Evaluation of possible heat pump configurations for waste heat recovery at +CityXChange Sluppen

Klimautfordringene har skapt et behov for økt ressursutnyttelse og innovative løsninger. Formålet med +CityxChange, en del av Horizon 2020, er å etablere pilotprosjekter med innovative energiløsninger. Formålet med denne masteroppgaven er å evaluere høytemperatur varmepumpe (HTVP) konfigurasjoner for gjenvinning av lavtemperatur spillvarme fra Sluppenveien 10, en del av etableringen av PEB på Sluppen-Tempe i Trondheim. Både gjenvinning av varme til fjernvarme og for tappevannsproduksjon har blitt evaluert. HTVPer i stand til varmeavgivelse >100℃ eksisterer, men få er kommersielt tilgjengelige og enda færre kan gjenvinne lavtemperatur spillvarme under <30℃. HTVPer i stand til å gjenvinne lavtemperatur spillvarme finnes, men begrenset til småskala lab-installasjoner. De største utfordringene til utvikling av HTVP-teknologi er; begrensninger i kompressor sugegass- og trykkgasstemperatur, høye investeringskostnader og få eksisterende storskala anlegg. For å gjøre teknologien mer kommersiell er det behov for flere storskala testanlegg for å dokumentere lønnsomhet og pålitelighet under reelle forhold. Forskjellige metoder for gjenvinning av overskuddsvarme har blitt vurdert ved å utvikle fem dynamiske simuleringsmodeller av potensielle varmepumpe konfigurasjoner i Dymola. Simuleringsmodellene har blitt testet under realistiske driftsforhold både stabilt ved design punkt og dynamisk ytelse ved del-last forhold har blitt studert. Modellene ble satt til å ha en fordamperytelse på 60 kW og passende kompressor modeller har blitt valgt fra produsentene Dorin og Bitzer. For varmegjenvinning til fjernvarme har det blitt utviklet to R290/R600 kaskadevarmepumper, Model A1 og A2. Resultatene viser at modellene oppnådde en stabil tilstand varme/kombinert COP av 1.71/2.53 og 1.78/2.68 for hhv. Model A1 og A2 konfigurasjonen. Model A2 konfigurasjonen oppnådde en 11.3 K lavere Propan kompressor trykkgass temperatur, og høyere COP som følge av økt spesifikk kjølekapasitet. Begge modellene har blitt testet under en realistisk ukentlig kjøle-lastkurve estimert fra elektrisitetsmålinger foretatt av byggeier. Modellene var i stand til å følge kjølebehovet fra 62.5 kW ned til 45 kW. For høyere kjøle behov må de eksisterende kjølemaskinene være i drift. Del-last simuleringene oppnådde ikke en lavere COP sammenliknet med driftspunkt simuleringene, dette skyldes at reduserte kompressorvirkningsgrader ved del-last ikke er inkludert i og en begrensning av simuleringsmodellene, Tre tappevanns produserende varmepumpe modeller; B1, B2 og C1 har blitt utviklet. Hvor B1 og B2 er R290/R600 kaskade varmepumper slik som A1 og A2, og C1 konfigurasjonen er en mer konvensjonell CO2 varmepumpe. Model B1, B2 og C1 konfigurasjonene oppnådde en varme/kombinert COP av hhv; 2.38/3.88, 3.06/5.23 og 3.28/5.66. Noe som viser at COP'en av R290/R600 varmepumpen kan bli økt signifikant ved å implementere en vann forvarmer/ propan underkjøler, men fortsatt underlegen COP'en til CO2 varmepumpen. Kaskadeløsningen er også vurdert til å være overkomplisert for tappevannsproduksjon da samme varmeavgivelses temperatur kan oppnås med en mindre avansert varmepumpe. CO2 varmepumpen er forøvrig mer følsom for økt inngående varmesluk temperatur, noe som begrenser dens mulige bruksområder. Det årlige tappevannsforbruket til Austmann og 3T er ukjent, men estimert til å være lite sammenliknet med den mulige årlige produksjonen av tappevanns varmepumpene. Hvis varme skal gjenvinnes ved tappevannsproduksjon må store mengder tappevann eksporteres ut av området med M-TES. På grunn av usikkerheten knyttet til kjølebehovet til kjølelageret, har energi- og kostnadsanalysen blitt foretatt med mengden full last timer (FLT) som en uavhengig variabel. Resultatene viser at ved en antatt 8500 FLT, 513.1 MWh varme kan gjenvinnes og 1060.4-705.0 MWh varme leveres avhengig av valgt metode og varmepumpe konfigurasjon. Tappevannsvarmepumpene oppnådde høyest COP og er derfor det beste alternativet fra et energi-standpunkt. Kostnads og lønnsomhetsanalysen viste at varmepumpe konfigurasjonene Model A1 og A2 hadde høyest investeringskostnader, estimert til å være 1 650 000 NOK. Tilsvarende for tappevannsvarmepumpene B1, B2 og C1, har investeringskostnadene blitt estimert til å være; 1 500 000, 1 230 000 og 1 205 000 NOK. Ved veldig lave FLT oppnådde tappevannsvarmepumpene lavest årlige kostnader, men ved >1000 FLT øker de årlige kostnadene raskt på grunn av de høye kostnadene knyttet til M-TES. Den beregnede LCOG for gjenvunnet varme til fjernvarme og tappevannsproduksjon er hhv omtrent 0.31 NOK/kWh og 0.81-0.73 NOK/kWh. varmegjenvinning ved tappevannsproduksjon er ikke lønnsomt sammenliknet med fjernvarme på grunn av en høyere LCOG enn den gjennomsnittlige fjernvarmeprisen. For FLT over 3600 oppnådde gjenvinnings-varmepumpene til fjernvarme en lavere LCOG enn den gjennomsnittlige fjernvarmeprisen og derfor det beste alternativet fra et økonomisk standpunkt. Likevel vil antageligvis mest varme gjenvinnes om sommeren, verdien av den gjenvunnede varmen vil derfor være lav sett fra fjernvarme selskapets perspektiv. Ved å anta at varmen selges for halvparten av fjernvarmeprisen har den maksimale investeringskostnaden blitt estimert til å være 468 000/482 000. Det vil derfor være behov for betydelig investeringsstøtte fra +CityXChange