Modelling & Implementation of a Heat Pump Coupled Between a Cooling Water Network and a Ventilation Unit
Author
Svoldgaard, Anders Dorscheus
Term
4. term
Education
Publication year
2021
Submitted on
2021-05-28
Pages
83
Abstract
Denne kandidatafhandling undersøger, modellerer og dimensionerer et varmepumpesystem koblet mellem et fabriks-kølevandsnet og varme-/kølebatterier i et ventilationsanlæg med henblik på at erstatte rooftop chillere og gasfyr, reducere CO2-udledning og sænke energiforbrug. I samarbejde med Danfoss og NB-ventilation blev komponenter valgt ud fra krav om 20.000 m3/t luftmængde samt op til 115 kW køle- og 90 kW varmekapacitet. En egnet kompressor (Danfoss SY380-4) blev udvalgt for kapacitet, men uden frekvensstyring (VLT), og varmevekslere fra H118-E-serien blev valgt via Danfoss’ Hexact. Systemets ydeevne blev modelleret ud fra databladstabeller (interpolation som funktion af fordamnings- og kondenseringstemperatur), og varmevekslerydelse blev beskrevet med data fra Hexact. Fordamnings- og kondenseringstemperaturer blev koblet til udløbstemperaturer i vekslerne, og køletårnstilstande blev varieret med udetemperaturen. Ved brug af vejrdata fra Frankfurt og The Bin Method blev årlig varme- og køleydelse estimeret. Modellen viste COP ca. 6,7 ved opvarmning og ca. 5,4 ved køling. Tilluftstemperaturer på ca. 30–35 C ved opvarmning og ca. 21 C ved køling indikerede, at den valgte kompressor er for stor til opvarmningsdrift. En økonomisk analyse baseret på reelle priser viste en CAPEX på 675.893 DKK, årlige OPEX på 265.348 DKK (elforudsætning 2 DKK/kWh) og en tilbagebetalingstid på 4–5 år i forhold til rooftop chillere; nutidsværdien over 10 år blev beregnet til 354.000–642.507 DKK afhængigt af systemets effektivitet. Samlet peger resultaterne på et energieffektivt potentiale med konkurrencedygtig økonomi, men behov for tilpasning af komponentstørrelse og styring.
This master’s thesis investigates, models, and sizes a heat pump system coupled between a factory cooling-water network and heating/cooling coils in a ventilation unit to replace rooftop chillers and gas furnaces, cut CO2 emissions, and reduce energy use. In collaboration with Danfoss and NB-ventilation, components were selected to meet 20,000 m3/h airflow and up to 115 kW cooling and 90 kW heating capacity requirements. A Danfoss SY380-4 compressor was chosen for capacity despite lacking variable-speed control (VLT), and H118-E heat exchangers were selected using Danfoss Hexact. System performance was modeled using interpolated datasheet tables as functions of evaporation and condensation temperatures, with heat exchanger performance from Hexact. Evaporation and condensation temperatures were linked to heat exchanger outlet temperatures, and cooling tower conditions were varied with ambient temperature. Using Frankfurt weather data and the Bin Method, annual heating and cooling performance was estimated. The model predicted a COP of about 6.7 for heating and about 5.4 for cooling. Supply air temperatures of approximately 30–35 C in heating mode and about 21 C in cooling indicated the selected compressor is oversized for heating. An economic assessment using actual prices found a CAPEX of 675,893 DKK, yearly OPEX of 265,348 DKK (assuming 2 DKK/kWh), and a 4–5 year payback versus rooftop chillers; the 10-year net present value ranged from 354,000 to 642,507 DKK depending on system efficiency. Overall, the results indicate strong efficiency and competitive economics, with a need to refine component sizing and control.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Documents