Groud source heat pump as part of the renewables-based arctic heating system

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2010
Major/Subject
LVI-tekniikka
Mcode
Ene-58
Degree programme
Language
fi
Pages
101 s. + liitt.
Series
Abstract
This thesis is part of the MATKA - project. MATKA - project is designed to explore and develop tourism in urban structure and examine how the tourism industry integrates sustainable regional development. The aim of this study was to dimension eco-efficient district heating system for the new tourist village in Ylläs. Heat pumps, biomass and solar energy-based system were examined for source of energy for district heating system. The new tourist village is planned to use passive and low-energy technology. Scenarios 1 and 2 with different district heating system extensions were constructed. Scenarios, however, proved to be almost identical that all the calculations for heating energy demand were done by using scenario two. In addition, the utility of low-energy technology was demonstrated through reference case. The annual saving of the heating energy was 7.6 GWh by using low-energy construction. Two different energy systems were explored. On the energy system 1 the basic energy is produced by heat pump and the peak energy by pellet. On the energy system 2 the basic energy was produced by wood chip and the peak energy by the pellet. The chosen energy shares based on an estimate and do not necessarily corresponds to economic optima. The solar energy can be used for production of hot water on the summer time and loading the boreholes in the ground. The conclusion was that it is hardly profitable to invest to solar energy. Boreholes of energy system 1 were dimensioned by EED which is a PC-program for borehole heat exchanger design. Several dimensioning were done by EED but the temperature of heat transfer fluid did not settled. Thermal energy was only extracted from the ground when the decrease in temperature of heat transfer fluid was expected. In addition, in Sodankylä district the ground surface temperature is -1 °C, which is risen by the geothermal gradient 1 °C / 100 m. These facts caused that heat transfer fluid temperature decreased so low, that it may call into question whether it merely is not even wise to build heating system based on multiple boreholes in Lapland. Eco-efficiency of the energy systems 1 and 2 was compared by calculating both the lifecycle costs and CO<sub>2</sub>- emissions, by using 30-year life cycle. Life-cycle costs of energy system 1 rose about 2 million Euros (33%) higher than for the energy system 2. CO<sub>2</sub>- emissions of energy system 2 were more than two times higher (137%) than for the energy system 1.

Tämä diplomityö on osa MATKA - hanketta. MATKA - hankkeen tarkoituksena on tutkia ja kehittää matkailua yhdyskuntarakenteessa ja selvittää miten matkailuteollisuus integroituu kestävään aluekehitykseen. Tämän tutkimuksen tavoitteena on mitoittaa Ylläkselle rakennettavaan uuteen matkailukylään ekotehokas aluelämmitysjärjestelmä. Aluelämmitysjärjestelmän energiantuottomuotoina tutkitaan lämpöpumppuihin, biomassaan ja aurinkolämpöön perustuvaa järjestelmää. Uusi matkailukylä on tarkoitus toteuttaa passiivi- ja matalaenergiatekniikalla. Siitä kuinka laajalle aluelämmitysjärjestelmä ulotetaan, muodostettiin kaksi eri skenaariota. Skenaariot osoittautuivat kuitenkin niin samanlaisiksi, että kaikki laskelmat tehtiin skenaarion 2 lämmitysenergiantarpeilla. Lisäksi matalaenergiarakentamisen hyödyllisyys osoitettiin referenssitapauksen avulla. Matalaenergiarakentaminen säästää lämmitysenergiassa 7,6 GWh/a. Tutkittavia energiajärjestelmiä oli kaksi. Energiajärjestelmän 1 perusenergiantuotannosta vastaa lämpöpumppu ja kulutushuipusta pelletti, sekä energiajärjestelmän 2 perusenergiantuotannosta vastaa hake ja kulutushuipusta pelletti. Energiajärjestelmien sisällä valittiin osuudet eri energiamuodoille, mutta valitut energiaosuudet perustuvat arvioon, eivätkä ne välttämättä vastaa taloudellista optimia. Aurinkolämpöä voi energiajärjestelmien tukena käyttää lämpimän käyttöveden tuottamiseen kesällä sekä lämpökaivokentän lataamiseen. Aurinkolämmön suhteen tultiin tulokseen, että siihen on tuskin kannattavaa investoida. Energiajärjestelmän 1 lämpökaivokenttä mitoitettiin EED:llä, joka on lämpökaivojen mitoitukseen tarkoitettu ohjelmisto. EED:llä tehtiin monta eri mitoitusta, mutta lämpökaivokentän lämmönsiirtonesteen lämpötilaa ei saatu tasaantumaan. Tähän vaikuttivat se, että kentästä ainoastaan otettiin lämpöenergiaa, jolloin lämmönsiirtonesteen lämpötilan lasku oli odotettavissakin. Lisäksi Sodankylä korkeudella maanpinnan keskilämpötila on -1 °C, jota geoterminen gradientti nostaa vain noin 1 °C /100 m. Nämä seikat aiheuttivat yhdessä lämmönsiirtonesteen lämpötilan laskemisen niin matalaksi, että voi kyseenalaistaa onko pelkästään lämmitykseen tarkoitettu lämpökaivokenttää edes viisasta rakentaa Lappiin. Energiajärjestelmien 1 ja 2 ekotehokkuutta verrattiin laskemalla kummallekin elinkaarikustannukset sekä CO<sub>2</sub> -päästöt, 30 vuoden elinkaarella. Energiajärjestelmän 1 elinkaarikustannukset nousivat noin 2 milj. euroa eli noin 33 % korkeammiksi kuin energiajärjestelmällä 2. CO<sub>2</sub> -päästöjä arvioitaessa energiajärjestelmän 2 koko elinkaaren CO<sub>2</sub> -päästöt olivat yli kaksi kertaa suuremmat eli noin 137 % kuin energiajärjestelmällä 1.
Description
Supervisor
Sirén, Kai
Thesis advisor
Paatero, Jukka
Keywords
district heating, aluelämmitys, GSHP, kalliolämpö, GHE, kalliolämpökenttä, BTES, lämpöpumppu, heat pump, ekotehokkuus, eco-efficiency
Other note
Citation