Køling
Fra energiwiki.dk
Køling anvendes bredt i alle sektorer i Danmark. Ud af det samlede elforbrug anvendes ca. 13 % til køling. Størst anvendelse af køling finder sted inden for handel, hvor køling tegner sig for 33 % af det samlede elforbrug, men også i industrien, servicesektoren og inden for boliger er andelen stor.
Indholdsfortegnelse |
Anlægsopbygning
Et køleanlæg er en lukket kreds med cirkulerende kølemiddel. Anlægget består i princippet af en kold side, en kompressor, en varm side, en recipient og et drøvleorgan. I den kolde side, fordamperen, optages energi ved, at kølemidlet fordamper. Herved afkøles fordamperen. Kompressoren komprimerer kølemiddelgassen til den varme side, kondensatoren, hvor kølemidlet kondenserer og dermed afgiver den optagne energi. Efter kondensatoren ledes det nu flydende kølemiddel til recipienten. Fra recipienten ledes kølemidlet igennem et drøvleorgan tilbage til fordamperen og således er kredsen sluttet. Drøvleorganet har til formål at reducere trykket mellem den varme og kolde side af køleanlægget.
COP
Et køleanlægs virkningsgrad benævnes COP (Coefficient of Performance). COP beskriver forholdet mellem den mængde kulde, der skabes i fordamperen, og den mængde elektricitet, kompressoren optager. For et typisk køleanlæg til f.eks. kølemøbler er COP=3,0. Det vil sige, at køleanlægget leverer 3,0 kWh kulde for hver kWh elektricitet, anlægget optager. For et typisk anlæg til frostmøbler er COP=2,0. COP afhænger primært af følgende forhold:
- Fordampningstemperaturen, som er den temperatur, kølemidlet fordamper ved i fordamperen.
- Kondensatortemperaturen, som er den temperatur, kølemidlet kondenserer ved i kondensatoren.
- Kompressorens virkningsgrad.
Det er vigtigt at mindske forskellen mellem fordampertemperatur og kondensatortemperatur, når man vil hæve COP og dermed reducere elforbruget til kompressoren. Se tabel 2.
Følgende forhold har indflydelse på kompressorens virkningsgrad og dermed på anlæggets COP:
- Mindre kompressorer har dårligere virkningsgrad end større.
- Dellastkørsel forringer virkningsgraden, se figur 1.
- Mange starter forringer virkningsgraden.
- En slidt kompressor har dårligere virkningsgrad.
Kølemidler
Der findes mange forskellige kølemidler. Kølemidlet udvælges primært ud fra dets normalkogepunkt afhængigt af køleanlæggets formål og temperaturniveau.
De tidligere CFC-kølemidler som f.eks. R12 og R502 er nu blevet forbudt. Hvis de allerede er på et anlæg, er det ok, men der må ikke efterfyldes. Årsagen er deres negative indflydelse på ozonlaget og drivhuseffekten. Også HCFC-kølemidler, som f.eks. R22 er reguleret og under udfasning, og der må ikke længere bygges nye HCFC anlæg. Eksisterende R22 anlæg må efterfyldes med regenereret (brugt) R22, men ikke med nyt kølemiddel.
Både CFC og HCFC kølemidlerne er afløst af HFC typerne, som f.eks. R134a og R404a, der ikke skader ozonlaget, men de har alle en drivhuseffekt, hvorfor fremtiden for disse kølemidler er usikker. I Danmark er den tilladelige mængde af HFC kølemiddel på et køleanlæg reguleret via lovgivningen.
På sigt kan det forventes, at de fluorholdige kølemidler i større og større omfang vil blive erstattet af naturlige kølemidler som propan, butan, ammoniak, CO2, vand m.m.
Varmepumper er i Danmark underlagt samme lovgivning, hvilket betyder, at reglerne for varmepumper er de samme som for køleanlæg.
Optimering af køleanlæg
Der findes flere muligheder for at optimere driften af køleanlægget, som vist i tabel 3.
Kuldetab
Specielt kuldetabet gennem sprækker og døråbninger kan forårsage øget elforbrug til køleanlægget. En lodret sprække giver større tab end en vandret sprække, og den helt åbne dør eller port forårsager et meget stort tab. Tabel 4 viser det øgede elforbrug ved sprækker.
Frikøling
Frikøling betyder, at der hentes gratis køling fra omgivelserne, udeluften, sø- eller havvand, eller grundvandet. Frikølingen forudsætter, at køletemperaturen er højere end temperaturen af frikølings-mediet. Ved f.eks. EDB-køling er temperaturkravet 22 °C. Her vil udeluften en stor del af året kunne klare kølebehovet. Ved køling af hydraulikolie på plaststøbemaskiner er temperaturkravet måske 60 °C. Her vil frikøling via udeluft i en tørkøler kunne klare kølebehovet hele året. Hvis der anvendes frikøling fra sø- hav- eller grundvand, kan en større del af kølebehovet dækkes, ligesom et køletårn er mere effektivt end en tørkøler.
Grundvandskøling
Køling med grundvand anvendes til rum- og proceskøling. Et grundvandskøleanlæg består i sin mest enkle udformning af en boring for indvinding af grundvand (der er ca. 8°C), en grundvand/kølevand varmeveksler og en boring for returledning af grundvandet i samme grundvandsmagasin, hvorfra grundvandet blev indvundet.
Anlæggets kølekapacitet skal normalt være over 500 kW før en investering i et grundvandskøleanlæg kan betale sig. Tilbagebetalingstiden er typisk fra 0-8 år. Hvis grundvandskøling kan erstatte køling med kølekompressorer, er elbesparelsen normalt over 90 %.
Der skelnes mellem 1-flow og 2-flow systemer.
I 1-flow systemer pumpes grundvandet hele tiden i samme retning. Grundvandsmagasinet tjener i sådanne tilfælde som et varmedræn for køling (f.eks. i en plastproduktion). Princippet fremgår af figur 2.
I 2-flow systemer (f.eks. større bygninger med behov for både rumkøling og -opvarmning) udnyttes kølevarme, der er tilbageført i grundvandsmagasinet, til rumopvarmning vha. varmepumper. Dette gøres ved at vende pumperetningen, således at varmen fra sommerkølingen genbruges til opvarmningsformål i vintertiden. Energibesparelsen kan være over 60 % i sammenligning med traditionel opvarmning. Samtidig gennedkøles grundvandsmagasinet. Princippet fremgår af figur 3.
Grundvandskøling kan indpasses på mange forskellige måder sammen med andre energianlæg for systemoptimering. F.eks. kan teknologien finde anvendelse indenfor fjernkøling og ved kuldelagring i forbindelse med udnyttelse af overskudproduktion fra vindmøller (el-overløb), idet billig el anvendes til at producere billig kulde i vinterhalvåret, der lagres i grundvandsmagasiner til brug for køleformål i sommertiden.
Figur 2 - 1-flow-system
Figur 3 - 2-flow-system
Varmegenvinding
Varmegenvinding kan foretages på køleanlæg ved at udnytte kondensatorvarmen. De højeste temperaturer (60-80 °C) opnås ved at indsætte en overhedningsfjerner efter kompressorerne, hvorved en mindre del af kondensatorvarmen (10-20 %) kan udnyttes. Overhedningsfjernere benyttes ofte til opvarmning af brugsvand eller til centralvarme.
Der kan opnås en større varmegenvinding ved at udnytte hele kondensatorvarmen, men her falder temperaturen på den genvundne varme til kondenseringstemperaturen (typisk 25-30 °C). Denne varme udnyttes typisk til direkte rumopvarmning via luftindblæsning eller til forvarmning af varmt brugsvand.
Eksempler på optimering af køleanlæg
De seks eksempler illustrerer forskellige muligheder for at spare på elforbruget i forbindelse med køling.
Eksempel 1
Et supermarked har 4 stk. 9 meter lange kølegondoler og 4 stk. 9 meter lange frostgondoler. Hertil kommer kølereoler, mælkefront, køle- og frostrum, samt et grøntsagsrum. Det samlede elforbrug til køleanlægget er 200.000 kWh/år.
Køle- og frostgondolerne er åbne, men de overdækkes uden for åbningstiden. Uddeleren beslutter at montere døgnoverdækningslåg på køle- og frostgondolerne.
Lågene er permanent på gondolerne, og de skal skydes til side, når kunderne skal hente varer i gondolerne. Der bliver samtidig med opsætning
af lågene opsat måleudstyr på køleanlægget.
Der opnås en el-besparelse som følge af færre afrimninger og mindre varmeindstrømning til gondolerne.
Afrimningen virker dobbelt, da der dels bruges mindre el til varmelegemerne, men også mindre el til kompressorerne for at fjerne den udviklede
varme fra elvarmestavene.
- Efterfølgende målinger viser en elbesparelse på 22 % af det samlede elforbrug til supermarkedets køleanlæg. Lågene er tilbagebetalt med energibesparelsen på ca. 4 år.
Eksempel 2
I et fryserum på et svineslagteri er der installeret 65 stk. 75 Watt glødelamper. Lamperne er tændt ca. 2.800 timer/år, og det årlige elforbrug til belysningsanlægget kan beregnes til 13.650 kWh/år. Hertil kommer elforbrug til køleanlægget for at fjerne den udviklede varme fra belysningsanlægget. Med en COP på 2,0 for frostanlægget kan dette forbrug opgøres til 6.325 kWh/år, og det samlede elforbrug for belysning plus køling til 19.975 kWh/år.
- Belysningsanlægget ombygges til sparepærer, der kun bruger 1/5 elektricitet i forhold til glødelamperne. Den samlede besparelse opgøres til 15.980 kWh/år, og udskiftningen er tilbagebetalt på 0,7 år.
Eksempel 3
En plastfabrik har et køleanlæg til brine, som køler sprøjtestøbemaskinernes støbeforme og hydraulikolie. Anlægget har en køleeffekt på ca. 150 kW og en årlig driftstid på 7.000 timer/år. Anlæggets elforbrug er 300.000 kWh/år og COP kan beregnes
til ca. 3,5.
Køleanlægget nedkøler brinen via en pladevarmeveksler fra 16°C til 10°C. En undersøgelse af muligheden for at udnytte frikøling vha. et køletårn viser, at anlægget kan ombygges, så den varme kreds efter varmeveksleren først ledes igennem køletårnet, før den ledes til køleanlægget. Hermed vil køletårnet kunne hjælpe i ca. 6400 timer af året.
- Køletårnet vil kunne reducere det årlige elforbrug til køleanlægget med 158.000 kWh eller 53 % af det hidtidige forbrug. Investeringen kan forrentes inden for 2,4 år.
Eksempel 4
Et slagteri har et ammoniakkøleanlæg til nedkøling i køletunneler og kølerum. Anlægget har et elforbrug på 4,6 mio. kWh/år. Under gennemgangen af anlægget viser det sig, at kondensatortemperaturen på anlægget holdes konstant på +30 °C uanset udetemperaturen.
- Der er tale om fordampningskondensatorer. Det foreslås slagteriet at sænke kondensatortemperaturen til +25 °C i vinterhalvåret. Tiltaget er ikke forbundet med investering. Den årlige besparelse for kompressorerne fratrukket øget elforbrug til blæsere og pumper på fordampningskondensatorerne kan beregnes til 250.000 kWh.
Eksempel 5
I et større supermarked udgør elforbrug til køleanlæg 36 % af det samlede elforbrug, svarende til 260.000 kWh/år. Under gennemgang af supermarkedet konstateres, at der samtidig er et højt varmeforbrug til opvarmning af brugsvand, blandt andet til rengøring hos slagter, bager og cafeteria.
Det anbefales derfor at installere varmegenvinding på køleanlægget. Varmegenvindingen kan foretages ved at indsætte en overhedningsfjerner mellem kompressorer og kondensator. I overhedningsfjerneren kan der hentes varmt vand af 60 °C, som kan opsamles i en varmtvandstank til senere forbrug.
- Varmebesparelsen kan opgøres til 75.000 kWh/år, og forrentningen af varmegenvindingsanlægget beregnes til 3 år.
Eksempel 6 – fjernkøling
Sommeren 2010 idriftsatte Københavns Energi Danmarks første fjernkølingscentral. Centralen med en kuldeydelse på 12 MW ligger midt i København og leverer miljøvenlig kulde til en række store virksomheder, herunder banker og stormagasiner.
Mange virksomheder har brug for aircondition året rundt. Både til komfort i f.eks. stormagasiner og til nedkøling af serverrum. Der er ofte tale om store, energitunge anlæg, der larmer og optager plads i virksomheden. Men med fjernkølingscentralen bliver virksomhedernes kølebehov dækket på en ny, nemmere og meget miljøvenlig måde. Fjernkølingen overflødiggør virksomhedernes eldrevne køleanlæg og sikrer, at virksomhederne døgnet og året rundt får leveret den nødvendige kulde lige til døren.
Centralen producerer kulden på tre forskellige tekniske måder – afhængig af årstiden. I vintermånederne benyttes koldt havvand, som hentes ind til kølecentralen gennem en ledning fra havnen. Denne produktionsform kaldes frikøling og er helt CO2-fri. I sommermånederne er havvandet ikke koldt nok. Derfor bruges i disse måneder overskudsvarme fra kraftværkerne til at fremstille køling. Det kaldes absorptionskøling. På tidspunkter med meget stor efterspørgsel på kulde kan overskudsvarmen suppleres med eldrevne kølekompressorer. Denne produktionsform er den mindst miljøvenlige.
Gode råd
- Reducer behovet for køling.
- Udnyt frikøling hele året – eller en del af året, når det er muligt.
- Hæv om muligt fordampertemperaturen.
- Sænk om muligt kondensatortemperaturen, evt. alene i vinterhalvåret.
- Renhold fordampere og kondensatorer.
- Stempelkompressorer bør ikke køre under 50 % last, skruekompressorer ikke under 60 %.
- Stil følgende krav til maskinleverandører ved nyindkøb:
- Fordampertemperaturen bør højest ligge 8°C under lufttemperaturer eller 5°C under væsketemperaturen.
- Kondensatortemperaturen bør højest ligge 8°C over udelufttemperaturen ved luftkølede kondensatorer og 5°C for vandkølede kondensatorer.
- Lavt tryktab i sugegasrør, 2°C pr. 10 meter rør. 3°C i alt for anlæg med pumpecirkulation.
- God regulering af kompressorer, undgå dellastkørsel.
- Adaptive fordamperventiler.
- Frikøling, hvis det er muligt.
- Manometre, termometre og elmålere for driftstilstand og energikontrol.
Kilder og yderligere oplysninger
- Håndbog i Energirådgivning, køling, DEFU, 1999
- Vejledning og EDB-værktøjer for energibevidst projektering af proceskøleanlæg, FRI, 2001
- Projekteringsvejledning og beregningsprogram for køleinstallationer til luftkølede køle- og frostrum, FRI, 2000
- Grundvandsvarmepumper og -køling med grundvandsmagasiner som sæsonlager, ELFORSK-projekt 339-39
- Bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg, Bekendtgørelse 1206 af 24. november 2006
