Cooling and Heat Recovery at the Max IV Research Facility.

Cooling and Heat Recovery at the Max IV Research Facility

• 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

24 C 34 C 7 C 15 C

Heating Process cooling Comfort cooling

Max-lab needs both heating and cooling. The demands where divided into three groups:

Background

24 C 34 C 7 C 15 C

Heating Process cooling Comfort cooling

Can’t we just use some of our excess heat to internal heating?

Background

90 C 45 C 24 C 34 C 7 C 15 C35 C 70 C??

Can there be Equipment that can be cooled at higher temperatures?

Background

90 C 45 C

90 C

24 C

33 C

7 C 15 C90 C

7 C

Background

90 C 45 C 24 C 34 C 7 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

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

Preconditions Amount of energyLoad levelsTemperature levels

Investment costs District heating pipesRedundancyHeat pumps

Additional cost for pipesAdditional cost for building

Deduction for chillerDeduction for cooling towers

Variable costs Electricity for heat pumps (COP)Deduction for operation of chillerDeduction for operation of cooling towers

Revenue $$$

We treated heat recovery as a joint project

Preconditions

Investment costs

Variable costs

Revenue

Open book principle

MAX-lab Kraftringen

Energy mapping MAX IV, energy flow model

Byggnad nr: 2 A2 KlystrongalleriStorhet EnhetByggnadsklass ProcessByggnadsform Rektangulärlängd mbredd mhöjd mAntal våningar st 1 Ref: Caj Lundquist

Atemp m2 1861 Ref: Caj Lundquist

Aom.luft m2 0 Ref: Caj Lundquist

Aom.mark m2 4106 Ref: Caj Lundquist

Afönster m2 0 Ref: Caj Lundquist

Gm fönster - 0,40

Um.luft W/m2 oC 0,30

Um.mark W/m2 oC 0,30

GTfrikyla luftoC -99

Qläckluft l/s m2 Aom.ute 0,05

Qläckluft l/s 0

TinneoC 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 0,35 Ref: LG Janneson

Qvent l/s 651,35

VVXvent % 0,55 Ref: LG Janneson

SFP kW/ m3/s 2,0 Ref: LG Janneson

Verksamhetsel W/m2 0

Processel

- Modulator 100Hz kW 270 270

10% 100%

- Modulator 10Hz kW 54 54

10% 100%

- Klystron + klyst.win 100Hz kW 558 558

10% 100%

- Klystron + klyst.win 10Hz kW 55,8 55,8

Verksamhetsel kW 0 10% 100%

Fastighetsel (fläktar) kW 1Effektbehov kW 1 0 5,58 55,8 55,8 558 5,4 54 27 270

Tin oC 25 25 25 25

Tut oC 51 57 26 32

Qvent Efläckt 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->H2OStorhet l/s kW kW kW kW kW kW kW kW kW kW

651 1 0 6 56 56 558 5 54 27 270Drifttid: Måndag - Fredag från kl: 0 0 0 8 8 0 0 8 8 0 0

till kl: 24 24 24 24 24 8 8 24 24 8 8Lördag från kl: 0 0 0 8 8 0 0 8 8 0 0

till kl: 24 24 24 24 24 8 8 24 24 8 8Söndag från kl: 0 0 0 8 8 0 0 8 8 0 0

till kl: 24 24 24 24 24 8 8 24 24 8 8Översyn måndag kl 8-16 (J/N) N N N J J J J J J J J5+3 veckors semester (J/N) N N N J J J J J J J J

Input

Description of energy properties both in and out:

• Building • Process• Cooling

Air / WaterTemperature quality

•Lasting

Building properties

HVAC & comfort

Process Coolingdemand

Operating time

Output

Energibalans # IN # # UT # kWhel/m2 år

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 0% 6

Event kWh/år 5 299 003 11% 145

EVVX.vent.kyla kWh/år 1 096 0% 0

Eläckluft 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 1310

Total energy balance

-800000

-600000

-400000

-200000

0

200000

400000

600000

800000

Linac tunnel Startbyggnad Lab, Verkstad SPF-Hallen Kontor

[kW

h]

Energibalans

Efastighet

Everksamhet

Eprocess.luft

Eprocess.H2O

EVVX.vent.värme

Esol

Evärme.vent

Evärme.rum

Event

EVVX.vent.kyla

Eläckage

Etrans

Efrikyla

Ekyla.vent

Ekyla.rum

Ekyla.H2O

Energy balance, building level

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

110

420

731

041

351

661

972

282

592

810

3111

3412

3713

4014

4315

4616

4917

5218

5519

5820

6121

6422

6723

7024

7325

7626

7927

82

2885

2988

3091

3194

3297

3400

3503

3606

3709

3812

3915

[kW

h]

[h]

Kylvatten

Process 35-25C

Process 80-50C

Excess energy in cooling water

Based upon output: Heat recovery / cooling loops:

• 7/12 C Comfort• 25/35 C Heatpump • 70/50 C District heating

Cooling demand: • 5 MW

Recovery potential:• 30 000 MWh/yr

• 20% high temperature direct to district heating• 80% through heat pump

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

110

420

731

041

351

661

972

282

592

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5218

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5820

6121

6422

6723

7024

7325

76

2679

2782

2885

2988

3091

3194

3297

3400

3503

3606

3709

3812

3915

[kW

h]

[h]

Kylvatten

Process 35-25C

Process 80-50C

Excess energy in cooling water

Energibalans # IN # # UT # kWhel/m2 år

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 0% 6

Event kWh/år 5 299 003 11% 145

EVVX.vent.kyla kWh/år 1 096 0% 0

Eläckluft 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 1310

Total energy balance -800000

-600000

-400000

-200000

0

200000

400000

600000

800000

Linac tunnel Startbyggnad Lab, Verkstad SPF-Hallen Kontor

[kW

h]

Energibalans

Efastighet

Everksamhet

Eprocess.luft

Eprocess.H2O

EVVX.vent.värme

Esol

Evärme.vent

Evärme.rum

Event

EVVX.vent.kyla

Eläckage

Etrans

Efrikyla

Ekyla.vent

Ekyla.rum

Ekyla.H2O

Energy balance, building level

Energy pricesSwedish 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 heatAgreement: Will be calculated monthly according to open book principle

Prediction of energy flows

Year 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025Beamlines 7 10 13 16 18 20 22 24 26 28 30

Year 2015 7 Beamlines 33% 100HzCooling demand 9k 5,3Cooling demand 25k 12,1Cooling demand 50k 5,3



0

5

10

15

20

25

30

35

40

2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026

GW

H ;

pcs

Energy

Beamlines

The Energy CentralThe building: The Heat Pumps:

The Backup:Vibration abatement:

Replaced fuels?

CalculationGrafer utveckling kalkyl 20 år Total Kalkyl 20 år

År 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Totalt Per årIntäkter 1,6 2,2 3,78 0,189Intäkter återvunnen värme 0,0 4,7 6,8 10,0 11,2 12,5 13,3 14,1 15,0 15,9 16,8 17,8 18,8 19,6 20,4 21,2 22,0 22,8 23,6 24,4 310,9 15,5Summa intäkter 0,0 4,7 6,8 10,0 12,9 12,5 13,3 16,3 15,0 15,9 16,8 17,8 18,8 19,6 20,4 21,2 22,0 22,8 23,6 24,4 314,7 15,7UtgifterAnslutningsavgift fjärrvärme 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0 1,0 0,9 0,9 0,9 0,9 0,8 0,8 0,8 0,7 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 16,8 0,8Extra värmekrets 0,7 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 10,9 0,5Alternativkostnad kyltorn och kylmaskin -1,9 -1,8 -1,8 -1,7 -1,7 -1,6 -1,6 -1,5 -1,5 -1,4 -1,4 -1,3 -1,3 -1,2 -1,2 -1,1 -1,1 -1,0 -1,0 -0,9 -28,0 -1,4Alternativkostnad värme -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -4,7 -0,2Grundkostnad (amortering, ränta och byggnadshyra) 0,8 1,4 3,9 5,8 6,4 6,3 6,1 6,0 5,8 5,7 5,6 5,4 5,3 5,2 5,0 4,9 4,7 4,6 4,5 4,3 97,8 4,9Drift och underhåll 0 0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 7 0,4Elkostnad 0 2,1 4,8 6,5 7,4 8,3 8,8 9,4 9,9 10,5 11,1 11,6 12,3 12,6 13,1 13,6 14,1 14,6 15,1 15,6 201,6 10,1Drift av kyltorn 0,0 -0,1 -0,3 -0,3 -0,4 -0,4 -0,4 -0,4 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -9,0 -0,4Drift av kylmaskin 0,0 -0,4 -0,8 -0,9 -1,0 -1,2 -1,3 -1,4 -1,4 -1,5 -1,6 -1,7 -1,8 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -28,4 -1,4Summa kostnader 0,5 2,8 7,3 10,9 12,2 12,8 13,1 13,8 14,1 14,4 14,7 15,1 15,4 15,6 16,0 16,3 16,7 17,1 17,5 17,8 264,0 13,2 MarginalMarginal per år -0,5 1,9 -0,5 -0,8 0,7 -0,3 0,2 2,5 0,9 1,5 2,1 2,7 3,4 4,0 4,4 4,9 5,3 5,7 6,2 6,6 50,7 2,5 19,2%Acc marginal -0,5 1,4 0,9 0,1 0,7 0,4 0,6 3,1 4,0 5,4 7,5 10,2 13,6 17,6 22,1 27,0 32,3 38,0 44,1 50,7 50,7Nuvärdesberäknad marginal per år -0,5 1,7 -0,4 -0,6 0,5 -0,2 0,1 1,4 0,5 0,7 1,0 1,2 1,4 1,5 1,5 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 17,7 0,9 6,7%

LEKAB kalkyl 20 årÅr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Totalt Per år

IntäkterAnslutningsavgift fjärrvärmeledningen 10,8 10,8 0,7Grundavgift 0,8 1,4 3,9 5,8 6,4 6,3 6,1 6,0 5,8 5,7 5,6 5,4 5,3 5,2 5,0 4,9 4,7 4,6 4,5 4,3 97,8 4,9Ersättning kyla 0 1,0 2,3 2,6 3,0 3,3 3,5 3,8 4,0 4,2 4,4 4,7 4,9 5,0 5,3 5,6 5,9 6,2 6,5 6,8 83,0 4,2Ersättning fjärrvärme 0,3 0,4 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 3,2 0,2Värde återvunnen värme 0 2,4 3,4 5,0 5,6 6,2 6,6 7,1 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 7,8Summa intäkter + värde återvunnen värme 11,9 5,2 9,8 13,6 15,1 16,0 16,4 16,9 17,4 18,0 18,5 19,1 19,7 20,1 20,7 21,2 21,8 22,4 22,9 23,5 350,3 17,7UtgifterUtbyggnad av Fjvledning 10,8 10,8 0,7

Amortering (utgår fr nuv kapitalbas) 0,0 0,3 1,5 2,4 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 51,9 2,6Ränta (STIBOR 3 mån + 3 %) 0,0 0,3 1,5 2,5 2,5 2,4 2,2 2,0 1,9 1,7 1,6 1,4 1,3 1,1 0,9 0,8 0,6 0,5 0,3 0,2 25,8 1,3Byggnadshyra (bedömd hyreskostnad) 0,8 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,1 1,1 1,1 1,1 1,2 1,2 1,2 20,0 1,0Summa Grundkostnad/-avgift 0,8 1,4 3,9 5,8 6,4 6,3 6,1 6,0 5,8 5,7 5,6 5,4 5,3 5,2 5,0 4,9 4,7 4,6 4,5 4,3 97,8 4,9

Drift och underhåll (bedömd) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 7 0,4Elkostnad 0 2,1 4,8 6,5 7,4 8,3 8,8 9,4 9,9 10,5 11,1 11,6 12,3 12,6 13,1 13,6 14,1 14,6 15,1 15,6 201,6 10,1Summa rörliga kostnader 0 2,1 4,9 6,6 7,5 8,4 8,9 9,9 10,4 11,0 11,6 12,1 12,8 13,1 13,6 14,1 14,6 15,1 15,6 16,1 208,6 10,4

Summa kostnader 11,6 3,6 8,7 12,4 13,9 14,7 15,0 15,9 16,3 16,7 17,1 17,6 18,0 18,3 18,6 19,0 19,4 19,7 20,1 20,5 317,2 16,0 MarginalMarginal per år 0,3 1,6 1,1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,7 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 33,1 1,7 10,3%Acc marginal 0,3 1,9 2,9 4,1 5,3 6,6 8,0 9,0 10,2 11,5 12,9 14,4 16,1 17,9 19,9 22,2 24,6 27,2 30,1 33,1Nuvärdesberäknad marginal per år 0,3 1,4 0,9 0,9 0,9 0,9 0,8 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 14,8 0,7 4,2%

MAX Kalkyl 20 årÅr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Totalt Per år

IntäkterIntäkt återvunnen värme 0 2,4 3,4 5,0 5,6 6,2 6,6 7,1 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 7,8Kickback anslutningsavgift fjärrvärme 1,6 2,2 3,78 0,189Summa intäkter 0,0 2,4 3,4 5,0 7,2 6,2 6,6 9,2 7,5 7,9 8,4 8,9 9,4 9,8 10,2 10,6 11,0 11,4 11,8 12,2 159,3 8,0UtgifterAnslutningsavgift fjärrvärme 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0 1,0 0,9 0,9 0,9 0,9 0,8 0,8 0,8 0,7 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 16,8 0,8Extra värmekrets 0,7 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 10,9 0,5Alternativkostnad kyltorn och kylmaskin -1,9 -1,8 -1,8 -1,7 -1,7 -1,6 -1,6 -1,5 -1,5 -1,4 -1,4 -1,3 -1,3 -1,2 -1,2 -1,1 -1,1 -1,0 -1,0 -0,9 -28,0 -1,4Alternativkostnad värme -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -4,7 -0,2Grundavgift 0,8 1,4 3,9 5,8 6,4 6,3 6,1 6,0 5,8 5,7 5,6 5,4 5,3 5,2 5,0 4,9 4,7 4,6 4,5 4,3 97,8 4,9Ersättning kyla 0,0 1,0 2,3 2,6 3,0 3,3 3,5 3,8 4,0 4,2 4,4 4,7 4,9 5,0 5,3 5,6 5,9 6,2 6,5 6,8 83,0 4,2Intäkt återvunnen värme 0,3 0,4 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 3,2 0,2Drift av kyltorn 0,0 -0,1 -0,3 -0,3 -0,4 -0,4 -0,4 -0,4 -0,5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -0,6 -9,0 -0,4Drift av kylmaskin 0,0 -0,4 -0,8 -0,9 -1,0 -1,2 -1,3 -1,4 -1,4 -1,5 -1,6 -1,7 -1,8 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9 -28,4 -1,4Summa kostnader 0,8 2,0 5,0 7,0 7,8 7,9 7,8 7,8 7,8 7,7 7,7 7,7 7,7 7,6 7,8 8,0 8,1 8,3 8,5 8,7 141,7 7,1 MarginalMarginal per år -0,8 0,4 -1,6 -2,0 -0,5 -1,6 -1,2 1,4 -0,3 0,2 0,7 1,2 1,7 2,2 2,4 2,6 2,9 3,1 3,3 3,5 17,6 0,9 12,4%Acc marginal -0,8 -0,5 -2,1 -4,0 -4,6 -6,2 -7,4 -5,9 -6,2 -6,0 -5,4 -4,2 -2,5 -0,3 2,1 4,8 7,6 10,7 14,1 17,6Nuvärdesberäknad marginal per år -0,8 0,3 -1,3 -1,5 -0,4 -1,1 -0,7 0,8 -0,2 0,1 0,3 0,5 0,7 0,8 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 2,9 0,1 1,8%

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920

Summa intäkter

Summa kostnader

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Summa intäkter +värde återvunnenvärme

Summa kostnader

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Summa intäkter

Summa kostnader

Calculation MAX-labDistrict 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

Cooling and Heat Recovery at the Max IV Research Facility.

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