Utilization of seawater heat pumps in buildings : system energy study of heating & cooling performance
Aalto, Petteri (2021)
Diplomityö
Aalto, Petteri
2021
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060232802
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021060232802
Tiivistelmä
In this master’s thesis is a seawater heat pump (SWHP) system’s heating & cooling performance studied in buildings. A simulation model of the system is created in IDA ICE, where real performance data for heat pumps, circulation pumps, and seawater heat exchangers are implemented. The created system consists of both heat pumps and district heating and is compared to a district heating-only system, where system performance, life cycle costing and emissions are examined. Authorization of these systems requires a Water Permit from the Regional State Administrative Agency (AVI). No substantial issues to get a permit was noticed. The only issue can be with lakes, where the size, hydrology, and social activities may impact the permit approval.
Two ways of utilizing seawater were recognized: open- and closed-loop, where open-loop generally use a separate heat exchanger and closed-loop consist of a collector pipe anchored on the bottom of the waterbody. Corrosion, fouling, and freezing risks are higher in an open-loop configuration. By choosing proper steel materials and intake filtration can these issues be resolved to a certain extent. Freezing risk is highest during wintertime when seawater temperatures are low. Methods for decreasing the risk are by enabling a high mass flow rate and adequate pressure loss in the primary side of the heat exchanger. These features provide high turbulent flow and enable great shear force in the heat exchanger.
The studied case was a generic 14 400 k-m2 residential building block with a heating demand of 1225 MWh and 45 MWh of cooling demand. The heat pumps contributed to the total heating demand with a 77 % energy coverage and 89 % of the cooling demand was covered by free cooling. The LCC analysis resulted to be more beneficial for the SWHP system. The payback time was 11,6 years and the system had significantly lower CO2 emissions. The system performance studied in this work seems promising from a perspective to produce cleaner energy. Tässä diplomityössä tarkasteltiin merivesilämpöpumppujärjestelmän suorituskykyä rakennusten lämmityksessä & jäähdytyksessä. Järjestelmästä tehtiin simulointimalli IDA ICE-ohjelmalla, jossa käytettiin oikeita suorituskykyarvoja järjestelmän pääkomponenteissa. Malli koostui lämpöpumppujen ja kaukolämmön yhteiskäytöstä, jota vertailtiin pelkkään kaukolämpöjärjestelmään tarkastelemalla suorituskykyä, elinkaarikustannuksia ja syntyneitä päästöjä. Työssä tutkittu järjestelmä vaatii vesiluvan, jonka aluehallintovirasto myöntää. Merkittäviä haasteita järjestelmän toteuttamisessa ei ilmaantunut. Ainoa huomio on vesistöjen kanssa, missä alueen koko, hydrologia ja sosiaaliset aktiviteetit voivat herkemmin vaikuttaa luvan saamiseen.
Kaksi menetelmää hyödyntää merivettä ovat avoimella ja suljetulla kierrolla. Avoimessa kierrossa käytetään yleensä erillistä lämmönvaihdinta. Suljetussa kierrossa on keruuputkisto ankkuroitu vesilähteen pohjaan. Avoimessa kierrossa korroosio, likaantuminen ja jäätymisriski ovat suuremmat. Näitä ongelmia voidaan ehkäistä käyttämällä korroosiota kestäviä materiaaleja ja imupuolen suodatusta. Ratkaisuja jäätymistä vastaan on korkea meriveden massavirta ja painehäviö, joka tekee virtauksesta turbulenttista ja mahdollistaa suuret leikkausvoimat vaihtimessa. Jäätymisriski on suurimmillaan talvella, kun meriveden lämpötila on alhaisimmillaan.
Työssä tarkasteltiin 14 400 k-m2 kokoista geneeristä asuinkerrostalokorttelia, jonka kokonaisenergiatarve oli 1225 MWh lämmitykselle ja 45 MWh jäähdytykselle. Lämpöpumppujen energiapeitto oli 77 % lämmitystarpeesta ja jäähdytyksen energiatarve tuotettiin 89 % vapaajäähdytyksen avulla. Elinkaarikustannusten tulokset osoittivat merivesipumppujärjestelmän kannattavaksi. Takaisinmaksuajaksi saatiin 11,6 vuotta ja tuotannosta syntyneet päästöt olivat huomattavasti alhaisemmat. Kyseisen järjestelmän suorituskyky vaikuttaa lupaavalta puhtaamman energiantuotannon näkökulmasta.
Two ways of utilizing seawater were recognized: open- and closed-loop, where open-loop generally use a separate heat exchanger and closed-loop consist of a collector pipe anchored on the bottom of the waterbody. Corrosion, fouling, and freezing risks are higher in an open-loop configuration. By choosing proper steel materials and intake filtration can these issues be resolved to a certain extent. Freezing risk is highest during wintertime when seawater temperatures are low. Methods for decreasing the risk are by enabling a high mass flow rate and adequate pressure loss in the primary side of the heat exchanger. These features provide high turbulent flow and enable great shear force in the heat exchanger.
The studied case was a generic 14 400 k-m2 residential building block with a heating demand of 1225 MWh and 45 MWh of cooling demand. The heat pumps contributed to the total heating demand with a 77 % energy coverage and 89 % of the cooling demand was covered by free cooling. The LCC analysis resulted to be more beneficial for the SWHP system. The payback time was 11,6 years and the system had significantly lower CO2 emissions. The system performance studied in this work seems promising from a perspective to produce cleaner energy.
Kaksi menetelmää hyödyntää merivettä ovat avoimella ja suljetulla kierrolla. Avoimessa kierrossa käytetään yleensä erillistä lämmönvaihdinta. Suljetussa kierrossa on keruuputkisto ankkuroitu vesilähteen pohjaan. Avoimessa kierrossa korroosio, likaantuminen ja jäätymisriski ovat suuremmat. Näitä ongelmia voidaan ehkäistä käyttämällä korroosiota kestäviä materiaaleja ja imupuolen suodatusta. Ratkaisuja jäätymistä vastaan on korkea meriveden massavirta ja painehäviö, joka tekee virtauksesta turbulenttista ja mahdollistaa suuret leikkausvoimat vaihtimessa. Jäätymisriski on suurimmillaan talvella, kun meriveden lämpötila on alhaisimmillaan.
Työssä tarkasteltiin 14 400 k-m2 kokoista geneeristä asuinkerrostalokorttelia, jonka kokonaisenergiatarve oli 1225 MWh lämmitykselle ja 45 MWh jäähdytykselle. Lämpöpumppujen energiapeitto oli 77 % lämmitystarpeesta ja jäähdytyksen energiatarve tuotettiin 89 % vapaajäähdytyksen avulla. Elinkaarikustannusten tulokset osoittivat merivesipumppujärjestelmän kannattavaksi. Takaisinmaksuajaksi saatiin 11,6 vuotta ja tuotannosta syntyneet päästöt olivat huomattavasti alhaisemmat. Kyseisen järjestelmän suorituskyky vaikuttaa lupaavalta puhtaamman energiantuotannon näkökulmasta.