Design of an Integrated Energy System using a Cascade High Temperature Heat Pump with Zeotropic Refrigerants.

Abstract

I møte med en eskalerende global etterspørsel etter energi, tar denne avhandlingen for seg den sentrale utfordringen med å designe og modellere et selvstendig integrert energisystem. Ved kjernen utnytter systemet kraften fra en kaskadevarmepumpe med høy temperatur som bruker zeotropiske kjølemidler. Varmepumpedesignet er spesifikt dimensjonert for å generere varmt vann til fjernvarme med en temperatur over 100 °C, koblet med en ytelsesfaktor (COP) som overstiger 3,6. Dette innovative systemet testes i Oslo gjennom en Matlab-simulering, som understreker den praktiske anvendbarheten i virkelige scenarier. Resultatene av denne forskningen viser en bemerkelsesverdig prestasjon: det foreslåtte systemet oppfyller ikke bare de to designspesifikasjonene, men er også en bærekraftig og effektiv energikilde. Simuleringen utføres over et år på timesbasis. Systemet viser seg å være i stand til å levere nok varme for å tilfredsstille fjernvarmebehovet i 9 av 12 måneder i året, samtidig som det oppnår selvstendighet under driften. I tillegg legger bruken av zeotropiske blandinger som kjølemidler til et ekstra lag av effektivitet og tilpasningsevne til systemet takket være deres temperaturglidning. Denne bemerkelsesverdige suksessen representerer et betydelig skritt fremover innen rene og bærekraftige energiløsninger, spesielt for fjernvarme. Den demonstrerer potensialet til høytemperatur varmepumper for å effektivt imøtekomme energibehovene til vår verden.

In the face of an escalating global energy demand, this thesis deals with the pivotal challenge of designing and modelling a self-sustainable integrated energy system. At its core, the system harnesses the power of a cascade high-temperature heat pump utilizing zeotropic refrigerants. The heat pump design is specifically sized to generate hot water for district heating with a temperature higher than 100°C, coupled with a Coefficient of Performance (COP) surpassing 3.6. This innovative system is tested in Oslo through a Matlab simulation, underlying the practical applicability to real-world scenarios. The results of this research demonstrate a noteworthy achievement: the proposed system not only meets the two design specifications, but is also a sustainable and efficient source of energy. The simulation is performed over a year on an hourly basis. The system proves capable of providing enough heat to satisfy the district heating demand for 9/12 months of the year while also achieving self-sustainability during its operation. In addition, the deployment of zeotropic mixtures as refrigerants adds an extra layer of efficiency and adaptability to the system thanks to their temperature glide. This remarkable success is a significant jump forward in clean and sustainable energy solutions, particularly for district heating. It demonstrates the potential of high temperature heat pumps to effectively address the energy needs of our world.