High Temperature Heat Pumps in Integrated Energy Systems

Abstract

Denne oppgaven er en del av første trinn i prosjektet project «Key technologies and demonstration of combined cooling, heating, and power generation for low-carbon neighborhoods/buildings with clean energy – ChiNoZEN». En modell av en to-trinns høytemperaturs varmepumpe som bruker ammoniakk som arbeidsmedium har blitt laget. Varmepumpen består av to kompressorer koblet parallelt, to kondensatorer, en akkumulator, en ekspansjonsventil og en fordamper. Varmepumpen er en del av et integrert energisystem som i tillegg består av solcellepaneler, et batteri for laging av elektrisk energi, et varmebatteri og fjernvarme. Hele energisystemet ble modellert, og driften over et år ble simulert for tre ulike lokasjoner: De kinesiske byene Shanghai, Lanzhou og Beijing. Verdier for varmeetterspørsel, varmepumpens kapasitet, tilgjengelig strøm og tilgjengelig varme i varmebatteriet ble regnet ut for hver time. Driften av varmepumpen i den aktuelle timen ble deretter bestemt basert på etterspørsel og tilgjengelig strøm og varme. COP for varmepumpen er 3,55, fordampingstemperatur er 96°C og den opererer med et temperaturløft på opptil 72°C. Varmepumpen har en maksimal kapasitet på 255,7 kW, og varmebatteriet har en maksimal lagringskapasitet på 1000 kWh.

Resultatene fra simuleringene viste at driften av systemet var relativt lik i alle de tre byene i perioder med høye temperaturer og store mengder stråling fra sola. I disse periodene var det lite behov for varme. I perioder med lavere temperaturer var varmeetterspørselen høyere i Lanzhou og Beijing enn i Shanghai. Varmepumpen opererte med fullast når det var mulig, forutsatt at varmelageret ikke var fullt. Hvis varmelageret var fullt, ble varmepumpen slått av frem til varmelageret var tomt igjen. De gangene det ikke var nok tilgjengelig strøm for at varmepumpen kunne gå på fullast, gikk den på dellast.

Kondensatortemperaturene holdt seg relativt stabile gjennom året, men ble redusert hver gang varmepumpen opererte med dellast. Dette førte til en lavere utgående vanntemperatur på vannet som ble varmet opp av kondensatoren. Varmepumpens virkningsgrad økte når varmepumpen opererte med dellast, sannsynligvis som følge av lavere kondensatortemperaturer og dermed et mindre temperaturløft. Årlig COP for varmepumpen var høyere enn total årlig virkningsgrad for systemet i alle de tre byene. Det er grunnet tap i varmebatteriet.

Det integrerte energisystemet lyktes i å dekke varmebehovet for mesteparten av året, men alle byene opplevde perioder der behov var større enn tilgjengelig varmekapasitet. Dette skjedde fordi varmepumpen ikke alltid kunne operere til tross for stor etterspørsel, fordi det ofte ikke var nok strøm tilgjengelig til å drive varmepumpen. Videre var kapasiteten på både varmebatteri og elektrisk batteri for lav til å kunne gi en jevn mengde varme gjennom perioder med lave temperaturer og høy etterspørsel.

Det ble observert at solcellepanelene bør ha et større areal enn de har i denne simuleringen, slik at de kunne produsere mer elektrisk energi. Eventuelt kan en sekundær strømkilde kobles til systemet. I tillegg må kapasiteten på både elektrisk batteri og varmebatteri økes slik at nok energi alltid er tilgjengelig til å drive kompressoren og til å supplere varme til fjernvarmeanlegget. Verdiene til variabler som massestrøm i tillegg til faste verdier som kompressorstørrelse og areal til varmevekslere bør også optimaliseres for å øke systemets virkningsgrad.

This thesis is a part of the first stage in the project «Key technologies and demonstration of combined cooling, heating, and power generation for low-carbon neighborhoods/buildings with clean energy – ChiNoZEN». An integrated energy system consisting of a PVT-system, a battery for electrical power, a thermal energy storage system, a high-temperature heat pump, and district heating was modelled in Matlab. The heat pump consisted of two compressors installed in parallel, as well as two condensers. The operation of the system was simulated over the course of one year for three Chinese cities: Shanghai, Lanzhou, and Beijing. For every hourly iteration, the heat demand, available electrical power, and available energy in the thermal energy storage system were compared, and the operational mode of the heat pump was decided based on the results. The high-temperature heat pump used Ammonia as its refrigerant and achieved a COP of 3.55, a condensation temperature of 96°C and a temperature lift of 72°C. The heat pump had a maximum capacity of 255.7 kW, and the thermal storage had a maximum capacity of 1000 kWh.

The results from the simulations showed that the system behaved similarly in the three cities during the summer months when temperatures were high and there was little or no demand for space heating. In the colder months, the heat demand in Lanzhou and Beijing was higher than in Shanghai. The heat pump operated on full load providing the thermal energy storage had not reached full capacity. However, when the power supply was insufficient for full load operation, the heat pump operates don part load. It was shut off when the maximum capacity of the thermal energy storage was reached.

The temperatures in the condensers remained relatively constant throughout the year, but a reduction in condenser temperature was observed during part load operation of the heat pump. This led to a lower heat sink temperature. The COP of the system increased during part load operation, likely due to the reduction in condenser temperatures and therefore lower temperature lifts. The annual average heat pump COP was higher than the annual system efficiency for all three cities. This was due to losses in the thermal energy storage system.

The system was able to provide sufficient heat to cover demand for most of the year, although some heat shortages were observed for all three cities during the winter months. The heat shortages happened because of periods with insufficient power to operate the heat pump, so the heat pump was shut off in spite of a high heat demand. The capacities of the thermal and electrical energy storage systems were not high enough to provide a stable heat supply in the periods with high heat demand.

It was found that the area of the PV panels should be increased to produce more power so that the heat pump operation would not be limited by lack of available power. An alternative power source could also be installed to provide more power. Furthermore, the capacity of the battery storage and the thermal energy storage should be increased to provide a more stable supply of heat and electric power than the system currently experiences. Lastly, heat pump parameters such as mass flow rates and size of compressors and heat exchangers should be optimized to increase the overall efficiency.