Soldrevet Fjernkøling. Master Thesis

Transkript

1 Soldrevet Fjernkøling Master Thesis Su Cheong Ho MEK-TES-EP May 2010

2 Soldrevet Fjernkøling Undersøgelse og analyse af et soldrevet ettrins H 2 O-LiBr absorptionskøleanlæg i Danmark Denne rapport er udarbejdet af: Su Cheong Ho, s Vejledere: Brian Elmegaard, MEK Søren Vesterby Knudsen, RB Danmarks Tekniske Universitet (DTU) Rambøll Danmark A/S (RB) Institut for Mekanisk Teknologi (MEK) Nils Koppels Allé Bygning Kgs. Lyngby Tel: (+45) info@mek.dtu.dk Dansk titel: Soldrevet fjernkøling Engelsk titel: Solar-driven district cooling Startdato: Afslutningsdato: ECTS Point: 30 Samarbejdsvirksomheder: Rambøll Samarbejdsform: Projektet udført fortrinsvis på DTU

3 Forord Denne rapport er udarbejdet i forbindelse med mit kandidatspeciale og for at opnå kandidatgraden indenfor Institut for Mekanisk Teknologi (MEK) på Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Projektets tidsramme forløber fra den 2. januar 2010 til og med den 31. maj Det er en forudsætning, at læseren til rapporten har kendskab til køleteknik og virkemåden for en absorptionsvarmepumpe. Denne rapport er generelt opdelt i tre dele. En generel introduktion af projektet og den opstillede model, en teoritisk beskrivelse af modellen og til sidst vil der være en analyse af resultater. Mit personligt mål med dette projekt er, at kunne udvide min viden og horisont inden for køleteknik baseret på solvarme og få en forståelse af hvordan en absorptionsvarmepumpe fungerer. Derved er det også et mål, at få et indblik i mulighederne ved brug af vedvarende energi til køling i fremtiden. Projektet er i samarbejde med virksomheden Rambøll A/S. Dermed var det også en fornøjelse for mig, at kunne få et indblik i hvordan en ingeniørvirksomhed overordnet set fungerer i praksis. Et andet mål er, at kunne opnå et brugbart resultat til DTU og Rambøll og at resultatet eventuelt kan bruges som en hjælp til nogle fremtidige projekter i forbindelse med solvarme og absorptionsvarmepumpe. Her vil jeg benytte lejligheden til at sige mange tak til mine vejledere Brian Elmegaard fra DTU og Søren Vesterby Knudsen fra Rambøll. Derudover vil jeg også takke Rambøll for sammearbejdet og Tarek Kim El Barky, som har været behjælpelig under projektet. Dato Su Cheong Ho s

4 1 Abstrakt Komfortkøling (aircondition) til erhvervsbygninger i Danmark har været relativ synlig i de seneste år. Selvom komfortkøling ikke har været en livsnødvendig serviceydelse i Danmark i forhold til de varme lande, har behovet alligevel været stigende i gennem årene på grund af den store udvikling af computerudtyr og udvide glasarealer i de nye bygninger. Men andre grunde, som stigende økonomisk væskst og sammenhængen mellem indeklima og arbejdsydelse, har ledt til store interesser inden for komfortkøling [15]. Den traditionelle aktive kølemetode til erhvervsbygninger er som regl et klimaanlæg, der er baseret på kompressionskøling. Elforbruget vil derfor være en stor del af energibudgettet og samtidig vil det også bidrage en del til klimaforandringen. Interessen for nye koncepter til komfortkøling af erhvervsbygninger er defor stigende. I dette projekt er der lavet et koncept til et soldrevet fjernkølingssytem. Derved er der valgt, at opstille en simplificeret model af solvarmeanlægget og absorptionskøleanlægget fra konceptet. Modellen er lavet i "Engineering Equation Solver"(EES v.8.483). Solvarmeanlægget består af solfangere og to akkumuleringstanke, som derved overfører varmeenrgi til et absorptionskøleanlæg. Der er valgt, at sætte mest fokus på absorptionskøleanlægget til rapporten. Derfor bliver absorptionskredsløbet først modelleret i EES. På grund af komfortkøling er det normal at benytte H 2 O-LiBr som køle- og absorbtionsmidlet. Temperaturen til det kolde vand fra absorptionskøleanlægget er fastsat til 7 o C og en returtemperatur på 13 o C. Der er lavet forskellige grafer af varmeforholdet COP th ved at variere på varmekildetemperaturen til generator, udetemperaturen og varmevekslerens effektivitet. Absorptionsmodellen bliver derved verificeret ved at sammenligne disse grafer med tilsvarende grafer fra en litteratur og en videnskabelig artikel. Den opstillede model af absorptionskøleanlægget bliver derved udvidet ved at tilføje beregninger til solindfaldet, solfangeres effektivitet og varmelageret. Modellen er opbygget til at kunne lave en årlig simulering af denne soldrevet absorptionskøleanlæg og derved udregne det samlede energiforbrug. Modellen bliver brugt til at analysere tre forskellige cases. En case med køleprofil for et rådhus, et serverrum og en kombination af begge køleprofiler. Der er også lavet en sensitivitetsanalyse af de forskellige paramentre man kan variere med i modellen. Der er lavet en sammenligning af elforbruget og CO 2 emissionen for en ettrins kompressionskøleanlæg og for den opstillede soldrevne absorptionskøleanlæg. Der er brugt softwaren "Pack Calculation II" fra IPU til at simulere årsenergiresultater for kompressionskøleanlægget for de tre samme cases. Til sidst er der lavet en grov udregning af tilbagebetalingstiden for at vurdere muligheden til investering af et soldrevet absorptionskøleanlæg til fjernkøling. 2

5 English version Airconditioning of business buildings in Denmark has been seen more frequently in the last few years. Even though airconditioning is not a vital service in Denmark compared to other warmth conuntries, the needs of cooling has been rising through years because of the enormous development of computer equipments and expanded glass areal in the new buildings. But there are other reasons, like the better growth of economic and the relation between indoor climate and work output, that gives the interest of airconditioning [15]. The conventional airconditioning system for business buildings is normally operated by a vapor-compression refrigeration. The power consumption will therefore be a big part of the total energy budget and at the same time it will also contribute to the climate change. Therefore there has been some interest of finding new concepts for airconditioning in business buildings. In this project, a concept of a solar-driven district cooling has been made. Thereby it is chosen to set up a simplified model of the solar heating system and the absorption cooling system from the concept. The model is made in "Engineering Equation Solver"(EES v.8.483). The solar heating system consist of solar panels and two accumulation tanks, which transfer the heat energy to an absorption chiller. It is chosen to put most focus on the absorption chiller for this report. Therefor the absorption cycle is model first in EES. It is normally to use water (H 2 O) and lithuim bromide (LiBr) as working pairs for absorption chillers that is only used for airconditioning. The temperature of the chilled water is normally at 7 o and the return temperature is 13 o. Different graphs of the performance of the chiller (COP th ) as a function of the heat source temperature, the outdoor temperatur and the solution heat exchanger are made i the report. The model for the absorption cycle is then verified by comparing the graphs with some corresponding graphs from a literature and a scientific paper. The model of the absorption chiller is then expanded by adding the calculation of the solar radiation, the effectivity of the solar panels and the heat storage. The model is builded in a way, that can simulate a solar-driven absorption chiller for the whole year and calculate the total energy consumption. The model is used for analysing of three cases. First case is with a cooling load profile of a town hall. The second case is a load profile of a serverroom and the third case is a combination of case 1 and 2. There has been made a sensitivity analysis of the different parameters in the model to get a view of the influences each parameter has on the results. A comparison of the power consumption and CO 2 -emission for a conventional airconditioning system and the solar-driven absorption chiller model has been made. The results for the conventional airconditioning system is made by using a simulation software called "Pack Calculation II"fra IPU. Finally a rough estimation of the pay back time is made for the solar-driven absorption chiller to se if there is an opportunity to invest this system. 3

6 INDHOLDSFORTEGNELSE 4 Indholdsfortegnelse 1 Abstrakt 2 2 Introduktion Beskrivelse af ide/koncept Fjernkøling i Danmark Eksisterende fjernkølingsmetoder Solvarme som varmekilde Problemformulering Formål Projektafgrænsning Læseguide Systembeskrivelse Solvarmeanlæg Meteorologiske forhold Absorptionsanlæg Forbruger Valg af systemparametre 22 5 Den teoretiske model Ettrins absorptionsanlæg Procesbeskrivelse Arbejdsmedier Beregningsmodel Verificering af absorptionsanlægget fra EES modellen Den årlige simulering Antagelser Solindfald

7 INDHOLDSFORTEGNELSE Solfangers effektivitet Varmelager beregning Case beskrivelse Case 1: Rådhus Case 2: Serverrum Case 3: Kombination af rådhus og serverrum Analyse af cases fra den årlige EES simuleringsmodel Betydning af varierblerne Simulering af soldrevet absorptionsanlæg for casene Den traditionelle kølemetode (air-condition) "Pack Calculation"softwarebeskrivelse Indstilling til køleanlægget Årsenergiforbrug Sammenligning af energiforbrug og CO 2 emisssion Økonomisk og fysisk overvejelse Konklusion Fremtidig mulighed Referencer Appendiks Bilag 85

8 FIGUROVERSIGT 6 Figuroversigt 1 En diagramoversigt over forskellige muligheder ved soldrevet køling Oversigtsdiagram over projektideen a) Det traditionelle fjernkølesystem. b) Central/decentral absorptions fjernkølesystem Et simplificeret design af det delsystem som implementeres i EES a) Koncentrerende solfangere: Paraboler eller cylindriske paraboler b) Plane solfangere Graf over forskellige type plane solfangeres arbejdstemperatur i forhold til effektiviteten. [12] a) Skematisk diagram over et simpelt absorptionskredsløb. b) Kombineret varmepumpe og Rankine cyklus Dobbelt effekt absorptionskredsløb Diagramoversigt over input- og outputparametre i beregningsmodellen Diagram over ettrins absorptionsanlæg Ettrins absorptionsanlæg fra EES modellen Absorber Generator Tørkøler Kølertårn Grafer af absorptionsanlæggets varmeforhold COP th som funktion af opløsningsvarmevekslerens effektivitet η SHEX a) for køletårn og b) for tørkøler Varmeforhold COP th og køleeffektq e som funktion af udetemperatur T am Varmeforhold COP th og varmeeffekter som funktion af varmekildestemperatur T [71] (køletårn) Varmeforhold COP th som funktion af varmekildestemperatur T [71] for forskellige udetemperatur T am både for køletårn eller tørkøler Et oversigtsdiagram over opbygningsproceduren af den årlige simuleringsmodel

9 FIGUROVERSIGT 7 21 Oversigt over diverse parametre til beregning af solindfald. (Modifiseret figur fra DANVAK Grundbog) Oversigtsdiagram over de to ens akkumuleringstanke Køleprofil for et rådhus og en profil af solindfaldet i procenter for antal dage gennem året Køleprofil for et serverrum og en profil af solindfaldet i procenter for antal dage gennem året Køleprofil for en kombination af rådhus/serverrum og en profil af solindfaldet i procenter for antal dage gennem året Varighedskurve af kølebehovet for et rådhus, et serverrum og et kombination af dem begge Sensitivitet af de forskellige parametre over for overskudsvamre Sensitivitet af de forskellige parametre over for soldækning Sensitivitet af solfangerareal af forskellige fabrikanter over for overskudsvamre Sensitivitet af solfangerareal af forskellige fabrikanter over for soldækning Sensitivitet af varmekildetemperatur for enten køletårn eller tørkøler over for det samlede elforbrug og overskudsvarme Søjlediagram over kølebehov, køleproduktion og overskudsvarme for hver måned gennem året (case 1) Søjlediagram over kølebehov, køleproduktion og overskudsvarme for hver måned gennem året (case 2) Søjlediagram over kølebehov, køleproduktion og overskudsvarme for hver måned gennem året (case 3) Diagram over et ettrins kølekredsløb taget ud fra Pack Calculation II Diagram over et køletårn a) eller tørkøler b) taget ud fra Pack Calculation II Verdenskort som viser den laveste solinfald pr. dag om året [18]

10 TABELOVERSIGT 8 Tabeloversigt 1 Mulig løsningsforslag til inputsværdierne for soldrevet absorptionsanlægget Hovedresultater fra simulering af soldrevet absorptionsanlægget for casene Hovedresultater fra simulering af den traditionelle køleanlæg for casene Sammenligning af elforbrug og CO 2 emisssion for casene Tabel over det estimeret priser og tilbagebetalingstid for et soldrevet absorptionskøleanlæg

11 TABELOVERSIGT 9 Symbolliste Symbol Forklaring Enhed α Solfangers hælding [ o ] β Indfaldsvinkel [ o ] η effektivitet [ ] ρ udeluftens relativ luftfugtighed [ ] T Temperatur forskel (pinch) [K] A sol Solfangeres overfladesareal [m 2 ] az s Solens azimut [ o ] COP th COP for absorptionsanlæg [ ] COP COP for soldrevet absorptionsanlæg [ ] f d Dimensionsfaktor [ ] h Enthalpi [kj/kg] h s Solhøjden [ o ] h tank Varmelagers højde [m] I 0 Direkte solinfald ved vinkelret indstråling [kw/m 2 ] I dv Diffuse stråling på vandret [kw/m 2 ] I tot Toltal solindfald [kw/m 2 ] I s,α Den direkte stråling [kw/m 2 ] I d,α Den diffuse stråling [kw/m 2 ] I r,α Den reflekterende stråling [kw/m 2 ] ṁ Massestrøm [kg/s] P Tryk [kp a] q Kvalitet [ ] Q Varmeeffekt [kw ] Q Varmeenergi [kw h] r tank Varmelagers radius [m] T Temperatur [ o C] v Specifik volume [m 3 /kg] V tank Varmelagers volume [m 3 ] W Arbejdsenergi [kw h] Ẇ Arbejdseffekt [kw ] x Koncentration af LiBr [ ]

12 2 INTRODUKTION 10 2 Introduktion Gennem mange år har der været stor interesse for at udvikle teknologier der kan tilbyde yderligere reduktion af energiforbruget uden at formindske det ønskede niveau af ydeevnen. Eftersom man ved, at der er et begrænset lager af ikke vedvarende energikilder på jorden, og at disse bliver dyrere i fremtiden, er man også interesseret i at anvende mere af de vedvarende energikilder, der kan dækker over vores daglige energiforbrug. Indenfor de seneste år har der været stor fokus på klimaforandringer, også betegnet som den globale opvarmning eller den menneskeskabte globale opvarmning [8]. Videnskabelige regnestykker argumenterer for og påstår at mennesket er med til at bidrage til den globale opvarmning. Selvom denne antagelse er gennemdiskuteret på bordet, er der stadig tvivl og uenigheder. Men det er et faktum at mange er enige om at ved anvendelse af "Grøn energi"[9] vil have en positiv effekt for klimaet og menneskeheden i fremtiden. Der har derfor mange forskningsprojekter indenfor de seneste år sigtet mod at udvikle teknologier og systemer, der kan udnytte vedvarende eller bæredygtig energikilder. Solenergi er en af de talrige vedvarende energikilde på jorden. Når solindstrålingen er høj på jordoverfladen vil det samtidig medføre et stort kølebehov i bygninger for at bibeholde tilfredsstillende komfortniveau. Denne parallelle indflydelse har vækket stor interesse indenfor køleteknik sektoren på verdensplan. Specielt i de lande, hvor solindstrålingen er meget høj over en lang periode om året, har der været en stor udvikling af aktiv soldrevet kølesystemer. Solenergi kan enten omdannes til elektricitet eller varme. Begge former for energi kan benyttes som kilden til at drive en kølecyklus. Figur 1 viser et diagram over forskellige metoder man kan benytte indenfor soldrevet køling. Fotovoltaisk (PV) køling anvender solceller til direkt omdannelse af solindstråling til jævnstrøm (DC) som driver en DC kompressor i en traditionel kølecyklus. Men med den nuværende teknologi er PV køling en reel metode ved små kølekapaciteter og er mest praktisk i situation hvor menneskeskabte energiressourcer ikke er tilgængelig, såsom medicinopbevaring i fjerne områder i Afrika. Generelt er sammenfaldet mellem PV kølings effektivitet og omkostninger ikke på et acceptabel niveau endnu [10]. En anden metode til at udnytte solenergi er at opbevare den som termisk energi ved brug af solfangere. En sorptionskølecyklus kan benytte den opbevarede varme som energikilde til køleproduktion. Indenfor soldrevet køling er absorptionscyklus mest anvendt. Der bruges også adsorptionskøleanlæg til soldrevet kølesystemer, men der findes kommencielt kun begrænsede størrelser, derfor er absorptionsanlæg stadig mest populær.

13 2 INTRODUKTION 11 Figur 1: En diagramoversigt over forskellige muligheder ved soldrevet køling Der er forskellige arbejdsmedier man benytter til en absorptionscyklus. Arbejdsmedierne består af et kølemiddel og et absorptionsmiddel. De mest almindelig mediepar er NH 3 -H 2 O, hvor ammoniak (R717) fungerer som et kølemiddel og vand (R718) som et absorptionsmiddel eller H 2 O-LiBr, hvor litiumbromid er absorptionsmidlet. Afkøling af kondensoren og absorberen i absorptionscyklussen kan gøres ved forskellige metoder. Man kan for eksempel bruge en tørkøler eller et køletårn. Men de fleste absorptionsanlæg benytter et køletårn. Soldrevet fjernkølingssystemer er ikke et emne der er særligt udbedt i Danmark. Men til gengæld er det meget udbedt i de lande, hvor kølebehovet er stort, og som har et højt solindfald. Der er lavet forskellige undersøgelser og design af et soldrevet absorptionskølesystem til kontorbygning, hospital og lignende. Det fleste design kan komme op på en soldækning (solar fraction) på omkring 70-80%. Der findes også kommercielt en komplet løsning til et soldrevet kølesystem til aircondition der kan dække et kølebehov op til 1,7MW (se Appendiks A).

14 2 INTRODUKTION Beskrivelse af ide/koncept Indtil nu er færdige projekter indenfor soldrevet fjernkøling i Danmark stadig ikke særlig udbredt. Men der er til gengæld mange firmaer, der har startet på forskellige projekter for soldrevet køleanlæg indenfor det sidste år, og har vist store interesser. Det er derfor interessant at undersøge muligheden af soldrevet fjernkøling til bygninger i Danmark. Figur 2: Oversigtsdiagram over projektideen. Ideen bag projektet er at opbygge en lokal soldrevet fjernkølingscentral som en udvidelse af et fjenvarmeværk uden elproduktion i Danmark, hvor overskudsvarme ikke er tilgængelig (see Figur 2). Solfangernes areal og køleanlæggets kapacitet dimensioneres efter det lokale kølebehov. Det kan være det samlede kølebehov af en kontorbygning eller flere forskellige bygninger efter den lokale interesse. Solvarmeanlægget er opkoblet til fjernvarmeværket for at kunne benytte fjernvarmevand som en "back-up"varmekilde til absorptionskøleanlægget eller omvendt benytte overskudsvarme fra solanlægget til fjernvarme om vinteren. Det kolde vand fra køleanlægget distribuerer derved ud til forbrugerne. For at kunne vurdere om denne ide for projektet har et potentiale, er der lavet en kort undersøgelse af forskellige emner, der er involveret i nedstående afsnit.

15 2 INTRODUKTION Fjernkøling i Danmark Kølebehovet i Danmark er stigende primært på grund af stigende interesse i komfortkøling og indeklima. Fjernkøling er en effektiv måde at dække over et stort kølebehov og har derfor vækket interesse indenfor køleteknikbranchen. Der findes nogle små privatejede fjernkølingsvirksomheder i Danmark. Men realisering af fjernkølingsprojekter har været beskedne på grund af manglende finasiering. Først efter forlængelse af den energipolitiske aftale i 2008 (Appendix B), hvor kommunerne for lov til at etablere og drive fjernkølingsaktiviteter, er det store fjernkølingsprojekt omkring Kongens Nytov udført. Situationen er at kommunerne ikke har budgetter nok til fjernkølingsprojekter. Det der kan være løsningen, er at opstille samme lov for fjernvarme og for fjernkøling. Derved kan man opnå en garanti til finansiering af projekterne. Grunden til fjernkølingsprojektet ved Kgs. Nytov er gennemført er fordi noget af finasieringen er fra Dong Energys salgsoverskud [11] Eksisterende fjernkølingsmetoder Fjernkøling er et bredt emne og kan opfattes på flere forskellige måder. Det traditionelle fjernkølesystem er kompressordrevet og bruger derved elektricitet som energikilde (se Figur 3a). Absorptionsanlæg kan også bruges til fjernkøling. Det kan enten udføres ved at distribuere fjernvarme ud til decentrale absorptionsanlæg til hver bygning eller have et centralt absorptionsanlæg til køleproduktion og derved distribuerer kold vand til bygningerne (Figur 3b). Figur 3: a) Det traditionelle fjernkølesystem. b) Central/decentral absorptions fjernkølesystem Frikøling er også en mulighed som et fjernkølingsanlæg. Man kan enten benytte havvand, hvis det er tilgængeligt, eller den kolde udeluft om vinteren.

16 2 INTRODUKTION Solvarme som varmekilde At benytte solvarme som energikilde til produktion af køling er en metode som stadig er relativ ny her i Danmark. Teknologien har været eksisteret i mange år, men på grund af forskellige barriere som blev nævnt tidligere, har udviklingen ikke været særlig stigende. Tanken bag projektet på Figur 2 er at benytte solvarmen til fjernkøling om sommeren og overskudsvarme fra solfangeranlægget til fjernvarme om vinteren. Men systemet indeholder mange forskellige delsystemer. For at kunne realisere denne ide er der lang vej endnu. Dette enmandsprojekt er begrænset til fem måneder og skal opfattes som en opstart af hele ideen. Nedstående afsnit vil der være en specifik beskrivelse og afgrænsning af projekts mål.

17 2 INTRODUKTION Problemformulering I dette projekt vil man have et indblik i hvordan et soldrevet absorptionskøleanlæg vil fungere under den danske vejrforhold og vurderer om sådan et anlæg kan betale sig økonomisk og i praksis. Undersøgelse af eksisterende viden og teknologi inden for solvarmeanlæg og absorptionsanlæg. Opstille en simuleringsmodel for et soldrevet absorptionskøleanlæg Analyse af nogle forskellige cases ved brug af modellen. Sammenligning af resultater og lave en grov økonomisk vurdering Formål I dette rapport skal der laves en undersøgelse af et soldrevet fjernkølingssystem til lokale bygninger i Danmark. Rapporten vil indeholder primært tre dele. 1. Udvælgelse af et delsystem fra projektideen. Design af en simplificeret model af det udvalgte system og implementering af modellen i et beregningsprogram (EES). 2. Årlig simulering af modellen og ananlyse af resultater for nogle definerede cases (kontorbygning/serverrum). 3. Sammenligning af energiforbrug og CO 2 emission i forhold til en traditionel fjernkølemetode (kompressordrevet). Modellen, der er udarbejdet i EES, skal have mulighed for at variere forskellige inputdata på et grafisk plan. Den opstillede model skal bruges til at undersøge systemets termodynamiske godhed, såsom COP og beregne energiforbruget. Derved skal modellen opstilles således, at den kan lave en årlig simulering ved brug af forskellige referencedata. Sammenligningsværdier for den traditionelle fjernkølemetode bliver simuleret ved hjælp af et beregningsprogram "Pack Calculation II". Til sidst skal der inddrages en økonomisk overvejelse af det soldrevne fjernkølingssytem.

18 2 INTRODUKTION Projektafgrænsning Projektet afgrænses til at der kun fokuseres primært på entrins litrium bromid absorptionskredsløbet. Solvarmeanlæg bliver også medtaget i beregningerne. Alt andet udenfor solvarmeanlægget og absorptionskredsløbet bliver antaget eller arbejdes ud fra referenceværdier. Beregningsmodellen opstilles som et statisk system, hvor der i et given tidsinteval optages bestemte inputværdier og derved udregnes der en konstant effekt. Til beregning af CO 2 emission og investeringsomkostninger bliver der brugt nogle estimerede værdier og gennemsnitstal fra forskellige hjemmesider Læseguide Rapporten er opdelt i kapitler, der er sammenhængende med faseforløbet beskrevet i problemformuleringen. Alle forkortelser og symboler der bliver nævnt i rapporten er forklaret i en liste forrest i rapporten. Enhederne i rapporten og i EES programmet er udtrykt i SI-enheder. Der er anvendt en referenceliste i rapporten. Alle referencer bliver indikeret med et nummer i "[ ]", hvor referenceinfo findes i referencelisten. Sidst i rapporten er der appendikser og bilag. Appendiks indeholder primært detaljeret udledninger eller datainformation og bilag indeholder alle udregninger i EES og Pack Calculation program. Der medfølger et usb stik til rapporten, som indeholder alle de eletroniske materialer og modeller for projektet. Selve installationsprogrammet til EES og Pack Calculation er også med i usb stikket (programmet må kun bruges til studie formål).

19 3 SYSTEMBESKRIVELSE 17 3 Systembeskrivelse Der udvælges et delsystem ud fra projektideen, og der skal laves et simplificeret design af det, og efterfølgende skal der opstilles en model af systemet i beregningsprogrammet EES. Der er blevet valgt af fokusere på absorptionskredsløbet og solvarmeanlægget i projektet. På Figur 4 ses en skematisk oversigt af det udvalgte delsystem, som teknisk set kan kaldes for et "soldrevet absorptionskøleanlæg". Systemet er opstillet som et konventionelt anlæg. Det består grundlæggende af solfangere, og en akkumuleringstank til solvarmeanlægget, et absorptionskøleanlæg som består af en generator, en kondensator, en fordamper, en absorber og et køletårn eller en tørkøler. Figur 4: Et simplificeret design af det delsystem som implementeres i EES. Nedstående afsnitter beskriver overordnet de forskellige komponenter der bliver betragtet i beregningsmodellen. 3.1 Solvarmeanlæg Et solvarmeanlæg består normalt af to hovedkomponenter: solfanger og akkumlatortank. Generelt er der to kategorier indenfor solfangere. Den ene er koncentrerende solfangere og den anden er plane solfangere. En typisk koncentrerende solfanger på Figur 5a har enten en parabolisk eller cylindrisk udformning. Koncentrerende solfangere arbejder normal med en temperatur over 100 o C. De er derfor nyttige for køleanlæg, men de skal bevæges efter solen og kan kun udnytte den direkte solstråling. De har derfor større krav og omkostning i forhold til plane solfangere.

20 3 SYSTEMBESKRIVELSE 18 Figur 5: a) Koncentrerende solfangere: Paraboler eller cylindriske paraboler b) Plane solfangere Plane solfangere på Figur 5b er de mest anvendte på markedet og er generelt billigere end koncentrerende solfangere. Der er to typer plane solfangere: væskesolfangere og vakuum rørsolfangere. I Danmark er væskesolfangere de mest udbredte. På Figur 6 ser man en graf over forskellige solfangeres effektivitet i forhold til arbejdstemperaturen. Her ser man, at en væskesolfanger kan komme op på 100 o C med en effektivitet på omkring 40%. En vakuum rørsolfanger har derimod en meget bedre effektivitet og kan komme op på en højere temperatur. Men omkostningen for vakuum rørsolfangere er højere end væskesolfangere. En H 2 O-LiBr absorptionskøleanlæg arbejder normalt med en varmekildestemperatur mellem o C, f.eks. fra EcoChill (se Appendiks C). En væskesolfanger kan derfor benyttes til en soldrevet absorptionskølanlæg og den er valgt at bruge til systemet for dette projekt. Figur 6: Graf over forskellige type plane solfangeres arbejdstemperatur i forhold til effektiviteten. [12]

21 3 SYSTEMBESKRIVELSE Meteorologiske forhold I praksis vil størrelsen af solindstrålingen naturligvis variere meget gennem året og også i hvilket område i verden solfangeren befinder sig i. Formålet med projektet er at undersøge soldrevet fjernkølesystem i Danmark og til rapporten er der anvendt det danske referenceår (beskrevet nærmere under afsnit 5.2.2) til analyse af det soldrevet absorptionsanlæg. Vejrdataene indeholder forskellige gennemsnitsværdier for hver time over et år. Til rapporten er der brugt følgende parametre fra DRY. Udetemperatur Luftfugtighed Tryk Solindstråling Diffusestråling Solhøjde Solens azimut I Appendiks D kan man se de forskellige grafer for det brugte vejrdatavariation over året. 3.2 Absorptionsanlæg Et absorptionskredsløb består af fem hovedkomponenter: 1. Generator (desorber) 2. Kondensator 3. Fordamper 4. Absorber 5. Opløsnings varmeveksler. På Figur 7a ses et skematisk diagram over et simpelt absorptionskredsløb. Kredsløbet kan opdeles i to dele; en kølekreds, som kan sammenlignes med en konventionel varmepumpe uden en kompressor og en opløsningskreds, som erstatter kompressorens plads.

22 3 SYSTEMBESKRIVELSE 20 Figur 7: a) Skematisk diagram over et simpelt absorptionskredsløb. b) Kombineret varmepumpe og Rankine cyklus. En anden og mere generel måde at beskrive en absorptionskredsløb kan gøres ved at opfatte det som en kombineret cyklus af en Rankine cyklus og en varmepumpe. På Figur 7b) ser man at Rankine cyklusen benytter termisk energi til at producere elektricitet, som varmepumpen benytte til at producere køling. Varmeforholdet for denne kombinerede cyklus eller for et absorptionskredsløb bliver defineret som: COP th = Q e Q g, (1) hvor Q g er effekt fra varmekilden og Q e er køleeffekten. Udledning til varmeforholdet kan ses i Appendiks E. Generel er arbejdet fra pumper og blæser meget lidt i forholdt til varmeeffekterne og bliver normal negeret. Men i modellen til rapporten er der valgt medregne arbejderne i COP th. Varmeforholdet for et single effekt absorptionskredsløb ligger i praksis omkring 0,5-0,7 og varmekildenstemperatur har en stor indfyldelse på det. En højere COP th kan opnås ved at have et multi effekt absorptionskredsløb, f.eks. et dobbelt effekt absorptionskredsløb (Figur 8). Dobbelt effekt kredsløb har en gererator og en varmeveksler mere i forhold til single effekt. Man udnytter noget af energien fra første kredsløb til at generere mere køling og derved giver et højere varmeforhold. Men et dobbelt effekt kredsløb kræver en højere varmekildetemperatur, og det medfører, at man skal vælge at bruge vakuum rørsolfanger eller koncentreret solfanger. Til rapporten er der derfor valgt at bruge en singleeffekt absorptionskredsløb til beregningsmodellen, hvor nærmere teori bliver beskrevet senere under kapitel 5. Energibalance for absorptionskredsløbet er defineret til Q e + Q g = Q c + Q a, (2)

23 3 SYSTEMBESKRIVELSE 21 hvor Q c er afkølingseffekten fra kondensatoren og Q a er fra absorberen. Til rapporten er afkølingskredsløbet til kondensatoren og absorberen valgt opstillet som en serie forbindelse, hvor kølevandet løber først igennem absorberen og derefter kondensatoren. Kølevandet kan afkøles på forskellige måder, men til rapporten er der valgt at bruge enten et køletårn eller en tørkøler. Figur 8: Dobbelt effekt absorptionskredsløb. 3.3 Forbruger Målet med hele projektideen som nævnt i introduktionen er at forsyne komfortkøling til en eller flere bygninger i et lokalt område i Danmark med et soldrevet fjernkølesystem. Målgruppen der her bliver nævnt som forbruger til dette soldrevet fjernkølesystem kan være kontorbygninger, serverrum, forretningscentre, butikker, hoteller, restauranter, hospitaler og lignende. En soldrevet fjernkølingscentral bør ejes af et forsyningsselskab ligesom fjernvarmecentral og ikke af forbrugeren. Absorptionskøleanlægget producerer koldt vand med udløbstemperatur på omkring 7 o C og returtemperatur på 13 o C [6]. Vandet bliver derved distribueret til forbrugerens klimaanlæg gennem et rørnetværk. Det er en antagelse til rapporten at der er mulighed for frikøling ved enten brug af havvand eller udeluften til produktion af koldt vand. I beregningsmodellen defineres en frikølingstemperatur, hvor absorptionskøleanlægget er deaktiveret, når udetemperaturen er mindre end frikølingstemperaturen. Nærmere energiberegning af frikølingsprocessen er ikke medtaget i beregningsmodellen.

24 4 VALG AF SYSTEMPARAMETRE 22 4 Valg af systemparametre Undersøgelse af dette soldrevne fjernkølesytem kan udgøre mange forskellige systemparametre og have mange mulige løsninger. Derfor tager man stilling til hvilke parametre, der skal tages i betragtning før opstilling af beregningsmodellen. Figur 9 viser de forskellige input- og outputparametre, der er valgt at undersøge i modellen. Figur 9: Diagramoversigt over input- og outputparametre i beregningsmodellen. Parametrene er valgt på grundlaget af, at man ud fra en analyse af modellen kunne give en førstehånds vurdering af investeringsmuligheden af dette soldrevet fjernkølesystem i Danmark. De varierende data er årsprofiler af vejrdata og kølebehovet, som er fastlagt ud fra en defineret case. De definerede værdier er inputparametre der kan ændres i beregningsprogrammet. Man kan derved få mange løsningsmuligheder og et overblik over indflydelserne på hver enkelte parameter. Ved selve absorptionskredsløbet vil der også være forskellige delparametre man kan variere på. Det er udløb- og returtemperatur for det kolde vand pinch temperaturforskellen over komponenterne virkningsgraden for opløsningsvarmeveksleren massestrøm for opløsingspumpen. Programmets output er systemets effektivitet og energiforbruget. Resultaterne bliver derved sammenlignet med resultater fra et traditionelt kompressordrevet køleanlæg for samme case.

25 5 DEN TEORETISKE MODEL 23 5 Den teoretiske model Der er valgt at sætte mest fokus på absorptionsanlæg i projektet. Derfor er absorptionsanlæg implementeret først i EES og er beskrevet i nedstående afsnit. EES er et kommercielt beregningsværktøj, som kan løse algebraiske, numerisk og differentielle ligninger. Samtidig har EES også en lang række forprogrammerede termodynamiske tilstandsfunktioner af forskellige væsker og gasser. Alternativt kan man benytte værktøjet DNA, som er udviklet af Institut for Mekanisk Teknologi. Men i modsætning til EES har DNA en række almene komponenter fra energisystemer der bliver beregnet som et kontrolvolumen. For at kunne implementere nye komponenter, kræves at brugeren har kendskab til programmeringssproget FORTRAN. For at kunne simulere et absorptionskredsløb i EES, skal komponenterne opbygges fra bunden. Men EES har derimod et meget brugervenligt interface og forskellige grafiske værktøjer til at opdele og fremvise resultaterne på. Der er valgt at kun benytte EES til dette projekt. 5.1 Ettrins absorptionsanlæg Som tidligere nævnt i systembeskrivelsen indeholder et basis ettrins absorptionskredsløb fem hovedkomponenter; generator, absorber, opløsningsvarmeveksler, kondensator og fordamper. Selve kredsløbet er opdelt i en kølekreds og en "opløsningskreds" som erstatter kompressoren i sammenligning med et omvendt Rankine kredsløb. Figur 10 illustrerer absorptionskredsløbet som bliver simuleret i EES. I figuren ser man også en skematisk tryk og temperatur skala for absorptionsprocessen med de tilsvarende tilstandsnumre og trykniveauer. Figur 10: Diagram over ettrins absorptionsanlæg.

26 5 DEN TEORETISKE MODEL 24 Der er to trykniveauer i absorptionskredsløbet, et lav tryk P L og et højt tryk P H. Trykkene bliver beregnet i EES sålede: P high = P ressure(w ater; T = T [3]; x = Q[3]), P low = P ressure(w ater; T = T [1]; x = Q[1]), hvor T [3] er kondenstemperaturen og T [1] er fordampingstemperaturen. Der er to koncentrationsniveauer for LiBr i opløsningskredsløbet x[8] og x[5], som er beregnet i EES således: x[8] = X LIBR ( SI ; T [8]; P high ), x[5] = X LIBR ( SI ; T [5]; P low ). LiBr koncentrationen i kølekredsen er antaget til at være nul (x[2] = 0). Der er tre forskellige massestrømme i absorptionkredsløbet. Massestrømmen ṁ[5] ved den svage opløsning er en parameter i modellen, som man fastsætter. De to andre massestrømme bliver beregnet ved hjælp af massebalancer, som bliver beskrevet senere. Men generelt er der antaget i modellen følgende: ṁ[5] = ṁ[6] = ṁ[7] ṁ[1] = ṁ[2] = ṁ[3] = ṁ[4] ṁ[8] = ṁ[9] = ṁ[10] = ṁ[4] Procesbeskrivelse Tilstandsnumrene er valgt efter som placering af en omvendt Rakine proces, hvor tilstande 1-4 er kun i kølekredsen. Tilstande 5-10 er i "opløsningskredsen", som erstattede kompressoren i en omvendt Rakine proces. Der er i alt 9 delprocesser i selve absorptionskredsløbet med følgende procesbeskrivelser.

27 5 DEN TEORETISKE MODEL 25 Proces 1-5: Proces 5-6: Proces 6-7: Proces 7-2: Proces 2-3: Proces 3-4: Proces 4-1: Proces 8-9: Proces 9-10: Det fordampede kølemiddel fra fordamperen bliver absorberet i absorberen og blandes med absorptionsmidlet under lav tryk P L. En opløsning (mættet væske) af kølemiddel og absorptionsmiddel bliver dannet. Processen vil frigive en varmeeffekt Q a. Den mættede væske af opløsningen tryksættes af en pumpe fra P L til P H. Her skal der tilføres et mekanisk arbejde til pumpen Ẇ. Den specifikke volume af opløsningen er væsenlig mindre i forhold til kølemidlet fra en mekanisk varmepumpe. For at kunne tilføre den samme mængde varme tilsvarende til en normal varmepumpe, vil det derfor kræve en betydelig mindre energi. Opløsningen bliver foropvarmet gennem opløsningsvarmeveksleren. Opløsningen bliver separeret i generatoren. Der tilføres en varmeeffekt Q g ved høj temperatur til opløsningen. Kølemidlet i opløsningen bliver desorberet og i gasfase ledes til kølekredsen. Kølemidlet under høj tryk og temperatur kondenseres og afgiver en varmeeffekt Q c. Den mættede væske af kølemidlet bliver her ekspanderet gennem en ekspansionsventil ligesom en varmepumpe. Trykket falder fra høj tryk P H til lav tryk P L. Kølemiddlet under lav tryk og med lav temperatur optager en varmeeffekt Q e og fordamper helt til gasfase. Det opvarmede opløsningsmiddel med mindre kølemiddel koncentration ledes tilbage til opløsningsvarmeveksleren og afgiver varme. Opløsningen ledes igennem en ekspansionsventil, hvor trykker falder fra P H til P L Arbejdsmedier Der stilles et større krav til valg af arbejdsmedier til absorptionsanlæg i forhold til en varmepumpe. Et absorptionsanlæg anvender et kølemiddel og samtidig et absorptionsmiddel. Som tidligere nævnt er medieparret H 2 O-LiBr valgt til absorptionsanlægget, der bliver modelleret i rapporten, fordi det er mest anvendt indenfor soldrevet komfortkøling. Der er i realiteten kun to mediepar som bliver anvendt til kommercielle absorptionsanlæg; NH 3 -H 2 O og H 2 O-LiBr. I Appendiks

28 5 DEN TEORETISKE MODEL 26 F kan man se en tabeloversigt over de forskellige anvendlige arbejdsmediepar til absorptionsanlæg. Vand (R718) som kølemiddel har et relativt højt frysepunkt på 0 o C. Derfor er der begræsninger ved brug af anlægget. Vand har også et lavt mætningstryk og en høj fordampningsvarme. Der kræves i praksis store rørlægninger i anlægget til transport af dampen fra fordamperen til absorberen og fra gereratoren til kondensatoren, når dampens specifikke volume er meget stor. I praksis er designet af et absorptionsanlæg lavet på en kompakt måde bland andet for at undgå rørlægnings problem. I rapporten vil der ikke være mere specifik beskrivelse af designet, men i Appendiks G kan man se et typisk design af et H 2 O-LiBr absorptionsanlæg. Til rapporten er absorptionsanlægs kredsløb og processer taget i betragtning under beregningern. Ved brug af medieparret H 2 O-LiBr har man de fordele at kunne undvære en rektifikationsenhed mellem generatoren og kondensatoren i forhold til medieparret NH 3 -H 2 O. Lithium bromide som absorptionsmiddel er desuden meget miljøvenlig i forhold til ammoniak Beregningsmodel Den opstillede beregningsmodel af absorptionsanlægget i EES vil i dette afsnit blive beskrevet. Nærmere bekrivelse af selve kodning i EES bliver ikke nævnt i rapporten, da det er en antagelse at det ikke er relevant for læseren. EES filen for kun absorptionsanlægget bliver kaldt for "H2O-LiBr_absorption.ees"som lægger under mappen "beregningsmodel" fra den udleverede usb stik. Figur 11 viser absorptionsanlægget fra EES modellen. Et udskrift af EES koder er lagt i Bilag 1. Alle tilstandsnumre og betegnelser brugt i EES vil være ens med bekrivelserne i rapporten.

29 5 DEN TEORETISKE MODEL 27 Figur 11: Ettrins absorptionsanlæg fra EES modellen. Beregningsmodellen behandler kun termodynamiske udregninger baseret på masseog energibalance. Selve designet og dimensionering af nødvendige overflader til varmetransmision vil ikke blive betragtet i rapporten. Alle varme overførelser mellem komponenterne er beskrevet ved pinch temperaturforskelle. Absorber Absorberen er en slags reservoir (see Figur 12), hvor stærk LiBr opløsning fra tilstand 10 absorberer vanddamp fra fordamperen (tilstand 1). Varmefrigivelsen Q a fra denne proces bliver transporteret af afkølingskredsløb (tilstand 51 og 52). Produktet af processen er en svag LiBr opløsning i væskeform i tilstand 5. Den svage LiBr opløsning antages at være mættet væske, hvor kvaliteten q[5] = 0. Figur 12: Absorber

30 5 DEN TEORETISKE MODEL 28 Det er en antagelse, at trykket er det samme gennem absorberen, dvs. ingen tryktab. Hvis man betragter absorberen som et kontrolvolumen, hvor processen er stationær og man negligerer potentiel energi, kan man opstille energibalancen således: Q a = ṁ[1] h[1] + ṁ[10] h[10] ṁ[5] h[5], (3) hvor m er massestrøm og h er enthalpi for tilsvarende tilstandsnumre. Den totale massebalance for absorberen: Masse- og koncentrationbalance for lithium bromide: ṁ[5] = ṁ[1] + ṁ[10]. (4) ṁ[5] x[5] = ṁ[1] x[1] + ṁ[10] x[10]. (5) Den eksterne varmeveksler i absorberen beregnes som en simplificeret model, hvor kun varmeeffekt og temperatur er taget i betragting. Temperaturen af den svage LiBr opløsning T [5] er bestemt ud fra en pinchtemperatur og temperaturen af kølevand T [51] ved ligningen, T [5] = T [51] + T min,a, (6) hvor T min,a er pinchtemperaturen som er en input i EES modellen. Opløsningsvarmevelsker Både massestrøm og størrelse af en varmeveksler har en stor betydning på varmeoverførelsen. Til rapporten bliver der lavet en simplificeret model af varmeveksleren. Selve opløsningsvarmeveksleren bliver i modellen betragtet som en modstrøms intern varmeveksler. Den opstillede massebalance for varmeveksleren er Q SHEX = ṁ[5] (h[7] h[6]) = ṁ[8] (h[8] h[9]) (7) og effektiviteten η SHEX er defineret som: Generator η SHEX = (T [8] T [9]) (T [8] T [6]). (8) Generator bliver også kaldt for desorber. Grunden til at den bliver kaldt for generator er at den "genererer" varme til opløsningen. Men samtidig "separerer" den også

31 5 DEN TEORETISKE MODEL 29 opløsningen i modsætning til absorberen. Model opstilling af generatoren ligner meget absorberen. Men her er der et input (tilstand 7) og to output (tilstand 2 og 8). Tilstand 7 er den svag og mættet LiBr opløsning som er foropvarmet gennem opløsningsvarmeveksleren. Den bliver blandet med opløsningen i generatoren som bliver opvarmet af varmevandskredsløbet (tilstand 71 og 72) med en varmeeffekt Q g. Figur 13: Generator På grund af opvarmningen, vil kølemidlet (vand) i opløsningen dampe af og ledes videre til kondensatoren i tilstand 2. Temperaturen af vanddampen og opløsningen kan tilnærmelsesvis antages til at være det samme (T [2] = T [8]). Det er antaget, at den stærke LiBr opløsning i tilstand 8 er mættet væske (q[8]=0). Energibalance for generatoren: og den totale massebalance er Q g = ṁ[8] h[8] + ṁ[2] h[2] ṁ[7] h[7], (9) Masse- og koncentrationbalance for LiBr: ṁ[7] = ṁ[2] + ṁ[8]. (10) ṁ[7] x[7] = ṁ[2] x[2] + ṁ[8] x[8]. (11) Varmeveksleren i generator er ligesom absorberen opstillet ved en pinchtemperatur. Temperaturen af den opvarmede stærke LiBr opløsning T [8] er bestemt ud fra ligningen: T [8] = T [71] T min,g, (12) hvor T min,g er pinchtemperaturen som er en input i EES modellen.

32 5 DEN TEORETISKE MODEL 30 Enthalpier i tilstande 5 og 8 kan betemmes ud fra en ekstern tilstandsfunktion for LiBr-H 2 O, der er baseret ud beregninger fra "1989 ASHRAE Handbook of Fundamentals af S.A. Klein". Den eksterne tilstandsfunktion gælder kun for mættet væske. Derfor må enthalpier for opløsningen i tilstande 6, 7 og 9 beregnes ud fra ligevægtsligningerne: h[6] h[5] = cp LiBrH2O (T [6] T [5]), (13) h[7] h[6] = cp LiBrH2O (T [7] T [6]), (14) h[9] h[8] = cp LiBrH2O (T [9] T [8]). (15) Varmekapaciteterne kan bestemmes ud fra EES tilstandsfunktion "Cp_LiBrH2O", som afhænger af temperaturen og sammensætning af LiBr-H2O. Kondensator Der er antaget at vanddampen i tilstand 2 fra generatoren bliver kondenseret helt til mættet væske gennem kondensatoren i tilstand 3, dvs. kvaliteten q[3] = 0. Det høje tryk i absorptionskredsløbet bliver her fundet ud fra den interne tilstandsfunktion for vand i EES ved at kende T [3] og q[3]. Varmeeffekten gennem kondensatoren er defineret som Q c = ṁ[2] (h[2] h[3]). (16) Kondensatoren bliver også betragtet som en simpel varmeveksler hvor man ved pinchtemperaturen T min,c og temperaturen af kølevandet efter absorberen T [54] bestemmer kondensationstemperaturen T [3] ved ligningen: Fordamper Varmeeffekten gennem fordamperen er defineret som T [3] = T [54] + T min,c. (17) Q e = ṁ[4] (h[1] h[4]). (18) Det lave tryk i absorptionskredsløbet bliver også fundet ud fra den interne tilstandsfunktion for vand i EES ved at kende fordampningstemperatur T [1] og kvalitet q[1]. Fordamperen er opstillet ligesom kondensatoren, hvor fordampningstemperaturen T [1] bestemmes ved ligningen:

33 5 DEN TEORETISKE MODEL 31 Pumpe og ekspansionsventil T [1] = T [12] + T min,e. (19) Processen over ventilerne antages at være adiabatiske og at enthalpierne er kostante, dvs. h[3] = h[4] og h[9] = h[10]. Ved antagelse om inkompressibelitet og en adiabatisk pumpe kan man definere ligevægtsligningen således: og den mekaniske arbejde for pumpen: h[6] h[5] = v[5] (P [6] P [5]), (20) Afkølingsmetode Ẇ = ṁ[5] (h[6] h[5]). (21) I EES modellen er der valgt, at man enten kan vælge at benytte en tørkøler eller et køletårn til afkølingskredsløbet (tilstand 51-54). Målet med valgmuligheden er at kunne give et indblik i indflydelserne for forskellige afkølingsmetoder til absorptionsanlægget med hensyn til energiforbruget. Både tørkøleren og køletårnet betragtes som nogle simple varmevekslere hvor temperaturerne beregnes ved hjælp af nogle temperaturforskelle, der kan defineres som en input i EES modellen. I praksis vil man benytte glycol som kølemedie for at udgå frysning, men i EES modellen bliver enthalpierne beregnet ud fra tilstandsfunktion for vand. Figur 14: Tørkøler

34 5 DEN TEORETISKE MODEL 32 Når man vælger "tørkøler"som input i EES modellen, vil kølevandets temperaturer blive bestemt ud fra følgende ligninger: T am,ud = T am + T luft, T [51] = T am,ud + T HEX, T [52] = T [51] + T abs, T [54] = T [52] + T con. Pumpeeffekten bliver beregnet ud fra ligningen: hvor massestrømmen ṁ[54] = Blæsereffekten: Ẇ pumpe,con = ṁ[54] v[54] P pump,con η pump,con, (22) Q c+ Q a h[54] h[51]. hvor massestrømmen og v[54] og v luft er specifik volume. Ẇ blaeser = ṁluft v luft P blaeser η blaeser, (23) ṁ luft = Q c+ Q a h am,ud h am Figur 15: Kølertårn

35 5 DEN TEORETISKE MODEL 33 Hvis man derimod vælger "køletårn"som input i modellen, er afkølingstemperatur T [51] bestemt således: T [51] = T wb + T vand, hvor T wb er den våde temperatur af udeluften. Primær forskel mellem tørkøler og køletårn er at køletårn afhænger også af luftfugtigheden af udeluften. T vand er temperaturforskellen mellem kølevand og den våde temperatur. Pumpe- og blæsereffekten bliver beregnet på samme måde som i tørkøler, men luftens massestrøm gennem blæseren i køletårnet er beregnet ud fra ligning 24 som er fra et simpelt design af et køletårn fra [1](s.376). ṁ luft = ṁ[54] h[51] ṁ[54] h[54] (cp luft (T am T am,ud ) + (w 1 h v1 w 2 h v2 )) + (w 2 w 1 ) h[51], (24) hvor h v1 og h v2 er udeluftens indløbs og udløbs enthalpier af vanddampen, mens w 1 og w 2 er udeluftens indløbs og udløbs specifikke luftfugtighed. I EES modellen er disse værdier sat til at være nogle konstanter ude fra eksemplet i [1](s.377) Verificering af absorptionsanlægget fra EES modellen Det har ikke være mulig at finde et andet program med en model af et absorptionsanlæg som kan bruges til at validere beregningsresultaterne fra EES modellen. Men det er mulig at finde videnskablig artikler og litteratur om absorptionanlæg, hvor man kan prøve at sammenligne diverse grafer. Nedståedne er en liste over de inputværdier, der er valgt som reference til EES modellen. T [71] = 90 o C T am = 15 o C T min,e = 3 o C T luft = 5 o C T [11] = 13 o C φ am = 0, 80 T min,c = 3 o C T con = 3 o C T [12] = 7 o C P am = 101, 35kP a T min,g = 3 o C T abs = 3 o C ṁ[5] = 0, 2kg/s type = køletårn T min,a = 3 o C T HEX = 3 o C η SHEX = 0, 85 T tank = 10 o C T vand = 10 o C Pinch temperaturerne og varmeveksleren effektvitet er antaget ud fra hvad man normalt skønner. Koldtvandsindløb- og udløbtemperatur T [11] og T [12] er valgt ud fra hvad man normalt benytter i et fjernkølingsnetværk. Når man kører EES modellen med referenceinput og kun varierer på opløsningsvarmeveksleren effektivitet, får man en graf som på Figur 16.

36 5 DEN TEORETISKE MODEL 34 Figur 16: Grafer af absorptionsanlæggets varmeforhold COP th som funktion af opløsningsvarmevekslerens effektivitet η SHEX a) for køletårn og b) for tørkøler. Her ser man at COP th stiger generelt med stigende effektivitet. Når effektiviteten er lav, betyder det at der overføres mindre varme fra den opvarmede opløsning til den afkølede opløsning. Opløsningens massestrøm, varmekilde- og afkølingstemperartur er fastholdt som en konstant. For at der skal være ligevægt bliver varmeeffekten Q g større. Da køleeffekten Q e er konstant, fordi koldvandstemperatur er fastholdt, bliver COP th lavere. I Appendiks H ser man også en graf af COP som funktion af opløsningsvarmevekslerens effektivitet fra en litteratur som omhandler absorptionsanlæg [2], som har lavet et eksempel med et ettrins LiBr absorptionsanlæg. I eksemplet er varmevekslerne i fordamperen, kondensatoren, absorberen og generatoren ikke medregnet. Derfor er der fastsat en temperatur for den svage opløsning fra absorberen til 33 o C. Det svarer til en udetemperatur T am på omkring 25 o C i EES modellen. Når man sammenligner grafen fra eksemplet og fra EES modellen, ligner de meget hinanden. Varmeforholdet er generel lidt lavere fra EES modellen, men det er fordi pumpeeffekt og blæsereffekt er medregnet i COP th. Grafen i Figur 17 viser indflydelsen af udetemperaturen over varmeforholdet. Når udetemperaturen stiger og pinchtemperaturforskellene er fastholdt, stiger afkølingstemperaturen T [51] proportionalt og det medfører at koncentrationsforholdet mellem den svage og stærke LiBr opløsning bliver meget lille. Mens opløsningens massestrøm er fastholdt, vil massestrømmen i kølekredsen blive meget mindre ud fra massebalancen i generatoren. Temperaturen i fordampen er en konstant, derfor vil køleeffekten falde. Selvom varmeeffekten i generatoren også falder med stigende udetemperatur, er det ikke nær så meget som køleeffekten, fordi koncentrationen for den stærke opløsning falder mindre under højere temperatur og tryk i forhold til den svage opløsning. Det vil medføre den faldende COP th på grafen.

37 5 DEN TEORETISKE MODEL 35 Figur 17: Varmeforhold COP th og køleeffektq e som funktion af udetemperatur T am. I Appendiks H kan man se en tilsvarende graf som på Figur 17, der er fra samme litteratur som tidligere nævnt, men for et andet eksempel hvor de eksterne varmeveksler i absorptionsanlægget er medregnet. I eksemplet er der brugt et meget lavere opløsningsmassetrøm på 0,05, men med samme varmekildes- og koldvandstemperatur i forhold til grafen lavet i EES modellen. Grafen i appendiksen viser også at varmeforholdet COP og køleeffekten falder med stigende afkølingstemperatur. Det er interessant at undersøge indflydelsen af varmekildestemperatur T [71] over for absorptionsanlæggets COP th. EES modellen for absorptionsanlægget er kørt for forskellige T [71], hvor alt andet input er sat til refenencen. Figur 18: Varmeforhold COP th og varmeeffekter som funktion af varmekildestemperatur T [71] (køletårn).

38 5 DEN TEORETISKE MODEL 36 Figur 18 viser to grafer med varmeforholdet og varmeeffekterne som funktion af varmekildestemperaturen hvor begge er kørt med et køletårn i modellen, men a) med en lav udetemperatur og b) med en høj udetemperatur. Her kan man tydeligt se, at varmekildetemperaturen har en relativ stor indflydelse på varmeeffekterne mens varmeforholdet forholder sig nogenlunde konstant. Der er en nedre grænse for varmekildestemperaturen, hvor absorptionsanlægget ikke vil kunne fungere fysisk. Når varmekildestemperaturen er alt for lav, vil der ikke blive tilført nok varme og samtidig ikke nok køleeffekt. Ud fra graferne ser det ud til at varmeforholdet har en tendens til at falde meget lidt når T [71]. Når varmekildestemperaturen hæves, bliver koncentrationen for den stærke opløsning x[8] forøget. Ud fra masse- og koncentrationbalancerne Ligning 10 og 15, hvor massestrømmen og koncentrationen for den svage opløsning ṁ[7] og x[7] er en konstant, vil massestrømmen for den stærke opløsning ṁ[8] være formindsket og den svage opløsning ṁ[2] være forhøjet. Det vil sige at der bliver fordampet mere vand til kølekredsen og ud fra Ligning 18 vil fordampningseffekten stige når koldvandstemperatur er en konstant. Samtidlig vil generatoreffekten også blive forhøjet med stigende varmekildestemperaturen, men ud fra energibalancen Ligning 9 er generatoreffekten også afhængig af enthalpierne både for den svage og den stærke opløsning, som også stiger ved højere temperatur. Derfor stiger generatoreffekten lidt mere i forhold til fordampningseffekten og det medfører dette lille fald af COP th. Denne tendens med at COP th falder lidt når varmekildestemperaturen hæves til uendelig kan også ses på en tilsvarende graf lavet fra det samme eksempel fra litteraturen i Appendiks H. Der kan man også tydelig se et lille fald af varmeforholdet ved højere varmekildestemperaturen. Grafen fra eksemplet er lavet med en afkølingstemperatur på 25 o C som svarer til en udetemperatur på omkring 20 o C for EES modellen. Men ved sammenligning af grafen fra eksemplet og EES modellen passer det meget godt med at varmeeffekterne stiger og varmeforhold falder lidt ved højere varmekildestemperatur. Ud fra Figur 18 kan man samtidig også se indflydelsen af udetemperaturen. For at undersøge det lidt nærmere er der lavet nogle grafer i Figur 19, som kun viser varmeforholdet som funktion af varmekildetemperaturen for forskellige udetemperaturer og graferne er kørt i EES modellen for både et køletårn og et tørkøler. Her kan man se, at varmeforholdet falder generelt ved højere udetemperatur som passer meget godt i overenstemmelse med Figur 17. Man kan samtidlig se at COP th er generel højere for køletårnet, da den kræver mindre forbrug i forhold til tørkøleren. Til gengæld kræver et kølertårn vand tilførsel og ekstra behandling af vandet.

39 5 DEN TEORETISKE MODEL 37 Figur 19: Varmeforhold COP th som funktion af varmekildestemperatur T [71] for forskellige udetemperatur T am både for køletårn eller tørkøler. Tilsvarende grafer som i Figur 19 er også lavet for et ettrins H 2 O-LiBr absorptionsanlæg i en videnskabelig artikel [7], hvor et direkte og inddirekte design af et ettrins absorptionsanlæg er modelleret og undersøgt. Graferne kan ses i Appendiks H og de viser også et lille fald af varmeholdet ved stigende varmekildestemperatur og generel fald af varmeholdet ved højere udetemperatur. 5.2 Den årlige simulering Nu hvor implementering af absorptionsanlægget i EES er færdig, skal modellen udvides ved at implementere solanlægget og derved til en slags kvasistatisk model. Det vil sige, at modellen skal kunne ud fra et serie af vejr- og kølebelastningsinput udregne et serie af stationær tilstande for køleanlægget. For at kunne gøre det, bliver der tilføjet forskellige kontrolfunktion i EES modellen ved hjælp af "IF"og "ELSE"funktioner. Nærmere beskrivelse af EES koder opbygning vil ikke blive nævnt i rapporten. I Figur 20 ser man et oversigtsdiagram af proceduren af EES modellens opbygning.

40 5 DEN TEORETISKE MODEL 38 Figur 20: Et oversigtsdiagram over opbygningsproceduren af den årlige simuleringsmodel. EES modellen for den årlige simulering findes i usb stikket under mappen "EES model". Modellen indeholder en hoved fil som hedder "simulering"og to individuelle EES filer "solindfald"og "kølebehov"under mappen "link_filer". En udskrift af EES koder fra den årlige simuleringsmodel kan ses i Bilag 2, og der er forklaringer til ligningerne Antagelser Det er en antagelse, at der er mulighed for frikøling til kølesystemet når udetemperaruten T am T fri, som er en paramenter man kan bestemme i EES modellen. Frikøling kan enten gøres ved udnyttelse af sø-/havvand eller udeluften i vinterperioden. I EES modellen er der ikke lavet nærmere designmæssig eller energiberegning af selve frikølingsprocessen. Det er også en antagelse at absorptionsanlægget enter arbejder under nul eller fuld belastning. Det vil sige, at der er en slags "tændt/sluk"kontrol, hvor tænding og slukning afhænger af funktioner, blandt andet hvornår T am T fri og hvornår kølebelastningen Q load = 0. Hvis varmeenergi fra lageret Q tank = 0, er det en antagelse at der er mulighed for at benytte varme fra fjernvarmen som en backupenergi. Der er kun foretaget beregning af den samlede backup energiforbrug Q backup i modellen og ikke nærmere beregning af selve fjernvarmeprocessen. Hvis varmelageret i stedet er for fyldt, antager man at den overskyldende varme fra solfangerne kan bruges til fjernvarme i stedet for. Der

41 5 DEN TEORETISKE MODEL 39 er også kun lavet udregning af den samlede overskyldende energi Q overskud og der er ikke foretaget videre beregninger af fjernvarmedelen Solindfald Under systembeskrivelsen er der nævnt at plane solfangere er valgt til rapporten. For at kunne finde ud af hvor meget varmeenergi fra solen man kan benytte til absorptionsanlægget, skal man først bestemme solindfaldet over et hældende flade på jordens overflade. Formålet med rapporten er at undersøge soldrevet fjernkøling i Danmark og det danske udeklima er derfor brugt til analysen. Til rapporten er der brugt data fra den danske reference år udleveret fra Rambøll, som på engelske hedder "Design Reference Year (DRY)". Selve filen med DRY data findes i usb stikket under mappen "appendiks". DRY data bliver som regel brugt til at lave klimaberegninger til bygninger. Til beregning af solindfaldet er der brugt algoritmer fra DANVAK Grundbogen [3]. Der er generelt tre forskellige strålinger en hældende plansolfanger optager. Den direkte solstråling I s,α : Kommer direkte fra solen. Den diffuse himmelstråling I d,α : Soltråling som bliver fordelt af luftmolekyler og skyer. Den reflekteret stråling I r,α : Reflekteret strålinger fra terræn eller andre overflader. Figur 21: Oversigt over diverse parametre til beregning af solindfald. (Modifiseret figur fra DANVAK Grundbog)

42 5 DEN TEORETISKE MODEL 40 Det samlede solindfald bliver I tot = I s,α + I d,α + I r,α, (25) hvor alle tre strålinger er afhængig af solens indfladsvinkel β som beregnes ved hjælp af denne ligning: cos(beta) = cos(az s (az f 180)) cos(h s ) sin(α) + sin(h s ) cos(α), (26) hvor az f og az s er forholdsvis fladeazimut og solazimut, α er fladens hældning og h s er solhøjden. Den direkte solstråling kan bereges ud denne ligning: I s,α = I 0 cos(β), hvis β > 0 I s,α = 0, hvis β 0, hvor I 0 er det direkte solinfald ved vinkelret indstråling aflæst fra DRY data. For at beregne den diffuse himmelstråling på en meget nøjagtig måde vil det kræve nogle detaljerede formler. Men man kan anvende en empirisk formel: hvor I d,α = I dl (1 cos(α)) + I dv cos(α), (27) I dl = I dv (0, , 437 cos(β) + 0, 313 cos(β) 2 ), hvis β > 0, 2 I dl = I dv 0, 45, hvis β 0, 2, hvor I dv er den diffuse stråling på vandret aflæst fra DRY data. Den reflekterende stråling beregnes ved ligningen: I r,α = I g ρ r (1 cos(α)) 0, 5, (28) hvor ρ r er reflektionsfaktor som er sat til 0,25 om foråret/sommer og 0,7 om efterår/vinter. Selve beregning af solindfaldet er lavet i EES filen "solindfald"som er linket til hovedfilen. Man kan i modellen ændre på fladens azimut og hældning under diagram vinduet.

43 5 DEN TEORETISKE MODEL Solfangers effektivitet Der vil være varmetab i en solfanger. For at beregne den brugbare varmeeffekt Q u fra solfangeren kan man benytte ligningen [4]: Q u = A sol η sol I tot, (29) hvor A sol er det samlede overfladeareal af solfangerne og η sol er solfangerens effektivitet som kan beregnes ved brug af følgende formel. η sol = η 0 a1 (T sol,in T am,dry )) G a2 (T sol,in T am,dry ) 2 G (30) hvor η 0 er den maksimale solfangereffektivitet, G er den gennemsnitlig solindstråling, a1 og a2 er koefficienter som afhænger af solfangerens model fra fabrikanten. Der er valgt at benytte fladesolfanger fra tre forskellige fabrikanter. Datablad for solfangerne kan ses i Appendiks I. Nedstående liste viser diverse konstanter der er brugt til at udregne solfangereffektivitet i EES modellen. Arcon Sunmark Sonnenkraft η 0 [-] 0,85 0,841 0,795 G [W/m 2 ] a1 [W/m 2 /K] 2,40 3,016 3,630 a2 [W/m 2 /K 2 ] 0,010 0,014 0, Varmelager beregning Den brugbare varmeenergi udregnet fra solfangereffektivitetsligning bliver lageret i varmelageret, som antages til at være en akkumuleringstank. Der er valgt at have to ens tanke i modellen for at undgå for stor tank. Tankenes kapacitet er dimensioneret ud fra at definere en dimensionsfaktor f d, som afspejler antal gange af den maksimale daglig kølebehov Q load,max tankerne kan rumme. Tankenes kapacitet bliver beregnet således: Q tank = f d Q load,max 1, 2, (31) hvor 1,2 er sikkerhedsfaktor man normal bruger til dimensionering af lager. Den samlede vandmasse i tanken er

44 5 DEN TEORETISKE MODEL 42 Q tank 3600 = m w cp w (T sol,in T sol,ud ), (32) hvor T sol,in og T sol,ud er indløbs og udløbs temperatur fra solfangerne og 3600 er til at konvertere kwh til kj. Derefter regnes tankenes volumen ud fra tankenes højde og radius er 2 V tank = mw ρ w, h t ank = V tank /(P i r 2 tank ) r tank = h tank /4 og tankenes overfladsareal er A tank = 2 π r tank h tank + 2 π r 2 tank. Dermed kan varmetabet beregnes ved ligningen: Q tab = (U A tank (T sol,ud T am )/1000) 2, (33) hvor varmetransmissionskoefficient U er sat til 0,15W/m 2 K. Figur 22: Oversigtsdiagram over de to ens akkumuleringstanke.

45 6 CASE BESKRIVELSE 43 6 Case beskrivelse Den opstillede model af soldrevet absorptionskøleanlæg i EES skal nu bruges til analyse af forskellige alternative cases. Der er valgt at undersøge tre cases, som vil blive beskrevet her. Casene beskriver nogle forskellige køleprofiler, som bliver brugt til at simulere køleanlægsmodellen i EES. Derefter bliver køleprofilerne også brugt til at simulere et tranditionelt kompressordrevet køleanlæg. Resultaterne bliver derved sammenlignet. 6.1 Case 1: Rådhus Som regel er forbrugerne til et fjernkølingssystem nogle store firma- eller kommunebygninger, der har et relativt stort kølebehov. Komfortkøling til et almindeligt arbejdsforhold kunne f.eks. afspejles af en kontorbygning, hvor kølebehovet stiger fra starten af en normal arbejdstid og derved aftager ved slutning af arbejdstiden. Sådan et varierende kølebehov, som afspejler et ganske normalt arbejdsforhold i Danmark, kan ses ud fra en køleprofil for et rådhus. Figur 23: Køleprofil for et rådhus og en profil af solindfaldet i procenter for antal dage gennem året. Figur 23 viser en køleprofil for et normalt rådhus med et samlet køleareal på omkring 5000m 2. Profilen er vist i procenter i forhold til det maksimale dalige køleforbrug på 6254kW h/dag. Det maksimale kølebehov er 650kW. Selve køleprofilen er udarbejdet af Tarek Kim El Barky fra Rambøll og er simuleret ud fra bygningsværktøjet BSim.

46 6 CASE BESKRIVELSE 44 Figuren viser samtidig en profil af solindfaldet også i procenter i forhold til det daglige maksimale solindfald på 8,7kW h/m 2. Profilen af solindfald er udregnet fra EES model, som er beskrevet i afsnit 5.2.2, og profilen gælder for en solfangerazimut på 0 grader og hældning på 45 grader. Ud fra figuren kan man se variationsforholdet mellem et rådhuskøleprofil og solindfaldet. Det viser at solindfaldet passer meget godt med variationen af kølebehovet. 6.2 Case 2: Serverrum En anden case som er interessant at undersøge er en konstant køleprofil, såsom et serverrum, hvor der vil være en næste konstant kølebehov gennem året. Figur 24: Køleprofil for et serverrum og en profil af solindfaldet i procenter for antal dage gennem året. Figur 24 viser en køleprofil for et serverrum, hvor man antager, at kølebehovet er konstant hele året. Et typisk stort serverrum har et gennemsnitligt dagligt kølebehov på omkring 8400kW h/dag. Det maksimale kølebehov er 350kW. Det svarer til et serverrum, der kan rumme op til omkring 1000 individuelle standardservermaskiner, der hver udsender ca. 350W varme. Graferne i figuren er vist i procenter ligesom i Figur 23. Her ser man, at der vil være en lang periode hvor solindfaldet ikke er tilstrækkelig til at dække kølebehovet. Men det er også typisk, at et serverrum benytter frikøling lang største del af året.

47 6 CASE BESKRIVELSE Case 3: Kombination af rådhus og serverrum Den sidste case er en kombination af et rådhus og et serverrums kølebehov. Der kan normal være op til flere forbruger til en fjernkølingscentral. Derfor er det også interessant at se energiforbruget med flere forbrugere. Figur 25: Køleprofil for en kombination af rådhus/serverrum og en profil af solindfaldet i procenter for antal dage gennem året. Figur 25 viser en køleprofil for rådhus og serverrums kølebehov lagt sammen. Den maksimale daglige køleforbrug vil blive 14655kW h/dag. Det maksimale kølebehov er 1000kW.

48 6 CASE BESKRIVELSE 46 Figur 26: Varighedskurve af kølebehovet for et rådhus, et serverrum og et kombination af dem begge. Når man ser på køleprofilerne for alle casene, passer case 1 bedst med profilen for solinfaldet. På Figur 26 kan man se varighedskurver for de tre cases. Her ser man, at det er faktisk kun en lille del af året (ca. 18%), hvor der er behov for køling i et rådhus.

49 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL 47 7 Analyse af cases fra den årlige EES simuleringsmodel Der er et sæt af parametre i den årlige simuleringsmodel, som man kan variere med og som kan have forskellige indflydelser på resutaterne. Derfor er der først lavet en slags sensitivitetsundersøgelse af parametrene for EES modellen. Målet med undersøgelsen er, at vise hvilket af disse parametre, der har størst betydning over for resultatet. Sensitivitetsundersøgelse er kun lavet for case 1. Der er valgt et sæt af referenceinput til modellen, der fremgår i nedstående liste. Referenceinputtene bruges til sammenligning af resultaterne ved variation af de enkelte parameter. Solfangerazimut: az f = 0 o Solfangerhældning: α = 45 o Solfangernes samlede overfladesareal (netto): A sol = 1250m 2 Solfanger fabrikant: "Arcon" Varmelagers dimensionsfaktor: f d = 5 Afkølingsmetode: "køletårn" Inputsparametre for selve absorptionsanlægget er det samme som referencen beskrevet i afsnit Men massestrømmen for opløsningen ṁ[5] er ændret til 3kg/s. Kølekapaciteten for absorptionsanlægget er nemlig meget afhængig af massestrømmen ṁ[5]. Når man har kørt simuleringsmodellen i EES, får man en lang række af resultater af tilstandene og varmeforhold i absorptionsanlægget og forskellige energiforbrug. Men overordnet er det kun interessant af se det samlede elforbrug, soldækning, backupvarme, overskudsvarme for anlægget og hvor meget køling er dækket af frikøling. Disse resultater er opsummeret i EES modellen under diagramvinduerne.

50 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL Betydning af varierblerne Figur 27: Sensitivitet af de forskellige parametre over for overskudsvamre. På Figur 27 kan man se hvordan de forskellige parametres indflydelse er over for overskudsvarme. Varmeenergi fra solfangerne, som ikke kan blive oplageret når varmelagerene har opnået sine kapacitet, bliver til overskudsvarme, som i rapporten antages at kunne benyttes til fjernevarme. Antagelsen er rimlig da overskudsvarme som regel er høj i de kolde periode om året. Man kan se på figuren at solfangerarealet har den største betydning for hvor meget overskudsvarme det bliver om året som forventet.

51 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL 49 Figur 28: Sensitivitet af de forskellige parametre over for soldækning. Når man ændrer på de forskellige parametre, kan man se at solfangerarealet har den største effekt på soldækningen (se Figur 28). Solfangerhældningen og dimentionsfaktoren har dernæst også noget indflydelse. Det er også som forventet. Det ses at solfangerhældning er mest optimal på 45 grader ved pointet 0% som er referencen. Hvis hældningen bliver større end 45 grader falder soldækningen og det samme gælder når hældningen er mindre end 25 grader.

52 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL 50 Figur 29: Sensitivitet af solfangerareal af forskellige fabrikanter over for overskudsvamre. Figur 30: Sensitivitet af solfangerareal af forskellige fabrikanter over for soldækning. Solfangere fra forskellige fabrikanter har forskellige effektiviteter. Det bliver afspejlet i graferne på Figur 29 og 30. Når man ændrer på solfangerarealet kan man se, at solfanger fra Sonnenkraft har den største betydning, mens Arcon har den mindste betydning. Dvs. at Arcon solfanger er nok det bedste valg, da den er mere stabil og har generel også en større effektivitet.

53 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL 51 Figur 31: Sensitivitet af varmekildetemperatur for enten køletårn eller tørkøler over for det samlede elforbrug og overskudsvarme. Parametre som har noget betydning over for den samlede elforbrug er de forskellige parametre i absorptionsanlægget. Figur 31 viser ændring af elforbrug og overskudsvarme ved ændring af varmekildetemperatur T [71] både for køletårn og tørkøler. Her kan man se at varmekildetemperaturen kun har en lille betydning over for elforbruget og at ændringen er næsten det samme for køletårn og tørkøler. Men selvom ændringsforholdet er lille, er selve forskellen på værdien af elforbruget for køletårn og tørkøler meget stort. Det kan tydeligt ses på resultaterne i det næste afsnit. Generelt kan man ud fra graferne se, at solfangerareal har den største betydning over for både overskudsvarme og soldækning. Arcon solfanger har den bedste effektivitet, fordi ud fra graferne har den mindste betydning. Ved brug af enten køletårn eller tørkøler er betydningen nogenlunde det samme for elforbruget, men køletårn giver generel mere i overskudsvarme. 7.2 Simulering af soldrevet absorptionsanlæg for casene Målet er at kunne dække hele kølebehovet udelukkende kun med solvarme og frikøling. Men det ser ud til, at det kun reelt kan lade sig gøre for case 1. Case 2 og 3 ville kræve et urealistisk stort solfangerareal for at kunne dække hele kølebehovet. Derfor er der valgt følgende inputsværdier for de tre cases, der vurderes til at være en god mulig løsning.

54 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL 52 Tabel 1: Mulig løsningsforslag til inputsværdierne for soldrevet absorptionsanlægget. Input Enhed Case 1 Case 2 Case 3 Solfangerazimut az f [grader] Hældning α [grader] Solfangerareal A sol [m 2 ] Dimensionfaktor f d [-] 2, Solfanger fabrikant [-] Arcon Arcon Arcon Afkølingsmetode [-] Køletårn/ Køletårn Køletårn tørkøler Varmekildetemperatur T [71] [ o C] Opløsningsmassestrøm m[5] [kg/s] Til alle casene i rapporten er temperaturgrænsen for frikøling sat til T fri = 10 o C, som antages at være rimelig. Man kan diskutere om T fri kan sættes højere for case 1 for et rådhus, fordi nedkøling af kontorlokaler vil måske ikke kræve en så lav temperatur. Selve resultaterne fra simuleringen indeholder 8760 sæt af data som svarer til hver time gennem et år. Derfor er det kun de mest betydelige resultater og grafer fra EES lagt i Bilag 3. Tablen af resultater fra simuleringen kan ses i EES filen, som ligger i usb stikken. Men i nedstående tabel kan man se de overordnede resultater for de tre cases. Tabel 2: Hovedresultater fra simulering af soldrevet absorptionsanlægget for casene. Enhed Case 1 Case 1 Case 2 Case 3 (køletårn) (tørkøler) Soldækning [%] Elforbrug [MWh] 9,4 30,1 28,6 38,0 Overskudsvarme [MWh] Backupvarme [MWh] Frikøling [MWh] 39,4 39, Køleproduktion [MWh] Total kølebelastning [MWh] Varmelagers kapacitet [MWh] 15,6 15,6 33,6 48 Varmelagers volume [m 3 ] 668,6 668, Gennemsnitlig COP th [-] 0,79 0,75 0,79 0,79 Gennemsnitlig COP [-] 0,51 0,48 0,51 0,51 Max. kølekapacitet Q e [kw ] I tablen kan man se, at soldækningen er meget høj for case 1, men stadig ikke 100%. Det er fordi det resten af 11% er dækket af frikøling. For case 2 og 3 er soldækningen ned på omrking mellem 20-30%, men det afhænger meget at valget af solfangerareal

55 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL 53 og varmelagerkapacitet. Men selve frikøling for case 2 og 3 dækker faktisk størstedelen af kølebehovet og den ligger mellem 60-70%. Backupvarme for case 2 svarer til 5,6% af den samlede kølebelastning og for case 3 er det 13%. Figur 32, 33 og 34 viser det samlede kølebehov, den samlede køleproduktion og den samlede overskudsvarme for hver måned gennem året. Her kan man se, at overskudsvarme er generel mest i den kolde periode. Men man skal bemærke, at diagrammerne for overskudsvarme afspejler kun det første år, fordi der er valgt at starte med en tom varmelager. Den anden år og op efter vil overkudsvarme være høj for de første par måneder. Man kan også se, hvordan sammenhængen er mellem køleproduktion og kølebehov. Køleproduktion er lavere end kølebehov i de kolde måneder, hvor der er mulighed for frikøling. Figur 32: Søjlediagram over kølebehov, køleproduktion og overskudsvarme for hver måned gennem året (case 1).

56 7 ANALYSE AF CASES FRA DEN ÅRLIGE EES SIMULERINGSMODEL 54 Figur 33: Søjlediagram over kølebehov, køleproduktion og overskudsvarme for hver måned gennem året (case 2). Figur 34: Søjlediagram over kølebehov, køleproduktion og overskudsvarme for hver måned gennem året (case 3).

57 8 DEN TRADITIONELLE KØLEMETODE (AIR-CONDITION) 55 8 Den traditionelle kølemetode (air-condition) Der ønskes i rapporten at lave en sammenligning af de energimæssige resultater fra den opstillede EES model og resultater simuleret ud fra et traditionelt kompressordrevet køleanlæg. Der er valgt at benytte et software program, der hedder Pack Calculation II v.2.25 udviklet af IPU og kan downloades gratis fra deres hjemmeside [13]. Selve programmet findes også i det udleveret usb stik sammen med rapporten. 8.1 "Pack Calculation"softwarebeskrivelse Pack Calculation II er et simplet, men også et kraftigt program, der hurtigt kan simulere årsenergiforbrug af et kompressordrevet køleanlæg. Programmet er stadig under udvikling og bruges normalt til at sammenligne årsenergiforbruget for forskellige køleanlæg. Programmet har en række af funktioner man kan indstille på. Men til rapporten bliver kun de mest nødvendige funktioner beskrevet. 8.2 Indstilling til køleanlægget Der er valgt at brug et simpelt ettrins kølecyklus med et intern varmeveksler, der er illustreret på Figur 35. Figur 35: Diagram over et ettrins kølekredsløb taget ud fra Pack Calculation II. Programmet har i forvejen programmeret en masse forskellige størrelser og typer af kompressor fra forskellige fabrikanter. Der er også mulighed for at lave en

58 8 DEN TRADITIONELLE KØLEMETODE (AIR-CONDITION) 56 brugerdefineret kompressor. Men til rapporten er der valgt en standard kompressor fra "Bitzer"(model 8GC-60.2Y). Kompressoren har en kølekapacitet på 159kW og R404a er valgt som kølemidlet. For de forskellige cases bliver der tilføjet flere af den samme kompressor for at opnåe det maksimale kølebehov. Selve belastningsprofilerne for de tre cases er indtastet i programmet, som præcis det samme som de profiler brugt i EES modellen. Fordampningstemperaturen er fastsat som en konstant til 2 o C, der svarer til den fordampningstemperatur i absorptionsanlægget i EES. Den interne varmeveksler effektivitet er sat til 0,85. Til kondensatoren har man også mulighed for at vælge mellem køletårn eller tørkøler, som er illustreret på Figur 36. Man kan enten vælge en konstant kondenstemperatur eller at den skal variere i forhold til udetemperaturen. Figur 36: Diagram over et køletårn a) eller tørkøler b) taget ud fra Pack Calculation II. Pack Calculation II har vejrprofiler over næsten hele verden. Til rapporten er der brugt temperaturprofil fra DRY. Man kan indstille i programmet således, at køleanlægget kun skal køre når udetemperaturen er over en bestemt temperatur. Denne indstilling passer tilsvarende med funktionen i EES modellen, hvor absorptionsanlægget kun skal køre når T fri 10 o C 8.3 Årsenergiforbrug I Bilag 4 kan man se udskrifterne fra simulering af de tre cases i Pack Calculation II. Selve Pack Calculation filerne for casene findes i usb stikken. Men i nedstående tabel kan man se de overordnet resultater fra programmet.

59 8 DEN TRADITIONELLE KØLEMETODE (AIR-CONDITION) 57 Tabel 3: Hovedresultater fra simulering af den traditionelle køleanlæg for casene. Enhed Case 1 Case 1 Case 2 Case 3 (køletårn) (tørkøler) Elforbrug (kondensator) [MWh] 12,7 37,0 31,9 47,4 Elforbrug (kompressor) [MWh] 77,2 68, Elforbrug (total) [MWh] 89, Køleproduktion Q e [MWh] Total kølebelastning [MWh] Gennemsnitlig COP [-] 3,63 3,08 4,02 3,89

60 9 SAMMENLIGNING AF ENERGIFORBRUG OG CO 2 EMISSSION 58 9 Sammenligning af energiforbrug og CO 2 emisssion Det er interessant at undersøge forskellen på energiforbruget og CO 2 emisssion for det opstillede soldrevede absorptionskøleanlæg og det traditionelle køleanlæg. Nedstående tabel viser et oversigt over energiforbrug for de tre cases og forskel for de to slags anlæg. Tabel 4: Sammenligning af elforbrug og CO 2 emisssion for casene. køleanlæg Den totale Den totale Difference af elforbrug elforbrug elforbrug [MWh/år] [MWh/år] [MWh/år] Case 1 (Køletårn) 9,4 89,9 80,5 36,1 Case 1 (Tørkøler) 30, ,9 34,1 Case 2 28, ,4 92,7 Case 3 38, Kompressordrevet køleanlæg Soldrevet absorptions- CO 2 reduktion [tons/år] Til udregning af CO 2 reduktion er der brugt værdien for antal gram emissioner til luft pr kwh el (449g/kW h). Værdien er en gennemsnitstal for øst- og vestdanmark og er fra den offentlige miljødeklaration udgivet af Energinet.dk. Tallet er for 2009 og er udregnet ved brug af den såkaldte "200% metoden"(forklaring til metoden og miljørapporten findes i [14]). CO 2 reduktion til denne rapport er udregning ved følgende ligning: Difference af elforbrug [kwh/år] 449e 6 ton/kw h 0,95 = ton CO 2 /år, hvor 0,95 er en faktor man benytter til at afspejle nettab i distributionsnettet. Det som man ligger mærke til at elforbruget for soldrevet absorptionsanlæg er relativ lille. Største del af elforbruget fra det traditionelle kølemetode er brugt til selve kompressorerne. Men i forhold til absorptionsanlæg er varmeenergi næsten gratis fra solen. Der er ingen tvivl om at der spares en del på elforbrug og er meget godt for miljøet ved brug af soldrevet absorptionsanlæg. Men det er interessant at finde ud af, om forholdet mellem den sparede forbrugsomkostning er stor nok til at dække investeringen i et antal år. Dette bliver disskuteret i næste afsnit.

61 10 ØKONOMISK OG FYSISK OVERVEJELSE Økonomisk og fysisk overvejelse I dette afsnit vil der være en overvejelse af den økonomiske omkostning for den soldrevede absorptionskøleanlægsmodel, der er opstillet i EES. Men det har været svært at finde nogle praksis prisoplysninger for solanlægget og speciel for absorptionsanægget. Rapport er begrænset til kun at beskæftige sig med de energimæssig beregninger, derfor er der ikke foretaget nogle beregninger indenfor design og dimensionering af køleanlægget. At finde en præcis pris for de forskellige enheder for køleanlægget er derfor ikke mulig. Priserne der er brugt i nedstående udregninger er nogle estimeret tal. Tabel 5: Tabel over det estimeret priser og tilbagebetalingstid for et soldrevet absorptionskøleanlæg. Enhed Case 1 (køletårn) Case 1 (tørkøler) Case 2 Case 3 Antal solfanger [-] Solfangerareal (brutto) [m 2 ] Forventet levetid [år] Samlet pris for solfanger [mio 2 2 3,9 4,6 kr.] Samlet pris for varmelager [mio 0,7 0,7 1,4 2,0 kr.] Pris for absorptionsanlæg [mio 0,7 0,7 0,4,1,1 kr.] Total pris for soldrevet køleanlæg [mio 4,4 4,4 7,4 10 kr.] Pris for kompressionskøleanlæg [mio 1,6 1,6 0,82 2,3 kr.] Besparelse af elforbrug pr. år [kr.] Besparelse af fjernvarme pr. år [kr.] Samlet besparelse pr. år [mio kr.] Tilbagebetalingstid [år] Det er en antagelse, at det kun er solfangere, varmelager og absorptionsanlæg, der er hovedomkostningerne for køleanlægget. Diverse pumper og styringsenheder til anlægget bliver estimeret til 30% af det samlede beløb af hovedomkostningerne. En plan solfanger med et transparent areal på omkring 13m 2 er estimeret til at kost ca kr. inklusiv diverse udgifter ud fra Arcons solvarmeanlæg i Gram (se Appendiks ). Prisen for akkumuleringstank er estimeret til 1000kr. pr. m 3.

62 10 ØKONOMISK OG FYSISK OVERVEJELSE 60 Absorptionskøleanlæg er estimeret til 4000kr. pr. RT, som svarer til ca. 3,5kW [16]. Pris for et kompressionskøleanlæg for tilsvarende cases er estimeret til 1800kr./kW ud fra gennemsnitstal af et priskatalog for væskekøleanlæg [17]. Prisen for kompressionskøleanlæg er en del mindre end soldrevet køleanlæg. Største delen af omkostningen for soldrevet køleanlæg er solfangerene. Tilbagebetalingstiderne er beregnet ud fra forholdet mellem investeringsomkostning for soldrevet køleanlægget og den samlede energibesparelse, hvor man antager at overskudsvarme kan brugs til fjernvarme og bliver solgt til en pris på 350kr./MW h. Vedligeholdelsesomkostninger er ikke medtaget i beregningerne, fordi der antages at de er det samme for begge slags anlæg. Normal vil man forvente en tilbagebetalingstid for et industrielt anlæg på omkring år. I tablen ser man, at tilbagebetalingstid for et soldrevet absorptionskøleanlæg ligger lidt over hvad man normal forventer. Hvis man antager, at dette soldrevet køleanlæg ligger i en mere solrige land, såsom Sicilien ved Italien, kan man i modellen gange solinfaldet I sol med en større faktor. På Figur 37 ser man verdenskortet, som viser den laveste solinfald pr. dag om året. Her ser man at solindfaldet i Sicilien er ca. 90% mere end i Danmark. Figur 37: Verdenskort som viser den laveste solinfald pr. dag om året [18]. Ved at køre en simulering af EES modellen for case 1, hvor solinfaldet er ganget med 1,9, kan man derved formindske solfangerareal til 700m 2 med en soldækning på 89% og stadigvæk uden at brug backupvarme. Overskudsvarme bliver til 515MW h og den samlede pris bliver 3,3 mio kr. Tilbagebetalingstiden bliver dermed forminsket til 5,5 år. Men man skal dermed bemærke, at antal solskinstimer i Danmark er omkring 1000 pr. år, mens i Sicilien kan det komme op på 2000 timer pr. år. I modellen er vejr profilen stadig for Danmark, derfor vil tilbagebetalingstiden kunne komme endnu lægere ned hvis køleanlægget ligger i Sicilien.