggregatet [SEK/kWh] ställdes sedan upp i ett diagram mot volymen på det motsvarande snölagret. En trendlinje togs då fram för att få en ekvation som beräknade kostnaden på kylaggregatet beroende på snölagrets volym. Denna kostnad multiplicerades sedan med kylbehovet för att få den årliga kostnaden för kylaggregatet vilken uppkom till ca 2 miljoner SEK per år. Annuitetsmetoden är beräknad på 30 år och med en kalkylränta på 5 %. Eftersom många delar av lagret borde hålla lång tid antas att halva investeringen är kvar i lagret efter 30 år. Detta ger att restvärdets nuvärde π [SEK] beräknas genom π = πΊ β ππ’, 2 (28) där πΊ [SEK] är grundinvesteringen och ππ’ är kvoten som beräknar restvärdets nuvärde. ππ’ är taget från tabell och avläst vid 5 % kalkylränta och 30 år. (Lilja, Tabell A - Nuvärdet av 1 kr som utfaller efter n år, u.d.) Formler och beräkningsmetoder för annuitetsmetoden är tagna från expowera. (Lilja, Annuitetsmetoden, u.d.) Annuitetsfaktorn beräknas genom π΄ππ = π , 1 β (1 + π)βπ‘π (29) där π [%] är beräkningens kalkylränta och π‘π [år] är den beräknade amorteringstiden. Annuiteten πΎπ΄π [SEK] beräknas sedan med πΎπ΄π = π΄ππ β (πΊ β π ). 26 (30) Eventuell årlig vinst πå [SEK] beräknas sedan där dagens driftkostnad för kylkompressoranläggningen jämförs med snölagrets driftkostnad och beräknad annuitet. Beräkningen görs enligt (31) πå = π·ππΎ β π·ππ β πΎπ΄π . där π·ππΎ [SEK] är driftkostnad för kylkompressoranläggningen och π·ππ [SEK] är driftkostnaden för snölagret. Med dessa parametrar fås då en återbetalningstid på ca 14 år. Siffror till beräkningen kan studeras i Tabell 9. Tabell 9 Värden för annuitetsberäkningen Kalkylränta Amorteringstid Annuitetsfaktor Annuitet Restvärde Vinst per år Återbetalningstid 5 30 0,065 535000 1076000 690000 13,5 % år år Om istället en kalkylränta på 10 % används kommer återbetalningstiden öka till 35 år. Vinsten per år kommer då att sjunka till ca 300 000 SEK per år. 4.4. Nyckeltal För att kunna jämföra bageriets energianvändning med andra liknande fastigheter tas några nyckeltal fram. De nyckeltal som tagits fram kan studeras i Tabell 10. Tabell 10 Nyckeltal för bageriet Nyckeltal Effekt per yta Energi per yta Energi per kg bröd Kg bröd per energi Värde 177 1179 0,64 1,55 Enhet kW/m2 kWh/m2 kWh/kg kg/kWh Ett bygge av ett snölager kommer att minska den totala elanvändningen, genom att skala ner den totala elanvändningen för kylanläggning fås att den del som producerar kyla till ventilationen använder 670 MWh elektricitet. Detta ger då ett nytt beräknat energibehov på 15930 MWh vilket resulterar i ett nyckeltal på 0,61 kWh/kg, en minskning med ungefär 5 %. 27 5. Diskussion och fortsatt arbete Polarbröd har idag ett bra miljöledningssystem som ständigt ser över möjligheter att minska energianvändningen i produktionen. Detta har lett till att de har en relativt energisnål produktion redan idag. Luften som ventileras ut från ugnarna har en hög temperatur vilket gör det energimässigt attraktivt att kunna ta tillvara på luftens värmeenergi. Detta testades tidigare med värmeväxlare men det fungerade inte så bra eftersom luften även är förorenad. Ett förslag som inte tagits upp i den här rapporten är att installera en cyklon av något slag där luften renas innan den förs genom värmeväxlaren. Problemet med en rening av luften är att den innestående värmeenergin i luften kommer att minska genom processen, så istället för att kunna användas i en annan applikation kommer en del av värmeenergin värma upp den omgivande luftens temperatur. Detta har dock inte studerats tillräckligt noggrant så rekommendationen är att detta studeras vidare. Eftersom dagens data endast finns att få i diagram har beräkningarna varit lite kluriga. Varje steg som data förändras ger upphov till små fel. Med det sagt kan beräkningen skilja sig något jämfört med verkligheten trots att beräkningarna har gjorts exakta med värde för varje timme under hela året. I detta fall valdes att ta 2 diagram för varje månad och datapunkt. För att få en större inblick i hur energianvändningen ser ut idag bör fler datapunkter loggas i databasen. Till att börja med bör flödesmätare sättas in i de aggregat som idag inte har det vilket underlättar i fortsatta energistudier. Vidare kan det även vara värt att utvärdera Desigo och se om det eller andra system lättare skulle kunna beräkna energianvändningen för olika delar av bageriet. I dagsläget är det rätt svårt att få ut några data eftersom det endast finns i form av diagram. Teoretiskt skulle ventilationsflödet kunna halveras på de aggregat som idag förser ytor där βvanlig luftβ ventileras. Detta gäller alla aggregat förutom det som ventilerar bageridelen och det som ventilerar kylkompressorrummet, alltså TA 2 och TA 12. Praktiskt kanske detta inte är möjligt eftersom ventileringen även är en känsla för personerna som vistas i lokalerna, det kan kännas obekvämt om det ventileras för lite. Flödet bör därför ses över och testas i de olika aggregaten om något skulle kunna minskas. I dagsläget rekommenderar jag inte Polarbröd att bygga ett snölager innan kylkompressoranläggningen byts ut. Den beräknade återbetalningstiden är alldeles för lång för att det ska vara en attraktiv investering. Två parametrar som bör ses över lite noggrannare är vilken kalkylränta som ska användas. I dessa beräkningar har en kalkylränta på 5 % valts, om denna är för låg ökar snabbt återbetalningstiden vid högre kalkylräntor. Driftskostnaden för kylanläggningen borde också studeras noggrannare för att se hur mycket som skulle kunna sparas genom att inte producera kyla till ventilationen. Värdet som använts i denna beräkning är för en hel anläggning som vid bygge av ett snölager stängs av helt och hållet. Besparingen borde inte bli lika stor när maskinerna endast jobbar mindre som de skulle göra i Polarbröds fall. Något mer som kan vara intressant att se över är en bättre tidsstyrning av motorvärmarna. Eftersom de är igång under hela arbetspasset används motorvärmarna betydligt mer än det behov som finns. Om en tidsstyrning som går att styra från mobilen skulle installeras skulle t.ex. barnföräldrarna snabbt kunna knappa in en ny tid när de beräknas åka från platsen och för övriga skulle motorvärmarna användas mer än hälften så mycket som i dagsläget. 28 6. Referenser Areco. (2009). Sandwishpaneler. Sandwishpaneler. Malmö, Sverige: Areco Sweden AB. Armatec. (2008). Vätskeburen kyla. Handbok - Vätskeburen kyla, 3. Göteborg, Sverige: Armatec. Boverket. (2011). Boverkets Byggnadsregler (föreskrifter och allmänna råd). BFS 2011:6, kap. 6:251. Catarina Olsson. Carlson, J., & Haux, F. (2014). Folkhälsomyndighetens allmänna råd om ventilation. Stockholm: Nils Blom. Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2002). Thermodynamics: an Engineering Approach. McGraw-Hill. Energirådgivningen. (u.d.). Beräkna förbrukning av kontorsel. Hämtat från http://iis.energiradgivningen.se/misc/www/kalkyler/kontorsel/kontorsel.aspx den 06 05 2015 Eriksson, P., Persson, B., & Hällgren, L.-G. (2007). Energikartläggning Polarbröd. Luleå: Jan Dahl, LTU. Fröjd, H., Hake, A., Lottsson, S., & Stenvall, J. (2014). Fjärrkylepotential för Storheden, Luleå. Luleå Tekniska Universitet, Luleå. Google. (2015). Igeltjärnsvägen 20, Sundsvall. Hämtat från Google maps: https://www.google.com/maps/place/Igeltj%C3%A4rnsv%C3%A4gen+20,+856+40+ Sundsvall,+Sweden/@62.4065782,17.2994064,351m/data=!3m1!1e3!4m2!3m1!1s0x4 6645dff3431b0c3:0x7aad0bc9ae0d2fb1!6m1!1e1?hl=en den 06 05 2015 Google. (2015). Ställverksvägen 14, Älvsbyn. Hämtat från Google Maps: https://www.google.com/maps/place/St%C3%A4llverksv%C3%A4gen+14,+942+36+ %C3%84lvsbyn,+Sweden/@65.6777153,20.979294,455m/data=!3m1!1e3!4m2!3m1! 1s0x467f4cca7e097e4b:0xee88706dd1b7b579?hl=en den 06 05 2015 Göransson, F., & Carlsten, J. (2009). Sorptionsteknik - Kylteknik. Malmö Högskola, Malmö. Lilja, B. (u.d.). Annuitetsmetoden. Hämtat från expowera: http://www.expowera.se/mentor/ekonomi/kalkylering_investering_annuitet.htm Lilja, B. (u.d.). Tabell A - Nuvärdet av 1 kr som utfaller efter n år. Hämtat från expowera: http://www.expowera.se/mentor/mallar/tab_a.htm Lundmark, U. (den 28 02 2007). Scanima freezer test. Polar4. Älvsbyn. Munters. (u.d.). How DesiCool works. Hämtat från Munters: https://www.munters.com/sv/munters/cases/desicool-1/ den 21 09 2015 Norrtälje kommun. (u.d.). Teknisk handbok. Hämtat från Norrtälje kommun: http://www.nokudo.se/handbok/section/view/id/13 den 24 Maj 2015 Nydal, R. (2002). Praktisk kylteknik. Halmstad: Svenska kyltekniska föreningen. Skogsberg, K. (2005). Seasonal Snow Storage or Space and Process Cooling. Department of Civil and Environmental Engineering, Division of Architecture and Infrastructure. Luleå: Luleå tekniska universitet. SMHI. (u.d.). Öppna data. Hämtat från Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut: http://opendata-catalog.smhi.se/explore/ den 21 April 2015 Sonntag, R. E., Borgnakke, C., & Van Wylen, G. J. (2003). Fundamentals of Thermodynamics. United States of America: John Wiley & Sons, Inc. Älvsbyns Energi. (den 08 December 2014). Vinterväg. Hämtat från Älvsbyns Energi: http://www.alvsbynsenergi.se/bolag/eweb.nsf/vyPublicerade/0064004C441FB612C12 5794F0028700A?OpenDocument den 23 April 2015 29 7. Bilagor A. Energikartläggning Älvsbyn I Älvsbyn har Polarbröd sin huvudsakliga produktion. Här produceras ungefär 25 800 ton bröd om året. Under 2014 förbrukade bageriet ungefär 16 700 MWh i elenergi, detta ger ett nyckeltal på 0,64 kWh/kg bröd. Det är en förbättring från år 2005 då förbrukning låg på 0,76 kWh/kg bröd men det finns fortfarande förbättringar att göra. Ugnar På Älvsbyns bageri finns 4 stycken ugnar med olika kapaciteter. Ugnen på linje 1 är den största med en effekt på 700 kW, ugnarna på linje 2 och 3 är liknande med en effekt på 490 kW vardera och ugnen på linje 4 har en effekt på 280 kW. Tillsammans är dessa de absolut största förbrukarna av el i bageriet. Under 2014 uppskattas ugnarna tillsammans ha förbrukat ungefär 9 400 MWh elenergi. Kylanläggning Kylanläggningen är en tvåstegsanläggning med Ammoniak som köldmedium. Anläggningen består av fem stycken lågtryckskompressorer och 3 högtryckskompressorer. Anläggningen har då en installerad kyleffekt på 3 300 kW. Alla kompressorer är av skruv-varianten. Kompressorerna styrs sedan beroende på vilket kylbehov som finns. 2 av kompressorerna är frekvensstyrda där motorns varvtal regleras, övriga kompressorer använder en stång som reglerar slagvolymen. Eftersom inget loggningssystem finns för kompressorerna är energibehovet över 1 år svårt att beräkna. Därför studerades systemet under några dagar och ett medelvärde för året togs fram. Uppskattningar på det årliga behovet uppkommer då till 3 700 MWh elenergi. Belysning Uppgifter om installerad belysning finns inte vartefter en uppskattning utifrån golvytan görs. Polarbageriet i Älvsbyn har idag en golvyta på ungefär 16 500 m2. Om en installerad effekt på 10 W/m2 antas kommer den installerade effekten uppgå till 165 kW. Belysningen antas vara påslagen 80 % av året, ungefär 7000 h, vilket genererar ett elbehov på 1 150 MWh. Tryckluft I produktionen används 3 stycken tryckluftskompressorer, 2 av dem är behovsstyrda och körs om det behövs. Den sista är varvtalsstyrd och kan bättre styras efter behov. Kompressor 2 körs endast stötvist under full produktion, annan tid räcker det med kompressor 1 och den varvtalsstyrda. De två kompressorerna har en motoreffekt på 55 kW vardera och den sista, varvtalsstyrda, har en effekt på 50 kW. Full produktion går ungefär 30 % av produktionstiden, därför antas kompressor 2 varit igång 21 % av årets timmar. Kompressor 1 ska stängas av efter stängning på fredagen men det görs väldigt sällan. Därför antas kompressor 1 stå på under 90 % av årets timmar. Den sista kompressorn är varvtalsstyrd och går därför inte alltid på full effekt, därför antas att kompressorn går på full fart ungefär 55 % av årets timmar. För beräkningarna betyder det att kompressorn står still 45 % av årets timmar. Tillsammans antas därför tryckluftskompressorerna ha använt 770 MWh elenergi under året. 30 Ventilation Bageriet har installerat 10 stycken ventilationssystem i olika storlekar. Många av fläktarna i ventilationssystemen är frekvensstyrda. På de flesta av frekvensomformarna finns statistik över antal förbrukade kWh och tiden omformarna varit i drift. Utifrån detta beräknades en medeleffekt för de fläktar där det var möjligt. Övriga fläktars effektbehov antogs med hjälp av driftpersonal. Utifrån detta uppskattas ventilationen ha använt 460 MWh el. Värmepump För att ta vara på värmeenergin som fås från kylkompressorerna och minska värmebehovet installerades 2 värmepumpar för några år sedan. Några data på hur mycket dessa går under året finns inte varför pumparna studerades under en tid, utifrån det togs en medeleffekt fram på 35 kW. De antas gå 70 % av året, ungefär tiden bageriet har produktion, och har då ett energibehov på 200 MWh. Motorvärmare Motorvärmarna har ingen timerfunktion och matar därför konstant under tiden användaren är på jobbet. Effekten som motorvärmarna krävde mättes därför upp under en arbetsdag och antogs som ett medel. Motorvärmarna antogs sedan vara använda från 15 oktober till 15 maj vilket ger en användning av 42 % av årets timmar. Utöver det så antas de endast användas då det också är produktion i bageriet, 70 % av året, vilket ger att motorvärmarna används under 30 % av året. Detta ger då ett årligt energibehov på 80 MWh. Transportband I produktionen förflyttas bröden på långa transportband. För att kunna uppskatta ett energibehov från dessa beräknades den installerade effekten på elmotorerna som drev banden på linje 1. Den installerade effekten på linje 1 uppkom då till 40 kW, eftersom det är den största linjen och motorerna troligtvis inte körs maximalt antogs en lägre medeleffekt på 25 kW för varje linje. Bandet antas köra samma tid som ugnen på den linjen producerar. Detta ger då ett årligt elbehov på 480 MWh. Övrigt Kvar att kartläggas är då ungefär 460 MWh vilket motsvarar 3 % av förbrukningen. Detta går till många stödprocesser som cirkulationspumpar, ingrediensfläktar, deg-hantering, datorer och övriga stödprocesser. I denna övergripande analys har dessa dock valts att inte studeras noggrannare. II Bredbyn Under 2014 producerade bageriet i Bredbyn ungefär 7 800 ton bröd vilket motsvarar 20 % av Polarbröds årliga produktion. Under året använde bageriet 9 400 MWh elenergi vilket ger ett nyckeltal på 1,2 kWh/kg bröd. En bit ifrån bageriet i Älvsbyn men eftersom huvudproduktionen ligger i Älvsbyn utvecklas det bageriet först. I Bredbyn finns 3 linjer som alla används. De 3 linjerna kallas linje 2, 3 och 4. Linje 2 och 3 liknar linjerna i Älvsbyn och kan producera liknande bröd. Linje 4 producerar bara hårt och torrt bröd och har därför ingen frys som kyler brödet efter gräddning. Här finns bara en tunnelkyl där kall luft blåses på brödet efter ugnen för att kyla det till rumstemperatur. Ugnar Under sommaren 2014 gjordes en undersökning där strömmen in i bageriet från ställverket mättes. Ut från ställverket går fem huvudkablar. Utifrån dessa mätningar kunde en medeleffekt på ugnarna uppskattas, utifrån givna drifttimmar kunde sedan ett årligt energibehov uppskattas till 3 900 MWh. Kylanläggning Kylanläggningen är uppdelad i två system där ett kyler gyrofrysen på linje 3. Den andra kyler gyrofrys på linje 2, lagerfrysen och övrig komfortkyla. Drifttiden för varje maskin finns dokumenterat vartefter den togs in och analyserades. Drifttiden finns uppskriven vid olika datum så därför kan en drifttid för året uppskattas. Alla kylmaskiner har kolvkompressorer och kan därför köras på 3 olika kapaciteter. Eftersom de inte alltid går på full effekt beräknas en medeleffekt på 90 % av motorernas märkeffekt. Denna effekt antas då köras under de timmar som kompressorn uppskattas vara i drift under året. Utifrån detta fås ett energibehov för kylanläggningen på 1 900 MWh. Elpanna Bredbyns bageri har inte möjlighet att koppla in sig på något fjärrvärmenät, därför använder de el för att värma byggnaden och vatten till det behov som finns. Tidigare värmdes byggnaden med både en oljepanna och en elpanna men idag används bara elpannan. Någon driftinformation om pannan finns inte varför ett behov får uppskattas. Vid beredning av deg krävs mycket vatten, med detta och ett antagande om att fastigheten har ett bra klimatskal antas värmepannan ha ungefär samma energibehov under hela året. Vid studier av pannan sågs att den växlade mellan två effektsteg. Utifrån detta uppskattades en medeleffekt för pannan under tiden bageriet hade produktion. Med antagande att pannan endast var igång under produktion och tidigare beskriven medeleffekt fås ett energibehov på 610 MWh under 2014. Tryckluft För att förse bageriet med tryckluft har de 2 stycken kompressorer installerade där endast en går för det mesta. Den andra är en reserv om den första skulle haverera eller om det behövs service på den. Under 2014 användes aldrig kompressor 2. Kompressorn stängs sällan av och antas därför vara igång under 90 % av året, detta ger ett årligt energibehov på 600 MWh. Belysning I Bredbyn finns inte heller någon information om installerad effekt på belysningen. För att uppskatta detta görs samma antagande som i Älvsbyn, en installerad effekt på 10 W/m2, vilket med en golvyta på 6 400 m2 ger en installerad effekt på 64 kW. Belysningen antas vara igång 80 % av året vilket ger ett energibehov på 450 MWh. III Ventilation På bageriet i Bredbyn finns 6 ventilationsaggregat installerade. För att uppskatta energibehovet skulle en konsult hjälpa till. Han tog dock aldrig fram fläktarnas medeleffekter trots upprepade förfrågningar vilket gjort att denna post antagits utifrån de andra två bagerierna. Ventilationens årsbehov har då skalats utifrån bageriets storlek. Skalat enligt storleken på de två andra bagerierna uppskattades ett årsbehov till 1 570 MWh. Dammsugare och stoftsug Under hösten 2014 installerades en ny dammsugare och stoftsug på bageriet. Effekter för dessa har tagits in och tidigare maskiner antas ha haft samma effekter. Dessa antas vara i konstant drift när bageriet har produktion. Energibehovet för dessa uppskattas då till 370 MWh. Motorvärmare För att uppskatta motorvärmarnas energibehov användes mätningen från Älvsbyn. Effekten skalades ner på antalet motorvärmarplatser som finns installerade i Bredbyn. I Bredbyn har dock motorvärmarna timer-funktion vilket drar ner behovet. Utifrån detta antas motorvärmarna användas ungefär 7 % av året vilket genererar ett energibehov på 4 MWh. Övrigt Utifrån ovanstående kartläggning finns då 60 MWh som inte har kartlagts. Detta motsvarar 1 % av bageriets energibehov för 2014. Det rekommenderas dock att göra en beräkning på ventilationssystemet för att få en mer exakt uppskattning på dagens energianvändning. IV Omne Under år 2014 producerade bageriet i Omne 3 900 ton bröd. Detta motsvarar 10 % av Polarbröds totala produktion. På bageriet finns idag 4 stycken linjer där endast 3 stycken används. Tidigare bakades torrt bröd på linje 3 men all dess produktion flyttades under 2013 till bageriet i Bredbyn. Linje 3 är planerad att tas bort någon gång i framtiden. Ugnar Ugnarna på linje 1 och 2 är ungefär likadana, ugnen på linje 4 är något större. Det finns även här ingen mätning på energiförbrukningen på ugnarna. För att uppskatta energibehovet för ugnen på linje 4 studeras ugnen under drift. Enligt en operatör arbetar ugnen rätt konstant vilket gör att uppmätt effekt kan uppskattas för resten av ugnens drifttid. På ugnen går att avläsa del av kapacitet som används vid varje zon i ugnen, detta jämförs sedan med dokumenterad installerad effekt för att beräkna och det momentana effektbehovet. För att uppskatta skillnaden mellan ugnarna används produktionshastigheten, antal kg bröd per timme. Utifrån detta antas ugnen på linje 2 vara effektmässigt 20 % mindre än ugnen på linje 4. Eftersom ugnen på linje 1 har en något mindre produktionshastighet jämfört med ugnen på linje 2 antas den vara 10 % mindre än ugnen på linje 2. Dessa antaganden ger då ett årligt behov på 1 350 MWh. Kylanläggning Kylanläggningen består av ett nytt och ett gammalt system av kolvkompressorer, 4 stycken gamla och 3 stycken nya maskiner. Likadant som för de två andra bagerierna saknas här information om hur maskinerna körts. Kylanläggningen har under året kantats med en hel del problem och har därför inte kunnat köras optimalt, hur detta påverkar energiförbrukningen är svårt att uppskatta men det antas att det påverkat förbrukningen negativt. Efter studier av kylanläggningen vid några tillfällen och antaganden om ungefärlig drifttid uppskattas kylanläggningens energiförbrukning uppgå till 1 700 MWh. Ångpannor Inom processen behövs ånga, denna tillverkas i 2 ångpannor där den ena levererar ånga till linje 4 och den andrar levererar ånga till linje 1 och 2. Vid studier av panna 2 kan ses att den körs även utan att varken linje 1 eller 2 är igång. Utifrån detta antas ångpannan vara på under samma tid som bageriet har produktion. Effektuttaget verkar även det vara det samma oberoende om det är produktion på linje 1 och 2 eller inte. Panna 1 studerades när det var produktion på linje 4 och en medeleffekt kunde tas fram. Utifrån detta uppskattas ångpannorna ha ett energibehov på 544 MWh. Belysning För att uppskatta belysningen görs samma antagande som på de andra bagerierna. Här antas en genomsnittligt installerad effekt på 10 W/m2. Bageriet i Omne har en golvyta på cirka 7 000 m2, detta ger då ett uppskattat energibehov på 430 MWh. Ventilation För att förflytta luften använder bageriet i Omne fem stycken ventilationsaggregat. När bageriet byggde ut 2007 installerades även 1 nytt ventilationsaggregat. Det finns ingen data lagrad på hur det körts de senaste åren men det finns data för att kunna uppskatta en ungefärlig medeleffekt under drift. För övriga aggregat finns ingen dokumentation så där görs en uppskattning på fläktmotorernas medeleffekt. Med dessa antaganden fås då ett elenergibehov på 310 MWh. V Elpanna Bageriet i Omne använder sig, precis som bageriet i Bredbyn, av en elpanna för att värma vatten för bakning och uppvärmning av lokaler. Även här finns ingen driftinformation vartefter samma antagande som i Bredbyn görs. Utefter ungefärligt effektbehov och drifttid fås då elpannans elenergibehov för 2014 till 240 MWh. Tryckluft På bageriet finns 2 tryckluftskompressorer där oftast bara den ena används. För att uppskatta energibehovet sätts den ena kompressorn att snurra hela året och att den andra endast är igång några timmar. Detta ger då ett uppskattat energibehov på 190 MWh elenergi. Ingrediensfläkt För att förflytta alla ingredienser i bageriet används fem stycken fläktar. En av dem antas alltid vara i drift vilket ger ett uppskattat energibehov på 100 MWh. Motorvärmare För att uppskatta motorvärmarnas energibehov används mätningen i Älvsbyn och skalas utifrån antalet motorvärmarstolpar. Utifrån detta fås ett årligt energibehov på 8 MWh. Övrigt Utifrån ovanstående kartläggning finns då 95 MWh som inte har kartlagts. Detta motsvarar 2 % av bageriets energibehov för 2014. VI B. Värden för snölagret Tabell 11 Bestämda parametrar för snölagret Djup i mitten Längd Bredd Lutning sidor Markens temperatur Temperatur snö Tjocklek flis U-värde mark k-värde flis 2 110 64 26,6 6 0 0,2 0,009563846 0,35 VII m m m ° °C °C m W/m2 K W/m K C. Diagram för värme och kylbehov Årligt värmebehov 450 400 EFFEKT [KW] 350 300 250 200 150 100 50 0 januari februari mars april maj juni juli augustiseptemberoktobernovember december Värmebehov Figur 16 Värmebehov för ventilationen 2014 Årligt kylbehov 1200 EFFEKT [KW] 1000 800 600 400 200 0 januari februari mars april maj juni juli augustiseptemberoktobernovember december Kylbehov Figur 17 Kylbehov för ventilationen 2014 VIII
