High-Temperature Heat Pump Utilizing Zeotropic Refrigerants in an Integrated Energy System

Abstract

I et forsøk på å møte kravene til et nullutslipps nabolag (ZEN) utforskes selvforsyningsevnen til et integrert energisystem. Energisystemet inkluderer en høytemperaturs kaskadevarmepumpe, og mulighetene for å benytte zeotropiske arbeidsmedier i varmepumpen skal undersøkes. Varmepumpen og energisystemet er del av et fjernvarmenett for å levere fjernvarme til et nabolag.

Ved bruk av zeotropiske arbeidsmedier i varmepumpen, åpnes muligheten for temperatureglidning under varmeoverføring i fordamper og kondenser, og reduserer dermed energitap bunnet i temperaturforskjeller. Zeotropiske arbeidsmedier må skreddersys varmepumpens arbeidsområde, og i denne studien ble godt matchende temperaturprofiler oppnådd med en 60-40 blanding av pentan og dimetyl eter (DME) for øvre sløyfe og en 60-40 blanding av isopentan og DME for nedre sløyfe av kaskade varmepumpen. Varmepumpen oppnådde en ytelseskoeffisient (COP) på 3.67 og leverte en varmeeffekt på 200 kW ved 100°C, fra et temperaturløft på 60°C.

I tillegg til høytemperaturs-varmepumpen, inkluderer energisystemet et brønnlager (BTES) for lavtemperatur energilagring, et høy-temperaturs energilager som benytter faseendrende materiale (PCM-TES), fotovoltaisk-termiske (PVT) paneler for termisk og elektrisk energiproduksjon, og et batteri for elektrisk lagring. Systemet er tilkoblet nettet for import og eksport av elektrisitet for å balansere energibehov og overskuddsenergi.

Energisystemet oppnår en energidekningsgrad på 94.3% og en sesongmessig ytelseskoeffisient (SCOP) på 3.07. Når det gjelder selvforsyning, var systemet i stand til å generere et elektrisk overskudd på 46.8% og et 7.9% overskudd av termisk energi over året. Likevel, ettersom energiproduksjon og energibehov er sterkt sesongavhengige, er systemet avhengig av å være tilkoblet nettet på grunn av markant forskjell mellom sommer- og vinterhalvåret. Energisystemet var i stand til å levere en samlet eksport av elektrisk energi på 318.67 MWh, men hadde et behov for import av 185.89 MWh. Eksport var konsentrert rundt sommermånedene, og importen konsentrert rundt vintermånedene.

This thesis explores the self-sufficiency capabilities of an integrated energy system (IES) as part of efforts to achieve zero-emission neighbourhood (ZEN) goals. The research focuses on applying zeotropic refrigerants in a cascade high-temperature heat pump (HTHP) that supplies heat to a district heating network.

Introducing zeotropic refrigerant mixtures to the HTHP allows for temperature glide during heat transfer with the heat source and heat sink, mitigating energy losses due to temperature mismatch. The selection of zeotropic refrigerants must be case-specific to ensure optimal performance. In this study, good matching temperature profiles were achieved with a 60-40 mixture of pentane and DME for the high stage and a 60-40 mixture of isopentane and DME for the low stage. Simulation results indicate that the HTHP achieved a coefficient of performance (COP) of 3.67 while delivering a heating capacity of 200kW at 100°C from a temperature lift of 60°C.

Apart from the HTHP, the IES includes a borehole thermal energy storage (BTES) for low-temperature energy storage, a phase-change material energy storage (PCM-TES) for high-temperature energy storage, photovoltaic-thermal (PVT) panels for thermal and electrical energy generation, and a battery for electrical storage. The system is connected to the grid for electricity import and export to balance energy demands and surplus generation.

The IES demonstrates an energy coverage of 94.3% and achieves a seasonal coefficient of performance (SCOP) of 3.07. Regarding self-sufficiency, the system was capable of generating an electrical surplus of 46.8% and a 7.9% surplus of thermal energy over the year. Still, as energy generation and demand depend highly on the season, the system relies on staying connected to the grid. The energy system was capable of delivering an energy export of 318.67MW h, but a need for electricity import of 185.89MW h. The export occurred mainly during the summer, while the import was concentrated around the winter.