Integration of high temperature heat pumps with natural working fluids into a neighborhood energy system

Abstract

Det er flere eksisterende teknologier som er tilgjengelig for anvendelse av høytemperatur varmepumper. Høytemperatursvarmepumper kan brukes til varmtvannsberedning og romoppvarming. De kan også brukes til industrielle formål for å øke systemeffektiviteten ved å bruke overskuddsvarme fra spillvann til å levere varme ved høyere temperaturer for industrielle prosesser. Økt bruk av varmepumper kan redusere klimagassutslipp betydelig og redusere avhengigheten av fossilt brensel. Likevel, er det fortsatt noen utfordringer som begrenser bruken av høytemperatursvarmepumper.

Valg av kjølemedie for varmesyklusen spiller en sentral rolle for temperaturøkningen et system kan oppnå. Kigali-endringene har begrenset bruken av flere typer kjølemedier som har vist seg å ha negative påvirkninger på ozonlaget, samt øke det globale oppvarmingspotensialet. Derfor har oppmerksomheten rundt naturlige kjølemedier økt enormt de siste tiårene. Stadig voksende kompressorteknologier vil fortsette å innta fremtidens marked, bryte gamle grenser og skyve grensene for at systemene kan nå enda høyere temperaturer.

Å kombinere varmepumper med andre fornybare energikilder, f.eks. solenergi, termiske solfangere, solcelleanlegg og energilagringssystemer kan bidra til vekst av fremtidige nullutslippssamfunn. Likevel, mangler det fortsatt nok erfaring og kunnskap fra praktiske eksempler for å integrere komponentene på en svært effektiv måte. I denne oppgaven er det utført et omfattende litteraturstudie for å samle all nødvendig informasjon om varmepumper for applikasjoner med høy til middels temperatur, så vel som viktige elementer som kan påvirke varmepumpens ytelse. I tillegg har integrasjon av varmepumper for et reelt case-studiesystem i Norge, som forsyner et lite nabolag med energi til oppvarming og kjøling blitt nærmere undersøkt. Hovedkomponentene i casestudiesystemet er varmepumper, platevarmevekslere, solcellefangere, vannlagringstanker og lagring av termisk energi. Flere muligheter for å integrere varmepumper med naturlige kjølemedier ble evaluert i casestudiet. Dynamiske simuleringer basert på modelleringsspråket Modelica ble utført for å analysere ytelsen til komponenten og systemmodellene for termisk energiforsyning.

There are several existing technologies available for high temperature applications. High temperature heat pumps (HTHP) can be used for domestic hot water heating and space heating. HTHPs can also be used for industrial purposes to increase the system efficiencies, by utilizing low-grade waste heat to deliver heat at higher temperatures for industrial processes. Increased use of heat pumps can significantly reduce greenhouse gas emissions, and reduce the dependency on fossil fuels. However, there are still some challenges which limits the use of HTHPs.

The choice of refrigerant for the heating cycle plays a key role in the temperature lift a system can achieve. The Kigali-amendment has restricted the use of several types of working fluids, which have been found to have negative impacts on the ozone and increasing the global warming potential (GWP). Hence, the attention on natural working fluids has increased tremendously in the last decades. Emerging compressor technologies and new refrigerants will continue to enter the future market, break old boundaries, and push the limits of the systems to reach higher system efficiencies. Combing HTHPs with other renewables, e.g. solar thermal collectors, photovoltaics (PV) and energy storage systems can contribute to the growth of future zero-emission societies. However, there is still a lack of real-life examples and knowledge to successfully integrate the components in a highly efficient way.

In this thesis a comprehensive literature study has been performed to gather all needed information on heat pumps for high- to medium-temperature applications, as well as key elements that may affect the heat pump performance. Additionally, it investigates HP integration for a real case-study system in Norway, which supplies a small neighborhood with energy for heating and cooling. The main components of the case-study system are heat pumps, plate heat exchangers, flat plate solar collectors, water storage tanks, and borehole thermal energy storage. Several possibilities for integrating HPs with natural working fluids into the case-study system were evaluated. Dynamic simulations based on the modeling language Modelica were conducted to analyze the performance of the component and system models for thermal energy supply.