Cooling and Heat Recovery at the
Max IV Research Facility
Background
• The starting point was the need of energy for
MAX-lab research facility.
• It was clear that MAX-lab was going to use a
lot of electricity to run its equipment…
• … but what about heating, cooling and
air condition?
Background
Max-lab needs both heating and cooling. The
demands where divided into three groups:
Heating
Process cooling
24 C
34 C
Comfort cooling
7C
15 C
Background
Can’t we just use some of our excess heat to
internal heating?
Heating
Process cooling
24 C
34 C
Comfort cooling
7C
15 C
Background
Can there be Equipment that can be cooled at
higher temperatures?
90 C
45 C 35 C
70 C 24 C
34 C
7C
15 C
Background
7C
90 C
45 C
90 C
7C
24 C
90 C
33 C
15 C
We needed a solid partner to handle our energy
demands and to realize the full potential of
heat recovery from our excess heat
90 C
45 C
24 C
34 C
7C
15 C
From the perspective of the Energy
Company
Background 1: Large District Heating system
Background 2: Large District Cooling system
Background 3: ”Old” Max Laboratory major cooling customer
From the perspective of the Energy
Company
Background 4: External heat supplier is old news
Background 5: Lund NE
We treated heat recovery as a joint project
Preconditions
Investment costs
Amount of energy
Load levels
Temperature levels
District heating pipes
Redundancy
Heat pumps
Additional cost for pipes
Additional cost for building
Deduction for chiller
Deduction for cooling towers
Variable costs
Revenue
Electricity for heat pumps (COP)
Deduction for operation of chiller
Deduction for operation of cooling towers
$$$
Open book principle
Preconditions
MAX-lab
Investment costs
Variable costs
Revenue
Kraftringen
Energy mapping MAX IV, energy flow model
Input
Byggnad
Storhet
Byggnadsklass
Byggnadsform
längd
bredd
höjd
Antal våningar
Description of energy properties both
in and out:
•Building
•Process
•Cooling
Air / Water
Temperature quality
•Lasting
Process
nr: 2
A2 Klystrongalleri
Enhet
Process
Rektangulär
Atemp
m
m
m
st
m2
Aom.luft
m2
0 Ref: Caj Lundquist
Aom.mark
m2
4106 Ref: Caj Lundquist
1 Ref: Caj Lundquist
1861 Ref: Caj Lundquist
2
Afönster
m
Gm fönster
-
Um.luft
W/m2 oC
0,30
Um.mark
W/m2 oC
0,30
GTfrikyla luft
o
C
-99
Qläckluft
l/s m2 Aom.ute
Qläckluft
l/s
Tinne
Building properties
0 Ref: Caj Lundquist
0,40
0,05
0
o
C
25 Ref: LG Janneson
Tinblås(TL)sommar
21,0
Tute.sommar
25,0
Tinblås(TL)vinter
25,0
Tute
25,0
Qvent
l/s m2 Atemp
Qvent
l/s
VVXvent
%
SFP
kW/ m3/s
Verksamhetsel
W/m2
0,35 Ref: LG Janneson
651,35
HVAC & comfort
0,55 Ref: LG Janneson
2,0 Ref: LG Janneson
0
Processel
- Modulator 100Hz
kW
270
270
- Modulator 10Hz
kW
54
54
- Klystron + klyst.win 100Hz kW
558
558
- Klystron + klyst.win 10Hz
Verksamhetsel
Fastighetsel (fläktar)
Effektbehov
kW
55,8
0
1
55,8
Tin
o
Tut
o
kW
kW
kW
1
0
10%
100%
5,58
55,8
C
C
Qvent
Efläckt
10%
100%
55,8
558
10%
100%
27
270
Cooling
demand
10%
100%
5,4
54
25
25
25
25
51
57
26
32
Everksamhet Eprocess.luft Eprocess.H2O Eprocess.luft Eprocess.H2O Eprocess.luft Eprocess.H2O Eprocess.luft Eprocess.H2O
Ventilation E->Luft E->Luft E->Luft E->H2O E->Luft E->H2O E->Luft E->H2O E->Luft E->H2O
Storhet
Drifttid:
Måndag - Fredag
Lördag
Söndag
Översyn måndag kl 8-16
5+3 veckors semester
från kl:
till kl:
från kl:
till kl:
från kl:
till kl:
(J/N)
(J/N)
l/s
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
651
1
0
6
56
56
558
5
54
27
270
0
24
0
24
0
24
N
N
0
24
0
24
0
24
N
N
0
24
0
24
0
24
N
N
8
24
8
24
8
24
J
J
8
24
8
24
8
24
J
J
0
8
0
8
0
8
J
J
0
8
0
8
0
8
J
J
8
24
8
24
8
24
J
J
8
24
8
24
8
24
J
J
0
8
0
8
0
8
J
J
0
8
0
8
0
8
J
J
Operating time
Output
Energibalans
800000
600000
Efastighet
Everksamhet
Eprocess.luft
Eprocess.H2O
Energibalans
# IN #
Efastighet
kWh/år
Everksamhet
kWh/år
Eprocess.luft
kWh/år
E
kWh/år
kWh/år
Esol
16
12%
155
4 005 758
8%
110
33 298 659
70%
913
2 798 361
6%
77
kWh/år
289 947
1%
8
Evärme.vent
kWh/år
954 928
2%
26
E
kWh/år
219 449
0%
EVVX.vent.kyla
Eläckage
Ekyla.rum
Ekyla.H2O
-600000
3500,0
-800000
600000
EVVX.vent.värme
2500,0
[kWh]
Energy balance, building level
400000
kWhel/m2 år
# UT #
Efastighet
kWh/år
566 408
1%
16
Everksamhet
kWh/år
5 654 726
12%
155
Eprocess.luft
kWh/år
4 005 758
8%
110
Eprocess.H2O
kWh/år
33 298 659
70%
913
EVVX.vent.värme
kWh/år
2 798 361
6%
77
Esol
kWh/år
289 947
1%
8
Evärme.vent
kWh/år
954 928
2%
26
Evärme.rum
kWh/år
219 449
Event
kWh/år
EVVX.vent.kyla
Eläckluft
0%
6
5 299 003
11%
145
kWh/år
1 096
0%
0
kWh/år
255 166
1%
7
Etrans
kWh/år
2 797 082
6%
77
Efrikyla
kWh/år
1 625 290
3%
45
Ekyla.vent
kWh/år
45 934
0%
1
Ekyla.rum
kWh/år
4 466 007
9%
122
Ekyla.H2o
kWh/år
33 298 659
70%
913
Summa
kWh/år
47 788 236 47 788 236
2000,0
1500,0
•7/12 C Comfort
•25/35 C Heatpump
•70/50 C District heating
1000,0
200000
500,0värme.rum
0
-200000
1310
Total energy balance
-400000
6
Efastighet
Everksamhet
Eprocess.luft
Eprocess.H2O
Process 35-25C
EVVX.vent.värme
Process 80-50C
Esol
Event
kWh/år
EVVX.vent.kyla
kWh/år
Eläckluft
Linac tunnel
Etrans
kWh/år
Efrikyla
kWh/år
Ekyla.vent
kWh/år
Ekyla.rum
kWh/år
4 466 007
9%
122
Ekyla.vent
Ekyla.H2o
kWh/år
33 298 659
70%
913
Ekyla.rum
Summa
kWh/år
47 788 236 47 788 236
0,0
5 299 003
1
104
207
310
413
516
619
722
825
928
1031
1134
1237
1340
1443
1546
1649
1752
1855
1958
2061
2164
2267
2370
2473
2576
# IN #
[kWh]
Energibalans
3000,0 process.H2O
Heat recovery / cooling loops:
11%
145
Cooling demand:
Startbyggnad
kWh/år
1 096
0%
255 166
1%
Lab, Verkstad
•5 MW
2 797 082
[h]
SPF-Hallen
6%
Kontor
3812
-400000
5 654 726
3915
Ekyla.vent
3606
800000
Efrikyla
3709
Etrans
3297
-200000
kWhel/m2 år
Energibalans
566 408
1%
Event
Kontor
3400
SPF-Hallen
3503
Lab, Verkstad
2988
Startbyggnad
3091
Linac tunnel
# UT #
Kylvatten
Evärme.rum
0
3194
[kWh]
Evärme.vent
Based upon output:
2679
Esol
2782
EVVX.vent.värme
200000
2885
400000
0
Evärme.vent
Evärme.rum
7
Event
77
EVVX.vent.kyla
Eläckage
1 625 290
3%
45
45 934
0%
1
Recovery potential:
Etrans
Efrikyla
•30 000 MWh/yr
•20% high temperature direct to district heating
•80% through heat pump
Ekyla.H2O
Kylvatten
-600000
3500,0
3000,0
[kWh]
2500,0
2000,0
Excess energy in cooling water
Total energy balance
Energy balance, building level
-800000
1500,0
1000,0
Process 35-25C
500,0
Process 80-50C
[h]
3400
3503
3606
3709
3812
3915
2679
2782
2885
2988
3091
3194
3297
1
104
207
310
413
516
619
722
825
928
1031
1134
1237
1340
1443
1546
1649
1752
1855
1958
2061
2164
2267
2370
2473
2576
0,0
1310
Excess energy in cooling water
Energy prices
Swedish electricity cost 2014 (800 SEK/MWh):
• Price 425
• Tax 300
• Renewable certificates 25
• Grid fee 50
Value of recovered heat: According to alternative cost to produce the heat
Agreement: Will be calculated monthly according to open book principle
Prediction of energy flows
Year
Beamlines
2015
7
2016
10
2017
13
2018
16
2019
18
40
35
GWH ; pcs
30
25
Energy
20
Beamlines
15
2020
20
2021
22
2022
24
2023
26
2024
28
2025
30
Year 2015
Cooling demand 9k
Cooling demand 25k
Cooling demand 50k
7 Beamlines 33% 100Hz
5,3
12,1
5,3
Year 2018
Cooling demand 9k
Cooling demand 25k
Cooling demand 50k
16 Beamlines 67% 100Hz
6,5
15,2
7,5
Year 2025
Cooling demand 9k
Cooling demand 25k
Cooling demand 50k
30 Beamlines 67% 100Hz
8,5
17,9
9,1
10
5
0
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
The building:
The Energy Central
Vibration abatement:
The Heat Pumps:
The Backup:
Replaced fuels?
Calculation
Grafer utveckling kalkyl 20 år
Total Kalkyl 20 år
30,0
25,0
20,0
Summa intäkter
15,0
Summa kostnader
10,0
5,0
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
År
Intäkter
Intäkter återvunnen värme
Summa intäkter
Utgifter
Anslutningsavgift fjärrvärme
Extra värmekrets
Alternativkostnad kyltorn och kylmaskin
Alternativkostnad värme
Grundkostnad (amortering, ränta och byggnadshyra)
Drift och underhåll
Elkostnad
Drift av kyltorn
Drift av kylmaskin
Summa kostnader
Marginal per år
Acc marginal
Nuvärdesberäknad marginal per år
1
2
3
4
7
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
6,8
6,8
10,0
10,0
12,5
12,5
13,3
13,3
8
2,2
14,1
16,3
9
4,7
4,7
5
1,6
11,2
12,9
6
0,0
0,0
15,0
15,0
15,9
15,9
16,8
16,8
17,8
17,8
18,8
18,8
19,6
19,6
20,4
20,4
21,2
21,2
22,0
22,0
22,8
22,8
23,6
23,6
20 Totalt Per år
3,78 0,189
24,4 310,9 15,5
24,4 314,7 15,7
1,1
0,7
-1,9
-0,3
0,8
0
0
0,0
0,0
0,5
-0,5
-0,5
-0,5
1,1
0,7
-1,8
-0,3
1,4
0
2,1
-0,1
-0,4
2,8
1,9
1,4
1,7
1,1
0,7
-1,8
-0,3
3,9
0,1
4,8
-0,3
-0,8
7,3
-0,5
0,9
-0,4
1,0
0,7
-1,7
-0,3
5,8
0,1
6,5
-0,3
-0,9
10,9
-0,8
0,1
-0,6
1,0
0,6
-1,7
-0,3
6,4
0,1
7,4
-0,4
-1,0
12,2
0,7
0,7
0,5
1,0
0,6
-1,6
-0,3
6,3
0,1
8,3
-0,4
-1,2
12,8
-0,3
0,4
-0,2
0,9
0,6
-1,6
-0,3
6,1
0,1
8,8
-0,4
-1,3
13,1
0,2
0,6
0,1
0,9
0,6
-1,5
-0,3
6,0
0,5
9,4
-0,4
-1,4
13,8
2,5
3,1
1,4
0,9
0,6
-1,5
-0,2
5,8
0,5
9,9
-0,5
-1,4
14,1
0,9
4,0
0,5
0,9
0,6
-1,4
-0,2
5,7
0,5
10,5
-0,5
-1,5
14,4
1,5
5,4
0,7
0,8
0,5
-1,4
-0,2
5,6
0,5
11,1
-0,5
-1,6
14,7
2,1
7,5
1,0
0,8
0,5
-1,3
-0,2
5,4
0,5
11,6
-0,5
-1,7
15,1
2,7
10,2
1,2
0,8
0,5
-1,3
-0,2
5,3
0,5
12,3
-0,6
-1,8
15,4
3,4
13,6
1,4
0,7
0,5
-1,2
-0,2
5,2
0,5
12,6
-0,6
-1,9
15,6
4,0
17,6
1,5
0,7
0,5
-1,2
-0,2
5,0
0,5
13,1
-0,6
-1,9
16,0
4,4
22,1
1,5
0,7
0,4
-1,1
-0,2
4,9
0,5
13,6
-0,6
-1,9
16,3
4,9
27,0
1,6
0,7
0,4
-1,1
-0,2
4,7
0,5
14,1
-0,6
-1,9
16,7
5,3
32,3
1,6
0,6
0,4
-1,0
-0,2
4,6
0,5
14,6
-0,6
-1,9
17,1
5,7
38,0
1,6
0,6
0,4
-1,0
-0,2
4,5
0,5
15,1
-0,6
-1,9
17,5
6,2
44,1
1,6
0,6
0,4
-0,9
-0,2
4,3
0,5
15,6
-0,6
-1,9
17,8
6,6
50,7
1,6
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
10,8
4,3 97,8
6,8 83,0
0,1
3,2
12,2 155,5
23,5 350,3
0,7
4,9
4,2
0,2
7,8
17,7
10,8
0,7
51,9
25,8
20,0
97,8
2,6
1,3
1,0
4,9
16,8
10,9
-28,0
-4,7
97,8
7
201,6
-9,0
-28,4
264,0
50,7
50,7
17,7
0,8
0,5
-1,4
-0,2
4,9
0,4
10,1
-0,4
-1,4
13,2 Marginal
2,5
19,2%
0,9
6,7%
LEKAB kalkyl 20 år
År
25,0
20,0
15,0
Summa intäkter +
värde återvunnen
värme
10,0
Summa kostnader
1
Intäkter
Anslutningsavgift fjärrvärmeledningen
Grundavgift
Ersättning kyla
Ersättning fjärrvärme
Värde återvunnen värme
Summa intäkter + värde återvunnen värme
Utgifter
Utbyggnad av Fjvledning
10,8
0,8
0
0,3
0
11,9
5,0
1,4
1,0
0,4
2,4
5,2
3,9
2,3
0,2
3,4
9,8
5,8
2,6
0,1
5,0
13,6
6,4
3,0
0,1
5,6
15,1
6,3
3,3
0,1
6,2
16,0
6,1
3,5
0,1
6,6
16,4
6,0
3,8
0,1
7,1
16,9
5,8
4,0
0,1
7,5
17,4
5,7
4,2
0,1
7,9
18,0
5,6
4,4
0,1
8,4
18,5
5,4
4,7
0,1
8,9
19,1
5,3
4,9
0,1
9,4
19,7
5,2
5,0
0,1
9,8
20,1
5,0
5,3
0,1
10,2
20,7
4,9
5,6
0,1
10,6
21,2
4,7
5,9
0,1
11,0
21,8
4,6
6,2
0,1
11,4
22,4
4,5
6,5
0,1
11,8
22,9
0,0
0,0
0,8
0,8
0,3
0,3
0,8
1,4
1,5
1,5
0,9
3,9
2,4
2,5
0,9
5,8
3,0
2,5
0,9
6,4
3,0
2,4
0,9
6,3
3,0
2,2
0,9
6,1
3,0
2,0
0,9
6,0
3,0
1,9
1,0
5,8
3,0
1,7
1,0
5,7
3,0
1,6
1,0
5,6
3,0
1,4
1,0
5,4
3,0
1,3
1,0
5,3
3,0
1,1
1,1
5,2
3,0
0,9
1,1
5,0
3,0
0,8
1,1
4,9
3,0
0,6
1,1
4,7
3,0
0,5
1,2
4,6
3,0
0,3
1,2
4,5
0
0
2,1
2,1
0,1
4,8
4,9
0,1
6,5
6,6
0,1
7,4
7,5
0,1
8,3
8,4
0,1
8,8
8,9
0,5
9,4
9,9
0,5
9,9
10,4
0,5
10,5
11,0
0,5
11,1
11,6
0,5
11,6
12,1
0,5
12,3
12,8
0,5
12,6
13,1
0,5
13,1
13,6
0,5
13,6
14,1
0,5
14,1
14,6
0,5
14,6
15,1
0,5
15,1
15,6
0,5
7
15,6 201,6
16,1 208,6
0,4
10,1
10,4
11,6
0,3
0,3
0,3
3,6
1,6
1,9
1,4
8,7
1,1
2,9
0,9
12,4
1,1
4,1
0,9
13,9
1,2
5,3
0,9
14,7
1,3
6,6
0,9
15,0
1,4
8,0
0,8
15,9
1,1
9,0
0,6
16,3
1,2
10,2
0,6
16,7
1,3
11,5
0,6
17,1
1,4
12,9
0,6
17,6
1,5
14,4
0,7
18,0
1,7
16,1
0,7
18,3
1,8
17,9
0,7
18,6
2,0
19,9
0,7
19,0
2,2
22,2
0,7
19,4
2,4
24,6
0,7
19,7
2,6
27,2
0,7
20,1
2,8
30,1
0,7
20,5 317,2
3,0 33,1
33,1
0,7 14,8
16,0 Marginal
1,7
10,3%
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
10,8
Amortering (utgår fr nuv kapitalbas)
Ränta (STIBOR 3 mån + 3 %)
Byggnadshyra (bedömd hyreskostnad)
Summa Grundkostnad/-avgift
Totalt Per år
3,0
0,2
1,2
4,3
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
Drift och underhåll (bedömd)
Elkostnad
Summa rörliga kostnader
Summa kostnader
Marginal per år
Acc marginal
Nuvärdesberäknad marginal per år
0,7
4,2%
MAX Kalkyl 20 år
År
14,0
12,0
10,0
8,0
Summa intäkter
6,0
Summa kostnader
4,0
2,0
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
Intäkter
Intäkt återvunnen värme
Kickback anslutningsavgift fjärrvärme
Summa intäkter
Utgifter
Anslutningsavgift fjärrvärme
Extra värmekrets
Alternativkostnad kyltorn och kylmaskin
Alternativkostnad värme
Grundavgift
Ersättning kyla
Intäkt återvunnen värme
Drift av kyltorn
Drift av kylmaskin
Summa kostnader
Marginal per år
Acc marginal
Nuvärdesberäknad marginal per år
1
2
3
0
2,4
3,4
5,0
0,0
2,4
3,4
1,1
0,7
-1,9
-0,3
0,8
0,0
0,3
0,0
0,0
0,8
-0,8
-0,8
-0,8
1,1
0,7
-1,8
-0,3
1,4
1,0
0,4
-0,1
-0,4
2,0
0,4
-0,5
0,3
1,1
0,7
-1,8
-0,3
3,9
2,3
0,2
-0,3
-0,8
5,0
-1,6
-2,1
-1,3
15
16
17
18
19
20
7,5
7,9
8,4
8,9
9,4
9,8
10,2
10,6
11,0
11,4
11,8
6,6
7,1
2,2
9,2
7,5
7,9
8,4
8,9
9,4
9,8
10,2
10,6
11,0
11,4
11,8
12,2 155,5
7,8
3,78 0,189
12,2 159,3
8,0
0,9
0,6
-1,6
-0,3
6,1
3,5
0,1
-0,4
-1,3
7,8
-1,2
-7,4
-0,7
0,9
0,6
-1,5
-0,3
6,0
3,8
0,1
-0,4
-1,4
7,8
1,4
-5,9
0,8
0,9
0,6
-1,5
-0,2
5,8
4,0
0,1
-0,5
-1,4
7,8
-0,3
-6,2
-0,2
0,9
0,6
-1,4
-0,2
5,7
4,2
0,1
-0,5
-1,5
7,7
0,2
-6,0
0,1
0,8
0,5
-1,4
-0,2
5,6
4,4
0,1
-0,5
-1,6
7,7
0,7
-5,4
0,3
0,8
0,5
-1,3
-0,2
5,4
4,7
0,1
-0,5
-1,7
7,7
1,2
-4,2
0,5
0,8
0,5
-1,3
-0,2
5,3
4,9
0,1
-0,6
-1,8
7,7
1,7
-2,5
0,7
0,7
0,5
-1,2
-0,2
5,2
5,0
0,1
-0,6
-1,9
7,6
2,2
-0,3
0,8
0,7
0,5
-1,2
-0,2
5,0
5,3
0,1
-0,6
-1,9
7,8
2,4
2,1
0,8
0,7
0,4
-1,1
-0,2
4,9
5,6
0,1
-0,6
-1,9
8,0
2,6
4,8
0,9
0,7
0,4
-1,1
-0,2
4,7
5,9
0,1
-0,6
-1,9
8,1
2,9
7,6
0,9
0,6
0,4
-1,0
-0,2
4,6
6,2
0,1
-0,6
-1,9
8,3
3,1
10,7
0,9
0,6
0,4
-1,0
-0,2
4,5
6,5
0,1
-0,6
-1,9
8,5
3,3
14,1
0,9
0,6 16,8
0,4 10,9
-0,9 -28,0
-0,2 -4,7
4,3 97,8
6,8 83,0
0,1
3,2
-0,6 -9,0
-1,9 -28,4
8,7 141,7
3,5 17,6
17,6
0,9
2,9
6,2
6,6
5,0
5,6
1,6
7,2
6,2
1,0
0,7
-1,7
-0,3
5,8
2,6
0,1
-0,3
-0,9
7,0
-2,0
-4,0
-1,5
1,0
0,6
-1,7
-0,3
6,4
3,0
0,1
-0,4
-1,0
7,8
-0,5
-4,6
-0,4
1,0
0,6
-1,6
-0,3
6,3
3,3
0,1
-0,4
-1,2
7,9
-1,6
-6,2
-1,1
Totalt Per år
0,8
0,5
-1,4
-0,2
4,9
4,2
0,2
-0,4
-1,4
7,1 Marginal
0,9
12,4%
0,1
1,8%
Calculation MAX-lab
District cooling
Heat recovery only
Cooling towers
Heat recovery and no cooling towers
Conclusion
•
•
•
•
Early start-up of cooperation
Work with temperature quality
Open book principle
Flexible cooling power design