Investointikustannuksen ja energiankulutuksen optimointi majoitusrakennuksen maalämpöjärjestelmässä

Abstract

Työn tarkoitus on tehdä monitavoiteoptimointia, jossa pyritään löytämään mahdollisimman energia- ja kustannustehokkaan ratkaisun maalämpöjärjestelmälle. Maalämpökaivokenttä mitoitetaan EED (Earth Energy Designer) -ohjelmalla, energian kulutuslaskenta tehdään IDA ICE -simulointiohjelmalla, ja monitavoiteoptimointi toteutetaan IDA ICE:ssa integroidulla optimointityökalulla. Optimointituloksista poimitaan mielekäs ratkaisu, joka tyydyttää sekä investointikustannuksen että rakennuksen energiankulutuksen. Maalämpöjärjestelmä verrataan kaukolämpöjärjestelmään kannattavuuslaskennan avulla.

Työ koostuu pääosin kahdesta osasta: teoriaosasta ja toteutusosasta. Teoriaosassa käsitellään maaperän ominaisuuksia, lämmönsiirron vaikutustekijöitä, monitavoiteoptimoinnin matemaattisia periaatteita ja IDA ICE:ssa integroidun algoritmin perusteita. Toteutusosassa käsitellään mallissa käytettyjä maalämpöjärjestelmän toimintoja ja laitteiden valintoja, jotka perustuvat rakennuksen simuloituun energiantarpeeseen. IDA ICE:n ohjelmassa mallinnettu maalämpöjärjestelmä optimoidaan monimuuttujan menetelmällä.

Maalämpöjärjestelmän takaisinmaksuaika tarkistetaan kahdessa tapauksessa: perustapauksessa, jossa käsitellään EED-ohjelmalla simuloituun lämpökaivokenttään perustuvaa maalämpöjärjestelmää, ja optimointitapauksessa, jossa käsitellään optimoinnin tuloksista saatua maalämpöjärjestelmää. Optimointituloksista valittu maalämpöjärjestelmä on kannattavampi kuin kaukolämpöjärjestelmä ja perustapauksen maalämpöjärjestelmä. Valitun maalämpöjärjestelmän takaisinmaksuaika on 9 vuotta, mikä on lyhyempi kuin perustapauksen maalämpöjärjestelmän takaisinmaksuaika, joka on 17 vuotta.

Työn tuloksista on saatu selville myös lämpimän käyttöveden lämmitystavan vaikutus maalämpöpumpun SPF-lukuun ja lämmitysjärjestelmän energian hyötysuhteeseen. Maalämpöpumpun SPF-luku paranee arvosta 3,1 arvoon 3,3 mutta lämmitysjärjestelmän energiatehokkuus laskee arvosta 2,8 arvoon 1,8, jos käyttövesi valmistetaan pelkällä sähköllä perustapauksessa.

The purpose of this work is to perform multi-objective optimization of a ground source heat pump (GSHP) system, aiming for the most energy- and cost-efficient solution. The borehole field for the GSHP is dimensioned using the EED (Earth Energy Designer) program, energy consumption calculations are done with the IDA ICE simulation software, and the multi-objective optimization is executed using the optimization tool integrated into IDA ICE. From the optimization results, a feasible solution that satisfies both investment cost and building energy consumption requirements is selected and compared to a district heating system through profitability analysis.

The work mainly consists of two parts: the theoretical part and the implementation part. The theoretical part covers the properties of the ground, factors affecting heat transfer, the mathematical principles of multi-objective optimization, and the basics of the algorithm integrated into IDA ICE. The implementation part deals with the functions and equipment choices of the GSHP system used in the model, based on the simulated energy needs of the building.

The payback period of the GSHP system is evaluated in two scenarios: the base case, which considers a GSHP system based on a borehole field simulated with the EED program, and the optimized case, which considers a GSHP system derived from optimization results. The selected GSHP system from the optimization results is more cost-effective than both the district heating system and the base case GSHP system. The payback period for the selected GSHP system is 9 years, which is shorter than the payback period of 17 years for the base case GSHP system.

The results also reveal the impact of the domestic hot water heating method on the seasonal performance factor (SPF) of the GSHP and the energy efficiency of the heating system. The SPF of the GSHP improves from 3.1 to 3.3, while the energy efficiency of the heating system decreases from 2.8 to 1.8 if domestic hot water is produced solely with electricity in the base case.