Ilmavesilämpöpumppujen käyttöönotto, käyttö ja suorituskyky osana kaukolämpöverkkoa

Abstract

Kylmän ilmaston vuoksi lämmöntuotannon osuus kasvihuonepäästöistä on Suomessa merkittävä. Energiantuotannossa on käynnissä globaali murros ja sen vuoksi myös Suomen kaukolämmöntuotannon on uudistuttava. EU:n ja Suomen kansalliset ilmastotavoitteet ohjaavat kaukolämmön tuotantoa käyttöönottamaan ja kehittämään ympäristöystävällisiä tuotantotapoja. Ilmastotavoitteisiin liittyen Fortum on aloittanut laajan ohjelman, johon sisältyy kaukolämmön uusien vaihtoehtoisien tuotantotapojen pilotointi.

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia ilma-vesilämpöpumppujen käyttöönottoa, suorituskykyä ja toimintaa osana kaukolämpöverkkoa. Tutkimuksessa seurattiin kahden Fortumin rakentaman pilottilämpöpumpun käyttöönottoa ja toimintaa.

Ilma-vesilämpöpumppuja ei ollut aiemmin hyödynnetty laajassa mittakaavassa kaukolämmön tuotannossa kylmissä olosuhteissa, joten erilaisia käyttöönottoon liittyviä haasteita oli ennakoitu olevan pilotoinnin aikana. Ongelmia ratkaistaessa pilottiprojekteista saatiin kerättyä paljon oppeja. Järjestelmiä optimoimalla saavutettiin huomattavaa kehitystä laitosten toi-minnassa ja hyötysuhteessa. Saatujen kokemusten ja tulosten perusteella ilma-vesilämpöpumput vaikuttavat toimivalta ja tehokkaalta tavalta tuottaa kaukolämpöä vähäpäästöisesti. Teknologia on kuitenkin vasta kehitteillä ja siksi uusien järjestelmien optimointiin on varattava aikaa ja resursseja, jotta laitokset saadaan toimimaan optimaalisesti. Pilottilaitosten eri toimintavaiheiden ja komponenttien mitoitukseen liittyvät ongelmat olivat ennakoitavissa, koska todellista käyttötilannetta on haastavaa mallintaa ja suunnitella. Saadut käyttökokemukset voidaan ottaa huomioon uusien laitosten suunnittelussa ja mitoituksessa. Lämpöpumppujen ja verkoston toiminnan yhteensopivuus ja käytön optimoiminen osoittautuivat koekäyttöjen aikana niin merkittäväksi, että ne saattavat ratkaista ilma-vesilämpöpumppujen kannattavuuden. Hyvin toimiessaan ilma-vesilämpöpumput ovat tehokkaita, eikä niiden käyttö edellytä jatkuvaa käyttöhenkilökunnan huomiota. Tässä diplomityössä esitetyt pilottilaitoksista saadut hyötysuhteeseen ja käyttöön liittyvät tulokset ovat alustavia ja lopulliset tulokset saadaan vasta kun laitosten käytöstä on pidempiaikaista kokemusta ja niiden käyttöä on optimoitu saatujen kokemusten perusteella.

Due to the cold climate, the share of greenhouse gas emissions caused by heat production is significant in Finland. Energy production is undergoing a global transformation and therefore Finland's district heating production must also be reformed. The national climate targets of the EU and Finland guide district heating production to introduce and develop environ-mentally friendly production methods. In connection with the climate targets, Fortum has launched an extensive program, which includes piloting new alternative production methods for district heating.

The aim of this thesis was to study the commissioning, performance and operation of air-to-water heat pumps as part of a district heating network. The study monitors the commissioning and operation of two pilot heat pumps built by Fortum.

Air-to-water heat pumps had not previously been used on a large scale for district heat production in cold conditions, so various commissioning challenges were anticipated during piloting. When solving the problems, a lot of lessons were learned from the pilot projects. By optimizing the systems, significant improvements were made in the operation and efficiency of the plants. Based on the experience and results gained, air-to-water heat pumps appear to be a competent and efficient way to produce district heating with low emissions. However, the technology is still under development and therefore time and resources must be set aside for the optimization of new systems in order to make the plants operate optimally. Problems with the sizing of the various operating phases and components of the pilot plants were foreseeable because it is challenging to model and plan the actual operating situation in advance. The operating experiences gained can be taken into account in the design and dimensioning of new plants. The compatibility and operational optimization of the heat pumps and the network proved to be so significant during the test runs that they may solve the profitability of the air-to-water heat pumps. When operating optimally, air-to-water heat pumps are efficient and do not require constant attention from operating personnel. The efficiency and results obtained from the pilot plants presented in this thesis are preliminary and the final results will be obtained only after a longer period of experience.