Faasimuutosmateriaalien hyödyntäminen lämpöpumppujärjestelmässä
Launonen, Petteri (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026052252251
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026052252251
Tiivistelmä
Tämän diplomityön aiheena on tutkia ja selvittää mahdollisuuksia hyödyntää faasimuutosmateriaaleja lämpöpumppujärjestelmissä ja sen kannattavuutta. Faasimuutosmateriaalien hyödyntäminen kiinteistön lämmitysverkostoon kytketyssä lämpövarastovaraajassa vaikuttaa lämpöpumpun käynnistymissyklien pituuteen.
Pidemmät käynnistyssyklit säästävät lämpöpumpun kompressoria turhalta mekaaniselta kulumiselta, parantavat hyötysuhdetta ja alentavat lämmityskustannuksia. Parhaimmassa tapauksessa lämpövarastoon varastoidaan lämpöä edullisen sähkönhinnan aikana ja varasto puretaan kulutuspiikin aikana, jolloin energia on kallista.
Lämpöpumput aiheuttavat ominaisuuksillaan rajoituksia lämmitysverkostoon menevän veden lämpötilalle ja käyttöveden lämpötilaa ohjaa terveysasetukset. Nämä rajoitteet asettavat raamit sopiville faasimuutosmateriaaleille, koska faasimuutoksen on tapahduttava tietyn lämpötila-alueen sisällä, jotta siitä olisi hyötyä energian varastoinnissa.
Lisäksi sopivan faasimuutosmateriaalin täytyy olla myös edullinen. Jotta lisälämpövarastovaraajan kytkeminen lämpöpumppujärjestelmään olisi houkutteleva investointi, sillä täytyy olla kohtuullinen takaisinmaksuaika. Tässä työssä esimerkkinä käytetyn kiinteistön tapauksessa investointi ei ole kannattava. Kannattavuuteen vaikuttaa oleellisesti sähkön hinnan muutokset, lämpövaraston koko ja kiinteistön tehontarve faasimuutoslämpötilassa. Työn tuloksena on laskelmatyökalu investoinnin kannattavuudesta. Utilization of phase change materials in the heat storage tank connected to the building's heating network affects the length of the heat pump's start-up cycles. The topic of this thesis is to investigate and to find out the possibilities of using phase change materials in heat pump systems and its profitability.
Longer start-up cycles save the heat pump compressor from unnecessary mechanical wear, improve efficiency and can cause savings in heating costs. In the best case, heat is stored into a heat storage during low electricity prices and the storage is unloaded during peak consumption, when energy is expensive.
Heat pumps cause restrictions on the temperature of the water going into the heating network, and the temperature of the hot water is regulated by the health regulation. These constraints set the framework for suitable phase change materials, since the phase change must occur within a certain temperature range to be useful for the energy storage.
In addition, the suitable phase change material must be inexpensive, so that connecting the additional heat storage tank to the heat pump system would be an attractive investment, as it must have a reasonable payback period. In the case used as an example in this work, the investment is not profitable. Profitability is essentially affected by changes in the price of electricity, the size of the thermal storage and the building's power demand at the phase change temperature. The result of the work is calculation tool for investment profitability.
Pidemmät käynnistyssyklit säästävät lämpöpumpun kompressoria turhalta mekaaniselta kulumiselta, parantavat hyötysuhdetta ja alentavat lämmityskustannuksia. Parhaimmassa tapauksessa lämpövarastoon varastoidaan lämpöä edullisen sähkönhinnan aikana ja varasto puretaan kulutuspiikin aikana, jolloin energia on kallista.
Lämpöpumput aiheuttavat ominaisuuksillaan rajoituksia lämmitysverkostoon menevän veden lämpötilalle ja käyttöveden lämpötilaa ohjaa terveysasetukset. Nämä rajoitteet asettavat raamit sopiville faasimuutosmateriaaleille, koska faasimuutoksen on tapahduttava tietyn lämpötila-alueen sisällä, jotta siitä olisi hyötyä energian varastoinnissa.
Lisäksi sopivan faasimuutosmateriaalin täytyy olla myös edullinen. Jotta lisälämpövarastovaraajan kytkeminen lämpöpumppujärjestelmään olisi houkutteleva investointi, sillä täytyy olla kohtuullinen takaisinmaksuaika. Tässä työssä esimerkkinä käytetyn kiinteistön tapauksessa investointi ei ole kannattava. Kannattavuuteen vaikuttaa oleellisesti sähkön hinnan muutokset, lämpövaraston koko ja kiinteistön tehontarve faasimuutoslämpötilassa. Työn tuloksena on laskelmatyökalu investoinnin kannattavuudesta.
Longer start-up cycles save the heat pump compressor from unnecessary mechanical wear, improve efficiency and can cause savings in heating costs. In the best case, heat is stored into a heat storage during low electricity prices and the storage is unloaded during peak consumption, when energy is expensive.
Heat pumps cause restrictions on the temperature of the water going into the heating network, and the temperature of the hot water is regulated by the health regulation. These constraints set the framework for suitable phase change materials, since the phase change must occur within a certain temperature range to be useful for the energy storage.
In addition, the suitable phase change material must be inexpensive, so that connecting the additional heat storage tank to the heat pump system would be an attractive investment, as it must have a reasonable payback period. In the case used as an example in this work, the investment is not profitable. Profitability is essentially affected by changes in the price of electricity, the size of the thermal storage and the building's power demand at the phase change temperature. The result of the work is calculation tool for investment profitability.