Utilization of surplus heat from the organic dairy at Røros

Abstract

Rørosmeieriet er et organisk meieri på Røros, som har et mål om å bli et nullutslippsmeieri. Meieriet slipper ut gråvann med en estimert temperatur på 35 °C ned i sluket. Hensikten med denne masteroppgaven er å finne gunstige løsninger for å utnytte overskuddsvarmen fra gråvannet til Rørosmeieriet. Dette ble gjort ved å undersøke muligheten for å levere varme til REN Røros sitt fjernvarmenettverk, eller utnytte varmen internt på Rørosmeieriet ved å erstatte elkjelen.

To ulike varmepumpeløsninger ble beregnet ved bruk av Excel. CoolProp-funksjonen PropSI ble brukt for å beregne de termodynamiske egenskapene for hver løsning. Mulig varmeforskyning ble deretter beregnet basert på de termodynamiske egenskapene i hvert system. Varmepumpeløsningene for fjernvarmenettverket og elkjelerstatningen ble sammenlignet med henholdsvis energibehovet i fjernvarmenettverket, og varmtvannsproduksjonen til elkjelen.

Den foreslåtte løsningen for å forsyne varme til fjernvarmenettverket består av en CO2-varmepumpe og en butan-varmepumpe. Returvannet fra fjenvarmenettverket vil først strømme gjennom både kondensatoren og fordamperen i butanvarmepumpen. Deretter vil utløpsvannet fra fordamperen i butanvarmepumpen strømme gjennom gasskjøleren i CO2-varmepumpen. CO2-varmepumpen utnytter gråvannsvarmen for å varme opp fjenvarmevannet. Denne løsningen kan dekke opp til 73 % av energibehovet til fjernvarmenettverket i løpet av året og har en varierende COP mellom 3,3 og 4,3, avhengig av temperaturforskjellen over fordamperen i CO2-varmepumpen.

Den foreslåtte løsningen for å erstatte elkjelen består av en kaskadevarmepumpe. Varmepumpen benytter propan som kjølemedie i lavtemperatursyklusen og butan som kjølemedie i høytemperatursyklusen. Den varmer opp varmtvann til 95 °C. Resultatene viser at kaskadevarmepumpen kan erstatte elkjelen. Varmepumpen har en COP på 2,4, og kan redusere effekttoppen til elkjelen med 71 % fra 500 kW til 147 kW.

Rørosemeieriet is an organic dairy in Røros with a goal of becoming a zero-emission dairy. The dairy is currently dumping greywater directly to the drain, with an assumed temperature of 35°C. The scope of this thesis is to find possible utilization options for the surplus greywater heat at Rørosmeieriet. This has been done by investigating the possibility of delivering heat to the REN Røros’ district heating grid or utilizing it for internal demands at Rørosmeieriet by replacing the electric boiler.

Two different heat pump solutions were calculated using Excel. The CoolProp function PropsSI was applied to calculate the thermodynamic properties for each solution. Possible heat supplies were then calculated based on the thermodynamic properties in each system. The district heating network heat pump solution and the electric boiler replacement heat pump were then compared with respectively the district heating energy demand and the electric boiler hot water production.

The proposed solution for supplying heat to the district heating grid consists of one CO2 heat pump and one butane heat pump. The return water from the district heating network will primarily flow through both the evaporator and condenser of the butane heat pump. Secondly, the outlet water from the butane heat pump evaporator will flow through the CO2 heat pump's gas cooler. The CO2 heat pump utilizes heat from the greywater. This solution can cover up to 73% of the district heating energy demand during the year, with a varying COP between 3.3 and 4.3 depending on the temperature difference over the evaporator of the CO2 heat pump.

The heat pump solution suggested to replace the electric boiler consists of a cascade heat pump. Propane is used as the refrigerant in the low-temperature cycle, and butane is used as the refrigerant in the high-temperature cycle. The heat pump heats hot water up to 95°C. The results reveal that the cascade heat pump can replace the electric boiler. The COP of the system is 2.4, and it can reduce the peak power by 71%, from 500 kW to 147 kW.