Industriel varmegenvinding med CO 2 - og NH 3 -baserede varmepumper. Del 2

Transkript

1 Master Thesis COP Industriel varmegenvinding med CO 2 - og NH 3 -baserede varmepumper. Del 2 9 Grænse for besparelser på varmepumpe i besparelse på 0 DKK besparelse på 2 mio.dkk besparelse på 1 mio.dkk besparelse på 0.5 mio.dkk besparelse på 0.25 mio.dkk besparelse på 50% i varmeforbrug besparelse på 25% i varmeforbrug MWh varmeforbrug om året Stefan Wuust Christensen (s052379) Michael Mølgaard Markussen (s052370) Rapportnummer: MEK-TES-EP August 2010

2 Dette kandidatprojekt er skrevet af Michael Mølgaard Markussen og Stefan Wuust Christensen. Begge parter har bidraget ligeligt til projektet. Vejleder fra Danmarks Tekniske Universitet er Brian Elmegaard, og medvejleder fra Danmarks Tekniske Universitet er Wiebke Brix. Kontaktpersoner fra den rådgivende ingeniørvirksomhed Grontmij Carl Bro er Carsten Steffensen. Kontakt til Novo Nordisk er formidlet gennem Jan Urhammer fra Grontmij Carl Bro. Stefan Wuust Christensen (s052379) Michael Mølgaard Markussen (s052370)

3 1

4 2

5 Forord Denne rapport er anden del af kandidatprojektet Industriel varmegenvinding med CO 2 - og NH 3 -baserede varmepumper af Michael Mølgaard Markussen og Stefan Wuust Christensen, som er studerende ved Danmarks Tekniske Universitet. Første del af dette kandidatprojekt er bestående af rapporten Industriel varmegenvinding med CO 2 - og NH 3 -baserede varmepumper. Denne første del danner ramme for en undersøgelse af varmepumpers potentiale. Første del af kandidatprojektet vil i denne rapport blive betegnet som Rapport 1 ved henvisninger til grafer, tabeller, resultater og lignende. Denne rapport fungerer som et eksempel på, hvordan Rapport 1 kan benyttes til at skabe et hurtigt overblik over, om der for en specifik virksomhed er en mulig økonomisk og/eller miljømæssig gevinst ved at installere en varmepumpe. I denne rapport vurderes muligheden for at installere en varmepumpe ved Novo Nordisk på Brogårdsvej i Gentofte. Rapporten er skrevet som et forslag til Novo Nordisk på Brogårdsvej i Gentofte. Kontakten til Novo Nordisk er formidlet gennem Jan Urhammer fra Grontmij Carl Bro. En varmepumpes Coefficient Of Performance (COP) vil i denne rapport blive betegnet som COP-system. COP-system bliver i Rapport 1 defineret som varmepumpens varmeydelse divideret med kompressorens energiforbrug. Der er i COP-system værdien inkluderet motorens virkningsgrad samt varmetab. Derved er kompressorens energiforbrug den samlede energi, der skal til for at drive varmepumpen. 3

6 Indhold Forord... 3 Resume... 6 Grundlag for installation af en varmepumpe på Novo Nordisk, Brogårdsvej... 7 Potentialet for en varmepumpe... 8 Gennemgang af kølecentralen på Brogårdsvej Lavtemperaturdelen Højtemperaturdelen Køleanlægget Styringen af kølecentralen Analyse af køleanlæg på NNB Kompressor Kondensator Fordamper COP-system værdi for køleanlægget Styring af køleanlæg Analyse af forbrug Køleforbrug Varmeforbrug Mulig varmegenvinding Varmepumpeforslag Eksisterende anlæg udvides til totrins anlæg med mellemkøler Kaskadeanlæg over kondensator Kaskadeanlæg over vand/glykolkreds Potentiale mht. besparelser kr./co Valg af varmepumpesystem Specificeret opbygning af den valgte varmepumpe Styring af det valgte varmepumpesystem Valg af kompressor Analyse af det valgte varmepumpesystem Valg af fordampningstemperatur for varmepumpesystemet Kapacitet og varmeydelse for varmepumpen Produceret centralvarme fra den valgte varmepumpe

7 COP-system værdier og besparelser Valg af delkomponenter Buffertank Fordamper Kondensatordel Prisoverslag på anlæg Tilbagebetalingstid Diskussion Konklusion

8 Resume Der er i rapporten blevet lavet en analyse af energiforbruget tilhørende Novo Nordisk afdelingen på Brogårdsvej. Ud fra denne analyse findes der et potentiale i udnyttelsen af overskudenergi fra det nuværende køleanlæg. Udnyttelse af overskudsenergien er undersøgt ved installation af en varmepumpe. Ud fra analyse af flere forskellige varmepumpesystemer, er en ettins varmepumpe med stempelkompressor og NH 3 som medie fundet optimal. Dette varmepumpesystem er opbygget som kaskadesystem over den eksisterende vand/glykolkreds. Ved installation af dette anlæg er der beregnet en forventet årlig økonomisk besparelse på ca kr. Yderligere er en forventet CO 2 reduktion på 50 % på varmeforbruget blevet beregnet. Der er estimeret en tilbagebetalingstid på 5 år for installationen af den valgte varmepumpe. Da Novo Nordisk har indgået en frivillig aftale om nedsættelse af CO 2 emissionen inden 2014, findes dette projekt yderst interessant for Novo Nordisk. Projektet findes interessant både økonomisk samt til opnåelse af Novo Nordisk klimaaftale. 6

9 Grundlag for installation af en varmepumpe på Novo Nordisk, Brogårdsvej I Novo Nordisk s afdeling på Brogårdsvej i Gentofte (fremover betegnet som NNB) benyttes på nuværende tidspunkt et NH 3 køleanlæg til produktion af koldt vand med en temperatur på 0 C. Hovedparten af dette kolde vand bruges i processerne til produktionen, og det er derfor afgørende, at anlægget er driftsikkert på alle tidspunkter. Derudover benyttes noget af det kolde vand også til airconditionanlægget. Kuldeforbruget er derfor årstidsafhængigt. Kondensatorenheden i det eksisterende køleanlæg afgiver energi til en vand/glykolkreds. Denne vand/glykolkreds afkøles af omgivelserne ved brug af tørkølere. Kondenseringstemperaturen i det eksisterende NH 3 anlæg er på ca. 25 C (denne temperatur er dog årstidsbestemt og vil variere). Idéen med dette projekt er at udnytte den energi, der bliver afgivet til omgivelserne i tørkølerne til at producere varmt vand via en varmepumpe. Da der samtidig bruges naturgas til rumopvarmning på NNB, vil der i dette projekt blive undersøgt mulighederne for at erstatte rumopvarmning via naturgas med centralvarmevand fra en varmepumpe. Denne erstatning vil kunne give en besparelse både på det økonomiske og på det grønne CO 2 regnskab. 7

10 Potentialet for en varmepumpe Potentialet for installation af en varmepumpe på NNB bliver gennemgået i dette afsnit. Dette afsnit er genereret på baggrund af analysen fra Rapport 1. Grafer og tabeller er hentet fra denne rapport, og afsnittet vil derved være et eksempel på, hvordan Rapport 1 kan benyttes til hurtigt at estimere, om der er potentiale i at installere en varmepumpe. For at kunne give et godt estimat af potentialet for en varmepumpe, er det vigtigt at have nogle basale oplysninger omkring driftsforhold tilhørende varmepumpen. Derudover er det vigtigt at vide hvilken type varme, der skal erstattes. Følgende spørgsmål skal derfor besvares: Hvilken type varme skal erstattes? Hvor stort er varmebehovet? Hvilke fremløbs- og returløbstemperaturer ønskes på vandet i varmepumpen? Hvor stammer overskudsenergien fra? Hvad er temperaturerne i overskudsenergien? Hvor meget overskudsenergi er der tilgængelig? På NNB bruges der naturgas til at producere varme til opvarmning af bygningerne. Varmeforbruget på årsbasis er fundet ud fra forbrugsregnskabet for 2009, se bilag 1. Her er det samlede naturgasforbrug til rumopvarmning på m 3. Dette svarer ud fra en nedre brandværdi for naturgas på 11 kwh/m 3 til et varmeforbrug på 2,972 GWh. For at finde potentialet antages det, at varmeforbruget er ligeligt fordelt over året. Det gennemsnitlige varmeforbrug er da På NNB benyttes en fremløbstemperatur på 70 C og en returløbstemperatur på centralvarmevandet på 30 C 1. Overskudsenergien på NNB kommer fra kondensatoren i det eksisterende NH 3 køleanlæg, som beskrives mere detaljeret senere i afsnittet Gennemgang af kølecentral på Brogårdsvej, s.13. Overskudsenergien bliver her overført til en vand/glykolkreds, der afgiver energien til omgivelserne i tørkølere, som er placeret på taget af bygningerne. Kondenseringstemperaturen i NH 3 anlægget er varierende hen over året. For at estimere et årligt gennemsnit for kondenseringstemperaturen er to målinger blevet foretaget på anlægget. Målingerne er blevet foretaget på dage, hvor udendørstemperaturen var hhv. 5 C og 20 C, og hvor kompressorerne kørte på hhv. 50 % og 75 % kapacitet. De tilhørende kondenseringstemperaturer for NH 3 anlægget var på hhv. 22,9 C og 31,8 C. Da den gennemsnitlige udendørstemperatur i Danmark er på ca. 9 C 2, vurderes den gennemsnitlige årlige kondenseringstemperatur til at være ca. 25 C. 1 Disse værdier er oplyst af Jan Urhammer fra Grontmij Carl Bro 2 Kilde: 8

11 Der er flere muligheder for at udbygge det eksisterende køleanlæg med en varmepumpe. Disse muligheder diskuteres nærmere i det senere afsnit Varmepumpeforslag. Da kondenseringstemperaturen for det eksisterende køleanlæg gennemsnitligt er på 25 C, vil dette være den bedst opnåelige fordampningstemperatur for en varmepumpe. Ud fra denne fordampningstemperatur samt de ønskede vandstemperaturer kan Figur 1 analyseres. Denne figur viser opnåelige COP-system værdier for forskellige varmepumpesystemer med eksisterende kompressorer. Figur 1 er taget fra bilag D4, der er tilknyttet Rapport 1, og nedenstående tabel viser de forskellige varmepumpesystemers farveindikation. Varmepumpesystemer Et-trins NH 3 med Vilters single-skruekompressor Driftsbetingelser max trykdifferens er 41,4 bar max olietemperatur er 118,3 C øvrige driftsgrænser findes i rapport 1 Et-trins NH 3 med Sabroe højtryk stempelkompressor øvrige driftsgrænser findes i rapport 1 To-trins NH 3 med Vilters single-skruekompressor Nederste trin: og alm. stempelkompressor i bund samt åben øvrige driftsgrænser findes i rapport 1 mellemkøler Øverste trin: øvrige driftsgrænser findes i rapport 1 To-trins NH 3 med Sabroe højtryk stempelkompressor i top og alm. stempelkompressor i bund samt åben mellemkøler Nederste trin: øvrige driftsgrænser findes i rapport 1 Øverste trin: øvrige driftsgrænser findes i rapport 1 Et-trins CO 2 øvrige driftsgrænser findes i rapport 1 Tabel 1: Forskellige varmepumpesystemers farveindikering og driftsbetingelser Figur 1: Opnåelige COP værdier for forskellige varmepumpesystemer ved en fordampningstemperatur på 25 C Det ses på Figur 1, at det ved temperaturer på centralvarmevandet på 30/70 C samt en fordampningstemperatur på 25 C, kun er muligt at lave to anlægstyper. Disse er en ettrins varmepumpe med en højtryks stempelkompressor og en ettrins varmepumpe med en 9

12 single-skruekompressor. Den højeste COP-system værdi findes til 6,4 ved et ettrins anlæg med en højtryks stempelkompressor. Dette vil umiddelbart være den størst opnåelige COPsystem værdi ud fra de betingelser, der er på NNB. Da det eksisterende køleanlæg benytter NH 3 som medie, vil den eneste mulighed for at lave en varmepumpe med CO 2 som medie være at lave et kaskadesystem. Hvis et kaskadesystem med CO 2 skal være aktuelt, kan fordampningstemperaturen for varmepumpen maksimalt være 15 C jfr. Rapport 1 bilag D4. Det vurderes, at dette vil give en for lille COP-system værdi i forhold til, hvad der kan opnås med NH 3 som medie, så derfor vil denne mulighed ikke blive behandlet. Der findes ingen præcise tal for, hvor meget kuldeydelse det eksisterende køleanlæg leverer. Ifølge Jan Urhammer fra Grontmij Carl Bro ligger dette tal dog på nuværende tidspunkt på ca. 200 kw. Derudover er der lige blevet indsat et rørsystem til trekantsområdet, der er en Novo Nordisk afdeling beliggende ved siden af afdelingen på Brogårdsvej. Det forventes ifølge Jan Urhammer, at trekantsområdet i fremtiden vil aftage yderligere ca. 100 kw. Det antages, at det eksisterende køleanlæg har en COP-system værdi på omkring 5. Hvis det eksisterende køleanlæg skal levere en køleydelse på ca. 300 kw, vil kompressorernes energiforbrug da være ca. Dette vil give en overskudenergi på ca. 375 kw. Hvis der for varmepumpen kan opnås en COP-system på 6,4, vil kompressorens energiforbrug for varmepumpen være: Dette betyder, at varmepumpen kan producere en varmeydelse på Da dette er højere end det gennemsnitlige varmeforbrug på Brogårdsvej, antages det, at varmepumpen kan erstatte hele afdelingens varmeforbrug. Det vil sige, at der på årsbasis kan forventes, at varmepumpen kan erstatte alle 2,972 GWh varme produceret via naturgas. Figur 2 viser, hvor meget det er muligt at spare ved at installere en varmepumpe der erstatter denne mængde naturgas. Denne figur er taget fra Rapport 1 afsnit Sammenligning af priser for varmeproduktion. 10

13 COP 9 Grænse for besparrelser på varmepumpe i 2010 i forhold til naturgas 8 7 besparrelse på 0 DKK besparrelse på 2 mio.dkk besparrelse på 1 mio.dkk besparrelse på 0.5 mio.dkk besparrelse på 0.25 mio.dkk besparrelse på 50% i varmeforbrug besparrelse på 25% i varmeforbrug MWh varmeforbrug om året Figur 2: Oversigt over mulig besparelse på en varmepumpe der erstatter naturgas Ud fra Figur 2 vurderes det, at det er muligt at reducere varmeregningen på NNB med op til DKK. Det skal dog bemærkes, at alle udregninger er foretaget som gennemsnit over året, og det vil derfor ikke være den præcise besparelse. Derudover er det forudsat, at varmepumpen har en fordampningstemperatur på 25 C, hvilket giver den bedst opnåelige COP-system værdi. Dette vil ikke være ensbetydende med, at der efter nærmere undersøgelse bliver valgt et varmepumpesystem, der har samme COP-system værdi. Disse udregninger skal derfor udelukkende ses som et estimat af potentialet for at installere en varmepumpe. CO 2 emissioner for forskellige energivarer ses på Tabel 2. Denne tabel er taget fra Rapport 1 afsnit CO 2 -besparelse. Naturgas Fuelolie Fyringsgas Fjernvarme Elektricitet (Sjælland + øer) Elektricitet (Jylland + Fyn) CO 2 udledning (kg/mwh) 205, , Tabel 2: CO 2 emission for forskellige energivarer Ved et varmeforbrug på 2,972 GWh/år vil den samlede CO 2 besparelse for en varmepumpe med en COP-system værdi på 6,4, der erstatter naturgas i København, være på: Dette svarer til en reduktion i CO 2 emissionen for rumopvarmning på 11

14 Med en CO 2 reduktion på over 60 % samt en mulig årlig økonomisk besparelse på op til DKK vurderes det, at der er en betydelig miljømæssig fordel samt et godt økonomisk potentiale for en investering i en varmepumpe på NNB. 12

15 Gennemgang af kølecentralen på Brogårdsvej For at kunne installere en varmepumpe på NNB er det vigtigt først at gennemgå den eksisterende kølecentral, da installation af en varmepumpe tager udgangspunkt i dette anlæg. Da kølecentralen leverer koldt vand til proces, vil dette anlægs ydelse være bestemmende for hvor meget varmt vand, der kan blive produceret via en varmepumpe. Den eksisterende kølecentral blev i bygget med vejledning fra Grontmij Carl Bro. Der er i forbindelse med dette projekt blevet udarbejdet en rapport, og oplysninger om kølecentralen er fundet i denne rapport samt rådgivning fra Jan Urhammer. Vigtige udkast er derfor scannet direkte fra rapporten og vedlagt i bilag som dokumentation for kølecentralens drift. På bilag 2 er vist en skitse af hele kølecentralen. For overskuelighedens skyld kan kølecentralen med fordel inddeles i en lavtemperaturdel og en højtemperaturdel, der er forbundet til hver sin side af selve køleanlægget. Selve køleanlægget er markeret med en stiplet firkant på bilag 2. Som det ses på skitsen af kølecentralen, er der installeret 3 ens NH 3 køleanlæg, der er parallelforbundet med hinanden. Disse tre køleenheder bliver benyttet løbende gennem året for, at der ikke er dele af anlægget, der står ubrugt i længere tid. De forskellige dele i kølecentralen beskrives herunder, og de relevante dele illustreres med billeder fra NNB. Lavtemperaturdelen Lavtemperaturdelen er den del, som afgiver energi til fordamperne i de tre parallelforbundne NH 3 anlæg. Den kuldeydelse som de tre køleanlæg producerer benyttes som tidligere nævnt til at levere en 0 C kold vand/glykolkreds. Glykol er tilsat vandet for at sikre, at vandet ikke fryser til is. Denne kolde vandblanding føres ud til forskellige forbrugere. Forbrugerne kan f.eks. være et autoklavesystem eller et aircondition anlæg. Vandet distribueres ud til de forbrugere, der ønsker koldt vand. Figur 3 viser de 11 distributionshanerne til forbrugerne. Figur 3: Tappehaner til forbrugerne på Brogårdsvej 13

16 Til at styre vandblandingens strømningshastighed sidder der 3 regulerbare pumper. Disse pumper sikrer sammen med køleanlægget, at forbrugerne har den ønskede mængde koldt vand til rådighed. Et billede af pumperne er vist på Figur 4. Figur 4: De tre regulerbare pumper Efter vandstrømmen har passeret forbrugerne og er blevet varmet op, ledes den ind i en stor blandebeholder, som er vist på Figur 5. Denne beholder sikrer, at der ikke forekommer alt for høje temperaturer i indløbsvandet til fordamperen. Dette medfører, at indløbstemperaturen på vandet til fordamperen altid er et sted mellem 3 C og 5 C. Uden denne beholder vil det ikke være muligt at holde en jævn temperatur på den kolde vandstrøm. Fra blandebeholderen ledes vandstrømmen tilbage til fordamperen. Figur 5: Blandebeholder til indløbsvand til fordamperen i køleanlægget I lavtemperaturdelen er der yderligere installeret en forrådsbeholder. Forrådsbeholderen gør det muligt at slukke køleanlægget ved et meget lavt kuldeforbrug. Når køleanlægget er 14

17 slukket, bliver forbrugerne serviceret af forrådsbeholderen. Beholderen er på 3 m 3. Se Figur 6. Figur 6: Forrådsbeholder Højtemperaturdelen Højtemperaturdelen optager energi fra kondensatordelen i køleanlægget. Denne energi bliver optaget af en vand/glykolkreds, der strømmer gennem alle tre kondensatorer. I højtemperaturdelen er vand/glykolkredsen drevet af 3 separate pumper med konstant volumenstrøm. Det vil sige, at der altid er samme volumenstrøm gennem hver enkelt kondensator. Hvis alle tre køleanlæg er i drift, vil den samlede volumenstrøm af vand/glykolkredsen efter kondensatorerne være tre gange så stor som volumenstrømmen gennem kondensatorerne. Vand/glykolkredsen føres fra kondensatoren op til 4 tørkølerenheder, der er placeret på taget af bygningerne på NNB. I tørkølerne afgives energi til luften, hvorefter vand/glykolkredsen strømmer tilbage til kondensatoren. For høj temperatur på returvandet fra tørkølerne medfører, at ventilatorerne i tørkølerne startes. Dette bevirker, at der afgives mere energi til luften, og vandtemperaturen vil da falde. Figur 7 viser en tørkølerenhed. 15

18 Figur 7: Viser en af de i alt fire tørkølere der er installeret på NNB. For lav temperatur af returvandet fra tørkøleren medfører, at en 3-vejs ventil åbnes, så noget af vandet bliver ført uden om tørkølerne. Vandet fra tørkølerne bliver til sidst ledt sammen med det vand, der er blevet ført uden om tørkølerne, og denne blanding vil samlet have en højere temperatur, end hvis alt vandet gik gennem tørkølerne. Som det ses på bilag 2, er der udover afkølingen i tørkøleren også et forbrug i WFIanlægget. Dette forbrug er dog ifølge Jan Urhammer ubetydeligt, så der ses derfor bort fra dette WFI-anlæg. Køleanlægget De tre parallelforbundne køleanlæg er leveret af York Refrigeration og består hver især af en kompressor, en kondensator, en drøvleventil, en fordamper og en væskeseparator. Figur 8 viser en principskitse for et af de eksisterende køleanlæg med tilhørende væskeseparator. Figur 8 er lavet på baggrund af de oprindelige arbejdstegninger se bilag MS-2-5. Væskeseparator Fordamper Kondensator Figur 8: Principskitse af et af de tre NH 3 køleanlæg på Brogårdsvej 16

19 Som det ses på Figur 8, er der en væskeseparator i toppen af anlægget. Væsken, som ligger i bunden af væskeseparatoren, vil strømme ned i fordamperen på grund af tyngdekraften. I fordamperen begynder væsken at fordampe, og dette medfører en mindre massefylde af kølemidlet. Resultatet af dette er en naturlig strømning igennem fordamperen, og en cirkulationspumpe er derfor ikke nødvendig. Placeringen af væskeseparatoren over anlægget kan give problemer med væskeslag i kompressoren, da væske på grund af tyngdekraften vil løbe lige ned i kompressoren. Det er derfor vigtigt, at gassen er overhedet i udtaget fra væskeseparatoren. Dette udtag er derfor placeret i toppen af væskeseparatoren. Kompressorerne er af modellen smc-108l fra York Refrigeration. De 3 kompressorer leverer hver især, hvad der svarer til en 423,3 kw stor kuldeydelse ved kapacitet på 100 %, en fordampningstemperatur på -2,7 C samt en kondenseringstemperatur på 39,7 C. Se bilag 3 for dokumentation. Disse driftsforhold er taget fra rapporten omkring det eksisterende køleanlæg. Denne kompressortype er en stempelskompressor med 8 cylindre. Kompressoren kan kapacitetsstyres ved at koble stempler ud parvist. Dette resulterer i, at hvert køleanlæg kan køre ved 4 forskellige kapaciteter: 25 %, 50 %, 75 % og 100 %. En regulering i kapaciteten vil påvirke kompressorens kuldeydelse. Mere specificeret styring af anlægget er beskrevet i afsnittet Styring af køleanlæg, s.21. Fordamperen kan ved en fordampningstemperatur på -2,7 C levere en kuldeydelse på 423,3 kw, hvilket er det samme, som kompressoren leverer. Nærmere oplysninger omkring fordamperen er vist på bilag 4. Kondensatoren kan ved en kondenseringstemperatur på 39,7 C levere en varmeydelse på 511,6 kw. Dette er tilsvarende kompressorens energiforbrug plus kuldeydelsen fra fordamperen ved disse driftsforhold. Nærmere oplysninger omkring kondensator er vist på bilag 5. Styringen af kølecentralen Køleanlæggets kapacitet er styret af forbrugerne. Der sidder en differenstrykmåler mellem fremløb og returløb på hver af forbrugerne. Når forbrugerne åbner op for hanerne, vil differenstrykket falde, og de 3 hovedpumper er derfor nødt til at levere en højere volumenstrøm for at opretholde differenstrykket. Trykmålerne er sat til at have et bestemt differenstryk for hver forbruger, og hvis dette tryk ændres kommunikerer trykmåleren dette videre til hovedpumperne. Hvis hovedpumperne leverer en højere volumenstrøm, begynder returvandet fra fordamperen at stige i temperatur. Hvis denne temperatur bliver for varm, kobles der to stempler ind i køleanlæggets kompressor, hvilket bevirker, at køleanlægget leverer en højere massestrøm, som resulterer i en større køleydelse og derved en koldere temperatur på returvandet fra fordamperen. Hvis temperaturen på returvandet fra fordamperen bliver for lav, sættes kapaciteten af kompressoren ned. Hvis forbruget er så lavt, at der med en 17

20 kapacitet på 25 % kommer en for lav temperatur på returvandet fra fordamperen, så stopper anlægget helt. I denne situation er det forrådsbeholderen, som forbrugerne serviceres af. Beholderen på 3 m 3 kan minimum klare et stop i 10 min ved lavt forbrug, hvilket ifølge Jan Urhammer er længere end den mindste tid mellem start og stop for køleanlægget. På forrådsbeholderen sidder der to temperaturmålere. Hvis den nederste del i forrådsbeholderen bliver for varm, startes køleanlægget op igen. Den øverste temperaturmåler markerer, når tanken er fyldt op med koldt vand/glykol. Hvis forrådsbeholderen er fuld (kold) vil vand/glykolkredsen blive ledt uden om forrådsbeholderen og direkte til forbrugerne via en 3-vejsventil. Kondenseringstemperaturen i anlægget er styret efter temperaturerne på vand/glykolkredsen til og fra tørkølerne. Hvis returvandet fra tørkølerne overstiger en temperatur på 28 C starter blæserne i tørkølerne. Se bilag 6, der viser setpunkter for kølecentralen. For at sikre at indløbstemperaturen til kondensatoren ikke bliver for lav, er der sat en 3-vejsventil, der får vandet til at passerer udenom tørkølerne, hvis temperaturen bliver lavere end 19 C. 18

21 Analyse af køleanlæg på NNB Det er vigtigt at analysere det nuværende køleanlæg under forskellige driftsforhold for at kunne optimere en tilslutning af en varmepumpe. Specielt en kompressor varierer i ydelse og virkningsgrader under forskellige driftsforhold. Kompressor Det er vigtig at undersøge, hvordan køleanlæggets kapacitet ændrer sig under forskellige driftsforhold og kapaciteter. I kompressoren bliver både isentropisk virkningsgrad, varmetabsvirkningsgrad og fremløbskoefficient påvirket af ændringer i driftsforhold og kapacitetsændringer. For nærmere forklaring, omkring hvordan disse virkningsgrader er defineret, se Rapport 1 afsnit Kompressorenhed. Ændringer i virkningsgraderne, medfører ændringer i driften af køleanlægget. Som der er beskrevet i det tidligere afsnit køleanlægget, har køleanlægget en kuldeydelse på 423,3 kw ved en fordampningstemperatur på -2,7 C og en kondenseringstemperatur på 39,7 C. Denne kuldeydelse vil være afhængig af kompressorens driftstilstand. For at undersøge dette er kompressortypen smc-108l blevet analyseret i forskellige driftsforhold, som ses i Tabel 3. Hvordan kompressoren opererer under disse driftsforhold, er fundet ved brug af Yorks Matchmaster program COMP1, og databehandling fra dette program kan findes i bilag 7. Fordampnings Kondenserings Kapacitet temperatur temperatur -2, % -2, % -2, % -2, % -2, % -2, % -2, % -2, % -2, % -2,7 39,7 25 % -2,7 39,7 50 % -2,7 39,7 75 % -2,7 39,7 100 % Tabel 3: Driftsforhold som er blevet undersøgt i Yorks Matchmaster program Ud fra disse driftsforhold er der blevet beregnet virkningsgrader som funktion af trykforholdet. Beregninger kan ligeledes findes i bilag 7. Med en fordampningstemperatur på -2,7 C vil den isentropiske virkningsgrad, varmetabsvirkningsgrad, effektiv virkningsgrad og fremløbskoefficient variere som vist på Figur 9. 19

22 Ændring i virkningsgrader Virkningsgrader Virkningsgrader for SMC-108L 1,1 1 y = -0,0094x 4 + 0,1101x 3-0,4669x 2 + 0,7979x + 0,5275 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 y = -0,0469x + 1,0141 y = 0,0247x 3-0,2476x 2 + 0,8722x - 0,22 y = -0,0242x 4 + 0,2983x 3-1,3717x 2 + 2,8134x - 1, Trykforhold Eta_ta b Pi Eta_s Figur 9: Viser virkningsgrader for kompressoren SMC-108L ved en fordampningstemperatur på -2,7 C. Figur 10 viser, hvordan den isentropiske virkningsgrad, varmetabsvirkningsgrad og fremløbskoefficienten varierer som funktion af kapaciteten. På grafen betegner Eta_s den isentropiske virkningsgrad, Eta_tab betegner varmetabsvirkningsgraden, og Pi betegner fremløbskoefficienten. Det ses her, at fremløbskoefficienten er lineær med kapaciteten. En halvering i kapaciteten er en halvering i fremløbskoefficienten. Det ses også, at varmetabet næsten er upåvirket af kapacitetsændring. Den isentropiske virkningsgrad er til gengæld meget påvirket af kapacitetsændring, og dette er nødvendigt at indføre i beregning af køleanlæggets driftsforhold. 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Stempelkompressor smc108l y = -0,000031x 2 + 0,007031x + 0, ændring Eta_s ændring Eta_tab ændring Pi y = 0,010x Kapacitet [%] Figur 10: Viser virkningsgradsændringen ved kapacitetsændring for kompressoren SMC-108L ved en fordampningstemperatur på -2,7 C og en kondenseringstemperatur på 25 C. 20

23 Kondensator Hvor god en kondensator er til at overføre energi fra et mediet til en vandstrøm, er blandt andet bestemt ud fra en pinch point temperatur. Denne pinch point temperatur varierer alt efter hvilke driftsforhold og kapaciteter, anlægget opererer under. Bilag 8 viser blandt andet en beregning af pinch point temperaturen tilhørende kondensatorerne på NNB ved fuld kapacitet, en fordampningstemperatur på -2,7 C og en kondenseringstemperatur på 39,7 C. Derudover er der i bilaget estimeret en pinch point temperaturer ved 25 % kapacitet. Her vises det, at en pinch point temperatur på 2 C er en passende antagelse for denne kondensator under alle driftsforhold, og at denne antagelse maksimalt giver 2 % fejl på COP-system værdien. Fordamper Ligesom ved kondensatoren, beskriver pinch point temperaturen, hvor god fordamperen er til at overføre energi fra mediet til vandstrømmen. I bilag 4 kan det ses, at ved fuld belastning, en kondenseringstemperatur på 39,7 C og fordampningstemperatur på -2,7 C er pinch point temperaturen -2,7 C. Denne pinch point temperatur vurderes at være mere konstant end ved kondensatoren. Dette er på grund af, at der i fordamperen er varierende vandstrøm ved mindsket kapacitet. Derved ændres UA værdien mere, når kapaciteten ændres. En større ændring i UA værdien bevirker, at LMTD er mere konstant. Fordampningstemperaturen antages at være -3 C i alle situationer. COP-system værdi for køleanlægget På baggrund af kompressoren, kondensatoren og fordamperen kan COP-system værdien for forskellige driftssituationer beregnes. Som en del af dette kandidatprojekt er der blevet udviklet et EES program til beregning af COP-system værdier for køleanlægget og vandtemperaturer i kondensatoren. Programmet kan findes på bilag MS Validering og beskrivelse af dette program kan findes i bilag 9. Tabel 4viser nogle COP-system værdier og vandtemperaturer for nogle forskellige driftssituationer. Te [C] Tc [C] Kapacitet T vand,ind [C] T vand, ud [C] COP-system kold % 17,1 23,7 6, % 21,5 23,3 4, % 27,6 33,9 4,8 Tabel 4 Viser COP-system værdier og vandtemperaturer for køleanlægget ved forskellige driftssituationer Tabel 4 viser, at COP-system værdien for anlægget falder drastisk ved mindsket kapacitet. Derudover stiger indløbsvandtemperaturen næsten 4,5 C ved 25 % kapacitet. Styring af køleanlæg Køleanlægget er styret ved en højtrykssvømmerventil. Ventilen lukker alt det kondenserede væsken igennem til fordamperen. Hvis gassen ikke kondenserer i kondensatoren, og der derved løber gas ud til ventilen, lukker ventilen til. Dette medfører en lille trykstigning i kondensatoren og derved en forhøjet kondenseringstemperatur. Energioverførelsen bliver 21

24 bedre på grund af større LMTD i kondensatoren. Dette medfører, at gassen bliver kondenseret og underkølet en smule. Højtrykssvømmerventilen vil derved få kondenseringstrykket til at svinge en smule omkring det tryk, der under de givne driftsforhold giver en fuldstændig kondensering af gassen uden underkøling. Da vandstrømmen igennem kondensatoren er konstant, er kondenseringstemperaturen i anlægget derved styret af indløbstemperaturen på vandet og kapaciteten af anlægget. En forhøjet kapacitet giver en højere kondenseringstemperatur, og en højere indløbstemperatur giver en højere kondenseringstemperatur. Kapaciteten i anlægget er styret af indløbstemperaturen, udløbstemperaturen og vandstrømmen i fordamperen. Indløbstemperaturen er nogenlunde forsøgt holdt konstant ved at have en blandebeholder, der reducerer temperatursvingningerne på returvandet fra forbrugerne. Det er derved udløbstemperaturen og vandstrømmen, der bestemmer kapaciteten i anlægget. Sænkes vandstrømmen på grund af, at forbruget ikke er så stort, falder udløbstemperaturen. Hvis denne temperatur bliver mindre end -1 C, er kapaciteten på køleanlægget for høj, og kompressoren kobler 2 stempler ud. Overtiger denne temperatur 1 C, er kapaciteten for lille, og 2 stempler kobles ind. I selve fordamperen sker der ved mindsket vandstrøm det, at væskestanden i væskeseparatoren begynder at stige, da fordamperen ikke kan følge med kapaciteten. Dette bevirker, at trykket vil falde en smule og dette vil gøre at udløbstemperaturen bliver mindre. Den eneste måde, anlægget kan håndtere en mindsket vandstrøm, der resulterer i en for lav udløbstemperatur, er derfor at regulere kapaciteten ned. Indløbstemperaturen på vandstrømmen ind i kondensatoren er sat til minimum at være 19 C. Dette giver en kondenseringstemperatur på ca. 22 C ved mindste drift. Ved en indløbstemperatur på 28 C starter blæserne i tørkølerne. Indløbstemperaturens begrænsninger kan ses på bilag 6. Dette giver ca. 36 C kondenseringstemperatur ved fuld drift. Overholdes disse kondenseringstemperaturer samt begrænsningen på indløbstemperaturen til fordamperen, så er køleanlægget styret indenfor designkriterierne. Køleanlæggene er kapacitetsstyret således, at der kun er et anlæg i drift af gangen, hvis der er brug for mindre kapacitet end, hvad et anlæg kan klare. Opererer et anlæg allerede på 100 % kapacitet, og der er brug for mere kapacitet, startes et nyt køleanlæg op. Det ene køleanlæg vil da opererer i 100 % kapacitetsdrift og det andet på 25 % kapacitetsdrift. Er der igen brug for mindre kapacitet, reguleres det første anlæg på 100 % ned i drift til 75 %, og det andet beholder kapaciteten på 25 %. Dette gøres for at mindske opstarter på kompressorerne, da opstarter både slider på kompressorerne og er energikrævende. Det tredje køleanlæg startes først op, når de to andre kører på 100 %. 22

25 Kompressorforbrug Analyse af forbrug Køleydelsen for det eksisterende køleanlæg er afgørende for hvor stor en varmeydelse, varmepumpen kan levere. Derfor vil det eksisterende køleanlæg blive analyseret med henblik på at fastlægge et nærmere kuldeforbrug på NNB. Derudover vil der blive tillagt et antaget fremtidigt kuldeforbrug for trekantsområdet. Samlet vil dette bestemme den eksisterende kølecentrals kuldeydelse. Udover analyse af kuldeforbruget vil dette afsnit også have en analyse af varmeforbruget. Kulde og varmeforbruget sammenlignes for at finde ud af hvor meget af varmeforbruget, en varmepumpe kan erstatte. Køleforbrug Der findes ingen opgørelser for hvor meget køleforbrug, der har været på NNB. Det er derfor nødvendigt at estimere køleforbruget. Køleforbruget kan estimeres, hvis kapacitet og driftsforhold for køleanlægget kendes. Ifølge Jan Urhammer er kapaciteten på anlæggene 50 % i gennemsnit. Det antages derfor, at kompressorerne hele året kører på 50 %, når de er i drift. NNB har registreret, hvor ofte de enkelte kompressorer er i drift. Figur 11 er genereret på baggrund af disse oplysninger, og figuren viser, hvor ofte en kompressor er aktiv. Kompressor timeforbrug 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Samlet kompressorer Dato Figur 11: Viser antal kompressorer, der er aktive i løbet af Da kapaciteten og aktiviteten for kompressorerne kendes, mangler der kun driftsforholdene for køleanlægget, for at et kuldeforbrug kan estimeres. Fordampningstemperaturen i køleanlægget antages at være ca. -3 C hele året. Kondenseringstemperaturen varierer som tidligere nævnt mht. udendørstemperaturen. En varierende kondenseringstemperatur giver varierende kuldeforbrug. For at simplificere dette kan kondenseringstemperaturen opdeles i tre tidsperioder: vinterperioden, sommerperioden og overgangsperioderne mellem vinter- og sommerperiode. For nærmere 23

26 Køleydelse [kw] estimering af kondenseringstemperaturer samt kuldeydelser for køleanlægget i disse perioder se bilag 10. Køleydelsen er da beregnet og er vist på Figur 12. For nærmere forklaring til beregningen se bilag 10. Som det ses på figuren, er kuldeforbruget mindst om vinteren og størst om sommeren. Som det er nævnt i afsnittet Potentialet for en varmepumpe, s.8, er køleydelsen i fremtiden større end det, der er beregnet for Dette er på grund af, at trekantsområdet tilkobles køleanlægget på NNB. Som det er beskrevet i dette afsnit, vurderer Jan Urhammer dette forbrug til 100 kw i gennemsnit. Det antages, at dette forbrug svinger over året på samme måde som aktivitetsniveauet for kompressorerne. En nærmere gennemgang af estimering af køleforbruget i trekantsområdet kan findes i bilag 10. På Figur 12 er den samlede køleydelse for NNB inklusiv trekantsområdet vist. For at vurdere den samlede overskudsvarme skal kompressorens forbrug inkluderes. Kompressorens forbrug findes ved at indtaste køleforbrug og driftsforhold i EES programmet Eksisterende_anlæg der er blevet introduceret i afsnittet COP-system værdi for køleanlæg, s.21. Figur 12 viser køleydelsen med og uden trekantsområdet samt overskudsvarmen inklusiv trekantsområdet. Kuldeydelse og overskudsvarme Køleydelse Brogårdsvej inklusiv trekantsområdet Overskudsvarme inklusiv trekantsområdet Dato Figur 12: Kuldeydelse samt overskudsvarme for Brogårdsvej og trekantsområdet som variation af årstiderne Den røde kurve på Figur 12 estimeres til at være det samlede kuldebehov i fremtiden for det eksisterende køleanlæg. Den grønne kurve beskriver hvor meget overskudsenergi, der bliver produceret ved kuldebehovet for NNB og trekantsområdet. 24

27 Varmeforbrug [kw] Varmeforbrug Centralvarmen på NNB bliver på nuværende tidspunkt lavet ved at brænde naturgas af i en kedel. Oplysninger omkring, hvor meget naturgas der går til rumopvarmning, og hvor meget naturgas der går til proces, er leveret af Novo Nordisk og findes på bilag MS Dette forbrug er givet på månedsbasis i antal m 3, og omregnet til kw vil centralvarmeforbruget følge kurven, som er vist på Figur 13. Omregningen findes på bilag MS Det ses, at varmeforbruget er minimalt om sommeren og størst om vinteren. Sammenholdes dette med kuldeforbruget fra forrige afsnit, der modsat er størst om sommeren og mindst om vinteren, ses det, at det i vintermånederne vil være svært at erstatte naturgassen 100 % via en varmepumpe om vinteren. Da der i forvejen er installeret en naturgaskedel, vil det dog kunne lade sig gøre at lade varmepumpen køre så meget som muligt om vinteren og derefter yde det resterende centralvarmeforbrug via naturgas. Varmeforbrug Brogårdsvej Varmeforbrug Brogårdsvej Dato Figur 13: Centralvarmeforbrug på Brogårdsvej Om sommeren vil der ikke være et stort behov for centralvarme, og det eksisterende køleanlæg vil derfor skulle benytte tørkøling, som det gør på nuværende tidspunkt, i større perioder. Mulig varmegenvinding Det samlede varmeforbrug og den mulige varmeproduktion sammenlignes. Hvis det antages, at COP værdien for varmepumpen er på 6,4, som det blev fundet i afsnittet Potentialet for en varmepumpe, s.8, kan den mulige varmeproduktion beregnes. Beregningen for varmeproduktionen kan findes i filen MS Figur 14 viser det samlede varmeforbrug samt den mulige varmeproduktion. 25

28 Varmeydelse [kw] Varmegenvingen 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 Mulig varmeproduktion Varmeforbrug Dato Figur 14: Viser varmeforbruget i forhold til den mulige varmeproduktion ved brug af en varmepumpe. Som det ses på Figur 14, er det kun ca. 4 måneder om året, hvor alt varmeforbruget ikke kan erstattes af varmeproduktionen i varmepumpen. 26

29 Varmepumpeforslag Der bliver i dette afsnit gennemgået nogle forslag til varmepumper, som er fundet anvendelige til NNB. Som det blev forklaret i afsnittet Gennemgang af kølecentralen på Brogårdsvej, s.13, er køleanlægget opdelt i tre køleenheder. Dette giver en problemstilling mht. installation af en varmepumpe. Alle køleanlæg skal på skift kunne benyttes til køling, da anlæggene ikke må stå ubrugt i en længere periode. Det er dermed ikke muligt at nøjes med at koble en varmepumpe på den ene køleenhed, og derefter bruge dette anlæg som første prioritet. Varmepumpen skal skiftevis kunne udnytte overskudsenergi fra alle tre køleenheder. Dette er en vigtig problemstilling, der skal løses for at kunne installere en varmepumpe på NNB. Derudover er det vigtigt, at køleanlægget er uafhængigt af den tilsluttede varmepumpe. Hvis der ikke ønskes produktion af varmt vand, skal køleanlægget stadig kunne producere koldt vand, som det gør på nuværende tidspunkt. Da køleydelsen fra det eksisterende anlæg benyttes til proces, er det vigtigt, at køleydelsen ikke bliver forstyrret af varmepumpen på noget tidspunkt. Det skal derfor være risikofrit i forhold til køleanlægget at installere varmepumpen. Tre varmepumpeforslag findes brugbare til NNB. Eksisterende anlæg udvides til et totrins anlæg med mellemkøler Kaskadeanlæg over eksisterende kondensatorer Kaskadeanlæg over vand/glykolkreds Nedenstående vil principperne for de tre varmepumpeforslag blive beskrevet. Eksisterende anlæg udvides til totrins anlæg med mellemkøler Dette varmepumpeforslag giver den bedste mulighed for at generere en høj COP-system værdi på varmepumpeanlægget. Dette skyldes, at mediet bliver komprimeret direkte op i tryk uden at miste temperatur i en varmeveksler. Der er fundet to muligheder for at løse problemstillingen med de tre parallelforbundne køleenheder. Den ene mulighed er at koble en varmepumpe på hver køleenhed. Dette virker dog som en dyr løsning, da det kræver anskaffelse af tre kompressorer. Den anden mulighed er at samle de tre køleenheder i en receiver og lade en enkelt varmepumpe benytte denne receiver. En principskitse af opbygningen af dette varmepumpeforslag ses på Figur 15. Lige efter kompressoren på køleanlægget placeres en fordelingsventil. Denne ventil sørger for, at der er den ønskede massestrøm til varmepumpen. Samme massestrøm skal gå fra receiveren til lavtryks væskeseparatoren. 27

30 Anlæg 3 Anlæg ⁰C 7 8 P m 30 ⁰C Anlæg Anlæg 3 P e Væske separator 1 2 Fordamper Kondensator Figur 15: Totrins anlæg med mellemkøler Figur 16: Totrins anlæg med mellemkøler illustreret på log(p), h - diagram Figur 16 illustrerer et totrins anlæg med mellemkøler, hvor tallene i processen henviser til tallene på Figur 15. Da det altid ønskes at have så lille en fyldning i anlægget som muligt, skal denne type varmepumpe bygges op ad det eksisterende køleanlæg. Hvis varmepumpen skal flyttes til et andet lokale, vil fyldningen af anlægget hurtigt blive meget stor. Det vil yderligere kræve en ny styring af systemet for at sikre, at den rigtige fyldning er i alle køleenhederne. Ved en 28

31 sådan type anlæg skal man yderligere være opmærksom på, at det højst sandsynligt er nødvendigt at skifte olien i det eksisterende anlæg. Dette skyldes, at olien skal være i stand til at virke i hele temperaturområdet, hvis anlægget skal udvides til et totrins anlæg. En udskiftning af olie i anlægget er en langsommelig og dyr proces. Kaskadeanlæg over kondensator Princippet i dette anlæg er meget lig princippet i det førstnævnte anlæg. I dette anlæg bliver receiveren skiftet ud med en varmeveksler. Dette varmepumpeforslag vil give en mindre COP-system værdi, da der ca. går 5 C tabt i kaskadesystemet på grund af varmeveksleren. Kaskadesystemet giver mulighed for at benytte andre medier end NH 3. Da COP-system værdien ved brug af CO 2 i dette temperaturområde ifølge Rapport 1 afsnit Sammenligning af tilgængelige varmepumpesystemer bliver mindre end ved brug af NH 3, vil NH 3 foretrækkes som medie i varmepumpen. En principskitse af dette anlæg ses på Figur 17. Styringen af dette system virker mere simpel end det førstnævnte anlæg, da fyldningen i de eksisterende køleenheder ikke bliver blandet. Derudover vil olien i de eksisterende anlæg ikke kræve en udskiftning. Denne varmepumpe skal ligeledes placeres tæt på det eksisterende køleanlæg, da der ønskes en lille fyldning ⁰C 7 P m ⁰C Væske separator 1 P e 2 Fordamper Kondensator Figur 17: Principskitse for kaskadesystem over kondensator 29

32 Figur 18: Kaskadesystem over kondensator illustreret i et log(p), h diagram Kaskadeanlæg over vand/glykolkreds Dette varmepumpeforslag benytter den eksisterende vand/glykolkreds. Denne kreds føres gennem en varmeveksler, som fungerer som varmepumpens fordamper. Problematikken med de tre køleenheder er automatisk løst, da disse hver især afgiver energi til vand/glykolkredsen. Da der både er en varmeveksler fra køleanlægget til vand/glykolkredsen og fra kredsen til varmepumpen, vil dette anlæg have endnu mindre COP-system værdi end de to første varmepumpeforslag. Her vil der gå ca. 10 C tabt på grund af varmevekslere. En principskitse af dette anlægsforslag er vist på Figur P m 70 ⁰C ⁰C Væske separator P e 8 Fordamper 1 2 Kondensator 7 Figur 19: Principskitse for kaskadeanlæg over vand/glykolblanding 30

33 Figur 20: Kaskadesystem over vand/glykolblanding illustreret på log(p), h diagram En fordelingsventil er tilføjet, så det kan reguleres, hvor stort en massestrøm der går til tørkølerne, og hvor stor en massestrøm der går til kondensatoren i varmepumpen. Det vil være mere simpelt at bygge dette varmepumpesystem da vand/glykolkredsen, der har modtaget varme fra alle tre køleenheder, i forvejen føres op i tørkølerne som en samlet strøm. Varmepumpen skal placeres efter, at vand/glykolkredsen har gennemløbet de tre kondensatorer. En stor fordel ved denne anlægstype er, at det er muligt at placere varmepumpen, hvor man har lyst til, uden at fyldningen af anlægget bliver større. Det skal dog nævnes, at lokalet skal være godkendt til installation af en varmepumpe med NH 3 som medie. Derudover er styringen af anlægget særdeles simpel, da det er en enkelt fordelingsventil, der styrer, hvorvidt varmepumpen skal benyttes eller ej. Potentiale mht. besparelser kr./co2 Ud fra fordampningstemperaturen samt de ønskede vandtemperaturer på 30/70 C kan COP-system værdien for de forskellige varmepumpeforslag estimeres. COP-system værdien for forskellige varmepumpetyper med en fordampningstemperatur på 25 C, 20 C og 15 C kan ses på hhv. Figur 1, Figur 21 og Figur 22. Disse figurer er hentet i bilag D4 tilhørende Rapport 1. Varmepumpeforslagene beskrives som ettrins anlæg i alle tre tilfælde for at kunne sammenligne COP-system værdierne. Der vælges ettrins varmepumper, da totrins varmepumper vurderes for dyre i forhold til den samlede gevinst ved højere COP-system værdi. Et ettrins anlæg med en Johnson Controls højtryks stempelkompressor vil blive foretrukket, da denne anlægstype giver den bedste COP-system værdi. COP-system værdierne for de 3 typer anlæg findes til: Totrins anlæg med mellemkøler giver COP-system på 6,4 Kaskade over kondensator giver COP-system på 5,7 Kaskade over vandstrøm giver COP-system på 5,1 31

34 Figur 21: COP-system værdier for forskellige vandtemperaturer ved en fordampningstemperatur på 20 C Figur 22: COP-system værdier for forskellige vandtemperaturer ved en fordampningstemperatur på 15 C Figur 23 viser, hvad besparelsen for de forskellige varmepumpeanlæg er i kr. pr år. Her ses det, at den første varmepumpetype kan opnå en mulig besparelse på ca kr. Vælges det andet varmepumpeforslag, opnås en mulig besparelse på ca kr. Vælges det tredje varmepumpeforslag, kan der opnås ca kr. i besparelse. 32

35 COP 9 Grænse for besparrelser på varmepumpe i 2010 i forhold til naturgas 8 7 besparrelse på 0 DKK besparrelse på 2 mio.dkk besparrelse på 1 mio.dkk besparrelse på 0.5 mio.dkk besparrelse på 0.25 mio.dkk besparrelse på 50% i varmeforbrug besparrelse på 25% i varmeforbrug MWh varmeforbrug om året Figur 23: Oversigt over mulig besparelse på en varmepumpe der erstatter naturgas Besparelsen i CO 2 emission for de 3 typer anlæg målt i forhold til naturgas findes til: Totrins anlæg med mellemkøler giver 63,3 % nedsættelse i CO 2 udslip Kaskade over kondensator giver 58,8 % nedsættelse i CO 2 udslip Kaskade over varmt vand giver 53,9 % nedsættelse i CO 2 udslip Tabel 5 viser en opsummering af besparelser tilhørende hver anlægstype. Anlægstyper Årlig besparelse i DKK Besparelse i CO 2 udslip Totrins anlæg med mellemkøler ,3 % Kaskade over kondensator ,8 % Kaskade over varmt vand ,9 % Tabel 5: Oversigt over mulig årlig besparelse for de tre foreslåede anlægstyper 33

36 Valg af varmepumpesystem Som det ses af Tabel 5, vil der være forskel i de mulige besparelser for de forskellige anlægstyper. Det ses, at den største besparelse vil være ved at installere et totrins anlæg med mellemkøler. For at udvide det eksisterende anlæg til et totrins anlæg, vil det kræve en omprogrammering af styresystemet. Derudover er den olie, der er i det eksisterende anlæg, højst sandsynlig en olie, der kun er beregnet til de temperaturspænd, som anlægget kører i på nuværende tidspunkt. Ved at udbygge til et totrins anlæg vil det kræve, at olien bliver udskiftet til en olie, der kan klare temperaturspændet i begge trin. Yderligere er det eksisterende køleanlæg placeret i et lokale, hvor det vurderes at der ikke vil være plads til at udbygge til et totrins anlæg. Dette bevirker, at fyldningen bliver meget stor, og anlægget vil derved blive dyrt at installere. Udover at fyldningen og olieudskiftningen vil være dyr, er det også nødvendigt at lave om i selve køleanlægget. Selvom det vurderes, at dette godt kan lade sig gøre ude at slukke for anlægget, giver det stadig usikkerheder fra Novo Nordisk s side om køleanlægget vil fungere som det nuværende. Af disse årsager ville denne anlægstype på nuværende tidspunkt ikke være interessant for NNB. Såfremt hele anlægget skal bygges fra nyt, vil dette system dog være at foretrække for NNB. Et kaskadesystem over kondensatorerne vil ligeledes resultere i en stor fyldning, da der ikke er plads til at installere anlægget i det samme lokale som køleanlægget. En fordel ved dette anlæg vil være, at det ikke er nødvendigt at udskifte olien i det eksisterende køleanlæg. Ved dette anlæg vil det som ved totrins anlægget med mellemkøler også være nødvendigt at lave en ombygning på selve køleanlægget. Det vurderes, at NNB heller ikke vil være interesseret i denne anlægskonstellation, da det giver usikkerheder fra NNB s side om køleanlægget, vil fungere på samme måde som ved den nuværende installering. Den sidste anlægstype er et kaskadesystem over den eksisterende vand/glykolkreds. Dette system vil ikke kræve en speciel stor fyldning, da det er muligt at lede vandstrømmen hen til den bygning, hvor man ønsker at installere varmepumpen. Yderligere vil det være en simpel udbygning, og den eksisterende kølecentral kan køre uafhængigt af varmepumpen. Styringen og driften af det eksisterende køleanlæg vil forblive det samme. Denne type varmepumpe vil fra NNB s side blive set som en sikker installering, der ikke påvirker deres produktion af procesvand. Den mulige besparelse på et kaskadeanlæg over vandstrømmen er ifølge Tabel 5 på kr. Da fyldningen og oliepåfyldningen vil være væsentlig mindre for dette anlæg frem for totrins anlægget, og da denne varmepumpe er simpel og sikker at bygge, vurderes dette til at være den bedste løsning til NNB. Dette er dog selvom, at besparelsen er på kr. lavere end for totrins anlægget. Specificeret opbygning af den valgte varmepumpe En mere specificeret opbygning af det valgte kaskadesystem beskrives i dette afsnit. Her beskrives valg af fordamper type, kondensator type, ventilstyringssystem og buffertank. Figur 24 viser varmepumpen. Det kan her ses, at det valgte varmepumpesystem er lignende køleanlægget. Der er som i køleanlægget blevet valgt en pladevarmeveksler som fordamper 34

37 med en tilhørende væskeseparator. Dette er hovedsagligt gjort, da variation i væskestanden i væskeseparatoren ikke har indflydelse på fordamperen, såfremt væskeseparatoren er stor nok. En shell and tube fordamper med medie på svøbsiden kunne også have været en mulighed. Her havde det dog været vigtigt at styre væskestanden i fordamperen. For lidt væske vil blotte rørene og give en dårligere varmeovergang, mens for meget væske i fordamperen vil øge risikoen for væskeslag i kompressoren. Væskestanden vil her styres ved brug af en højtryksreceiver. Væskeseparator Fordamper Kondensator Buffertank Underkøler Figur 24: Viser skitse af ønsket varmepumpe. Kondensatorenheden er opdelt i en kondensator og en underkøler. Kondensatoren køler den overhedede gas, der derefter kondenseres. Efter kondensatoren er der en underkøler. Efter kondensatoren skal en højtrykssvømmerventil registrere, om mediet er kondenseret. Hvis der registreres gas lukkes ventilen, og trykket stiger. Hvis der registreres væske, åbnes ventilen, og trykket falder. Ventilen er placeret efter underkøleren, men måler mellem kondensator og underkøler. Der er indsat en buffertank. Denne tank gør, at anlægget lettere kan klare store udsving i varmeforbruget. Styring af det valgte varmepumpesystem Alt efter kulde og varmeforbruget skal centralen styres forskelligt. Det er derfor vigtigt, at denne styring er lavet korrekt, så anlægget ikke bryder sammen eller leverer forbrug på forkerte tidspunkter. Varmepumpen vælges styret efter en fast fordampningstemperatur. Dette er gjort, da kondenseringstemperaturen i varmepumpen er nogenlunde konstant, og det derved er let at sikre sig, at både køleanlæg og varmepumpe holder sig indenfor driftsgrænserne. Figur 25 illustrerer, hvordan varmepumpesystemet skal integreres i den samlede kølecentral. Køleanlægget styres fortsat som beskrevet under afsnittet Styring af køleanlæg, s.21. Der placeres en 3-vejsventil, der styrer mængden af vandstrøm til varmepumpe og tørkøler. Denne ventil er først og fremmest styret efter varmepumpens kapacitetsbegrænsning. Er varmepumpen under fuld kapacitet, føres det resterende vand 35

38 ud i tørkølerne. Hvis kapaciteten ikke ønskes på fuld kraft på grund af, at forbruget ikke er til det, reguleres 3-vejsventilen ved temperatursensorerne nederst i buffertanken. Her reguleres det sådan, at varmepumpen kører med en kapacitet, der gør, at vandtemperaturen er 70 C mellem sensorerne. Varmeproduktion Naturgas Buffertank Varmepumpe Køleanlæg Tørkøler Figur 25: Viser energicentralen. Den delstrøm der føres mod tørkølerne, passerer en 3-vejventil mere. Denne ventil sørger for, at temperaturen efter tørkøleren er den samme som efter varmepumpen. Køles temperaturen for meget i tørkøleren, passeres der derved en vandstrøm udenom tørkølerne. Hvis varmepumpeanlægget ikke er aktivt, må denne temperatur ikke blive mindre end 19 C, som også var tilfældet i styringen af køleanlægget. Er temperaturen i mellem de to øverste temperatursensorer væsentlig under 70 C, starter varmeproduktion ved naturgas. Den producerede vandstrøm igennem kondensatoren i varmepumpen styres af udløbstemperaturen på vandstrømmen. Er temperaturen under 70 C, nedsættes vandstrømmen for at sikre en 70 C vandstrøm til buffertanken. 36

39 Valg af kompressor Det er vigtigt, at kompressoren kan overholde driftsgrænserne for varmepumpesystemet, og at kompressoren leverer en passende kapacitet under varmepumpesystemets driftsforhold. Til varmepumpesystemet er Johnsons højtrykskompressorserie HPC fundet anvendelig. Figur 26 viser driftsforholdende for denne kompressorserie. Figur 26: Viser driftsgrænser for kompressorserien HPC fra Johnson Controls. Kondenseringstemperaturen skal ligge omkring C, for at kunne levere 70 C varmt vand. Figur 26 viser, at skal denne kondenseringstemperatur overholdes skal fordampningstemperaturen minimum være 22 C, for at HPC kompressorens driftsforhold er overholdt. Køleanlæggets driftsforhold er ved denne fordampningstemperatur også overholdt, da kondenseringstemperaturen i køleanlægget vil da være over 22 C. Den nuværende kompressor i køleanlægget kan ikke levere en kondenseringstemperatur over 40 C. Fordampningstemperaturen på varmepumpen må ikke overskride 30 C, da der ved fuld drift i køleanlægget ca. er 10 C forskel på kondenseringstemperaturen i køleanlægget og fordampningstemperaturen i varmepumpe. Kompressorerne HPC 104s og HPC 106s findes størrelsesmæssigt brugbare til dette varmepumpesystem. Der installeres frekvensomformer på kompressorerne, da dette giver varmepumpen bedre mulighed for at optage den ønskede mængde overskudsenergi. Den frekvensomformer der leveres fra Johnson kan levere ned til 50 % af omdrejningerne. Ved at gå ned i omdrejninger forbedres COP-system værdien en smule, se Rapport 1 bilag 14C. 37