Development of local energy recovery and distribution

Abstract

+CityxChange er et prosjekt med et mål om å forbedre ressursutnyttelsen i byene på best mulig måte ved å installere ny teknologi [+CityxChange, 2019]. En del av prosjektet foregår på Sluppen i Trondheim, og målet er at Sluppen skal bli en plussenergibydel. I denne sammenhengen betyr det en bydel med netto null årlig energiimport og netto null karbondioksidutslipp, hvor det jobbes mot et årlig overskudd av lokalprodusert fornybar energi [+CityxChange, 2019]. For å nå dette målet må det gjenvinnes termisk energi fra de prosessene som allerede foregår i bydelen. Sluppenvegen 10 og 17A har blitt valgt til dette formålet, og overskuddsvarmen her stammer henholdsvis fra et kjølelager og datakjøling.

Denne masteroppgaven fokuserer på varmegjenvinning fra Sluppenvegen 10. For å utnytte varmen som gjenvinnes er det foreslått tre mulige varmedistribusjonsmetoder. Alternativ 1 er å levere varmen til fjernvarmenettet ved å bruke en høytemperatur varmepumpe. Dette er et alternativ som krever et høyt temperaturløft, og en mulig varmepumpeløsning kan være en kaskadevarmepumpe som bruker propan i lavtemperaturtrinnet og butan i høytemperaturtrinnet. Alternativ 2 er å levere varmt vann til bygninger på Sluppen som har et varmtvannsbehov, for eksempel et bryggeri eller et treningssenter. For å varme vannet kan det brukes en varmepumpe med CO2 eller propan som arbeidsmedium. Siste alternativ er å levere varme til romoppvarming, noe som mest sannsynlig vil resultere i høy ytelse på grunn av lavt temperaturløft. Dette alternativet forutsetter at det er en eller flere bygninger på Sluppen med et vannbårent varmesystem og et varmebehov.

Det valgte alternativet for denne masteroppgaven er oppvarming av vann. For å gjenvinne varmen fra kjøleanlegget er det foreslått en CO2-sløyfe som henter varmen direkte fra glykolen i kjøleanlegget oppstrøms av kjølemaskinene. Tre teoretiske varmepumpemodeller har blitt utviklet, to CO2-modeller, én med og én uten internvarmeveksler, og en propanmodell. Modellene ble utviklet ved hjelp av Dynamic Modeling Laboratory (Dymola) 2017 (Dassault Systems, VélizyVillacoublay) og TIL biblioteket for modellering av termiske systemer TIL 3.5.0 (TLK-Thermo GmbH, Braunschweig, Tyskland).

CO2-modellen uten internvarmeveksler ble testet med fire forskjellige høytrykk, tre utløpstemperaturer på vannet og tre utløpstemperaturer på CO2 ut av gasskjøleren. Disse simuleringene resulterte i følgene slutninger: • Trykkgasstemperaturen øker samtidig som effektfaktoren (COP) synker når høytrykket økes. • Økt utløpstemperatur på vannet medfører lavere COP. • Med en lavere utløpstemperatur på CO2 ut av gasskjøleren øker modellens COP.

Resultatene fra CO2-modellen ble sammenliknet med resultatene fra modellen med en internvarmeveksler ved tre forskjellige høytrykk, og modellen uten internvarmeveksler viste en høyere COP i alle de tre tilfellene. Dette utfallet må tas med en klype salt, ettersom det viste seg at det kun var modellen med internvarmeveksler som hadde overopphetet gass i sugegassledningen, noe som kan påvirke resultatet. Propanmodellen ble testet med tre forskjellige utløpstemperaturer på vannet, og resultatene ble sammenliknet med tilsvarene resultater fra CO2-modellen. Propanmodellen viste høyere COP ved alle de tre temperaturene. Ved å bruke propanmodellen oppnådde man en COP på 3.65 når vann ble varmet fra 10 °C til 60 °C. Det har i tillegg blitt utført en forenklet økonomisk analyse på anskaffelsen av en CO2-varmepumpe, hvor resultatene fra simuleringene har blitt brukt. Det er presentert to forskjellige scenarier, hvor begge konkluderte med at varmepumpen er en lønnsom investering.

+CityxChange is a smart city project that focuses on finding solutions for cities to utilize their resources optimally by implementing new technologies [+CityxChange, 2019]. Parts of the project takes place at Sluppen in Trondheim, and the goal is for Sluppen to become a Positive Energy District. In this context this means a district with annual net zero energy import and net zero carbon dioxide (CO2) emissions, working towards an annual local surplus production of renewable energy [+CityxChange, 2019]. To reach this goal thermal energy must be recovered from the existing processes in the district, and Sluppenvegen 10 and 17A have been chosen for this purpose. In these buildings the waste heat originates from a chilling facility and computer cooling, respectively.

This master’s thesis focuses on heat recovery from Sluppenvegen 10. To utilize the recovered heat, three alternatives for heat delivery have been identified. Alternative 1 is delivering the heat to the district heating grid by using a high temperature heat pump (HTHP), this will require a large temperature lift and a cascade heat pump using e.g. propane in the low temperature cycle (LTC) and butane in the high temperature cycle (HTC). Alternative 2 is delivering hot water to the buildings at Sluppen, for instance the brewery or the fitness center. For this purpose, a heat pump water heater (HPWH) utilizing CO2 or propane can be used. Lastly, alternative 3 is delivering heat to space heating, which probably will achieve a high performance due to a small temperature lift.

The chosen heat delivery alternative, for this master’s thesis, is heating of hot water. To recover the waste heat from the chilling facility a CO2 circuit extracting the heat from the glycol stream upstream of the chillers have been proposed. Initially three models were developed, two CO2 models, one including an internal heat exchanger (IHX) and one without, and a propane model. The theoretical models were developed using the Dynamic Modeling Laboratory (Dymola) 2017 (Dassault Systems, Vélizy-Villacoublay) and TIL library for modeling thermal systems TIL 3.5.0 (TLK-Thermo GmbH, Braunschweig, Germany). The CO2 model without an IHX was tested at four high pressures, three water outlet temperatures and three CO2 outlet temperatures from the gas cooler. These simulations resulted in the following conclusions regarding performance:

• The discharge temperature increases and the coefficient of performance (COP) decreases as the high pressure is increased. • When increasing the outlet water temperature the COP is reduced. • With a lower CO2 outlet temperature from the gas cooler the COP is increased.

The results from the CO2 model were also compared to simulations with the IHX model at three high pressures, where the CO2 model without an IHX showed the highest COP in all three cases. However, an important difference between the models is the superheat in the suction line, which is only achieved for the IHX model. The propane model was simulated with three different water outlet temperatures and compared to the CO2 model, where the propane model had a higher COP in all the three cases. Using the propane model a COP of 3.65 was achieved when heating water from 10 °C to 60 °C. A simplified economic analysis was also conducted with results from the CO2 model. The two scenarios presented in the analysis both resulted in profitable investments.