Emelie Fjellstedt

2015

Examensarbete, 15 hp Högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik, 180 hp

Energiåtervinning ur kylluft Svenska Lantmännens foderfabrik i Holmsund i samarbete med Umia AB

Emelie Fjellstedt

Förord

Detta examensarbete har utförts som den avslutande delen i min utbildning till högskoleingenjör

inom energiteknik vid Umeå universitet. Arbetet omfattar 15 högskolepoäng och har utförts på

uppdrag av Umia AB. Arbetet har gett mig nya insikter och lärdom inom området energiteknik samt

gett möjlighet till nya kontakter inom branschen.

Det finns ett flertal personer som bidragit till detta projekts fullföljande. Jag vill börja med att tacka

min handledare och delägare i Umia AB André Ruuth för ett intressant och lärorikt projekt samt

vägledning genom projektets gång. Ett stort tack till alla anställda på Lantmännen i Holmsund som

varit väldigt hjälpsamma och hjälpt till med allt ifrån fabriksgenomgång och installationer och ett

extra tack till Stefan Bjurbäck som alltid funnits tillgänglig med sin kunskap, svarat på frågor och tagit

fram material gällande fabriken. Vidare vill jag tacka till min handledare Mohsen Soleimani-Mohseni

på Umeå universitet som inte bara i detta projekt utan även under mina tidigare år som student alltid

bidragit med stor kunskap, engagemang och vilja att lära ut.

Sist men inte minst vill jag tacka Energibyrån nord som bidragit med kontorsplats, fungerat som ett

bollplank under stora delar av projektet samt att jag fått ta del av den trevliga gemenskapen på

arbetsplatsen.

Umeå 2015

Emelie Fjellstedt

Sammanfattning

Lantmännen i Holmsund tillverkar pelleterat djurfoder till gris, nöt, ren och höns. På fabriken finns tre

stycken presslinjer som pressar råvarorna till pellets. Vid tillverkning av pellets blandas råvarorna

med ånga som håller ca 75-78°C. Ångan gör att pelletsen blir varm och fuktig efter tillverkningen. För

att pelletsen ska kunna hålla en god kvalité vid transport och förvaring torkas denna med luft i

pelletskylar. Varje presslinje har en egen pelletskyl. Kylluften som lämnar pelletskylarna är relativt

varm och fuktig. En del av energin som finns i kylluften tas idag tillvara på i ett återvinningssystem

som ger värme till fabriken och melassanläggningen. Trots den nuvarande återvinningen är

kylluftluftflödet fortfarande varmt när den lämnar byggnaden.

En del av målet i arbetet har varit att reda på vilken energi som finns i den utgående kylluften och

vilken kvalité denna har. Den andra delen av syftet har varit att utreda hur denna energi kan tas

tillvara.

Mätningar visar att kylluften från press 1 och 2 håller en medeltemperatur på ca 45°C och ett medel

volymflöde på 7,5 m3/s när den lämnar byggnaden. Från presslinje 3 håller luften en något högre

temperatur och volymflödet är ungefär hälften.

Möjliga avsättningsområden för energin är fabriksvärmesystemet, melassanläggningen samt

tappvarmvatten.

Ungefärligt energibehov för dessa områden är:

Melassanläggning 133 MWh

Fabriksvärme 68 MWh

Tappvarmvatten 15,6 MWh

För att dessa områden ska kunna tillgodogöra sig energin som finns i kylluften behöver

temperaturerna in i systemen vara högre än vad som finns tillgängligt i kylluften. För detta ändamål

föreslås att två stycken värmepumpar installeras på fabriken. En värmepump för att värma

melassanläggningen och en värmepump som kan förse fabriksvärmesystemet och

tappvarmvattenberedning med värme.

Det finns ett stort energiöverskott från kylluften kontra avsättningsområdena. Energitillgången från

frånluften är dock inte konstant utan styrs efter produktionen i fabriken. Genom att installera en

ackumulatortank visar beräkningar att värmepumparna skulle kunna täcka 80 % av

energiförbrukningen.

Ekonomiska beräkningar visar att Lantmännen i Holmsund kan göra en besparing på 130 000 kr/år

om de föreslagna åtgärderna införs. Återbetalningstiden för anläggningen beräknades till 8,1 år.

Abstract

Lantmännen in Holmsund produces pelleted animal feed for pigs, cattle, reindeer and chickens. In

the factory there are three press lines which press the raw material into pellets. To manufacture the

pellets raw materials are mixed with steam at a temperature of 75-78°C. The steam makes the

pellets warm and moist, and after manufacturing the pellets need to dry in a cooler. Each press line

has its own pellet cooler. The cooling air is relatively warm and moist at the exhaust from the pellets

coolers. Some of the energy from the cooling air is used in a recovery system that provides heat to

the factory and molasses plant. Despite the current recovery system, the air is still warm when it

leaves the building.

The main objective of this study was to determine the energy contained in the exhaust air flow and

which quality it has and also to investigate how this energy can be utilized.

Measurements showed that the air from the press 1 and 2 has an average temperature of about 45°C

and a mean volume flow of 7.5 m3/s combined when it leaves the building. The air from press line 3

has slightly higher temperature and the volume flow is about half.

This study shows that the factory heating system, molasses plant and domestic hot water are areas

where the energy can be used.

Approximate energy demands for these areas are:

Molasses Plant 133 MWh

Factory Heat 68 MWh

Domestic hot water 15.6 MWh

If these areas are to benefit from the energy in the cooling air the temperature into the systems

needs to be higher than what is available in the cooling air. The suggested solution is an installation

of two heat pumps. One heat pump to the molasses plant and one heat pump to the factory heating

system and domestic hot water.

There is a large energy surplus from the cooling air versus usage areas. Energy from the exhaust

cooling air is not constant since it depends on the production in the factory. By installing a storage

tank, calculations shows that the heat pumps can cover 80 % of the energy consumption.

Economic calculations shows that Lantmännen in Holmsund could save 130 000 SEK/year if the proposed installations are carried out. The payback time is calculated to 8.1 years.

Innehållsförteckning 1. Inledning .............................................................................................................................................. 1

1.1 Bakgrund ....................................................................................................................................... 1

1.2 Målsättning .................................................................................................................................... 1

1.3 Syfte ............................................................................................................................................... 1

1.4 Avgränsningar ................................................................................................................................ 2

2. Teknisk beskrivning ............................................................................................................................. 3

2.1 Processbeskrivning ........................................................................................................................ 3

2.1.1 Ångpannan ............................................................................................................................................. 3

2.1.2 Pelletspressar ......................................................................................................................................... 3

2.1.3 Pelletskylar ............................................................................................................................................. 4

2.1.4 Fläktar och filter ...................................................................................................................................... 4

2.2 Avsättningsområden ..................................................................................................................... 5

2.2.1 Återvinningsanläggning .......................................................................................................................... 5

2.2.2 Fabriksvärmesystem och 90 kW elpanna ................................................................................................ 5

2.2.3 Melasstankar samt 100 kW elpanna ....................................................................................................... 6

2.2.4 ACO-tankar ............................................................................................................................................. 7

2.2.5 Tappvarmvatten ..................................................................................................................................... 7

3. Teori ..................................................................................................................................................... 8

3.1 Värmepump ................................................................................................................................... 8

4. Metodbeskrivning ............................................................................................................................. 12

4.1 Fabriksgenomgång ...................................................................................................................... 12

4.2 Litteraturstudie ............................................................................................................................ 12

4.3 Mätningar av kylluft .................................................................................................................... 12

4.4 Energibehov ................................................................................................................................. 13

4.5 Effektbehov ................................................................................................................................. 13

4.5 Tillgänglig energi och effekt ........................................................................................................ 13

4.6 Ackumulatortank för kyleffekt .................................................................................................... 14

4.7 Ackumulatortank för varmvatten ................................................................................................ 14

4.8 Värmepump ................................................................................................................................. 15

4.8.1 Dimensionering av värmepump ............................................................................................................ 16

4.9 Återvinningsbatteri ...................................................................................................................... 16

4. 10 Ekonomi .................................................................................................................................... 17

5. Resultat .............................................................................................................................................. 19

5.1 Mätningar presslinje 1 och 2 ....................................................................................................... 19

5.2 Mätningar presslinje 3 ................................................................................................................. 20

5.3 Sammanfattning mätningar ........................................................................................................ 22

5.4 Energi - och effektbalans ............................................................................................................. 22

5.4.1 Effektbalans .......................................................................................................................................... 22

5.4.2 Energibalans ......................................................................................................................................... 23

5.5 Ekonomi ....................................................................................................................................... 23

5.6. Åtgärdsförslag ............................................................................................................................ 24

6. Fler förslag till effektiviseringsåtgärder ............................................................................................. 25

6.1 Temperatur och styrning av melassanläggning ........................................................................... 25

6.2 Frekvensstyrning av fläktar ......................................................................................................... 25

6.3 Ventilation utan återvinning ....................................................................................................... 25

7. Diskussion .......................................................................................................................................... 26

7.1 Felkällor och mätfel ..................................................................................................................... 26

7.2 Effekt - och energitäckning .......................................................................................................... 26

7.3 Ekonomi ....................................................................................................................................... 27

8. Slutsats .............................................................................................................................................. 28

9. Källförteckning ................................................................................................................................... 29

Bilaga ..................................................................................................................................................... 30

1

1. Inledning

Industriproduktion är ofta en energikrävande process. I Sverige står industrisektorn för drygt en

tredjedel av energianvändningen. Energikostnaderna är ofta en stor del av produktionskostnaderna.

Det finns ett flertal sätt att effektivisera energianvändningen. Det kan t.ex. vara minskade

transporter, optimering av produktionen eller att återvinna energi från processen. Genom att öka

nyttjandet av den egna tillgängliga energin minskar behovet av köpt extern energi som följaktligen

bidrar till en ekonomisk lönsamhet för fabriken. En annan aspekt i det hela är hushållande med

naturens resurser. Genom att minska andel köpt energi så bidrar det till mindre användning av fossila

bränslen samt mindre utsläpp av växthusgaser.

1.1 Bakgrund Lantmännen har sju fabriker som tillverkar djurfoder i Sverige. Den nordligaste fabriken är belägen

intill hamnen i Holmsund utanför Umeå. Fabriken har 10 anställda och tillverkar pelleterat djurfoder

åt gris, nöt, ren och höns. Anledningen till att fodret pelleteras är flera. En av anledningarna är att de

tar mindre plats vid transport. En annan är att oskadliggöra eventuellt skadliga, och i vissa fall

smittsamma, bakterier i produktionen.

Totalt finns tre stycken presslinjer som pressar spannmål till pellets. Fabriken har en 2 MW

ångpanna som förser pelletspressarna med ånga. Pelletsen blir varm och fuktig vid tillverkningen

varvid torkning med luft sker i pelletskylar. Kylluften som lämnar pelletskylarna håller en hög

temperatur och en del av energin återvinns till fabriksvärmesystemet genom återvinningsbatterier.

Batterierna tar bara upp en viss del av energin som finns i kylluften vilket innebär att luften som

lämnar byggnaden fortfarande är varm. Luftflödet genom pelletskylarna är relativt stort vilket gör att

det borde vara möjligt att återvinna en större del av den utgående kylluften.

Energibehovet till fabriken är varmhållning av fabriksutrymmen, personalutrymmen, tappvarmvatten

samt tankar som innehåller melass och fett, vilket används vid tillverkning av djurfoder. Dagens

återvinning täcker inte hela energibehovet för fabriken vilket innebär att fabriken även har tre

elpannor. Två av dessa elpannor täcker upp fabriksåtervinningssystemet medan den tredje pannan är

till för att värma aco-tankarna som innehåller fetter.

1.2 Målsättning Målsättningen med examensarbetet är att undersöka om det är möjligt att ta ut mer energi från

pelletskylarnas utgående kylluft. En utredning skall göras vilken kvalité och hur stor energimängd den

utgående kylluften har efter de befintliga återvinningsbatterierna. Det skall även utredas vilka

avsättningsområden som kan ta tillvara på energi. En annan del av målet är att presentera ett förslag

på hur energin kan tas tillvara samt reda ut ifall det är ekonomiskt försvarbart.

1.3 Syfte Syftet med detta arbete är att beräkningar över tillgänglig energi och möjliga avsättningsområden

ska vara ett stöd vid framtida energieffektiviseringsåtgärder på fabriken.

2

1.4 Avgränsningar Alla mätningar gjordes under en begränsad tid på året. Beräkningarna grundar sig på dessa mätdata

och tar inte hänsyn till variationer under året.

En fullständig dimensionering av värmebatteri och rördragningar gjordes inte. Däremot ges det

ungefärliga kostnadsförslag på vad detta kan tänkas kosta.

Totaltrycksförluster över fläktar vid införande av nya komponenter har inte beräknats. Vilken

totaltryckshöjning som återvinningsbatterierna bidrar till kan fås av tillverkare vid dimensionering.

3

2. Teknisk beskrivning

Detta avsnitt är en beskrivning över hur tillverkningsprocessen på fabriken ser ut samt vilka

avsättningsområden för energi som finns i fabriken.

2.1 Processbeskrivning Det finns ett flertal olika delar vid tillverkning av pelleterat djurfoder. Först och främst krävs råvaror

t.ex. spannmål och fetter. Råvaror anländer till fabriken via båtar eller lastbilar. Råvarorna pressas

därefter till pellets på en så kallad presslinje. Efter tillverkningen torkas pelletsen i pelletskylar.

Presslinjen består av flera olika moment och en schematisk bild över ordningen på presslinjerna syns

i Figur 1.

Figur 1 En schematisk bild över presslinjerna. De streckade linjerna visar kylluftflödet.

2.1.1 Ångpannan Vattenånga är en förutsättning för att råvarorna ska kunna pressas till pellets. Ångan produceras i en

2 MW pelletseldad panna. Drifttiden för pannan är sex dagar i veckan, då produktionen står still en

dag i veckan. Vid tillverkning av processvattnet används kommunalt vatten. Innan vattnet förångas

förvärms detta i flera steg. Vattenångan till fodret håller en temperatur på ca 75-78°C. Ångan tillsätts

i fodermjölet i en blandare som sitter direkt innan pelletspressen.

2.1.2 Pelletspressar Det finns tre pelletspressar på fabriken som är placerade på plan 3. I pelletspressarna leds malt

fodermjöl in i en roterande matris med två rullar som är fastmonterade inne i matrisen. I matrisens

centrum leds fodermjölet in och pressas ut av de roterande rullarna genom matrisens hål. Pelletsen

skärs därefter till önskad längd.

4

2.1.3 Pelletskylar Efter pressning av råvaror till pellets är pelletsen varm och fuktig. För att pelletsen ska hålla bra

kvalité vid förvaring så torkas denna i pelletskylar. Pelletskylarna är uppbyggda likt kvadratiska lådor.

Pelletsen matas in i toppen och lämnar kylen i botten med en skruvmatare. Fläktar är placerade efter

pelletskylarna och skapar ett undertryck som gör att luft sugs in genom springor i nedre delen av

pelletskylarna. Luften sugs genom pelletskylen och ut i toppen, se Figur 2. Tiden det tar för pelletsen

att passera hela pelletskylen, dvs. kyltiden, är ca 20 min.

Figur 2 En skiss över en pelletskyls olika delar.

Efter pelletskylarna sitter filter, fläktar och därefter återvinningsbatterier som tar upp värme från den

utgående kylluften. Det finns ett stort återvinningsbatteri efter det att luftflödet från presslinje 1 och

2 går ihop. Ett batteri finns även på presslinje 3. Efter återvinningsbatterierna lämnar den fortfarande

relativt varma luften fabriken. Luftflödet från press 1 och 2 går ut i en kanal genom taket på plan 2

medans luftflödet från press 3 går ut genom en kanal på väggen, strax under tak, på plan 3.

2.1.4 Fläktar och filter Luften filtreras i korgar klädda med filterstrumpor som sitter i filterskåp. Dessa rengörs automatiskt

med tryckluft. Dammet som sugs bort med tryckluften transporteras ut från filterskåpet med en

cellmatare. På presslinje 3 sker även filtreringen med en cyklon. Cyklonen avskiljer större stoft innan

luften åker in i två filterskåp. Presslinje 1 och 2 saknar cyklon och har två stycken filterskåp.

Det finns totalt tre stycken centrifugalfläktar på 30 kW vardera, en för vardera presslinje. Fläktarna

drivs av remdrivna elmotorer och är placerade i slutet av presslinjen efter kylarna. Fläkten till press 3

är placerad på plan 3 i samma rum som pelletspress 3. De andra två fläktarna är placerade i samma

rum som pelletskylarna på plan 2. Fläkten för presslinje 3 är av typen LMB 63-3 med ett maximalt

varvtal på 1560 rpm. Fläktarna till press 1 och 2 är av typ LMB-56 och har ett maximalt varvtal på

1900 rpm. Fläktarna är frekvensstyrda och frekvensen styrs av differenstemperaturen mellan

kylrummet och temperaturen på pelletsen. Elmotorerna som driver fläktarna går på ca 80 % av

märkeffekt under största delen av året, vilket motsvarar 35-40 Hz. När det är kallt kan motorerna gå

ner till 60-75 %. Luften som sugs in i fläktarna har aldrig en temperatur under + 5°C, vid dessa

5

förhållanden ska fläktarna gå på 40-50 % av effekten. Styrningen av detta fungerar dock inte

optimalt. Hur filter, cyklon och fläktar är placerade syns i Figur 3 och Figur 4.

Figur 3 Cyklon, filter, återvinningsbatteri och fläkten på presslinje 3.

Figur 4 Filter, fläktar och återvinningsbatteri på presslinje 1 och 2.

2.2 Avsättningsområden För att värma anläggningen krävs energi. Var energin kommer ifrån samt var den används redovisas

under detta avsnitt.

2.2.1 Återvinningsanläggning Fabriken har ett värmesystem som återvinner överbliven värme från produktionen till uppvärmning

av personalutrymmen och varmhållning av melasstankar. Återvinningsbatterierna är vätskebatterier

där den cirkulerande vätskan i batterierna värms upp av den varma luften. Återvinningssystemet är

kopplat till tre ackumulatortankar två stycken på 3 m3 vardera och en stor på 20 m3. trekubikmeter-

ackumulatortankarna lagrar värmen som går till radiatorer, luftvärmare och värmebatteri till

ventilation. Tjugokubikmeter-tanken har två funktioner, den ena är att förvärma råvattnet som går in

i ångpannan och den andra är att värma melasstankarna. När inställd framledningstemperatur inte

längre kan levereras går elpannorna in och värmer systemet. Vid inspektion har trekubikmeter-

tankarna hållit en temperatur på runt 40ᵒC.

2.2.2 Fabriksvärmesystem och 90 kW elpanna

En del av spillvärmen från produktionen tas idag tillvara i fabrikens återvinningssystem. Värme från

presslinje 1 och 2 tas ut från ett återvinningsbatteri som sitter efter fläktarna. Värmen avges därefter

via värmeväxlare till fabrikens värmesystem. Vid behov spetsas fabriksvärmesystemet med en 90 kW

elpanna. Personalen antecknar elmätarställning av denna veckovis. Fabriksvärmesystemet värmer

personalutrymmen, radiatorer, luftvärmare och värmebatterier till ventilation.

Framledningstemperaturen regleras enligt kurva i systemets dataundercentral (DUC) utifrån

utomhustemperatur. Elpannan startar när den inställda framledningstemperaturen i systemet inte

längre kan erhållas från ackumulatortankarna.

Elpannan till fabriksvärmeanläggningen är relativt ny och installerades i januari 2014 och loggad

elförbrukning finns därför enbart tillgänglig från denna tid. Elpannans elförbrukning var mellan april

2014 till april 2015 totalt 68 MWh och elförbrukningen veckovis under perioden går att se i Figur 5.

6

Under år 2015 har årsmedeltemperaturen än så länge varit +6 - 7ᵒC varmare än normalt.

Årsmedeltemperaturen är ett medelvärde mellan åren 1961 - 1990 (SMHI, 2015). Under ett kallare år

är elförbrukningen troligtvis högre. Under sommarmånaderna finns av naturliga skäl inget större

uppvärmningsbehov av fabriken.

Figur 5 Elförbrukningen för fabriksvärmeanläggningen mellan perioden 140331-150330 veckovis.

2.2.3 Melasstankar samt 100 kW elpanna

Melass är en restprodukt från sockerproduktion och är en råvara som används i djurfoder.

Anläggningen består av totalt fem stycken tankar samt en pannstation med en äldre elpanna. En stor

del av melassen förvaras i stora tankar utomhus som hålls varma för att hålla melassen flytande.

Tank 1, 2 och 3 hålls varma av två separata värmeslingor i nedre delen av tanken. Tank 4 är en

mindre tank och har en värmeslinga som går utvändigt runt hela tanken. Tank 12 står inomhus på

plan 3, i samma rum som pelletspressarna. Vid fodertillverkning tas melassen från tank 12, denna

fylls på från de andra tankarna när nivån är låg. Tank 4 är i regel tom, denna fungerar som

försäljningstank och töms direkt efter påfyllning, denna tank har därför inget behov av varmhållning.

Melassen i tankarna utomhus förvaras vid en temperatur på 20°C. När det är dags att tömma

tankarna utomhus så höjs temperaturen några dagar innan till 30°C för att melassen ska vara lättare

att pumpa. Tank 12 håller en temperatur på strax över 30°C. Melasstankarnas volym går att läsa i

Tabell 1. Effekten som utgår till melasstankarna styrs av returtemperaturen. Styrningen är inställd så

att returtemperaturen skall hållas konstant. Vid kontroll har returtemperaturen på elpannan varit

46°C och framledningstemperaturen 52°C.

Tabell 1 Mellastankarna och dess volym.

Tank Volym

Tank 1 480 m3

Tank 2 380 m3

Tank 3 280 m3

Tank 4/försäljningstank 40 m3

Tank 12/dagtank ca 3 m3

Elpannan är på 100 kW och har tillverkningsår 1993. Elförbrukningen, enligt pannans loggbok, tre år

tillbaka i tiden ses i Tabell 2. Denna elpanna har under projektets gång bytts ut mot elpannan som

användes för att värma aco-anläggningen. Under perioden april 2012 – mars 2013 var

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13

kwh

Vecka

7

elförbrukningen över 50000 kWh mer per år än de senare åren. Detta kan förklaras med att

årsmedeltemperaturen år 2014 var + 2,8ᵒC högre än normalt samtidigt som årsmedeltemperaturen

år 2013 var + 1,8ᵒC högre än normalt (SMHI, 2015).

Tabell 2 Elförbrukningen på elpannan i melassanläggningen tre år tillbaka i tiden.

April 2012- mars 2013 April 2013 – mars 2014 April 2014 – mars 2015

169040 kWh 112255 kWh 117675 kWh

Elförbrukningens medelvärde under de tre senaste åren uppgår till ca 133 MWh/år. Hur

elförbrukningen är fördelad veckovis under april 2014 – mars 2015 syns i Figur 6.

Figur 6 Elförbrukningen för melassanläggningen mellan perioden 140331-150330 veckovis.

2.2.4 ACO-tankar Ett separat värmesystem finns för att värma aco-tankarna. I dessa tankar förvaras fetter som används

vid foderproduktionen. Detta system värms med en 90 kW elpanna och ingår inte i

återvinningssystemet. Fettet i tankarna hålls varmt för att vara lättflytande och pumpbart, vid

inspektion har en temperatur på 55-57°C hållits i de tre tankarna. Vid kontroll har

tilloppstemperaturen från elpannan varit 68 °C och returtemperaturen till pannan 61°C.

Elpannan håller en relativt jämn elförbrukning oavsett årstid. Antecknad elförbrukning finns

tillgänglig från 2014-09-08. Ett medelvärde veckovis från denna tid fram till 2015-04-07 visar att

elpannan förbrukar 960 kwh/vecka. På ett år blir elförbrukningen ca 50 MWh. Denna panna har

under projektets gång bytts ut mot en mindre elpanna på 42 kW.

2.2.5 Tappvarmvatten För uppvärmning av tappvarmvatten finns två varmvattenberedare. En större beredare som är en del

av återvinningssystemet. Denna klarar inte enskilt av att täcka upp behovet av varmvatten. Som

spets till denna beredare har därför en 100 l varmvattenberedare med elpatron installerats separat.

Elberedaren är av typ NIBE EVH 16-100-R och har en installerad effekt på 1 kW.

Varmvattenberedaren håller en temperatur på 64°C. Elförbrukningen har uppmätts till drygt 300

kWh/vecka. Under ett år blir elförbrukningen ca 15600 kWh.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13

kwh

Vecka

8

3. Teori

Detta avsnitt behandlar teori som ligger till grund för en värmepumps värmefaktor och effektivitet.

3.1 Värmepump Den grundläggande funktionen för en värmepump är att flytta energi i form av värme från ett kallt

medium till ett varmt medium. Enligt termodynamikens andra huvudsats kan ett medium aldrig

förflyttas av sig själv från kallt till varmt. Detta innebär att ett mekaniskt arbete måste tillföras för att

en värmepumps funktion ska kunna uppnås. I en värmepump sker det mekaniska arbetet med en

kompressor (Cengel & Boles, 2006).

Arbetet som kompressorn kräver vid en ideal process kan beskrivas med ekvation 1.

𝑊𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛 = 𝑄𝐻 − 𝑄𝐿 (1) Där:

Wnet,in = tillfört arbete till kompressorn [kW]

QH = avgiven värmeeffekt [kW]

QL = upptagen effekt [kW]

Arbetscykeln för en värmepump är densamma som för en kylmaskin. Den vanligaste typen av

arbetscykel i en värmepump är den så kallade förångningscykeln, se Figur 7. I dess enklaste form

består denna av en förångare, kompressor, kondensor och strypventil. Kretsen är slutet och mediet i

värmepumpen benämns köldmedium.

Figur 7 En värmepump i dess enklaste form med förångare, kompressor, kondensor och strypventil.

I förångaren är trycket lågt och köldmediet kommer in i förångaren i form av vätska. Den lågvärdiga

energin, QL, tillförs i förångaren och köldmediet börjar koka. Kompressorn har som uppgift att

komprimera ångan som bildas när köldmediet kokar. Vid komprimeringen intar köldmediet gasform

och gasen leds in i kondensorn där värme avges, QH, och köldmediet kondenserar. Det

kondenserande köldmediet tillförs förångaren via strypventilen. Strypventilen har till uppgift att

reglera trycket och mängden köldmedium. Efter strypventilen kan förångningscykeln återupptas.

(Björk, o.a., 2013).

9

Den ideala förångningsprocessen kan även beskrivas i ett temperatur - och entropidiagram, ett så

kallat TS-diagram se Figur 8. Mellan 1-2 höjs temperaturen och entropin bevaras, kompressorns

arbete sker. Mellan 2 -3 sker en minskning av både temperatur och entropi och värme tas ut från

kondensorn. Mellan 3-4 sänks temperaturen medans entropin ökar något, här sitter strypventilen.

Mellan 4-1 tar köldmediet upp energi genom förångaren och entropin ökar (Soleimani-Mohseni,

Bäckström, & Eklund, 2014).

Figur 8 Förångningscykeln i ett TS-diagram, y-axeln står för temperatur och x-axeln för entropi och. 1-2 är kompressorns kompression, 2-3 är kondensorn och värmeuttag. 3-4 är över strypventilen och 4-1 är upptag av energi samt förångningen.

I verkligheten sker inte kompressionen av ångan reversibelt vilket innebär att hänsyn bör tas till

kompressorns isentropiska verkningsgrad, se ekvation 2.

𝜂𝑘 =

ℎ2𝑠 − ℎ1

ℎ2 − ℎ1

(2)

Där:

ηk = isentropisk verkningsgrad

h2s = ideal entalpi [kJ/kg]

h1 = entalpi [kJ/kg]

h2 = entalpi [kJ/kg]

Effektiviteten hos en värmepump beror på vilken energi som kompressorn kräver och vilken energi

som värmepumpen avger. Detta beskrivs av ett enhetslöst mått som kallas COP-värde (coefficient of

performance) eller värmefaktor på svenska, se ekvation 3.

𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝 =

𝑄𝐻

𝑊𝑛𝑒𝑡,𝑖𝑛

(3)

Där:

COPhp= värmefaktor

QH= avgiven värmeeffekt [kW]

Wnet,in = tillfört arbete till kompressorn [kW]

10

Precis som värmefaktor, beskriver finns för värmepumpens effektivitet beskriver kylfaktorn

effektivitet för kylmaskiner. Sambandet mellan värmefaktor och kylfaktor är enligt ekvation 4:

𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝 = 𝐶𝑂𝑃𝑟 + 1 (4) Där:

COPhp= värmefaktor

COPr= köldfaktor

Den teoretiskt högsta kyl – och värmefaktor som kan uppnås är direkt kopplat till temperaturer.

Detta kan beskrivas med en Carnotcykel. En Carnotcykel beskriver högsta möjliga temperaturutbyte

som kan ske i en ideal process. Lågvärdig energi, QL, tillförs mellan a och b. En högre energi, QH, tas ut

mellan d och c. Kompressorarbetet blir arean mellan dessa temperaturer och hela arean under d och

c motsvarar energin som kan tas ut, QH. Detta visar att kompressorarbetet är proportionellt mot

temperaturhöjningen, se Figur 9.

Figur 9 Carnotcykeln beskriver det bästa möjliga temperaturutbytet i en process.

Förångaren kan ses som en värmeväxlare där man överför energin från ett medium till ett annat.

Även kondensorn kan betraktas på samma sätt. I kondensorn har värmesänkan en stor del i hur

mycket energi som kan överföras. Enligt Carnotverkningsgraden så ska skillnaden mellan TL och TH

vara så liten som möjligt för att få en optimal verkningsgrad, detta enligt ekvation 5 (Björk, o.a.,

2013).

𝜂𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = 1 −

𝑇𝐿

𝑇𝐻

(5)

Där:

ηcarnot = ideal verkningsgrad

TL = köldmediets temperatur i förångaren [K]

TH = köldmediets temperatur i kondensorn [K]

Det finns en stor betydande skillnad mellan ett bränsle eldat system eller elpanna och ett system

som värms med en värmepump. En bränsleeldad panna bör hålla en hög temperatur för att undvika

kondensutfällning. Pannan kan ge hetvatten upp till 80 °C och kopplas via en shunt till

11

värmesystemet. I ett sådant system är det ofta väldigt fördelaktigt med en ackumulatortank då den

momentana effekten är större än vad systemet behöver. Det blir en hög verkningsgrad på systemet

vid höga temperaturer. I en värmepump blir det tvärtom. En värmepump är som mest effektiv när

skillnaden i temperatur mellan kalla och varma sidan är liten. En värmepump producerar således inte

varmare vatten än vad systemet behöver, detta kallas för flytande kondensering. Om värmepumpen

skulle arbeta likt en vedpanna med hög framledningstemperatur och shuntventil kallas detta fast

kondensering. Det finns fall då fast kondensering eller en kombination med fast- och flytande

kondensering kan vara nödvändigt att används i värmepump sammanhang, detta ger dock en dålig

verkningsgrad på systemet (Björk, o.a., 2013).

Energin som går att ta tillvara på från kylluften beror på massflödet och skillnaden i entalpin mellan

den ingående och utgående luften i en värmepump. Energin som utnyttjas från den tillgängliga

kylluften kan beräknas med ekvation 6.

𝑄𝑢𝑡𝑛𝑦𝑡𝑡𝑗𝑎𝑑 = �̇� × 𝑐𝑝 × (𝑇𝐿,𝑖𝑛 − 𝑇𝐿,𝑢𝑡) (6) Där:

�̇� = massflöde [kg/s]

cp = luftens specifika värmekapacitet [J/kg * °C]

TL,in = Luftens temperatur före förångaren [°C]

TL,ut = Luftens temperatur efter förångaren [°C]

Den utnyttjade energin från kylluften är densamma som den upptagna energin i värmepumpen.

Avgiven energi till värmekällan beror som tidigare nämnts på värmesänkan i kondensorn. Den

avgivna energin beräknas med ekvation 7.

𝑄𝑎𝑣𝑔𝑖𝑣𝑒𝑛 = �̇� × 𝑐𝑝 × (𝑇𝐻,𝑖𝑛 − 𝑇𝐻,𝑢𝑡) (7) Där:

�̇� = massflöde [kg/s]

cp = luftens specifika värmekapacitet [J/kg * °C]

TH,in = värmesänkans temperatur före kondensorn [°C]

TH,ut = värmesänkans temperatur efter kondensorn [°C]

12

4. Metodbeskrivning

Detta avsnitt beskriver genomförande och hur mätningar skett för att uppnå målsättningarna.

4.1 Fabriksgenomgång För att skapa en större inblick i problemformuleringen och hur denna skulle kunna lösas så gicks

fabrikens olika delar igenom med driftpersonal på fabriken. Alla komponenter från

processtillverkningen till uppvärmningssystem behandlades. Efter rundvandring och samtal med

personal skapades den tekniska beskrivningen för att ge en helhetsbild av processens olika delar.

Fabriksgenomgången var även till stor nytta när möjliga avsättningsområden studerades.

4.2 Litteraturstudie För att skapa en djupare inblick hur ett värmepumpsystem fungerar samt hur detta kan tillämpas på

Lantmännen i Holmsund gjordes en litteraturstudie. Det studerades hur komponenter fungerar och

hur dessa hänger samman. Det studerades även vad en värmepumps effektivitet påverkas av.

Teoridelen kan ses som en sammanfattning på litteraturstudien. Litteraturstudien har även inneburit

att läsa igenom liknande examensarbeten som tidigare utförts.

4.3 Mätningar av kylluft För att ta reda på vilken energi det finns i kylluften mättes temperatur, flöden samt relativ fukthalt i den utgående kylluften. Relativ fukthalt uttrycks som kvoten mellan aktuell mängd vattenånga och mängden mättad ånga vid aktuell temperatur (Warfvinge & Dahlblom, 2010). Mätutrustningen som användes är Testo 435-4 som kan logga lufthastighet, fukthalt och temperatur samtidigt. Mätningarna på presslinje 1 och 2 gjordes från kl. 12:27 till kl. 8:25 dagen efter. Loggningarna gjordes med 2 minuters mellanrum. Detta för att få en uppfattning hur kylluftflödet varierar under tillverkningsprocessen. Mätningarna av luften på press 1 och 2 gjordes efter det befintliga återvinningsbatteriet innan kylluften lämnar byggnaden. Mätningarna på presslinje 3 gjordes från kl. 9:39 till kl. 8:13 dagen efter. Loggningarna gjordes med 1 minuts mellanrum. Även här utfördes mätningarna i slutet av kanalen innan utgående kylluft lämnar byggnaden. Håltagning i luftkanalerna var nödvändigt för att mätinstrumentet skulle kunna placeras i kanalerna. Kanalernas mått mättes och kanalens tvärsnittsarea är därefter bestämd med ekvation 8 för cirkulära kanaler och ekvation 9 för rektangulära kanaler. Tvärsnittsarea för cirkulära kanaler:

𝐴𝑐 = 𝜋 ×

𝑑2

4

(8)

Där:

Ac = kanalens tvärsnittarea [m2]

d = kanalens diameter [m]

π = pi

Tvärsnittsarea för rektangulära kanaler:

𝐴𝑐 = 𝑏 × ℎ (9)

Där:

Ac = kanalens tvärsnittarea [m2]

13

b = kanalens bas [m]

h = kanalens höjd [m]

Volymflödet kan därefter beräknas med ekvation 10.

�̇� = 𝐴𝑐 × 𝑐 (10)

Där:

V̇ = Volymflöde [m3/s]

Ac = tvärsnittsarea [m2]

c = luftens hastighet [m/s]

4.4 Energibehov Möjliga avsättningsområden i fabriken är fabriksvärmesystem, aco-anläggning, melassanläggning

samt tappvarmvatten. Elförbrukningen som noterats veckovis av personalen överfördes till Excel för

att enkelt kunna göra beräkningar och diagram.

För att ta reda på hur stor elförbrukningen för uppvärmning av tappvarmvatten installerade personal

på fabriken en elmätare. Elmätaren lästes av två gånger under två veckor. Den totala elförbrukningen

under et år baseras enbart på dessa två avläsningar.

Som syns i Tabell 3 uppgår det totala energibehovet för fabriken till ca 266 MWh/år.

Melassanläggningen står för 50 % av det totala energibehovet, fabriksvärmen 25 %, aco-tankarna 19

% och tappvarmvatten står för 6 %.

Tabell 3 Totalt energibehov för fabrikens uppvärmningsbehov.

Anläggning Energibehov/år

Fabriksvärme 67953 kWh Melassanläggning 132990 kWh Aco-tankar 49816 kWh Tappvarmvatten 15600 kWh Totalt 266359 kWh

4.5 Effektbehov Den installerade effekten (exkl. återvinningssystemet) uppgår idag till 281 kW, där aco - och

fabriksanläggningen har en elpanna på 90 kW vardera, melassanläggningen har en elpanna på 100

kW samt elpatron för tappvarmvatten 1 på kW.

Att ta reda på en byggnads maximala effektbehov är tämligen komplicerat. Det behövs data om

byggnadens klimatskal och tidskonstant, något som inte finns tillgängligt. I detta fall har det utgåtts

ifrån elförbrukningen de senaste året. Utifrån dessa data har varaktighetsdiagram på fabriksvärmen

samt melassanläggningen skapats för att se den maximala effektförbrukningen under senaste året.

Då mätningarna ej är gjorda på daglig basis utan är ett snitt på en veckas förbrukning kan den

maximala effekten momentant vara något högre.

4.5 Tillgänglig energi och effekt En viktig aspekt som utretts är tillgängligheten på energin i kylluften. Fabrikens årskapacitet är 5870

h, dvs. den tid som energi från processen finns tillgänglig. Kylluften varierar i både temperatur, flöde

samt fuktighet under ett dygn. För att kunna köra systemet med flytande kondensering behöver

tillgänglig kyleffekt in till värmepumpen vara förhållandevis konstant och finnas tillgänglig under hela

dygnet. Den energin som tas ut ur kylluften med återvinningsbatterier måste kunna kompensera för

14

den tid då den tillgängliga energin från processen är mindre än vad värmepumpen behöver. För att

kunna åstadkomma detta krävs ackumulering av den uttagna effekten från kylluften.

4.6 Ackumulatortank för kyleffekt Genom att sätta in en ackumulatortank mellan kylluftuttag och värmepump får värmepumpen en

jämn tillgång till den kyleffekt som behövs för att leverera önskad värmeeffekt.

Vid dimensionering av ackumulatortank spelar temperaturer på inkommande och utgående vätska

stor roll. Temperaturerna kommer inte att vara konstanta utan beror på hur produktionen körs,

medeltemperatur i ackumulatortanken, hur stor skiktningen är i tanken samt lastens energibehov.

Tanken ska vara tillräckligt stor för att täcka upp produktionens variationer under dygnet. I detta fall

kommer inte dimensionering av tank göras, då det redan finns en gammal oljetank i fabrikens

pannrum som är lämplig att bygga om till ackumulatortank. Denna tank har en volym på 30 m3.

Lagringsenergin i en ackumulatortank kan approximeras till 0,0011639 kWh/liter/°C med antaganden

att vattnets densitet är 1 kg/l samt att vattnets specifika värmekapacitet är 4,19 kJ/(kg∙°C). I Tabell 4

syns vilken lagringsenergi som finns i en 30 m3 ackumulatortank beroende på vattnets

differenstemperatur in och ut ur tanken.

Tabell 4 Lagringskapacitet i en 30 m3 ackumulatortank vid olika differenstemperaturer.

ΔT kWh ΔT kWh

10 349,2 21 733,3

11 384,1 22 768,2

12 419,0 23 803,1

13 453,9 24 838,0

14 488,8 25 872,9

15 523,8 26 907,8

16 558,7 27 942,8

17 593,6 28 977,7

18 628,5 29 1012,6

19 663,4 30 1047,5

20 698,3 31 1082,4

4.7 Ackumulatortank för varmvatten En ackumulatortank för varmvatten ska vara tillräckligt stor för att kunna leverera mängden

varmvatten när behovet är som störst. Behovet av varmvatten är som störts när personal på fabriken

duschar efter avslutat skift. Vattenvolymen vid maximala förhållanden har beräknas med ekvation

11.

𝑉𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 = 𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑒𝑟 × 𝑞 × 𝑡𝑖𝑑 (11)

Där:

Vvatten = vattenvolym [l]

antal personer = personer som duschar samtidigt

q = vattenflödet i dusch [l/s]

tid = duschtid [s]

15

Varmvattenberedarens storlek kan beräknas med ekvation 12.

𝑉𝑏𝑒𝑟𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒 = 𝑉𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 ×

𝑇𝑑𝑢𝑠𝑐ℎ − 𝑇𝐾𝑉

𝑇𝑉𝑉 − 𝑇𝐾𝑉

(12)

Där:

Vberedare = Varmvattenberedares volym [l]

Vvatten = Vattenvolym [l]

Tdusch = Temperatur på duschvatten [°C]

TKV = Temperatur på inkommande kallvatten [°C]

TVV = Temperatur på varmvatten [°C]

En ackumulatortank kan bara utnyttjas till ca 80 % pga. inblandning av kallvatten. Detta måste tas

hänsyn till vid val av volymen på en ackumulatortank (Armatec, 2015).

𝑉𝑎𝑐𝑘 =

𝑉𝑏𝑒𝑟𝑒𝑑𝑎𝑟𝑒

0,8

(13)

Där:

Vack = Ackumulatortankens volym [l]

Vberedare = Varmvattenberedares volym [l]

Vid beräkning av ackumulatortankens volym antogs ett normflöde på 0,2 l/s på duscharna (Upnor,

2013). Det antogs att vattnet i ackumulatortanken ska hålla en temperatur på 60 °C samt att

inkommande kallvatten håller en temperatur på 5 °C. Det är räknat med att alla fem duschar som

finns på fabriken används samtidigt. En snitt tid på 5 min/dusch har använts. Minsta

ackumulatorvolym för varmvatten blir då 225 liter.

Dimensionerande effekt som krävs för varmvattenberedning är den effekt som krävs för att på 50

minuter värma ackumulatortanken till den önskade temperaturen, detta kan beräknas med ekvation

14 (Armatec, 2015).

𝑃𝑉𝑉 =

𝑉𝑎𝑐𝑘 × 𝐶𝑝 × (𝑇𝑉𝑉 − 𝑇𝐾𝑉)

𝑡𝑖𝑑

(14)

Där:

PVV =Tillförd effekt [kW]

Vack = Ackumulatortankens volym [l]

Cp= Vattens specifika värmekapacitet [4,19 kJ/kg °C]

TKV = Temperatur på inkommande kallvatten [°C]

TVV = Temperatur på varmvatten [°C]

tid = uppladdningstid [s]

4.8 Värmepump Olika typer av värmepumpar och fabrikat har studerats. Kontakt togs med distriktsäljare på NIBE, för

att hitta en lämplig värmepump till ändamålet. NIBE Fighter 1345 rekommenderades att använda till

de ändamål som beskrevs. Detta är en fastighetsvärmepump som är framtagen för att användas till

större fastigheter. NIBE Fighter 1345 finns i effektstorlekar mellan 24 kW till 60 kW och går bra att

parallellkoppla upp till en effekt på 540 kW. Hur stor värme – och kyleffekt som värmepumpen på 60

kW kan leverera syns i Figur 10 (NIBE, 2015). För kyldiagram på värmepump 30 kW se bilaga.

16

Figur 10 Kyl - och värmeeffekt för NIBE fighter 1345 60 kW vid olika temperaturer på inkommande köldbärare (NIBE, 2015).

Nedan följer ett kort exempel på hur några ekvationer i teoridelen kan användas och hur diagrammet

läses av. För att få ut en önskad effekt på 68 kW vid en framledningstemperatur på 50 °C behövs en

kyleffekt på ca 51 kW och en inkommande köldbärartemperatur på ca 12 °C. Vid dessa förhållanden

fås med ekvation 1 ett kompressorarbete på 17 kW och värmefaktorn beräknas till 4 med ekvation 3.

4.8.1 Dimensionering av värmepump En värmepump brukar i normalfallet dimensioneras för att klara av ca 95 % av en byggnads

energianvändning. Detta motsvarar 65-70 % av byggnadens maximala effektbehov. Resten av energin

som behövs kommer från elpatroner inbyggda i värmepumpen eller en separat elpanna

(Energimyndigheten, 2015). Värmepumparna som är tänkta att installeras är dimensionerade utifrån

att kunna leverera en så hög energitäckningsgrad som är möjligt.

4.9 Återvinningsbatteri För att kunna ta tillvara på energin från kylluften behövs ett vätskebatteri. Det är batteriet som tar till

vara på värmen från kylluften för att sedan överföra den upptagna värmen till den tänkta

ackumulatortanken. I denna rapport dimensioneras värmeåtervinningsbatteriets effekt. Effekten

dimensioneras så att den tillgängliga energin in till värmepumpen ska finnas tillgänglig även då

energin i kylluften är låg.

Innan effekten dimensionerades gjordes en utredning på den tillgängliga energin i kylluften. Batteriet

dimensionerades på ett sådant sätt att när fläktarna går på max så skall batteriet kunna leverera den

dimensionerande kyleffekten till ackumulatortanken.

17

Batteriet dimensionerades efter följande data på kylluften från press 1 och 2:

Flöde: 7,6 m3/s

Temperatur: 45°C

Relativ fukthalt: 42 %

Dessa förutsättningar beräknas finnas under 65 % av dygnet. För att ackumulatortanken skall kunna

leverera önskad kyleffekt under resten av tiden behöver batteriet dimensioneras efter följande

effekt:

𝑃𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖 =

𝑄𝐿

𝑡𝑖𝑙𝑙𝑔ä𝑛𝑔𝑙𝑖𝑔 𝑡𝑖𝑑

(15)

Där:

Pbatteri= Effekt som skall levereras till ackumulatortank [kW]

QL = Kyleffekt [kW]

tillgänglig tid = procentandel av dygnet som maxeffekten finns tillgänglig.

Återvinningsbatteriet styr vilken energi som ackumulatortanken skall lagra. För att få en bra

energitäckningsgrad på systemet skall batteriet även dimensioneras på ett sådant sätt att det skall

kunna leverera en differenstemperatur till tanken på 25°C.

4. 10 Ekonomi För att ta reda på ifall en investering är ekonomisk lönsam finns flera olika metoder att använda. En

ekonomisk kalkyl är dock sällan så exakt att den går att använda som en exakt kostnad över en

investering utan bör snarare ses som en riktlinje ifall investeringen är lönsam eller inte. En av de

vanligaste metoderna att använda är paybackmetoden. Paybackmetoden är ett mått på hur lång tid

det tar för den minskade kostnaden att kompensera för grundinvesteringen. Denna är enkel att

förstå och visar ett tydligt resultat men des svaghet är att den inte tar hänsyn till ränta eller vad som

händer efter paybacktiden.

Paybacktiden beräknades med ekvation 16.

𝑇å𝑟 =

𝐺

å𝑟𝑙𝑖𝑔𝑏𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔

(16)

Där:

G = Investeringskostnaden i kronor

a= Årligbesparing i kronor per år

För att räkna ut paybacktiden togs investeringskostnader fram av Umia AB. Priset på värmepumparna

kommer från NIBE.

Investeringskostnader 750 000 kr

NIBE F 1345 30 kW 131 000 kr

NIBE F 1345 60 kW 179 000 kr

Totalt 1 060 000 kr

18

I en värmepump är det kompressorarbetet som står för elkostnaden. Elkostnaden för att driva en

värmepump beräknas med ekvation 17.

𝑒𝑙𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 =

𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠

𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝

(17)

Där:

Elpris = kostnad för 1 kWh el i kronor [kr/kWh]

COPhp = värmevärdet för den aktuella installationen

Den årliga besparingen vid installation av värmepump beräknades med ekvation 18. Denna tar

hänsyn till värmepumpens värmefaktor samt den energi som värmepumpen inte kan tänkas leverera.

Å𝑟𝑙𝑖𝑔 𝑏𝑒𝑠𝑝𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓ö𝑟𝑒 × 𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠 − (𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒𝑓𝑡𝑒𝑟 × 𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑉𝑃 ×

𝑒𝑙𝑝𝑟𝑖𝑠

𝐶𝑂𝑃ℎ𝑝

) (18)

Där:

Årlig besparing = kostnaden per år som kan sparas vid installation av värmepump [kr/år]

Energiföre = Nuvarande energiförbrukning [kWh/år]

Elpris = kostnad för 1 kWh el i kronor [kr/kWh]

Energiefter = Energiförbrukning som värmepumpen inte klarar av att leverera [kWh/år]

EnergiVP = Energiförbrukningen som täcks upp med värmepump [kWh/år]

19

5. Resultat

Mätningarna som gjorts visar att det finns mycket energi att tillgå i den utgående kylluften. I detta

avsnitt presenteras resultatet av mätningar gjorda mellan 2015-04-15 och 2015-04-17 på

presslinjerna. Den ekonomiska analysen presenteras även i detta avsnitt.

5.1 Mätningar presslinje 1 och 2 Temperatur, flöde och fukthalt är loggade samtidigt. Loggningarna resulterade i 600 stycken

mätvärden per parameter. Temperaturen var som lägst 29,9°C och den maximala temperaturen

uppmättes till 52,4°C. Temperaturen i kylluften beror på vilken temperatur pelletsen har efter

tillverkning samt temperaturen i kylrummet. Medelvärdet på temperaturen under dygnet är

beräknat till 45,4°C. Topparna i diagrammet indikerar på att pelletskylarna är fulla och dalarna när

pelletskylarna är tömda se Figur 11.

Figur 11 Temperaturmätning på kyluften från press 1 och två under 20 timmars produktion.

Volymflödet är beräknat utifrån mätningar av luftens hastighet i kanalen. Vid topparna jobbar

fläktens elmotor i ca 80 % av maxeffekten. Maximalt volymflöde som uppmätts var 9,2 m3/s och det

lägsta 4,22 m3/s. Medelvärdet under dygnet är 7,47 m3/s se Figur 12.

Figur 12 Volymflödet på kylluften från press 1 och 2 under 20 timmars produktion.

29313335373941434547495153

12

:27

:59

13

:03

:59

13

:39

:59

14

:15

:59

14

:51

:59

15

:27

:59

16

:03

:59

16

:39

:59

17

:15

:59

17

:51

:59

18

:27

:59

19

:03

:59

19

:39

:59

20

:15

:59

20

:51

:59

21

:27

:59

22

:03

:59

22

:39

:59

23

:15

:59

23

:51

:59

00

:27

:59

01

:03

:59

01

:39

:59

02

:15

:59

02

:51

:59

03

:27

:59

04

:03

:59

04

:39

:59

05

:15

:59

05

:51

:59

06

:27

:59

07

:03

:59

07

:39

:59

08

:15

:59

°C

Klockslag

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

12

:27

:59

13

:03

:59

13

:39

:59

14

:15

:59

14

:51

:59

15

:27

:59

16

:03

:59

16

:39

:59

17

:15

:59

17

:51

:59

18

:27

:59

19

:03

:59

19

:39

:59

20

:15

:59

20

:51

:59

21

:27

:59

22

:03

:59

22

:39

:59

23

:15

:59

23

:51

:59

00

:27

:59

01

:03

:59

01

:39

:59

02

:15

:59

02

:51

:59

03

:27

:59

04

:03

:59

04

:39

:59

05

:15

:59

05

:51

:59

06

:27

:59

07

:03

:59

07

:39

:59

08

:15

:59

m3/s

klockslag

20

Som synes i Figur 13 visade mätningarna på fukthalten en stor variation under dygnet. Det högsta

uppmätta värdet var hela 90,2 % och det lägsta 9,4 %. Merparten av tiden håller sig fukthalten

mellan 30 – 50 %. Medelvärdet beräknades till 42,7 %.

Figur 13 Mätningar på kylluftens fukthalt på press 1 och 2 under 20 timmars produktion.

5.2 Mätningar presslinje 3 Loggningarna är gjorda under ca ett dygn. Loggningarna på press 3 resulterade i totalt 1365 st

mätvärden för respektive parameter.

Den högsta temperaturen mättes till 53,9°C och den lägsta mättes till 18,2°C. Medeltemperaturen

under dygnet är beräknad till 45,4 °C se Figur 14.

Figur 14 Mätningar på kylluftens temperatur på press 3 under 1 dygn.

10

20

30

40

50

60

70

80

90

12

:27

:59

13

:01

:59

13

:35

:59

14

:09

:59

14

:43

:59

15

:17

:59

15

:51

:59

16

:25

:59

16

:59

:59

17

:33

:59

18

:07

:59

18

:41

:59

19

:15

:59

19

:49

:59

20

:23

:59

20

:57

:59

21

:31

:59

22

:05

:59

22

:39

:59

23

:13

:59

23

:47

:59

00

:21

:59

00

:55

:59

01

:29

:59

02

:03

:59

02

:37

:59

03

:11

:59

03

:45

:59

04

:19

:59

04

:53

:59

05

:27

:59

06

:01

:59

06

:35

:59

07

:09

:59

07

:43

:59

08

:17

:59

%

Klockslag

25

30

35

40

45

50

55

09

:38

:36

10

:16

:36

10

:54

:36

11

:32

:36

12

:10

:36

12

:48

:36

13

:26

:36

14

:04

:36

14

:42

:36

15

:20

:36

15

:58

:36

16

:36

:36

17

:14

:36

17

:52

:36

18

:30

:36

19

:08

:36

19

:46

:36

20

:24

:36

21

:02

:36

21

:40

:36

22

:18

:36

22

:56

:36

23

:34

:36

00

:12

:36

00

:50

:36

01

:28

:36

02

:06

:36

02

:44

:36

03

:22

:36

04

:00

:36

04

:38

:36

05

:16

:36

05

:54

:36

06

:32

:36

07

:10

:36

07

:48

:36

°C

Klockslag

21

Volymflödet på press 3 visade på en stor variation på kort tid till skillnad från mätningar på press 1

och 2 se Figur 15. Medelvärdet är beräknat till 4,6 m3/s.

Figur 15 Volymflödet på press 3 under ett dygns produktion.

Som synes i Figur 16 är det högsta värdet som mättes på fukthalten 81,2 %, den lägsta mättes till 13

% se. Medelvärdet på fukthalten beräknades till 34,9 %.

Figur 16 Mätningar på kylluftens fukthalt på press 3 under ett dygns produktion.

0,00

2,00

4,00

6,00

8,000

9:3

8:3

61

0:1

7:3

61

0:5

6:3

61

1:3

5:3

61

2:1

4:3

6

12

:53

:36

13

:32

:36

14

:11

:36

14

:50

:36

15

:29

:36

16

:08

:36

16

:47

:36

17

:26

:36

18

:05

:36

18

:44

:36

19

:23

:36

20

:02

:36

20

:41

:36

21

:20

:36

21

:59

:36

22

:38

:36

23

:17

:36

23

:56

:36

00

:35

:36

01

:14

:36

01

:53

:36

02

:32

:36

03

:11

:36

03

:50

:36

04

:29

:36

05

:08

:36

05

:47

:36

06

:26

:36

07

:05

:36

07

:44

:36

m3/s

Klockslag

10

20

30

40

50

60

70

80

09

:38

:36

10

:16

:36

10

:54

:36

11

:32

:36

12

:10

:36

12

:48

:36

13

:26

:36

14

:04

:36

14

:42

:36

15

:20

:36

15

:58

:36

16

:36

:36

17

:14

:36

17

:52

:36

18

:30

:36

19

:08

:36

19

:46

:36

20

:24

:36

21

:02

:36

21

:40

:36

22

:18

:36

22

:56

:36

23

:34

:36

00

:12

:36

00

:50

:36

01

:28

:36

02

:06

:36

02

:44

:36

03

:22

:36

04

:00

:36

04

:38

:36

05

:16

:36

05

:54

:36

06

:32

:36

07

:10

:36

07

:48

:36

%

Klockslag

22

5.3 Sammanfattning mätningar I Tabell 5 och

Tabell 6 syns en sammanfattning av resultatet på mätningarna gjorda på presslinjerna.

Tabell 5 Mätresultat press 1 och 2.

Press 1 och 2 max min medel enhet

Temp 52,4 29,9 44,6 °C Flöde 9,2 4,2 7,5 m3/s Relativ fukthalt 81,2 41,9 42,7 %

Tabell 6 Mätresultat press 3.

Press 3 max min medel enhet

Temp 53,9 18,2 45,4 °C Flöde 4,6 m3/s Relativ fukthalt 81,2 34,9 %

5.4 Energi - och effektbalans Nedan redovisas balanser mellan energi och effekter som värmepumpen kan leverera i förhållande

till den energi och effekt som krävs för systemen. Det är räknat på att täcka upp effektbehov och så

stor del av energibehovet som möjligt för både melassanläggning, fabriksvärme samt varmvatten.

5.4.1 Effektbalans

Varaktighetsdiagrammet visat att det maximala effektbehovet på fabriksvärmen uppgår till 51 kW se

Figur 17.

Figur 17 Varaktighetsdiagram för fabriksvärmen.

Enligt ekvation 14 uppgår det totala effektbehovet för varmvatten till 17 kW. Det totala

effektbehovet för fabriksvärme samt varmvatten blir således 68 kW. Kyleffekten som krävs för dessa

system är ca 46 kW vid en framledningstemperatur på 65°C, enligt Figur 10.

0

10

20

30

40

50

60

0 70 140 210 280 350

kW

Dagar

23

Figur 18 visar det framtagna varaktighetsdiagrammet för melassanläggningen. Det maximala

effektbehovet uppgår till 36 kW. Kyleffekten som systemet kräver är således 23 kW vid en

framledningstemperatur på 50°C enligt bilaga.

Figur 18 Varaktighetsdiagram för melassanläggning.

Den totala kyleffekten för melassanläggning, fabriksvärme och varmvatten uppgår till 67 kW. Med

ekvation 15 fås att effektuttaget ur återvinningsbatteriet bör vara på 106 kW. Denna energi finns

tillgänglig att hämta från press 1 och 2.

5.4.2 Energibalans

Total energibehov för melassanläggning, fabriksvärme samt varmvatten uppgår till ca 217 MWh/år.

Med en drifttid på 5870 h/år och återvinningsbatteriets effekt på 106 kW blir den tillgängliga energin

från kylluften ca 622 MWh/år. Det finns således ett betydande energiöverskott.

Beräkningar visar att det är möjligt att åstadkomma en energitäckningsgrad över 80 % med

ackumulatortanken. Energitäckningsgraden är direkt kopplat till hur mycket energi som är möjligt att

lagra i ackumulatortanken.

5.5 Ekonomi Resultatet av de ekonomiska beräkningarna visar att fabriken kan göra en besparing på nära 130 000

kr/år med ett elpris på 1 kr/kWh se Tabell 7. Återbetalningstiden med dessa förutsättningar är

beräknad till 8,1 år.

Tabell 7 Kostader per år för energianvändning före och efter installation med värmepumpar samt årligbesparing efter installation.

Område Kostnad före åtgärder

Kostnad efter åtgärder

Besparing

Melassanläggning 132 990 kr 53 196 kr 79 794 kr Fabriksvärme + VV 83 553 kr 33 421 kr 50 132 kr Totalt 216 543 kr 86 617 kr 129 926 kr

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 70 140 210 280 350

kW

Dagar

24

5.6. Åtgärdsförslag Åtgärdsförslaget innebär att installera två stycken värmepumpar. En 30 kW värmepump för

melassanläggningen samt en 60 kW värmepump för fabriksvärmen och varmvattenberedning.

Kyleffekten som krävs till värmepumparna är tänkt att hämtas från kylluften på presslinje 1 och 2. För

att ta reda på effekten i kylluften skall det installeras ett nytt återvinningsbatteri efter det befintliga

återvinningsbatteriet. För att få en jämn fördelning av kyleffekten in till värmepumpen föreslås att en

ackumulatortank sätts in mellan återvinningsbatteri och värmepump. Detta för att värmepumpen

skall jobba mot flytande kondensering samt så jämnt som möjligt utan att starta och stoppa i

onödan. Flödesschemat i Figur 19 visar den föreslagna lösningen för att kunna ta tillvara på energin.

Värmepumpen till melassanläggningen föreslås att placeras i anslutning till den befintliga elpannan i

melassanläggningens pannrum. Värmepumpen till fabriksvärmesystemet bör placeras i fabrikens

pannrum. Ackumulatortanken är placerad intill pannrummet i fabriken.

Figur 19 Flödesschema på det föreslagna åtgärdsförslaget.

25

6. Fler förslag till effektiviseringsåtgärder

Under projektets gång har det stötts på saker som inte berör syftet i arbetet men som ändå anses

kunna förbättras. Nedan redogörs dessa problem och förslag till fortsatt arbete.

6.1 Temperatur och styrning av melassanläggning Idag styrs varmhållningen i melassen av returtemperaturen. Styrsystemet skall hålla en konstant

temperatur på returen från melasstankarna. Vid standby ska tankarna utomhus hålla en temperatur

på 20°C. När urtappning av tanken skall ske höjs temperaturen 1 vecka innan till 30°C. Detta för att

melassen skall vara lättare att pumpa.

En tom tank har inget behov av varmhållning. När en tank är tom så stängs denna av personal i

programmet för styrning av drift, temperaturen i tanken borde då sjunka eftersom varmhållning inte

är nödvändig. Vid inspektion har returtemperaturen från tankarna hållit 23-27°C på tank 2 och 3,

trots att tankarna är tillfälligt tomma, stängda och ej används. Detta tyder på att styrsystemet på

melassanläggningen inte fungerar som det ska. Genom att justera styrsystemet så att tankar som

saknar behov av varmhållning stängs av helt minskar energiförbrukningen. Detta förslag kräver inga

dyra ombyggnationer utan enbart justering av det redan befintliga DUC systemet. Detta är en relativ

billig och enkel lösning som kommer att minska energiförbrukningen.

Tank 1 är ej inkopplad i DUC och personalen kan således inte reglera styrningen av denna. Denna

håller samma temperatur oavsett behovet av tömning. Denna skulle med fördel kunna kopplas in i

DUC så att personalen även kan styra temperaturen på denna.

En utredning på hur lång tid det tar att öka temperaturen till önskad tömningstemperatur i

melasstankarna skulle kunna medföra att det går att hålla en lägre standby temperatur på tankarna.

En lägre standby temperatur minskar värmeförluster från tankarna samt ger en lägre

energiförbrukning.

6.2 Frekvensstyrning av fläktar Vilket luftflöde som behövs för torkning av pellets beror på temperatur samt fukthalt i kylrummet.

Frekvensen styrs av temperaturdifferensen mellan pellets och rum. Idag fungerar inte

frekvensstyrningen av fläktarna som den borde. Styrningen av fläktarna ligger mellan 65-80 %, där

fläktarna går på 80 % uppskattningsvis 90 % av tiden. Frekvensen av fläktarna borde gå att minska

ytligare när den inkommande kylluften är varm till pelletskylarna. Trots att differenstemperaturen

mellan pellets och rum är 0°C så går fläktarna som om temperaturdifferensen vore 5°C.

En utredning borde göras för att säkerställa vilket luftflöde som behövs när pelletsen torkas. optimal

torkning innebär mindre svinn, högre kvalité samt kortare kyltider. Kortare kyltider innebär färre och

kortare stopp i produktionen eftersom pelletskylarna måste tömmas helt innan en ny foderstort kan

tillverkas. Om luftflödet kan sänkas innebär detta en besparing på fläktarnas elförbrukning.

6.3 Ventilation utan återvinning I apparatrummet på plan 2 sitter ett uteluftintag för ventilation. Denna ventilation är av typen FT-

system och saknar återvinnig. Kall uteluft värms med vätskekopplat värmebatteri till önskad

temperatur på tilluften och frånluften lämnar byggnaden i flera olika kanaler. Det är allmänt känt på

fabriken att detta skulle behövas byggas om till ett system med ventilationsåtervinning. Det föreslås

göra en vidare utredning av detta system, som idag anses kräva mycket energi.

26

7. Diskussion

Under arbetes gång har flera svårigheter, åsikter och tankegångar uppkommit. Dessa diskuteras i

detta kapitel. Felkällor, mätfel och åtgärdsförslagets för och nackdelar finns även representerade.

7.1 Felkällor och mätfel Resultatet på hastighetsflödesmätningarna gjorda på presslinje 3 är missvisande. Det totala luftflödet

är inte så varierande som Figur 15 visar. Rimligtvis borde Figur 15 likna mätningarna gjorda på

presslinje 1 och 2 (Figur 12). Anledningen till det varierande flödet tros vara att turbulens råder inuti

kanalen. För att säkerställa hastighetsmätningarna borde en ny mätning på ett annat ställe på

kanalen gjorts. På grund av problem med mätutrustning samt tidsbrist har nya mätningar inte gjorts.

Det anses dock inte ha någon större betydelse för slutsatsen i sig då valet föll på att ta tillvara på

energi från kylluften på presslinje 1 och 2. En annan aspekt som bör finnas i åtanke är den

begränsade mät perioden. Produktionen varierar beroende på efterfrågan från bönder och för att få

en bättre bild över energin i kylluften kan mätningarna göras under fler dygn. Under dygnen som

mätningarna utfördes hade fabriken en produktion som kan anses representativ över hur

dygnsvariationerna normalt kan ser ut.

Effektbehovet för avsättningsområden är approximerade värden. Som nämnts i rapporter saknas

data om byggnadens klimatskal för att ett mer pålitligt värde skall kunna fås på effektbehovet. För att

ta reda på ett mer pålitligt värde på effektbehovet kan man antingen göra mätningar under årets

kallaste dagar eller simulera i program speciellt framtaget för ändamålet. Mätningar när det är som

kallas har inte kunnat göras då arbetet varit lagt att göras under en annan del av året. Simulering av

byggnader är ett tämligen tidskrävande arbete när många parametrar inte är kända. I detta arbete

har det inte varit aktuellt med simuleringar. Effektbehovet som approximeras utifrån

energiförbrukning kan ändå anses rimliga värden att utgå ifrån och torde inte ligga långt ifrån de

verkliga värdena.

7.2 Effekt - och energitäckning För att få en stor lönsamhet i ett värmepump system så skall energitäckningsgraden i regel ligga runt

90 -95 %. Det har varit en utmaning i detta arbete att komma upp i en så hög energitäckningsgrad

som är möjligt. Att få en täckningsgrad över 90 % verkar efter beräkningar inte vara möjligt i detta

system. Anledningen till detta är helt enkelt den varierande produktionen samt drifttiden för

anläggningen. Beräkningar visar att en täckningsgrad på över 80 % är möjlig att få beroende på hur

systemet dimensioneras med ackumulatortanken. Trots att täckningsgraden inte kan fås till det

önskade värdet pekar det på goda möjligheter till energibesparing.

En annan riktlinje vid val av värmepump är att en värmepump skall täcka 65 – 70 % av det maximala

effektbehovet. I detta fall är det dimensionerat för att klara av hela effektbehovet. Anledningen till

detta val är kopplat till energitäckningsgraden. För att få så hög energitäckningsgrad som möjligt

behöver värmepumpen kunna klara av att leverera även när effektbehovet är som störts. En nackdel

med detta är att värmepumparna blir större och lite dyrare.

För att kunna lagra energi i en ackumulatortank krävs god skiktning i tanken. Skiktningen beror på

fluidets hastighet in och ut ur tanken. I detta arbete har inte några beräkningar gjorts för att

säkerställa att tanken kan hålla en god skiktning. Tanken är stor och beräkningar tyder på att flödena

in och ut ur tanken är relativt små, vilket är tecken på att en god skiktning bör kunna åstadkommas.

I Figur 5 går det att se att elförbrukningen under vecka 1 är betydligt högre än generellt under året.

Detta gör att det beräknade effektbehovet på värmepumpen som ges som förslag att installeras

27

troligtvis ligger lite i överkant effektmässigt. Att elförbrukningen ökade mycket denna period tros

bero på ett värmebatteri som värmer ett av ventilationssystemen. Detta ventilationssystem tar in kall

uteluft och värmer denna med ett vätskevärmebatteri. Under kalla dagar behöver elpannan gå in

med mycket effekt för att värma luftflödet till önskad temperatur. Det har länge funnits en tanke att

bygga om detta system till ett system med återvinning. Detta skulle göra att det totala effektbehovet

för anläggningen skulle minska vilket leder till att en billigare och mindre värmepump är möjlig att

installera.

Man får inte glömma att det fortfarande finns goda möjligheter i framtiden att även nyttja

kylluftensenergi från presslinje 3.

7.3 Ekonomi Vid beräkning av värmepumparnas värmefaktor är det inte inkluderat driveffekter för

cirkulationspumpar och förluster från kompressorerna. Den beräknade värmefaktorn skulle bli något

lägre om dessa värden togs med i beräkningarna. Värdet på värmefaktorn påverkar framförallt priset

för den energi som värmepumparna producerar.

Besparingen på 130 000 kr/år skulle gärna kunna varit något högre. Vid installation kommer det bli

en omfattande rördragning ut till melassanläggningen. Den stora begränsningen till besparing med

värmepumpar är den ojämna energitillgången från kylluften. En högre energitäckningsgrad skulle ge

en större besparing och lägre återbetalningstid.

28

8. Slutsats

Beräkningar visar att det finns goda möjligheter för ett större energiuttag från kylluften. Temperatur,

fukthalt och flöde på kylluften varierar beroende på hur produktionen körs. För att få en jämnare

tillgång av energi bör en ackumulatortank användas. Det föreslås att ta energi från kylluften på

presslinje 1 och 2 med ett återvinningsbatteri på minst 106 kW. Installationer av föreslagna åtgärder

med två stycken värmepumpar, en på 30 kW för melassanläggningen och en på 60 kW för

fabriksvärmesystemet, samt ackumulatortanken innebär att värmepumparnas energitäckningsgrad

blir 80 %. Installation av värmepumpar beräknas ger en besparing på 130 000 kr/år om elpriset är 1

kr per kWh. Återbetalningstiden på 8,1 år är lång men det som inte bör glömmas bort är den

miljömässiga vinsten som kan göras. Mindre andel köpt energi minskar fossila utsläpp i miljön.

Syftet och målet med arbetet anses uppnått. Mätningar och beräkningar som gjorts visar på att det

finns en stor potential för ett större energiuttag ur kylluften. Kylluften innehåller energi av en god

kvalité men som varierar med produktionen.

29

9. Källförteckning

Armatec. (den 28 april 2015). Armatec. Hämtat från Teknisk hjälp: http://armatec.com/se/teknisk-

hjalp/artiklar/hur-ska-ett-system-for-ackumulering/

Björk, E., Acuña, J., Granryd, E., Mogensen, P., Nowacki, J.-E., Palm, B., o.a. (2013). Bergvärme på

djupet. Stockholm: US-AB.

Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamics - An Engineering Approach. New York: McGraw-

Hill.

Energimyndigheten. (den 27 4 2015). Värmepump. Hämtat från Energimyndigheten:

https://energimyndigheten.a-w2m.se/Home.mvc?ResourceId=2481

NIBE. (den 27 april 2015). www.nibe.se. Hämtat från Bergvärmepumpar NIBE F1345:

http://www.nibe.se/Produkter/Bergvarmepumpar/NIBE-F1345/?tabid=4

SMHI. (den 13 april 2015). Årsmedeltemperaturens avvikelse från den normala. Hämtat från

http://www.smhi.se/klimatdata/meteorologi/kartor/monYrTable.php?par=tmpYrAvv&month=13

Soleimani-Mohseni, M., Bäckström, L., & Eklund, R. (2014). EnBe Energiberäkningar. Umeå:

Studentlitteratur.

Upnor. (2013). VVS handboken - Tappvatten- och Radiatorrörsystem. Upnor.

Warfvinge, C., & Dahlblom, M. (2010). Projektering av VVS-installationer. Lund: Studentlitteratur.

30

Bilaga

Kyleffektdiagram för 30 kW värmepump till melassanläggning (NIBE, 2015).