Kuumalämpöpumppujärjestelmän lämmönlähteiden kartoitus case-yrityksessä

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli tunnistaa Case-yrityksen nykyiselle kuumalämpöpumppujärjestelmälle korvaavia lämmönlähteitä, jos nykyinen fossiilisilla energianlähteillä tuotettu hukkalämpövirta poistuu käytöstä siirryttäessä korvaaviin uusiutuviin energianlähteisiin. Työ toteutettiin tapaustutkimuksena paperiteollisuuden toimipaikassa, jossa kuumalämpöpumppujärjestelmää käytetään erilaisten sisäisten prosessien lämmitykseen ja kaukolämpöverkon tukena.

Työssä tarkasteltiin yrityksessä aikaisemmin tunnistettuja kostean ilman virtoja, puhdistettua jätevettä, jokivettä ja maalämpöä mahdollisina lämmönlähteinä. Puhdistettua jätevettä, jokivettä ja maalämpöä tarkasteltiin potentiaalisina lämmönlähteinä yhdistämällä ne uuteen lämpöpumppuun, jolla niiden lämpötilataso nostetaan hyödynnettäväksi. Tutkimus perustui kirjallisuuskatsaukseen, prosessimittauksiin sekä laskennallisiin tarkasteluihin. Lisäksi tarkasteltiin rajoitetusti teknistä toteutettavuutta.

Tulosten perusteella kosteasta ilmasta talteen otettava hukkalämpö osoittautui teknisesti ja potentiaalisesti myös taloudellisesti kiinnostavaksi vaihtoehdoksi. Kahdessa kostean ilman lämpövirran kohteessa havaittiin merkittävä lämpötehopotentiaali, jonka hyödyntäminen edellyttää kuitenkin lisämittauksia ja tarkempaa suunnittelua. Puhdistetusta jätevedestä tunnistettiin myös potentiaali, sillä oikealla lämpöpumpun mitoituksella voidaan mahdollistaa korkeampi käyttöaste nykyiselle järjestelmälle. Jatkotutkimuksessa tulisikin keskittyä jäteveden osalta tarkempiin taloudellisiin laskelmiin. Jokiveden hyödyntämiseen tunnistettiin teknisiä haasteita, jotka tämän tutkimuksen perusteella heikentävät sen soveltuvuutta tarkasteltuun käyttökohteeseen. Maalämmön osalta alustava tarkastelu osoitti, että vaadittava energiakaivokenttä muodostuisi erittäin suureksi eikä ratkaisu vaikuta sellaisenaan tarkoituksenmukaiselta tässä sovelluksessa.

The objective of this master’s thesis was to identify alternative heat sources for the existing high-temperature heat pump system of the Case company in a situation where the current waste heat stream, generated using fossil energy sources, becomes unavailable due to a transition towards renewable energy sources. The study was conducted as a case study at a paper industry plant where the high-temperature heat pump system is used to supply heat for various internal processes and to support the district heating network.

The study examined previously identified humid air streams, treated wastewater, river water, and ground-source heat as potential heat sources. Treated wastewater, river water, and ground-source heat were evaluated as potential heat sources by integrating them with a new heat pump to raise their temperature levels to a usable range. The research was based on a literature review, process measurements, and calculation analyses. In addition, the technical feasibility of the different alternatives was assessed to a limited extend.

The results indicated that waste heat recovered from humid air streams is a technically feasible attractive alternative. Significant heat recovery potential was identified in two moist air heat flow locations, although further measurements and more detailed engineering studies are required. Treated wastewater was also found to have potential as a heat source, as appropriate heat pump sizing could enable a higher utilization rate of the existing system. Future research should therefore focus on more detailed economic analyses of the wastewater-based solution. Several technical challenges were identified regarding the utilization of river water, which were found to reduce its suitability. The preliminary assessment of ground-source heat indicated that the required borehole field would be exceptionally large, making the solution impractical for the studied application in its current form.