Hiilidioksidikylmäkoneen lämmöntalteenoton optimointi ja kannattavuus : Jäähdytysprosessin ja lämmöntalteenoton mallinnus sekä kannattavuustarkastelu

Abstract

Jäähdytysjärjestelmien lämmöntalteenoton, eli LTO:n ja lämpöpumppujen rooli kiinteistöjen lämmityksessä kasvaa jatkuvasti sekä kiinteistöjen omissa lämmitysjärjestelmissä että kaukolämpöjärjestelmissä, kun polttamiseen perustuvasta lämmöntuotannosta halutaan päästä eroon hiilidioksidipäästöjen ja mahdollisten kustannussäästöjen takia. Hiilidioksidin käyttö kylmäaineena on tällä hetkellä kasvussa, sillä se on luonnollinen kylmäaine, jonka GWP-arvo, eli ilmakehän lämmityspotentiaali on 1 (muiden kylmäaineiden vertailukohde). EU:n F-kaasuasetuksen rajoitukset eivät koske hiilidioksidia. Lisäksi hiilidioksidi on palamaton, edullinen ja sillä on hyvät kylmäaineominaisuudet, eikä se ole ihmiselle välittömästi myrkyllinen. Hiilidioksidin haasteet kylmäaineena liittyvät lähinnä kriittisen pisteen (31,1⁰C ja 73,8 bar) alhaiseen lämpötilaan ja hiilidioksidin korkeaan painetasoon kylmäainekäytössä.

Tämän tutkimuksen tarkoitus on selvittää hiilidioksidikylmäkoneen lämmöntalteenoton optimointia ja kannattavuutta korottamalla korkeapaine ylikriittiselle alueelle. Kannattavuutta tarkastellaan kiinteistön lämmitysjärjestelmässä rinnakkain vaihtoehtoisen lämmitystavan kanssa. Teorian avulla Pythonilla luotiin laskentaohjelma hiilidioksidikylmäkoneen ja lämmöntalteenoton mallinnusta varten.

Hiilidioksidikylmäkonetta voidaan operoida tarvittaessa tavallisen alikriittisen kylmäprosessin sijasta transkriittisenä, mikä tarkoittaa, että korkeapaine nostetaan kriittisen pisteen yläpuolelle, jolloin lämmönpoistossa ei tapahdu lauhdutusta, vaan kaasunjäähdytys, jossa hiilidioksidin lämpötila laskee liukuvasti. Korkeapainetaso vaikuttaa kaasunjäähdytyksen lämpötilaliukumaan ja lämmöntalteenottoon. Hiilidioksidikylmäkoneen korkeapainetta voidaan korottaa ylikriittiselle puolelle LTO-tehon lisäämiseksi, vaikka tavallinen alikriittinen kylmäprosessi olisi sen hetkisellä ulkolämpötilalla mahdollinen. Jos ulkolämpötila on kesäaikaan korkea, niin hiilidioksidikylmäkonetta joudutaan operoimaan transkriittisenä, jotta prosessin lämmönpoisto on mahdollista.

Optimaalinen korkeapainetaso LTO:lle voidaan laskea ulkolämpötilasta riippuvien lämmitysverkon meno- ja paluulämpötilojen mukaan vertailemalla paineenkorotuksen myötä lisääntyvän LTO-tehon ja sähkötehon suhdetta. Laskennat suoritettiin valmiiksi annetuilla esimerkkikiinteistön tuntitason jäähdytys- ja lämmitysprofiileilla. Hiilidioksidiprosessi laskettiin läpi vuoden jokaiselle tunnille kolmella eri ohjaustavalla. LTO-optimoidulla ohjaustavalla korkeapainetta korotetaan korkeintaan ulkolämpötilan mukaiseen optimaaliseen korkeapaineeseen, jos LTO-teho ei riitä kiinteistön lämmitykseen. LTO-maksimoidulla ohjaustavalla korkeapainetta nostetaan 100 baariin asti, jos LTO-teho ei kata lämmitystehontarvetta. Kolmas ohjaustapa oli sähkön minimointi, jolla korkeapaine pidetään mahdollisimman alhaisena ulkolämpötilan mukaan. Tuntikohtaisina ulkolämpötiloina käytettiin Suomessa energialaskennassa käytettäviä vyöhykkeen I testilämpötiloja vuodelta 2020.

Vuositasolla LTO-optimoidulla, LTO-maksimoidulla ja sähkön minimoinnilla LTO:lla voitiin kattaa lämmitystarpeesta 54,27, 56,22 ja 11,95 %. LTO:lle voitiin laskea vuositason LTO:n lämpökerroin lisääntyneen LTO-tuotannon ja sähkönkulutuksen suhteina. LTO-optimoinnilla LTO:n lämpökerroin sähkön minimointiin verrattuna on 6,14 ja LTO-maksimoinnilla 4,80. Jos sähkön minimoinnilla ei oteta lämpöä talteen, niin LTO:n lämpökertoimet LTO-optimoinnilla ja LTO-maksimoinnilla ovat 7,88 ja 6,09. Suomessa tyypillisillä sähkön hankintahinnoilla ja kaukolämmön hinnoilla hiilidioksidikylmäkoneen korkeapaineen korotus ylikriittiselle puolelle LTO:n lisäämiseksi on taloudellisesti kannattavaa, kun LTO hyödynnetään kiinteistön lämmitysverkossa.