Jäähdytysteknologiset ratkaisut. Kaukolämpöpäivät Ari Laitinen, Miimu Airaksinen ja Miika Rämä VTT

Transkriptio

1 Jäähdytysteknologiset ratkaisut Kaukolämpöpäivät Ari Laitinen, Miimu Airaksinen ja Miika Rämä VTT

2 TAUSTAA Esitys perustuu meneillään olevaan ET:n rahoittamaan selvitykseen Jäähdytyksen teknologiset ratkaisut Tämän tutkimuksen tavoitteena on löytää Suomen olosuhteisiin soveltuvia jäähdytyksen tekniikoita sekä antaa käsitys niiden hyödynnettävyydestä. Suomen jäähdytysenergian tarve koostuu teollisten prosessien sekä rakennusten jäähdytyksen tarpeesta

3 Jäähdytystarpeen kehitys Käyttäjien vaatimukset sisäilman laatutasolle ja lämpötiloille ovat kasvaneet. Tämä on lisännyt jäähdytyksen tarvetta sekä uusissa että peruskorjattavissa rakennuksissa. Energiakulutuksen ja päästöjen vähennystavoitteet velvoittavat tuottamaan jäähdytys mahdollisimman tehokkaasti ja uusiutuvia energialähteitä hyödyntäen

4 Rakennusten jäähdytysenergiantarve Koko Suomen rakennuskannan jäähdytysenergiatarpeen arviointiin liittyy runsaasti epävarmuutta. Simulointien perusteella nykyinen energiantarve sijoittuu gigawattitunnin välille Jäähdytysenergian kulutus painottuu muutamiin rakennustyyppeihin, erityisesti toimistoihin, liikerakennuksiin ja julkisiin rakennuksiin. Trendiennusteen mukaan jäähdytystarpeen kasvu vuoteen 2030 mennessä on noin 2 prosenttia vuodessa, joka on hieman enemmän kuin rakennuskannan kasvu. Lähde: Airaksinen, M., et al., Rakennusten jäähdytysmarkkinat. VTT:n asiakasraportti, VTT-CR ,

5 Tulevan raportin alustava sisältö Raportti valmistuu syyskuun lopussa

6 Jäähdytyksen tuotantovaihtoehdot Jäähdytystekniikat Kompressorijäähdytys Muut menetelmät Vapaajäähdytys Kiinteän olomuodon tekniikat Ulkoilma Mäntäkompressori Kierukkakompress ori (scrollkompressori) Elektromekaaniset tekniikat Porakaivo Ruuvikompressori Lämpökäyttöiset tekniikat Pohjavesi Turbokompressori Pintavedet

7 Kompressoritekniikka 7

8 Kylmäainetilanne Uusin F-kaasuasetus voimaan 2015 alusta HFC-kaasujen käytön vähentäminen vuoden 2015 tasosta tasoon 21 % vuonna 2030 Käyttökieltoja kylmäaineille, joiden GWP>2500 (R404A, R507A, R134a ajoneuvokäytössä) Rakennusten jäähdytyksessä käytetyt R134a, R407C ja R410A kiintiörajoitusten piiriin Tilalle: Luonnolliset kylmäaineet (CO 2,NH 3, HC:t, H 2 O) Synteettiset kylmäaineet (HFO, HFO+HFC, HFO+HC) HFO1234ze HFO1234yf Alhaisen GWP-arvon HFC R32 (GWP=675)

9 Kompressoritekniikan kehitys Turbokompressoreissa kehitystä Magneettinen laakerointi Yleisesti kehitystä säätöjärjestelmissä Invertterisäätö Elektroniset paisuntaventtiilit Lauhdelämmön talteenotto Prosessien kehitystä (kts. seuraava kalvo) Lähde: icient-chillers-plant-turbo-oil-free-compressorgetco Kompressoreista edelleen tulevaisuudessakin käytössä Skrollit eli kierukkakompressorit, mäntä, ruuvi, turbo Laitetoimittajien mukaan kehitystä lähitulevaisuudessa Yksikkökoot kasvavat 20 MW -> 40 MW Lauhteen maksimilämpötila kasvaa 90 C -> >100 C

10 Prosessien kehitystä Lähde: Arpagaus, C., et al., Multi-temperature heat pumps: A literature review. International Journal of Refrigeration, Volume 69, 2016,

11 Kompressorijäähdytyksen kylmäkerroin Taajuusmuuttajasäädöllä kompressorikoneikon COP osakuormituksella erityisen hyvä COP:hen vaikuttaa positiivisesti erityisesti korkea höyrystymislämpötila ja matala lauhdutuslämpötila

12 Ilma-ilmalämpöpumppujen vuosikylmäkerroin (SEER) Lähde: Lacourt, A., Requirements for Seasonal Efficiency for Air-conditioning Units, REHVA Journal, March 2014 (Eurovent 2013 certified data for Air conditioning units <12kW)

13 Muut jäähdytysteknologiat 13

14 Jäähdytysvaihtoehdot Muut menetelmät Kiinteän olomuodon tekniikat Elektromekaaniset tekniikat Lämpökäyttöiset tekniikat Magneettinen jäähdytys Lämpösähköinen jäähdytys Lämpötunnelointi Termoelastinen jäähdytys Termoakustinen jäähdytys Brayton lämpöpumppu Kostutusjäähdytys Membraanilämpöpumppu Absorptio Adsorptio Dessicant jäähdytys Liuoskierto Kiinteä Stirling lämpöpumppu Vuillemieur lämpöpumppu Ejektori lämpöpumppu

15 Arvio uusien teknologioiden kiinnostavuudesta Lähde: Goetzler, W., et al. Energy Savings Potential and RD&D Opportunities for Non-Vapor- Compression HVAC Technologies, DOE

16 Absorptiojäähdytys Käyttövoimana lämpö Kaukolämpö Aurinko Jätelämpö Kylmäaine Vesi LiBr (lämpötila > 0 C) NH3/vesi Tarvitsee jäähdytysjärjestelmän Tarvitsee sähköä mm. pumppuihin Matalalämpötilaratkaisut ovat käytännössä yksiportaisia (singlestage) Lähde:

17 Absorptiojäähdytysprosessien ominaisuuksia Eri prosesseilla on mahdollista toteuttaa eri lämmönlähteen lämpötiloille soveltuvia laitteita Energiatehokkuus paranee: Lämmönlähteen lämpötilaa nostettaessa Höyrystyslämpötilan noustessa Lauhdutus- ja imeytyslämpötiloja laskettaessa Lähde: Dominguez-Inzunza, L., A., et al. Comparison of the performance of single effect, half effect and double effect in series and inverse absorption cooling systems operating with the mixture H2O- LiBr. Energy Procedia 57 ( 2014 )

18 Adsorptiojäähdytys Käyttövoimana lämpö Kaukolämpö Aurinko Jätelämpö Kylmäaine Vesi - silikageeli Vesi - zeoliitti Tarvitsee jäähdytysjärjestelmän Tarvitsee sähköä mm. pumppuihin Lähde:

19 Adsorptiojäähdytyksen ominaisuuksia Lähde: Sagebrand, U., et al. Värmedriven komfortkyla för mindre anläggningar. Energiforsk AB

20 Esimerkki adsorptiojäähdytyskoneikkojen jäähdytyskapasiteetista (zeoliitti) Lähde:

21 Sorptiolaitteiston kustannukset Investointikustannukset Elinkaarikustannukset Lähde: Sagebrand, U., et al. Värmedriven komfortkyla för mindre anläggningar. Energiforsk AB

22 Absorptio ja adsorptiotekniikat Absorptio Adsorptio Jäähdytysteho ( kw kw Käyttölämpötila C C SCOP lämpö 0,7 0,75 0,6 0,65 SCOP sähkö ( Käytettävyys Vaatii jatkuvaa huoltoa Huoltovapaampi (1 nimellistehoja, kuumavesikäyttöisiä (2 sähkönkäyttö on kriittinen kummankin tekniikan kannalta, huonosti suunnitellun järjestelmän SCOP sähkö voi olla alle

23 Kuivausjäähdytys Lähde: Kumar, A., et al., Experimental investigation of solar driven desiccant air conditioning system based on silica gel coated heat exchanger. International Journal of Refrigeration 69 (2016) Lähde: munters/cases/ikea/

24 Kuivausjäähdytys (desiccant cooling) Lähde: /coolers--humidifiers/desicool_product_brochure.pdf Lähde: Soveltuu ilman jäähdyttämiseen Prosessin COP = 1kWh / 1,5 kwh = 0.67 Osan aikaa vuodesta voidaan käyttää pelkkää kostutusjäähdytystä => SCOP ~ 1,5 Vedenkulutus 3,2 litraa/kwh Parantaa talviaikaista lämmöntalteenottoa

25 Magneettinen jäähdytys Lähde:

26 Magneettisen jäähdytyksen toimintaperiaate Magneettijäähdytys toimii neljässä eri vaiheessa. 1. Kestomagneetti magnetisoi jäähdytinmagneetin, mikä aiheuttaa lämpenemistä jäähdytinmagneetissa. 2. Lämpö poistetaan lämmönvaihtimella. Jäähdytinmagneetti on tämän vuoksi kylmempi ja magneettinen. 3. Magneettisuus poistetaan, joka aiheuttaa kylmenemistä jäähdytinmagneetissa. Tämän jälkeen magneetille tuodaan lämpöä jääkaapista, jolloin sisäilma viilenee. 4. Lämmönvaihtimien välillä kiertävä jäähdytysneste johdetaan kaapin ulkopuoliseen lauhduttimeen. Lähde: three-distinctly-different.html

27 Kehitysvaihe Materiaalikehitystä on tapahtunut perusmateriaalina käytetään Gadoliniumia, johon on seostettu eri materiaaleja Gadoliniumkiteitä On kehitetty voimakkaita kestomagneetteja Ensimmäiset pöydälle mahtuvat jääkaappilaiteet on rakennettu laboratoriossa 2014 GE:n visio on, että kaupalliset tuotteet olisivat markkinoilla viiden vuoden kuluessa Arviolta voisi parantaa jääkaappien energiatehokkuutta % Lähde:

28 Termoelastinen jäähdytys Ni-Ti langan (halkaisija 3 mm) lämpötila ja jännityskäyrät Lähde: Cui,J., Wu, Y., Muehlbauer, J., Hwang, Y., Radermacher,R., Fackler, S., Wuttig,M., Takeuchi, I., Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large T using NiTi wires. Applied Physics Letters 101. August 2012)

29 Vapaajäähdytys 29

30 Ulkoilma Suora hyödyntäminen esimerkiksi yötuuletuksella Epäsuora hyödyntäminen liuosjäähdyttimillä ja jäähdytystorneilla Lähde: Sagebrand, U., et al. Värmedriven komfortkyla för mindre anläggningar. Energiforsk AB

31 Pintavedet Meri Järvet Joet Lähde: Lähde:

32 Porakaivot Renor Oy / Pori

33 Pohjaveden hyödyntäminen Lähde: Socaciu, L.,G., Seasonal Sensible Thermal Energy Storage Solutions. Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies p Issue 19, July- December ISSN Lähde: Arola, T., Groundwater as an energy resource in Finland. Unigrafia. Helsinki. 34 pages and 7 figures. Helsinki Lähde: 33

34 Pohjavesi, Lahti, Askonalue (Renor Oy)

35 Lumen hyödyntäminen (Sollentuna) Lähde:

36 YHTEENVETO 36

37 Alustavia ajatuksia lähitulevaisuuden kehityksestä Tuotantopuolella kompressoritekniikka on edelleen pääroolissa Kustannustehokkuus Turbokoneiden kehitys Säätöjärjestelmien kehitys erityisesti osakuormituksella Uudet kylmäaineet (luonnolliset kylmäaineet, HFO ja seokset) Uudet prosessit Sorptiotekniikoiden osalta ei odotettavissa läpimurtoa Kannattavuusongelmia (korkeahko investointi, alhainen COP, lämmön hyödyntäminen) Kehitys painottuu matalalämpötilaisiin järjestelmiin (aurinkojärjestelmät) Kuivausjäähdytys soveltuu ilman jäähdytykseen, tekniikka kehittyy COP 0,6 -> 1 (samalla investointi kasvaa -> kannattavuus?) Uudet kylmäntuottoteknologiat kehittyvät, mutta eivät tee läpimurtoa tarkasteluaikajänteellä (mahdollinen poikkeus magneettijäähdytteiset jääkaapit) Vapaajäähdytysratkaisut ja uusiutuvien energioiden hyödyntäminen nousevat suurempaan rooliin Varaajien käyttö lisääntyy Ohjausjärjestelmät kehittyvät Lauhdelämmön hyödyntäminen lisääntyy Lämmönsiirtonesteissä ei ole odotettavissa uusien aineiden läpimurtoa Kylmänjaossa ja luovutuksessa kehitys kohti korkealämpötilajärjestelmiä Järjestelmien mitoituksessa käytetään yhä enemmän kohdekohtaisesti räätälöityjä optimointilaskelmia

38 Alustavia ajatuksia lähitulevaisuuden kehityksestä Jäähdytystarve kasvaa Pientaloissa yleisin jäähdytysratkaisu ilma-ilmalämpöpumppu Alueratkaisut, joissa integroidaan vapaajäähdytys, uusiutuvat energialähteet, kylmäntuotto ja lämmitys, yleistyvät Uudet liiiketoimintamallit Kaupunkialueilla kaukojäähdytys yleistyy

39 Yhteenveto / lähitulevaisuuden jäähdytysratkaisut rakennuksissa Pientaloissa ilma-ilmalämpöpumput lämpöpumppuihin integroidut ratkaisut alueratkaisut? Kerrostaloissa ilma-ilmalämpöpumput kuivausjäähdytys? kaukojäähdytys aluejärjestelmät Toimitilat ja julkiset rakennukset kiinteistökohtaiset kompressorijärjestelmät kuivausjäähdytys osana jäähdytysratkaisua kaukojäähdytys

40 TEKNOLOGIASTA TULOSTA