Optimalisering og kontroll av et solassistert-bergvarmepumpesystem

Abstract

Bygg- og anleggsbransjen står i dag for omtrent 40% av all energibruk i verden. Av dette utgjør omtrent 80% energien for varmtvannsforbruk, oppvarming og kjøling av bygg [1]. Et tiltak for å redusere denne energibruken knyttet til oppvarming av bygg, er bruk av solassistert bergvarmepumpe. Dette systemet består av en solfanger, varmepumpe, varmeveksler, varmtvannstank og energibrønn. Hovedmålet med denne oppgaven er å utvikle et program for solassistert bergvarmepumpe i Python. Det er utført et grunnarbeid for et kunstig scenario ved bruk av klimafil for Oslo, og tre delprogrammer. En tenkt boligblokk med 40 leiligheter er etablert for å gi oppgaven en ramme og et ønsket oppvarmingsbehov. Tilstandsvariabler, inkludert fire temperaturer og en avviksvariabel, er kombinert i en tilstandsrommodell som er brukt i et hovedprogram for å simulere systemet. En PI-funksjon er implementert for å kunne styre massestrøm mellom varmepumpe og varmtvannstank, og for de resterende lukkede kretsene benyttes konstante verdier. Resultatene fra delprogrammene viste at energibehovet og varmepumpens dimensjonerende effekt ble 161 854 kWh og 14.78kW henholdsvis. Varmeoverføringskoeffisienten i bergvarmeveksleren konvergerte mot 232W/m2K, og inngangsverdier for massestrøm burde ikke være mindre enn 0.4kg/s. Resultatet fra hovedprogrammet viste at programmet nesten klarte å generere realistiske simuleringer. Det ble registrert avvik fra virkeligheten der det oppstår faseendringer hvor grenser for ulike betingelser er satt, som for eksempel ved overgangen mellom dag og natt. Programmet ble testet med solfangervirkningsgrad for tre ulike solfangere, noe som viste seg å ha liten innvirkning på simuleringene. Borehulldybde ble testet for 150m og 100m, og simuleringene viste at temperaturen i kilden til fordamperen ble lavere ved 100m. Ulike verdier for Kp og Ki ble testet i PI-funksjonen for fire ulike årstider. Kp og Ki lik 1 og 1/106 ble ansett som de mest optimale av de testede inngangsverdiene på årsbasis. Resultatene fra denne oppgaven kan benyttes til å estimere forventede temperaturer i systemet ved ulike tider. Dette legger grunnlaget for videre utvikling av solassisterte bergvarmepumpesystemer, og potensielt bidra til mer effektiv og bærekraftig oppvarming av bygg.