High Temperature Heat Pumps in Integrated Energy Systems

Denne oppgaven er en del av første trinn i prosjektet project «Key technologies and demonstration of combined cooling, heating, and power generation for low-carbon neighborhoods/buildings with clean energy – ChiNoZEN». En modell av en to-trinns høytemperaturs varmepumpe som bruker ammoniakk som arbeidsmedium har blitt laget. Varmepumpen består av to kompressorer koblet parallelt, to kondensatorer, en akkumulator, en ekspansjonsventil og en fordamper. Varmepumpen er en del av et integrert energisystem som i tillegg består av solcellepaneler, et batteri for laging av elektrisk energi, et varmebatteri og fjernvarme. Hele energisystemet ble modellert, og driften over et år ble simulert for tre ulike lokasjoner: De kinesiske byene Shanghai, Lanzhou og Beijing. Verdier for varmeetterspørsel, varmepumpens kapasitet, tilgjengelig strøm og tilgjengelig varme i varmebatteriet ble regnet ut for hver time. Driften av varmepumpen i den aktuelle timen ble deretter bestemt basert på etterspørsel og tilgjengelig strøm og varme. COP for varmepumpen er 3,55, fordampingstemperatur er 96°C og den opererer med et temperaturløft på opptil 72°C. Varmepumpen har en maksimal kapasitet på 255,7 kW, og varmebatteriet har en maksimal lagringskapasitet på 1000 kWh. Resultatene fra simuleringene viste at driften av systemet var relativt lik i alle de tre byene i perioder med høye temperaturer og store mengder stråling fra sola. I disse periodene var det lite behov for varme. I perioder med lavere temperaturer var varmeetterspørselen høyere i Lanzhou og Beijing enn i Shanghai. Varmepumpen opererte med fullast når det var mulig, forutsatt at varmelageret ikke var fullt. Hvis varmelageret var fullt, ble varmepumpen slått av frem til varmelageret var tomt igjen. De gangene det ikke var nok tilgjengelig strøm for at varmepumpen kunne gå på fullast, gikk den på dellast. Kondensatortemperaturene holdt seg relativt stabile gjennom året, men ble redusert hver gang varmepumpen opererte med dellast. Dette førte til en lavere utgående vanntemperatur på vannet som ble varmet opp av kondensatoren. Varmepumpens virkningsgrad økte når varmepumpen opererte med dellast, sannsynligvis som følge av lavere kondensatortemperaturer og dermed et mindre temperaturløft. Årlig COP for varmepumpen var høyere enn total årlig virkningsgrad for systemet i alle de tre byene. Det er grunnet tap i varmebatteriet. Det integrerte energisystemet lyktes i å dekke varmebehovet for mesteparten av året, men alle byene opplevde perioder der behov var større enn tilgjengelig varmekapasitet. Dette skjedde fordi varmepumpen ikke alltid kunne operere til tross for stor etterspørsel, fordi det ofte ikke var nok strøm tilgjengelig til å drive varmepumpen. Videre var kapasiteten på både varmebatteri og elektrisk batteri for lav til å kunne gi en jevn mengde varme gjennom perioder med lave temperaturer og høy etterspørsel. Det ble observert at solcellepanelene bør ha et større areal enn de har i denne simuleringen, slik at de kunne produsere mer elektrisk energi. Eventuelt kan en sekundær strømkilde kobles til systemet. I tillegg må kapasiteten på både elektrisk batteri og varmebatteri økes slik at nok energi alltid er tilgjengelig til å drive kompressoren og til å supplere varme til fjernvarmeanlegget. Verdiene til variabler som massestrøm i tillegg til faste verdier som kompressorstørrelse og areal til varmevekslere bør også optimaliseres for å øke systemets virkningsgrad