Spar penge på køling - uden kølemidler En artikel om et beregningseksempel, hvor et sorptivt køleanlæg, DesiCool fra Munters A/S, sammenlignes med et traditionelt kompressorkølet ventilationssystem. Af Anja Døring og Joakim Garde, diplomingeniører M. IDA Det er faktisk muligt at spare betydelige beløb på investering og drift med sorptivt kølet ventilation sammenlignet med et kompressorkølet ventilationssystem. Og da sorptiv køling virker ved affugtning og evaporativ køling af luften er der ikke brug for de problematiske kølemidler, som anvendes ved kompressorkøling. Processen er varmedrevet og kan drives af spildvarme, fjernvarme, solvarme eller andet. Dette medfører tillige reduceret udledning af CO 2. I vores afgangsprojekt fra Ingeniørhøjskolen i Århus skrev vi om decentrale fjernvarmedrevne køleløsninger. Vi fandt at sorptiv køling var den mest attraktive løsning på markedet, hvilket naturligt førte til samarbejde med Munters A/S, da de har denne teknologi fuldt udviklet. Afgangsprojektet mundede ud i nogle forslag til optimering af deres anlæg, hvilket blev positivt modtaget af Munters. På deres opfordring har vi derfor foretaget en sammenligning af en optimeret udgave af deres bud på et sorptivt køleanlæg, DesiCool, med en traditionel kompressordrevet køleløsning under danske forhold. Sammenligningen er foretaget på baggrund af Danmark.DRY (Design Reference Year) klimadata. De hidtidige erfaringer er høstet under svenske klimaforhold, og kan ikke alle umiddelbart overføres til Danmark. Sammenligningen er udført ved, at vi har opstillet beregningsforudsætningerne i samarbejde med Munters. Munters har derefter foretaget den egentlige dimensionering og beregning af energiforbruget for de to løsninger, hvorefter vi har bearbejdet tallene i forhold til driftsøkonomi, totaløkonomi og miljøkonsekvenser. Desuden har vi set på forhold der vedrører dansk byggelovgivning. Anja Døring & Joakim Garde 1
Resultaterne er samlet i en rapport, Fjernvarmedrevet køling med DesiCool under danske forhold. Interesserede kan henvende sig til Munters A/S. Sammenligning med traditionel køling Sammenligningen er foretaget mellem et DesiCoolaggregat af typen MCUI 8, dimensioneret til en luftmængde på 8 m³/s, svarende til 28.800 m³/time, og et tilsvarende standard ventilationsaggregat med tilhørende kølekompressor på 123 kw. Begge anlæg kører som VAV-anlæg med luftbåren køling. Driftstiden er hverdage kl. 8-16. De økonomiske beregninger er foretaget på baggrund af følgende forbrugspriser: 0,60 kr/kwh el 0,367 kr/kwh fjernvarme 16,74 kr/m³ brugsvand ved 30 % recirkulation Resultater Økonomi De økonomiske resultater i beregningseksemplet ser meget lovende ud. Som det fremgår af figur 1, så er de samlede årlige udgifter for en køleløsning med sorptiv køling 43 % billigere end en kompressorbaseret løsning. Ser man på ressourceforbruget alene, ja så er sorptiv køling faktisk dyrere end kompressoren. Den afgørende forskel ligger i udgifterne til vedligehold, som for den traditionelle løsning omfatter en lovbefalet årlig lækagekontrol samt udgifter til reparation og udskiftning af komponenter i kølemaskinen. Her er sorptiv kølings fordel, at der ikke er nogen kølemaskine, men kun er et ventilationsaggregat, som til gengæld indeholder lidt flere komponenter. Sammenlagt medfører disse forskelle, at de årlige udgifter til sorptiv køling i eksemplet er kr. 18.600,- lavere end de tilsvarende for en kompressorbaseret køleløsning. Figur 1:Sammenligning af årlige udgifter til drift. Når man ser på anlæggenes totaløkonomi bliver forskellen endnu mere udtalt, da der også er et væsentligt lavere investeringsbehov ved at købe et sorptivt køleaggregat frem for et traditionelt ventilationsaggregat og en kølemaskine. På figur 2 fremgår det, at i det beregnede eksempel er den samlede besparelse over 20 år på ca. kr. 380.000,-. Beregningen er udført med en kalkulationsrente på 4,5 % p.a. Anja Døring & Joakim Garde 2
Miljøpåvirkninger Selvom sorptiv køling reelt bruger flere kwh end en kompressorløsning, så er slutresultatet alligevel at sorptiv køling i beregningseksemplet forbruger 20 % mindre brændsel, idet en del af energiforbruget er varme. Produktion af 1 kwh varme på et kraftvarmeværk kræver kun hvad der svarer til en halv kwh indfyret energi i forhold til ren elproduktion, svarende til en virkningsgrad på 2,0. Ved elproduktion er udbyttet kun omkring en tredjedel af den indfyrede energi. Figur 3 viser emissionerne af hhv. CO 2, SO 2 og NO x for de to løsninger. Energirammen I de nye energibestemmelser, som træder i kraft første januar 2006, defineres energirammen for en bygning på en ny måde. I fremtiden er det ikke kun forbruget til opvarmning af bygningen men hele bygningens energiforbrug, der samlet set skal overholde bygningsreglementets krav. I høringsforslaget hedder det i 8.2.1, stk. 1: Energirammen omfatter bygningens samlede behov for tilført energi til opvarmning, ventilation, køling, varmt brugsvand og eventuel belysning. Energibehovet vægtes efter den anvendte primærenergi. Den sidste sætning betyder, at varmeforbrug ganges med en faktor på 1, mens samme faktor for elforbruget er 3*. I eksemplet er der lavet en sammenligning af sorptiv køling og kompressorkøling beregnet under ovenstående forudsætninger, og resultatet er meget lige. Vi kan således konkludere, at sorptiv køling, under de forudsætninger der er anvendt i beregningseksemplet, klarer sig lige så godt i energirammeberegningen som den traditionelle løsning. Figur 2: Sammenligning af nuværdi for de to kølemetoder. Figur 3: Emissioner af CO 2, SO 2 og NO x for de to alternativer. *: Den endelige tekst til energibestemmelserne er offentliggjort 17.06.2005, og her er faktoren for beregningen af elforbruget sat til 2,5. Ændringen er dog uden praktisk betydning for resultatet. Konklusion Sorptiv køling har været markedsført i Sverige med succes siden slutningen af 90 erne, og eksemplet viser, at teknologien også har et stort potentiale i Danmark. Resultatet er interessant ud fra et teknologisk synspunkt, idet decentrale varmedrevne køleløsninger ikke tidligere har kunnet præstere en positiv totaløkonomi i under danske forhold. Den totale LCC Anja Døring & Joakim Garde 3
viser 25 % besparelse ved sorptiv køling. Årsagen skal findes i et mindre investeringsbehov og en besparelse på driftsomkostningerne på 43 %. Reduktionen i elforbruget er 36 %, hvilket resulterer i en reduktion af emissioner på 20 %. I beregningerne er det som sagt lykkedes at vise et eksempel med positiv totaløkonomi, men der bør laves specifikke beregninger for hvert enkelt tilfælde. Det er vores opfattelse at det er en teknologi med et stort potentiale i Danmark og andre steder. Ikke kun økonomisk, men også med hensyn til reduceret miljøbelastning ved komfortkøling. For yderligere information: Hans-Henrik Thomsen, Munters A/S. Tlf: 44 95 33 55 Faktaboks 1 Køleprincippet Et DesiCool-aggregat køler indblæsningsluften direkte ved hjælp af evaporation og sorption. Principperne beskrives nedenfor. På figur 4 ses et DesiCool-aggregat. Evaporativ køling Denne proces virker ved befugtning af ventilationsluften, hvorved denne køles, da luftens energiindhold bruges til at fordampe vandet. I et sorptivt køleaggregat foregår denne befugtning i både indblæsning og udsugning. Først køles så meget som muligt i indblæsningsluften, og når det af hensyn til indeklimaet ikke længere er hensigtsmæssigt at tilføre mere fugt her, begynder systemet også at befugte udsugningsluften. Udsugningsluften passerer derefter en rotorvarmeveksler, der i denne situation virker som sensibel køleveksler med indblæsningsluften. Der sker altså kun en begrænset fugtoverførsel. Først når det ikke længere er nok at køle på denne måde starter den sorptive køleproces, og dermed et egentligt energiforbrug til køling. Figur 4: Et åbnet DesiCool-aggregat. Sorptiv køling Sorptiv køling er den proces der foregår, når man affugter udeluften for at den kan optage mere fugt ved den evaporative køleproces. Der er to komponenter i aggregatet, som er nødvendige for at køle vha. Anja Døring & Joakim Garde 4
sorption. Den ene er en sorptiv rotorveksler, dvs. en rotor som er overfladebehandlet med et fugtadsorberende materiale. Den anden nødvendige komponent er en varmeflade, som er placeret i udsugningen, idet funktionen netop ikke er at varme indblæsningsluften, men derimod at regenerere den sorptive rotor, så den fortsat kan affugte udeluften. Tre trin Ved hjælp af et samarbejde mellem disse principper kan et sorptivt køleanlæg producere luftbåren køling uden brug af kølemidler, og i det beregnede eksempel også med en væsentlig besparelse på både investering og drift. Det er i eksemplet forudsat at kølebehovet følger udetemperaturen. Det er naturligvis en forenkling, men en acceptabel tilnærmelse, da der er tale om en sammenligning af to teknologier, som får de samme betingelser. Beregningerne er foretaget på baggrund af data fra Danish Reference Year (DRY). Som man kan se på figur 5, foregår sorptiv køling i tre tempi: I området til venstre for den blå linie i figuren køles luften vha. direkte evaporativ køling. I området mellem den blå og den grønne linie køles med både direkte og indirekte evaporativ køling. I området til højre for den blå/grønne linie er den sorptive rotor og regenereringsvarmebatteriet aktive samtidig med den direkte og indirekte evaporative køling. Den røde linie i figuren repræsenterer grænsen for de udeforhold, under hvilke det er muligt at køle indblæsningsluften ned til den ønskede temperatur og vandindhold, som i eksemplet er sat til 16 C og 10g/kg. En afgørende faktor for liniens placering er fremløbstemperaturen til varmefladen. I eksemplet er denne temperatur sat til 60 C, da det er hvad et dansk fjernvarmeværk typisk garanterer i sommerperioden. Figur 6 viser de samme data, men her er linierne erstattet af det dimensionerende punkt for kompressoren, 27 C/10,6 g/kg. For sammenligningens skyld er det valgte punkt det varmeste punkt på føromtalte røde linie. Den lodrette linie i figuren er grænsen mellem tør og våd køling, og den er fremkommet ganske simpelt ved at bestemme, at den Figur 5: De blå punkter i grafen repræsenterer timeværdierne fra DRY data. Linierne inddeler timeværdierne efter kølemetode i et sorptivt anlæg. Figur 6: Grafen viser det dimensionerende punkt for kompressoren. Den røde linie repræsenterer grænsen for køling til 16 C for et sorptivt anlæg. Anja Døring & Joakim Garde 5
ønskede max-værdi for absolut fugt i indblæsningsluften er 10g/kg. Figuren viser samtidig, at der ved kompressorkøling er brug for energi til køling i alle timer hvor udetemperaturen er over den ønskede indblæsningstemperatur. Dette er meget realistisk, da det er almindeligt af lade kompressorens start og stop styre af udetemperaturen. Faktaboks 2 Optimering med bypass Et sorptivt aggregat har flere komponenter end et traditionelt ventilationsaggregat, og dermed større internt tryktab. Det ville under danske forhold medføre at man for at overholde kravet til specifikt elforbrug måtte vælge et større aggregat. Ved at indføre bypass i DesiCool er det blevet muligt at overholde grænsen med et aggregat af samme størrelse som ved en traditionel løsning. Tryktabet over den sorptive rotor og varmefladen, se figur 7, er kun til stede når der er et kølebehov, og dette tryktab, og det heraf følgende energiforbrug til ventilatorerne, kan således henregnes til køleprocessen. Dette er muligt, da de nævnte komponenter anvendes relativt få timer ud af den samlede driftstid. Ud over en reduktion af energiforbruget til ventilatorerne medfører det også et reduceret varmeforbrug, da man i en driftsituation med max. luftmængde med fordel kan lade ca. 20 % af udsugningsluften passere igennem bypass, idet den sorptive rotor ikke kan udnytte mere end 80 % af luftens affugtningskapacitet. Det medfører en samlet reduktion af varmeforbruget på 20 %. Figur 7: Et åbent DesiCool-aggregat med bypass af regenereringsvarmefladen og den sorptive rotor. Anja Døring & Joakim Garde 6