SAPA´s resource of waste heat is the basis for this thesis to investigate the possibility of energy assets in their cooling water and possible uses for it. The energy in the waste water is greater than the current need which has three uses which are (1) heating the factory, (2) converting liquid propane to propane gas and (3) local domestic heating. The average energy load that is available is 1, 7 MW and the average temperature in the cooling water is 41°C. The total energy load at dimensioning out side temperature is approximately 1,6 MW for the three current uses. The temperature is currently too low to be used directly in the existing systems so an upgrade is needed. The district heating has the highest temperature requirements at 100°C in the winter. To reach the relatively high temperatures required a hybrid heat pump proves to be a suitable solution due to a good Coefficient of Performance (COP). The disadvantage is that at the moment hybrid heat pumps have to be tailor made and are therefore very expensive. The investment required to extract the most amount of surplus energy is large due to the expensive tailor made hybrid heat pumps and the high cost of laying underground heat transferring pipes which leads to long pay off times as the value of surplus heat from waste water is low.

Detta examensarbete har utförts vid Riksbyggen i Umeå och är det avslutande arbetet som uppfyller kraven för en magisterexamen i energiteknik vid Umeå Universitet.   Riksbyggen övertog 2010 ägandet av flera fastigheter på korpralsvägen i Umeå. En upprustning av fastigheterna hade vid övertagandet påbörjats av den tidigare ägaren under 2009. Förutom att rusta upp och bygga till fler lägenheter i de befintliga huskropparna installerades ventilationsåtervinning med värmepump i några av husen. Sedan idrifttagning av den nya ventilationsåtervinningen i husen har värmepumparna levererat dåligt med värme, vilket medfört en högre fjärrvärmeanvändning och driftkostnad för husen än vad som ursprungligen var beräknat. Enligt rådande prismodell för fjärrvärme från Umeå Energi, ska en fjärrvärmekund som installerat värmepump beläggas med en korrektionsfaktor som kraftigt ökar den fasta kostnaden i fjärrvärmepriset. Detta trotts att värmepumpen sänker toppeffektbehovet vilken även är dyr att producera för Umeå Energi. Riksbyggen vill främst veta vad som är fel i de nuvarande värmepumpanläggningarna och om Umeå Energi verkligen förlorar på att toppeffektbehovet sänks för fastigheterna. Genom samtal med underentreprenörer, beräkningar med befintliga data samt utförda mätningar av ventilationsflöde och temperatur har energiprofiler beräknats för värmepumparna och husen.   Det visade sig att den tänkta styrningen av värmepumparnas produktion medför återkopplingsproblem orsakade av fjärrvärmen. Det går att styra fjärrvärmetillsatts överordnat från pumparna vilket eliminerar återkopplingsproblemet men denna lösning har av okänd anledning inte valts. Vid beräkningar av husens energiprestanda visar det sig även att både Umeå Energi och de boende i husen i dagsläget förlorar upp emot 11-13 % av de möjliga intäkterna/ driftkostnaderna på det nuvarande driftfallet. Optimeringsberäkningar visar att förlusten kan vändas till en nästan lika stor vinst för Umeå Energi och göra fjärrvärme som spets betydligt billigare för de boende. Detta förutsätter att värmepumparna stängs av sommartid och att de levererar en jämn grundlast året om. Vinst/förlustmarginalerna för fjärrvärmens vara eller icke vara är dock små och ligger innanför felmarginalen i beräkningarna. / This thesis has been written for Riksbyggen in Umeå and is the final examination that completes the requirements necessary to obtain a master’s degree in energy technology of length 1 year at the University of Umeå. Riksbyggen took in 2010 over the ownership of several residential buildings on korpralsvägen in Umeå. The former owner prior to Riksbyggens overtaking initiated a major restoration of the buildings during 2009. In addition to renovating the buildings more apartments were built within the existing building shells. Exhaust air heat recovery in the exiting ventilation with heat pumps, was also installed in some of the houses. Since commissioning the heat pumps haven’t delivered as expected. This has led to higher district heat usage and operating costs than originally calculated. According to Umeå Energis current price model for district heat, customers who install a heat pump get charged with a correction factor that greatly increases the fixed cost of district heat. This is done despite the heat pumps reduce peak power which is the most expensive power to produces for Umeå Energi. Riksbyggen mainly wants to know what’s wrong with the heat pumps and if Umeå Energi really loses when peak power is reduced. Through conversations with the contractors, calculations with existing data and own measurements of air flow and temperature, the energy profiles have been calculated for the buildings and heat pumps. It turned out that the control system for the heat pumps involved a feedback error caused by the addition of district heat. The addition of district heat during peak power tip can be controlled from the pumps own internal control system which eliminates the current feedback problem but this solution has for unknown reasons not been chosen. When calculating the buildings energy performance, it also appears that both Umeå Energi and the residents of the buildings loses up to 11-13% of the possible revenues/operating costs  due to the current operating mode. Optimization calculations show that the loss can be turned into an almost equally large gain for Umeå Energi and make district heat cheaper for the residents to use as peak power tip. This assumes that the heat pumps are turned off during the summer and that heat is delivered steady during the rest of the year.  The gain/loss margin for keeping or getting rid of district heat as peak power tip are although small and lies within the error margin of the calculations.

If a building is heated by a heat pump, it is of high importance that the heat pump has a high coefficient of performance. An exhaust air heat pump extracts heat from the building’s exhaust air. The air has a relatively high and constant temperature all year around, leading to a high seasonal coefficient of performance. This thesis examines whether it is profitable to complement an exhaust ventilation system with an exhaust air heat pump in an apartment block that already has geothermal heat pump, district heating, oil- or biofuel heated system. To determinate the profitability, a reference building in Strömstad has been used and was considered a representative of Sweden’s other apartment blocks. The result of the study indicated that it is economically justifiable to combine an exhaust air heat pump with district heating, oil- and biofuel heated system. However it must be added that exhaust air heat pumps are best suited for single-family houses since they provide relatively low energy compared to e.g. geothermal heat pumps.

The company Olofsfors AB manufactures drive belts for forest machinery, known as ECO-Tracks, and abrasion-resistant steel and cutting edges for graders, excavators and tractors, known as Bruxite and SharqEdges. Manufacturing these products requires the steel to be heated and molded, then submerged in water and hardened. The water used in the hardening of steel is pumped to the process from pits below the floor and then pumped back to the pit after it’s been used. Since the temperature of this water rises after being used to harden the steel the temperature of the pumping pit needs to be adjusted to maintain its setpoint of 21°C. This is done by disposal of hot water from the pit to the river outside while new, cold water, from the river is pumped into the pit. The hot water that is being disposed of contains energy that has not at all been utilized, this has led to the purpose of this report which is to examine the possibility to utilize parts of the energy in the water.   Two possible outlets for the energy at the plant has been selected as especially interesting: • Heating of ventilation supply air in two units with low thermal efficiency and relatively high airflows where the supply air temperature is to be increased from 9 °C to 15 °C. • Fan heaters installed with electric batteries of approximately 200 kW capacity, which heats the premises and serves as an air barrier at the intake ports for metal.   Calculations of power available in one of the factory pump pits during the heating season from October to May and the power required for deposition areas were made. The result obtained is illustrated by means of duration charts from which required and available energy is deduced.   The result of this: Pump pit                             887 MWh / October to May Ventilation                          642 MWh / year Fan heaters                         515 MWh / year   A draft measure has been developed in which two heat pumps delivers hot water for heating of both the ventilation supply air and liquid batteries in air fan heaters. This measure proposal means a cost saving of approximately 390 000 SEK / year where pay-off time of the investment is approximately 5 years. / Olofsfors AB tillverkar bland annat drivband för skogsmaskiner, inom sitt område välkända som ECO-Tracks, samt slitstål och vägstål till bland annat väghyvlar, grävmaskiner och traktorer vilka går under varumärkena Bruxite och SharqEdges. Vid tillverkning av dessa metallprodukter behöver stålet först värmas och formas, för att sedan doppas i vatten och härdas. Vattnet som används vid härdning av stålet pumpas från pumpgropar under golvet, ut till processen för att sedan pumpas tillbaka till pumpgropen efter att ha använts. Eftersom vattnet efter användning i processen har värmts så behöver temperaturen i pumpgropen justeras för att hålla sitt börvärde på 21°C. Detta görs genom att varmt vatten pumpas ut ur pumpgropen samtidigt som kallt vatten från Leduån som rinner utanför fabriken pumpas in i gropen. Det varma vattnet som pumpas ut ur pumpgropen innehåller energi som inte tillvaratas, detta har gett upphov till syftet för detta arbete vilket är att se över möjligheten att tillvarata delar av energin i vattnet.   Två möjliga avsättningsområden för energi på fabriken har valts ut som extra intressanta: Eftervärme av ventilationens tilluft för två aggregat med låg temperaturverkningsgrad samt relativt höga flöden där tillufttemperaturen skall ökas från 9°C till 15°C. Fläktluftvärmare med en total installerad effekt på elbatterier om ca 200 kW som värmer lokaler samt fungerar som luftbarriär vid intagsportar för metall utifrån.   Beräkningar av tillgänglig effekt i en av fabrikens pumpgropar under uppvärmningssäsongen oktober till maj samt effektbehov för möjliga avsättningsområden har genomförts. Resultatet av beräkningarna har åskådliggjorts med hjälp av varaktighetsdiagram. Från varaktighetsdiagrammen kan sedan energibehov och tillgänglig energi utläsas.   Resultatet av detta: Pumpgrop                           887 MWh/oktober-maj Ventilation                          642 MWh/år Fläktluftvärmare                 515 MWh/år   Ett åtgärdsförslag har tagits fram där två värmepumpar levererar varmt vatten för värme av både ventilationens tilluft och vätskebatterier i fläktluftvärmarna. Detta åtgärdsförslag innebär en kostnadsbesparing på ca 390 000 kr/år där pay-off tiden för investeringen är ca 5 år.

Denna uppsats tar upp energianvändningen för kyla och värme inom industri. En fallstudie har gjorts på Sandvik AB:s industriområde i Sandviken där en fastighet besörjs med sorptionskyla från ett luftbehandlingsaggregat för att få ett inneklimat med rätt temperatur och luftfuktighet. I fastigheten tillverkas verktyg till bland annat borrning, fräsning och svarvning. Vid denna tillverkning så krävs det kyla till maskiner och oljerening, denna kyla levereras av kylmaskiner.   Sorptionsprocessen innebär ett värmebehov under sommaren. Då värmesystemet har olja,  el och rökgaser som bränsle och dessutom är ineffektivt med stora värmeförluster så kan detta värmebehov med fördel tillgodoses med spillvärme och solenergi. Syftet var att hitta lösningar till att förse industrin med värme från en effektivare och miljövänligare källa. Genom att kartlägga värmecentral, kylrum och luftbehandlingsaggregat samt mäta temperaturer, samla in energistatistik och beräkna effekter finns möjlighet att ge förslag på åtgärder och göra principritningar i AutoCAD. Värmepump är ett miljövänligt och effektivt sätt att minska energianvändningen på industriområdet. Solenergi är en förnybar källa som ger gratis energi och med solfångare kan även den passiva solvärmen som värmer byggnaden minskas. Med reglering kan kondensorvärme från befintliga kylmaskiner bidra till att minska energianvändningen. Slutsatsen är att en värmepump kan betala av sig efter drygt ett år eftersom priset per producerad kWh värme blir cirka 14 öre medan den interna värmen kostar omkring en krona. Solenergi kan löna sig på mycket lång sikt.

An increasing number of heat pump producers have developed heat pumps that can be connected to solar panels. In this thesis we have examined the possibilities of connecting solar panels to existing ground source- and geothermal heat pumps that has not been adapted to solar panels. During the work process, a prototype plant has been built to compare our theory with the practical results and with our designed sizing tool. The work has rendered in knowledge that will be used to build a sun module that can be easily connect to the existing heat pump system. The existing heat pump, our test plant, has been supplemented by an advanced storage tank used to allow different operating modes. When there is an excess of solar energy from the solar collectors the borehole should be recharged and be stored in the ground for a shorter period of time. The heat pump refrigerants should also be preheated in the storage tank where the heat from solar collectors is not sufficient to directly go to the heating or domestic hot water demand. These functions should make it possible to maximize the usage of the solar power in the system. The thesis has rendered in a design basis for our client, on how a solar module best should be connected to the existing heat pump system. The conclusion is that there are difficulties in profitability and return on the investment cost of a sun module, because the pay-off time becomes unreasonably long. Several features such as preheating the brine circuit are not economically justifiable when the investment cost is too high in relation to the energy gain. The benefits are increased efficiency at both the solar collectors and the heat pump, along with the potential for a longer life for the heat pump.

I takt med stigande energipriser finner fler och fler det lönsamt att installera värmepump för att reducera sitt energibehov. Värmepumpar har dock svårigheter att tillgodose värmebehovet när utomhustemperaturen sjunker under -10°C. Detta problem kan minskas med så kallade economizerkopplingar, denna rapport jämför de båda economizersystemen flash tank cycle (FTC) och internal heat exchanger cycle (IHXC). Eftersom det har visat sig att vinsterna med economizerkopplingar är som störst då temperaturlyftet är stort är det mest intressant att jämföra dem i luft/vatten värmepumpar. Detta på grund av att övriga applikationer som berg-, jord- eller luft/luft-värmepumpar inte utsätts för samma stora temperaturvariation då utetemperaturen faller. Därför avgränsades rapporten till att endast omfatta economizerkopplingar i luft/vatten värmepumpar. Syftet i rapporten har växt fram ur den strävan som finns i att ständigt energieffektivisera vår bostadssektor vad det gäller uppvärmning, där värmepumpar idag har en viktig roll. Bakgrunden i rapporten är relativt omfattande för att ge läsaren den nödvändiga informationen för att sätta sig in i resultatet. Bakgrunden, eller den allmänna tekniska beskrivningen, innehåller bland annat övergripande beskrivningar beträffande de vanliga komponenterna i en värmepump, definition på en economizer samt vilka möjligheter economizern ger. Metoden för arbetet bestod i en litteraturgranskning där jämförelser som lett fram till resultatet togs ur artiklar från andra experimentella försök inom området. Nyckeltal som jämfördes var COP (Coefficient Of Performance), elanvändning, kyleffekt och värmeeffekt vid låga förångningstemperaturer. Resultaten pekade på att FTC-systemet har en fördel jämtemot IHXC vid kallare klimat på grund av sin bättre värmeeffekt och högre COP. Däremot drogs slutsatsen att IHXC har fördelar som noggrann reglerkapacitet och större tolerans vid val av köldmedie eftersom ingen fasseparation med tillkommande problem sker i denna koppling. När värmepumpsprocessen vänds och används till kylning kommer rapporten fram till att skillnaden mellan de två systemen är försumbar.

I hushåll runt om i Sverige används fortfarande elektriska varmvattenberedare för uppvärmning av tappvarmvatten. Anledningen till detta är enkelheten, pålitligheten och den låga investeringskostnaden. Det finns på marknaden idag inget billigt ersättningsalternativ. Det går att värma både hus och tappvatten med andra uppvärmningssystem, men ett byte till något av dessa är både kostsamt och kan ta tid. Värmepumpar finns i många olika storlekar och används för olika ändamål. En värmepump med ändamålet att värma tappvatten, som är pålitlig, enkel och har en låg investeringskostnad skulle kunna sänka såväl elanvändning som driftkostnad. Värmepumpar kan använda sig av många olika värmekällor en av de mer okonventionella är solen. Att använda solen som energikälla till en värmepump är en spännande lösning, den stora effekttillförsel som solen förväntas bidra med kan öka årsvärmefaktorn markant. I länder där det råder varmare klimat och goda förutsättningar för solfångaren har den här typen av värmepumpar uppnått värmefaktorer mellan 2-9. I svenskt klimat har vi gott om sol på sommaren och desto mindre under vintern. För att säkerställa stabil drift så kommer en variant på en solvärmepump anpassad för svenskt klimat att studeras. Det kommer användas två förångare i serie, en solfångare och en som använder sig av omgivande luft som värmekälla. Luftförångaren skall säkerställa god drift under vintern samtidigt som solfångaren skall lyfta värmepumpen till nya nivåer under sommaren. Målsättningen är att simulera en solvärmepump i svenskt klimat och utreda dimensionerna på komponenter, hur de påverkar varandra samt beräkna en årsvärmefaktor. Det skall även utredas vad solen bidrar med. Det visar sig att det ej behövs en stor värmepump för att tillgodose det behov av energi som krävs för att värma tappvatten till önskade temperaturer. Genom att seriekoppla dessa två förångare visar det sig även att solfångaren ej tillför det förväntade, i det bästa driftfallet ökar enbart solfångaren årsvärmefaktorn från ungefär 2,7 till 2,8. / Many households around Sweden is still using an electric water heater for heating domestic hot water. The reason for this is the simplicity, reliability, and low investment cost of the electric water heater. There are no cheap replacement options on the Swedish market today. It is possible to heat the house and the domestic tap water with other heating systems, but a change to any of these are costly and can take time. Heat pumps are available in many different sizes and are used for various purposes. A heat pump with the purpose to heat tap water, which is reliable, simple and has a low investment cost could reduce both electricity usage and operating costs. Heat pumps can make use of many different sources of heat one of the more unconventional is the sun, a so called DX-SAHP. To use the sun as an energy source for a heat pump is an exciting solution, the large power supply from the sun is expected to contribute to the annual performance significantly. In countries where the climate is warmer and the conditions for the solar collector is good, this type of heat pumps reached a coefficient of performance between 2-9. In the Swedish climate, there are plenty of sunshine in the summer and almost none during the winter. To ensure stable operation a variant of a DX-SAHP designed for Swedish climate will be studied. There will be two evaporators in series, a solar collector and one that uses ambient air as a heat source. The air evaporator, should ensure good operation during the winter while the sun collector will lift the heat pump to new levels during the summer. The goal is to simulate a DX-SAHP in the Swedish climate, investigate the dimensions of the components and calculate the Seasonal Performance Factor (SPF). It is also to be investigated what the sun contributes to the heat pump. It appears that a fairly small heat pump meets the needs of energy required for heating the domestic water to the desired temperatures. The contribution from the sun collector to the SPF is in the best case from 2,7 to 2,8.

This report was performed in order to evaluate a new technological measure and focuses generally on a heat pump system to a HWC-washing machine. The client is Asko Appliances AB, a company well known for its environmentally friendly products. The goal of this study was to improve the energy efficiency of a washing machine by combining a heat pump device to the heater of the wash water, in order to reduce the energy consumed for heating the water. Besides reducing the energy consumption in heating the water, the washing machine was required to meet low noise and short operating time specifications. For that purpose, nine trials in three test series have been carried out. In each of those trials, airflow has been combined with the refrigerant flow and the energy consumption measured. The comparison of the results shows that the energy efficiency is the highest when the flow rates of both the air and the refrigerant are low. Further, the energy consumption in terms of electricity used in heating the water has been lowered by 71% in comparison to a refernce washing machine using no heat pump device. The paper also discusses possible improvement actions related to this technological mesure. This technological measure can be applied on HWC-washing machines and can replace conventional electrically heated washing machines.

För att minska energianvändningen i hushåll med direktverkande el, har en luftvärmepump för att värma tappvarmvatten utvecklats. På så vis väntas elförbrukningen och därmed kostnaden för att värma tappvarmvatten mer än halveras. Värmepumpen ska värma vattnet i den befintliga varmvattenberedaren och på så vis avlasta elpatronen från att värma vattnet för hushållets dagliga rutiner. Alternativ för hur varmvattenberedaren ska laddas har tagits fram och utifrån de fyra faktorerna:effektivitet, ekonomi, enkelhet och utrymme, har alternativen betygsatts. Den bästametod för att ladda varmvattenberedaren utses och har därefter dimensionerats. Resultatet visar att av de föreslagna metoderna är det bäst att suga kallt vatten från botten på varmvattenberedaren för att värmeväxla i kondensorn som är en spiralformad rör-i-rörvärmeväxlare med köldmediet i det inre av rören. Vattnet som värmts till 60°C pumpas tillbaka till varmvattenberedaren och in i dess topp för att få bra skiktning. Dimensionerande längd för kondensorn är 7,57 meter. Tryckförlusterna som uppstår till följd av kondenseringen har beräknats men antas inte påverka värmeöverföringen. Den cirkulationspump som krävs för att pumpa tappvarmvattnet från varmvattenberedaren och tillbaka, bör vara flödesreglerad då flödet varierar vid olika driftförhållanden mellan 10,3 och 68,9 liter per timme. / To reduce the use of electricity in households heated with direct-acting electricity, a heat pump dedicated to heat water has been developed. As a consequence, the power consumption and the cost for heating water are expected to reduce to less than half. The water, heated by the heat pump will be filled in a storage water heater and thereby unburden the electric element for the household’s everyday routine. Several alternatives for how the storage water heater will be filled have been developed from the criteria efficiency, economy, simplicity and space occupying and each concept have been graded. The best concept to fill the storage water heater has been elected and is thereafter dimensioned. The results show that the best of the proposed ways to fill a storage water heater with warm water from the heat pump is to suck the cold water from the bottom of the storage water heater and heat exchange it in a helically coiled tube-in-tube condenser. When the water is heated to 60°C, to prevent the growth of Legionella bacteria, it gets pumped back to the storage water heater where it’s filled in the top for best stratification. The condensers length is decided to be 7,57 meters. The pressure loss due to the condensation has been calculated but is assumed to not affect the heat transfer. A pump is needed to circulate the water and the flow rate for varying condition is decided from10,3 to 68,9 liters per hour.