Olika UV-aggregats variation i energieffektivitet

I en nyligen publicerad artikel beskrivs energieffektiviteten för UV-desinfektion, applicerad på ÖNORM-certifierade UV-aggregat med lågtryckslampor. Författarna visar att det är en stor spridning i energieffektivitet för installationer med lika förutsättningar avseende UV-T värde (mängden UV-ljus som passerar ett vattenprov jämfört med mängden UV-ljus som passerar ultrarent vatten, utryckt i %). Det s.k. SPC-värdet (Specific Power Consumption) skiljer stort för certifierade anläggningar, mellan 3,2 och 7,0 ggr beroende på vilket UVT värde som de jämförs vid. Artikelförfattarna visar på möjligheten att vid design av nya anläggningar använda metoden för att förbättra driftsekonomi och bidra till minskade CO2 utsläpp.

Av: Thor Wahlberg

För UV-aggregat visar ett biodosimetriskt test det maximala tillåtna flödet för en UV-dos som avdödar en mikrob, med garanterad 4-log avskiljning. I ett sådant test värderas också förbrukningen av el. Detta ger möjligheter att beräkna energieffektiviteten för olika UV-aggregat utifrån UV-T värden. Energiåtgången kan också mätas på plats i en färdig installation. Förutom vattnets UV-T värde påverkar t.ex. beläggningar på aggregatets insida, på glas och på sensor.  I den biodosimetriska testmetoden utgår man från UV-bestrålningen i slutet på lampans livslängd.

Ett förenklat sätt att beräkna energieffektiviteten är förhållandet mellan UV-C* bestrålningen (utryckt i W) och energiåtgången för lampan (utryckt i W). I aggregatet påverkas UV-strålningen av temperatur, av lampans åldrande och beläggningar på glaset. Det senare undviks genom rengöring.

Tills nu har en jämförelse mellan olika UV-aggregat och deras energieffektivitet inte varit enkel då det är flera faktorer att ta hänsyn till. T.ex. antal lampor och vilket UV-T värde aggregatet är designat för. I denna artikel visas på en metod att beräkna och jämföra UV-aggregats energieffektivitet för olika lågtryckslampsystem som alla uppfyller Österrikiska ÖNORM M5873-1.

Hur har man då gått tillväga och vad kan resultaten användas till?

Ett resultat av det biodosimetriska testet är att UV-aggregat får ett tillåtet arbetsområde. Det består av UV-T värden som funktion av flödet. I resultatet beaktas minskad emittans (utstrålad effekt per ytenhet, W/m²) pga lampans(-ornas) åldrande och en osäkerhetsfaktor för UV-sensorn (mäter mängden ljus vid 254 nm).

Elenergiförbrukningen för en UV-installation omfattar lampa(or), ballastkort, övervaknings och styrenheter, UV-sensor och fläkt i el- och styrskåp. Det omfattar inte elenergi för pumpar och flödesreglering. Från testcentra kan man erhålla dessa uppgifter. Elenergin kan också mätas och loggas på plats med en s.k. TRMS mätning.

Den specifika elenergiförbrukningen (SPC – specific power consumption) är den elenergi (P) som är nödvändig för att desinficera 1 m³ vatten med ett bestämt UVT-värde (bestämt genom en minsta UV-dos** på 400 J/m² ÖNORM M5873-1). Ekvationen ställs upp som är SPC(UVT) = P / Q(UVT) och har enheten Wh/m³.

I de sammanställningar som redovisas i artikeln har författarna utgått från anläggningar med tillförlitliga mätningar av elenergin (P), testade under samma protokoll ÖNORM M5873-1 för dricksvatten och med lågtryckslampor.

Resultat redovisas från 63 undersökta vattenverk fördelade på 13 olika tillverkare och placerade i 9 olika länder. I dessa anläggningar förekom UV-aggregat från en upptill tjugoen lampor alla med en elenergiförbrukning från 41 W upp till 560 W per lampa. Givna och beräknade värden för UV-C effektivitet varierade från 0,31 till 0,41. Den total elenergiåtgången för de 63 anläggningarna låg mellan 47 W och 13kW och flödet mellan 0,9 m³/h och 1 549 m³/h. Anläggningarna var designade för UV-T_{(10 mm)} värden mellan 69% upptill 99%. När resultaten visas i ett diagram konstaterar författarna att SPC-värdet (UV-T plottas som funktion av SPC) ökar exponentiellt med minskade UV-T. Dessutom kan observeras att den mest effektiva anläggningen vid UV-T_{(10 mm)} 79,4% kan desinficera mer vatten per tidsenhet än den sämsta vid UV-T_{(10 mm)} 97,8%.

Vattnets UV-T värde påverkar SPC starkt då SPC ökar exponentiellt med minskade UV-T värden. Därför kan en mindre underskattning av UV-T leda till en relativ hög energiförlust.  Det är mycket viktigt att man undersöker UV-T värden i det vatten som skall beredas för att välja rätt utrustning.

Det visades också att det är en stor variation i SPC värden för givet UV-T värde. En förklaring är att det skiljer i effektiviteten att omvandla elenergi till UV-C strålning. SPC kan variera upptill 25 % pga. av detta. En ytterligare bidragande orsak är tillverkare definierar lampans strålning i slutet av dess livslängd olika. Det finns exempel på värden från 65 % till 85 % av den ursprungliga strålningen. Ett betydligt mindre bidrag är mätosäkerhet för sensorn. Där reglerar ÖNORM vad som är en tillåten avvikelse.  Om alla dessa faktorer beaktas kan SPC för en anläggning variera med upptill en faktor 2,0.  Detta är mindre än vad som observerats. I artikeln visas på en faktor mellan 3,2 och 7,0 för SPC vid ett givet UV-T. Det betyder att ytterligare faktor påverkar. Artikelförfattarna pekar här på olika effektivitet av hydraulisk strömning och bestrålning av mikrober i UV-aggregatens strålkammare.  

Slutsatser

Vid all upphandling av UV-aggregat bör krav ställas på redovisning av den specifika energiförbrukningen. En kommande energideklaration likt vad som finns för konsumentprodukter borde vara något som certifierande myndigheter borde gå i bräschen för. Det finns sådana system på andra marknader inom EU. För den VA-organisation som handlar upp UV-aggregat ligger det närmast till hands att vara noga med förutsättningarna, dvs vattnets egenskaper i forma av UV-T värden och hur de varierar i beredningen.

*)Det finns tre typer av UV-strålning som kategoriseras av ljusets våglängd: UVA, UVB och UVC. UVC är den energirikaste strålningen i våglängdsområdet 100 – 280 nm.

**)UV-dos avses hur mycket UV-ljus en viss punkt (exempelvis en bakterie) i vattnet utsatts för när vattnet passerat genom ett UV-aggregat. 

Källa: Alois W. Schmalwieser, Georg Hirschmann, Alexander Cabaj and Regina Sommer – Method to determine the power efficiency of UV disinfection plants and its application to low pressure plants for drinking water. Water Science & Technology: Water Supply 17.4.2017 s 947 – 957

Hela artikeln går att köpa här.