Pintaveden jäädyttäminen lämpöpumpun lämmönlähteenä kaukolämmön tuotannossa

Abstract

Lämpöpumput ovat yksi lupaavimpia uusiutuvan kaukolämmön tuotantomuotoja. Viime vuosina Suomessa on selvitetty pintaveden soveltuvuutta lämpöpumppujen lämmönlähteeksi. Pintaveden lämpötila putoaa kuitenkin talvella alle +1 °C, jolloin pumpattava vesimäärä kasvaa niin suureksi, että pumppaaminen muuttuu mahdottomaksi. Tässä työssä tutustutaan vaihtoehtoon, jossa lämpöpumppu jäädyttää pintavettä hyödyntäen faasimuutosenergian vähentäen veden tarvetta ja tarjoten lähes rajattoman 0°C lämmönlähteen myös talvella. Työssä tarkasteltiin jään tekoon olemassa olevia laitteita ja niiden pohjalta kehitettiin kaukolämpöä tuottava jäädyttävä lämpöpumppu. Työssä arvioidaan lämpöpumpun kannattavuutta kaukolämpöjärjestelmään.

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää teollisen kokoluokan pintavettä jäädyttävän lämpöpumpun kannattavuus ja soveltuvuus kaukolämmöntuotantoon. Kannattavuus arvioidaan erilaisilla investointilaskentamenetelmillä, lisäksi lasketaan tuotetun lämmön ominaiskustannus, joka mahdollistaa järjestelmän vertailun muihin lämmön tuotantotapoihin.

Kehitetyssä järjestelmässä yhdistetään jään valmistuskone sekä perinteinen lämpöpumppu. Investointilaskelman perusteella lämpöpumppujärjestelmä on kannattava ja kilpailukykyinen muiden lämmön tuotantotapojen kanssa. Työn pohjalta on mahdollista suunnitella ja toteuttaa pilottilaitos, jossa selvitetään järjestelmän erityispiirteet ja käytännön toiminta. Jäädyttävä lämpöpumppulaitos voi toimia Suomen kaukolämpöjärjestelmässä peruskuormalaitoksena, vähentäen polttoon perustuvien tuotantomuotojen käyttöä.

Heat pumps are a promising method for renewable district heat production. In recent years heat pumps, which use sea or lake water as their heat source are tested in Finland. Unfortunately, natural water’s temperature falls below 1 °C during the winter months which increases the water flow rate to such a degree that the pumping becomes nearly impossible. This thesis researches the possibility for heat pumps to utilize the latent heat of freezing by creating ice. This would lower water demand and offer nearly unlimited 0 °C heat source even during winter. The thesis examines the existing technologies of ice machines and based on the suitable technologies creates a freezing heat pump for district heat production. We examined the profitability of the system in a district heat network.

The aim of this thesis is to calculate the profitability of industrial scale freezing heat pump and its suitability for district heat production. The profitability is examined with different investment calculation methods and the Levelized Cost of Heat which allows the comparison between different heat production methods.

The developed system combines an ice machine and a conventional heat pump. Based on profitability calculations the system is feasible and competitive with different heat production methods. Based on the thesis, it is possible to engineer and build a pilot project to research the distinguished features and practical use. The freezing heat pump can work as a baseload power plant in Finland’s district heat system and reduce the use of burning based production methods.