Lämpöpumppu konesalin jäähdytyksessä ja lämmöntalteenotossa

Abstract

Opinnäytetyössä tutkitaan Itä-Suomen Yliopiston Futura-opetusrakennuksen energiankäyttöä. Poikkeuksellista energian käytöstä tekee rakennuksessa sijaitsevan konesalin palvelinlaitteisto, joka vaatii suurta jäähdytystehoa ympäri vuoden.

Tutkimuksessa selvitettiin ero elinkaarikustannuksissa kahden jäähdytyksen tuotantojärjestelmän tapauksessa; joko jäähdytys tuotetaan vapaajäähdytyksellä ja jäähdytyskoneella, jolloin tavoitteena on tuottaa jäähdytys mahdollisimman vähäisellä sähkön kulutuksella, tai vaihtoehtoisesti jäähdytys tuotetaan vapaajäähdytyksen ja jäähdytyskoneen lisäksi lämpöpumpulla aina kun lämmitystarvetta ilmenee ja korvataan lauhdutuslämmöllä osa rakennuksen lämmityskuluista.

Vertailutapausten energiakustannukset muodostuvat lämmityskustannuksista ja jäähdytyksen tuotannon energiakustannuksista. Rakennuksen vuotuisen lämmitystarpeen selvittämiseen käytettiin RIUSKATM-energiasimulointiohjelmaa, jolla saatiin tuntikohtainen lämmitystarpeen määritys säätietoihin perustuen. Säätietoja käytettiin myös taulukkolaskennassa, jolla jäähdytyksentuotannon vuotuinen energiankulutus laskettiin. Energiakustannusten lisäksi työssä selvitettiin ero järjestelmien vaatimissa investoinneissa ja huoltokustannuksissa.

Lauhdutuslämmön käyttö yli kaksinkertaistaa vuotuisen sähkön kulutuksen, mutta tekee energian kokonaiskustannuksista noin 20 % edullisemmat. Lämmöntalteenoton vaatimat lisäinvestoinnit maksavat itsensä takaisin jo kahdessa vuodessa. Koko elinkaaren aikana kahdessakymmenessä vuodessa ovat järjestelmän kustannukset nykyarvoltaan liki 280 000 € edullisemmat.

Elinkaarikustannusten laskennan ja energiasimuloinnin yhteydessä saatujen energiankulutustietojen perusteella työssä laskettiin konesalin energiatehokkuutta mittaavat PUE- ja NPUE-arvot. Tulosten perusteella lämmöntalteenotto ei heikennä konesalin energiatehokkuutta, kun käytetään tapauskohtaisesti parhaiten soveltuvaa mittausarvoa.

This study examined the use of energy in the campus building Futura at the University of Eastern Finland. The building contained a data center which demanded continuous and significant cooling power, and therefore made energy usage exceptional.

The purpose was to declare the difference in life cycle costs between two cooling applications. Whether the cooling could be produced using free cooling and refrigeration when the target is to minimize usage of electricity in cooling production, or in addition to free cooling and refrigeration, heat pump could be used when heating load is needed in the building. Using a heat pump increased electricity consumption, but decreased the need of heating load at the same time.

In the comparison, energy costs consisted of heating costs and costs of cooling production. The RIUSKATM energy simulation program, where hourly data was obtained according to the weather conditions, was used to estimate the annual demand of heating load in the building. Weather conditions were also used in spreadsheet calculations of cooling production’s energy consumption. The difference in investments and maintenance costs was also defined.

The use of electricity in the production of cooling more than doubled when heat of the heat pump’s high side was used. However, the total energy cost was reduced almost by 20%. The additional investment of the heat recovery earned itself back in two years. In twenty years the benefit of heating recovery as a present value of life cycle cost was calculated to be close to 280,000 €.

The energy consumption data gained in energy simulation and spreadsheet calculation was also used to define the energy efficiency indicators such as PUE and NPUE. Based on the results heat recovery didn’t lower energy efficiency in data center if the correct indicator was used.