Grunnvannsvarmepumpe i fjernkjøle- og fjernvarmesystemer

Abstract

Det er flere fordeler med en felles distribusjonskrets i Melhus. Det gjør den fornybare ressursen tilgjengelig for flere, ved at bygg på områder der det ikke er gunstig å bore brønner kan koble seg til fellesnettet. Denne typen fellesnett gjør at varmeforsyningen kan tilpasses hvert enkelt bygg, ved at hvert bygg har egne varmsentraler med varmepumper som henter varme eller kjøling fra distribusjonskretsen. I tillegg kan et slikt fellesnett brukes for både varme og kjøling, og det gjør systemet mindre sårbart for nedetid i enkeltbrønner og øker dermed stabiliteten i varmeforsyningen.

Det er i denne masteroppgaven først presentert relevant teori for temaet, deretter er det gjort et litteraturstudie rundt denne typen distribusjonskrets og det er foreslått fire forskjellige løsninger for aktiv og passiv kjøling. Det er videre utviklet en modell i EES for et slikt grunnvannsystem i Melhus, med en hovedkrets, flere mindre delkretser til bygg og flere varmekilder i form av grunnvannsvarmevekslere. Modellen simulerer trykket i hvert punkt i systemet, beregner trykktap og nødvendig massestrømmen for å dekke effektbehovet i hvert bygg. Modellen er brukt til å se på hvordan mengderegulering vil påvirke et slikt system. Temperaturstyrt effektregulering er også vurdert men ikke lagt inn i modellen.

Mengderegulering med turtallsregulerte pumper kan spare pumpearbeid ved at pumpene girer ned og pumper mindre massestrøm når varmebehovet minker. Sammenlignet med en dag med en utetemperatur på T=0C kan forskjellen i tilført effekt til pumpen være på 44,33kW mot en dag med dimensjonerende utetemperatur. Forskjellen i pumpearbeid mellom den kaldeste dagen i året og den varmeste er 46,25kW. Driften av systemet må simuleres over hele året for å finne nøyaktig hvor mye pumpearbeid som kunne vært spart ved turtallsegulerte pumper. Temperaturstyrt effektregulering vil gi konstant tilført pumpeeffekt året rundt, da massestrømmen i systemet er konstant. Sammenlignet med reguleringsprinsippet med varierende massestrøm vil reguleringsprinsippet med konstant massestrøm gi høyere massestrøm i systemet.

Aktiv kjøling er ikke lagt inn i modellen. Ettersom varmepumpene opererer konstant for å forvarme tappevannet, slik som modellene er bygd opp, kunne den lavere temperaturen ut fra fordamperen i varmepumpen vært utnyttet til aktiv kjøling. Dette er ikke gjort i denne modellen, men det kan være av interesse å se på hvordan dette ville påvirket sytemet. Ettersom de lavere temperaturene ut fra fordamperen i varmpumpen ville bidratt med en større T til kjølingen, ville dette gjort nødvendig sirkulert vannmengden gjennom distribusjonskretsen ved kjøling mindre. Dette vil igjen ha en positivt effekt på tilført pumpearbeid.

There are several advantages to a cold-water-circulation network in Melhus. This makes the renewable resource available to more people, so that buildings in areas where it is not favorable to drill wells, can connect to the cold-water-circulation network. This type of cold-water-circulation network makes it possible to adapt the heat supply to each individual building, this is because each building has its own heat pumps that collect heat from the distribution circuit. In addition, a cold distribution network can be used for both heating and cooling, and it makes the system less vulnerable to downtime in individual wells and thus increases the stability of the heat supply.

In this master's thesis, relevant theory for this topic is first presented, then a literature study on this type of distribution circuit is presented and four different solutions for active and passive cooling is proposed. A model has also been developed for such a groundwater system in Melhus, with a main circuit, several smaller sub-circuits for buildings and several heat sources in the form of groundwater heat exchangers. The model simulates the pressure at each node in the system, calculates the pressure drop and the required mass flow to cover the heat demand in each building. The model is used to look at how flow control will affect such a system. A temperature-controlled system has also been assessed but not included in the model.

Flow control with speed-controlled pumps can save pump work by pumping less mass flow through the system when the heat demand decreases. Compared to a day with an outdoor temperature of T=0C, the difference in pump input power is 44.33kW to a day with a design outdoor temperature. The difference in pump input power, between the coldest day of the year and the warmest, is 46.25kW. The operation of the system must be simulated throughout the year to find out exactly how much pump input power that could be saved by speed-regulated pumps. A temperature-controlled system will give a constant need of pump power all year round, as the mass flow in the system is constant. Compared with the regulation principle with varying mass flow, the regulation principle with constant mass flow will give higher mass flow in the system.

Active cooling is not included in the model. Since the heat pumps run constantly to preheat the tap water, the lower temperature from the evaporator in the heat pump could have been used for active cooling. This is not done in this model, but it will be of interest to look at how this would affect the system. Since the lower temperatures from the evaporator in the heat pump would have contributed to a larger T to the cooling, this will give a smaller required mass flow through the distribution circuit during cooling. This in turn will have a positive effect on the required pump power.