Hybridi CO2 -lämpöpumppujärjestelmän vertailu toimitilakiinteistössä

Abstract

Insinöörityössä oli tavoitteena selvittää, onko hiilidioksidia kylmäaineena käyttävää lämpöpumppua kannattavaa käyttää toimitilan lämmitys- ja jäähdytystuotantojärjestelmänä. Vertailtavana energiantuotantojärjestelmänä käytettiin kaukoenergiaa, joka sisältää kaukolämmityksen ja -jäähdytyksen. Kaupan kylmää on alettu viimeaikoina tuottamaan enenevästi hiilidioksidikylmäkoneella ja energiatehokkuuden parantamiseksi kaupan kylmä on yleensä varustettu lämmön talteenotolla. Toimitilan tilalämmityksessä ja -jäähdytyksessä hiilidioksidilämpöpumppu ei ole yleistynyt.

Hiilidioksidilämpöpumpun kannattavuutta arvioitiin kahdella menetelmällä. Ensimmäiseksi laskettiin standardin SFS-EN 14825 mukaisesti hiilidioksidilämpöpumpun kylmä- ja lämpökertoimet osatehoilla. Toisena menetelmänä kannattavuutta vertailtiin kaukoenergiaan elinkaarilaskujen avulla. Elinkaarilaskuissa menetelminä käytettiin takaisinmaksuaikamenetelmää, investoinnin nykyarvomenetelmää ja maksimi-investoinnin menetelmää. Vertailussa hiilidioksidilämpöpumpun toimintalämpötilojen valitsemisen apuna käytettiin Ilmatieteen laitoksen laatiman energialaskennan testivuodet nykyilmastossa -tuntiaineistoa, sekä tanskalaisen IPU A/S -yhtiön laatimaa transkriittisen hiilidioksidijärjestelmän mitoitusohjelmaa. Tuloksena saatiin referenssihiilidioksidilämpöpumpun SCOP-luvuksi 4,46 ja SEER-luvuksi 2,83. SCOP- ja SEER-luvuilla on mahdollista verrata luotettavasti samassa ilmastossa toimivia kylmäkoneita ja lämpöpumppuja. Elinkaarilaskennan tuloksista havaittiin, että hiilidioksidilämpöpumpun kannattavuus riippuu merkittävästi kaukoenergian investointikustannuksista, joihin kaukoenergian tuottaja voi vaikuttaa.

Hiilidioksidilämpöpumppua ei ole juurikaan käytetty pääasiallisena lämmöntuotantotapana tilalämmityksessä. Tämän insinöörityön tuloksista on kuitenkin havaittavissa, että hiilidioksidilämpöpumppu on mahdollisesti kannattava myös rakennuksen pääasiallisena lämmöntuotantotapana. Hiilidioksidilämpöpumpun käyttämisessä rakennuksen pääasiallisena lämmöntuotantotapana tarvitaan kuitenkin lisää tutkimus- ja kehittämistyötä, jotta hiilidioksidilämpöpumppu voidaan optimoida toimimaan parhaalla mahdollisella hyötysuhteella mahdollisimman pitkän ajan.

The purpose of this bachelor's thesis was to compare the cost-effectiveness of a carbon dioxide heat pump system with that of the widely used district energy.

First, calculations of the seasonal coefficiency of performance and seasonal energy efficiency ratio under the terms of standard SFS-EN 14825 were made. Secondly, life-cycle-cost calculation were done with three separate methods. The methods were repayment period method, current value method and maximum investment method.

According to the standard SFS-EN 14825 calculations, the seasonal coefficiency of performance was 4.46 and the seasonal energy efficiency ratio was 2.83. The life-cycle-cost calculations showed that the investment price of district cooling is critical to the results. If the price is very low, the payback time of the carbon dioxide heat pump is longer than its life time. On the other hand, when the district energy investment is greater, the payback time of the carbon dioxide heat pump is relatively short.

In conclusion, it can be said that further research and development is needed in order to provide space heating and space cooling with a carbon dioxide heat pump. However, this thesis showed that a carbon dioxide heat pump is a potential primary heating and cooling source on a business premise.