Analyse av varmepumpeanlegg i nærvarmesystem

Abstract

På Tomasjordnes i Tromsø bygges det nå et boligfelt der varmebehovet til romoppvarming og varmtvann blir dekket av et nærvarmeanlegg. Varmesentralen har installert én gasskjel og én elektrokjel. I forbindelse med bygging av et nytt renseanlegg 500 meter sør for boligfeltet planlegges det å utnytte varmen avløpsvannet som grunnlastkilde i nærvarmeanlegget ved hjelp av en varmepumpe. I denne rapporten er fire ulike varmepumpe-løsninger sammenlignet ut fra årsanalyser i simulerings-programmet FrigoSim. For det planlagte varmepumpesystemet på Tomasjord med tur-/returtemperatur på 80/50 ºC vises det at et totrinns anlegg med NH3 kommer best ut energimessig, økonomisk og miljømessig i forhold til de andre alternativene. Varmeytelsen for anlegget er 1500 kW ved 5/70 ºC og årsvarmefaktoren er 3,5 inkludert spisslastkjel og kloakkpumper. Anlegget gir under halvparten av CO2-utslippene fra en gassfyrt varmesentral, selv med strøm gasskraftverk. Et alternativ med ytelse på 1150 kW gir årlige kostnader som er 300 000 kr høyere på grunn av stor økning i energikostnader til spisslastkjelen og liten reduksjon i investeringskostnader. Det ble også analysert hvordan temperaturen i varmedistribusjonssystemet påvirker de forskjellige varmepumpeløsningene. Simuleringene viser at ved å ha tur-/returtemperatur på 60/40 ºC, kan varmepumpens årsvarmefaktor økes med 15–20 % og årlig energibehov reduseres med 10–20 % i forhold til et 80/50 ºC- system. For en NH3-varmepumpe vil antall kompressortrinn kunne reduseres fra to til ett, noe som nær halverer aggregatkostnadene. En av de analyserte varmepumpeløsningene benytter fire små turbokompressorer. Resultatene viser at i et 60/40 ºC- system, vil en slik løsning egne seg meget godt. Et slikt anlegg vil da kun ha 3 % høyere total energibruk enn et ettrinns anlegg med ammoniakk. På grunn av lavere investerings- og vedlikeholdskostnader vil alternativet med turbokompressor gi svakt lavere årlige kostnader. Kompressorene egner seg ikke i varmepumpeanlegg for nærvarme med høyere tur-/returtemperatur fordi de ikke kan levere høyere vanntemperaturer enn 57-58 ºC. Det konkluderes med at hvis R134a skal brukes og tur-/retur-temperaturen er 60/40 ºC eller lavere, er små turbo-kompressorer det beste alternativet. Årssimuleringer med overhetingsvarmeveksler koblet i serie med kondensatoren på vannsiden viser en økning i årsvarmefaktor for både ett- og totrinns NH3-varmepumpe. Reduksjonen i totalt energiforbruk er størst når varmepumpens ytelse i utgangspunktet blir begrenset deler av året av høye temperaturer i sekundærsystemet. Overhetingsvarmeveksleren kan øke varmeytelsen disse dagene med opptil 15% og dermed reduseres behovet for å bruke spisslastkjelen. For NH3- varmepumpen på Tomasjord kan installasjon av overhetingsvarmeveksler gi årlige energibesparelse på over 85 000 kWh og gi kostnads-besparelser på 15 000 kr i året. Hvis varmepumpen må begrense ytelsen deler av året på grunn av begrensninger i kondenseringstemperaturen, er det svært sannsynlig at installasjon av overhetingsvarmeveksler vil være lønnsomt, også ved ettermontering i eksisterende anlegg. Resultatene viser at det ikke er vesentlig forskjell i årlige kostnader mellom rørkjel- og platevarmeveksler brukt som overhetingsvarmeveksler. Dette forutsetter imidlertid at vannstrømmen splittes slik at kun halv-parten av turvannet går gjennom varmeveksleren ved bruk av platevarmeveksler.