Lämmitys- ja jäähdytyskaavioiden toiminnallisuuden dynaamiset tarkastelut maalämpökytkennässä

Abstract

Tässä insinöörityössä tutkittiin monimutkaisen lämmitys- ja jäähdytyskytkentäkaavion toimivuutta maa- ja kaukolämpökytkennässä sekä pyrittiin optimoimaan mahdollisimman toimiva esimerkkikytkentä. Työ tehtiin Optiplan Oy:n toimeksiantona ja apuna käyttäen EQUA Oy:n IDA ICE -energiasimulointiohjelmaan rakentamaa dynaamista simulointityökalua. Simulaatiotyökalu haluttiin ottaa käyttöön, jotta monimutkaisia kytkentöjä ja niiden toimivuutta päästäisiin tarkastelemaan dynaamisesti ja tarkasti. Simuloimalla kytkentää päästäisiin siten varmistamaan kytkentöjen toimivuus tai tekemään parannuksia niihin.

Työn alussa esitellään maalämpö järjestelmänä sekä käydään läpi siihen kuuluvat tärkeimmät komponentit ja niiden toiminta. Tämän jälkeen perehdytään hieman maalämmön- ja kylmän jakovaihtoehtoihin kiinteistöissä sekä niiden liittämistä kaukolämmön ohelle. Ennen tutkimusvaihetta esitellään vielä tutkimuksessa simuloitava ja tarkasteltava kytkentäkaavio sekä malli.

Tutkimus jaettiin itsessään viiteen tutkimusvaiheeseen eli käytännössä viiteen eri simulaatioon. Kytkennän laajuuden vuoksi tutkimus rajattiin pääosin jäähdytyspuolen toiminnan tarkasteluun. Jäähdytyspuolen toiminnan tarkastelussa sen sijaan keskityttiin vapaa- ja aktiivijäähdytyksen keskinäiseen toimintaan jäähdytyskaudella. Olettamus sekä optimoinnin tavoite oli, että vapaajäähdytystä pystyttäisiin käyttämään pitkälle kesään, kunnes järjestelmä siirtyisi pikkuhiljaa aktiivijäähdytyksen käyttöön.

Ensimmäisessä simulaatiossa ei tehty muutoksia alkuperäisen mallin ominaisuuksiin, vaan ajettiin se läpi, minkä jälkeen tuloksia tarkasteltiin. Tuloksista selvisi, ettei kytkennässä olevat komponentin vastanneet simuloitavan mallin suuruutta lainkaan. Tästä syystä mallin komponentteja lähdettiin optimoimaan yksi kerrallaan, jotta nähtäisiin kunkin komponentin yksittäinen vaikutus. Simulaatioajojen tuloksena jo viides simulaatio osoitti kytkennän toimivuuden ja tavoitteisiin päästiin. Suurimmat tekijät kytkennän toimivuuteen olivat energiakaivojen oikea mitoitus sekä pumpun jäähdytyksen asetusarvon optimointi. Tutkimuksen perusteella voidaan sanoa, että monimutkaisten kytkentöjen dynaaminen simulointi auttaa suunnittelijaa optimoimaan kytkentöjä sekä löytämään niistä mahdollisia epäkohtia.

This Bachelor’s thesis studied the functionality of complex heating and cooling schematics in a ground and district heating connection, as well as aimed at optimizing the best possible schematic diagram for the system. The study was made with a dynamic simulation tool on IDA ICE energy simulation program. The tool could confirm the proper functioning of the complex schematic diagrams.

Geothermal systems, their components and operations were looked into, and the distribution of geothermal heat and cold was introduced. Furthermore, five simulations were carried out. The simulations mostly covered the joint operations of passive and active cooling. The aim was to use passive cooling long into the summer before gradually transferring to active cooling.

The first simulation, done with the components of the original model, showed that the components in the schematics did not correspond to the size of the simulated model. Therefore, the components were optimized one by one to see the individual effect of each change.

The fifth simulation proved the functionality of the modified schematic diagram. Major factors for success were the correct dimensioning of the energy boreholes and the optimization of the cooling set point of the ground source heat pumps. Based on this study, it can be said that dynamic simulations of complex schematics help engineers in optimizing geothermal systems and identifying potential malfunctions.