Det här verket har digitaliserats vid Göteborgs universitetsbibliotek och är fritt att använda. Alla tryckta texter är OCR-tolkade till maskinläsbar text. Det betyder att du kan söka och kopiera texten från dokumentet. Vissa äldre dokument med dåligt tryck kan vara svåra att OCR-tolka korrekt vilket medför att den OCR-tolkade texten kan innehålla fel och därför bör man visuellt jämföra med verkets bilder för att avgöra vad som är riktigt. Th is work has been digitized at Gothenburg University Library and is free to use. All printed texts have been OCR-processed and converted to machine readable text. Th is means that you can search and copy text from the document. Some early printed books are hard to OCR-process correctly and the text may contain errors, so one should always visually compare it with the ima- ges to determine what is correct. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 C M Rapport R38:1989 Uteluft- och grundvattenvärmepump i Hällbybrunn Utvärdering Johnny Andersson Per Wetterström Sev Vrc R38:1989 UTELUFT- OCH GRUNDVATTENVÄRMEPUMP I HÄLLBVBRUNN Utvärdering Johnny Andersson Per Wetterström Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 830860-7 från Statens råd för byggnadsforskning till Scandiaconsult AB, Stockholm. REFERAT Rapporten redovisar resultaten av de första två årens drift av värmepumpanläggningen i Hällbybrunn och sammanfattar de erfarenheter som kan vara till nytta vid liknande anläggningars tillblivelse och anpassning till bebyggelse och befintliga värmesystem. Värmepumpanläggningen består av en uteluftvärmepump (2X1,25 MW) och en grundvattenvärmepump (1,7 MW). Grundvattnet kommer från en grusås och används som värmekälla huvudsakligen under vinterhalvaret. Under sommaren återladdas åsen med vatten som pumpas runt via en solvärmd damm. Värmepumpanläggningen har kopplats in pa fjärrvärmeförsörjningen till ett område med mycket skiftande bebyggelse sasom bostäder, ålderdomshem, handelsträdgård och industri. Värmepumparnas tillgänglighet har varit betydligt lägre än tänkt beroende på att de inte erhållit de driftförutsättningar som var avsedda. Anledningen är att höga fjärrvärmetemperaturer, över­ gripande styrsystem m.m försämrat och tidvis omöjliggjort värme­ pumpdriften. Rapporten påvisar vikten av att alla kringsystem som berör värme­ pumpen ligger inom de ramar som värmepumpen skall arbeta inom. I Byggforskningsrådets rapportserie redovisar forskaren sitt anslagsprojekt. Publiceringen innebär inte att rådet tagit ställning till åsikter, slutsatser och resultat. Denna skrift är tryckt på miljövänligt, oblekt papper. R38:1989 ISBN 91-540-5040-5 Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Svenskt Tryck Stockholm 1989 INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING 1 1 INLEDNING 5 1.1 Bakgrund 5 1.2 Projektets syfte 5 1.3 Liknande proj ekt 6 1.4 Utvärdering 6 2 ANLÄGGNINGSBESKRIVNING 8 2.1 Systemuppbyggnad 8 2.2 Fjärrvärmenät, undercentraler och 11 ackumulatortank 2.3 Panncentral 13 2.4 Värmepumpar 14 2.5 Uteluftvärmepump 15 2.6 Grundvattenvärmepump 2 3 2.7 Driftstrategi 26 2.8 Tekniska data 32 2.9 Byggnad 3 4 2.10 Miljö 38 3 PROJEKTERING OCH UPPHANDLING 39 3.1 Projektering 39 3.2 Upphandling 40 3.3 Anbud och kontrakt 41 3.4 Tidplan 42 3.5 Besiktningar 43 4 MÄTPROGRAM 44 4.1 Inledning 44 4.2 Mätprogram och omfattning 46 4.3 Placering av mätgivare 47 4.4 Mätverksamhet 47 4.5 Erfarenhet från mätningarna 49 5 UTVÄRDERING AV LÅNGTIDSMÄTNINGAR 56 5.1 Inledning 56 5.2 Planerad och uppmätt energiproduktion 56 5.3 Energileverans och effekter 64 5.4 Elenergi, eleffekt och COP 76 5.5 Temperaturer 82 5.6 Drifttider och starter 94 5.7 Tillgänglighet 96 6 UTVÄRDERING AV INTENSIVMÄTNINGARNA 100 6.1 Inledning 100 6.2 Avfröstning 100 6.3 Kapacitetsreglering 101 7 DRIFTERFARENHETER AV VÄRMEPUMPSYSTEMET 104 OCH DESS KOMPONENTER 7.1 Drifterfarenheter vid låga utetemperaturer 104 7.2 Värmepumpens dimensionering 104 7.3 Förångare 108 7.4 Kompressor och oljesystem 116 7.5 Ekonomiser 118 7.6 Kondensor 120 7.7 Elsystem 121 7.8 Styr- och övervakningssystem 122 7.9 Köldmedieläckage 123 8 DRIFTERFARENHETER AV KRINGSYSTEMEN OCH DERAS KOMPONENTER 127 8.1 Inledning 127 8.2 Värmebärarsystem 129 8.3 Ackumulatortank 132 8.4 Fj ärrvärmenät 136 8.5 Abonnentcentraler 137 8.6 Oljepannor 140 8.7 Övergripande styr- och övervaknings­ system 142 8.8 Summering 147 9 GRUNDVATTENSYSTEM 148 9.1 Inledning och bakgrund 148 9.2 Vattendom 151 9.3 Beskrivning av grundvattensystemet 151 9.4 Mätningar 154 9.5 Grundvattenvärmepump 155 9.6 Grundvattentäkten 157 9.7 Infiltration 158 9.8 Akvifären 160 9.9 Miljökonsekvenser 164 9.10 Summering 164 10 DRIFT OCH UNDERHÅLL 165 10.1 Människa - maskin 165 10.2 Byggnad och driftutrymmen 165 10.3 Servicebehov 171 11 EKONOMI 172 11.1 Inledning 172 11.2 Anläggningskostnader 173 11.3 Energibesparing 174 11.4 Energipriser 174 11.5 Kostnad för producerad värmeenergi 175 11.6 Lönsamhet 177 11.7 Återbetalningstid 179 11.8 Inverkan på lönsamheten av varierande värmefaktor och utnyttjningstid 180 11.9 Diskussion kring lönsamhet för uteluft- värmepumparna resp grundvattenvärmepump 183 11.10 Lönsamhet för ackumulatorn 184 12 FÖRSLAG TILL FORTSATT UTVÄRDERING 185 BILAGOR 1 MÄTGIVARE 2 MÄTGIVARNAS PLACERING (FLÖDESSCHEMA) 1SAMMANFATTNING Hällbybrunn ligger inom Eskilstuna kommun ca 5 1cm väster om centrala Eskilstuna. Värmepumpanläggningen ägs av Eskilstuna kommun (Tekniska verken) och är finansierad via ett experimentbyggnadslån från Statens Råd för Byggnadsforskning. Fjärrvärme i Hällbybrunn aktualiserades i slutet av 1970-talet då 300 villor skulle uppföras i ett nytt bostadsområde kallat Gustavsborg. Hällbybrunn består förutom av denna nyproduktion av ca 300 äldre villor, två hyreshus om tillsammans 180 lägenheter, skola, butik, ålderdomshem och en större handelsträdgård med 2 MW värmebehov samt ett industriområde. Värmeleveranserna startade i Hällbybrunn år 1980 med hjälp av mobila oljepannor. Från början var det planerat att värmepumpsanläggningen skulle bestå av enbart uteluftvärmepumpar på tillsammans ca 4 MW i kombination med oljepannor. Hällbybrunn är till största delen byggt på en rullstensås och frågan om att ta energi från grundvatten väcktes då verket skulle placeras i närheten av en avställd vatten­ täkt för Hällbybrunn. Anläggningens slutliga utformning består av en uteluft- värmepump på 2,5 MW och en grundvattenvärmepump på 1,7 MW samt två transportabla oljeeldade pannor som tillsammans värmer samhället Hällbybrunn via ett fjärr­ värmenät . Fjärrvärmenätet som succesivt byggts ut är av konven­ tionell typ med undantag av att det är ett lågtemperatur- nät. Värmepumpanläggningen togs i drift i april 1984. Uteluft- värmepumpen var jämte uteluftvärmepumpen i Fagersjö förmodligen de två största i världen vid denna tid. Både värmepumpanläggningen i Hällbybrunn och i Fagersjö ingår som delar i den värmepumpsatsning Byggforsknings- rådet gjort med tillsammans åtta större värmepumpanlägg­ ningar i landet. Vi har av flera skäl valt att lägga tyngdpunkten i denna rapport på en teknisk utvärdering. Tekniken i och kring värmepumpar är något som vi kan påverka och utveckla, ekonomin styrs av helt andra faktorer som oljepriser, eltaxor, räntor, lånebilder m m. Inte minst omsvängningen mellan el- och oljepris under år 1986 är ett påtagligt bevis för detta. Utvärderingen grundar sig till stor del på mätresultat som vi erhållit från Mätcentralen för Energiforskning (MCE) på KTH. 2Mätperioden startade 1984 10 01 och avslutades 1986 04 30; därmed erhölls två vintersäsonger vilket vi bedömde som den intressantare delen av utvärderingen. Som referensår valdes 1985 eftersom det i sin helhet ingår i mätperioden. År 1985 var extremt kallt varför vissa data i utredningen är normalårskorrigerade. Nor- malårskorrigeringen har skett med hänsyn till hela an­ läggningens energibehov. Resultatet från utvärderingen är tyvärr inte särskilt positiv vid jämförelse med de underlag och varaktighets- kurvor som legat till grund för anläggningens tillkomst. Orsaken till detta är att värmepumpen ju bara utgör en länk i värmedistributionskedjan. De övriga länkarna, kringsystem i form av fjärrvärmenät, ackumulatorer, övergripande styrsystem m m har i Hällbybrunn fungerat på ett olämpligt sätt och därmed förstört förutsättningarna för en värmepumpdrift enligt de ursprungliga planerna. Denna utvärdering har därför i en allt större grad kommit att handla om kringsystemens inverkan på värmepumparna. Naturligtvis är det beklagligt att utvärderingen givit ett mindre bra resultat beträffande värmepumparna. Det har dock det goda med sig att de belyser hur viktigt systemtänkandet är när det gäller värmepumpar. Vi menar därmed ej enbart värmepumpens system utan det totala systemet från uteluft/grundvatten till det sätt på vilket abonnenten använder värmen. I denna rapport framgår att det är helheten som är viktig. Allt från underkylning av köldmedierna till badrutiner på ålderdomshemmet. Värmepumpar är ej värmeproduktionsanläggningar likt olje­ pannor och elpannor. Värmepumparna är temperaturhöjande värmetransportanläggningar och skall således beredas förutsättningar därför. Nedan har vi ställt upp några punkter som vi anser in­ verkat på resultatet inkl kommentarer med tanke på fram­ tida anläggningar. 1 Kompetens Hällbybrunnsanläggningens tillblivelse har skett via en ganska lång och slingrande väg med flera förändringar under resans gång. Många människor med specialkompetens inom skilda områden har varit involverade under kortare eller längre tid. 3Kommentarer för framtida värmepumoanläggningar Vi anser det mycket viktigt att beställaren omger sig med en kompetens som följer anläggningen från utredning tom garantitidens utgång, eventuellt längre. Det är viktigt att ett klart och tydligt ansvar definieras av beställaren. Det är viktigt att det är samma personer som följer anlägg­ ningens alla skeden. Därmed skapas ett personligt ansvar för det slutliga resultatet. Eventuellt skulle kontrakterade anställningar kunna komma ifråga. Inte minst viktigt är att kunna stoppa ett påbör­ jat projekt om ofördelaktiga förutsättningar framkommer. 2 Ägarförhållanden I Hällbybrunn ägs abonnentcentralerna av abonnen­ terna. Till fjärrvärmenätet i Hällbybrunn är anslutet ca 300 abonnenter vilket är ett stort antal i förhållande till det förhållandevis maximala effektuttaget i nätet. Vid behov av justeringar, alt förändringar, av abonnentcentralerna för att förbättra värmepum­ parnas driftvillkor är detta därför lättare sagt än gjort. I villor kan det bli problem att få tillträde för mätningar eftersom de flesta är hemifrån under arbetstid. Än större problem är det att utföra förändringar av dessa abonnentcentraler. Even­ tuella förändringar måste förhandlas fram vilket kanske resulterar i krav på ekonomisk kompen­ sation etc. Det är en fördel i detta avseende om abonnenterna är effektmässigt större. Det är därtill mycket enklare om det är samma ägare till både värmepro- duktionsanläggningen, fjärrvärmenätet och bo­ städerna. Därmed kan diskussioner, överväganden och beslut hanteras av en part. En extra åtgärd kan direkt vägas mot dess för- och nackdelar. 3 Hällbvbrunnanläggninaen Hällbybrunns fjärrvärmenät är inte det mest lämpade för uppvärmning med hjälp av värmepumpar. Värmepumparna har ju ett flertal begränsningar till vilka hänsyn måste tas för att värmepump­ driften skall bli lönsam. Värmepumpen kräver s k lågtemperaturnät med förhållandevis stora flöden, som resulterar i stora rördimensioner i nätet. Därtill skall värmepumpar helst arbeta mot jämna lugna värmebelastningar då nedreglering av effek­ ten lätt försämrar värmefaktorn. Stora effekt­ uttag måste dessutom kompletteras med annan energi i form av spetsvärme. Fjärrvärmenätet i Hällbybrunn är förhållandevis långt och har en låg värmebelastning per ytenhet. 4Några av de största värmeförbrukarna är belägna längst bort i nätet sett från värmepumpen. Handelsträdgården som är den största förbrukaren har därtill ett högst varierande effektbehov med mycket plötsliga effektförändringar. Vi vill betona vikten av dessa faktorer då de har en stor inverkan på den totala lönsamheten. Vid en jämförelse med uteluftvärmepumpen i Fagersjö, som utvärderats under exakt samma tidsperiod och i huvudsak bygger på samma komponenter, visar Fagersjö en betydligt högre tillgänglighet. En jämförelse mellan dessa bada uteluftvärmepumpar visar vikten av kringutrustningens funktion. Det bör vara en målsättning att fortsättnings­ vis minimera kringsystemens begränsande effekt på värme­ pumparna i Hällbybrunn. Uteluft är en överallt tillgänglig energikälla, om än svårfångad vintertid vilket leder till låga förångnmgs temperaturer. Vi anser att det vore olyckligt att inte i möjligaste mån komma till rätta med problemen i knng- systemen och därmed ge framför allt uteluftvärmepumpen i Hällbybrunn förutsättningar att visa bättre prestanda. 51 INLEDNING 1.1 Bakgrund År 1978 genomförde Tekniska verken i Eskilstuna kommun en fjärrvärmeutredning för Hällbybrunn. Anledningen var elnätet i Hällbybrunn som var svagt samt att Gustavs- borgsområdet inom Hällbybrunn skulle bebyggas med ca 300 villor. Utredningen kom fram till att vissa fördelar skulle erhållas om fjärrvärme infördes i Hällbybrunn. Att bygga ihop nätet med Eskilstunas fjärrvärmenät bedömdes för dyrt, varför värmeproduktionen skulle ske med oljeeldade pannor. För att kunna använda sig av fler alternativ vid värme­ produktionen bestämdes att fjärrvärmenätet skulle utfor­ mas som ett lågtemperaturnät. Det första alternativet var installation av fyra uteluft- värmepumpar. Ett annat alternativ som 1980 kom på tal var utnyttjande av grundvattentäkten för Hällbybrunn som numera är reservvattentäkt för Hällbybrunn efter sammankoppling med Eskilstunas VA-nät. Den rådande vattendomen för vattentäkten tillät ett maxi­ malt uttag av 25 l/s. För att undersöka möjligheter att utnyttja en större del av grundvattnet till värmekälla företogs provpumpningar av vattentäkten under hösten 1980. 1983 07 08 erhölls vattendom vilken fastställde att vissa nivåer i vattentäkten och i en grustäkt ca 1,3 km väster ut ej fick underskridas. I övrigt begränsades ej grund­ vattenuttag eller infiltrationsflöden i vattendomen. Därmed var grunden lagd för en kombination av uteluft- värmepump och grundvattenvärmepump. 1.2 Projektets svfte Tanken bakom kombinationen är att man optimalt skall utnyttja luftvärmepumpen under de perioder på året då lufttemperaturen är tillräckligt hög. Under den kallaste perioden utnyttjas den begränsade grundvattentillgången samtidigt som luftvärmepumpen är avstängd. En viss form av lagring av grundvattenvärme sker därmed vilket möjliggör att hela den tillgängliga grundvatten­ energin kan uttagas under en begränsad period under vinterhalvåret. Uteluftvärmepumpar har den ojämförligt goda fördelen att värmekällan alltid är tillgänglig. Samtidigt har uteluft som värmekälla påtagliga nackdelar. Den är i bostads- uppvärmningssammanhang alltid omvänd mot värmebehovet, 6dvs den är som mest svårfångad när värmebehovet är som störst. Kraven på en uteluftvärmepump är betydligt större såväl termodynamiskt som funktionellt än vad det gäller grund­ vattenvärmepumpen som har en stabil värmekälla. Anpassningsproblemen är stora och av skiftande karaktär. Då området är representativt för många mindre orter i Sverige har projektet ett allmänt intresse och erfaren­ heterna kan tillämpas på ett stort antal av dessa. 1.3 Liknande Projekt Hällbybrunnsprojektet (uteluftvärmepump 2,5 MW och grund­ vattenvärmepump 1,7 MW) ingår som en av de åtta större värmepumpanläggningar som BFR stödjer ekonomiskt. Dessa är förutom Hällbybrunn: Kungälv, uteluftvärmepump 3,2 MW - Fagersjö, uteluftvärmepump 2,5 MW Varberg, uteluft 1,0 MW Loudden, avloppsvärmepump 5 MW Uppsala, avloppsvärmepump 3 x 13 MW Visby, avlopp/havsvattenvärmepump 2 x 4 MW Lidingö, sjövattenvärmepump 11 + 3,5 MW 1.4 Utvärdering Denna utvärdering har som ett syfte att sammanställa de resultat som erhållits från värmepumpanläggningen under utvärderingstiden. Ett annat syfte är att sammanställa erfarenheter som kan vara till nytta för liknande framtida projekt. Vi anser att vi åtminstone kommit en bit på vägen i dessa avseenden även om mycket mer kan göras. Denna utvärdering har mer kommit att handla om värme­ pumparnas kringsystem än själva värmepumparna. Den grundläggande utvärderingen av värmepumparna har ej gått att utföra som planerats. Värmepumparna har aldrig erhållit de förutsättningar som avsetts. Anledningen till det är höga fjärrvärmetemperaturer, övergripande styr­ system m m som hela tiden försämrat och tidvis omöjlig­ gjort värmepumpdriften. 7Denna utvärdering visar hur viktigt det är att alla kringsystem som berör värmepumpen ligger inom de ramar som värmepumpen skall arbeta inom. Det är även viktigt att övergripande styr prioriterar värmepumpsdriften på ett optimalt sätt. 82 ANLÄGGNINGSBESKRIVNING 2.1 Svstemuppbvqqnad Värmesystemet består av en uteluftvärmepump på 2,5 MW, en grundvattenvärmepump på 1,7 MW samt två mobila olje­ pannor på 4 MW var. Dessa är placerade i Silverdal. Till detta skall adderas en tidigare avställd mobil oljepanna på 3 MW placerad i Gustavsborg, vilken på grund av drift­ erfarenheter återstartas under vinterhalvåret. Systemet levererar värme till ett fjärrvärmenät av lågtemperatur- typ. Abonnenter är villor, lägenheter, affärer, skola, ålderdomshem, handelsträdgård och industri. Mellan värmeproduktionsanläggningen och fjärrvärmenätet är anslutet en 200 m3 ackumulator. Värmepumparna används som baslast i systemet. På grund av fjärrvärmenätets flödesvariationer har värmepumparna en intern pumpkrets med konstant flöde. I denna krets ligger värmepumparnas kondensorer i serie med varandra med grundvattenvärmepumpen först, följd av uteluftvärme- pumpens två kondensorer. Oljepannorna fungerar som spets­ last. Den driftstrategi som planerats går ut på att grund­ vattenvärmepumpen skall användas som baslast under vinterhalvåret, dvs under ca 3 500 timmar. Uteluftvärme- pumpen används som baslast under sommaren. Fjärrvärmenätet är ett konventionellt fjärrvärmenät med värmeväxlare hos abonnenterna. Nätet är i lågtemperatur- utförande vilket innebär större flöden och ökade dimen­ sioner för rör, värmeväxlare m m jämfört med fjärr­ värmenät av normalutförande. Värmepumparna är placerade i en gemensam byggnad helt planlagd med avseende på värmepumparna. Denna byggnad innehåller förutom värmepumpar även högspänningsutrust- ning, fjärrvärmepumpar, tryckhållningsutrustning samt kontroll- och personalrum. De mobila oljepannorna i Silverdal utgörs av två enheter placerade vid sidan om värmepumpbyggnaden och helt skilda från denna. Oljepannanläggningen i Gustavsborg är också en mobil enhet som enbart används för handelsträdgården. Den har ingen koppling till Silverdal. Vid drift av Gustavsborgs- anläggningen sker fjärrvärmedistributionen med konstant flöde till handelsträdgården, med hjälp av pump placerad i oljepannanläggningen i Gustavsborg. Ackumulatortanken är placerad mellan värmepumpbyggnaden och oljepannorna. På sätt och vis är den även system- tekniskt placerad mellan värmepumparna och oljepannorna. Grundvattenvärmepumpen hämtar grundvatten i Hällbybrunns nedlagda grundvattentäkt belägen ca 200 m sydväst värmepumpbyggnaden. 9Beroende på årstid och driftstrategi släpps det nedkylda grundvattnet antingen i dagvattennätet eller återinfil- treras i grusåsen via en 1,5 km lång ledning till en grustäkt. Grundvattensystemet redovisas i kapitel 9. 10 Figur 2.1 Systemprincip EL 0D ES MÀ TA RE 11 2.2 Fiärrvärmesvstem. undercentraler och ackumulator­ tank Fjärrvärmenätet är ett fjärrvärmenät i konventionell mening med undantag av att det är anpassat till lågtempe- ratursystem. Fjärrvärmenätet har således: Varierande flöde efter belastning. Fjärrvärmeflödet växlas via värmeväxlare i abonnentcentralernas undercentraler. Undercentralerna ägs av abonnenterna. Anpassningen till lågtemperatursystem innebär att nätet är uppdimensionerat för att klara ett större flöde samt att undercentralernas värmeväxlare har större ytor för att minska temperaturdif feransen mellan nätet och abonnentens sekundärkrets. Nät och undercentraler är dimensionerade för att framled- ningstemperaturen skall vara konstant 60°C ned till -5°C utomhus och därefter succesivt höjas till ca 90°C vid -20°C utomhus. Nätets totala rörlängd är ca 7 000 m. Ei§E£Yä5S®Dät_-_värmebärare_-_ackumulator Fjärrvärmeflödet är i värmepumpanläggningen (Silverdal) uppdelat i två skilda kretsar. Den ena kretsen är det tidigare berörda fjärrvärmenätet med variabelt flöde. Den andra kretsen består av ett konstant flöde över värmepum­ parnas kondensorer och brukar i värmepumpsterminologin benämnas värmebärare. Det som skiljer dessa båda kretsar åt är ackumulator­ tanken och en 3-vägsventil. I ackumulatortanken som är ett tryckkärl kan flödet variera både till riktning och storlek. Det styrs endast av skillnaden mellan fjärrvärmenätets flöde och det värmebärarflöde som värmepumparna distribuerar mot nätet. 12 VÄRMEPUMP I /' V*~\ 7 /V^s- fl 43:12 Figur 2.2 Fjärrvärmenätets utbredning 13 Den sista meningen fordrar troligen en förklaring. Med "värmebärarflöde som distribueras mot nätet" menas ej det totala flödet över kondensorerna utan det flöde som pase- rar flödesmätare GF2. Det är 3-vägsventilen som är orsak till att flödet skil­ jer mellan flödesmätare GF2 och kondensorerna. Ventilen har till uppgift att konstanthålla temperaturen på ut­ gående värmebärare och oavsett värmepumparnas kapacitet och därmed möjliggöra laddning av ackumulatortanken. Se figur 2.1. Ackumulatortanken är ett stående tryckkärl med höjden 16 m och volymen 200 m3. Fjärrvärmevattnet kommer in i alternativt ut ur ackumulatortanken via en diffusor i toppen och en i botten. Vid laddning pumpas det varmare vattnet in i toppen och det kallare tas ut i botten. Vid urladdning sker det omvända förhållandet. Det rör som ansluter till ackumulatorns topp går oisole­ rat inuti tanken, se figur 8.4. En givare i toppen och en i botten av ackumulatorn i kombination med flödesmätare GF1 och GF2 används till styrning av värmepumparna och därmed indirekt ackumula­ torn. 2.3 Panncentraler De befintliga transportabla oljepannorna i Silverdal och Gustavsborg uppfördes samtidigt med att fjärrvärmenätet påbörjades år 1980. I Silverdal är två oljepannor å 4 MW uppställda som numera utgör spetslast till värmepumparna. I Gustavsborg är en 3 MW oljepanna uppställd. När det gäller Gustavsborg var det tänkt att denna olje­ panna ej skulle ha någon funktion efter sammankopplingen av fjärrvärmenätet. På grund av handelsträdgården, som tidvis har mycket speciella krav, resulterar detta i höga returtemperaturer i fjärrvärmenätet. Detta gav i sin tur problem med värme­ pumpdriften. Det bestämdes efter en tids driftserfarenhet att åter­ starta oljepannan i Gustavsborg. Under vinterhalvåret försörjer oljepannan i Gustavsborg handelsträdgården, såväl värmetekniskt som flödestek- niskt. Det är endast tryckhållning i fjärrvärmenätet som sker från huvudanläggningen i Silverdal. När det gäller huvudanläggningen i Silverdal varmhålls dessa pannor sommartid och i övrigt när de är avställda med hjälp av värmepumparnas framledningstemperatur. Oljepannorna är i princip seriekopplade med värmepumpar och fjärrvärmepumpar och följdaktligen passerar "hela" fjärrvärmeflödet dessa. 14 Oljepannorna är inbördes parallellt kopplade i fjärr­ värmeflödet. Styr- och reglermässigt finns ingen koppling till värme­ pumparna. Oljepannorna styrs av egen utrustning som kräver en manuell återföring till värmepumparna via maskinisten. Regierutrustningen för oljepannorna inkl kommentarer finns redovisad i kapitel 8.6. 2.4 Värmepumpar Värmepumparna är tvä, en för uteluft och en för grund­ vatten. Vid första påseendet förefaller det son om det var en grundvattenvärmepump och två uteluftvärmepumpar eftersom uteluftvärmepumpen har två kompressorer, två kondensorer osv. Köldmedietekniskt är det en värmepump med dubbla kompressorer, kondensorer m m som arbetar med ett gemen­ samt förångarsystem. Vi har fortsättningsvis valt att redovisa uteluft­ värmepumpen och grundvattenvärmepumpen var för sig. Eftersom vissa av komponenterna och funktionerna är identiska hänvisar vi till ufteluftvärmepumpen istallet för att upprepa beskrivningar och funktioner. Elsystem Värmepumpbyggnaden förses med nödvändig elenergi från en inkommande 10 kV-ledning. Inkommande kraft fördelas till startutrustning för de tre kompressormotorerna och en 10/0,4 kV transformator. Transformatorn levererar ström till elförsörjning av värmepumpens hjälputrustning samt övrig elutrustning i VP-stationen. 15 Figur 2.3 Högspänningsfördelning med truckbrytare. Kompressormotorerna är 2-poliga på 10 kV med effekten 700 kW. Motorerna är direktstartade. Startutrustningen består av en truckbrytare (hjulförsedd startutrustning) per kompressor. Brytarna placerade i värmepumpbyggnadens högspänningsdel. Kringutrustning matas med 380 V som transformeras ned från 10 kV. 2.5 Uteluftvärmepump Uteluftvärmepumpen består av två skruvkompressorer vilka arbetar på ett gemensamt förångarsystem. Förångarsystemet består av en gemensam vätskeavskiljare samt åtta för- ångarbatterier, se figur 2.4. Kompressorerna arbetar med var sin kondensor som mot fjärrvärmenätet är seriekopplade. Värmepumpen är utrustad med ekonomiserkoppling för respektive kompressor. 16 Av ovan framgår att värmepumpen består av ett gemensamt köldmediesystem. Köldmedium är R12. Vid +60°C i utgående värmebärartemperatur är värmepumpens effekt 2 500 kW vid -5“C i utomhustemperaturen och ca 3 500 kW vid +10°C i utomhustemperaturen. Förångare Uteluftvärmepumpens förångarsystem är gemensamt för uteluftvärmepumpens båda kompressorer och består av 8 st förångarbatterier och en gemensam vätskeavskiljare. Förångarbatterierna är placerade på byggnadens tak och tillsammans med in- och utloppskanaler utgör batterierna också en del av byggnadens tak. Under varje förångarbatteri är ett kombinerat vatten- avlednings- och ventilationstråg placerat. Uteluft tas in under förångardelarnas "överhäng" utefter husets båda långsidor, passerar horisontellt genom fläktarna och förångarbatterierna och blåses ut vertikalt i längsgående öppningar. Förångarbatterierna bildar separata celler helt skilda från varandra. Fläkten är placerad i inloppskanalen och före förångar- batteriet. Varvtalet är 320 r/min vid 100 % och kan styras i tre steg (60 %, 75 % och 100 %) via en gemensam frekvensomformare för samtliga åtta fläktar. 17 luftförIngarsystem 1 VÄTSKEAVSKILJARE EXPANSIONSVENTILER KÖLDMEDIEPUMPAR KOHPRESSOR A KOMPRESSOR B EXPANSIONS­ VENTIL KONDENSOR VARMEBÀRARE Figur 2.4 Flödesprincip för uteluftvärmepumpens köld- mediekrets. Endast två av de åtta förångar- batterierna är redovisade i figuren. 18 Luftflödet vid 320 r/min över respektive batteri är 29,7 m2/s. De åtta förångarbatterierna är alla utrustade med motor­ ventiler för avfröstning. Vid avfrostning av batteri stoppas fläktarna i aktuell battericell. Avfröstningen sker med varm köldmediegas, vilken leds in i batteriets topp. För att förhindra den varma gasen att passera direkt genom batteriet utan att avge önskvärd värme, är en överströmningsventil placerad i returledningen, över- strömningsventilen släpper igenom kondensatet och upp­ rätthåller kondenseringstrycket i batteriet under av- fröstningen. Figur 2.5 Värmepumpbyggnaden med sina karaktäristiska förångardelar för uteluftvärmepumpen. Den kalla köldmedievätskan töms ur batteriet tillbaka till returledningen, samma väg leds också kondensatet bort under avfröstningen. När fläktarna stoppas leds varm maskinrumsluft bakvägen upp genom ventilationstråget. Den varma luften värmer trågets sidor och botten så att isbildning i tråg och dräneringsledning hindras. 19 Vätskeavskiliare Förångarna är försedda med en gemensam vätskeavskiljare. Denna består i princip av en stor tank vilken samtidigt tjänstgör som köldmediebehållare. Vätskeavskiljaren är monterad i köldmediesystemet mellan förångarbatterier och kompressorer. Detta för att köld- medievätskan som returneras från förångarbatterierna skall avskiljas från gasen, så att torr gas leds vidare till kompressorerna. Den avskilda köldmedievätskan åter- cirkuleras till förångarna med pump samtidigt som ny vätska tillförs kontinuerligt via expansionsventilerna. Köldmedienivån i vätskeavskiljarna varieras med hänsyn till anläggningens driftsituation. Kompressor Kompressorerna i värmepumpanläggningen är av typen skruv­ kompressorer. De är båda av samma storlek och betecknas SVR 7 3 E, där E:et talar om att anläggningen är försedd med ekonomiser. (I fortsättningen beskrivs bara ett kom­ pressorsystem. ) Kompressorn arbetar med ett varvtal av 2 950 v/min och kraften överförs från motorn direkt till skruvrotorn utan mellanliggande växel. Kapacitetsregleringen sker via en slid, som ligger i kompressorhusets rotorlopp samt under rotorernas centrum­ linje. Slidventilen är utformad så att den utgör en del av rotorloppens mantelytor. Sliden är skjutbar i axiel led och då den förskjuts (öppnas) mot avloppet, minskas volymen i gängluckorna så att gas strömmar tillbaka till inloppet utan att någon kompression har skett. Sliden förskjuts hydrauliskt med hjälp av kompressorns oljetryck. Reglering sker med elektriskt styrda magnet- ventiler som styr oljetrycket till önskat läge av sliden. Minimalt kapacitetsläge motsvarar ca 30 % av full effekt. Under kompressorns arbetsgång sprutas olja in på kom­ pressorns sugsida. Detta görs dels för att smörja skruv­ kompressorn och dels för att täta skruven mot köldmedie- läckage. Oljan skiljs senare från gasen i en oljavskil- jare. Oliesvstem Oljesystemet består i huvudsak av pump, oljeavskiljare, oljekylare och filter. Pumpen är placerad på kompressorn och direktdrivs av denna. Pumpen pressar in olja i skruvkompressorn som smörjs och tätas. Oljan följer med hetgaserna ut från kompressorn och avskiljs i oljeavskiljaren. 20 Oljeavskiljaren består i princip av ett stort kärl genom vilket hetgasen tvingas passera nedifrån och upp. Genom att kärlet har en stor diameter sjunker gashastigheten och oljepartiklarna faller av tyngden ned i oljeavskilja­ rens botten som tjänstgör som oljereservoar. Före oljepumpen passerar oljan ett sugoljefilter som förhindrar att föroreningar skadar oljepumpen. Från oljepumpen trycks oljan till kompressorn via en olje- kylare och ett tryckoljefilter. Tryckoljefiltret har till uppgift att finfiltrera oljan. OLJEATERFORING FRAN EKONOMISER VATSKEAVSKILJARE EXP. VENTIL Figur 2.6 Vätskeavskiljare, oljeåterföring. 21 Oljan har en hög temperatur då den transporteras med hetgasen. Oljan kyls därför innan den åter pumpas in i kompressorn. I Hällbybrunn kyls oljekylarna av köldmedie- kondensat som efter att de lämnat kondensorerna i ett delflöde passerar oljekylarna. Trots kompressoraggregatens oljeavskiljare passerar en del olja med ut i köldmediesystemet. Denna olja, vilken till en del är löst i köldmediet, måste återföras till kompressorerna. Detta sker med en oljeåterförare (värme­ växlare) vilken är monterad på vätskeavskiljaren. Den med olja blandade kalla köldmedievätskan returneras till vätskeavskiljaren och samlas i tratten. Trattens funktion är att oavsett nivå i övriga vätskeavskiljare alltid förse oljeåterföraren med tillräcklig mängd oljeblandad köldmedievätska. När den varma köldmedievätskan från ekonomisern passerar genom oljeåterföraren sker en häftig uppvärmning och därmed kokning av den kalla köldmedievätskan i oljeåter- förarens tuber. Gasens större volym ökar hastigheten i tuberna mot utloppet och oljan rycks med upp på olje- återförarens topp och dräneras kontinuerligt tillsammans med gasen till kompressorn. Kondensor För överföring av värme från köldmediesystemet till fjärrvärmenätet används tubpannekondensorer, genom vilka vattnet strömmar i två stråk. För att ytan i kondensorerna skall nyttjas maximalt till kondensering av köldmediegas har en nivåbehållare an­ slutits till varje kondensor. Nivåbehållaren har flera funktioner i systemet: För kondensatuppsamling från kondensorn så att kondensorns värmeöverföringsyta maximalt utnytt­ jas . För att säkerställa gasfri vätska genom ekono­ miser till huvudexpansionsventil. - För att säkerställa gasfri vätska till ekonomi- serns expansionsventil. För att säkerställa gasfri vätska till oljeåter­ föraren. Låg nivå undviks genom att expansionsventilens öppnings- grad kontrolleras av givare i nivåbehållare. 22 Ekonomiser Kompressoraggregaten är utrustade med ekonomiser. Dessa minskar anläggningens specifika kraftförbrukning och ökar värmefaktorn. Detta erhålls genom underkylning av köld- medievätskan före vätskeavskiljarens expansionsventiler. För att optimalt utnyttja ekonomisern är den inkopplad vid kompressoreffekt över 75 % kapacitetsläge. KOMPR RC —r~ii EKONOMISER GASi1 N/Wi Exp. OJ VENTIL L-H KONDENSAT UNDERKYLT KONDENSAT Figur 2.7 Flödesprincip, ekonomiser. Ekonomisern är en kylare i kylprocessen som underkyler högtrycksvätskan efter kondensorn. Ett delflöde av högtrycksvätskan får passera en expan- sionsventil och ekonomiser (förångare) varvid den större mängden högtrycksvätska underkyls. Härigenom kan en större energimängd transporteras per viktsenhet köldmedium. Det i ekonomisern förångade delflödet avsugs via en mellantrycksport i kompressorn. Härmed uppnås ytterligare en fördel då denna gas endast deltager i en del av kom­ pressorns arbete. 23 2.6 Grundvattenvärroepump Grundvattnet som utgör värmekälla för grundvatten­ värmepumpen hämtas ur vattentäkten ca 200 m sydväst värmepumpanläggningen. En dränkbar pump pumpar upp vattnet till strilförångaren. Det nedkylda vattnet uppsamlas i en gjuten bassäng under förångaren och leds till en utomhusplacerad uppsamlings­ brunn . VATSKEAVSKILJARE GRUNDVATTEN STRIL- FÖRÅNGARE GRUNDVATTENSYSTEM KOMPRESSOR EKONOMISER EXPANSIONS­ VENTIL KONDENSOR ------VWVV VÄRMEBÄ é \ t \ Figur 2.8 Flödesprincip för grundvattenvärmepumpen. 24 Grundvattnet från uppsamlingsbrunnen dräneras dels fritt via dagvattenledning, dels via infiltrationspumpar till infiltrationsplats. Totalt grundvattenuttag är 200 m3/h. Infiltrationsmängd väljs med två olika pumpar, dels 90 m3/h, dels 180 m3/h. Val av inf iltrationsmängd görs helt manuellt, både vad avser erforderlig ventilomställ­ ning och pumpval. Grundvattnet kyls från ca +6,5°C till +2,5°C vilket motsvarar ca 1,0 MW. Värmepumpens effekten är då ca 1,7 MW vid en utgående värmebärartemperatur av +60°C. Grundvattenvärmepumpen är till sitt köldmedietekniska system mycket lik uteluftvärmepumpen. Även vissa kom­ ponenter som kompressor, kondensor, ekonomiser m m är identiska. Grundvattenvärmepumpen består till skillnad av uteluft­ värmepumpen av en förångardel, en kompressor, en konden­ sor etc. Nedan beskrivs grundvattenvärmepumpens köldmedietekniska system. När komponenterna och funktion är identiska med uteluftvärmepumpen hänvisar vi till denna. Förånoare Strilförängaren för upptagande av värme från grundvatten är placerat under vätskeavskiljaren i en tät isolerad låda med demonterbara luckor. Köldmedievätskan cirkulerar genom förångarbatteriet enligt självcirkulationsprincipen från den högre place­ rade vätskeavskiljaren. Grundvattnet leds in i förångar- batteriets vattenfördelningsutrustning och strilar ut­ vändigt över förångarens rörpaket, under avlämnande av värme till köldmediesystemet. Rörpaketet består av släta galvaniserade rör. För att hindra frysning av vattnet är en min begräns- ningstermostat för kontroll av kompressorns kapacitet placerad i utloppsrör till uppsamlingsbrunn. Vätskeavskiliare Strilförängaren är försedd med en vätskeavskiljare. Denna består i princip av en stor tank vilken samtidigt tjänst­ gör som köldmediebehållare. Vätskeavskiljaren är monterad i köldmediesystemet mellan förångarbatterier och kompressorer. Detta för att köld­ medievätskan som returneras från förångarbatterierna skall avskiljas från gasen, så att torr gas leds vidare till kompressorerna. Den avskilda köldmedievätskan åter- cirkulerar till strilförängaren enligt självcirkulations­ principen. Den skiljer sig härigenom således från ute­ luftvärmepumpen . 25 Figur 2.9 Grundvattenvärmepumpens vätskeavskiljare. I förgrunden fjärrvärmepumparna. Kompressor Grundvattenvärmepumpen har en kompressor. I övrigt är funktionen och komponenter detsamma som för uteluft- värmepumpen. Oliesvstem Se uteluftvärmepumpen. Kondensor Se uteluftvärmepumpen. Ekonomiser Se uteluftvärmepumpen 26 Elsvstem Se uteluftvärmepumpen. 2•7 Driftstrateai Driftstrategin för värmepumpen är baserad på samköming med fjärrvärmenät via en ackumulatortank. Effektregle­ ringen av värmepumpanläggningen sker genom in- och ur­ koppling av marginalkompressor. Detta innebär att ackumulatortanken laddas när producerad värmeeffekt är större än fjärrvärmenätets behov och att tanken laddas ur vid motsatt förhållande. Att systematiskt beskriva styr-, regler- och övervak­ ningssystemen i Hällbybrunnanläggningen är inte helt lätt. Vissa system är helt fristående, andra har en gemensam reglermässig koppling och därtill finns det system som är reglertekniskt fristående men på grund av temperaturer, flöden etc ingår i ett reglertekniskt samband. Om vi delar in anläggningen i oljepannor, fjärrvärmenät och värmepumpar skulle följande beskrivning av styr­ systemen kunna genomföras. Oljepannor Oljepannanläggningen är kopplad i serie med fjärr­ värmepumparna och hela fjärrvärmeflödet passerar således denna. Inbördes är de två 4 MW oljepannorna parallell- kopplade. När pannorna är avställda hålls de uppvärmda med hjälp av fjärrvärmeflödet som då värms av värmepumparna. Oljepannorna har ett helt individuellt reglersystem. Detta har ingen koppling till det övergripande styr­ systemet. Start av oljepannorna sker manuellt. Därefter styrs brännarna av temperaturen i respektive pannvatten. Det utgående fjärrvärmevattnet styrs av en förbigångsven- til som genom att stänga eller öppna shuntar förbi mer eller mindre fjärrvärmevatten av lägre temperatur. Styrningen sker via en kurva som är beroende av framled- ningstemperatur och utetemperatur. En grundligare funktionsbeskrivning finns i kapitel 8.6. Fj ärrvärmenätet Detta styrs av två parametrar, flöde och temperatur. Flödet styrs via varvtalsreglerade fjärrvärmepumpar som i sin tur styrs av differenstrycksgivare i nätets längst 27 bort belägna del. När abonnentcentralerna kallar på värme öppnar ventilerna för abonnentcentralernas värmeväxlare och släpper igenom ett större flöde. Därmed sjunker differenstrycket mellan fram- och returledning. När givaren känner att differenstrycket minskar i bortre delen av fjärrvärmenätet får fjärrvärmepumparna en signal som ökar pumparnas varvtal, med stigande flöde och tryck­ differens som följd. Under förutsättning att inte oljepannorna är i drift styrs fjärrvärmenätets framledningstemperatur av en tre- vägsventil. Ventilen är flödestekniskt placerad före värmepumparnas kondensorer. Ventilen har till uppgift att konstanthålla en vald temperatur på utgående värmebärare från kondensorerna oavsett antal värmepumpar som är i drift. Detta sker genom återinblandning av utgående värmebärare före kon­ densorerna. Eftersom flödet över kondensorerna är konstant, och varierande grad av återinblandning sker beroende på driftsituation, kommer flödet från värmepumpen till fjärrvärmenätet över flödesmätare GF2 att variera. Värmepumpar Värmepumparna har förutom interna styr- och övervaknings­ system ett gemensamt övergripande styrsystem som man valt att kalla effektreglering. Effektregulatorn påverkar kompressorerna i anläggningen och kan därmed sägas arbeta i 3-steg eftersom det är totalt tre kompressorer. Det var meningen att varje effektsteg skulle starta och köra en kompressor med 100 % alternativ stoppa dem. På grund av störningar som uppstått i elnätet vid start av kompressorer har denna strategi tills vidare ej kunnat användas. Istället har stopp enligt ovan inneburit att kompressorn aldrig stannat utan istället reglerat ned till sitt lägsta effektläge. Lägsta effektläge innebär att reglerslidan stannar på 30 % och kompressorns kapa­ citet motsvarar ca 40 % av nominell effekt. Styrningen av effektstegen sker med hjälp av flödesmätare GF1 och GF2 samt en temperaturgivare placerad i ackumula­ tortankens topp och en i dess botten. Temperaturgivarna bestämmer ändlägena dvs då dessa känner samma temperatur och den är lika med eller större än inställt börvärde är ackumulatortanken fulladdad. G T2 28 Figur 2.10 Flödesschema visande styr- och regler' princip. VA RM EB ÄR AR - PU M PA R 29 Känner temperaturgivarna samma temperatur och den är lägre än hörvärdet är ackumulatortanken urladdad. Flödesmätarna används till att bestämma laddnings- respektive urladdningshastighet samt laddningsgrad. Laddnings- respektive urladdningshastigheten bestäms av öifferansen mellan erhållna flöden åt respektive håll. Laddningsgraden bestäms av skillnaden i flöde mellan de två flödesmätarna efter att ett ändläge har uppmätts. Avfrostnina Utetemperaturgivare bestämmer om stopp— eller varmgas— avfröstning skall ske. Vid stoppavfröstning gäller att utetemperaturen måste vara tillräckligt hög för att luften skall kunna smälta frosten på batteriytorna. Gränsen mellan varmgas- och stoppavfröstning ligger vid ca +5°C i utetemperatur. Stoppavfröstning innebär att batteri, som skall avfros­ tas, får sin köldmediereturledning till vätskeavskiljaren avstängd, medan dess fläkt hålls i drift. Ingen förång- ning sker då i batteriet, varför uteluften smälter frost på batteriet. Stoppavfrostning sker som en kontinuerlig process där avfrostning av ett batteri alltid pågår. Varmgasavfröstning innebär att batteri, som skall avfros­ tas, får sin returledning till vätskeavskiljaren kraftigt strypt, medan tilloppet från vätskeavskiljaren stängs. I s^ället öppnas en. tilloppsledning från kompressorernas högtrycksledning till batteriet, varvid hetgas strömmar in i batteriet och helt eller delvis kondenserar, varvid frost smälter från batteriytan. Vid hetgasavfröstning avfrostas ett batteri åt gången samtidigt som de återstående sju batterierna hämtar värme ur uteluften. Avfrostningsförloppen styrs av programmeringsenhet (PC). Ordningsföljden vid en hetgasavfröstning för ett batteri är i princip följande: 1 Stopp av förångarfläkt 2 Suggasventil stänger 3 Varmgasventil öppnar 4 Avfrostning pågår 5 Varmgasventil stänger 6 Suggasventil öppnar 7 Fläktar startar Den behovsstyrda avfrostningen styrs av temperatur­ differensen mellan utetemperatur och förångningstempera- 30 Förångningstemperaturen mäts via köldmediets mättnads tryck i vätskeavskiljaren. Varje värmepump har därtill sin interna reglerutrustning för kapacitetsreglering, nivåhållning, temperaturbegrans- ning, strömbegränsningsutrustning m m. Figur 2.11 Apparatskåp Grundvattenvärmepumpen har en temperaturgivare som känner utgående grundvattentemperatur. Om vattnets temperatur närmar sig + 0°C begränsas värmepumpens kapacitet oavsett värmebehov för att förhindra isbildning i stnlför- ångaren. Registrering av driftsdata sker i tre st 6-kanals skriva­ re. Skrivare 1 Temp in kondensor, värmebärare Temp ut kondensor, värmebärare Temp framledning fjärrvärme Temp retur fjärrvärme Flöde värmepumpanläggning (GF2) Flöde fjärrvärme (GF1) 31 Skrivare 2 Utetemperatur Flöde värmepumpanläggning Flöde fjärrvärme Temp tryckrör kompressor 1 Temp tryckrör kompressor 2 Temp tryckrör kompressor 3 Skrivare 3 Värmeeffekt från värmepumpanläggning Värmeeffekt ut på nät Tryck före fjärrvärmepump Tryck efter fjärrvärmepump Differenstryck fjärrvärmenät Grundvattenivå. övervakning Kompressordriften övervakas av en kontrollenhet för respektive kompressor, monterade i apparatskåp i vilken följande funktioner är samlade: Kompressorns kapacitet styrs (slidventilläge) genom impuls från övergripande effektreglering. Avkänna kapacitetsslidens kapacitetsläge och indikera detta. Förhindra överbelastning av kompressorns elek­ triska drivmotor. Förhindra alltför frekventa starter av kom­ pressoraggregatet . Blockera ol j etrycksvaktfunktionen under kom­ pressorns startperiod. Kompressoraggregatet är också utrustat med följande säkerhetsvakter, vilka förhindrar drift utanför tillåtna driftvärdet. Högtryckspressostat Lågtryckspressostat 01j etrycksvakt Tryckrörstermostat Överhettningsskydd på kompressorns drivmotor _ överströmsskydd på drivmotorns startutrustning. För indikering av kompressorernas driftstryck och tempe­ ratur är dessa utrustade med följande instrument place­ rade i respektive kompressoraggregat. Högtrycks- oljetrycksmanometer Lågtrycksmanometer 01jetemperaturmätare 32 Samtliga larm- och felsignaler är anslutna till larmtablå med utgående summeralarm. För övervakning av köldmedium i maskinrumsluften är anläggningen försedd med köldmediedetektor med känsel­ kropparna placerade i anslutning till ventilationsspjäll i husets yttervägg, samt i grundvattenförångarens hölje. 2.8 Tekniska data för värmepump Förånaare. uteluft/st (8 st) Kyleffekt 194 kW Luftflöde 29,7 m3/s Ingående luft - 5°C Utgående luft “ 10°C Förångningstemperatur - 13°C Tryckfall luft 99 Pa Flänsdelning 5 mm Antal rör i djupled 8 Flänsad längd 4,8 m Flänsad bredd (höjd) 1,9 m Fläktar till förångare/st (8 st) Märkeffekt 11 kW Effektförbrukning vid fullvarv 8,4 kW Varvtal 32° r/m Fläkt diameter 2 200 mm Tryckuppsättning 160 Pa Förångare. grundvatten (1 st) Kyleffekt 1 250 kW Vattenflöde 180 m3/h Ingående vattentemperatur + 8 ° C Utgående vattentemperatur + 2 0 C Förångningstemperatur -2 °C 33 Kompressor/st (3 st) STAL typ SVR 73 EB Varvtal Slagvolym Reglerbar slagvolym Kyleffekt (tx = 65“C, t2 = -10°C) Axeleffekt Värmeeffekt 2 950 r/min 2 505 m3/h 10 - 100 % 942 kW 550 kW 1 492 kW Kompressormotor/st (3 st) Märkeffekt Märkström Driftspänning Varvtal Cos Y> Skyddsform Kondensorer/st (3 st) Tubpannekondensor överföringsyta köldmedium överföringsyta värmebärare Försmutsningsmotstånd Värmebärarflöde Tryckfall vid maxflöde Konstruktionstryck hölje/tubsida Värmebärarpumpar (2 st) Märkeffekt Effektbehov Varvtal Fiärrvärmepumpar (2 st) Märkeffekt Varvtal 700 kW 48 A 10 kV 2 950 r/m 0,88 IP 23 360 m2 105 m2 0,0001 m2 °C/W 210 m3/h 60 kPa 2,2 / 1,0 MPa 11 kW 8 kW 2 925 r/min 55 kW 0-3 000 r/min 34 2.9 Byggnad Oljepannorna består av två transportabla oljepannor uppställda vid sidan om värmepumpbyggnaden. Mellan oljepannor och värmepumpbyggnad är ackumulatortanken uppställd. Detta framgår av figur 7.3. Värmepumpbyggnaden mäter 12 x 30 m i plan. Höjd till överkant förångardel är ca 9 m. Figur 2.12 och 2.13 visar planritning och sektion på byggnaden. Stommen består av stålpelare och stålbalkar. Väggarna utgörs av liggande lättbetongelement, invändigt klädda med mineralull. Taket utgörs av isolerat plåttak. Byggnaden vilar på en grundplatta i gjuten betong. Byggnaden är uppdelad i maskinrum, kontrollrum, elutrym- men för hög- och lågspänning samt personalutrymmen. Maskinrum Maskinrummet innehåller hela grundvattenvärmepumpen samt uteluftvärmepumpen med undantag av uteluftvärmepumpens förångarbatterier. Förångarbatterierna är placerade ovanpå byggnaden och tillsammans med in- och utloppskanaler utgör batterierna också del av byggnadens tak. Under varje förångarbatteri är ett kombinerat vatten- avlednings- och ventilationstråg placerat. De fläktar som är i drift ger via tråget under respektive batteri ett övertryck i maskinrummet. Om temperaturen i maskinrummet stiger öppnas de motorstyrda ventilations- spjällen i maskinrumsväggen och varm maskinrumsluft strömmar ut och fångas av luftströmmen upp genom för­ ångarbatterierna. Kall luft förs in i maskinrummet genom ventilationsträgen. All ventilation av maskinrum sker på detta sätt. Värmepumparnas kompressorer och elmotorer är uppställda på fundament av betong, varje kompressorenhet inklusive drivmotor, oljeavskiljare, kondensor, ekonomiser m m är placerat i var sin ljuddämpande inneslutning. Dessa har dörrar, luckor etc för servis och övrig åtkom­ lighet. Fjärrvärmepumpar, cirkulationspumpar för värmebärar- kretsen samt tryckhållningsutrustning för fjärrvärmenätet är placerat i maskinrummet. Maskinrumsdelen innehåller stegar och gångbryggor av gallerdurk. 35 Figur 2.12 Skiss visande plan av värmepumpsbyggnad. 36 H 1 ( § V.O ii X m= Tffigy»™, J ( I n 31= ( r ( i Figur 2.13 Skiss visande sektion A-A av värmepump- byggnad . 37 Kontrollrum Kontrollrummet innehåller all styr, regler-, drift- och övervakningsutrustning för anläggningen. På apparatskåpet finns ett flödesschema vilket via lysdioder visar an­ läggningens driftstatus. Figur 2.14 Apparatskåp i kontrollrum. Elutrvmmen Elutrymmena fördelar sig på en hög- och en lågspännings- del. Högspänningsdelen innehåller fördelningsf ack och startutrustning till kompressorer. Lågspänningsdelen innehåller transformator, frekvens­ omformare samt startutrustning för pumpar och fläktar. Personalutrvmmen Personalutrymmen som ligger i anslutning till kontroll­ rummet innehåller duschrum, WC och omklädningsrum samt ett matrum. 38 2.10 Miljö I denna rapport finns inga miljöaspekter redovisade med undantag av redovisade freonanvändning i kapitel 7.9. Bullermätning från Hällbybrunnsvärmepumpen redovisas i en separat BFR-rapport som gäller bullerutvärdering av åtta större värmepumpar. 39 3 PROJEKTERING OCH BYGGANDE Anläggningsägare: Eskilstuna kommun, Tekniska Verket, Värmeverket Totalentreprenör: Stal Refrigeration AB 3.1 Projektering Hösten 1978 beslutade kommunen att Hällbybrunn skulle uppvärmas genom fjärrvärme, på ett nät som ej skulle sammankopplas med stora fjärrvärmenätet i Eskilstuna. I samarbete med Vattenfall projekterades ett lågtempera- turnät för anslutning till värmepumpar. Mätningar företogs i de befintliga hyreshusen. De visade att radiatortemperaturen var mellan 10 och 15°C lägre än det dimensionerande värdena. Villorna bedömdes klara de lägre temperaturerna utan större problem. Handelsträdgården i Gustavslund skulle under ett par år få anpassa sig till de lägre framledningstemperaturerna. Lågtemperaturdimensioneringen medförde att kulvertdimen- sionerna skulle öka med i genomsnitt ett anslutningsnum- mer. Detta medförde ökade kulvertförluster men genom den lägre framledningstemperaturen skulle förlusterna totalt sett bli något lägre än i ett normalt system. Den lägre framledningstemperaturen medför att värmeväx­ larna blir dyrare än vid normalfallet, detta gäller även kulvertarna. Merkostnaden erhölls av medel från Statens Råd för Byggforskning och belastade ej värmeverket eller abonnenterna. Fjärrvärmenätet för lågtemperatur byggdes och värmeleve­ ransen i Hällbybrunn påbörjades år 1980 med hjälp av transportabla oljeeldade pannor. Under perioden 1978-81 skedde omfattande utredningar om hur värmeproduktionen skulle ske i Hällbybrunn och här utkristalliserades snabbt ett alternativ med en värme­ pumpanläggning med uteluft som värmekälla. Kontakter togs med Statens Råd för Byggforskning, som ställde upp med medel för att göra en omfattande utvärdering. Utvärde­ ringen gjordes av Tekniska Verken, Scandiaconsult och Vattenfall gemensamt. Vid utvärderingen fanns anbud från två leverantörer och under arbetets gång utökades upp­ draget till att omfatta även grundvatten som värmekälla. Hällbybrunn är till största delen byggt på en rullstensås och frågan om att ta energi från grundvatten väcktes då verket placerades i närheten av en reservvattentäkt för Hällbybrunn. För att bestämma förutsättningarna för grundvattenenergi­ uttag vid Hällbybrunn gjordes en undersökning, omfattande 40 bland annat provpumpning och infiltration. Målsättningen med undersökningen var att bestämma den naturliga värme­ tillgången i grundvattnet och bedöma erforderliga åtgär­ der för att utnyttja denna maximalt under vinterhalvåret. Enligt en gammal vattendom fick 90 m3/h tas ur täkten. En ny vattendom erhölls som bygger på att vissa grundvatten­ nivåer i grusåsen ej underskrids. Detta medgav ett större grundvattenuttag framför allt i kombination med infiltra­ tion. I vattendomen finns också inskrivet vissa höjder för andra brunnar, som Energiverket är skyldiga att följa upp och kontrollera. I den undersökta grusåsen planerades en konstgjord in- filtrationsbassäng. Om denna utnyttjas för aktiv ladd­ ning av grundvattenmagasinet beräknas den uttagbara energitillgången öka med 40 %. Infiltrationsbassängen utfördes med ytan ca 6 000 m2 och den har ett bottenintag där man för in vattnet vintertid och ett ytintag så att vattnet exponeras mot solen som­ martid. Energiuttaget ur åsen blir ca 4 000 MWh och genom att bara använda åsen under vinterhalvåret beräknas man få en fullständig återhämtning så att man till nästa vintersäsong har normal temperatur i åsen igen. Ovanstående utredningar och vattendom ledde fram till att förångningsunderlaget för värmepumarna ändrades till det slutliga 2,5 MW för uteluft och 1,7 MW för grundvatten. 3.2 Upphandling Beställaren i samråd med Vattenfall bestämde sig för en nyckelfärdig anläggning, en sk paketlösning vilket innebar att entreprenören skulle för byggnad, värmepum­ par, ackumulator, övergripande styr påta sig ansvaret inom byggnaden. Beställaren svarade för fjärrvärmenät, abonnentcentraler och allt som rörde grundvatten och infiltration. De entreprenadformer som kunde komma ifråga med den valda paketlösningen var: Totalentreprenad (ABT 74) Allmänna bestämmelser för leverans av anlägg­ ningar (ABA 78). ABT 74 är ett komplement till AB 72 och gäller för total­ entreprenader. Totalentreprenad innebär att det är entre­ prenören som ansvarar för de tekniska lösningarna och denne ikläder sig därmed ett tyngre funktionsansvar för entreprenaden. Detta innebär att totalentreprenören även har ett större funktionsansvar under garantitiden. ABT 74 är utarbetat av byggandets kontraktskommitté i vilken ingår en rad föreningar för både entreprenörer och beställare. 41 ABA 78 är utformad av Svenska Mekanförbundet och är avsett för större maskinanläggningar. I likhet med ABT 74 är det i detta fall leverantören som ensam ansvarar för tekniska lösningar och genomförandet av anläggningen. ABA 78 talar om ansvarstid vilket är att jämföra med garanti­ tid. ABA 78 är ingen entreprenad utan är ett leveransavtal som sorterar under köplagen. 3.3 Anbud och kontrakt I upphandlingsskedet förekom två anbudsgivare med rela­ tivt likvärdiga alternativ. En omfattande utvärdering av anbuden genomfördes på initiativ från Vattenfall. Eftersom det handlade om en experimentanläggning var frågeställningarna både många och svåra. Vattenfall med ekonomiskt bistånd från Byggforskningsrådet garanterade att den anbudsgivare som ej erhöll uppdraget skulle till viss del ekonomiskt kompenseras för nedlagt arbete. Stal Refrigeration AB erhöll slutligen uppdraget och anläggningen såldes genom deras Stockholmsfilial beroende på geografisk placering. Kontrakt Kontraktet gäller leverans av anläggning enligt ABA 78. Kontraktssumman är 11 597 000 kronor exkl moms. Övriga data av betydelse: Övertagande av anläggning 1984 03 08. Förseningsvite 0,25 % per vecka av kontraktssum­ man, dock maximalt 75 % av kontraktssumman. - Prestandavite utgår ej. - Säkerhet 35 % av kontaktssumman fram till leve­ rans av huvudkomponenter. Därefter och tom ansvarstidens utgång 10 % av kontraktssumman. Ansvarstid 1 år från övertagande (1983 03 08 tom 1984 04 07). 42 3.4 Tider Tiderna som redovisas gäller från utredningar, projekte­ ring, byggstart till utvärdering. 1978 Utredning om Hällbybrunns framtida värme­ försörjning. Resulterad i fjärrvärme. 1979 Projektering av fjärrvärmenät. 1979-1980 Olika uppvärmningsalternativ utreds. 1980 De första abonnenterna ansluts till det delvis byggda fjärrvärmenätet. Uppvärm­ ningen sker med olja. 1980 Provpumpning och utredning av grundvatten. 1981 Utvärdering av anbud. 1982 Kontrakt. 1983 02 01 Preliminära lay-outritningar. 1983 03 01 Förhandsbesked byggnadslov. 1983 04 01 Godkänt byggnadslov. 1983 04 15 Byggstart. 1983 05 01 Rör-, el- och sammanställningsritningar klara inkl tekniska beskrivningar. 1983 07 Vattendom 1983 10 15 10 kV framdragen och spänningssatt. 1983 11 01 Signal och manöverledningar anslutna. Drifts- och skötselinstruktioner klara. Grundvattenledningar och VA-ledningar framdragna och anslutna. 1983 03 01 Provdrift påbörjas. 1983 03 08 Övertagande. 1984 05 "Garantitiden" börjar. 1984 10 Mätprogram för utvärdering startas. 1984 11 Värmepumpanläggningen invigs. 1985 01 Ombyggnad av oljesystem. 1985 05 "Garantitiden" upphör. 1986 01 Ombyggnad av oljekylning. 1986 04 Mätprogram för utvärdeningen stoppas. 43 3.5 Besiktningar ABA 78 använder sig ej av besiktningsförfarandet. Det som närmast skulle kunna jämföras med besiktning är provdrift och prestandaprov. Provdrift genomfördes 1983 03 01 - 07. Prestandaprov har ej genomförts. En form av "Leveransbesiktning" har genomförts 1984 04 10. 44 4 MÄTPROGRAM 4.1 Inledning För att få kännedom om hur värmepumpen och dess kompo­ nenter arbetar, hur den samarbetar med oljepannor samt hur hela värmesystemet fungerar har omfattande mätningar utförts. Främst har temperaturer, flöden och tider registrerats, men även lägesindikeringar, tryck m m. I ett tidigare skede bestämdes av BFRs värmepumpgrupp att Hällbybrunnsanläggningens värmepumpar skulle mätas enligt "kategori tre", dvs med mätningar även av köldmediesidan. Mätningarna är indelade i långtidsmätningar och intensiv­ mätningar. Långtidsmätningarna var vid projektstarten planerade till två år (24 månader). Sommarhalvåret 1985 visade sig innehålla mindre intres­ sant information för utvärderingen varför mätning av sommarhalvåret 1986 ansågs ge jämförelsevis låg utdelning i förhållande till kostnaderna för mätningarna. Efter två vintersäsonger beslutade vi i samråd med BFR att förkorta långtidsmätningarna till 19 månader, till förmån för intensivmätningar och utvärderingsarbete. Intensivmätningarna bygger på korta mätperioder där hela anläggningen, alternativt vissa delar, bevakas genom intensivmätningar. Samtliga mätningar har utförts av Mätcentralen för ener­ giforskning (MCE) vid KTH. De första kontakterna mellan MCE och oss, som utvärderare av projektet, skedde i juli 1983. Under sensommaren tog mätprogrammet form och diskusioner med berörda installatörer fördes. MCE beställde installation av dykfickor, kabelförlägg­ ning, mätuttag m m under hösten 1983. Installationen utfördes av berörda installatörer under vintern 1983/84 varefter värmepumpsanläggningen startades upp i mars 1984. Mätsystemet startades upp i augusti 1984 och var i s k provdrift fram till 1984 10 01 då själva utvärderings­ programmet startades. Utvärderingsprogrammet pågick kontinuerligt fram till 1986 04 30. 45 Utöver det mätsystem MCE tillhandahållit har vi under utvärderingen använt oss av den mätutrustning som levere­ rats med värmepumpanläggningen i form av skrivare, mano­ metrar mm. Figur 4.1 Principskiss (MCE). för hantering av mätdata 46 4.2 Mätoroqram och omfattning Mätprogrammet bygger på en modell som tagits fram och tidigare använts vid värmepumpsutvärderingar. Som exempel på värmepumpsanläggningarna kan nämnas Lovudden, Lidingö, Uppsala m fl. Utvärderaren har i samråd med MCE bestämt vilka mätpunk­ ter som skall installeras och sedan har MCE ansvarat för val av mätutrustning, installation, igångkörning samt insamling av mätdata. Mätsystemet består i korthet av en mikrodator, två mät— punktsväljare samt utrustning för mätning av analoga och digitala signaler. Datorn styr utrustningen, samlar in, bearbetar och lagrar mätvärden. Lånaatidsmätninqar Mätvärden samlas upp ute i anläggningen på disketter som var 14:e dag sänds till MCE på KTH. Disketternas innehåll lagras där på band i väntan på ut­ värderingen. MCE levererar månadsvis ett mindre antal s k månadsgrafer till utvärderaren för att denne skall vara fortlöpande informerad om de väsentligaste av senast insamlade data. Långtidsmätningarna bygger på att mätdata från samtliga mätpunkter samlas in var 5:e minut (12 ggr/h). De analoga mätpunkterna medelvärdesbildas och de digitala summeras. Dessa värden lagras sedan på disketter. Intensivmätninqar Intensivmätningarna bygger på samma utrustning som lång­ tidsmätningarna. Skillnaden består i att varje mätvärde lagras och att någon medelvärdesbildning ej förekommer. Tiden mellan mätningarna kan förkortas från var 5:e minut till var 30 :e sekund under förutsättning att antalet mätpunkter begränsas till ca 30 st. Värdena från intensivmätningarna samlas på samma typ av disketter som långtidsmätningarna och lagras slutligen pa band hos MCE. Tabellmätninqar En form av mätningar ute i anläggningen^ kallas av MCE "tabell". Mätningen kan avläsas direkt på skärmen. Mät­ punkternas antal är begränsade till sex stycken som registreras var 20:e sekund. 47 4.3 Placering av mätaivare Mätgivarnas placering framgår av bilaga 2. Följande antal mätpunkter/givare har installerats: Tabell 4.1 Mätpunkter Givare Temperatur 34 st Flödesmätare 6 st Nivåmätare 2 st Drifttid 28 st Lägesindikering 11 st Tryck 8 st Elenergi 4 st mätpkt 54 st givare mätpkt 6 st givare mätpkt 2 st givare mätpkt - mätpkt - mätpkt 8 st givare mätpkt 4 st mätare På grund av risk för temperaturskiktning i vissa rör, alt svårighet att bestämma den mest representativa mätpunkten för erhållande av en viss temperatur, används flera givare vars värden sammanlagras. Detta är anledningen till att antalet temperaturgivare är större än antalet mätpunkter. 4.4 Mätverksamhet Efter ca två månaders provdrift av mätsystemet startade utvärderingsperioden 1984 10 01. Vissa mätpunkter var vid denna tidpunkt ej installerade, och en del ofullständigheter kunde märkas i det ännu ej helt inkörda mätsystemet. Detta framgår också av vissa diagram och mätdata i utvärderingen. Som utvärderare var vi medvetna om bristerna, men vi ansåg oss inte kunna uppskjuta starten av utvärderingen längre på grund av årstiden. Vid utvärdering av en ute- luftvärmepump ansåg vi hösten med stigande värmebehov och sjunkande utetemperatur som ytterst intressant. Mätpunkter som saknades vid utvärderingens början: 84 10 09 installerades: bl a oljemängdsmätare, flödesmätare grundvatten, drifttidsmätning av kompressor B och fläkt 8, temperatur­ givare för suggas kompressor, grundvatten­ värmepump . 85 01 16 installerades: temperaturgivare uteluft, fuktgivare uteluft. installerades: nivåmätare i grundvatten­ källa samt infiltrationsgropp, temperatur­ mätare infiltrationsplats. 85 03 25 48 Mätproblem och förändringar av mätsystemet vilka är av större betydelse för utvärderingen. 84 12 12 - 85 03 01 84 12 21 - 85 01 05 85 07 15 - 85 08 16 85 11 06 Elenergimätare SEE 901 för total elenergi trasig. Felet uppmärksammades i januari 1985. Att det ej åtgärdades omgående berodde på att det finns en parallell mätpunkt för total eleffekt (SEE 902) ur vilken motsvarande energimängder kan beräknas. Tyvärr har det i efterhand visat sig att (SEE 902) ej lagrat tillförlitliga värden. Grundorsaken lär vara att (SEE 902) ej är en renodlad energimätare för MCE utan en effektmätare installerad av värmepumpsentreprenören för styrning av processinstrument. MCE har använt signaler från denna utrustning till mätpunkt SEE 902. Någon form av överfö- ringsawikelse lär ha uppstått. Felet är i detalj ej känt för oss. Samtliga mätdata saknas. På grund av sjukdom hos driftpersonalen i Hällbybrunn byttes disketten av jourper­ sonalen. Därvid byttes fel skiva, vilket på grund av helger och semestrar inte upp­ täcktes förrän efter nyår. Åsknedslag 15 juli orsakade att samtliga analoga signaler var felaktiga. Eftersom de digitala signalerna fungerade verkade systemet intakt för driftpersona­ len i Hällbybrunn. Därmed uppmärksammades ej felet förrän disketter anlände till MCE för inläsning den 9 augusti. Installerades telefonkommunikation mellan MCE och mätdatorn i Hällbybrunn. Telefonkommunikationen tillkom mot bak­ grund av de störningar som förekommit samt det geografiska avståndet mellan MCE och Hällbybrunn. Samtidigt byttes programdisketten för datorn. I och med detta infördes vill­ korliga mätningar på ett flertal mätpunk­ ter. Detta innebär att dator endast mäter t ex temperaturer på en kompressor under förutsättning att kompressorn är i drift alt varit i drift ett visst antal minuter före mätningen. 85 12 21 - 23 Voltmeter haverade och gav felaktiga värden för samtliga temperaturer. Förutom ovan nämnda har enskilda mätpunkter fallit ur under längre eller kortare tid. Rent allmänt kan sägas att tryck och temperaturgivarna för köldmediesidan ofta 49 har fallerat. Detta hör troligen samman med vibrationer från kompressorerna. 4.5 Erfarenheter från mätningarna När vi summerar intrycken av mätningar och mätsystem från planeringsstadie till utvärdering vill vi göra följande kommentarer. BFRs värmepumpgrupp hade redan bestämt att det skulle vara mätningar av "kategori 3", dvs mätning även av köldmediesystemet. En hög ambitionsnivå var således bestämd redan från början. Referensobiekt Vi hade i viss mån värmepumpsanläggningarna i Loudden, Lidingö och Visby som referensobjekt; dessa utvärderingar hade påbörjats tidigare och även de var bestämda att baseras på mätningar enligt "kategori 3". Omfattning Med ovanstående utgångspunkter blev mätprogrammet mycket omfattande. Detta beror på att uteluftvärmepumpen i Hällbybrunn (på 2,5 MW) innehåller nära nio gånger fler rörliga komponenter att bevaka jämfört med t ex ASEA- Stals värmepump på 11 MW (Lidingö). Till detta skall läggas att uteluftvärmepumpen i Hällby­ brunn ständigt påverkas av skiftande temperatur, fukt och snö. Avfröstningar inträffar med några timmars mellanrum och påverkar varje gång omställning av 16 st motorventiler och åtta fläktar samt påverkar kondense- ring, förångning m m. Detta att jämföra med grundvatten­ värmepumpen alternativt ASEA-Stal sjövärmepump som kon­ tinuerligt arbetar under samma förhållanden flera veckor i följd. Installation Med facit i hand är vi nöjda med själva installationen. Vi och MCE fick tidvis kämpa för att få mätare flyttade och placerade efter våra önskemål. Vi anser att vi startade rätt med att vara mycket nog­ granna med installation av flödesmätare och övriga giva­ re. Om inte flödesmätare och dykrör kommer på rätt plats före igångkörningen av anläggningen kommer de med all säkerhet aldrig att placeras rätt. Det medför allt för omfattande ingrepp att ändra i en redan idrifttagen an­ läggning. Ofta måste driften stoppas vilket är känsligt i fjärrvärmesystem. 50 Ett exempel var flödesmätaren för fjärrvärme. Det är kanske den viktigaste mätgivaren i anläggningen eftersom effekter och energimängder beräknas med hjälp av flödet. Vi ansåg att flödesmätaren var olämpligt placerad före och efter T-stycken och rörböjar. Vi erhöll en kompromisslösning när det gällde flyttning av mätaren. Kraven på erforderliga rakstäckor av tio diametrar före och fem diametrar efter mätaren gick ej att uppfylla vid denna placering. På grund av detta genomförde vi speciella prov med ett års mellanrum där vi kopplade om så att fjärrvärmeflödet och flödet från värmepumpen blev i serie med varandra. Vid dessa prov var skillnaden i flöde mindre än en pro­ cent vilket var inom fabrikantens värden vilka vara 0,5 % per mätare. Mätstart Mätprogrammet var inte helt intakt vid utvärderingens början. Kanske var inkörningstiden två månader av mätprogrammet för kort? Mätavbrott De mätavbrott som inträffat har varit mest störande då det gällt hantering av energimängderna. Med hjälp av beräkningar samt jämförande kontroller anser vi oss ha ett tämligen säkert underlag för de månads­ värden där mätavbrott förekommit. Telekommunikation De uppkomna mätavbrott ledde till att en telefonförbin­ delse installerades mellan mätdatorn i Hällbybrunn och MCE i november 1985. Denna förbindelse gav en påtaglig förbättring av flera skäl. Mätningarna kunde nu kon­ trolleras dagligen; mätavbrott kunde ofta startas om via förbindelsen. Dessutom innebar telekommunikationen en klar fördel för oss som utvärderare när det gällde att få dagsaktuell information från anläggningen. Mer om detta under mätdataöverföring. Mätdataöverföring Disketten som lagrar mätdata, är fylld efter ca 14 dagar varefter personalen från MCE byter ut disketten och leve­ rerar den inlästa till MCE. Vid MCE läses mätdata från disketten över till band och lagras där i avvaktan på utvärdering. 51 MCE utför ett begränsat antal månadsgrafer från de över­ förda datalagringarna. Detta för att själva få en kvittens på att mätsystemet fungerar som avsett samt för att ge utvärderaren en viss information om anläggningens drift. Hanteringen av data via disketter som sänds till MCE för inläsning på band innebär en försening av denna information. Därtill skall adderas att MCE kanske ej alltid kan hantera dessa data omgående. Vi är medvetna om de problem som föreligger med en snabbare överföring av de mycket stora mängder mätdata det är fråga om. Vi som utvärderare såg helst att detta gick att lösa, åtminstone med en begränsad mängd mätdata. Den mot slutet av utvärderingen införda telekommunika­ tionen via modem känns som ett stort steg i rätt rikt­ ning. Med hjälp av denna kunde vi som utvärderare ha direktkontakt med anläggningen och avläsa nuläget på ett begränsat antal punkter åt gången. Fördelarna var uppenbara, vi kom på detta sätt i fas med anläggningen och var ej som tidigare hänvisad till histo­ riska skeenden och tillbakablickar. Figur 4.2 Princip för mät­ datahantering inkl telekommuni­ kation 52 Bearbetning av mätdata Bearbetningen av de datalagrade mätdata skall enligt planerna genomföras på MCE av utvärderaren. Denna del av utvärderingen har för vår del varit det definitivt stör­ sta problemet, en "flaskhals". Med tanke på det omfattande mätprogrammet och den stora mängden insamlade mätdata är det viktigt att hanteringen sker rationellt. Vi använde en stor del av vår tid till att sätta oss in i systemet, men erhöll aldrig den effektivitet i den data­ hantering vi ansåg vara en förutsättning för utvärde­ ringens genomförande. Vi valde slutligen att köpa själva datahanteringen från MCE. Tid och kostnader för datahantering hos MCE bör inte underskattas vid framtida utvärderingar. Lånqtidsmätninaar Systemet är mycket bra för insamling av stora mängder mätdata som i efterhand kan hanteras ingående. Problemen består i att man tämligen passivt i efterhand får konstatera vad som har förekommit. En nackdel är tidsaspekten som redan nämnts ovan under Mätdataöverföring. En annan nackdel är att timmedelvärden erhålls genom att tolv femminutersvärden summeras och divideras med tolv. Härmed blir korta förändringar som registrerats under ett femminutersvärde dividerat med tolv och avvikelsen blir fullständigt utslätad. Långtidsmätningarna är till sin utformning uppbyggda för att i efterhand informera om hur ett resultat blev.Lång­ tidsmätningarna är däremot ett starkt begränsat hjälp­ medel när det gäller att avslöja varför resultatet blev som det blev. I november 1985 infördes något som vi valt att kalla villkorliga mätningar för vissa mätpunkter. Bakgrunden var de erfarenheter vi erhöll under sommaren med täta start och stopp av värmepumpen. Under sommaren medelvärdesbildades mätresultatet från ståtider samt drifttider och av detta gick ingenting att utläsa när det gällde köldmediesysemets temperaturer och tryck. Ett annat exempel var värmefaktorn som kunder pendla från närmare noll till sextio i timmedelvärde. Anledningen till detta är att vid start och stopp står ej förbrukade effekten i proportion till den avgivna effek­ ten på grund av trögheter i systemet. Vid t ex stopp av en kompressor upphör elförbrukningen direkt, medan kon- 53 densorn fortsätter att leverera värme tills den erhåller samma temperatur som fjärrvärmevattnet. Vid den momentana mätningen kan detta leda till en våldsam skillnad som sedan minskas genom medelvärdesbildning till timmedel- värden. Trots detta har alltså värmefaktorer upp mot sextio registrerats vid ett par tillfällen. När dessa värden hanterades rent matematiskt i datorn erhölls ofta en månadsmedelvärmefaktor av ca sex till åtta. Anledningen till detta är att värden upp mot sextio får en betydligt större inverkan än de värden som närmade sig noll. När detta uppmärksammats bestämde vi oss tillsammans med MCE att införa villkorliga mätningar. Detta innebär som första villkor att värmepumpen skall vara i drift. Som andra villkor gäller att driften skall ha pågått ett visst antal minuter för att stabila värden skall er­ hållas. Intensivmätninaar Intensivmätningarna består egentligen av en långtidsmät- ning där varje femminutersvärde lagras utan medelvärdes­ bildning. Metoden kan även snabbas upp och därmed för­ korta tiden mellan mätningarna. Vi mätte ned till intervaller på 30 s men då på bekostnad av att antalet mätgivare begränsades till 30. Om denna intensivmätningsmetod kan sägas mycket. Här nedan nämner vi något av det mest påtagliga. Vad som skall mätas och hur ofta måste bestämmas i förväg varvid MCE programmerar en särskild diskett. I anlägg­ ningen byts program och lagringsdisketterna för långtids- mätningarna ut till motsvarande disketter för intensiv­ mätningarna. Problem_l Påtagligt ofta kan inte mätningen genomföras som plane­ rats, och såsom disketten programmerats, på grund av driftsituation hos anläggning och nät, väderleksbetingel- ser etc. Problem_2 Under provens gång upptäcks ofta behovet av komplette­ rande prov till vilket det ej finns någon programmerad diskett. Problem_3 Metoden mäter ej kontinuerligt utan läser med vissa intervaller av givaren. Snabba förlopp är därmed svåra att följa. Själva avfrostningsförloppet på förångarbatte- rierna är alldeles för snabbt för att kunna följas. 54 Problem_4 Mätresultaten kan ej avläsas på plats utan först efter bearbetning hos MCE. Härmed har tiden mellan mätning och mätresultat gjort att minnesbilder av anläggningens status bleknat; allt går ej heller att anteckna som stöd för minnet. Problem_5 Man kan ej med säkerhet konstatera om lagring av mät­ värden sker under pågående intensivmätning. Detta problem fick vi uppleva vid en inensivmätning våren 1986. Efter olika provkörningar under en dag med inten- sivmätprogrammet i drift, överlämnades disketter med mätdata till MCE. Efter en vecka fick vi besked att mätdata aldrig blivit lagrade på disketten. Dessa problem har inneburit att många och långa diskussioner förts mellan oss, som utvärderare, och MCE beträffande förbättringar av intensivmätningar. Någon ändring av intensivmätsystemet genomfördes dock ej på grund av att utvecklingstiden var tämligen lång och ett förändrat system därmed ej kunde införas under den på­ gående utvärderingstiden. Figur 4.3 Exempel på snabba förändringar hämtat från en av anläggningens sexpunktsskrivare. Observera tidsskalan till höger. 55 En form av mätning ute i anläggningen kallas "TABELL" av MCE. Den har vissa för- och nackdelar som består av: + Avläsning av värden på skärmen direkt ute i anläggningen. Härmed kan man t ex kontrollera lägen hos ventiler och därmed dra slutsatser för nya mätningar. + Mätmetoden är snabb, fördröjningen är max 20 s mellan mätning och resultat på skärmen. Nackdelen är att alla givare presenterar resul­ tatet med tre decimaler samtidigt som skärmen var 20:e sekund rullar fram nya värden. Det är svårt att veta var man är och att anteckna samtidigt. En annan nackdel är att givarantalet är begränsat till maximalt sex per mätning, vilket begränsar överskådligheten i anläggningen. Med facit i hand kan vi konstatera att vi använde alltför mycket tid till intensivmätningar och diskussioner kring dessa. Vi borde ha börjat tillämpa tabellmätning på ett tidigare stadium. Metoden har klara fördelar framför allt sedan vi anslutit en printer som dokumenterar resultaten. Den begränsade överskådligheten med endast sex givare per mätning uppvägs till viss del av att mätresultatet av­ läses i anläggningen. Härmed kan kompletterande mätningar göras för att erhålla ett bättre helhetsintryck. Att avläsa mätresultatet direkt i anläggningen är en ovärderlig tillgång som ej nog kan poängteras. Mätresul­ tat kan jämföras direkt mot rådande driftförhållanden och omställningar av anläggningen kan utföras för komplette­ rande mätningar. 56 5 UTVÄRDERING AV LÄNGTIDSMÄTNINGAR 5.1 Inledning Vi vill inledningsvis till detta kapitel redovisa förut­ sättningarna för de redovisade resultaten. Någon egentlig utvärdering av värmepumparnas prestanda och tillgänglighet har ej kunnat ske i denna rapport. Anledningen till detta är de yttre faktorer i form av elnät, fjärrvärmetemperaturer, övergripande styrutrust­ ning m m som värmepumparna störts av. Dessa yttre fak­ torer har samtliga bidragit till att minska värmepumpar­ nas prestanda. Vad som nedan redovisas är vad värmepumparna förbrukat och producerat under utvärderingstiden vid de yttre omständigheter som då rådde. Någon utvärdering av vär­ mepumparna som specifika objekt kan således ej ske av materialet i detta kapitel. Utvärderingen bygger på mätdata från långtidsmätningar. Dessa har insamlats och lagrats hos MCE (se kapitel 4) . Bearbetning av mätdata har utförts av MCE efter instruk­ tioner från oss. Noggrannheten i de uppmätta resultaten varierar och vi har valt att redovisa dessa i bilaga 1. 5.2 Planerad och uppmätt energiproduktion Utvärderingen påbörjades 1984 10 01 och avslutades 1986 04 30. År 1985 som i sin helhet ingår i utvärderingstiden har valts som referensår för mätningarna. 1985 var ett ovan­ ligt kallt år. Planerad energiproduktion är hämtad ur ett varaktighets- diagram från Värmeverket i Eskilstuna för Hällbybrunn med ett totalt planerat energibehov på 26 000 MWh för fullt utbyggt fjärrvärmenät. Av varaktighetsdiagrammet framgår det att värmepumpen beräknas ersätta 21 000 MWh per år motsvarande 81 % av värmebehovet vid normalår. Detta varaktighetsdiagram finns medtaget i denna rapport, för att jämförelse lättare skall kunna göras med det varaktighetsdiagram som bygger på uppmätta värden från år 1985 (se figur 5.1 och 5.2). Vi vill här informera om att vi som utvärderar råkade ut för en mät- och energiteknisk fadäs när det gäller fjärrvärmenätets totala energibehov. Bakgrunden är att fjärrvärmenätet i Hällbybrunn började byggas redan 1980 långt innan värmepumparna i Silverdal 57 togs i drift. För uppvärmning av nätet användes vid denna tidpunkt transportabla panncentraler. En av dessa var och är uppställd i Gustavsborg nära handelsträdgården. I planeringen av utvärderingen och därtill hörande mät­ ningar fick vi veta att dessa panncentraler varit i drift under uppbyggnadsskedet och numera var avställda varför ingen mätutrustning installerades i denna. Som tidigare nämnts togs denna panncentral åter i drift på grund av de driftproblem som uppstod från handelsträd­ gården. Anledningen till att panncentralen tagits i drift var krav på höga framledningstemperaturer till handelsträd­ gården under vintern. På grund av sekundärkretsens koppling i handelsträdgården erhölls höga returtemperaturer och därmed höga flöden, vilket under vintern vållar problem för värmepumparna. Handelsträdgården är därtill placerad i motsatt ände av fjärrvärmenätet jämfört med värmepumparna och således en lång transportsträcka för de stora flödena. Värmepumpstekniskt var det sålunda riktigt att starta panncentralen den kalla årstiden och därmed förhindra höga returtremperaturer till värmepumparna. Eftersom övervakning av denna panncentral ej var instal­ lerad observerade vi ej den uppkomna situationen. Vid en väl sen tidpunkt av utvärderingen erhöll vi infor­ mation om den förändrade driften. Att i detta läge börja montera kompletterande mätutrustning och skaffa rutiner för denna ansågs ta för lång tid för att vara till hjälp. Utvärderingsmässigt skulle problemet stanna vid att den totala värmeproduktionen till fjärrvärmenätet ej var uppmätt. Därmed skulle problem uppstå med varaktighets- diagram och jämförelse beträffande hur stor del av den totala värmeproduktionen som värmepumpen levererat. Av vad som ovan framgår är det planerade och det uppmätta varaktighetsdiagrammet ej helt jämförbara. Det planerade varkatighetsdiagrammet gäller den totala värmeleveransen. Det uppmätta gäller leverans från Silverdal. Nedan visas i tabellform några övergripande värden som snabbt ger en indikering av skillnaden mellan planerat och uppmätt resultat. Vi har valt att redovisa hela mätperioden 1984 10 01 - 198 6 04 30. Hela mätperioden ger i sig inget rättvist resultat vid års jämförelser på grund av att den inne­ håller två vintersäsonger och en sommarsäsong. Vi kan dock se att värmepumpens andel av energiproduktionen ökat från 61 % vid årsredovisning till 64 % för hela mätperio­ den. Under samma tid är totala värmefaktorn mycket lite oåverkad, 2.17 respektive 2,15. 58 Tabell 5.1 Planerat1 Uppmätt2 1985 Uppmätt 84 10-86 04 Total värme­ leverans (MWh) 26 000 23 541 "39 749" Motsvarar i olja (m3) 2 970 2 689 Total värme­ leverans VP (MWh) 21 000 14 440 "25 417" Motsvarar i olja (m3) 2 400 1 650 VP andel (%) 81 61 "64" VP elförbrukn. (MWh) 6 647 "11 832" COP tot medel 2.17 "2.15" Utetemp. medel C c) 5.9 4.3 "2.6" Oljeförbrukning (m3) 570 1 039 1 816 Anm 1 Gäller totala nätet. Anm 2 Värmeleverans från Silverdal. Vid korrigering av den totala uppmätta värmeleveransen för 1985 till normalårsvärde med hjälp av graddagsstati- stik erhålls 21 210 MWh. Skillnaden till 26 000 MWh består till största delen av panncentralen i Gustavsborg som ej finns redovisad. Därtill kan förekomma vissa mindre avvikelser mellan verklig och planerad energiförbrukning samt ifråga om abonnenter anslutna till nätet. Tabell 5.1 - korrigerad till normalår för 1985 - skulle få följande utseende (se tabell 5.2). 59 Tabell 5.2 Planerat1 1985 2 korrigerad- till nor­ malår Total värmeleverans (MWh) 26 000 21 210 Motsvarar i olja (m3) 2 970 2 423 Total värmeleverans VP (MWh) 21 000 14 440 Motsvarar i olja (m3) 2 400 1 650 VP andel (%) 81 68 VP elförbrukning (MWh) 6 647 COP tot medel 2.17 Utetemp. medel (•c) 5.9 ("5.9") 01j eförbrukning (m3) 570 773 Anm 1 Gäller totala nätet # Anm 2 Värmeleverans från Silverdal. Utetemperaturen har satts inom situationstecken i tabell 5.2 ovan då utetemperaturen endast förändrats med av­ seende på värmebehovet. Av värdena framgår att det för värmepumparna under 1985 återstår en betydande del till det planerade målet. Det finns ett flertal omständigheter som kan förklara de erhållna resultaten. A Fjärrvärmenätets fram- och returtemperaturer betydligt högre än planerat. Detta resulterar i lägre värmepumpsproduktion och en försämrad värmefaktor. Tidvis har en å två kompressorer ställs av på grund av för höga returer. Se kapitel 8.4. B Brist på styrutrustning vid samköming av oljepanna och värmepump. Vid start av oljepanna reduceras manuellt belast­ ningen på värmepumparna. Därmed prioriteras oljepannor på värmepumparnas bekostnad. Se kapi­ tel 8.6. 60 C Det övergripande styrsystemet som på intet sätt optimerar driften. Trots stora värmebehov kan styrsystemet tidvis reglera ner värmepumpsproduktionen med därtill lägre värmefaktor som följd. Se kapitel 8.7. D Det svaga elnätet har under arbetstid förhindrat starter av kompressorer. Detta har resulterat i att kompressorerna tvingats arbeta på minlast med överproduktion och försämrad värmefaktor som följd. Att det omvända att värmepumparna efter ett stopp ej kunnat återstartas på dagtid. Se kapitel 7.7. E Drifttiden för samtliga kompressorer var mycket låg i januari och februari 1985 på grund av ombyggnad av värmepumparnas oljesystem. F År 1985 var ett extremt kallt år vilket inverkar framför allt på uteluftvärmepumpens kapacitet. G På grund av produktionen från panncenralen i Gustavsborg minskar värmepumparnas totala under­ lag. Därmed blir det svårare att erhålla en värmepumpproduktion som närmar sig den planerade. Se kapitel 8.5. De kalla dagarna (A i figur 5.2) kan man se att endast grundvattenvärmepumpen har gått (dimeffekt 1,75 MW). En del av dessa dagar (B i figuren) verkar grundvattenvärme­ pumpen har reglerats ned vilket verkar oförklarligt med tanke på det stora effektbehovet. Detta orsakas av bris­ ter i det övergripande styrsystemet. Topparna vid C i figur 5.2 representerar överproduktion som hör samman med ackumulatortanken. Varaktighetsdiaqram Figur 5.1 nedan visar planeat varaktighetsdiagram. Det planerade varaktighetsdiagrammet har vissa mindre brister beträffande de redovisade ytorna i förhållande till de angivna effekterna. Detta har i detta sammanhang en underordnad betydelse men inverkar mer påtagligt när det gäller värmepumparnas inbördes fördelning av energi­ mängderna. Vi återkommer till detta i kapitel 5.7 "Till­ gänglighet" . Figur 5.2 visar uppmät varaktighetsdiagram för år 1985. Observeras att de uppmätta diagrammet ej innehåller värmeproduktionen från Gustavsborg vilken ingår i figur 5.1. Som framgår av figur 5.2 är energiuttaget under lägsta förbrukning ej uppmätt. 61 Ett åsknedslag i mitten av juli slog ut alla analoga mätinstrument. Detta åtgärdades i mitten av augusti varför mätvärden saknas för denna period. Det framgår med all önskvärd tydlighet att värmeproduk­ tionen från värmepumparna varit både instabil och lägre än som planerats. I figur 5.2 kan en del toppar i värmepumpens effektleve­ rans ses överstiga varaktighetskurvan, dvs överstiga det momentana effektbehovet på fjärrvärmenätet. I dessa lägen laddas ackumulatorn. De omvända kurvorna nedåt gäller vid urladdning. Av samma figur framgår också att värmepumparnas dimen­ sionerande effekt 4,25 MW (2,5 MW + 1,75 MW) är stor i förhållande till den maximala effekten på ca 6,7 MW. Värmepumparnas effekt är stor även i förhållande till det totala nätets planerade 9 MW. 62 - o - o a z: Figur 5.1 Varaktighetsdiagram. Planerad utformning för helt utbyggt fjärrvärmenät i Hällbybrunn. EF FE KT 63 -£Z . O Figur 5.2 Varaktighetsdiagram baserat på utförda mätningar av värmeproduktion och elförbruk­ ning. 64 5.3 Energiproduktion och effekter I detta avsnitt redovisas producerad energi och anlägg- ningseffekter i diagramform och huvudsakligen fördelade som månadsmedelvärden. Tabell 5.3 visar uppmätta värden för 1985 samt för totala utvärderingstiden. Tabell 5.3 Energiproduktion År 1985 (MWh) 84 10 (MWh) -86 04 Silverdal (totalt) 23 541 39 749 Oljepannor 9 101 14 332 Värmepump totalt 14 440 25 417 Uteluft VP 6 747 10 462 (Uteluft kondensor A 2 170 4 298 ) (Uteluft kondensor B 4 577 6 164 ) Grundvatten VP 7 693 14 955 GWh 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Figur 5.3 Energileverans från Silverdal fördelat på värmepumpar och oljepannor. OUA 65 Figur 5.3, 5.4 och 5.5 redovisar egentligen samma sak, dvs månadsmedelvärden av energiproduktionen från oljepannor och värmepumpar (uteluftvärmepump + grundvattenvärmepump). Skillnaden består i att vi redovisar kylenergi (gratisenergin) i figur 5.4, därtill har vi valt att lägga kylenergin överst för att lättare åskådliggöra den energiförbrukning som sker i form av el och olja. Figur 5.4 har onekligen vissa fördelar eftersom kylenergin alltid är gratis oavsett vilka el- och oljepriser som råder. GWh A M OUA+EL GRAT1SENERGI = KYLENERGI Total energileverans från Silverdal där värmepumparnas kylenergi (gratisenergi) redovisas separat. Figur 5.4 66 Vi upplever att figur 5.5 ger en mer realistisk bild av energiproduktionen jämfört med figur 5.3. På grund av att elförbrukningens storlek ej redovisats i figur 5.3 ger den figuren många gånger ett väl optimistiskt intryck av den energi som produceras med värmepumparna. Av figur 5.3 som är den vanligaste i värmepumpssammanhang redovisas enbart hur förhållandet är mellan värmeproduktion med olja och värmepumpar. Man vilseleds lätt till att tro att en stor värmepumpsandel är det viktigaste. Detta är dock ej hela sanningen vilket figur 5.5 visar. 6RATIS- ENERGI Total energileverans från Silverdal fördelat på värmepumparnas kylenergi (gratisenergi) och elenergi samt energileverans från oljepannor. Figur 5.5 67 Nedan i figur 5.6 redovisas värmepumpens energileverans och elförbrukning. Det var planerat att värmepumpens drift skulle stoppas vid utetemperaturer under -10°C. Förutom att värmepumpen varit avstängd på grund av driftstörningar längre och kortare perioder har en del reparationer gjorts. Dessa har till största del genomförts under vintermånaderna eftersom värmepumpen ansetts ha låg tillgänglighet då. $ $ & <£ ÿ*« «j ® 5Ä E7\\l GRATISENERGI = KYLENERGI Figur 5.6 Värmepumparnas energileverans och elförbrukning. 68 Figur 5.7 redovisar energileverans från uteluftvärmepump respektive grundvattenvärmepump. Även detta diagram visar att värmepumparna haft liten drifttid. (Mätvärden saknas för oktober 1984.) Sommarmånaderna behövs endast uteluftvärmepumpen. En av anledningarna till att uteluftvärmepumpen körs då är att dess värmekälla har högre temperatur än grundvattenvärmepumpens. Under vintermånaderna gäller det omvända förhållandet. GWh 1.5 1.4 1.3 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 ET\] GRUNDV-VPUTELUFT-VP Figur 5.7 Energileverans från grundvattenvärmepump. uteluftvärmepump och 69 Figur 5.8 ger en månadsvis jämförelse av energileverans från uteluftvärmepumpens respektive kondensorer. Mätvärden saknas för oktober 1984. Den enda månad under mätperioden som båda kondensorerna levererat bra och ungefär lika mycket energi är mars 1986. Denna månad har kompressor A gått 92 % av tiden och kompressor B 85 %. MWh Figur 5.8 Energileverans från uteluftvärmepumpens kondensorer Driftmedeleffekt är ett begrepp som vi valt att införa. Med det förstås den genomsnittliga effekt under drift som värmepump alternativt kondensor producerar. Figur 5.9 visar driftmedeleffekten för värmepumparnas kompressorer. Mätvärden saknas för oktober 1984. 70 Grundvattenvärmepumpens dimensionerande effet är 1,75 kW. Det är endast 3 månader under mätperioden som effekten ligger strax under eller över denna effektnivå. De flesta månaderna ligiger mellan 1 och 1,6 MW. Detta beror till en del på att värmepumpen inte får startas under dagtid och att grundvattenvärmepumpen istället för att stoppas regleras ned. En annan faktor är styrsystemet som trots stort effektbehov tidvis reglerar ned effekten. Nedregleringen medför dessutom sämre OOP på grund av att skruvkompressorer har sämre dellastvärden. Uteluftvärmepumpens driftmedeleffekt ökar däremot helt naturligt med ökande utetemperatur. Januari 1985 har uteluftvärmepumpens kompressor A stått still. Detta beror på ombyggnad av uteluftkompressorernas oljesystem. Vissa månader skiljer effekterna mellan kompressor A och B ganska mycket. Detta beror på samma faktorer som ovan angivits för grundvattenvärmepumpen. MW 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.8 0.7 0.6 0.3 0.2 0 J F M 1985 J F M 1986 T i 0 N 1986 HUTELUFT rUTELUFT fl HK0MPR A §kompr B fl GRUNDVATTEN Figur 5.9 Driftmedeleffekt fördelat på värmepumparnas respektive kompressorer 71 Figur 5.10 visar dygnsmedelvärden av utetemperatur avgiven effekt samt COP kompr och COP tot. COP tot innebär att även kringutrustning i form av pumpar, fläktar m m ingår. I detta ingår även fjärrvärmepumparna vilket ej är helt korrekt om man ser det till vad som totalt fordras för drift av värmepumpar. Att här sätta en skarp gräns är svårt eftersom ett lågtemperaturnät för fjärrvärme fordrar större flöden. Ett större flöde medför mer pumparbete vilket i sin tur grundar sig på värmepumpen. Figuren visar tydligt motsatsförhållandet mellan utetemperatur, effektbehov och värmepumpens effekt. I värmepumpens effektleverans syns vissa "dippar" som ej kan förklaras med förändringar i utetemperatur eller värmebehov. Anledningen är vissa störningar i form av driftstopp alternativt effektminskningar av olika orsaker. Givaren för utetemperatur installerades först i januari 1985. Ett åsknedslag slog ut stora delar av mätutrustningen i mitten av juli och förorsakade ett månadslångt mätstopp. U TE 72 Figur 5.10 Dygnsmedelvärden under mätperioden av utetemperatur, effektleverans och värmefaktor för värmepumparna gemensamt. D yg ns m ed el vä rd en 84 10 01 -- 86 04 30 73 Figur 5.11 och 5.12 redovisar konsekutiva dygns- medelvärden. Figur 5.11 sorterar effekten efter antal dagar under 1985 medan figur 5.12 sorterar effekten efter utetemperatur. Bilderna liknar varandra av naturliga skäl. De borde vara mer lika varandra om X-axlarna hade varit proportionelt lika långa. Det framgår att den totala effektleveransen vid en och samma utetemperatur varierar mycket mellan olika dagar. 74 Konsekutiva dygnsmedelvärden för effekter i förhållande till antal dygn under år 1985. Gäller för Silverdal. Figur 5.11 DY GN EF FE KT 75 t_I CL Q- > UJ '<] » — :< < > °1, a: UJ ^ cl r 5 < »- ry uJ u- £K I Figur 5.20 Dygnsmedelvärden under mätperioden av utetemperatur samt fram- och retur- ledningstemperatur för fjärrvärmenät. in am ad al vö rd an [0 01 — 86 04 30 87 Figur 5.21 visar dygnsmedelvärden av fjärrvärmenätets returtemperatur och ingående värmebärartemperatur till värmepumpen. Av figuren framgår tydligt att ingående värmebärartemperatur är högre än fjärrvärmenätets returtemperatur. Detta gäller speciellt sommarmånaderna. Figur 5.22 visar dygnsmedelvärden av utgående värme­ bärartemperatur ur värmepumpen och framled- ningstemperatur. Vid ett flertal tillfällen under speciellt sommarhalvåret syns den heldragna linjen ovanför den streckade linjen. Detta innebär att värmepumpen på grund av ackumulator­ tanken producerar varmare vatten till ackumulatorn än vad som distribueras till fjärrvärmenätet. 88 er 3 !— < erUJCL ' 2: lùaj 2= 3 < er »—3 *> er 00 'T. rr. u j Figur 5.21 Dygnsmedelvärden under mätperioden av ute­ temperatur samt fjärrvärmenätets retur­ temperatur och ingående temperatur i värme­ pumpen . Dy gn tm *d «l vö rd «n 84 10 01 — 88 04 30 89 er3 “£ s iT Figur 5.22 Dygnsmedelvärden av utetemperatur samt fjärrvärmenätets framledningstemperatur och utgående temperatur ur värmepumpen. 90 Figur 5.23 tillhör några av de viktigaste figurerna i denna utvärdering. Den visar den planerade fram- och returtemperaturen (heldragen och streckad) i fjärrvärmenätet. Punkterna visar de uppmätta fram- och returtemperaturerna (fyrkant och kors). Varje fyrkant respektive kors består av medelvärdet från över 8 000 mätningar, varför någon mättekniskt spridning ej förekommer i praktiken. Diagrammet visar på ett mycket tydligt sätt att såväl fram- som returtemperaturer är betydligt högre än vad som planerats. Framledningstemperaturen är under sommaren i snitt ca 5°C högre än planerat. Vid en utetemperätur av ± 0°C av framledningstemperaturen ca 10°C högre. När det gäller returtemperaturen är avvikelsen mellan planerad och uppmätt temperatur ännu större. Avvikelsen är här närmare 20°C under större delen av året. FJÄRR- °C VÄRME- 100 TEMPERATUR 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Figur 5.23 Planerade och uppmätta fram- och retur­ temperaturer som funktion av utetem­ peraturen. □o □ ++ + ++ UTETEMPERATUR □ FRAM + RETUR —— PLANERAD --------PLANERAD FRAM RETUR 91 F~i ärrvärmef löden Värmebärarflödet genom kondensorerna är konstant, 225 m3/h. Det är vid få tillfällen som fjärrvärmeflödet kommer upp till denna nivå. Enligt figur 5.24 sker detta först i de tre sista månaderna av mätperioden vilket beror på att fjärrvärmeflödet ökades i februari 1986. ökningen av fjärrvärmeflödet framgår ännu tydligare av figur 5.25 som visar dygnsmedelvärden. I figur 5.19 kan man se att månadsmedelvärdet av temperaturdifferensen mellan returledning och ingående värmebärartemperatur samtidigt minskar till ca 1°C. mVh 220 - 200 - 180 - 160 - 120 - 100 - OND A S 0 N DM J M A ---------- K0N0ENS0RFL00E (VÄRMEBÄRARE) ----- VP FLÖDE (GF2) FJARRVARMEFLODE (GF1) Figur 5.24 Månadsmedelvärden av fjärrvärmeflöde, värmebärarflöde och flöde från värme­ pumparna . Dygnsmedelvärden under mätperioden fjärrvärmeflöde och värmebärarflöde. Figur 5.25 av Dy gn Bm ed el vö rd en 84 10 01 -- 86 04 30 93 Figur 5.26 visar planerat och uppmätt fjärrvärmeflöde. Uppmätt flöde är större än planerat utom för de kallaste månaderna. Detta har naturligtvis ett samband med det tidigare redovisade fjärrvärmetemperaturerna. Dessa har förutom högre fram- och returtemperatur än vad som planerats även en mindre temperaturdifferans mellan fram och retur. Eftersom effektbehovet överensstämmer storleksmässigt med det planerade resulterar detta i större flöden. m3/h □ FJARRVARMEFLODE ------------- PLANERAT FJÄRRVÄRMEFLÖDE Figur 5.26 Planerat och uppmätt fjärrvärmeflöde funktion av utetemperaturen. som 94 Förångning och kondenseringstemperatur Köldmedium är R12. Vid R12 betraktas +70”C som en övre gräns för högsta utgående värmebärartemperatur då man vill undvika kondenseringstemperaturer över +80°C. Vid enstaka tillfällen har toppar i dygnsmedelvärdena på upp mot 75°C på utgående värmebärartemperatur mätts upp under vintersäsongerna. Även sommarmånadernas utgående värmebärartemperatur ligger högt, runt 65°C. Tryckmätningar I långtidsmätningarna ingick mätning av tryck i köld- mediesystemet. Så här i efterhand har vi kunnat konstatera att dessa mätningar ej gav de resultat vi förväntat. Det visade sig att tryckgivarna hade en benägenhet att vibrera sönder med felaktiga värden som följd. För framtida utvärderingar är det vår uppfattning att tryckmätningar endast bör ske under korta begränsade perioder och att givarna i mellantiden är demonterade från köldmediesystemet. 5.6 Drifttider Drifttider i detta avsnitt är kopplade till kom­ pressorerna i värmepumparna och ej själva värmepumparna som enhet. Tabell 5.5 Drifttid (timmar) Kompressor År 1985 84 10 - 86 04 Uteluft kompressor A 1 842 4 090 Uteluft kompressor B 3 617 5 100 Grundvatten 5 178 9 779 Vinterhalvåret består av januari, februari, mars, oktober, november och december. Sommarhalvåret består av april, maj, juni, juli, augusti och september. 95 Vid fördelning av drifttider på sommar och vinter­ halvåret för 1985 erhålls följande: Tabell 5.6 Kompressor Drifttider (timmar) Vinter Sommar Uteluft kompressor A 1 085 757 Uteluft kompressor B 1 308 2 309 Grundvatten 3 769 1 409 Figur 5.27 visar drifttider i % av total tid per månad för respektive kompressor. Uteluftvärmepumpens båda kompressorer har endast gått ca 30 % av mättiden medan grundvattenvärmepumpen har gått 70 %. % Q UTELUFT F] UTELUFT R |j KOMPR A ^KOMPR B [] GRUNDVATTEN Figur 5.27 Kompressorernas drifttid i procent av månadens totala tid. 96 5.7 Tillgänglighet Tillgänglighet för en värmepump kan indelas i: Tillgänglig drifttid Tillgänglig effektleverans Tillgänglig energileverans Tillgänglig drifttid är det som oftast benämnes drift tillgänglighet. Det är den vanligaste formen att mäta tillgänglighet för värmepumpar. Vår uppfattning är att detta är ett ofullständigt mått som i vissa sammanhang ger en missvisande information. Vi redogör närmare för detta nedan. Tillgänglig effekt är ett begrepp som är svårt att er­ hålla någon egentlig uppfattning om för uteluftvärme- pumpar utom i de fall där det är helt uppenbart att en effektavvikelse har förekommit. Begreppet effekttill­ gänglighet är svår att i efterhand bedömma och effekten avgörs lämpligast i prestandaprov under väldefinierade förutsättningar. Tillgänglig energileverans är ett mått vi förordar av flera skäl. För det första har hela värmepumpsinstalla- tionen tillkommit för att den skall leverera energi. För det andra är energi detsamma som produkten av tid och effekt varför de båda tillgänglighetsbegreppen enligt ovan därmed är indirekt redovisade. Vi vill först redovisa några av bristerna och ofullstän­ digheterna med begreppet tillgänglig drifttid. a) Vad som mäts är om kompressorn är i drift. Hur mycket energi och vart energin levereras tas ingen hänsyn till. Om t ex avfrostningsautoma- tiken hakar upp sig och avfrostningen pågår onödigt länge, pumpas energiflödet åt fel håll med bibehållen hundraprocentigt tillgänglig drifttid. b) Tillgänglig drifttid tar ej hänsyn till när ett driftstopp inträffar. Antalet timmar som kom­ pressorn varit avställd inverkar därmed lika mycket på tillgänglighetsstatistiken oavsett om kompressorn behöver vara i drift eller ej, t ex sommar alt vinter. c) Tillgänglig drifttid kan endast mätas på värme­ pumpens kompressor. Finns endast en kompressor på värmepumpen är det inget problem då hela värme­ pumpen påverkas av den enda kompressorn, men vid flera kompressorer blir problemet annorlunda. Fler kompressorer för en och samma värmepump innebär sämre tillgänglig drifttid, på grund av sannolikheten för att någon av dem är avställd kommer att öka med antalet kompressorer. 97 Samtidigt som kompressorernas totala drifttillgänglighet minskar med antalet kompressorer ökar värmepumpens totala tillgänglighet med antalet kompressorer! Resonemanget är detsamma som används inom flygsäkerheten. Flygplanets säkerhet ökar med antalet motorer samtidigt som sannolikheten för att någon motor skall stanna ökar med antalet motorer. Vår uppfattning är således att det bästa bedömningsunder- laget för en värmepump är tillgänglig energileverans. Detta kan i sin tur kompletteras med tillgänglig drifttid om energitillgängligheten visar stora avvikelser. Begreppet energitillgänglighet innebär att värmepumpen skall vara tillgänglig för energileverans när energibehov föreligger, vilket kan tyckas självklart. Lika självklart är ej att service och reparation äv en kompressor kan ske utan att inverka på värmepumpens tillgänglighet om den sker när behovet är så lågt att energitillgängligheten kan upprätthållas med den åter­ stående kompressorn i drift. Enligt vår bedömning är det viktigt att underhåll och reparationer kan flyttas från en känslig tidpunkt till en mindre känslig. Detta bör också tillgodoräknas i till- gänglighetsstatistiken. Enligt detta resonemang ökar energitillgängligheten för en värmepump med antalet kompressorer, samtidigt som tillgänglig drifttid minskar med antalet kompressorer. Av ovan framgår att man med tillgänglig drifttid inte mäter värmepumpens utan kompressorernas tillgängliga drifttid. Vidare att man med tillgänglig energileverans mäter värmepumpens energileverans som en enhet. Detta skall ej förväxlas med fallet då man har flera värmepumpar som levererar energi till en anläggning. I de fallen är det värmepumpsanläggningen som fått en ökad energitillgänglighet och inte respektive värmepump. Nu är det ej helt lätt att i Hällbybrunn redovisa till­ gängligheten per värmepump. Eftersom värmepumparna till­ sammans är relativt stora i förhållande till fjärr­ värmenätets behov innebär det att värmepumarna kan nytt­ jas samtidigt endast under en begränsad tid. Resten av tiden då endast en är i drift skall de fördela den gemen­ samma energileveranserna mellan sig. Eftersom grundvattenvärmepumpen är planerad som förste maskin både styr- och flödestekniskt innebär det att den alltid tar den största kakan under förutsättning att den är i drift. Om den därtill körs fler timmar per år än vad som planerats, vilket är fallet under år 1985, innebär detta att grundvattenvärmepumpen förser sig med ytter­ ligare en bit av den gemensamma kakan. Härmed framstår uteluftvärmepumpen som en betydligt sämre värmeleverantör än den i praktiken är. 98 Varaktighetsdiagram för tillgänglig energi­ leverans. Mörka områden visar utebliven energileverans från värmepumpen. Figur 5.28 DY GN 99 Tabell 5.5 visar att grundvattenvärmepumpen har varit i drift 5 178 timmar istället för de planerade ca 3 500. Att drifttiden är så hög beror på att man valt att köra värmepumpen under april, maj och augusti vilket är ut­ präglade tider för uteluftvärmepumpen. Energileveransen under denna tid är 7 693 MWh (planerat 6 000 MWh) vilket motsvarar en medeleffekt av ca 1 490 kW. Avvikelsen mellan värmepumpens medeleffekt och dimen­ sionerande effekt ca 1 700 kW beror till största delen på övergripande styr- och reglerutrustning som tidvis regle­ rat ner värmepumpen trots att behov förelegat. Att vär­ mepumpen har kapacitet för gott och väl 1 700 kW framgår av februari månad 1985 i figur 5.9 där driftmedeleffekten är 1 794 kW under hela den månaden. Att uteluftvärmepumpens energileverans är 6 750 MWh istället för planerade 15 000 MWh beror på bl a vad som ovan beskrivit. Grundvattenvärmepumpen har varit i drift även då det lämpat sig att köra uteluftvärmepumpen. Till detta skall adderas det totala energiunderlaget minskat i storleksordningen från ca 26 000 MWh till ca 21 000 MWh på grund av att panncentralen i Gustavsborg varit i drift. Därtill har de höga fjärrvärmereturerna bidragit till att stoppa uteluftvärmepumpen pga hög kondensering eftersom dessa kondensorer är flödestekniskt placerade efter grundvattenvärmepumpen. Förhållandet kunde mycket väl ha varit den omvända om uteluftvärmepumpen använts som basaggregat och grund­ värmepumpen som marginalkompressor. Uteluftvärmepumpen har således aldrig fått rätt förutsättningar att arbeta med. Det har ej saknats problem med själva uteluftvärmepumpen trots de begränsade drifttiderna. Oljesystemet har byggts om i januari 1985 varvid värmepumpen var helt avställd i flera veckor. I januari och februari 1986 byggdes oljekylningen om. Båda dessa ingrepp får betraktas som barnsjukdomar för denna anläggning. En hel del problem av skilda slag har därtill förekommit. Några av dessa finns redovisade i kapitel 7. Mot bakgrund av att inbördes driftförutsättningar saknas för värmepumparna i Hällbybrunn kan vi ej på ett menings­ fullt sätt redovisa tillgängligheten för respektive värmepump. I figur 5.28 som är ett varaktighetsdiagram har vi gra­ fiskt redovisat värmepumparnas gemensamma tillgänglighet i det aktuella fjärrvärmenätet. De mörka områdena redo­ visar utebliven energileverans. X kapitel 7.2 har vi redovisat synpunkter på värmepumpar­ nas dimensionering samt val av värmepump. 100 6 UTVÄRDERING AV INTENSIVMÄTNINGAR 6.1 Inledning Intensivmätningarna bygger på att varje momentant mät­ värde skall lagras, till skillnad från långtidsmätningar- na där momentana mätvärden omräknas och lagras till timmedelvärden eller summavärden. Mätdata för intensivmätningar har insamlats och lagrats hos MCE (se kapitel 4). Bearbetning av mätdata har utförts av MCE efter instruk­ tioner från oss. Vid ett par tillfällen har försök till rena intensivmät­ ningar förekommit (juni 1985 och november 1985). Vi vill inte påstå att dessa mätningar vart särskilt lyckade för vår del. I vart fall ej den som genomfördes i mars 1986. Först planerades den noga och MCE programmerade särskilda mätdisketter. Därefter resa till Hällbybrunn, omställning av anläggning och genomförande. När så MCE i Stockholm skulle banda innehåller från lagringsdisketterna fick vi reda på att de var tomma. Intensivmätmetoden har vi redan tidigare i kapitel 4 haft synpunkter på varför dessa ej skall upprepas här. Resultatet av det hela blev att vi till stora delar använde anläggningens egen registreringsutrustning för s k intenvismätningar, i kombination med "tabellmät­ ningar" på MCEs mätdator. Därmed har vi gjort ett visst avsteg från de renodlade intensivmätningarna. Vi anser dock att det är resultatet som är intressant och ej vilken form av registreringsmetod som används. 6.2 Avfrostnina Från början styrdes samtliga avfrostningsintervaller enbart av tid. Behovsstyrd avfrostning infördes 1984 11 15. Behovsstyrd avfrostning innebär i detta sammanhang att starten av avfrostningen styrs via skillnaden mellan utetemperatur och förångningstemperatur. Det är när temperaturdifferanse överskrider 15° C mellan utetempera­ tur och köldmediets mätningstempeatur på förångarsidan som avfrostningen startar. Själva avfrostningsförloppet styrs fortfarande på tid. Vi har i samband med mätningar på anläggningen konstate­ rat att tiden för själva avfrostningsförloppet är ca 8 min per förångardel, vilket innebar ca 64 min totalt. 101 Tiden är enligt vår åsikt alldeles för lång och skulle kunna kortas påtagligt. Som det nu är avger batteriet värme till ufteluften långt efter det att smältvattnet avdunstat till uteluften. När någon fläkt stoppar innebär det att förångningstempe- raturen sjunker. Därmed påverkas även det "behovsstyrda" avfrostningsförloppet som startar tidigare. Eftersom växellådorna till förångarfläktarna har haft en benägen­ het att ofta gå sönder har detta varit en orsak till täta avfröstningar. 6.3 Kapacitetsreglering I Hällbybrunn har man valt att ej starta kompressorna under arbetstid på grund av störningar i elnätet som framför allt drabbat Volvo-BMs närbelägna anläggning. Eftersom start-stopp-förfarandet som från början var planerad som driftstrategi var tvungen att överges under arbetstid vart kapacitetsreglering aktuell. Uteluftvärmepumpen är aktuell på sommaren. Det är t o m för mycket med bara en av de båda kompressorerna under långa tider, på grund av det låga effektbehovet i fjärr­ värmenätet . Samtidigt är kompressorns effekt hög på grund av den höga utelufttemperaturen i kombination med att hela förångar- delen står till den enda kompressorns förfogande. I detta läge framstår kapacitetsreglering av kompresso­ rerna som mycket aktuell även om det från början ej var tänkt så. Vi genomförde därför under juni 1985 en intensivmätning med en kompressor åt gången i drift vid olika kapacitets- lägen tatet . I tabell 6. 1, 6.2 och 6.3 nedan redovisas resul- Tabell 6.1 Grundvattenvärmepump Kap- läge % Ekonom Kompr COP Ut- effekt kW Kyl- effekt kW VP ut Grund­ vatten in 0 C °C För- ångning •c 24 Nej 1.90 630 320 66 16 +5 50 Nej 2.25 880 490 66 16 +2 75 Nej 2.20 1 080 550 65 16 + 1 80 Ja 2.50 1 100 660 66 16 ±0 100 Nej 2.50 1 330 800 68 16 ±0 100 Ja 2.52 1 724 1 040 69 16 -2 102 Tabell 6.2 Uteluftvärmepump kompressor B Kap- läge % Ekonom Kompr OOP Ut- effekt kW El- effekt kW VP ut "C Ute- temp. °C För- ångning •c 32 Nej 3.2 1 000 320 62 23 + 18 50 Nej 3.3 1 350 410 66 23 + 18 75 Nej 3.3 1 700 520 66 23 + 16 75 Ja 3.4 1 830 540 66 23 + 15 100 Nej 3.5 2 100 540 66 23 + 15 100 Ja 3.3 2 300 700 67 23 + 13 Tabell 6.3 Uteluftvärmepump kompressor A Kap- Ekonom Kompr Ut- El- VP Ute- För- läge effekt effekt ut temp. ångning % COP kW kW •c •c •c 23 Nej 2.2 680 320 65 11 +2 50 Nej 2.5 960 380 64 11 + 1 70 Nej 2.6 1 180 420 64 11 ±0 75 Ja 2.7 1 300 460 64 11 ±0 100 Nej 2.9 1 500 500 64 11 - 100 Ja 2.9 1 880 650 64 11 -3 1 Som framgår av att utetemperaturerna är mätningarna ej utförda vid samma tillfälle. 2 När mätningen av kompressor A genomfördes var kompressor B i drift och nedreglerad till 24 %. Anledningen till att kompressor B ej stoppades var problemet med elnät och återstarter. Trots att mätningarna ej utförts under samma förutsätt­ ningar framgår vissa tendenser. Om vi jämför tabell 6.1 och 6.3 syns vissa likheter drifttekniskt trots att det är fråga om grundvattenvärme- pumpkompressor i tabell 6.1 och uteluftvärmepumpkom- pressor i tabell 6.3. 103 De arbetar med ungefär samma förångningstemperatur, utgående värmebärare och effekter vid nedreglering minst värmefaktorn procentuellt lika mycket. Om vi jämför med tabell 6.2 där kompressor har en betyd­ ligt högre förångningstemperatur framgår att värmefaktorn förändras obetydligt vid kapacitetsreglering. Om man väger samman värdena för värmefaktorn blir den snarare högre när ekonomicern kopplas ur. Ned till 75- 80 % kapacitetsreglering är påverkan på värmefaktorn mycket ringa. Liknande iakttagelser gjordes vid utvärdering av vär­ mepumpen i Fagersjö. Vi frågar oss därför om inte detta i högre grad borde utnyttjas reglertekniskt. 104 7 DRIFTERFARENHETER AV VÄRMEPUMPSYSTEMET OCH DERAS KOMPONENTER 7.1 Inledning Att dra en skarp gräns mellan värmepumpsystem (kapitel 7) och kringsystem (kapitel 8) kan i vissa avseenden vara en tolkningsfråga. Vi rekommenderar därför att dessa kapitel läses tillsammans för att erhålla en bättre helhetssyn. Att här nedan redovisa alla de driftstörningar och pro­ blem som förekommit samt eventuella orsaker till dessa i de fall vi funnit dem, bedömer vi som en ganska tröt­ tande redogörelse. Vi har valt att redovisa de iakttagelser vi gjort som vi bedömer vara av väsentlig betydelse för värmepumpanlägg­ ningens totala lönsamhet. 7.2 Värmepumparnas dimensionering och val av värmepump Värmepumparna i Hällbybrunn är planerade för en energi­ andel av ca 81 % av den totala energileveransen. Detta leder till att den planerade värmepumpeffekten 4,2 MW vid -2°C ute är ca 47 % av anläggningens maximala effekt­ behov. Samtidigt kan sägas att den planerade utnyttjningstiden blir ca 5 000 timmar. (Utnyttjningstid = årlig värme­ energi från värmepumparna/värmepumparnas dimensionerande värmeeffekt.) Enligt vår uppfattning är detta en stor värmepumpsanläggning i förhållande till förbrukarnas totala energi- och effektbehov. Vid en mindre värmepumpeffekt kommer utnyttjningstiden att öka samtidigt som energiandelen minskar. Den minskade energiandelen skall då "betalas" av en lägre installa­ tionskostnad. Vissa delar av installationskostnaderna påverkas ej och vi tänker då närmast på undercentraler och de som berör fjärrvärmenät och flöden. Vi har hittills talat om värmepumpsanläggningen som en enhet. Man bör även titta på värmepumparnas inbördes förhållande. Planerat är att uteluftvärmepumen skall leverera ca 15 000 MWh vilket ger en utnytt jningstid av 6 000 timmar. För grundvattenvärmepumpen är den planerade energileve­ ransen 6 000 MWh vilket ger en utnytt jningstid av ca 3 500 timmar. Utnyttjningstiden 3 500 timmar innebär att värmepumpen kan köras på full effekt dessa timmar av året vilket motsvarar 40 % av årets timmar. Detta bedömer vi som en för låg utnyttjningstid för att återbetala grund­ vattenvärmepumpens anläggningskostnad inkl kringutrust- ning. 105 Värmepumparna blir än större i förhållande till förbru­ karna om vi beaktar hur fjärrvärmenätet i praktiken används. Handelsträdgården bortkopplas från värmepump­ driften under vinterhalvåret. Om vi använder oss av de uppmätta värdena för 1985 motsvarar värmepumpeffekten 65 % av maximala effektbehov. Mot bakgrund att värmepumparna har en förhållandevis hög effekt i förhållande till fjärrvärmenätets totala behov är det viktigt att komma till rätta med problemen i handelsträdgården så energileveransen dit kan ske via värmepumparna. Uteluft- och grundvattenvärmepumo i kombination När anläggningen planerades talades det om fördelen med kombinationen av en uteluftvärmepump och en grundvatten­ värmepump. Utvärderingen av denna kombination är svår med tanke på de olika aspekter som kan kombineras. Ett sätt är att jämföra med vad som har planerats men frågan är också lite, vad är det som har planerats? Till detta kan läggas hur värmepumparna har installerats flödesmässigt och reglermässigt samt hur maskinpersonalen prioriterat driften genom egna valmöjligheter. Man kan fråga sig om detta är en uteluftvärmepump som effektmässigt stöttas av en grundvärmepump eller är det tvärt om? Tanken är att utnyttja uteluften när dess temperatur är hög och grundvattnet när utetemperaturen sjunker. Redan i planeringsstadiet finns tvetydigheter. Det plane­ rade varaktighetsdiagrammets tidsaxel (figur 5.1) visar att uteluftvärmepumpen bör arbeta så stor del av året som det är möjligt genom begränsning av grundvattenvärmepum­ pens drifttid, vilket sker manuellt. Effektaxeln däremot visar att när grundvattenvärmepumpen har tagits i drift körs den med full effekt samtidigt som uteluftvärmepumpens effekt minskar vilket sker regler- tekniskt. Kort uttryckt prioriteras uteluftvärmepumpen manuellt och reglertekniskt prioriteras grundvattenvärmepumpen. I förlängningen innebär detta att all effektreglering sker via uteluftvärmepumpen (ca 6 000 tim) samtidigt som ingen effektreglering förekommer av grundvattenvärme­ pumpen . Om vi åter knyter an till vilken inbördes relation värme­ pumparna har så måste det naturligtvis vara den värmepump som för tillfället levererar mesta effekten till lägsta elförbrukning som skall vara basaggregat. Reglertekniskt är styrsystemet ej uppbyggt för denna stategi. 106 Även mättekniskt saknas möjligheter för driftpersonalen att avgöra den optimala driftkombinationen. Som utvärderare anser vi att det är viktigt att prin­ cipiellt försöka fastställa vilken värmepump som är basaggregat alternativt hjälpaggregat. Vi bedömer på grund av nedan tre angivna skäl att det är uteluftvärmepumpen som är basaggregat och grundvatten­ värmepump som är hjälpaggregat. Historiskt var det planerat för enbart uteluft- värmepump i Hällbybrunn en effekt av 4 MW. Varaktighetsdiagrammets tidsaxel visar att ute­ luftvärmepumpen har högre prioritet. Grundvattenvärmepumpens begränsade tillgång på grundvatten. Vi har ej funnit något starkt skäl att välja grundvatten­ värmepump som basaggregat. Om vi rent tekniskt betraktar hur värmepumpen är flödes- tekniskt ansluten till värmebäraren, vilket manuellt värmepumpval som utförts samt hur styrsystemet priorite­ rar värmepumparna. Då ser vi en nästan konsekvent priori­ tering av grundvattenvärmepumpen på bekostnad av uteluft­ värmepumpen. Flödestekniskt är grundvattenvärmepumpen först ansluten i värmebärarflödet. Därmed värmer den upp en redan tidigare för hög fjärrvärmeretur till inloppet i uteluftvärmepum­ pen. Uteluftvärmepumpen får därmed ett svårare driftläge som ger en sämre värmefaktor. Dessutom måste effekten tidvis reduseras med ännu sämre värmefaktor som följd. Tidvis måste en alternativt båda kompressorerna stoppas i uteluftvärmepumpen på grund av för hög temperatur på ingående värmebärare. Det manuella valet består i att värmepumpen under år 1985 varit i drift ca 5 200 timmar jämfört med planerat 3 500 timmar och därmed minskat energiunderlaget för uteluftvärmepumpen. Reglertekniskt är det som tidigare nämnts grundvattenvär­ mepumpen som får arbeta ostört medan regleringen sker via uteluftvärmepumpen med försämrad värmefaktor, höga het- gastemperaturer m m. 107 MW GRUNDVATTEN VP TOTALT 5000 MWh 5000 MWh ■ ; GR-vp UTELUFT-VP 16000 MWh : GR-VP Figur 7.1 Varaktighetsdiagram visande "största möj­ liga" utnyttjande av uteluftvärmepumpen. Om vi återknyter till planerade varaktighetsdiagrammet, figur 5.1, så innehåller detta två värmepumpar där ingen nyttjas fullt ut. Därmed går ej att dra några slutsatser om respektive värmepumps lönsamhet. Figur 7.1 visar hur det planerade varaktighetsdiagrammet skulle se ut om uteluftvärmepumpen används konsekvent som basaggregat. De framgår då att grundvattenvärmepumpens energileveans minskat till 5 000 MWh samtidigt som uteluftvärmepumpen ökat till 16 000 MWh. Figur 7.2 visar hur den planerade varkatighetsdiagrammet skulle se ut om grundvattenvärmepumpen används konsekvent som basaggregat. De framgår då att grundvattenvärmepumpens utnyttningstid ökat till 13 000 MWh samtidigt som uteluftvärmepumpen minskat till 8 000 MWh. 108 MW 5000 MWh UTELUFTVÄRMEPUMP 8000 MWh GRUNDVATTENVÄRMEPUMP 13000 MWh 8000 8760 h Figur 7.2 Varaktighetsdiagram visande största möjliga utnyttjande av grundvattenvärmepumpen. Figur 7.1 och 7.2 visar den yttre ramen för driftstrate­ gier med värmepumparna i Hällbybrunn. Inom denna kan värdena förskjutas helt beroende på drift­ strategi. Även om dimensionering av effekter är något av de vik­ tigaste vid värmepumpsprojektering har vi avstått från optimering av värmepumparnas storlek i denna rapport. Anledningen är att vi bedömt den prisbild vi skulle erhålla från värmepumpsleverantörerna som betydligt mer osäker jämfört med ett projekt som är nära förestående och där konkurrens råder. 7.3 Förånaare Uteluftförånqarnas placering och utformning Värmepumpsbyggnaden är relativt fritt placerad och i förhållande till marken sitter intagsöppningarna för luft högt. 109 Förångarbatterierna är som framgår av kapitel 2 placerad ovanpå maskinrumsdelen. Det är mycket viktigt att en uteluftvärmepump har till­ gång till så varm luft som möjligt. Därför bör s k rund­ gång undvikas. Rundgång innebär att den nedkylda luften som passerat förångarbatterierna faller ned på grund av sin högre specifika vikt och på nytt sugs in i förångar- batteriet. Förutsättningarna är relativt goda i Hällbybrunn. Lång- tidsmätningar för att upptäcka eventuell återinblandning av nedkyld luft har ej varit tillförlitliga. Anledningen är främst uteluftvärmepumpens högst oregelbundna drift i kombination med icke behovsstyrda mätningar. Förångarbyggnadens intagsdel ovan markplanet har i kom- bination med att luften tas in underifrån vissa fördelar. Löv, skräp och snö sugs ej så lätt in till förångar­ batterierna. Ur servicesynpunkt är förångarbyggnaden i flera avseenden olyckligt utformad. (Se mer om detta under kapitel 10) Figur 7.3 Uteluftvärmepumpens placering i Hällbybrunn. 110 Under utvärderingstiden har sammanlagt sex växellådor till förångarfläktarna havererat. I samtliga fall har det gällt axlar i växellådorna som förmodligen en klarat av de höga vridmomenten till de stora fläktarna (2.2 m i diameter) i samband med start. Problemet gäller således konventionell teknik som ej ar specifik för värmepumpar. Man har prövat att starta fläktarna på det lägre varv­ talet (60 %) med hjälp av frekvensomformaren men ingen förbättring märktes. Figur 7.4 Fläkt med växellåda. Ill 1986 04 09 utrustades samtliga växellådor med slirkopp- lingar vilket gav en påtaglig förbättring. Fr o m detta datum och till slutet av år 1987 har inga växellådshave- rier inträffat. Förutom att växellådshaverierna i sig var ett problem, var de orsak till följdverkningar. Den stillastående fläkten orsakade att det totala luftflödet över förångar- batterierna minskade. Därmed erhölls en lägre förång- ningstemperatur. Skillnaden mellan utelufttemperatur och förångningstemperatur ökar och den behovsstyrda avfrost- ningen startar därmed betydligt tidigare. När växellåds­ haverierna inträffat för två fläktar samtidigt har av- fröstningen mer eller mindre ständigt arbetat. Förånaarfläktarnas placering I Hällbybrunn har man valt att placera fläktarna före batteriet i flödesriktningen och därmed trycks luften igenom detta. Beträffande placering av fläktarna före eller efter förångarbatteriet råder skilda uppfattningar. Vissa hävdar att placeringen av fläkten före batteriet ger en bättre effekt hos värmepumpen, för därmed skulle fläktmotorernas avgivna värme komma värmepumpen till del. Andra hävdar att en bättre fördelning av luften över hela batteriytan sker vid sugande fläktar och detta skulle uppväga nackdelarna med att fläktmotorernas värme ej togs tillvara. Vi har inget entydigt svar på ovanstående frågeställning men bedömer att fläktmotorernas avgivna värme till för- ångarbatterierna måste ha en synnerligen marginell effekt på värmepumpen mot bakgrund av nedan gjorda antaganden och beräkningar. För Hällbybrunn gäller: 8 fläktmotorer å 8,4 kW = 67,2 kW 8 st förångarbatterier, 29,7 m3/s i luftflöde = 238 m3/s Om vi förutsätter att hela fläktmotoreffekten, 67,2 kW, avges till luften i form av värme (väsentligt mindre) erhålls en temperaturhöjning av luften med 0,2°C. Detta borde leda till att förångningstemperaturen hos värme­ pumpen steg ca 0,2 *C. 112 HI# 1§|§ ÉMIMBIMj illilll .. ........ il : ■■ ' ' . I liip IpfllBB i 11|| I : 1 i; : Riiftiii 111 i: i iiiii;il mullllll ilililllllii Figur 7.5 Den ojämna påfrostningen beror på att en hetgasventil ej tätar och släpper in hetgas i förångarbatteriet. Vid förångningstemperaturer av mellan -10°C och -15° C ökar värmepumpens avgivna effekt med ca 3 % per C ökning av förångningstemperaturen. Vid en avgiven effekt av ca 2 300 kW skulle därmed 0,2°C höjning av förångningstem­ peraturen innebära en effektökning på 0,6 % eller 13,8 kW. Principen visar att värmepumpen tillgodogör sig mindre än 50 % av fläktarnas avgivna värme oavsett hur stor den avgivna värmen är. Vår bedömning är att det finns mer att vinna på en place­ ring av förångarfläktarna efter förångarbatteriet. Dels erhålls en ostörd och jämn flödesfördelning över för­ ångarbatteriet samtidigt som ordentliga kastlängder på den nedkylda luften kan erhållas. 113 Ventiler Ventilerna hänger sig i vissa lägen, mest påtagligt är detta för hetgasventilerna. Ventilsäten har bytts ut och även vissa ventilmotorer. Förånaarbatterier Förångarbatterierna i Hällbybrunn arbetar med s k våt förångning.. Detta innebär att köldmedium i vätskefas pumpas in i batterierna för att därmed öka batteriernas värmeupptagande effekt. Värmeövergången från luft till köldmedium ökar ca 30 % om köldmediet är i vätskeform. Det är viktigt att en jämn fördelning sker av köldmedie­ vätskan mellan rörslingorna. Eftersom batterierna är vertikalt placerade och köldmedievätskan pumpas fram sker fördelningen med hjälp av strypbrickor inmonterade i respektive rörslinga. Det är viktigt att brickans dimen­ sion är rätt beräknad, rätt placerad och rätt monterad. I efterhand kan felaktigheter ej åtgärdas. Fördelningen påverkas av vätskeflödet genom strypbrickan, vilket i sin tur är beroende av värmepumpens effekt och utetemperatur. I Hällbybrunn har vi genom påfrostningens fördelning uppmärksammat att köldmedievätskan ej har den fördelning i batterierna som var tänkt. Frost samlas framför allt nedtill på batterierna vilket innebär att köldmedieväts­ kan ej fördelas upp i batterierna som avsikten var. 114 Figur 7.6 Förångarbatteriets nedre del täkt med is. Att erhålla en jämn fördelning under alla driftförhållan­ den är mycket svårt. Från fördelningssynpunkt vore det lämpligt om förångar- batterierna låg horisontellt, därmed skulle man slippa alla fördelningsåtgärder mellan rörslingorna i batteriet. Nackdelen är att frost och vatten får svårare att släppa från batteriets lameller vid avfröstning. En tänkbar kompromiss vore ett snedställt batteri där köldmediets uppfordringshöjd i batteriet minimeras sam­ tidigt som avrinning för frost och vatten ej påverkas nämnvärt. 115 Strilfôràngaren Strilförångaren består av horisontella släta rör och är utförd i varmförzinkat kolstål. Förångaren är utförd enligt följande specifikation: Material i kolstålsdetaljer: AL 111, SIS 1236-05/06 Svetsmetod: Metallbådsvets Varmförzinkning: Fe/Zn klass A SMS 2950 När anläggningen konstruerades diskuterades materialvalet i strilförångaren. Vattenprover visade då på en klorid- halt av ca 40 till 50 mg/l vilket bedömdes som måttligt korrosivt. Materialexperter konsulterades och slutligen bedömdes varmgalvaniserat kolstål som ett acceptabelt materialval. Redan efter en säsong uppmärksammades korrosion på rören. Korrosionen har efter hand ökat och efter tre säsongers drift finns korrosion i form av gropar som på sina stäl­ len bedöms motsvara halva godstjockleken. Ett byte av hela strilförångaren måste antagligen ske med tiden då delar av förångaren ej är utbytbara. Vattenprover tagna under 1987 (se tabell 9.2) visar att grundvattnets kemiska sammansättning är i det närmaste oförändrat jämfört med de prover som låg till grund för materialvalet i strilförångaren. I Sala finns en identisk strilförångare som arbetar med renat avloppsvatten tidvis i kombination med åvatten. Denna uppvisar inga korrosionsangrepp trots betydligt längre drifttid. Frågorna kring strilförångaren i Hällbybrunn är många. Allt har diskuterats, från att det ej är korrosion utan beläggningar till att experter uppmätt 3 mm djupa gropar i rören. Det senare måste i alla fall vara orimligt mot bakgrund av att rörens godstjocklek är 2 mm. Är varmförzinkning olämpligt vid grundvatten? Har varmförzinkningen misslyckats beträffande kvaliteten? Är vattnet trots allt mer korrosivt än vad experterna ansett? När detta skrivs har inget klarläggande i dessa frågor erhållits. 116 Figur 7.7 Strilförångarens korroderade ytor. 7.4 Kompressorer och oliesvstem Kompressor Grundvattenvärmepumpens kompressor drabbades av en skada på drivaxel vid tätningen mot atmosfären. Driftstopp (hösten 1985) blev långvarit då olika åtgärder diskute­ rades. Att slipa om axeln var ett alternativ. Man enades slutligen om att förflytta tätningen axiellt och därmed behövde ej själva axeln åtgärdas. I övrigt har de flesta kompressorproblem sitt ursprung i olj esystemet. Oliesvstem Oljesystemet är intimt förknippat med denna typ av kom­ pressorer (skruvkompressorer) på grund av de stora oljeflöden som passerar dessa. Oljan har till uppgift att smörja, täta och även till viss del kyla kompressorerna. (Se även kapitel 2.4) Om vi börjar med problemen för oljesystemet uppstod dessa i huvudsak under det första driftåret. Anledningen är 117 alla de föroreningar som finns i köldmediesystemet i form av framför allt svetsslagg. Köldmediesystemet består av ett stort, ganska komplicerat och utspritt rörsystem från förångarna till kondensorerna. Detta innebär många svets- skarvar och därmed ökad mängd föroreningar. En stor del av föroreningarna samlades i oljan där de till en början satte igen oljefilter. Därefter orkade oljepumparna ej med att hålla upp trycket på grund av slitage. Det visade sig under år 1984 att olj ef öroreningarna var av sådan mängd och omfattning att oljesystemet byggdes om i första kvartalet 1985. Ombyggnaden innebar att fil­ terkapaciteten utökades med ett större sugfilter. Oliekvlare 01jekylningens andel av den totala värmepumpeffekten är ca 10 %. Vid låga utomhustemperaturer och vid kapacitets- reglering av effekten ökar andelen värme i oljan. På grund av vad som ovan nämnts är det viktigt att kyl- effekten hos oljekylningen har vissa effektmarginaler framför allt då kapacitetsreglering ofta förekommer. I Hällbybrunn kyls oljan via köldmediekondensatet och avlämnas till fjärrvärmevattnet via kondensorerna. I en liknande anläggning i Fagersjö har man valt vätske- kylda oljekylare som via en separat pumpkrets kyler oljekylarna med en del av värmebärarflödet. Fördelen med detta är att kondensorerna avlastas denna värme och ett, om än marginellt, lägre kondenseringstryck erhålls. Ytterligare fördelar är att oljekylningsproblemet kan hanteras separat då det ej ingår som en del i kyl- processen. Detta är speciellt viktigt vid ofta förekom­ mande kapacitetsreglering där kylbehovet av oljan ökar. I vätskekylda oljekylare som är helt avskilda från kyl- processen kan kyleffekten lättare regleras med hjälp av värmebärarflödet. Höga oljetemperaturer hade länge varit ett problem i Hällbybrunn. Vintern 1986 byggdes olejkylarna om, man behöll den kondensatkylda oljekylningen men modifierade systemet så att effekten på oljekylningen i detta ökades till nära det dubbla. Varför man ej valde vätskekylda oljekylare i samband med ombyggnaden är för oss okänt. Sannolikt var det en kost­ nadsfråga. Vi hade helst sätt att man valt vätskekylda oljekylare mot bakgrund av de höga kondenseringstempera- turer som är aktuella i Hällbybrunn. 118 7.5 Ekonomiser Ekonomisern har till uppgift att underkyla kondensatet för att därmed erhålla större energitransport per vikts­ enhet köldmedium (se kapitel 2.4). Intensivmätning av värmepumpens effekt med och utan ekonomiser samt olika grader av överhettning hos ekonomi- sern redovisas i kapitel 6.3. Rent allmänt har vi fått den uppfattningen att i och kring ekonomisern borde finnas en hel del som kunde förbättras. Under utvärderingen har vi lagt märkt till följande: o Ekonomiserfunktionen är ofta orolig med pendlande grad av överhettning. o I samband med avfrostningar faller ekonomisern ofta ur och det tar varierande tid innan den åter fungerar normalt. o Ekonomiserns funktion upphör emellanåt helt under långa tider. Med undantag av avfrostningsförloppet gäller det som ovan sagts även grundvattenvärmepumpen, vilket förvånar med tanke på de stabila driftförhållanden den arbetar inom. 119 HETGAS- TEMPERATUR KONDENSERINGS- TEMPERATUR TEMPERATUR EFTER EKONOMISER UTETEMPERATUR FORÀNGNINGS- TEMPERATUR -30 ■—I■I i I■1 i I i I.I,I i I i I 00 12 00 12 00 12 00 12 00 12 00 850419 85042T 850423 Figur 7,8 Denna figur visar hur ekonomiserns funktion tidvis upphör. Effektreqlerinq Ekonomisern har ingen koppling till värmepumpens effekt­ reglering. Vid t ex uppreglering av effekten sker detta med hjälp av kapacitetssliden som steglöst ökar effekten från ca 40 % till 100 %. När väl kapacitetsslidens läge är 100 % kopplas efter ca 10 min ekonomisern in helt utanför effektregleringen och ger då en effektökning av ca 15 %. Vid nedreglering gäller det omvända förhållan­ det med undantag av tidsfördröjningen. Vår uppfattning är att ekonomiserns funktion beträffande effektreglering är underskattad. Det borde vara tänkbart att effektreglera ekonomisern och därmed även värmepumpen genom en gradvis styrning av överhettningen. Om detta är en framkomlig väg för att även öka värmepum­ pens kontinuerliga effekt alt värmefaktor är något som enbart tillverkaren kan ge svar på. Är problemet enbart kopplat till att kompressorns mellantrycksport skall garanteras en torr gas borde detta på något sätt kunna lösas rent tekniskt. 120 7.6 Kondensor Kondensorerna har dimensionerats för en temperatur­ differens på 4 ° C mellan kondensering och utgående värmebärare vid full effekt. Under utvärderingen har differensen i stort varit ca 4°C. Systemet att alltid köra ut en konstant värmebärartempe- ratur från värmepumparna genom återinblandning av upp­ värmd värmebärare, bidrar till ett ökat kondenserings- tryck. Kondenseringstrycken i Hällbybrunn har därtill varit betydligt högre än vad som från början var planerat på grund av de höga fjärrvärmereturerna. Dessa faktorer berörs närmare i kapitel 8. Kondensorernas inbördes placering i värmebärarflödet anser vi som olämpligt. När tre kondensorer är seriekopp- lade flödestekniskt måste av naturliga skäl någon av dem bli först och sist i flödesriktningen. Men det är valet av grundvattenvärmepump kondensor först som vi opponerar oss emot. Grundvattenvärmepumpen värmer värmebäraren ca 6,5°C vilket ökar kondenseringen lika mycket för uteluftvärmepumpen. Vi återkommer till detta i kapitel 8.2. Det kan anses att ca 6,5 ° C inte är så mycket att orda om men vi skall då samtidigt ta i beaktan att uteluftvärme­ pumpen vid dessa driftfall har betydligt svårare på förångarsidan. Grundvattenvärmepumpen har ett stabilt driftläge av ca -2"C i förångning. Uteluftvärmepumpen arbetar ned till -30°C. När uteluftvärmepumpen ensam klarar värmebehovet är det förhållandevis varmt ute. Om så inte uteluftvärmepumps- effekten räcker till startas grundvattenvärmepumpen som då ökar kondenseringen för uteluftvärmepumpens båda kondensorer. När utetemperaturen sjunker sjunker även förångningstem- peraturen i uteluftvärmepumpen och därmed ökar de termo­ dynamiska förlusterna. Detta leder till en hög hetgas- temperatur, samt ökar kravet på oljekylning. Som framgår av figur 7.9 har grundvattenvärmepumpen ett betydligt enklare driftläge jämfört med uteluftvärmepum­ pen som har både lägre förångning och högre kondensering att arbeta med. Vi anser detta olämpligt och hävdar att grundvattenvärmepumpen bör placeras sist flödestekniskt för att i möjligaste mån erhålla en utjämning av belast­ ningarna mellan värmepumparna. 121 GRUNDVATTEN UTELUFT KOMPRESSOR A UNDERKYLNING KONDENSERING ÖVERHETTNING KYLEFFEKT UTELUFT KOMPR A KOMPR.EFFEKT UTELUFT KOMPR A KYLEFFEKT GRUNDVATTEN GRUNDVATTEN Figur 7.9 h-log p-diagram visande den principiella skillnaden mellan uteluftvärmepumpens och grundvattenvärmepumpens driftförutsättning. 7.7 Elsystem Eldata för kompressorernas motorer är för var och en 700 kW, 10 kV och att dessa är 2-poliga. Eftersom motorerna är direktstartade innebär det kraftiga påkänningar på elnätet i form av spänningsfall. Detta märks också i Volvo-BMs närbelägna industri som drabbats av störningar. Spänningsfallen har hos Volvo-BM orsakat störningar i ett datoriserat mätsystem. Klagomål framfördes då till Eskilstuna elverk vilket resulterade i att värmepumarnas kompressorer ej fick startas under arbetstid dvs från kl 07.00 till ca 18.00 vardagar. Därmed sattes den planerade styrstrategin ur spel då den byggde på att reglera effekten genom att starta och stoppa marginalkompressorn. 122 På grund av de uppkomna problemen förstärktes elnätet i Hällbybrunn tidigare än planerat. Förstärkningen var klar våren 1987. Rent generellt kan sägas att direktstart av motorer i denna storleksordning kan ge problem som äventyrar hela värmepumpens lönsamhet. I dagens samhälle installeras allt mer sofistikerad utrustning som är beroende av en stabil nätspänning. Man bör vara beredd på att förfarandet med direktstart som används i Hällbybrunn och de spänningsfall som därmed följer ej kommer att tolereras på vissa platser. Vid planering av framtida anläggningar är det bäst att redan från början planera in startutrustning för tung start av elmotorer i dessa effektklasser. 7.8 Stvr- och övervakningssystem I detta avsnitt har vi valt att ta med endast den utrust­ ning som är direkt förknippad med värmepumparna. Den övergripande styr- och övervakningssystemen behandlas i kaptitel 8.7. Förutom de nedan berörda problemen har det varit svårt att utkristalisera specifika erfarenheter, eftersom det övergripande styrsystemet orsakat en mycket orolig och instabil drift. Under kapitel 7.5 berörs att ekonomiserfunktionen är instabil och påtagligt ofta faller ur. Detta gäller framför allt uteluftvärmepumpen i samband med avfrost- ningarna. Även grundvattenvärmepumpen har tidvis instabil ekonomiserfunktion. Avfrostninq Vid idrifttagningen av anläggningen styrdes avfrost- ningarna enbart av tid. Ett förfarande som ej tar hänsyn till behovet och följdaktligen ställde till med många problem. Efter införandet av behovsstyrda avfrostningar har en förbättring inträffat. Start av den behovsstyrda avfrostningen styrs i denna anläggning enbart av differensen mellan uttemperatur och förångningstemperatur. Att enbart använda sig av en konstant differans oavsett utetemperatur har sina nackdelar. Vid låga utetemperatu­ rer och därmed låg förångning minskar värmepumpens effekt och därmed har värmepumpen svårt att uppnå den fast inställda differansen av ca 15°C. Om differansen minskas inträffar avfröstningarna för tätt vid högre utetempera­ turer. 123 Driftpersonalen är medveten om detta och förändrar själva differensen beroende på utetemperaturen. I Fagersjö, en uteluftvärmepump av samma storlek som i Hällbybrunn har man valt att utveckla systemet med tempe- raturdifferansen. Via en kurvfunktion förskjuts differen­ sen så att den minskar vid låga utetemperaturer och ökar vid stigande utetemperatur. Anledningen till detta är, som tidigare nämnts, att värmepumpen minskar i effekt vid låga utetemperaturer. En ytterligare komplikation i Hällbybrunn har varit de ofta förekommande växellådshaverierna till förångarfläk- tarna. När funktionen hos en förångarfläkt uteblivit har det resulterat i en lägre förångningstemperatur i för­ hållande till uteluften och därmed har avfrostningarna startat oftare. Någon övervakning av själva fläkten (rotationsvakt) finns ej i Hällbybrunn. Vad som indikeras är fläktmotorns drift via kontaktorn. I dessa fall har fläktmotorn varit i drift men själva fläkten stått stilla, övervakningen indikerar inga larm och fläktmoto- rerna indikerar drift. Därmed har allt på indikerings- tablån förefallit vara i sin ordning. Tiden för själva avfröstningen har vid kontroll i Hällby­ brunn varit alldeles för lång vid samtliga tillfällen. Avfrostningscykeln för varje batteri har varit ca 8 minuter vilket innebär en total avfrostningstid av ca 64 minuter. Vid de tillfällen vi kontrollerat avfrostnings- funktionen direkt på ett förångarbatteri, har inte bara isen smält utan allt vatten på batteriytan har varit förångat efter ungefär halva avfröstningstiden, dvs ca fyra minuter. Problemet med styrning av avfrostning är välkänt i branschen. Tidigare har endast mindre uteluftvärmepumpar installerats. Därmed har kostnaderna för styrutrustningen till avfröstningen haft en avgörande betydelse. När det handlar om värmepumpar i Hällbybrunns storlek bör det vara aktuellt med en vidareutveckling inom detta område. 7.9 Köldmedieläckaae Momentana köldmedleläckage i form av öppnad säkerhets­ ventil har förekommit. Det är svårt att avgöra hur stor mängd köldmedium som läkt ut via små läckage. Detta på grund av att det är endast mängden påfyllt köldmedium som mäts. Den påfyllda mängden är en kombination av läckage och serviceåtgärder under vilka köldmedium har avtappats eller läckt ut. På grund av de stora köldmediemängder det här är fråga om i kombination med systemens uppbyggnad samt vätske- avskiljarnas funktion som recipient, är värmepumpens funktion förhållandevis okänslig för variationer i köld­ mediemängder . 124 Påfyllningen av köldmedium är således ej knuten till läckage och serviceåtgärder på samma sätt som i mindre värmepumpar. Nedan redovisade köldmediemängder gäller för hela det angivna årtalet och är ej knuten till utvärderingens 19 månader. Tabell 7.1 År Uteluft­ värmepump Grundvatten­ värmepump 1984 2 510 kg 0 kg 1985 2 960 kg 5 000 kg 1986 (tom okt) 2 320 Jsa 0 Jcg 7 790 kg 5 000 kg Total köldmediefyllning i uteluftvärmepump = 8 000 kg. Total köldmediefyllning igrundvattenvärmepump = 4 000 kg. Åtgärder 1984 1984 03 08 - Provdrift av värmepumpanläggning 1984 03 15 1984 05 08 Kompressor B, (uteluft­ värmepump) 1984 05 17 - Köldmediefyllning i uteluft- 1984 06 26 värmepump 1984 10 15 Kompressor B, (uteluft­ värmepump) 1984 11 13 Kompressor A, (uteluft­ värmepump) olje- och freonläckage vid tryckoljefilter 1 610 kg nytt läckage vid tryckoljefilter. freonläckage vid givare 1984 11 15 Köldmediefyllning i uteluft- 900 kg värmepump ________________ År 1984 Köldmediefyllning Summa 2 510 kg 125 Ataärder 1985 1985 01 07 1985 01 21 1985 01 15 1985 01 17 1985 02 28 1985 04 14 1985 04 22 1985 08 30 År 1985 Ombyggnad på samtliga kompressorer: - nytt större sugoljefilter - ny axeltätning - nya lock på tryckoljefilter - alla flänsförband kontrollerade Köldmediefyllning i grundvatten­ värmepump 2 000 kg Köldmediefyllning i uteluft- värmepump i ooo kg Köldmediefyllning i uteluft- värmepump i 960 kg Grundvattenvärmepump, fel på högtrycksvakt varvid blåsning skedde genom säkerhetsventil Köldmediefyllning i grundvatten­ värmepump 3 000 kg Kompressor A, ny axeltätning (uteluft- monterad värmepump) ________________ Köldmediefyllning Summa 7 960 kg Åtgärder tom oktober 1986 1986 01 15 - Köldmediefyllning i uteluft- 1986 02 18 värmepump 1 400 kg 1986 04 01 Läckage på förångarbatteri nr 3 1986 04 14 1986 05 25 1986 05 23 1986 05 27 1986 10 01 Kompressorer A och B (uteluft- värmepump) ombyggda: ny typ av oljekylare monterad oljetrycksregulator utbytt magnetventil för extra olja vid start - bytt tryckrörstermostat Köldmediefyllning i uteluft- värmepump 850 kg Montör borar av misstag hål i förångarrör. Köldmediefyllning ___________ 70 kg 1986 till och med oktober Summa 2 320 kg Vår bedömning är att köldmedieläckaget är oacceptabelt hög för båda värmepumparna. 126 Sektionerina Köldmediesystemet för uteluftvärmepump i Hällbybrunn är ett förhållandevis utspritt system vilket framgår av kapitel 2. Uteluftvärmepumpen innehåller kompressorer, ekonomiser, vätskeavskiljare, förångarbatteri m m. Dessa komponenter förbinds med köldmedierör av varierande längd och dimen­ sion. Vår uppfattning är att fler manuella ventiler för av- stängning, förbigång och omkoppling borde vara införda i denna typ av värmepump med de köldmediemängder det här är fråga om. Vi är medvetna om att detta är en fråga om kostnader. Kostnaderna för ventiler och omkopplingsmöjligheter är mycket ringa i förhållande till anläggningens •totala kostnad. Därmed inverkar de mycket måttligt på anlägg­ ningens lönsamhet. Kostnaderna däremot för ventiler och omkopplings­ möj ligheterna kan få en stor inverkan vid upphandling, då ett konkurrensläge mellan flera anbud gäller. Vi kan för närvarande i detta avseende endast påpeka att beställaren bör vara observant och omge sig med kunniga anbudsut- värderare. Anbudslämnaren bör i sin tur uppmärksamma beställaren på tänkbara skillnader mellan anbuden. 127 DRIFTERFARENHETER AV KRINGSYSTEM OCH DERAS KOM­ PONENTER 8.1 Inledning Detta kapitel innehåller enligt vår bedömning de värde­ fullaste erfarenheterna av denna utvärdering. Kapitlet berör kringutrustningen, en oftast försummad del när det gäller driftförutsättningar för värmepumpar. Grundvattensystemet som också är ett kringsystem beskrivs i kapitel 9. Kringutrustningen i detta kapitel utgörs av fjärrvärme­ vattnet från kondensorn till abonnent samt övergripande styrutrustning. Vi har valt att dela in kringutrustningen i olika del­ system i hopp om att öka överskådligheten för läsaren. Detta leder till upprepningar i texten eftersom samma faktorer ofta återkommer i de olika delsystemen. Anled­ ningen är att de delsystem vi valt är i själva verket inga avgränsade system eftersom allt sammans är ett enda system där samtliga delar står i direkt funktion med varandra. Systemindelningen vi valt är: Värmebärarkretsen Ackumulatortank Fjärrvärmenät Abonnentcentraler Oljepannor Övergripande styr-och övervakningssystem. Figur 8.1 visar en principskiss på hela systemet. 128 I-----1 i o I Figur 8.1 Systemprincip inkl oljepanna i Gustavsborg 129 8.2 Värmebärarsvstem Värmebärare är ett begrepp som används i värmepumpter­ minologin. Det är den vätska som kyler kondensorerna. Värmebärarsystemet är i denna anläggning således det fjärrvärmevatten som paserar värmepumparnas kondensorer och värms av dessa. Det kan vara lämpligt att använda olika benämningar eftersom flödet genom kondensorerna och i fjärrvärmenätet är två helt skilda flöden i denna anläggning. Anledningen till de skilda flödeskretsarna är fjärrvärme­ nätet som har varierande flöden efter belastning och värmepumparnas kondensorer som behöver ett i det närmaste konstant flöde oavsett belastning. Till dessa båda system har därtill anslutits en ackumulatortank. Värmebärarpumparna levererar ett flöde av ca 225 m3/h att jämföra med fjärrvärmenätet som har ett maximalt flöde av ca 350 m3/h. Det är endast ett mindre antal månaderna på året som fjärrvärmeflödet är större än värmebärarflödet. Se figur 5.24. Värmebärarkretsen är utrustad med en 3-vägsventil för konstanthållning av utgående värmebärartemperatur. Maski­ nisten väljer en utgående temperatur utifrån värmepumpar­ na (max +70°C). Oavsett hur många kompressorer som är i drift söker sen 3-vägsventilen hålla den inställda tempe­ raturen på värmebäraren. Kompressorernas kapacitet styrs av en effektregulator. 130 Kondensorernas inbördes placering UTELUFT = -10°C QRUNOVATTEN = +7'C 225 mVh FÖRÅNGNING -2*C FÖRÅNGNING -23*C VÄRMEBÄRAR- PUMPAR Figur 8.2 Exempel på temperaturer i värmebärarkrets och fjärrvärmenät. Som framgår av figur 8.2 så är grundvattenvärmepumpen placerad först i värmebärarflödet och erhåller därmed den lägsta värmebärartemperaturen. Kondenseringstemperaturen blir därmed också lägst för grundvattenvärmepumpen. Värdena i figur 8.2 är detsamma som tidigare redovisats i figur 7.9 vilket är ett h-log p-diagram för köldmediet R12 . Det framgår tydligt i båda figurerna att grundvatten­ värmepumpen har en högre förångningstemperatur och sam­ tidigt en lägre kondenseringstemperatur än uteluftvärme- pumpen. Uteluftvärmepumpen är till sin konstruktion betydligt mer komplex än grundvattenvärmepumpen. Värmekällan i form av uteluft erbjuder betydligt större problem än grundvatt­ net. Därtill har den nu också fått den högsta temperaturen på värmebäraren att arbeta med. Därav följer betydligt högre hetgas och oljetemperaturer än vad som skulle gälla för 131 grundvattenvärmepump om den var placerad sist i värme- bärarflödet. Vårt förslag är därför att grundvattenvärmepumpens kon- densor placeras sist i värmebärarflödet. Höga värmebärartemoeraturer Temperatur, flöden och effekter står i ett direkt samband vilket ibland leder till driftfall som ej kan betraktas som optimala. Det är ej alltid som en hög värmebärartemperatur kan tas till vara av fjärrvärmenätet, vilket framgår av figur 8.3 nedan. VÀRMEBARAR- PUMPAR Figur 8.3 Drifttemperaturer från Hällbybrunn. Siffervärdena i figur 8.3 är uppmätta i Hällbybrunn vid +1°C i utetemperaturen. För det första får ej värmepumparna tillgång till den låga returtemperaturen +54"C. Det som kommer in i första kondensorn är till viss del återinblandat vatten som håller +57°C, därmed ökar kondenseringstemperaturen 3°C 132 för alla tre kompressorerna på grund av 3-vägsventilens funktion. Därtill levererar sista kondensorn en värmebärare med +69°C i temperatur som sen på grund av att fjärrvärmeflö­ det är större än värmebärarflödet blandas ut till +62°C. 8.3 Ackumulatortank Ackumulatorn har en central funktion i Hällbybrunns anläggning och inverkar därför på både värmepumpar och övergripande styrsystem. Ackumulatorns funktion Först och främst vill vi nämna att ackumulatorn har ingen utjämnande funktion beträffande effektvariationerna i fjärrvärmenätet. Detta har ej heller varit avsikten. Motiven till installation av ackumulatorn är främst tre: 1 Undvikande av buller främst sommarnätter då värmepumparna kan stoppas och värmen tas från ackumulatorn. 2 Dagtid ladda upp ackumulatorn med hjälp av ute- luftvärmepumpen som på dagen har tillgång till en högre utelufttemperatur. 3 öka värmepumparnas värmefaktor då dessa alltid kan arbeta med full effekt tills ackumulatorn är laddad och därefter stoppas helt. Därmed undviks kapacitetsreglering för kompressorerna. Det första motivet är en ren miljöaspekt som ej kan värderas i tekniskt-ekonomiska termer. Några bullerpro­ blem har ej uppmärksammats när värmepumpen varit i drift under sommarnätter varför denna aspekt för närvarande saknar aktualitet. (Se bullerutvärdering från åtta större värmepumpar, BFR-rapport). Motiv två är i och för sig väl tänkt, men någon styrfunk­ tion som motsvarar detta motiv finns ej installerad. Det tredje motivet att öka värmepumparnas värmefaktor med hjälp av ackumulatorn innehåller en del faktorer som motverkar varandra. Att köra värmepumparna vid full kapacitet och därmed erhålla en högre värmefaktor är otvivelaktigt riktigt eftersom värmepumparnas värmefaktor minskar vid kapaci­ tetsreglering (se kapitel 6.3). 133 Det motsatta förhållandet uppstår då värempumpen skall producera en högre temperatur på fjärrvärmevattnet än nödvändigt för att kunna ackumulera energi i ackumulrtor- tanken. Därmed försämras värmefaktorn. Som vi tidigare nämnt är ackumulatorns volym konstant och därför är det bara temperaturdifferensen som avgör den lagrade energimängden. Härmed är vi inne i ett direkt motsatsförhållande till värmepumpdrift eftersom värmepum­ pen skall producera ett varmare vatten än vad förbrukaren kräver. Ackumulatorns kapacitet Med hänsyn till ackumulatorns applicering i Hällbybrunn- systemet gäller vissa förutsättningar. Eftersom ackumula­ torns volym är konstant (2 00 m3) är dess förmåga att lagra energi i direkt proportion till temperaturdifferan- sen mellan fjärrvärmereturen och vattentemperaturen i ackumulatorn. Värmepumparna är begränsade uppåt i temperatur då de maximalt kan leverera +70°C i vatten. Därmed är den maximalt lagringsbara energin direkt beroende av fjärr­ värmereturens temperatur. Desto lägre fjärrvärmeretur desto större ackumulerings- förmåga. Den planerade returtemperaturen under sommarhalvåret är ca +35°C (se figur 5.23). Den lagringsbara energin mellan in- och utgående temperatur (+35°C och +70°C) är 8 030 kWh. Den verkligt uppmätta returtemperaturen är ca +55°C under motsvarande period. Den lagringsbara energin är då endast 3 441 kWh. Den verkliga lagringskapaciteten är således till ca 43 % av den planerade. Man skall dessutom beakta att högre värmebärartemperatu- rer än nödvändigt bör undvikas på grund av försämrade värmefaktorer m m. Det är således viktigt att fjärrvärme­ returens temperatur sänks. 134

C* UTE t i it 1 M i i i i 11 —1_________ Ïf 1 • <^>> -r- 0 ^ i OüD'îJtr i rirvPi i i i i ii : i ♦ 1 1 'II'!L KONDENSOR 3 IAI _________________ t : :------------rr —vi J—ml <£> (Æ [m]el.tot. |~ÏT| EL. NET UTELUFTVÄRMEPUMP KOMPRESSOR A DETTA SCHEMA ÄR BASERAT PÅ FLÖDESSCHEMA FRÅN STAL REFRIGERATION BILAGA 2 ACKUMULATOR OLJEPANNA 2 200 M: OLJEPANNA 1 VÄTSKEAVSKILJARE XQNPENSC& 2(B)KONDENSOR 1 (0) OLJEAVSKILJARE OLJEKYLAfKOMPRESSOR KOMPRESSOR B [TORKARE FILTER UTELUFTVARMEPUMP KOMPRESSOR B GRUNDVATTENVÄRMEPUMP 67 EL » <3> E □ °0 D MATGIVARE (MCE) SYMBa FÖR TEMPERATUR SYMBOL FÖR TEMPERATUR, MEDELVÄROE SYMBa FÖR TIO SYMBa FÖR TRYCK SYMBa FÖR FLÖDE SYMBa FÖR ÖVRIGT Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 830860-7 från Statens råd för byggnadsforskning till Scandiaconsult AB, Stockholm. 7 R38:1989 ISBN 91-540-5040-5 Art.nr: 6709038 Abonnemangsgrupp : Ingår ej i abonnemang Distribution: Svensk Byggtjänst 171 88 Solna Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Cirkapris: 70 kr exkl moms