Simulation of heat pumps in a district heating network

Lämpöpumppujen käyttö kaukolämmöntuotannossa on alkanut kiinnostaa suomalaisia energiayhtiöitä yhä enemmän niiden pyrkiessä muun muassa syrjäyttämään fossiilisia polttoaineita käyttäviä tuotantomuotoja. Perinteisesti lämpöpumpuilla tuotetun kaukolämpöveden lämpötilan yläraja on ollut noin 90 °C, joka ei ole riittävän korkea talviaikana. Esteenä korkeampiin lämpötiloihin pääsemiselle on ollut erityisesti soveltuvien kylmäaineiden puute. Hiljattain markkinoille on kuitenkin tullut laitteistoja, joilla pystytään tuottamaan jopa kaukolämpöverkossa ajoittain vaadittavia 120 °C:n lämpötiloja. Lämpöpumpun hyötysuhde riippuu hyvin voimakkaasti lämpöpumpussa kiertävän kylmäaineen höyrystymis- ja lauhtumislämpötilojen erotuksesta sekä useista muista prosessikohtaisista suureista. Eri parametrien vaikutusta hyötysuhteeseen on tutkittu melko paljon, mutta tulokset ovat olleet hyvin järjestelmäkohtaisia. Energiayhtiön näkökulmasta kiinnostavaa on, millaisiin hyötysuhteisiin kaukolämmöntuotannossa voidaan päästä sekä lämmönlähteen että kaukolämpöverkon vaatimien lämpötilojen vaihdellessa. Tämän työn päätavoitteena oli tuottaa erilaisten korkean lämpötilan lämpöpumppujen suorituskyvyn simulointiin kykenevä laskentaohjelma, sillä tällä hetkellä saatavilla olevat ohjelmistot soveltuvat lähinnä perinteisempien lämpöpumppujen laskentaan. Lisäksi tavoitteena oli tehdä katsaus lämpöpumppujen käyttöön kaukolämmontuotannossa. Rakennettu ohjelma on kokoelma makroja, jotka toimivat Microsoft Excel -taulukkolaskentaohjelmassa. Ohjelmalla pystytään simuloimaan viittä erilaista lämpö-pumppukytkentää, ja siihen sisältyy poikkeuksellisin kattava kylmäainekirjasto. Kirjastoon kuuluu kylmäaineita, jotka ovat erittäin lupaavia erittäin korkean lämpötilan lämpöpumppuihin. Lämpöpumppupiirin tärkeimmän komponentin, kompressorin, mallinnukseen tehtiin kaksi vaihtoehtoa, joista toisessa voidaan käyttää todellisia kompressoreita. Ohjelmassa käytetään alan tutkimuksissa ja ohjelmistoissa yleisesti tehtyjä oletuksia ja yksinkertaistuksia. Työssä esitellään esimerkkeinä viiden eri simulointitapauksen tulokset. Lämpöpumppujen käyttötapoihin kaukolämmön ja -kylmän tuotannossa vaikuttaa usein järjestelmän koko. Suomeen viime vuosina rakennetut kaukolämpöpumput käyttävät lämmönlähteenään suurimmaksi osaksi jätevettä ja kaukojäähdytyksen paluuvettä. Kaukolämmöntuotantoon soveltuvista lämmönlähteistä työssä esitellään kaukolämmön paluuvesi savukaasupesuriin yhdistettynä, kaukojäähdytyksen paluuvesi, josta erikseen omana tapauksenaan lämpimämpi konesalijäähdytyksen paluuvesi, jätevesi sekä geoterminen lämpö.Finnish energy companies have become increasingly interested in utilization of heat pumps in district heating to replace fossil fuel-based production. For a while, the maxi-mum temperature of district heating water produced by conventional heat pumps has been about 90 °C, which isn’t high enough in winter time. The barrier of higher tempera-tures has specifically been lack of suitable refrigerants. However, lately there have been placed more advanced systems on the market. Those systems are able to produce hot water up to 120 °C, which is needed in district heating networks occasionally. The efficiency of a heat pump strongly depends on the evaporation and condensation temperatures of its refrigerant and several other process variables. The effects of the variables on the efficiency have been studied quite a lot, but the results have been very system-specific. From the point of energy companies, interesting is, how high efficien-cies can be reached in district heat production as the temperatures needed in the district heating network and of the heat source vary. The main target of this thesis was to create a calculation program that can be used in simulation of different high temperature heat pumps. At the moment, the available softwares suit more or less to calculation of conventional heat pumps. Additionally, the target was to make a review of utilization of heat pumps in district heating. The coded program is a collection of macros that are used in Microsoft Excel spread-sheet software. The program can be used in simulation of five different heat pump cou-plings, and it includes an exceptionally vast library of properties of refrigerants. The li-brary includes refrigerants that will very potentially be used in high temperature heat pumps. There are two alternative ways to model a compressor, the most important com-ponent of a heat pump. One of them uses real compressors. In the program, simplifica-tions and assumptions generally done in the field of heat pump study and modelling are implemented. The results of five simulation cases are presented as examples in the thesis. The size of the district heating system often affects on the ways of usage of heat pumps in heat production. The heat pumps built in Finland in the last few years use mainly waste water and returning district heating water as their heat sources. In this thesis, the presented heat sources are returning district heating water combined with a flue gas cleaner, returning water of district cooling, separately returning cooling water of data centers, waste water and geothermal heat