| dc.description.abstract | Fyret Flerbrukshus gir innbyggerne på øya Jøa, nord i Trøndelag, et samlingspunkt med muligheter formangfoldig bruk. Bygget stod ferdig i 2017 og bruker moderne løsninger innenfor alle tekniske fasiliteter. En CO2-varmepumpe brukes til oppvarming av tappevann og romoppvarming. Tappevannet varmes opp fra 10°C til 70°C. Energien fra varmepumpen som går til romoppvarming leverer varme til en nærliggende skole og en rekke formål innad i bygget. Skolen har et høytemperaturs oppvarmingssystem og bruker originalt en oljekjel som energikilde. For å levere varme til skolen må varmepumpen operere med 60°C som tur, mens returtemperaturen ligger på 32°C. CO2 egner seg spesielt som arbeidsmedium ved oppvarming av vann med høyt temperaturløft. Fordelene med CO2 er at det har gode termodynamiske egenskaper, lav GWP-verdi sammenlignet med HFK-medier og er verken giftig eller brennbart. I varmepumper til oppvarming av tappevann benytter en CO2-varmepumpe seg av en transkritisk prosess. I gasskjøleren er CO2 i superkritisk tilstand. Derfor avgir CO2 varme ved synkende temperatur gjennom gasskjøleren hvilket gir god temperaturtilpasning i gasskjøleren og gjør at CO2 egner seg godt til oppvarming av tappevann. For at CO2 skal gi effektfaktor (COP) som arbeidsmedium er det viktig at arbeidsmediet kjøles godt ned i gasskjøleren. Ved temperaturer over 30°C etter gasskjøleren faller COP betydelig. Andre viktige faktorer som spiller inn med tanke på COP er fordampningstemperatur, gasskjølertrykk og kompressorens isentropiske virkningsgrad. Gasskjølertrykket er også viktig med tanke på temperaturtilpasningen i gasskjølerne.
Varmekildene til varmepumpen i Fyret Flerbrukshus er geotermiske brønner og parkeringsplassen utenfor bygget. Parkeringsplassen leverer varme som solfanger om sommeren og ved kjøling av skøytebanen som dekker parkeringsplassen om vinteren. Systemet er designet for å dumpe varme i de geotermiske brønnene ved energioverskudd fra solfangerne. Dette er nødvendig for å opprettholde energibalanse i de geotermiske brønnene over tid. På grunn av tekniske problemer er ikke systemet med parkeringsplassen i bruk. Varmepumpen bruker et design som er lite utprøvd i denne skalaen. Den har 3 gasskjølere i serie som skal kunne gi god COP ved samtidig oppvarming av tappevann og vann til romoppvarming. I løpet av perioden 01.10.18 – 01.10.19 leverte varmepumpen 238 MWh til romoppvarming og 7 MWh til tappevann. Denne fordelingen er mye mindre varme til tappevann enn det som er anbefalt for denne typen gasskjølerkonfigurasjon. I tillegg til den lave andelen energi til tappevann stemmer temperaturnivåene for romoppvarming dårlig med forutsetningene lagt til grunn for dette designet i Natural Refrigerant CO2, Module 5, Stene.
Varmepumpen hadde en COP et sted mellom 2.55 og 3.17, mest sannsynlig rundt 2.68, men det er stor usikkerhet knyttet til disse verdiene. Siden kompressorens strømforbruk ikke blir målt er disse verdiene basert på temperaturmålinger fra anlegget som igjen er brukt til utregning av massestrøm og strømforbruk. Returtemperaturen på vannet fra romoppvarming må være lavest mulig for å oppnå høy COP. Den avhenger av forholdet mellom energi levert til skolen og energiforbruket i bygget. Spesielt energiforbruket til gulvvarme er viktig siden det opererer ved lave temperaturer. Av energien til romoppvarming gikk 38.6 % til skolen. Ved å redusere energimengden levert til skolen vil varmepumpen få bedre arbeidsforhold, men dette må sees i sammenheng med de reduserte CO2-utslippene som følger av å redusere skolens behov for fyring med oljekjel. Som en del av denne oppgaven er det utviklet en modell av anlegget for å simulere effekten av ulike tiltak for forbedring av COP. Modellen er basert på en kombinasjon av termodynamiske prinsipper og data fra produsenten av kompressoren. Den har spesielt to svakheter som påvirker resultatene. Det ene er at kompressormodellen er upresis ved høy temperatur før kompressoren. Dette er mest aktuelt i romoppvarmingsmodus. Den andre svakheten er antagelsen om mettet gass etter lavtrykksbeholderen. Dette er mest aktuelt ved kombinert drift eller kun tappevann. Likevel antyder resultatene noen slutninger som kan trekkes fra simuleringene.
Både måle data og simuleringene viser at det er vanskelig å oppnå ønsket temperatur til både tappevann og romoppvarming ved kombinert drift for disse temperaturnivåene. Ved kombinert drift er temperaturen på vannet til romoppvarming typisk 45 til 50°C.
Optimalt gasskjølertrykk er forskjellig for de tre driftsmodusene. For å oppnå høyest mulig årsvarmefaktor er det viktigst at romoppvarmingsmodus har optimalt gasskjølertrykk.
Å bruke skøytebanen som varmekilde om vinteren vil gi en økning i COP siden varmen fra skøytebanen også regnes om nyttig, men i romoppvarmingsmodus er det fare for høye utløpstemperaturer fra kompressoren. | |
| dc.description.abstract | Fyret multi-sport facilities provide a meeting point for the inhabitants of the island Jøa, off the coast of central Norway. Completed in 2017, the building utilises modern technology and solutions within all aspects of the building. A CO2 heat pump is the heart of the heating plant. It delivers heat to space heating with a temperature lift of 32 to 60 °C and tap water heating with a temperature lift of 10 to 70 °C. The space heating is distributed to multiple appliances in the building itself and the high temperature heating system of a nearby school which originally is heated by an oil-fired heater. Having good thermodynamical properties, low GWP compared to HFC-fluids and being neither flammable nor poisonous, CO2 is especially suitable as a working fluid in cases with a high temperature lift. This heat pump utilises a transcritical process where the CO2 is in a supercritical state in the gas coolers. As a result of the supercritical state, the CO2 will eject the heat with reducing temperature through the gas coolers, allowing a good temperature fit in the gas coolers. Low temperature of the CO2 after the gas coolers is important to achieve high COP with CO2 as the working fluid. If this temperature rises above 30 °C, the COP will be reduced significantly. Other factors affecting the COP are the evaporator temperature, the isentropic efficiency of the compressor and the gas cooler pressure. The gas cooler pressure will also influence the temperature fit in the gas coolers. The heat pump system is designed to use two heat sources, a geothermal well and the parking lot of the building. The parking lot serves two purposes. In the summer, it will act as a solar heat collector and in the winter, it is turned into an ice rink that is cooled by the evaporator side of the heat pump. In case of a surplus in heat from the solar heat collector, the extra heat will be used to charge the geothermal well. However, only the geothermal well is used due to technical problems with the other part of the system. In the heat pump, three gas coolers are deployed in a serial configuration to achieve simultaneous heating of tap and space heating water. This a pilot design at this scale. During the period of 01.10.18 – 01.10.19 the heat pump delivered 238 MWh to space heating and 7MWh to tap water. This amount of heat to tap water is well below the share recommended for this gas cooler configuration. The temperature lift for space heating is also a lot higher than the values discussed in Natural Refrigerant CO2, Module 5, Stene.
During the period of the collected data, the heat pump had a COP between 2.55 and 3.17, most likely around 2.68. However, this value is subject to great uncertainty. The return temperature of the water from space heating must be as low as possible to achieve high COP. This temperature is decided by the ratio between heat delivered to space heating of the school and the building. Operating at the lowest temperature of all the appliances, the floor heating in the building is especially important in order to reduce the return temperature. The school counted for 38.6 % of the space heating heat. Reducing this ratio will improve the working conditions of the heat pump, but this will increase the need for heating with the oil-fired heater in the school and therefore contribute to increased CO2 emissions. A model has been developed to investigate the consequences of measures which could increase the COP of the heat pump. The results of the simulations suffer from two weaknesses in the model. For one, the accuracy of the compressor model is reduced at high temperatures before the compressor, which applies to most simulations of space heating. The assumption of saturated gas after the low-pressure receiver represents the second weakness. This mostly affects the results for combined and tap water operation. The results do still provide some guidelines.
Both measurements and simulations show that it is hard to achieve the desired temperatures for both space heating and tap water heating in combined operation at these temperature levels.
The optimal gas cooler pressure differs between the three operation modes. To achieve the highest possible seasonal coefficient of performance, maintaining the optimal gas cooler pressure for space heating mode will the most important of the three modes.
Using the ice rink as a heat source will increase the COP, as the heat from the ice rink also will be counted as useful. However, this might lead to high discharge temperatures from the compressor when in space heating mode. | |
