Lämmönsiirto ja häviöt lämmön kausivarastoinnissa

Abstract

Lämmön kausivarastot ovat energiavarastoja, joihin kesän ylijäämälämpöä voidaan ottaa talteen kylmempiä ajanjaksoja varten, kun sen tarve on suurimmillaan. Kausivarastoinnin tehokkuuteen ja siten myös sen kannattavuuteen vaikuttaa lämpöhäviöiden suuruus. Kandidaatintyössä perehdytään, miten lämpöhäviöitä tapahtuu ja mitkä ovat niihin vaikuttavia tekijöitä. Häviöitä tarkastellaan erityisesti lämmönsiirron näkökulmasta sekä tutustutaan, miten lämpöhäviöitä voidaan arvioida yksinkertaisilla lämmönsiirtoyhtälöillä.

Merkittävimpiä tekijöitä häviöiden muodostumiseen ovat lämpötilaerot varaston ja ympäristön välillä, rakenteiden ja maaperän lämmöneristyskyky, varaston koko ja geometria sekä ympäristön olosuhteet, kuten mahdollinen pohjaveden virtaus. Työssä laskettiin vesitäytteisen kuoppalämpövaraston eristekannen läpi tapahtuvia häviöitä sekä arvioitiin laskentamenetelmän toimivuutta kyseiseen sovellukseen.

Häviöiden laskenta toteutettiin käyttäen todellisen Tanskassa sijaitsevan kuoppalämpövaraston eristemateriaaleja ja ilmasto-olosuhteita. Häviöt laskettiin kuuden kuukauden ajalta laskemalla erikseen kuukausikohtaiset lämpöhäviöt stationääritilassa. Puolessa vuodessa häviöiden suuruus kannen läpi oli 4416,27 GJ. Tulokset ovat suuruusluokaltaan realistisia, mutta tehtyjen oletuksien takia ne aliarvioivat todellisia häviöitä hieman. Laskentamenetelmä osoittautui toimivaksi suuntaa antavan arvion muodostamiseksi.

Seasonal thermal energy storages are energy storage systems where surplus heat from the summer can be stored for colder periods when demand is at its highest. The efficiency and thus profitability of seasonal storage is affected by the magnitude of heat losses. This thesis examines how heat losses occur, and which factors affect them. Losses are examined particularly from the perspective of heat transfer, and the study also explores how losses can be estimated using simple heat-transfer equations.

The most significant factors affecting losses are temperature differences between the storage and the surroundings, thermal insulation capacity of the structures and soil, the size and geometry of the storage and the properties of the surroundings such as possible groundwater flow. In this thesis thermal losses through the insulated lid of a pit thermal energy storage are estimated with calculations. In addition, the functionality of the calculation method was evaluated for the application.

The calculation was made using the insulation materials and climate conditions of a real pit thermal energy storage located in Denmark. Losses were calculated for a six-month period by summing up monthly losses, which were assumed to occur under steady-state conditions. The losses for half a year through the lid were 4416.27 GJ. The results are realistic in terms of magnitude but due to the assumptions made, they slightly underestimate the actual losses. The method proved to be effective for a rough estimate of losses.