Bachelorprojekt Frikøling i sammenspil med vandchillere

Transkript

1 Bachelorprojekt 2012 Frikøling i sammenspil med vandchillere Thomas Grønborg Nielsen Aarhus Maskinmesterskole

2 Titelblad Rapportens titel: Forfatter: Studienr: Projekttype: Fagområde: Uddannelse: Uddannelsessted: Vejleder: Praktiksted: Kontaktperson: Frikøling i sammenspil med vandchillere Thomas Grønborg Nielsen V08711 Bachelorprojekt Køleteknik Maskinmester Aarhus Maskinmester skole Lars Hansen Glenco A/S Claus John Larsen Afleveringsdato: 19. december 2012 Rapportens omfang: 48 sider og 16 bilag Antal normalsider: 34,66 Tegn: Thomas Nielsen, V08711 Side 1 af 69

3 Abstract This report is written as a part of the bachelor education at Aarhus School of Maritime and Technical Engineering. The report is based on a design project that Glenco A/S has offered GM Plast A/S. Glenco A/S has offered to replace the old cooling units operating on the refrigerant R22 with new energy efficient cooling units. The new cooling solution deals with free cooling with air combined with air cooled liquid chiller. The cooling units that are described in the project are a part of a new solution that complies with the present legislation in Denmark. The report deals with different ways of controlling the fan speed on the same free cooling unit with the purpose of reaching the most power efficient solution. The first solution covers the energy efficiency by using delta-star switching. The rotation speed on the fans is thereby reduced in two steps and gives a lower free cooling performance but also lower power consumption. In certain situations the delta connection is more energy efficient than the star connection and vice versa. This is determined by the instantaneous cooling demand and will be discussed based on a particular day with various outdoor temperatures. The other solution covers the energy efficiency by using variable fan speed regulation. The fans regulates to a certain rotation speed that is determined by the instantaneous cooling demand. This provides even lower power consumption due to better adjustment of the fan speed. Likewise the first solution this will be discussed based on the same day. These two solutions provide different power consumption during the same day. The energy consumptions forms the basis of a daily saving compared to the present energy consumption. Side 2 af 69

4 Indholdsfortegnelse Forord... 4 Indledning... 5 Problemanalyse... 5 Problemformulering... 5 Metode... 6 Projektafgrænsning... 7 Nuværende køleløsning... 8 Eksisterende køleanlæg... 9 Lovgivning Udfasning af R Lovgivning vedrørende anvendelse af R Frikøling Ny køleløsning Pladeveksler Trevejsventil Pumpe Vandchiller Frikøler Brine Alternativ løsning Energianalyse Ny køleløsning Økonomisk perspektiv Konklusion Litteraturliste Figurliste Bilag Side 3 af 69

5 Forord Studerende på Aarhus Maskinmester skole er i det afsluttende semester i bachelorpraktik hos en selvvalgt virksomhed. Praktikperioden skal bære præg af professionsrelevant arbejde, hvor et projekt med tilhørende rapport udarbejdes. Den studerende inddrager relevant teori og erfaringer fra undervisningen og praktikperioden til udarbejdelse af rapporten. Forfatteren til rapporten har været i bachelorpraktik hos Glenco A/S, som er en virksomhed, der beskæftiger sig med køl og klima, herunder rådgivning, projektering, salg, installation og systematisk vedligeholdelse. Glenco A/S er for en årrække tilbage opkøbt af Klimodan, der var en del af Kemp & Lauritzen koncernen. I koncernen foruden Glenco A/S og Kemp & Lauritzen A/S er L&H-Rørbyg A/S og tilsammen yder de entrepriser inden for et bredt teknisk område. Koncernen beskæftiger til dagligt 2200 ansatte. Forfatteren har i praktikperioden hos Glenco A/S været sat i forbindelse med et salgs og- projekteringsprojekt til GM Plast A/S i Hedensted, der har i sinde at udnytte frikølere i sammenspil med vandchillere til køling af procesvand til plastproduktionen. Forfatteren vil gerne sende en venlig tanke til nedenstående personer, der har været behjælpelige med udarbejdelsen af projektet. Henrik Jeppesen, serviceleder køl i Glenco A/S Morten Konge, maskinmester i Ahlsell ApS Per Lang Sørensen, production manager i GM Plast A/S Henrik Jørgensen, sales manager i Sondex A/S Regner Knudsen, JohnsonControls Denmark ApS Lars Hjortshøj, GEO Rapporten er skrevet til læsere med faglighed på 6. semester på maskinmester uddannelsen og personer med køleteknisk viden. Side 4 af 69

6 Indledning Problemanalyse GM Plast A/S, der har hovedsæde i Hedensted producerer plastrør og rørsystemer til anvendelse i bl.a. kabellægning, fiberoptik samt vandforsyning og -afløb. Produktionen foregår ved ekstrudering af plastrør, der i efterbehandlingen kræver vandkøling. Køleprocessen i produktionen sker i kølebade, der overstrømmes med blødgjort procesvand. Kølingen af procesvandet foregår i øjeblikket via to kølekompressoranlæg placeret parallelt. Disse kølekompressoranlæg opererer med kølemidlet R22 og er fra henholdsvis 1982 og Plastproduktionen ved GM Plast A/S foregår på den måde at deres hovedproduktion foregår i sommerperioden, der strækker sig fra april til september. Efter udsagn fra Per Lang Sørensen, production manager i virksomheden, kører produktionen på fuld last ved treholdsskifte, hvor de ældre R22 køleanlæg står for den totale køleydelse på 350 kw. De resterende måneder af året er vinterperioden, der er lavsæson for plastproduktionen. Her kan GM Plast A/S nøjes med en køleydelse på 280 kw. I vinterperioden har R22 køleanlæggene derfor tilstrækkelig kølekapacitet. Med tiden er produktionen øget og kølekapaciteten på køleanlæggene er i sommerperioden ikke tilstrækkelig længere. Som følge af nedsat kølekapacitet kan køleproduktionen ikke sikre at procesvandet opererer med den rigtige temperatur i hele produktionsperioden. Temperatursættet til procesvandet skal sendes ind i produktionsanlæggene med 12 C ind og sendes ud med 18 C, for at opnå bedst kvalitet af det færdige produkt. Per Lang Sørensen har ved hjælp af termometrene på plastekstruderne aflæst for høj procesvandstemperatur. Hvis temperatursættet er for højt kan dette påvirke kvaliteten i negativ retning, hvis produktet forlader produktionen i for varm tilstand, da plastrørene har risiko for at blive deforme ved oprulning på tromler. Foruden dette, har et af de ældre R22 køleanlæg for nyligt været udsat for en uforudset lækage fra en pakning, hvilket betød at 110 kg R22 kølemiddel forsvandt ud i naturen. Kølingen af procesvandet blev derfor betydelig nedsat i en længere periode og omfanget af reparationen og påfyldningen af regenereret R22 løb op i en pris af kroner. Da R22 står for udfasning primo 2015, vil det ikke længere være muligt at udføre denne type reparation på lovligvis. Udfasningen af R22 og risikoen for lignende udslip spiller derfor en afgørende rolle for fremtidens køling af procesvandet GM Plast A/S har som et led i udskiftningen af de gamle R22 køleanlæg påtænkt sig at etablere en ny køleløsning, der indeholder mere energivenlige køleanlæg i form af frikøling. Køleløsningen skal ligeledes have kølekapacitet til at dække kølebehovet i sommerperioden. Problemformulering Hvilke energimæssige fordele indtræffer ved anvendelse af frikøling til plastproduktion? Side 5 af 69

7 Metode For at udarbejde projektet anvendes de ansattes viden og erfaring hos Glenco A/S. Leverandørerne tilknyttet virksomheden anvendes ligeledes som sparingspartnere. Anskaffelse af datablade og beregningsoversigter på diverse anlægskomponenter sker hos leverandørerne. Databladene og beregningsoversigterne danner grundlag for videre bearbejdning af energiforbrug. Da rapporten tager udgangspunkt i en køleløsning Glenco A/S har fremsat, vil der blive diskuteret på denne. Diskussionen vil omhandle den fremsatte løsning eller løsninger, der kunne anvendes i stedet, hvad enten, de er bedre eller ringere med hensyn til energiudnyttelse. Ligeledes vil udsagn fra Per Lang Sørensen omkring nuværende kølekapacitet diskuteres. Den teori, der anvendes i projektet er baseret på undervisningen i faget termiske maskiner på Aarhus Maskinmesterskole. Herudover benyttes relevante fagbøger og faglærere til at underbygge teorien i rapporten. For at overskueliggøre bearbejdningen af dataene i rapporten, er følgende programmer anvendt. - TA Hydronics, er et beregningsprogram til ventiler. Tilstandsværdier for ethylenglykolblandinger og demineraliseret vand er hentet fra dette program. - Coolpack anvendes til at fremstille og udregne H logp diagrammer og fordamperydelser. - Excel benyttes til at overskueliggøre mange beregninger af gangen og opstille tabeller. - Graph.exe anvendes til at opstille grafer ved hjælp af funktioner og punktserier. - Smartsketch og paint er tegninger produceret i. For at danne et overordnet overblik over den nuværende køleinstallation hos GM Plast A/S påtænkes det at følge samtlige rørstrækninger i det pågældende anlæg og nedfælde dem i en overordnet teknisk tegning. I bestræbelserne på at klarlægge energiforbruget i den nuværende installation, fotograferes mærkepladerne på anlægskomponenterne, hvorefter datablade forsøges at blive fremskaffet. Da rapporten omhandler køling, vil udtrykket COP ofte opstå. I henhold til teoribøgerne er COPværdien defineret som 1 : Fjernet varme i fordamper COP Tilført energi i kompressor I denne rapport vil udtrykket ikke anvendes på denne måde, men vil i stedet være et udtryk for kølekapaciteten/fjernet varme i fordamper delt med eleffekten tilført anlægget. I et konventionelt køleanlæg, kan køleprocessen ikke forløbe sig stabilt, hvis ikke der benyttes strøm til ventilatorer eller pumper til nedkøling af kondensator. Derfor anvendes den samlede eleffekt til at drive anlægget, når COP omtales. Lovgivningen omkring kølemidler undersøges for at sikre en realistisk løsning på dansk grund. Emner som vedligehold og sikkerhed inddrages i de enkelte afsnit. 1 Eigil Nielsen - Noget om Køleteknik - Bind I - side 66 Side 6 af 69

8 Projektafgrænsning Ved praktikstart havde Glenco A/S indviet forhandlingerne med GM Plast A/S med hensyn til udbedring af ovenstående problemstilling. Projektet er i den initierende del af behandlingen, hvilket betyder at leverings- og opstillingstid, samt beslutningstid fra GM Plast A/S, ikke giver tilstrækkelig tid til at installere køleløsningen i praktikperioden. Rapporten vil derfor blive udarbejdet som et teoretisk projekt og resultaterne, der fremstilles vil ikke kunne eftervises i virkeligheden. Indregulering af det nye køleanlæg er derfor heller ikke en mulighed. Ligeledes antages det at den nye køleløsning kan implementeres til den eksisterende plast produktion. GM Plast A/S har intet energimåleudstyr på R22 køleanlæggene, hvilket ikke gør det muligt at give et nøjagtigt bud på energiforbruget. Energiforbruget vil derfor blive estimeret ud fra datablade, beregningsprogrammer og erfaringsmæssig driftstider fra produktionschef Per Lang Sørensen. Analysen af køleløsningen vil primært holde fokus på energiforbruget af frikøleren og vandchillerne. Anlægsbeskrivelsen vil tage udgangspunkt i brinekredsen, da det er denne de nye køleenheder er en integreret del af. Procesvandskredsen omfatter derfor en begrænset del af rapporten. For at kunne styre, regulere, overvåge og vedligeholde denne køleløsning, er det nødvendigt at have komponenter til dette. Disse komponenter er filtre, temperaturfølere, trykmålere, flowmålere, kontraventiler og afspærringsventiler. For overskuelighedens skyld bliver disse komponenter ikke inddraget i rapporten. Ligeledes vil gennemgang af plasteksruderne heller ikke være en del af rapporten. Andre underordnede antagelser inddrages undervejs i rapporten i takt med at de bliver anvendelige for den videre bearbejdning. Rapporten vil ikke inddrage specifikke elpriser og anlægsomkostninger. Det er derfor ikke muligt at beregne en tilbagebetalingstid på køleløsningen. Ligeledes vil alternative løsninger ikke behandles dybdegående. Side 7 af 69

9 Nuværende køleløsning GM Plast A/S har i deres nuværende procesvandskreds to tanke og en brønd. Koldt procesvand pumpes ind i procesanlægget, hvorefter det ledes via afløb fra plastekstruderne ned i en brønd. Procesvandet er blevet varmet op og pumpes derefter op i varmtvandstanken. Dernæst bliver procesvandet nedkølet af R22 køleanlæggene, hvorefter det sendes til den kolde tank, hvor en pumpe suger dette og pumper procesvandet videre til plast produktionen igen. R22 køleanlæg 2x Sabroe CMO18 R22 køleanlæg Frascold W Y Tank Varmt procesvand 25 m³ Tank Koldt procesvand 30 m³ Procesanlæg Brønd Gulvafløb Figur 1 - Nuværende procesvandskreds (Egen produktion) Ovenstående procesvandskreds påtænkes at blive en del af den nye køleløsning. Den nye køleløsning ligger op til en udskiftning af de ældre R22 køleanlæg. I det efterfølgende afsnit analyseres kapaciteten på R22 køleanlæggene. Side 8 af 69

10 Eksisterende køleanlæg De to R22 køleanlæg har henholdsvis en og to kompressorer installeret. Køleanlæggene er placeret parallelt og har hver deres fordamper, hvorpå procesvandskredsen er koblet på. I det ældste køleanlæg fra 1982 forefindes to åbne Sabroe CMO18 kompressorer i hver sin kølekreds. Det andet køleanlæg er fra 1999, hvori der sidder en semihermetisk stempelkompressor ved navn Frascold W Y. Figur 2 - R22 køleanlæg med Sabroe CMO-18 kompressor (Egen produktion) Det fremsatte kølebehov i vinterdrift tager udgangspunkt et udsagn fra Per Lang Sørensen, som kunne være interessant at undersøge. Ved besøget hos GM Plast A/S var deres R22 køleanlæg ikke i drift, hvilket ikke muliggjorde at foretage målinger. GM Plast A/S har ligeledes ikke energimåleudstyr på procesvandskredsen, hvilket gør at den virkelige fordamperydelse ikke kan bestemmes. Den kan derimod bestemmes teoretisk. Det lykkedes at få et rørdiagram på det ældste af anlæggene udleveret, hvorpå der står, hvilke tryk kompressorerne opererer med, samt motorens eleffekt og omdrejningstal. Ligeledes lykkedes det at fremskaffe navnet på den kompressor det andet R22 køleanlæg kører med. Disse data giver mulighed for at udarbejde køleydelserne for begge køleanlæg. I henhold til bilag 15 af rørdiagrammet, hvorpå en Sabroe kompressor CMO18 sidder, kan det antydes at der er tale om et et-trins anlæg. Derudover kan nedenstående antydes. - P tryk = 16,5 bar - P sug = 3,3 bar - n = 1450 min -1 Side 9 af 69

11 Ud fra dette er det muligt at indtegne køleprocessen i et H logp-diagram, ved at gøre visse antagelser. Det er nødvendigt at have underkøling og overhedning på kølemidlet i processen. Disse sættes til 5 K begge steder 2. Den isentropiske virkningsgrad er også nødvendig at indsætte, da denne er medbestemmende for massestrømmen af kølemidlet. Eftersom kompressoren er af åben type, sættes den isentropiske virkningsgrad til 0,8 3. Dataene indsættes i Coolpack og nedenstående H logp diagram fremkommer. Figur 3 - H logp diagram over køleproces i R22 køleanlæg med Sabroe CMO-18 kompressor (Coolpack) Stregen der går fra punkt 4 til punkt 1 fortæller energimængden der hersker i fordamperen. For at kunne omregne denne energimængde til en kuldeydelse, kan volumenstrømmen anvendes. Dette kræver nogle informationer om kompressorens fysiske udførelse. Ved kontakt til JohnsonControls lykkedes det at få fat i Regner Knudsen, der kunne berette at en Sabroe CMO18 kompressoren har følgende. - 8 cylinder - Slaglængde på 65 mm - Cylinder diameter på 65 mm. Med disse oplysninger kan den teoretiske volumenstrøm beregnes. V Teo 2 2 s n d c 60 0, , ,1 4 4 Grundet det skadelige rum der forefindes i toppen af cylinderen på en stempelkompressor, kan denne volumenstrøm ikke anvendes. Igennem dialog med Karsten Thügel, underviser på Aams, kunne han fortælle, at en volumetrisk virkningsgrad for industri kompressorer kan sættes til 0,68. Det bety- 3 m h 2 Carsten Chlemensen - Tidligere underviser på Aams 3 Eigil Nielsen - Noget om Køleteknik - Bind I - side 323. Side 10 af 69

12 der at den virkelige volumenstrøm bliver 102 m 3 /h. Denne værdi indsættes i cycle info og nedenstående illustration fremkommer. Figur 4 - Sabroe CMO18 kompressor - Cycle info (Coolpack) Som det fremgår af ovenstående illustration kan det ses at fordamperydelsen for køleprocessen er 62 kw. Da der sidder to af disse kredse identiske med hinanden bliver den samlede fordamperydelse 124 kw. Det andet R22 køleanlæg, der ligeledes er et et-trins anlæg har en kompressor ved navn Frascold W Y. I henhold til bilag 13, er det muligt at se fordamperydelsen ved forskellige temperaturer og kølemidler. Da bilaget stammer fra et katalog fra 2010, er kuldeydelserne ikke opgivet med R22. Derfor udregnes kuldeydelsen i Coolpack efter samme metode som R22 køleanlægget med Sabroe CMO18 kompressorerne. Den teoretiske volumenstrøm for kompressoren er 167,60 m 3 /h. Igen er det nødvendigt at inddrage en volumetrisk virkningsgrad, som igen sættes til 0,68. Derfor bliver den virkelige volumenstrøm 114 m 3 /h. Som førnævnte kompressor anvendes samme antagelser for underkøling og overhedning. Eftersom kompressor er af semihermetisk type sættes den isentropiske virkningsgrad til 0,7 4. Fordampningstemperaturen sættes til -10 C og kondensatortemperaturen sættes til 40 C, da det er disse temperatursæt der ligeledes er anvendt på bilag Eigil Nielsen - Noget om Køleteknik - Bind I - side 323 Side 11 af 69

13 Figur 5 - Frascold W Y compressor - Cycle info (Coolpack) Som det fremgår af ovenstående cycle info er fordamperydelsen for anlægget 76,5 kw. Med andre ord sørger de to R22 køleanlæg for en samlet køleydelse på 200,5 kw. Ifølge Per Lang Sørensens udsagn af kølebehovet i vintersæsonen på 280 kw, virker dette ikke sandsynligt, at R22 køleanlæggene kan dække dette. Det skal noteres at fordampningstemperaturerne på henholdsvis -10 C og -12 C er meget lave taget i betragtning af at procesvandet har en ønsket fremløbstemperatur på 12 C. Køleanlæggene er købt brugte og efter Per Lang Sørensens udsagn ikke blevet ændret i den tid de har været i virksomhedens varetægt. Det er derfor uvist om køleanlæggene er indstillet efter ovenstående parametre. For at opnå bedre driftsøkonomi ville det være nærliggende at hæve fordampningstemperaturen. Dette ville ikke kræve nær så meget arbejde for kompressoren 5. Per Lang Sørensen beretter at deres plast produktion er ordreafhængig. Det skal forstås på den måde, at produktionen kører et varieret antal dage henover ugen. Dette besværliggør klarlægning af kølebehovet i vinterperioden. De produktionsdage, hvor produktionen forløber sig, er fra kl til Det er dette tidsrum på 9 timer, der danner grundlag for efterfølgende beregninger af elforbruget. Hvis Per Lang Sørensens udsagn med kølebehovet holder stik, ville det betyde at alle R22 køleanlæg ville køre uafbrudt i produktionstiden. GM Plast A/S har som tidligere nævnt ingen elmåler tilsluttet disse køleanlæg. Det teoretiske elforbrug kan derimod bestemmes. I henhold til bilag 13 og bilag 15, har kompressorerne hver en eleffekt på 37 kw. Ydermere kræves der eleffekt til at drive samtlige ventilatorer, der køler kondensatorerne. Per Lang Sørensen fortæller at mærkepladerne på ventilatorerne hver viser en mærkeeffekt på 6 kw. Det er nu muligt at bestemme det samlede elforbrug denne dag. 5 Eigil Nielsen - Noget om Køleteknik - Bind I - s. 178 Side 12 af 69

14 P P P P tid P tid kwh Elforbrug Sabroe Sabroe Frascold ventilatorer Elforbruget denne dag ville løbe helt op i 1161 kwh, hvilket må siges at være højt. Hvor stor besparelsen bliver ved implementering af den nye køleløsning analyseres i et senere afsnit. Da køleanlæggene står på dansk grund, er der særlige regler gældende for anvendelse af kølemidler. I det efterfølgende afsnit redegøres for hvilke lovgivninger, der er gældende for situationen GM Plast A/S befinder sig i. Side 13 af 69

15 Lovgivning Virksomheder i Danmark er underlagt dansk lovgivning med hensyn til håndtering af kølemidler og drift af køleanlæg. Over den seneste årrække er adskillige lovgivninger fremsat fra arbejdstilsynet og miljøstyrelsen, hvilket går ind og påvirker særdeles mange virksomheder. Dette gælder både virksomheder med gamle køleanlæg og virksomheder, der beskæftiger sig med projektering og installering af nye køleanlæg. Tilbage i januar 2007 blev det ulovliggjort fra miljøstyrelsens side at installere nye køleanlæg med HFC kølemidler med fyldninger lig eller større end 10 kg. Køleanlæg kan stadig have en samlet fyldning over 10 kg, dog skal disse fordeles over flere lukkede kredse i anlægget. Køleanlæg der anvender naturlige kølemidler har ingen fyldningsgrænse 6. Arbejdstilsynet kræver at køle- og varmepumpeanlæg, der har en fyldning på mere end 1 kg kølemiddel, skal have foretaget et eftersyn en gang årligt, uagtet hvilket kølemiddel anlægget opererer med. Dette eftersyn kan udføres af en instrueret og øvet person i eftersyn og vedligeholdelse af det pågældende anlæg. Er kølemiddelfyldningen over 2,5 kg skal eftersynet udføres af en certificeret montør fra et ISO 9001 certificeret kølefirma 7. Udfasning af R22 Kølemidlet R22 s kemiske navn er chlorodifluoromethane (CHClF 2 ), hvilket anbringer kølemidlet under kategorien HCFC (HydroClorFluorCarboner). Førhen blev CFC- og HCFC-gasser ofte anvendt i køleanlæg uden hensyntagen til miljøet. Sidenhen har videnskabelige undersøgelser overbevist politikkerne om hvor skadelige disse kølemidler er. I den forbindelse benyttes to udtryk ODP og GWP, som er indeks for den skadelige påvirkning kølemidlet kan have i forhold til ozonlaget og drivhuseffekten ved udslip. Yderligere specifikation af udtrykkene er ozone depleting potential og global warming potential 8. Konsekvensen ved nedbrydning af ozonlaget er forringet beskyttelse af mennesker og dyr mod UV-B stråler, der øger risikoen for hudkræft 9. Den globale opvarmning er et udefineret begreb, men siges at påvirke Jordens middeltemperatur i negativ grad 10. R22 s miljømæssige påvirkninger: - R22 er en HCFC-gas, hvilket betyder at gassen er et klorholdigt kølemiddel, der ved udsivning til det fri skader ozonlaget og i særdeleshed påvirker den globale opvarmning. - R22 har et ODP på 0,05. ODP tager udgangspunkt i R11, der besidder en indeksværdi på 1. Dette betyder at et kg R22 nedbryder ozonlaget med 5 % i forhold til et kg R11. - R22 har et Global Warming Potential (GWP) på GWP tager udgangspunkt i hvor meget CO 2 bidrager til global opvarmning over en periode på 100 år. CO 2 har i denne forbindelse et indeks på 1 og eftersom R22 har et GWP på 1700, betyder dette at 1 kg R22 har samme GWP som 1700 kg CO Eigil Nielsen - Noget om Køleteknik - Bind I - side Side 14 af 69

16 Set i lyset af debatten omkring reducering af CO 2 -udledning, er der god grund til at nedbringe anvendelsen af R22. Lovgivning vedrørende anvendelse af R22 Per 1. januar 2010 har EU kommissionen opstillet følgende regler omkring R22 og andre HCFC-gasser: - Det er forbudt at sælge eller benytte nyt R22 uanset, om det forefindes ubrugt på eget lager eller hos kunden. - Dog tillades anvendelse af genbrugskølemiddel på anden adresse end aftapningsstedet, hvis det foretages af samme kølefirma. I tilfælde af salg af R22 til andet kølefirma skal det gennem en regenerering. - Genbrugskølemiddel, der har fået foretaget regenerering, er tilladt at sælge og benyttes på eksisterende anlæg. Dog skal beholderen, hvori genbrugskølemidlet transpores have tydelig markering af at en regenerering har fundet sted. Denne markering skal indeholde referencenummer og regenereringsanlæggets navn og adresse. - Uden speciel tilladelse er det ikke tilladt at importere eller eksportere R22 ind eller ud af EU s medlemslande. - Salg af R22 må kun ske til EU-indregistrerede skibe, med mindre der foreligger speciel tilladelse. Per 1. januar 2015 er det ikke tilladt at anvende R22 til noget formål overhovedet. R22 anbringes under samme lovgivning som R12, R502 og alle øvrige CFC-kølemidler 12. Det er dog stadig tilladt at anvende R22 køleanlæggene, så længe de er fri for lækager. På baggrund af ovenstående lovgivning står GM Plast A/S overfor store udfordringer, hvor det indenfor kort tid er nødvendigt at implementere en alternativ køleløsning. I den forbindelse har Glenco A/S været i tæt dialog med GM Plast A/S angående en ny køleløsning med frikøling, der kan håndtere kølebehovet i plastproduktionen samtidig med at den gældende lovgivning overholdes Side 15 af 69

17 Frikøling I Danmark er frikøling ikke anvendt i det omfang der er potentiale til 13. Idéen er enten at erstatte eller supplere køleanlæg, der kører med strømkrævende kompressorer med frikølere, der anvender naturens kølige medier. Ventilatorer eller pumper med lavere strømforbrug anvendes som middel for at opnå samme køling. Køling fra grundvand, havvand eller fjordvand kan anvendes, hvis dette er til rådighed, men frikøling med luft er særdeles attraktivt, da relativ kølig luft ofte er tilgængeligt i Danmark. Komfort- eller procesvandskøling, der arbejder med et relativt højt temperatursæt kan der derfor være et stort økonomisk perspektiv i at benytte frikøling. I området hvor GM Plast A/S holder til, er der hverken adgang til havvand eller fjordvand, men derimod grundvand 14. Grundvandet har normalt en temperatur på 8 C, hvilket gør det attraktivt at anvende til de temperatursæt GM Plast A/S har brug for i deres køleproduktion 15. En simpel opbygning af et grundvandskøleanlæg foregår ved at indvinde og tilbagelede grundvandet gennem to nedborede brønde. Koldt grundvand pumpes op og føres gennem en varmeveksler, hvorefter det varme grundvand sendes tilbage i grundvandsmagasinet. Systemet er lukket og derfor anvendes den samme mængde grundvand hele tiden og det er kun en opvarmning af vandet der sker 16. Som udgangspunkt lyder denne køleløsning attraktiv, da besparelsespotentialet er højt. Fordelen ligger i at der året rundt kan hentes grundvand op med konstant temperatur. Ved kontakt til Lars Hjortshøj fra energiafdelingen hos GEO, kunne han fortælle følgende om udførslen af et grundvandskøleanlæg. Muligheden for indvinding af grundvand er ikke muligt alle steder. I sagsbehandlingen omkring etableringen af et grundvandskøleanlæg involveres flere interessenter. Området kan være begrænset af hensynet til indvindingen af drikkevand. Ligeledes kan området være præget af forurening eller være i naturbeskyttet tilstand. Det er kommunens opgave at vurdere disse omstændigheder før prøveboringer kan påbegyndes. Disse prøveboringer foretages og analyseres med henblik på at klarlægge de geologiske grundvandsforhold. En vigtig detalje, er at der skal være et tilstrækkeligt flow i grundvandsmagasinet hele tiden. Er førnævnte forhold i orden, kan installationen af anlægget påbegyndes. Vigtigst af alt for driften af anlægget, er grundvandets kemiske sammensætning. Ubehandlet grundvand, der sendes gennem en varmeveksler kan forårsage indre belægninger i rørføringen eller forstoppelse i form af fremmedlegemer. Driftsmæssigt kan dette give en forringet ydelse af veksleren 17. Derfor er det nødvendigt at behandle grundvandet inden det ledes ind i varmeveksleren. Lars Hjortshøj beretter at tidshorisonten fra sagsbehandlingen påbegyndes til det endelige anlæg er i drift, typisk ligger omkring et år. For at få et grundvandskøleanlæg op at køre, er det derfor forbundet med høje omkostninger. En anden væsentlig kølig kilde, der ikke skal hentes fra undergrunden, er luft. Udetemperaturen i Danmark varierer meget hen over året, hvilket periodevis giver stort potentiale for udvinding af kulde. Modsat grundvand kræver luften ikke behandling inden den sendes gennem frikøleren. Anlægsomkostningerne for frikøling via luft, er stærkt reduceret i forhold grundvandskøling, da der ikke er 13 Henrik Jeppesen, Serviceleder køl Glenco A/S 14 Per Lang Sørensen - GM Plast A/S side 1 17 Henrik Jørgensen - Sondex A/S Side 16 af 69

18 samme sagsbehandling fra eksterne instanser. Et sammenspil med frikøling via luft og grundvand ville teoretisk set kunne erstatte kølekompressorer, hvis køleløsningen kunne køre fejlfrit hele tiden. Dette er dog svært at forestille sig i praksis, da nedbrud af grundvandskølingen ville stoppe plastproduktionen i den travleste tid i sommerperioden. Luftfrikøleren ville grundet for høj udetemperatur ikke kunne supplere med køling. Derfor ville det af driftmæssige årsager være fordelagtigt at have en form for konventionel køling til rådighed, der kan slå ind i tilfælde af at frikølingen kommer ud af drift. Side 17 af 69

19 Ny køleløsning I det fremsatte forslag fra Glenco A/S ligges der op til et sammenspil mellem frikøling via luft og konventionel vandchilleranlæg med HFC-kølemiddel. Det fremsatte forslag beskrives, hvorefter det diskuteres med henblik på alternative løsninger. Sammenspillet mellem frikøling og konventionel køling giver mulighed for at køleprocessen kan ske uafhængigt af omgivelsestemperaturerne. Det er derfor den specifikke udetemperatur, der er afgørende for hvilken måde kølingen af procesvandet foregår på. Idéen er at benytte frikøleren mest muligt og vandchilleranlæggene mindst muligt. Overordnet set vil vandchillerne i sommerperioden sørge for at dække hele kølebehovet, og modsat vil frikøleren anvendes om vinteren. I efterårs- og forårsperioden sker kølingen i højere grad i sammenspil med de to kølemetoder. For at denne køleløsning kan føres ud i livet, er der naturligvis brug for en del anlægskomponenter. Anlægskomponenter i den fremsatte køleløsning er nævnt nedenstående. - Pladevarmeveksler - Frekvensreguleret cirkulationspumpe - Trevejsventil - Frikøler - Vandchillere Grundlaget for de valgte anlægskomponenter bliver udspecificeret i efterfølgende afsnit. Ligeledes vil vandchillerne og frikøleren blive analyseret og diskuteret i et senere afsnit. Clint CHA/DK 604-P Clint CHA/DK 604-P Trevejsventil M AB A B Frikøler Brinekreds - Ethylenglykol 30 % Pumpe Procesvandskreds Pladeveksler Figur 6 - Nyt køleløsningsforslag (Egen produktion) Side 18 af 69

20 En af forskellene på den nye køleløsning og den eksisterende kølekreds, er at der kobles en ekstra kreds ind i systemet. Før kølede den konventionelle kølekreds direkte på procesvandskredsen. I den nye kreds opererer en brine, der består af ethylenglykol i en 30 % blanding med demineraliseret vand. Det er nødvendigt at adskille kredsene fra hinanden, eftersom brinen strømmer i en lukket kreds, hvor størstedelen af denne kreds befinder sig udendørs. Det ville derfor være uhensigtsmæssigt at sende procesvandet, der ikke er frostsikret ud i køleenhederne. Opnås frysepunktet for procesvandet opstår en udvidelse af væsken ved faseskift og dette kan sprænge rørføringen i frikøleren og vandchillerne. Adskillelse af procesvand og brine foregår derfor i en pladeveksler, der på baggrund af førnævnte faktorer, er placeret indendørs. Efter pladevekslerens returløb placeres en frekvensreguleret cirkulationspumpe. Denne flowregulering er anvendeligt, hvor effektomsætningen i pladeveksleren nedsættes grundet ændret kølebehov af procesvandet. Cirkulationspumpen suger brinen fra pladevekslerens returløb og pumpes videre til et t-stykke. Her kan brinen enten løbe gennem frikøleren eller udenom. Brineflowet bestemmes af indstillingen på trevejsventilen, som er placeret efter frikøleren. Idéen er at sende brineflowet gennem frikøleren, så længe denne har potentiale til at yde køling. Når frikøleren ikke bidrager med køling ledes brineflowet udenom, for at undgå unødvendigt tryktab. En anden grund til at sende brinen udenom, er at rørføringen i frikøleren er uisoleret. Dette betyder at en høj omgivelsestemperatur ville give sig udslag i at frikøleren ville fungere som en varmeflade, hvilket ikke er hensigten. Dernæst ledes brinen videre til to vandchillere, hvis fornemmeste opgave er at nedkøle brinen, det som frikøleren ikke har været i stand til. Vandchillerne er placeret parallelt, således at brineflowet strømmer til et t-stykke, hvor halvdelen af mængden ledes ind i returløbet på hver vandchiller. Efter brinen har passeret vandchillerne er den rigtige temperatur opnået og brineflowet samles fremløbet i endnu et t-stykke. Herfra render brinen tilbage til returløbet i pladeveksleren. Procesvandet i pladevekslerens varme side ledes gennem procesanlæggene og tilbage i pladevekslerens returløb, for at blive nedkølet på ny. De føromtalte anlægskomponenter i køleløsningen er: - Pladeveksler: Sondex S47-IG TMTL75-LIQUID - Pumpe: Grundfos TPE /4-S - Trevejsventil: Belimo trevejsventil H779N - Vandchillere: 2x Clint CHA/DK 604-P - Frikøler: Luvata KCE 812B5-D W100 V Valget af de ovenstående komponenter bliver i det efterfølgende afsnit beskrevet nærmere. Den første anlægskomponent der beskrives er pladeveksleren, da det er denne der er bestemmende for flowet i vinter- og sommerdrift. Side 19 af 69

21 Pladeveksler GM Plast A/S har fremsat kølebehov på henholdsvis 280 kw og 400 kw, hvilket afviger betydeligt fra de 200,5 kw, som R22 køleanlæggene har kapacitet til. Det vælges dog at fastholde de fremsatte kølebehov, da et overdimensioneret køleanlæg er mere fordelagtigt end et underdimensioneret. Som sidegevinst foreligger muligheden for udvidelse eller omlægning af køleproduktionen senere hen. Da pladevekslerens opgave skal kunne omsætte kølebehovet i sommerperioden, vælges den dimensionerende ydelse til 400 kw. Foruden ydelsen er, det nødvendigt at have kendskab til hvilke væsker og temperatursæt, der opererer i veksleren. Figur 7 - Pladevekslerens indløb og udløb (Egen produktion) Procesvandet i vekslerens varme side er bestemt af temperatursættet produktionsanlæggene anvender. Fra virksomhedens side ønskes procesvandets tilgangstemperatur til produktionsanlæggene at være 12 C. Afgangstemperaturen i vekslerens returløb må højest være 18 C. Disse to temperaturer er afgørende for flowet. Tab i energioverførslen i veksleren nødvendiggør anvendelse af forskellige temperatursæt. Temperatursættets forskel på den varme og kolde side har stor betydning for størrelsen af det effektive hedefladeareal i veksleren. Er temperaturforskellen for lille ville det kræve et større hedefladeareal, hvilket vil gøre anlægsomkostningerne højere 18. På baggrund af dette sættes fremløbstemperaturen til 11 C og returløbstemperaturen til 16 C i vekslerens kolde side. Informationer omkring pladeveksleren er anskaffet hos Sondex A/S, der er leverandør af bl.a. varmevekslere. Ved kontakt til Henrik Jørgensen, der har funktion som sælger i virksomheden, er oplyst ovenstående kølebehov, væsketyper og temperatursæt. Han fandt frem til en pladeveksler ved navn Sondex S47-IG TMTL75-LIQUID. Beregningen for pladeveksleren kan ses i bilag 5. Pladeveksleren kører i modstrøm og har en varmeoverførsel på 404 kw. På baggrund af dette, er det muligt at bestemme flowet i brinekredsen ved sommerdrift. Varmekapaciteten og densiteten på brinen er vist nedenstående. 30 % ethylenglykolblanding: c 3,62, 1041,8 kj kg p kg K 3 m V Q cp T 3600 Q VSommer 77,13 c T 1041,8 3, p 3 m h 18 Henrik Jørgensen - Sondex A/S Side 20 af 69

22 Q VVinter 53,56 c T 1041,8 3, p 3 m h Med andre ord skal pladevekslerens kolde side gennemløbes af 77,13 m 3 /h brine for at overføre energien til procesvandet ved sommerdrift. Ved vinterdrift reduceres flowet til 53,56 m 3 /h, hvilket tydeliggøres i bilag 6. Ovenstående flow anvendes i afsnittet om valg af pumpe og trevejsventil. Side 21 af 69

23 Trevejsventil For at sikre fleksibilitet ved forskellige kølebehov og udetemperaturer, er det nødvendigt at kunne regulere på anlægskomponenterne. I sommerperioden hvor kølebehovet er størst, gennemstrømmes trevejsventilen med et flow på 77,13 m 3 /h, hvilket er den dimensionerende faktor for valget af trevejsventilen. Ved kontakt til Karsten Jakobsen fra Belimo med ovenstående flow, lød anbefalingen på en Belimo H779N trevejsventil med K VS -værdi på 90 m 3 /h. Ydermere kunne oplyses, at trykfaldet over trevejsventilen ved et flow på 77 m 3 /h er 71 kpa. Ved et flow på 53,56 m 3 /h er trykfaldet 38 kpa. Denne information har betydning for valget af pumpen. Figur 8 - Trevejsventilens stilling i sommerdrift (Redigeret fra bilag 7) Figur 9 - Trevejsventilens stilling i vinterdrift (Redigeret fra bilag 7) Trevejsventilen kan operere med ethylenglykolblandinger på op til 50 %, hvilket er passende for denne brinekreds. Trevejsventilen har tre porte, herunder A, B og AB. Flowet kommer enten til ventilens port A eller port B. Herfra strømmer brinen ud af port AB, der sendes videre til vandchillerne. Væskestrømmen i hver port er afhængig af ventilens stilling. I denne køleløsning er trevejsventilens opgave at opdele brineflowet, således at brinen strømmer gennem frikøleren, når denne kan bidrage med køling. Dette foregår ved at sende brinen gennem port B, illustreret på figur 10. Når frikøleren ikke kan bidrage til køling ledes flowet udenom frikøleren gennem port A og videre til vandchillerne, hvilket er illustreret på figur 9. Ydermere sidder reduktioner i forbindelse med trevejsventilen og i dette tilfælde går rørsystemet fra 6 til 4 i samlingen med trevejsventilen. Umiddelbart virker det voldsomt med en reduktion af den størrelse, men i et kølesystem ønskes det at trevejsventilen har en dominerende rolle, da det er denne der bestemmer flowretningen videre i systemet Henrik Jeppesen, Serviceleder køl Glenco A/S Side 22 af 69

24 Pumpe En af faktorerne der gør sig gældende er hvilket flow pumpen skal kunne levere. Dernæst skal der vurderes om systemet er åbent eller lukket, hvilket er afgørende for den statiske løftehøjde. I dette tilfælde er systemet lukket og den statiske løftehøjde er derfor lig 0 m 20. De fysiske rammer som køleløsningen forventes at få på GM Plast A/S matrikel gør, at den samlede rørstrækning vil løbe op i 50 meter. I denne type køleløsning, hvor temperaturdifferensen på brinekredsen er lav, er det fordelagtigt at anvende rør med stor diameter. Dette giver mindre omkreds af røret i forhold til arealet, hvilket giver mindre friktionstab. Ligeledes påtænkes det at anvende polyethylen rør, der i sig selv er meget glatte. Den ruhed for dette materiale er 0,01 mm 21. På bilag 12 er det muligt at se beregningen i Coolpack for trykfaldet i rørstrækningen ved ovennævnte forudsætninger. Brinen vil i vinterdrift under sit forløb passere trevejsventilen, frikøleren, vandchillerne og pladeveksleren, hvilket giver anledning til et stort trykfald. I sommerdrift føres brinen udenom frikøleren, hvilket giver et anderledes trykfald. I nedenstående tabel undersøges hvilken driftssituation, der har det højeste trykfald. Komponent Sommerdrift Vinterdrift Reference Trykfald Reference Flow Trykfald Flow [m 3 /h] [kpa] [m 3 /h] [kpa] Belimo trevejsventil H779N 77,13 71 Belimo 53,56 38 Belimo Clint CHA/DK 604-P 38,5 73,9 Bilag 8 Bilag 9 26,78 30,25 side 14 Clint CHA/DK 604-P 38,5 73,9 Bilag 8 Bilag 9 26,78 30,25 side 14 Luvata KCE 812B5-D W100 V 51,01 92,3 Bilag 4 Sondex S47-IG TMTL75-LIQUID 75 49,73 Bilag Bilag 6 Rørstrækning 77,13 4,23 Bilag 12 53,56 2,2 Bilag 12 Total 272, Igennem disse komponenter er der 272,76 kpa i trykfald. Selvom frikøleren ikke anvendes i sommerdriften, er det stadig denne drift, der er dimensionerende for pumpen. Nedenstående udregning fortæller hvad dette trykfald er i meter. 3 p tot 272,76 10 H 26,7m g 1041,8 9,82 Da løftehøjden og flowet er bestemt, er det muligt at finde en pumpe. For en sikkerhedsskyld vælges flowet til 78 m 3 /h og løftehøjden til 30 m, for at tage højde for fittings. Ved hjælp af Grundfos WEBCAPS under dimensionering lykkedes det at finde frem til en frekvensreguleret cirkulationspumpe ved navn TPE /4-S. Som det fremgår af denne pumpes datablad på bilag 16 er mærkeeffekten på 11 kw. Denne mærkeeffekt anvendes i afsnittet i energianalysen. 20 Grundfos Centrifugalpumpen 21 Den lille blå om Sparepumper s. 29. Side 23 af 69

25 Vandchiller En vandchiller er en enhed, der består af en primær- og sekundærkreds, hvor der henholdsvis befinder sig konventionelt kølemiddel og en brine i kredsene. I vandchilleren er kompressorer, fordamper, kondensator, drøvleorgan, kølemiddel og andet nødvendigt udstyr placeret i et kabinet. Denne vandchillerenhed er fabriksfremstillet, dokumenteret til gældende forhold, afprøvet og klar til brug. På sekundærkredsens studser monteres rør ud til kølestederne. Den helt store fordel ved anvendelse af vandchillere er at den primære kølekreds sidder i vandchillerenheden og derfor ikke har lange rørtræk ud til kølestederne. Dette kan begrænse kølemiddelfyldningen og risikoen for lækager 22. Dette er derfor en ualmindelig attraktiv løsning i Danmark, eftersom den nuværende lovgivning bestemmer at hver kølekreds i et anlæg maksimalt må indeholde 10 kg HFC-kølemiddel 23. I tilfælde af lækage med tilhørende reparation i den primære kølekreds har kølemiddelfyldningen en betydende faktor. Her kan maksimalt sive 10 kg kølemiddel ud, fremfor eksempelvis 110 kg, som de ældre R22 køleanlæg fik påfyldt. Vandchillerne er valgt på baggrund af den effektomsætning, der forekommer i den førnævnte pladeveksler. Ved kontakt til Morten Konge fra Ahlsell ApS med ovenstående kuldeydelse samt brinekonditioner i sekundærkredsen, blev der fundet frem til en Clint CHA/DK 604-P. Der findes større vandchilleranlæg i denne serie hos producenten, men disse kan ikke operere lovligt under danske forhold, da kølemiddel fyldningen er for stor. Derfor placeres to vandchillere af den valgte størrelse parallelt. I henhold til bilag 8, er denne vandchiller luftkølet med tre aksialventilatorer til bortskaffelse af varme fra kondensatoren. På hver kreds sidder to hermetiske scrollkompressorer parallelt, der enkeltvis kan ind- og udkobles. Det vil sige at der sidder fire kompressorer i det samlede vandchilleranlæg. Med denne opbygning kan det enkelte vandchilleranlæg kapacitetsreguleres i fem niveauer på henholdsvis 0 %, 25 %, 50 %, 75 % og 100 % afhængigt af hvilket antal kompressorer der er koblet ind. Vandchillernes fysiske placering er udendørs. Dette betyder at den omkring liggende temperatur varierer meget henover året. Vandchillerne er lagt ud fra 30 C og denne udetemperatur er tænkt som det værste tilfælde, altså den højest forekommelige udetemperatur, hvor anlægget optager mest eleffekt og yder den laveste køleydelse 24. Omgivelsestemperatur [ C] 30 Kølekapacitet [kw køl] 202 Power input [kw el] 52,4 Beregnet COP 3,85 Anlægget vil derfor i værste tilfælde operere med en COP-værdi på 3,85 når vandchilleren kører med samtlige kompressorer. COP-værdien for vandchilleren falder, jo færre kompressorer der er i drift. Dette beskrives nærmere i energianalyse afsnittet. I det efterfølgende beskrives vandchillerens primære kreds. 22 Eigil Nielsen - Noget om Køl - Bind I - s Eigil Nielsen - Noget om Køl - Bind I - s Morten Konge Ahlsell ApS Side 24 af 69

26 Figur 10 - Clint CHA/DK 604-P Refrigeration circuit diagram (Redigeret fra Bilag 9 side 16) Ovenstående diagram illustrerer vandchillerens primære kølekreds. Diagrammet er en redigeret udgave i forhold til diagrammet på side 16 i bilag 9. Dette skyldes at kølekredsen her dækker over en hel serie af vandchillere. Diagrammet er derfor tilpasset Clint CHA/DK 604-P. Som det fremgår, er de to lukkede kølekredse identiske. Hver kreds har to kompressorer placeret parallelt. I hver kompressor er monteret et varmelegeme, der sikrer at kompressorolien har den rette temperatur. På tryksiden af kompressorerne sidder en højtrykspressostat. Denne er en sikkerhedsanordning således at kompressorerne ikke fortsætter med at køre, hvis der opstår for højt tryk. Dernæst føres rørene for hver kølekreds adskilte ind i kondensatoren. Efterfølgende er kølemidlet underkølet og fortsætter gennem tørfilteret. Inden ekspansionsventilen sidder et skueglas, der giver en indikation om dampbobler eller skadeligt vandindhold er til stede i kølemidlet. Rørene føres for hver kølekreds ind i fordamperen, som fungerer som en pladeveksler. Efterfølgende møder kølemidlet en lavtrykspressostat, der sidder før kompressorens sugeside. Normalt indeholder denne vandchiller samlet 32 kg R410A i begge kølekredse. I henhold til danske regler omkring kølemiddelfyldning af denne type, overskrides den tilladte grænse på 10 kg i hver kølekreds. For at imødekomme denne udfordring, er der fra fabrikkens side indbygget en microchannel kondensator, hvilket er en teknologi der kan nedbringe kølemiddelfyldningen uden at kølekapaciteten forringes 25. Denne vandchiller med microchannel kondensator har under danske forudsætninger en samlet kølemiddelfyldning på 12,8 kg. 25 Morten Konge Ahlsell ApS Side 25 af 69

27 Figur 11 - Clint 604-P Diagram over sekundærkreds (Redigeret bilag 9 side 18) Diagrammet er en redigeret udgave i forhold til diagrammet på side 18 i bilag 9. Dette skyldes at kredsen her dækker over en løsning med alt tilbehør, hvor dette diagram viser den aktuelle løsning. Brinen kommer ind i tanken, hvori der sidder ventiler for vandaftapning, udluftning og sikkerhed. Et varmelegeme er placeret i henholdsvis fordamperen og tanken, der er en del af vinterstyringen, der er tilgængelig for produktet. I den resterende del af kredsen sidder antifrost sensor, ekspansionsbeholder, pumpe samt en kontraventil. Den øvrige køleløsning påmonteres på in og out. I forhold til Glenco s fremsatte køleløsning, er det bemærkelsesværdigt at løsningen ligger op til at have en pumpe i hver vandchiller, når der i forvejen sidder en pumpe til at regulere brineflowet. Dette vil naturligvis bidrage til højere anlægsomkostninger af vandchillerne. Derimod ville det give større fleksibilitet af systemet, hvis Grundfos pumpen er udstyret med et bypass. Her ville pumpen i hver vandchiller kunne sætte ind i tilfælde af nedbrud eller planlagt vedligehold af Grundfos pumpen. Alternativt kunne pumperne i vandchillerne fravælges, for dernæst at placere en pumpe parallelt med pumpen i den fremsatte løsning. Ligeledes ville det være optimalt at kunne lede brinen udenom vandchillerne, for at undgå tryktabene. Dette sænker løftehøjden på pumpen. Dette ville dog kræve en ekstra reguleringsventil til at udføre sådan et bypass. En andet bemærkelsesværdigt element i Glenco s fremsatte køleløsning, er at brinen opdeles i et t- stykke til hver vandchiller. I stedet for at sende brinen gennem begge vandchillere på tidspunkter hvor frikøleren har begrænset køleydelse, kunne brinen udelukkende føres gennem den ene. Dette betyder at det kun er det ene sæt ventilatorer, der startes op, hvilket giver et mindre elforbrug. Ved nærmere undersøgelse vil dette resultere i forøget hastighed på brinen, hvilket bidrager til et højere trykfald. 54 m 3 /h er svarende til et flow på 15,6 L/s. På side 14 i bilag 9, kan det ses at dette flow er uden for skala. Havde flowet været en anelse mindre, ville trykfaldet over vandchilleren stadig være uden for skala, hvilket indikerer at denne løsning driftsmæssigt ville være en dårlig idé. Ydermere ville det øgede trykfald bidrage til større løftehøjde og forøge risikoen for kavitation på pumpen. Side 26 af 69

28 Frikøler Idéen med frikøleren er at denne skulle kunne dække det fulde kølebehov i vinterperioden. Med disse forudsætninger ligges frikøleren ud fra en ønsket ydelse på 280 kw ved en omgivelsestemperatur på 9 C. Denne udetemperatur er valgt for at sikre en tilstrækkelig temperaturdifferens på omgivelsestemperaturen og fremløbstemperaturen på brinen. Temperaturdifferensen er på 2 K. Frikølerydelse = 272,2 kw Afkasttemperatur = 12,7 C Brine outlet = 11 C V = 51 m3 h Brine inlet = 16 C Omgivelsestemperatur = 9 C Figur 12 - Frikøler konditioner (Egen produktion) I samarbejde med Morten Konge og Henrik Jeppesen lykkedes det at finde frem til Luvata ECO KCE 812B5-D W100 V. I henhold til bilag 4, har denne 272,2 kw køleydelse ved ovenstående forudsætninger, hvilket er ganske tæt på den ønskede køleydelse. Denne frikøler har tolv aksialventilatorer á 800 mm i diameter. Ventilatorerne suger luften nedefra og blæser den op gennem rørføringen, hvori brinen løber. Motorerne der er koblet på ventilatorerne er asynkronmotorer med forsyningsspænding på 3x400 Volt. Frikøleren har to indstillingsmuligheder af luftflowet, hvor reguleringen af ventilatorhastigheden foregår ved trekant/stjerne omskiftning. Viklingerne i motorerne udsættes derfor for kvadratrod 3 mindre spænding, hvilket betyder at motorerne slipreguleres 26. Luftflowet kan således variere fra m 3 /h til m 3 /h. Dette fremgår af beregningsarket for driftssituationen på bilag 2 og bilag 4. Denne frikøler er i standardudgaven udstyret med ovenstående styring af spændingsforsyningen på ventilatorerne. Dog er det muligt at få frikøleren med frekvensregulering, således at ventilatorerne opererer ved flere forskellige hastigheder. Disse to reguleringsmuligheder analyseres i et senere afsnit i rapporten. 26 Elektriske Maskiner 4. udgave - Side 267 Side 27 af 69

29 Brine I brinekredsen forefindes en væske, hvis egenskaber er vigtige for funktionaliteten af køleløsningen. Undervejs løber brinen i rørstrækninger placeret udendørs. I vinterperioden er der derfor stor risiko for at udetemperaturen når under vandets frysepunkt på 0 C. Vand udvider sig ved faseskift fra væske til is og kan give alvorlige skader på anlægskomponenterne i form af frostsprængninger. Det er derfor nødvendigt at frostsikre anlægget ved at tilføre et tilsætningsmateriale til vandet. Ligeledes er det af stor betydning at anvende behandlet vand, i form af demineraliseret vand. Dette er frigjort for kalk, salt og lignende elementer. Ydermere bidrager dette til færre belægninger på indersiden af rørene. Der findes en lang række tilsætningsprodukter der kan anvendes som brine. Hos Glenco A/S benyttes hovedsageligt en demineraliseret vand og ethylenglykol i blandingsforholdet 30 %. Ved denne opblanding sænkes frysepunktet for væsken ned til -14,6 C, hvilket giver en langt bedre frostsikring. Foruden frostsikringen af væsken bidrager ethylenglykolen ligeledes til korrosionsbeskyttelse af anlægskomponenterne. Det er vigtigt at have den rigtige ethylenglykolblanding påfyldt anlægget. Hvis der er for lidt ethylenglykol, forringes korrosionsbeskyttelsen og frostsikringen. Hvis tilfældet er for meget ethylenglykol, forbedres de førnævnte faktorer, men eftersom ethylenglykol har en ringere specifik varmekapacitet end vand, vil det resultere i forringet varmeovergang i pladeveksleren og frikøleren. Ethylenglykolblandinger kan anskaffes i færdigblandinger, således at på- og efterfyldninger har det helt rigtige blandingsforhold. Ethylenglykol har ligeledes den egenskab at det indeholder antiskummende additiver, der sikrer at væsken forbliver et transportabelt medie i cirkulationspumpen 27. Et andet glykolprodukt, der er på markedet er propylenglykol. Grunden til at ethylenglykol anvendes i stedet, er at dette har bedre varmeledningsevne og mindre kinematisk viskositet end propylenglykol. Jo lavere kinematisk viskositet på glykolen er jo mindre bliver friktionstabet i rørene, hvilket giver lavere løftehøjde for pumpen. Propylenglykol anvendes i forbindelse med komfortventilation og fødevareindustri, da det ikke er nær så giftigt som ethylenglykol. Ved indtagelse af ethylenglykol i relativt små doser bliver nyrerne ødelagt. Allerede ved 100 ml er det en dødelig dosis. Derfor anvendes ethylenglykol ikke som sekundært kølemiddel til fødevarer. Ethylenglykolblandingen, der befinder sig i brinekredsen, bør analyseres en gang årligt, da ydelsen på det samlede anlæg er stærkt afhængig af kvaliteten af brinen. En anden væsentlig faktor for ethylenglykolblandingen er bakterievæksten. Høj bakterievækst kan bidrage til biofilm på indersiden af rørene i anlægget. Dette kan forringe varmeledningsevnen i pladeveksleren, frikøleren og vandchillerne med op til 30 %. I en ethylenglykolkreds bør man tilstræbe sig at undgå iltindtrængning. Selvom kredsen opererer med overtryk, kan der omkring ventiler opstå turbulens, hvilket kan medføre undertryk og suge luft ind fra pakninger der ikke er 100 % tæt. Kommer ethylenglykolen i forbindelse med ilt bliver dette surt, hvilket kan virke korroderende for de øvrige anlægskomponenter. Urenheder kan ligeledes belaste de korrosionsbeskyttende tilsætningsstoffer i ethylenglykolen side Side 28 af 69

30 Alternativ løsning Ved projektering og salg af køleanlæg til virksomheder er tendensen, at fokusset er på anlægsomkostningerne. Fra virksomhedens side bliver emner som miljø, kvalitet og langsigtet besparelse af elforbrug ofte nedprioriteret i forhold til anlægsomkostningerne. Det fremsatte tilbud til GM Plast A/S har været gennem adskillige forhandlingsrunder, hvor anlægsomkostningerne har været i højsædet. Vandchilleren er valgt på baggrund af dette og anvender kølemidlet R410A. Dette er et kølemiddel uden klorindhold, hvilket betyder at det har et ODP på 0. Foruden dette har kølemidlet et GWP på Til forskel fra R22 påvirker R410A ikke ozonlaget i negativ retning, men derimod har R410A en højere påvirkning på den globale opvarmning. Alternativt kunne der anvendes køleanlæg med naturlige kølemidler, såsom propan. Set ud fra et omkostningsmæssigt perspektiv er disse anlæg dyrere i indkøb, men kan derimod indeholde meget større kølemiddelfyldning 30. Propan, også kendt som R290, har nogle bedre miljømæssige egenskaber, da ODP er på 0 og GWP er på 3. Dette er væsentlig bedre end hvad R410A kan præstere. Propan er yderst brandfarligt og kræver naturligvis at der tages forbehold for dette. Afgifterne på HFC-kølemidler er i øjeblikket enormt høje. Afgiften R410A ligger på 313 kr. pr. kg, hvor naturlige kølemidler ikke er pålagt denne afgift. Den 1. april 2011 har afgifterne på HFC-kølemidler været udsat for en stigning på 50 % 31. Dette er fra miljøstyrelsens side påtænkt som en motivation til at anvende naturlige kølemidler fremadrettet. Ligeledes vil HFC-kølemidler inden en overskuelig fremtid udfases 32. Dette betyder at fremtidsperspektivet for propan køleanlæg er mere bæredygtigt end køleanlæg med HFC-kølemidler. Et alternativ til de to vandchillere kunne derfor være et luftkølet vandkøleanlæg ved navn AWC360 fra Bundgaard Køleteknik A/S. Dette firma er specialister inden for konstruktioner af propan køleanlæg. I henhold til bilag 14 har denne en ydelse på 366 kw ved vandtemperaturer 7 C og 12 C. Denne udlægning er dog ikke for ethylenglykol 30 % med brinetemperaturer på 11 C og 16 C. Igennem dialog med Erik Bundgaard fra Bundgaard Køleteknik A/S berettes at dette vandkøleanlæg stadig er passende til ovenstående brinekonditioner. Ovennævnte propan køleanlæg vil ikke blive udspecificeret yderligere. Derimod bliver de valgte køleenheder analyseret i efterfølgende afsnit Henrik Jeppesen - Serviceleder køl Erik Bundgaard - Bundgaard Køleteknik A/S Side 29 af 69

31 Energianalyse Ny køleløsning I tilbuddet som Glenco A/S fremsatte til GM Plast A/S er frikøleren valgt med fast omdrejningstal på ventilatorerne. Eftersom reguleringen af ventilatorerne kan udføres på flere måder, vil der i det efterfølgende analyseres på den valgte frikøler med nedenstående reguleringsmuligheder. Dette vil danne grundlag for viderebearbejdning af elbesparelsen ved det forudbestemte kølebehov fremsat af GM Plast A/S. - Fast indstillet hastighed på ventilatorerne, der reguleres via trekant/stjernekobling af elforsyningen. Dette giver mulighed for to hastighedstrin på ventilatorerne. Frikølerydelsen forløber sig lineært med udetemperaturen Variabel hastighed på ventilatorerne reguleret af en frekvensomformer. Dette giver mulighed for at tilpasse ventilatorhastigheden til udetemperaturen. I analysen er følgende antagelser gjort for at simplificere: - Samtlige ydelser i sekundærkredsen tager udgangspunkt i at operere med ethylenglykol i 30 % opblanding, hvor T RETUR = 16 C og T FREM = 11 C. - Kølebehovet antages at være konstant i perioder, hvor frikøleren anvendes og tager udgangspunkt i 280 kw. I dette kølebehov er pumpens varmebidrag til brinen inkluderet. - Frikøleren har altid tilstrækkelig kølig luft uanset udendørsplaceringen til at operere optimalt under de givne udetemperaturer. - Frikølerens luftindtag bliver ikke påvirket af afkastluften, vind eller nedbør. - Den relative fugtighed påvirker ikke frikølerydelsen. - Ventilatorerne påvirker ikke med varme til luften, der sendes gennem frikøleren. - Tiden fra køleanlæggene får signal til at starte køleprocessen og til denne har opnået sin virkning, går der ofte lang tid 34. Dette tidsrum er umuligt at forudsige før en indregulering af det fysiske køleanlæg finder sted. Derfor betragtes denne faktor ikke som en del af analysen. I det efterfølgende vil frikølerens egenskaber betragtes i forhold til udetemperaturen, når ventilatorerne kører med fast omdrejningstal. Idéen er at sammenligne frikølerydelserne i henholdsvis trekant- og stjernekobling og undersøge hvorledes disse kan fungere i sammenspil med vandchillerne. I denne proces vurderes ligeledes, hvornår køleydelsen af de forskellige køleenheder er højest med mindst eleffekt. I bestemmelsen af frikølerydelsen, er det nødvendigt at inddrage matematik og anvende informationer fra beregningsoversigterne. For at kunne fremstille en lineærfunktion, skal to punkter kendes. I dette tilfælde tages udgangspunkt i frikøleren ved udetemperaturer på 8 C og 9 C i henholdsvis trekant- og stjernekobling. Som det fremgår af bilagene 1, 2, 3 og 4, kan nedenstående punkter udledes. 33 Morten Konge - Ahlsell ApS 34 T. Heilmann - Praktisk Regulering og Instrumentering - side 28 Side 30 af 69

32 Δ-kobling T UDE = 8 C Q = 351 kw T UDE = 9 C Q = 272,2 kw Y-kobling T UDE = 8 C Q = 271,7 kw T UDE = 9 C Q = 212,8 kw Værdierne i ovenstående tabel omsættes til punkter, hvorefter de indsættes i en punktserie og udarbejdes til en funktionsforskrift. Punkterne i serien indtastes i Graph.exe og funktionsforskrifterne, der er synlige i højre side af diagrammet er fremstillet ved hjælp af tendenslinjer. På nedenstående diagram er frikølerydelserne vist som funktion af udetemperaturen i henholdsvis trekant- og stjernekobling. Figur 13 - Frikølerydelser i henholdsvis trekant- og stjernekobling (Egen produktion) Den røde linje beskriver frikølerydelsens forløb i trekantkobling, hvor den sorte linje viser frikølerydelsen i stjernekobling. Funktionsforskrifterne for frikølerydelserne er som følgende: kobling : f x 78,8x 981,4 Y kobling : f x 58,9x 742,9 Som det fremgår af ovenstående funktionsforskrift for trekantskoblingen stiger frikølerydelsen med 78,8 kw for hver grad udetemperaturen falder og ved 0 C er frikølerydelsen på 981,4 kw. Derudover kan det ses at, ved 12 C er muligheden for frikøling i trekantkobling begrænset. Funktionsforskriften for stjernekoblingen fortæller at frikølerydelsen stiger 58,9 kw hver gang udetemperaturen falder 1 C og at denne er 742,9 kw ved 0 C. Ligesom trekantkoblingen er stjernekoblingen begrænset ved 12 C. Dette punkt er interessant, eftersom frikølerydelserne skærer hinanden. Side 31 af 69

33 Her kan frikøleren i stjernekobling bidrage med højere ydelse, men den ekstra frikølerydelse i forhold til diagrammet, er så lille, at der ses bort fra dette. På grund af den lave temperaturforskel på luften og brinekredsens setpunkt, kan der ikke omsættes samme effekt. Det er ikke muligt at nedkøle brinen koldere end udetemperaturen, hvilket betyder at frikøleren opnår begrænset ydelse. Ved at indsætte en funktion, der beskriver kølebehov med udgangspunkt i ovenstående graf, er det muligt at se, hvornår det er fordelagtigt at anvende stjernekobling fremfor trekantkobling og omvendt. Funktionsforskriften for kølebehovet bliver derfor f x 280 og kan bemærkes indskrevet i nedenstående graf. Figur 14 - Anvendelsesområder af frikøler og vandchiller i forhold til udetemperatur ved kølebehov på 280 kw (Egen produktion) Som det fremgår af de ovenstående diagrammer forekommer der perioder, hvor frikølerens ydelse er højere end kølebehovet. Det er i disse perioder, hvor en overproduktion af køling er til stede. Derudover viser ovenstående graf frikølerydelserne og kølebehovet som funktion af udetemperaturen. Som det kan antydes, er kølebehovet opdelt i tre skraverede områder, der repræsenterer hver deres køleenhed. Grafen viser at det øjeblikkelige kølebehov kan dækkes med frikøleren koblet i stjerne under 7,75 C. Når udetemperaturen er over 7,75 C omskiftes fra stjerne til trekant på forsyningen. Efter 9 C begynder frikøleren koblet i trekant ikke at kunne dække det øjeblikkelige kølebehov fuldt ud længere. Det er nu nødvendigt for vandchillernes kølekompressorer at starte op, for at nedkøle brinen det sidste. Jo højere udetemperaturen bliver des mere er det nødvendigt at anvende vandchillerne. Ved 12,5 C er det ikke muligt at hente frikøl længere og vandchillerne skal dække hele kølebehovet. Før udetemperaturen når 12,5 C vil frikøleren på et tidspunkt have så lav ydelse at vandchillernes COP-værdi er højere end frikølerens. Her skal frikøleren naturligvis kobles fra. Normalt ville en styring til denne type køleløsning have en skæringstemperatur, hvor vandchillerne udelukkende kører, når udetemperaturen når en bestemt værdi 35. Som det fremgår af ovenstående diagram, kan 35 Henrik Rasmussen - Serviceleder automatik - Glenco A/S Side 32 af 69

34 der stadig hentes køling fra frikøleren ved relativ høj udetemperatur. Nedenstående udregning beskriver, hvilken udetemperatur, der er skæringstemperaturen. I databladet på bilag 3, for frikøleren koblet i trekant fremgår det, at denne har en eleffekt på 19,68 kw. COP Vandchiller Q P Frikøler frikøler Q COP P Q Frikøler Vandchiller frikøler Frikøler 3,85 19,68 75,7kW Nu kan denne ydelse indsættes i funktionsforskriften for frikølerydelsen. 981,4 75,7 75,7 78,8 x 981,4 x 11,5 C 78,8 Dermed skal vandchillerne altid være i drift, når udetemperaturen overstiger 11,5 C, for at opnår bedst driftsøkonomi. -12,5 C 7,75 C 7,75 C 11,5 C 11,5 C 30 C Frikøler Frikøler Vandchiller Stjernekobling Trekantkobling Af driftsmæssig sikkerhed, er det nødvendigt at stoppe ventilatorerne i frikøleren et par grader før frysepunktet på brinen opnås. Ethylenglykolblandingen har et frysepunkt på -14,6 C, hvilket betyder at frikøleren vil køre ned til -12,5 C. I tilfælde af ukorrekt blanding i brinen, giver dette ligeledes en sikkerhedsmargen i forhold frostsprængninger. Med de fremstillede funktionsforskrifter for frikøleren, vil det være interessant, at se hvorledes frikølerydelserne vil forløbe sig over et bestemt døgn. Til dette formål er det nødvendigt at fremskaffe temperaturdata med et passende tidsinterval. En middeltemperatur for døgnet ville gøre beregningerne nemmere, men som det fremgår af nedenstående temperaturoversigt henover døgnet, varierer den med 4,5 C. Det ville derfor give et forkert billede af den øjeblikkelige frikølerydelse ved anvendelse af middeltemperaturen. Side 33 af 69

35 Figur 15 - Temperaturer for hver time i Horsens/Bygholm d. 17. oktober 2012 (DMI.dk) Ovenstående graf er hentet fra DMI s hjemmeside og viser udetemperaturen time for time over et døgn i Horsens/Bygholm med beliggenhed tæt på Hedensted. Udetemperaturer er derfor aflæst for hver time og indsat i funktionsforskriften for de to frikølerydelser. Nedenstående tabel viser en udregning af den øjeblikkelige frikølerydelse. Tidspunkt Udetemperatur [ C] Trekant Stjerne 0 8,7 Q Q 78,8 8,7 981,4 295,8 kw Q 58,9 8,7 742,9 Y Q 230,5 kw Y Resterende frikølerydelser henover døgnet kan findes i bilag 10. Som det fremgår af bilaget kan det bedre betale sig at køre i stjernekobling i perioden fra kl til og med kl , da udetemperaturen er under 7,75 C. Disse øjeblikkelige frikølerydelser for hver time indsættes i et diagram. Dette gør det muligt at sammenligne de øjeblikkelige frikølerydelser med det fulde kølebehov i vinterdrift. Diagrammet tager udgangspunkt i en produktionsdag fra kl. 7 til kl. 16 og sammenligningen er udført i nedenstående diagram. Side 34 af 69

36 Figur 16 - Øjeblikkelig frikølerydelse d. 17. oktober (Egen produktion) Kurvene angiver hvor stor en del af det øjeblikkelige kølebehov der kan dækkes af frikøling. Som det kan antydes ligger kølebehovet konstant på 280 kw. Mellem 7.00 og kan det ses at frikøleren kan dække hele kølebehovet. Efter og til 16.00, hvor kølebehovet er højere end frikølerydelsen, er det nødvendigt at opstarte vandchillerne. Figur 17 - Ujævnheder i frikølerydelse som funktion af udetemperaturen (Egen produktion) Ventilatorerne på frikøleren kører med fast hastighed, hvilket betyder at ventilatorerne kører on/off for at opretholde køleydelsen. Når frikølerydelsen er høj, vil ventilatorerne koble ind og ud hyppigere end ved lavere frikølerydelse. Dette, sammen med høje startstrømme ved opstart vil give ujævnheder i eleffekten på ventilatorerne. Indkoblingstidspunkterne er svære at bedømme, hvilket betyder, at der ses bort fra ujævnheder i eleffekten. Eleffekten antages derfor at være konstant. Eftersom vandchillerne ligeledes kører on/off, ses der også bort fra ujævnheder i eleffekten ved gennemgang af disse. Side 35 af 69

37 Arealet under kurvene i forhold til x-aksen er et udtryk for energiforbruget, eftersom enheden kw multipliceres med antallet af timer. Energibesparelsen findes ved at tage arealet for det samlede kølebehov og fratrække arealet for frikølerydelsen. Arealet under frikølerydelseskurven kan ligeledes findes ved hjælp af Graph og er illustreret nedenstående. Figur 18 - Kølebehov dækket af frikøler (Egen produktion) Ovenstående graf viser at frikøleren kan levere 1746,25 kwh køl fra kl. 7 til kl. 16. Ved nærmere aflæsning er det muligt at se at toppen af frikølerydelsen er skåret af mellem 7.00 og Her er kølebehovet dækket fuldt ind og overproduktionen fra frikøleren anvendes ikke, da det ikke er rentabelt at overproducere køl ved uændret elforbrug på ventilatorerne. Arealet mellem kølebehovet på 280 kw og punktserierne udtrykker det område, hvor vandchillerne supplerer frikøleren. Ved at beregne det samlede kølebehov for perioden og dernæst fratrække frikølerdækningen, er det muligt at finde frem til vandchillernes nødvendige kølebidrag. Q frikøler 1746,25 kwh Q Q tid kwh behov behov Q Q Q ,25 774,75 kwh Vandchiller behov frikøler Vandchilleren skal over denne produktionsperiode derfor bidrage med 774,75 kwh fremfor 2520 kwh. For at kunne anvende denne kølebesparelse på vandchillerne i et økonomisk perspektiv er det nødvendigt at undersøge, hvor højt elforbruget er for de enkelte køleenheder. Da frikøleren denne dag er koblet i stjerne to timer ud af de ni timer, er det nødvendigt at tage højde for det. Side 36 af 69

38 I henhold til databladene for frikøleren koblet i stjerne på bilag 1 har denne en eleffekt på 13,2 kw. Det er nu muligt at beregne, hvad elforbruget for frikøleren er. PFrikøler 19, , ,2 kwh el For at redegøre for elforbruget som vandchillerne anvender til at dække det resterende kølebehov, er det først nødvendigt at analyse vandchillernes eleffekter. Grundet konstruktionen af de parallelt siddende vandchillere, vil brinen løbe ind i dem begge, hvilket nødvendiggør, at begge vandchillere startes op for at sikre den rigtige fremløbstemperatur. Derudover er denne type vandchillere ikke frekvensreguleret, hvilket gør det nødvendigt at tage forbehold for denne reguleringstype. I det øjeblik en af kompressorerne i hver vandchiller starter op, starter alle ventilatorer ligeledes. I henhold til databladet vandchillerne på bilag 8 er ventilatorernes eleffekt på 5,6 kw. Eleffekten på kompressorerne ved fuld last er 46,8 kw. Hver kompressor bruger en fjerdedel af den samlede eleffekt 36. Ud fra nedenstående formel kan eleffekten bestemmes i de forskellige trin vandchillerne kører i. P EL n 2 46,8 5,6 4 Trin Antal kompressorer niveauer COP Kapacitets Beregnet Eleffekt [kw] Køleydelse [kw] 0 0 % I 2 25 % 34, ,92 II 4 50 % ,48 III 6 75 % 81, ,72 IV % 104, ,85 For at komme videre skal det bestemmes hvor længe de forskellige trin varer henover dagen. 36 Carsten Chlemensen - Tidligere underviser på Aams. Side 37 af 69

39 Figur 19 - Indkobling af vandchillere i forskellige trin (Egen produktion) Som det fremgår af ovenstående diagram kan det ses hvor lang tid de forskellige trin i vandchillerne skal være koblet ind. Trin II har længst indkoblingstid, efterfulgt af trin I, og til sidst trin III. Vandchillernes fulde kølekapacitet bliver ikke anvendt. Nedenstående tider er aflæst på diagrammet. Trin I II III II I Tid [h] 10,5 11,35 11,35 12,9 12,9 13,2 13,2 15,4 15,4 16 Akkumuleret tid [h] 0,85 1,55 0,3 2,2 0,6 De forskellige trin i vandchillerne har forskellige COP-værdier, og for at regne det samlede elforbrug ud, er det nødvendigt at finde arealet af arbejdsområderne af trinene. Eftersom Graph.exe kun kan finde arealet mellem x-aksen og punktserien, er det nødvendigt at benytte dette areal, for at trække det fra det samlede kølebehov i perioden. Side 38 af 69

40 Figur 20 - Elforbrug over de forskellige trin (Egen produktion) Som det fremgår af ovenstående diagram, er arealet mellem punktserien og x-aksen 189,7 kwh. Med udgangspunkt i det samlede kølebehov for perioden kan køleproduktionen fra trin I udregnes. QTrin I 280 0,85 189,7 48,3 kwh køl Fra tabellen omkring vandchilleren har trin I en COP-værdi på 2,92. Med denne, er det muligt at udregne elforbruget. P EL QTrin I 48,3 16,54 kwh el COP 2,92 De resterende udregninger for dagen er udført efter samme metode og indført i nedenstående tabel. Trin I II III II I COP 2,92 3,48 3,72 3,48 2,92 Akkumuleret tid [h] 0,85 1,55 0,3 2,2 0,6 Areal [kwh] 189, ,7 254,6 117,2 Total kølebehov [kwh] Vandchiller køl [kwh] 48, ,3 361,4 50,8 Elforbrug [kwh] 16,54 71, ,85 17,4 Det totale elforbrug fra vandchillerne bliver således: PEL 16,54 71, ,85 17,4 226,6 kwh el Da køleløsningen ikke fungerer uden pumpefunktionen i brinekredsen, er det nødvendigt at medregne denne i elforbruget. Som tidligere beskrevet i rapporten har pumpen en mærkeeffekt på 11 kw. Side 39 af 69

41 Da kølebehovet i løbet af dagen er konstant, skal denne pumpe ligeledes operere med samme flow i denne periode. Elforbruget på pumpen findes i nedenstående formel. P P tid kwh el EL Pumpe Nu da både elforbruget for frikøleren, vandchillerne og pumpen er kendt, kan det samlede elforbrug udregnes. PEL total 164,2 226, ,8 kwh el Havde frikøleren været ude af drift denne dag ville vandchillerne slå ind og dække hele kølebehovet. Vandchillerne ville køre i trin III, og udregningen for det totale elforbrug ser ud som følgende. Qtotal PEL Vandchiller Ppumpe ,4 kwh COP 3,72 Besparelsen ved at køre med frikøling denne dag ville derfor være 286,6 kwh. I det efterfølgende vil det blive belyst hvor meget eleffekt frikøleren anvender for at dække kølebehovet ved variabel hastighed af ventilatorerne. I forhold til diagrammet på illustration 6, er det muligt at se overkapacitet af frikøling i den første del af dagen. I dette tidsrum er potentialet til stede for yderligere besparelse. Ved forespørgsel hos Morten Konge, lykkedes det at få fremskaffet en analyse af frikøleren med variabel hastighed. Forespørgslen lød på at få en oversigt over eleffekterne på ventilatorerne med 1 C interval i temperaturområdet fra -1,5 C til 12,5 C, hvor frikølerydelsen konstant er 280 kw. I bilag 11, er det muligt at se oversigten over dette. Nedenstående diagram illustrerer eleffekten som funktion af udetemperaturen. Figur 21 - Eleffekt som funktion af udetemperaturen (Egen produktion) Side 40 af 69

42 I henhold til energioversigten på bilag 11, er det ikke muligt at hente 280 kw ved temperaturer over 8,5 C, eftersom ventilatorerne ikke kan komme op i højere hastighed. Dog vil frikøleren stadig kunne bidrage og her er det igen vandchillerens opgave at dække det resterende kølebehov. Derfor flader kurven i ovenstående diagram pludselig ud. Vandchillernes arbejdsområde ændres ikke i forhold til frikøleren ved trekant-stjerne omskiftning. Dette skyldes at ventilatorernes højeste anvendelige hastighed svarer til den hastighed, der forefindes i trekant indstillingen 37. Ligeledes er pumpens arbejdsområde heller ikke ændret, da denne igen skal sørge for et bestemt flow hele dagen. Den øjeblikkelige eleffekt tager igen udgangspunkt i timebasis og er indtegnet i nedenstående diagram. Figur 22 - Øjeblikkeligt elforbrug (Egen produktion) Ovenstående diagram fortæller at eleffekten fra er varierende. Den resterende del af dagen er eleffekten konstant. Elforbruget summeres op i det efterfølgende. Tidsrum Eleffekt [kw] Tid [h] Elforbrug [kwh] ,3 1 17, ,5 1 6, ,6 1 7, ,6 1 13, , ,4 I alt 143,4 Vandchillerens og pumpens elforbrug skal naturligvis tilføjes. Her anvendes resultaterne fra forrige afsnit. 37 Morten Konge - Ahlsell ApS Side 41 af 69

43 P P P P ,6 143,4 468,9 kwh el EL Pumpe Vandchillere Frikøler Hermed kan resultaterne for trekant-stjerne omskiftning og variabel hastighed sammenlignes. Ved trekant-stjerne omskiftning lød elforbruget på 489,8 kwh. Dette er en forskel på 20,9 kwh, som bidrager til yderligere besparelse. I forhold til elforbruget ved anvendelse af R22 køleanlæggene er besparelsen enorm stor. At gå fra 1161 kwh til 468,9 kwh er et spring på 692,1 kwh. Ovenstående beregninger tager som sagt udgangspunkt i en oktoberdag, hvor der foregår et sammenspil mellem frikøleren og vandchillerne. Hvorledes sammenspillet mellem de to køleenheder forløber sig, er forskelligt fra dag til dag. Ud fra energioversigten på bilag 11 over frikøleren med variabel hastighed på ventilatorerne, kan det ses at eleffekten ved meget lave udetemperaturer næsten ikke er eksisterende. Havde udetemperaturen været konstant -1,5 C en dag, ville frikøleren levere 280 kw med eleffekt på 279,7 W. Dette giver en COP-værdi på 1001, hvilket må siges at være yderst fordelagtigt for driftsøkonomien. I perioder hvor udetemperaturen er i dette område, er der derfor et større potentiale for besparelse på elforbruget end denne oktoberdag. Alle disse el besparelser sammenholdt med en tilbagebetalingstid på anlægsomkostningerne er meget vanskelig at bestemme. Adskillige faktorer har en afgørende rolle for det endelige resultat på dette. Som eksempler kan nævnes variationer i udetemperaturer henover de gældende år, produktionsdage og varierende kølebehov. Side 42 af 69

44 Økonomisk perspektiv Økonomisk set, er der mange faktorer der gør sig gældende hos GM Plast A/S. Som det fremgår af analysen af det nuværende R22 køleanlæg og de nye køleenheder, er der for GM Plast A/S et stort økonomisk perspektiv i at erstatte de gamle køleanlæg. Alene på besparelsen af elforbruget, kan enorme summer af penge spares årligt. Som lovgivningen foreskriver, er det tilladt at benytte R22 køleanlæg efter 1. januar 2015, men da regenereret R22 ikke kan skaffes efter denne dato, vil fortsat drift af køleanlæggene være forbundet med en stor risiko. Pludselig nedbrud af køleproduktion af procesvandet kan resultere i produktionstab. Konsekvenserne ved kølemiddeludslip i de nye anlæg er mindre, da hver kølekreds indeholder under 10 kg. Foruden dette øges kølekapaciteten således, at større produktion i sommerperioden kan udføres. GM Plast A/S står overfor en investering på den nye køleløsning. Dette er en dyr affære. For at imødekomme alt for høje anlægsomkostninger, har energistyrelsen indført et system, hvor det er muligt at søge tilskud til investeringen hos energiselskaberne i form af energisparebeviser. Energisparebeviset udføres af sagkyndig energikonsulent, der fremsender tilbuddet på investeringen. Energikonsulentens opgave er at redegøre for det nuværende elforbrug, nyt elforbrug og besparelsesomfang. Alt dette udføres i et regneark udstedet af energistyrelsen. Regnearket kan ud fra en given pris per kwh udregne hvor stort tilskuddet til virksomheden har potentiale til. Energisparebeviset danner grundlag for en aktion på et marked hvor energiselskaberne kan give bud på besparelsen. I GM Plast A/S tilfælde er det yderst attraktiv, da potentialet for store mængder energi på årlig basis kan spares. Dette tilskud bidrager til en mere fordelagtig tilbagebetalingstid på en ny køleløsning 38. Mange virksomheder i dagens Danmark er ikke klar over hvilke fordele der foreligger i at udskifte ældre køleanlæg med frikøling. Ydermere er tendensen fra virksomhedernes side, at der primært fokuseres på anlægsomkostningerne, fremfor energibesparelserne og andre fordele der medfølger i projektet på længere sigt. Dette virker som en kortfattet løsning. Udfordringen for kølevirksomhederne, der projekterer og sælger køleanlæg, bør inddrage muligheden for frikøling i tilbuddene %20dokumenter/Etablering_af_et_system_for_energisparebeviser.pdf Side 43 af 69

45 Konklusion I gennem projektet er det lykkedes at finde frem til potentialet i at anvende frikøling via luft til de gældende temperatursæt GM Plast A/S anvender til procesvandskølingen. Det er eftervist at frikøling i perioder kan dække hele kølebehovet. Ligeledes er det eftervist at de to reguleringsmuligheder frikøleren besidder forskelligt elforbrug. Ved fast ventilatorhastighed forløber frikølerydelsen sig lineært med udetemperaturen. Det har vist sig at resultere i fast eleffekt under drift. Frikøleren har ved lave temperaturer en høj ydelse og falder ved øget udetemperatur. Ved omskiftning fra trekant til stjerne har det vist sig at karakteristikken for frikølerydelsen ændres, men er stadig lineær. I perioder hvor der forekommer overproduktion af køling er det fordelagtigt at køre i stjerne, da eleffekten sænkes. I analyse afsnittet er det blevet klarlagt at variabel hastighed af ventilatorerne giver fast frikølerydelse i et bredt temperaturspænd indtil et par grader før setpunktet for brinen. Elforbruget på frikøleren ved denne reguleringsform forløber sig eksponentielt, hvilket giver et næsten ikke eksisterende elforbrug når udetemperaturen er i nærheden af frysepunktet. I analysen er udgangspunktet en oktoberdag, hvor udetemperaturen bestemmer frikølerydelsen. Reguleringen ved hjælp af variabel hastighed på ventilatorerne har vist sig at have lavere elforbrug end trekant/stjerne omskiftningen, når den øjeblikkelige frikølerydelse overstiger kølebehovet. Ved fuld belastning af frikøleren på henholdsvis fast og variabel ventilatorhastighed har elforbruget vist sig at være ens. Energi analysen af de ældre R22 køleanlæg har været en del vanskeligere, eftersom det ikke har været muligt at foretage målinger, mens anlæggene har været i drift. Ligeledes har GM Plast A/S ikke haft energimåleudstyr tilkoblet køleanlæggene. Analysen har derfor bygget på antagelser omkring virkningsgrader, overhedning, underkøling og øvrige temperatursæt. Dette har givet et estimeret bud af elforbruget på 1161 kwh. I analysen af oktoberdagen, er det klarlagt at elforbruget ved de forskellige kølemåder er: - Ældre R22 køleanlæg kwh. - Frikøler med fast hastighed inklusiv vandchiller - 489,8 kwh. - Frikøler med variabel hastighed inklusiv vandchiller - 468,9 kwh. Ud fra denne besparelse på 692,1 kwh el, kan det konkluderes, at der er store energimæssige fordele i at implementere frikøling i køleproduktionen hos GM Plast A/S. Ydermere kan det konkluderes at frikøling opnår bedre driftsøkonomi med variabel hastighed af ventilatorerne, hvis det får lov til at operere i vintermånederne. Side 44 af 69

46 Litteraturliste Bøger: Den lille blå bog om Sparepumper Claus M. Hvenegaard og Otto Paulsen (Teknologisk Institut) ISBN-nummer: udgave Noget om Køleteknik bind I Eigil Nielsen ISBN-13: udgave, bind I, 1. oplag 2010 Praktisk Regulering og Instrumentering Thomas Heilmann ISBN udgave, 4. oplag 2007 Elektriske Maskiner Poul Erik Petersen ISBN udgave, 2. oplag 2006 Centrifugalpumpen Grundfos Management A/S 1. udgave, 2. oplag 2006 Internetsider: Hvad siger loven?, Autoriserede Kølefirmaers Brancheforening Senest vist d CFC og HCFC kølemidler, Senest vist d Sikker i solen, Dzenita Basic, Senest vist d Menneskeskabt drivhuseffekt, Senest vist d Side 45 af 69

47 Refrigerant R22 - Properties Senest vist d Kølebranchens Miljøordning, Nyheder om kølemidler, Senest vist d Grundvandskøling, Senest vist d Grundvandskøling og ATES state of the art i Danmark Senest vist d Glad Long Life Ethylenglykol Senest vist d Glycoler - køleanlæggets vandbærere, HVAC Magasinet, Senest vist d Propan - det naturlige valg, Bundgaard Køleteknik A/S, Senest vist d Afgiften på HFC-gasser, Senest vist d Energistyrelsen, ater%20og%20dokumenter/etablering_af_et_system_for_energisparebeviser.pdf Senest vist d Side 46 af 69

48 Figurliste Figur 1 - Nuværende procesvandskreds (Egen produktion)... 8 Figur 2 - R22 køleanlæg med Sabroe CMO-18 kompressor (Egen produktion)... 9 Figur 3 - H logp diagram over køleproces i R22 køleanlæg med Sabroe CMO-18 kompressor (Coolpack) Figur 4 - Sabroe CMO18 kompressor - Cycle info (Coolpack) Figur 5 - Frascold W Y compressor - Cycle info (Coolpack) Figur 6 - Nyt køleløsningsforslag (Egen produktion) Figur 7 - Pladevekslerens indløb og udløb (Egen produktion) Figur 8 - Trevejsventilens stilling i sommerdrift (Redigeret fra bilag 7) Figur 9 - Trevejsventilens stilling i vinterdrift (Redigeret fra bilag 7) Figur 10 - Clint CHA/DK 604-P Refrigeration circuit diagram (Redigeret fra Bilag 9 side 16) Figur 11 - Clint 604-P Diagram over sekundærkreds (Redigeret bilag 9 side 18) Figur 12 - Frikøler konditioner (Egen produktion) Figur 13 - Frikølerydelser i henholdsvis trekant- og stjernekobling (Egen produktion) Figur 14 - Anvendelsesområder af frikøler og vandchiller i forhold til udetemperatur ved kølebehov på 280 kw (Egen produktion) Figur 15 - Temperaturer for hver time i Horsens/Bygholm d. 17. oktober 2012 (DMI.dk) Figur 16 - Øjeblikkelig frikølerydelse d. 17. oktober (Egen produktion) Figur 17 - Ujævnheder i frikølerydelse som funktion af udetemperaturen (Egen produktion) Figur 18 - Kølebehov dækket af frikøler (Egen produktion) Figur 19 - Indkobling af vandchillere i forskellige trin (Egen produktion) Figur 20 - Elforbrug over de forskellige trin (Egen produktion) Figur 21 - Eleffekt som funktion af udetemperaturen (Egen produktion) Figur 22 - Øjeblikkeligt elforbrug (Egen produktion) Forside billede - Side 47 af 69

49 Bilag Bilag 1 - Frikøler stjernekoblet ved udetemperatur på 8 C Tilsendt af Morten Konge - Ahlsell ApS Bilag 2 - Frikøler stjernekoblet ved udetemperatur på 9 C Tilsendt af Morten Konge - Ahlsell ApS Bilag 3 Frikøler trekantkoblet ved udetemperatur på 8 C Tilsendt af Morten Konge - Ahlsell ApS Bilag 4 Frikøler trekantkoblet ved udetemperatur på 9 C Tilsendt af Morten Konge - Ahlsell ApS Bilag 5 Pladeveksler Sommerdrift Tilsendt af Henrik Jørgensen - Sondex A/S Bilag 6 Pladeveksler Vinterdrift Tilsendt af Henrik Jørgensen - Sondex A/S Bilag 7 Uddrag af anlægsbog ventiler Bilag 8 - Vandchiller ved udetemperatur på 30 C Tilsendt af Morten Konge - Ahlsell ApS Bilag 9 Uddrag af datablad (Clint CHA/K 604-P) Udleveret af Henrik Jeppesen - Serviceleder, køl - Glenco A/S Bilag 10 Tabel over øjeblikkelige frikølerydelse Egne udregninger Bilag 11 - Oversigt over eleffekter ved variabel hastighed Tilsendt af Morten Konge - Ahlsell ApS Bilag 12 Tryktab regnet i coolpack Egne udregninger Bilag 13 Frascold kølekompressor Udleveret af Henrik Jeppesen - Serviceleder, køl - Glenco A/S Bilag 14 AWC R290 (Propan) - Luftkølet vandkøleanlæg Bilag 15 Væskekøleaggregat med Sabroe CMO18 kompressor Udleveret af Per Lang Sørensen - Production manager - GM Plast A/S Bilag 16 - Datablad for Grundfos TPE S A-F-A-GQQE Udarbejdet ved hjælp af Grundfos WEB CAPS - Dimensionering Side 48 af 69

50 Bilag 1 - Frikøler stjernekoblet ved udetemperatur på 8 C Side 49 af 69

51 Bilag 2 - Frikøler stjernekoblet ved udetemperatur på 9 C Side 50 af 69

52 Bilag 3 - Frikøler trekantkoblet ved udetemperatur på 8 C Side 51 af 69

53 Bilag 4 - Frikøler trekantkoblet ved udetemperatur på 9 C Side 52 af 69

54 Bilag 5 - Pladeveksler - Sommerdrift Side 53 af 69

55 Bilag 6 Pladeveksler - Vinterdrift Side 54 af 69

56 Bilag 7 Uddrag af anlægsbog ventiler Side 55 af 69

57 Bilag 8 - Vandchiller ved udetemperatur på 30 C Side 56 af 69

58 Bilag 9 Uddrag af datablad (Clint CHA/K 604-P) Side 57 af 69

59 Side 58 af 69

60 Side 59 af 69

61 Bilag 10 Tabel over øjeblikkelige frikølerydelse 17. oktober 2012 Frikølerydelse [kw] Tid Udetemperatur [ C] Trekant Stjerne Elforbrug [kwh] 0 8,7 295,8 230,5 1 8,5 311,6 242,3 2 8,4 319,5 248,1 3 8,2 335,2 259, ,0 271,7 5 8,5 311,6 242,3 6 8,6 303,7 236,4 7 8,3 327,4 254,0 19,7 8 7,2 414,0 318,8 13,2 9 7,5 390,4 301,2 13, ,0 271,7 19,7 11 9,8 209,2 165,7 19, ,6 95,0 19, ,5 75,2 65,6 19, ,3 91,0 77,3 19, ,6 146,1 118,6 19,7 16 9,6 224,9 177,5 17 9,3 248,6 195,1 18 9,4 240,7 189,2 19 9,3 248,6 195,1 20 9,3 248,6 195,1 21 9,3 248,6 195,1 22 9,2 256,4 201, ,2 212,8 Side 60 af 69

62 Bilag 11 Oversigt over eleffekter ved variabel hastighed Model: Luvata KCE 812B5-D W100 V Inlet fluid temperature 16,00 C Initial air temperature -1,5 C Outlet fluid temperature 11,00 C Finish air temperature 13,00 C Step air temperature 1,00 C Air Inlet Capacity Fluid Flow Air Flow Fans speed Fans Abs temp. ( C) (kw) (m 3 /h) (m 3 /h) (Rpm) (W) (A) -1, , ,7 0,67-0, , ,5 0,83 0, , ,5 1,05 1, , ,6 1,35 2, , ,9 1,80 3, , ,0 2,48 4, , ,9 3,57 5, , ,4 5,50 6, , ,5 9,27 7, , ,1 18,18 8, , ,1 46,79 9, , , , Side 61 af 69

63 Bilag 12 Tryktab regnet i coolpack Side 62 af 69

64 Bilag 13 Frascold kølekompressor Side 63 af 69

65 Bilag 14 AWC R290 (Propan) - Luftkølet vandkøleanlæg Side 64 af 69

66 Bilag 15 Væskekøleaggregat med Sabroe CMO18 kompressor Side 65 af 69

67 Bilag 16 Datablad for Grundfos TPE S A-F-A-GQQE Side 66 af 69

68 Side 67 af 69

69 Side 68 af 69

70 Side 69 af 69