Analyse av varmepumpesystemer for oppvarming og kjøling av større bygninger

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet ved Institutt for energi- og prosessteknikk, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Hensikten har vært å foretå en detaljert analyse av ett eller flere eksempelbygg med varmepumpeanlegg med hensyn til eventuell feilaktig dimensjonering, komponent- og systemvalg og drift, for å se hva dette har å si for anleggenes energisparing, driftssikkerhet og lønnsomhet. Det analyserte anlegget er varme- og kjølesystemet ved Universitet i Stavanger som har en bygningsmasse bestående av en rekke enkelstående bygg knyttet sammen i et nærvarmenett og gjennom en ringledning for kjøling. For å beregne ytelser til kjølemaskiner og varmepumper er CoolPack benyttet som beregningsverktøy. CoolPack har relativ lav detaljeringsgrad, og er valgt som beregningsverktøy ut fra tilgjengelig datamateriale for eksisterende kjølemaskiner ved Universitetet i Stavanger. I beregningene ble det for oppvarming av en luftmengde på 20 000 $m^{3}$/h i Stavangerklima funnet at endring av den eksisterende plasseringen av gjenvinningsbatteri og roterende varmegjenvinner i ventilasjonsanlegget kan gi en betydelig energi- og kostnadsbesparelse, selv om dette medførerer dårligere effektfaktorer for kjølemaskinene. I ventilasjonsaggregatene ved Universitetet i Stavanger er den eksisterende koblingen slik at varmen først tas ut med varmepumpe før det benyttes roterende varmegjenvinner. Ved bruk av avtrekksluft som varmekilde til varmepumper sammen med roterende varmegjenvinner, anbefales det at varmen fra avtrekksluften varmegjenvinnes med den roterende varmegjenvinneren før varmepumpen tar sin del. I det analyserte anlegget er spisslastenheter koblet i parallell med kjølemaskiner samt at kjølemaskinenes kondensatorer også er koblet i parallell. Gjennom trivielle beregninseksempler er det vist at seriekobling er en bedre løsning da dette gir lavere midlere kondenseringstemperatur enn for parallellkobling og følgelig bedre effektivitet. Det anbefales derfor å seriekoble kondensatorer ved sammenkoblinger av flere kjølemaskiner eller varmepumper brukt i oppvarming og kjøling av større bygninger, og å plassere spisslastenheter i serie etter kjølemaskinenes kondensatorer. Ved sammenlikning av et alternativ totrinns ammoniakkanlegg og det eksisterende R134a anlegget viste det seg at totrinnsløsningen oppnår bedre ytelser og kan oppnå lavere årskostnader, og dermed gi en mer lønnsom investering. Det er anbefalt å vurdere totrinnsløsnigen ved en eventuell utskifting av det eksisterende anlegget. Sammenlikningen viste også at den alternative turtallsregulerte stempelkompressoren oppnår bedre ytelser ved dellast enn skruekompressoren i det eksisterende R134a-anlegget. For varmepumper eller kjølemaskiner brukt til oppvarming eller kjøling av større bygninger anbefales det å bruke turtallsregulerte stempelkompressorer, og ved bruk av skruekompressorer bør disse være turtallsregulerter samt utsyrt med sleideregulering. Det er også antydet at bruk av platefordamper og -kondensator kan gi bedre effektivitet enn rørkjelsveklsere. Instrumentering ved Universitet ble funnet mangelfull, og har vært en direkte årsak til at det i denne masteroppgaven ikke har latt seg gjøre å foreta målinger for å bestemme anleggets virkelige ytelser. Utbedring og utviding av måleopplegget samt implementering av dette i anlegget for sentral driftskontroll, slik at anleggets totale ytelse kan bestemmes, vil sannsynligvis gi reduserte driftsproblemer og betydelige kostnadsbesparelser, som følge av muliggjøring av energioppfølging og optimalisering av anlegget.