Assessing the techno-economic feasibility of heat pump systems

Abstract

To achieve the carbon neutrality target, emissions must be reduced in heating and cooling sector, since a large share of heat is still produced with fossil fuels. Electrification is seen as a potential solution in reducing the emissions of the heating sector, especially heat pump technology. The objective of this work is to increase the awareness on heat pump technology, study the factors affecting the efficiency of the heat pumps and create a tool for the techno-economic assessment of heat pump systems.

In this work the selection of the compressor type and the working fluid is studied and their impact on the performance evaluated. Detailed information on the operation of the heat pump as well as specification of the application itself are the basis for the techno-economic assessment. The main objective of the tool is to calculate COP accurately from enthalpies instead of using Carnot’s efficiency. The working principle of the tool and its generic applicability is demonstrated by utilizing it in three different cases. A residential house with an air-to-water heat pump, an apartment building with a ground source heat pump and DH supply utilizing excess heat from a data centre were chosen as case systems.

It was found out that both compressor and working fluid have an effect to the performance and the selection of the working fluids is based on the evaporator and condensing temperatures and the compressor selection on the system size and the properties of the working fluid. The demonstration of the tool indicated that the temperature lift and energy cost are the main factors limiting the feasibility of heat pump systems. Difference between the Carnot efficiency and COP calculated from enthalpies was calculated and as a result they differ more when temperature lift by the heat pump is higher.

Jotta hiilineutraaliuus tavoitteet voidaan saavuttaa, on päästöjä vähennettävä lämmitys ja jäähdytys sektoreilla, sillä vielä suuri osa lämmöstä on tuotettu fossiilisilla polttoaineilla. Sähköistyminen nähdään ratkaisuna myös lämmitys sektorin päästöjen vähentämisessä ja erityisesti lämpö-pumpputeknologiat. Tämän työn tavoitteena on lisätä tietoisuutta lämpö-pumpputeknologiasta, tutkia lämpöpumppujen tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä ja luoda työkalu lämpöpumppujärjestelmien teknistaloudelliseen arviointiin.

Tässä työssä tutkitaan, miten kompressorityyppi ja kylmäaine valitaan optimaalisesti ja miten ne vaikuttavat lämpöpumpun tehokkuuteen. Yksityis-kohtaiset tiedot lämpöpumpputekniikasta ovat perustana teknistaloudelliselle arvioinnille, joka toteutetaan luomalla yleinen työkalu. Työkalun päätavoitteena on laskea COP tarkasti entalpioista Carnot’n hyötysuhteen sijaan. Työkalun toimintaperiaate esitetään hyödyntämällä sitä kolmessa eri tapauksessa. Kohteiksi valittiin omakotitalo ilma-vesilämpöpumpulla, kerrostalo maalämmöllä ja kaukolämmön tuotanto hyödyntämällä datakeskuksen hukkalämpöä.

Työssä selvisi, että sekä kompressorilla että kylmäaineilla on vaikutusta tehokkuuteen ja että työaineen valinta perustuu toimintalämpötiloihin ja kompressorin valinta systeemin kokoon sekä kylmäaineeseen. Työkalun demonstrointi osoitti, että lämpötilan nosto ja energian hinta ovet tekijät, jotka vaikuttavat eniten lämpöpumpun kannattavuuteen. Carnot’n hyötysuhteen ja entalpioista lasketun COP:n välistä eroa tarkasteltiin työkalulla ja johtopäätöksenä voidaan todeta, että niiden välinen ero on suurempi, kun lämpötilan nosto on suuri.