Aurinko- ja ilmalämmön hyödyntäminen maalämpöjärjestelmän energiatehokkuuden parantamisessa

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Date

2018-08-20

Department

Major/Subject

Mcode

ENG21

Degree programme

Master's Programme in Energy Technology (EEN)

Language

fi

Pages

82 + 7

Series

Abstract

Maalämpöjärjestelmän energiakaivot jäähtyvät vuosien saatossa, kun niistä otetaan enemmän lämpöenergiaa kuin niihin ladataan. Tämä johtaa maalämpöpumpun hyötysuhteen heikkenemiseen, joka lisää järjestelmän sähkön kulutusta. Maalämpöjärjestelmä voidaan varustaa lisälämmönlähteellä, kuten ilma- tai aurinkolämmöllä, joilla voidaan ladata lämpöenergiaa kallioperään energiakaivojen kautta, eli regeneroida energiakaivoja. Regeneroinnin avulla estetään tai hidastetaan energiakaivojen jäähtymistä, ja maalämpöjärjestelmä toimii taloudellisemmin ja luotettavammin vuosienkin kuluttua. Työn teoriaosuudessa käsiteltiin maalämpöjärjestelmän lämmönlähdettä, eli maankamaraa lämmönlähteenä, maankamaran regenerointia sekä tässä työssä regenerointilähteenä käytettyjä aurinko- ja ilmalämpöjärjestelmiä. Tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella kahden tutkimuskohteen, Varsinais-Suomessa sijaitsevan toimistorakennuksen ja Kanta-Hämeessä sijaitsevan asuinkerrostalon kautta ilma- ja aurinkolämmön taloudellista kannattavuutta maalämpöjärjestelmän energiatehokkuuden parantamisessa. Lisäksi tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella lisälämmönlähteen kytkennän vaikutusta maalämpöjärjestelmän energiatehokkuuteen. Ensimmäisessä kytkennässä lisälämpö johdettiin energiakaivokenttään ja toisessa maalämpöpumpun höyrystimelle menevään lämmönsiirtonesteeseen. Tarkastelu suoritettiin erikokoisilla lisälämmönlähdejärjestelmillä. Tarkasteluajanjaksona oli 15 vuotta, ja tarkastelu suoritettiin tuntitasolla hyödyntäen TRY2012 Energialaskennan testivuodet nykyilmastossa tuntiaineistoa. Energiakaivokentän toimintaa simuloitiin kaupallisella ohjelmistol-la Earth Energy Designer, ja rakennuksen sekä ilma- ja aurinkolämpöjärjestelmän toimintaa työssä kehitetyllä MS Excel -sovelluksella. Tutkimustuloksena saatiin, että ulkoilman hyödyntäminen maalämpöjärjestelmän lisälämmönlähteenä on taloudellisesti kannattavampaa kuin aurinkolämmön. Ilmalämpöjärjestelmien käyttökustannukset eivät juurikaan eronneet aurinkolämpöjärjestelmien, mutta niiden investointikustannukset olivat merkittävästi pienemmät kuin aurinkolämpöjärjestelmien. Tarkasteltujen kytkentävaihtoehtojen välillä ei ollut merkittävää eroa, mutta johtamalla lisälämpö maalämpöpumpun höyrystimelle menevään lämmönsiirtonesteeseen saavutettiin hieman parempi maalämpöpumpun hyötysuhde.

The boreholes of ground source heat pump (GSHP) systems will cool down over the years when more thermal energy is extracted than is injected into them. This leads to the decline of the efficiency rate of GSHP which increases the system electricity consumption. The GSHP system can be equipped with an extra heat source, such air source heat or solar heat which can be used to charge thermal energy into the bedrock through the boreholes, in other words to regenerate the boreholes. The cooling of boreholes is prevented or slowed down by the regeneration and the GSHP system will operate more economically and more reliably even after years of use. The theory part of the work examined the bedrock as the GSHP heat source, regeneration of the bedrock and regeneration sources used in this work, solar and air source heat systems. The aim of this study was to examine air source and solar heat profitability in improving GSHP system energy efficiency through two research subjects, an office building and a multi-storey apartment building. The office building is located in the province of Varsinais-Suomi and the apartment building in the province of Kanta-Häme. In addition, the aim of this study was to examine the influence of the extra heat source connection options on the GSHP energy efficiency. In the first connection type, the extra heat was lead into the borehole field and in the second connection type into the brine which is entering the GSHP’s evaporator. The examination was performed with different sizes of extra heat sources. The examination period was 15 years, time step was one hour and hourly data from TRY2012 material was utilized in the calculations. Operation of borehole fields was simulated by commercial Earth Energy Designer software whereas buildings, air source heat and solar heat systems opearation were simulated through in this study devoloped MS Excel application. As the main result of the study, the utilising of ambient air as an extra heat source of GSHP system was found to be more profitable than solar heat. There is no significant difference in operation costs between air source heat and solar heat systems, but investment costs of air source heat systems were significantly lower than those of solar heat systems. There was no significant difference between examined connection options but a slightly higher GSHP efficiency rate was reached when extra thermal heat was lead into brine which is entering the GSHP’s evaporator.

Description

Supervisor

Virtanen, Markku

Thesis advisor

Nurmi, Simo

Keywords

maalämpö, aurinkolämpö, ilmalämpö, regenerointi, maalämpöjärjestelmän energiatehokkuus, elinkaarikustannukset

Other note

Citation