Matkuksen kauppakeskuksen jäähdytys CHC-lämpöpumpuilla
Vähänikkilä, Aki (2024)
2024
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024052817290
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024052817290
Tiivistelmä
Tämän opinnäytetyön kohteena oli Kuopiossa sijaitseva Matkuksen kauppakeskus. Työn tavoitteena oli tutkia CHC-lämpöpumppujen soveltuvuutta kauppakeskuksen jäähdytykseen nykyisten vedenjäähdytyskoneiden tilalle.
Teoriaosuudessa perehdyttiin lämpöpumpun toimintaperiaatteeseen ja suorituskyvyn rajoihin, kylmäaineisiin ja yksinkertaiseen kiertoprosessiin sekä erityyppisiin lämpöpumppuihin. Lämpöpumppujen suorituskykyyn syvennyttiin erityisesti yli 80 asteen tuottolämpötiloissa ja suurilla lämpötilatason nousuilla. Koska CHC-lämpöpumpuilla tuotetaan lämpöä kaukolämpöverkkoon, perehdyttiin myös kaukolämpöverkon toimintaan ja lämpöpumppujen liittämisen vaikutuksiin.
Työn materiaaleina käytettiin kiinteistöjen olemassa olevia taloteknisiä suunnitelmia, energialaitokselta saatuja kaukolämmityksen kulutus- ja lämpötilatietoja sekä lämpöpumppujen laskentatyökalua. CHC-lämpöpumppujen jäähdytysteho mitoitettiin vastaamaan nykyistä tilannetta. Lämpöpumppujen jäähdytystehon mitoituksen lisäksi tarkasteltiin lämpöpumppujen sijoitusta kiinteistöjen konehuoneisiin. Lisäksi selvitettiin pumppujen lämmöntuoton vaikutusta kaukolämpöverkostoon.
Kauppakeskuksen jäähdytys oli mahdollista toteuttaa tässä työssä tutkitulla Oilonin CHC-lämpöpumpputekniikalla. Kaukolämpöverkoston lämpötiloja tutkittiin v. 2023 jäähdytyskauden mittausdatasta eri kiinteistöissä. Höyrystinpuolen eli jäähdytysverkoston lämpötiloiksi asetettiin +12/+7°C. CHC-lämpöpumpun lauhdutinpuolen lämpötiloiksi asetettiin +55/+80°C, jotka olivat hyvin lähellä vuoden 2023 jäähdytyskauden enimmäislämpötiloja. Tarvittavan jäähdytystehon tuottamiseen riittävä pumppumäärä vaihteli riippuen käytettävästä kylmäaineesta ja kaukolämpöverkoston lämpötiloista.Tarkka pumppumitoitus vaatisi kaukolämpöverkon paluulämpötilan tarkempaa selvitystä.
Tämän työn perusteella paras kylmäainevalinta tällä hetkellä olisi R513a. Sillä on suhteellisen alhainen GWP-arvo ja sitä käyttävä lämpöpumppu tuottaisi hyvän jäähdytystehon. Kaikki riittävän jäähdytystehon tuottavat pumppukokoonpanot eivät mahtuisi nykyisiin konehuoneisiin. Lämpöpumppujen tuottama lämpö on mahdollista siirtää kaukolämpöverkkoon, vaikka vain pieni osa lämmöstä kuluu lähialueen kiinteistöissä. Tällöin kuitenkin kaukolämpöveden virtaussuunta muuttuu. The subject of this thesis is Matkus shopping centre in Kuopio. The aim of this study was to investigate the suitability of CHC (Combined Heating and Cooling) heat pumps in cooling of the shopping centre instead of chillers.
The theoretical part of the thesis deals with the operating principle of a heat pump with its performance limits, refrigerants, circulating processes and different types of heat pumps. The operation of heat pumps was examined especially in over 80 degrees heat sink temperatures and high temperature lifts. Because CHC heat pumps produce heat into district heating (DH) networks, the operation of DH network was also examined along with the effects of the heat pumps.
Current HVAC plans and documents along with a heat pump selection tool were used as material for this study. Temperature and consumption data from the DH networks was obtained from Kuopion Energia. The cooling capacity of the CHC heat pumps was adjusted to match the current cooling systems’ capacities. The placement possibilities of the heat pumps into HVAC rooms were examined. In addition, the effect of heating water flow of CHC heat pumps to DH network was examined.
It was shown that cooling of Matkus shopping centre is possible by using Oilon’s CHC heat pumps. The temperatures of the DH network during cooling season in the year 2023 were examined. The evaporator temperatures were set to +12/+7°C. The evaporator temperatures were selected to be +55/+80°C, which were very close to maximum DH network temperatures during cooling season of year 2023. The number of pump units needed to produce the required cooling capacity varied depending on the refrigerant used and the temperatures of the DH network.
In this study, the best refrigerant was R513a because of its relatively low GWP-value and good cooling performance. All pump assemblies providing sufficient cooling capacity would not fit into current HVAC rooms. Heat generated by CHC heat pumps can be transferred to the DH network, although only a small part of the heat is consumed in nearby properties. In that case, the flow direction changes in the DH network.
Teoriaosuudessa perehdyttiin lämpöpumpun toimintaperiaatteeseen ja suorituskyvyn rajoihin, kylmäaineisiin ja yksinkertaiseen kiertoprosessiin sekä erityyppisiin lämpöpumppuihin. Lämpöpumppujen suorituskykyyn syvennyttiin erityisesti yli 80 asteen tuottolämpötiloissa ja suurilla lämpötilatason nousuilla. Koska CHC-lämpöpumpuilla tuotetaan lämpöä kaukolämpöverkkoon, perehdyttiin myös kaukolämpöverkon toimintaan ja lämpöpumppujen liittämisen vaikutuksiin.
Työn materiaaleina käytettiin kiinteistöjen olemassa olevia taloteknisiä suunnitelmia, energialaitokselta saatuja kaukolämmityksen kulutus- ja lämpötilatietoja sekä lämpöpumppujen laskentatyökalua. CHC-lämpöpumppujen jäähdytysteho mitoitettiin vastaamaan nykyistä tilannetta. Lämpöpumppujen jäähdytystehon mitoituksen lisäksi tarkasteltiin lämpöpumppujen sijoitusta kiinteistöjen konehuoneisiin. Lisäksi selvitettiin pumppujen lämmöntuoton vaikutusta kaukolämpöverkostoon.
Kauppakeskuksen jäähdytys oli mahdollista toteuttaa tässä työssä tutkitulla Oilonin CHC-lämpöpumpputekniikalla. Kaukolämpöverkoston lämpötiloja tutkittiin v. 2023 jäähdytyskauden mittausdatasta eri kiinteistöissä. Höyrystinpuolen eli jäähdytysverkoston lämpötiloiksi asetettiin +12/+7°C. CHC-lämpöpumpun lauhdutinpuolen lämpötiloiksi asetettiin +55/+80°C, jotka olivat hyvin lähellä vuoden 2023 jäähdytyskauden enimmäislämpötiloja. Tarvittavan jäähdytystehon tuottamiseen riittävä pumppumäärä vaihteli riippuen käytettävästä kylmäaineesta ja kaukolämpöverkoston lämpötiloista.Tarkka pumppumitoitus vaatisi kaukolämpöverkon paluulämpötilan tarkempaa selvitystä.
Tämän työn perusteella paras kylmäainevalinta tällä hetkellä olisi R513a. Sillä on suhteellisen alhainen GWP-arvo ja sitä käyttävä lämpöpumppu tuottaisi hyvän jäähdytystehon. Kaikki riittävän jäähdytystehon tuottavat pumppukokoonpanot eivät mahtuisi nykyisiin konehuoneisiin. Lämpöpumppujen tuottama lämpö on mahdollista siirtää kaukolämpöverkkoon, vaikka vain pieni osa lämmöstä kuluu lähialueen kiinteistöissä. Tällöin kuitenkin kaukolämpöveden virtaussuunta muuttuu.
The theoretical part of the thesis deals with the operating principle of a heat pump with its performance limits, refrigerants, circulating processes and different types of heat pumps. The operation of heat pumps was examined especially in over 80 degrees heat sink temperatures and high temperature lifts. Because CHC heat pumps produce heat into district heating (DH) networks, the operation of DH network was also examined along with the effects of the heat pumps.
Current HVAC plans and documents along with a heat pump selection tool were used as material for this study. Temperature and consumption data from the DH networks was obtained from Kuopion Energia. The cooling capacity of the CHC heat pumps was adjusted to match the current cooling systems’ capacities. The placement possibilities of the heat pumps into HVAC rooms were examined. In addition, the effect of heating water flow of CHC heat pumps to DH network was examined.
It was shown that cooling of Matkus shopping centre is possible by using Oilon’s CHC heat pumps. The temperatures of the DH network during cooling season in the year 2023 were examined. The evaporator temperatures were set to +12/+7°C. The evaporator temperatures were selected to be +55/+80°C, which were very close to maximum DH network temperatures during cooling season of year 2023. The number of pump units needed to produce the required cooling capacity varied depending on the refrigerant used and the temperatures of the DH network.
In this study, the best refrigerant was R513a because of its relatively low GWP-value and good cooling performance. All pump assemblies providing sufficient cooling capacity would not fit into current HVAC rooms. Heat generated by CHC heat pumps can be transferred to the DH network, although only a small part of the heat is consumed in nearby properties. In that case, the flow direction changes in the DH network.