&INTNU Kunnskap for en bedre verden
Analyse av termisk energiforsyning ved Otto Nielsens vei 12E
Linn Charlotte Melvik Alfstad
Master i energi og miljø
Hovedveileder: Jørn Stene, EPT
Institutt for energi- og prosessteknikk Innlevert: juni 2018
Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
naturvitenskapelige universitet
EPT-M-2018-04
MASTEROPPGAVE
for
Student Linn Charlotte Melvik Alfstad Våren 2018
Analyse av termisk energiforsyning ved Otto Nielsens vei 12E Analysis of the Thermal Energy System at Otto Nielsens vei 12E
Bakgrunn og målsetting
I juli 2017 ble Telenorsenteret i Trondheim utvidet med en ny kontorfløy på ca. 9090 m². Bygget har tilnærmet passivhusstandard og er miljøklassifisert som Breeam Excellent. I bygget er det installert et avansert varme- og kjølesystem hvor et kombinert varmepumpe- og kjøleanlegg er tilknyttet et termisk energilager i fjell med 25 energibrønner i fjell. Energianlegget er dimen- sjonert for å dekke maks. klimakjølebehov, og har kapasitet til å dekke hele behovet for romopp- varming, oppvarming av ventilasjonsluft, varmtvannsberedning, klimakjøling og prosesskjøling i bygningen. Pga. høyt prosesskjølebehov i bygget vil varmepumpe-/kjøleanlegget kunne levere overskuddsvarme til nabobygget Otto Nielsens vei 12 A-D, som har et høytemperatur varme- system. Varmepumpe-/kjøleaggregatet er valgt ut fra krav om best mulig reguleringsegenskaper ved store lastvariasjoner samt at det skal kunne levere varme til nabobygget uten temperatur- begrensning. Eventuell overskuddsvarme fra det termiske energisystemet vår, sommer og høst avgis først til brønnparken, deretter til uteluft via snøsmeltesystemet utenfor bygget.
Det skal gjennomføres en dybdeanalyse av varme- og kjølesystemet ved Otto Nielsens vei 12E med intern varme- og kjøleleveranse samt leveranse av overskuddsvarme til nabobygget. Bruk av måledata fra bygningens SD-anlegg (feltmålinger) vil stå sentralt i analysen. Med basis i denne analysen skal det utarbeides forslag til overordnet reguleringsstrategi for anlegget.
Oppgaven bearbeides ut fra følgende punkter
1. Analyse av bygningens varme- og kjølebehov samt varme- og kjøleanleggets ytelse, effekt- faktor (COP), driftstekniske egenskaper osv. basert på måledata fra SD-anlegget. Analysen skal også omfatte en sammenligning og vurdering av målte og prosjekterte verdier.
2. Vurdering av systemutforming og komponenter/enheter med identifikasjon av eventuelle feil og forslag til forbedringer.
3. Utarbeidelse av forslag til overordnet reguleringsstrategi for anlegget.
Oppgaven skal skrives på norsk. Senest 14 dager etter utlevering av oppgaven skal kandidaten levere/sende instituttet en detaljert fremdrift- og eventuelt forsøksplan for oppgaven til evalu- ering og eventuelt diskusjon med faglig ansvarlig/veiledere. Detaljer ved eventuell utførelse av dataprogrammer skal avtales nærmere i samråd med faglig ansvarlig.
Besvarelsen redigeres mest mulig som en forskningsrapport med et sammendrag både på norsk og engelsk, konklusjon, litteraturliste, innholdsfortegnelse etc. Ved utarbeidelsen av teksten skal kandidaten legge vekt på å gjøre teksten oversiktlig og velskrevet. Med henblikk på lesning av besvarelsen er det viktig at de nødvendige henvisninger for korresponderende steder i tekst, tabeller og figurer anføres på begge steder. Ved bedømmelsen legges det stor vekt på at resul- tatene er grundig bearbeidet, at de oppstilles tabellarisk og/eller grafisk på en oversiktlig måte, og at de er diskutert utførlig.
Alle benyttede kilder, også muntlige opplysninger, skal oppgis på fullstendig måte. For tidsskrifter og bøker oppgis forfatter, tittel, årgang, sidetall og eventuelt figurnummer.
Det forutsettes at kandidaten tar initiativ til og holder nødvendig kontakt med faglærer og veileder(e). Kandidaten skal rette seg etter de reglementer og retningslinjer som gjelder ved alle (andre) fagmiljøer som kandidaten har kontakt med gjennom sin utførelse av oppgaven, samt etter eventuelle pålegg fra Institutt for energi- og prosessteknikk.
Risikovurdering av kandidatens arbeid skal gjennomføres i henhold til instituttets prosedyrer.
Risikovurderingen skal dokumenteres og inngå som del av besvarelsen. Hendelser relatert til kandidatens arbeid med uheldig innvirkning på helse, miljø eller sikkerhet, skal dokumenteres og inngå som en del av besvarelsen. Hvis dokumentasjonen på risikovurderingen utgjør veldig mange sider, leveres den fulle versjonen elektronisk til veileder og et utdrag inkluderes i besvarelsen.
I henhold til ”Utfyllende regler til studieforskriften for teknologistudiet/sivilingeniørstudiet” ved NTNU § 20, forbeholder instituttet seg retten til å benytte alle resultater og data til under- visnings- og forskningsformål, samt til fremtidige publikasjoner.
Besvarelsen leveres digitalt i DAIM. Et faglig sammendrag med oppgavens tittel, kandidatens navn, veileders navn, årstall, instituttnavn, og NTNUs logo og navn, leveres til instituttet som en separat pdf-fil. Etter avtale leveres besvarelse og evt. annet materiale til veileder i digitalt format.
Arbeid i laboratorium (vannkraftlaboratoriet, strømningsteknisk, varmeteknisk) Feltarbeid
NTNU, Institutt for energi- og prosessteknikk, 15. januar 2018.
______________________
Jørn Stene
Forord
Denne masteroppgaven er skrevet ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet våren 2018. Oppgaven omfatter 30 studiepoeng, og er mitt avsluttende arbeid i en fem år lang utdannelse på masterprogrammet i Energi- og Miljø, retning energiforsyning og klimatisering av bygg.
Veileder har vært professor på NTNU, Jørn Stene. Takk for stort engasjement, og
kontinuerlig tilgang på kunnskap og tilbakemeldinger. Jeg liker spesielt godt et ordtak som du har gjentatt for meg et antall ganger:
«When in danger, and in doubt - run in circles, scream and shout»
Noe som jeg kanskje, eller kanskje ikke har gjort i løpet av prosessen med denne masteroppgaven.
Temaet i denne oppgaven er svært interessant. En analyse på et virkelig system med innovative løsninger og kvalitetsinstallasjoner har vært en gavepakke for en student som analyserer sitt første termiske energianlegg. Oppgaven har tilbudt relevante
arbeidsoppgaver og har vært en kunnskapsrik prosess. Dette vil komme til stor nytte i arbeidslivet. Ettertesting av systemer er, etter min mening, noe som alltid burde gjøres.
Dette gir innsikt i om energisystemet fungerer som det skal og hvor stort avviket mellom prosjekterte og reelle verdier er. Det kan bidra til mer nøyaktige metoder for prosjektering av energisystem i fremtiden.
Jeg vil gjerne takke alle som har hjulpet meg med informasjon, samtaler og innspill. Takk til alle leverandører. Jeg vil også rette en spesiell takk til Ole Morten Småøien for gode
diskusjoner og hyggelig samarbeid.
Jeg håper at masteroppgaven kan være til nytte og gi en statusrapport på hvordan det termiske energisystemet i Otto Nielsens vei 12E har fungert det første driftsåret. Det er et bevisst valg å kun inkludere nødvendig teori i masteroppgaven for å gi plass til beregninger og analyser. Det er prioritert å utarbeide gode grafer og illustrasjoner som skal bidra til enklere lesing.
Takk til min kjære familie for støtte. En spesiell takk til kjæresten min, Jonas som har vært min største kilde til stabilitet i løpet av denne masterperioden.
Linn Charlotte Melvik Alfstad, 14.06.2018.
Sammendrag
Otto Nielsens vei 12E (ONV12E) er et kontorbygg, bygget som en utvidelse i kontorsenteret på eiendommen Otto Nielsens vei 12, i Trondheim. Bygget er en av fire bygg som er fordelt i seksjonene A-E. ONV12E er et nær-passivhus og har BREEAM-klassifisering «Excellent», med oppvarmet bruksareal på 8940m2.
I ONV12E er det installert en avansert varmepumpe/kjølemaskin (VP/KM) med grunnfjell som varmekilde. Denne dekker varme- og kjølebehovet til bygget, samt nesten hele behovet for varmt tappevann. ONV12A-D er bygget i tidligere byggetrinn, og har derfor mindre isolerende bygningskonstruksjon og er tilkoblet fjernvarmedistribusjonsnettet til Statkraft varme med dimensjonerende tur- og returtemperatur på 80/60°C.
Det termiske energisystemet i ONV12E er designet spesifikt rundt et nesten konstant og høyt kjølebehov, basert på forbruksmønsteret til leietakerne av bygget. Dette skal bidra til en overskuddsproduksjon av varme som kan overføres til ONV12A-D. På bakgrunn av koblingen for varmeoverføring til nabobyggene er termiske energisystemet i ONV12E en del av
forskningsprosjektet Zero Emission Neighbourhoods (ZEN).
I denne masteroppgaven er det termiske energisystemet i ONV12E målt og analysert for første år i drift. Det er utarbeidet en prosjektoppgave i løpet av høsten 2017 som
presenterer det termiske energisystemet i detalj (Alfstad, 2017). Denne oppgaven har hovedfokus på hovedkomponentene som: VP/KM, varmedistribusjon, kjøledistribusjon, energibrønner, system for oppvarming av varmt tappevann og systemet for varmeoverføring til ONV12A-D. Disse temaene er videreført, målt og analysert for det første driftsåret
masteroppgaven og de viktigste funnene som er gjort er følgende:
• Varmebehovet er større enn kjølebehovet i ONV12E
Varmebehovet- og kjølebehovet er regnet ut og sammenliknet med prosjekterte verdier på flere måter for å presentere et mest mulig reelt resultat i løpet av det første
driftsåret. Varmebehovet er målt til minst 50% høyere enn prosjektert. Kjølebehovet er målt til ca. 79% lavere enn prosjektert, men dette kan forventes å øke noe i fremtiden.
Prosesskjølebehovet, som utgjør den største andelen av det totale kjølebehovet måles ikke opp mot normale verdier før midten av juli, og oppstart av loggene var i slutten av april. Estimert ut fra de stabile målingene i løpet av det første året, tyder det på at prosesskjølebehovet er ca. 75% lavere enn prosjektert.
• Energidekningsgraden til VP/KM er 95%
Energidekningsgraden skal være 100% og grunnene til at den er redusert er driftsstans i VP/KM i sammenheng med et kompressorskifte. Reserveløsningen (Fjernvarme) ble benyttet i denne perioden. Energimåleren til reserveløsningen registrerer feilmålinger som reduserer den totale energidekningsgraden.
• Total varmeleveranse til ONV12A-D er stor
Den totale varmeleveransen til ONV12A-D er på ca. 220 000 kWh i løpet av første driftsår, noe som tilsvarer et negativt avvik fra prosjektert verdi på 26%. Likevel er dette ansett som en betraktelig varmeleveranse, som forventes å øke i fremtiden.
• Reguleringsstrategien er endret til aktiv varmeoverføring til ONV12A-D og har kun vært regulert i overordnet varmemodus det første driftsåret
Det ble prosjektert at anlegget skulle ha stort overskudd av varmeproduksjon under overordnet kjøledrift, noe som kunne overføres til ONV12A-D fremfor å dumpes og for å unngå temperaturøkning i energibrønnene. Reguleringsstrategien er endret til å levere maksimal varmeleveranse til ONV12A-D, og har i den sammenhengen vært driftet i overordnet varmemodus hele det første driftsåret.
• Temperaturkravet under varmeoverføring til ONV12A-D er høyt
Temperaturnivået for varmeleveranse er høyere enn prosjektert og VP/M reguleres derfor til å produsere temperaturer 15°C høyere enn utetemperatur-kompensert kurve.
Dette bidrar til at VP/KM reguleres til å levere temperatur mellom 60-70°C i lange perioder, noe som reduserer SCOP og vil slite på komponentene i enheten.
• Fjernvarmeforbruket er redusert i ONV12A-D
Det er sterke indiksjoner på at varmeoverføringen reduserer fjernvarmeforbruket i nabobyggene. Det er målt en reduksjon til 20-35% for månedene januar - april mellom 2017 og 2018. Reduksjonen i forbruk av fjernvarme imidlertid høyere enn
varmeoverføring fra ONV12E, og kan derfor ikke kun skyldes varmeoverføringen.
• Energibrønnene viser tegn til god kapasitet under kontinuerlig varmeuttak Reguleringsstrategi i overordnet varmedrift har resultert i et nesten kontinuerlig
varmeuttak i energibrønnene. Gjennomsnittstemperaturen i energibrønnene er redusert med ca. 3°C siden oppstart, men det skal forventes en temperaturreduksjon i
energibrønnene i løpet av det første året i drift, så dette er ikke en sterk indikasjon på nedkjøling. Energibrønnene har kapasitet til å fungere som en varmekilde/varmesluk i ONV12E. Det er ikke anbefalt å regulere i kun overordnet varmedrift neste driftsår med tanke på temperaturutviklingen i energibrønnene.
• Volumstrømmen i energibrønnene er ideell og stabil
Volumstrømmen i energibrønnene er målt til 0,55 l/s, noe som sikrer høy
varmeoverføring uten høye trykktap, siden dette fører til at væsken er i overgang mellom turbulent og laminær strømning.
• Akkumuleringstankens sikrer jevn volumstrøm til kondensatoren under lavt varmebehov
Akkumuleringstanken sikrer jevn volumstrøm til kondensatoren under situasjoner med lavt varmebehov. Volumstrømmen er målt til ca. 6,5 l/s, noe som er innenfor verdiene i produktdatabladet til VP/KM.
• Energidekningsgraden for hetgassvarmeveksleren er lavere enn forventet
Energidekningsgraden fra hetgassvarmeveksleren i VP/KM maksimalt 40%. Varme fra hetgassvarmeveksleren skal i teorien kunne dekke 100% av det totale
oppvarmingsbehovet for varmt tappevann. Systemet for oppvarming av varmt tappevann er utformet på en slik måte og har så lavt tappevannsbehov at ca. 60% av varmebehovet uansett blir dekket via elektrisk varmeelement.
• Det totale energibehovet i system for oppvarming av varmt tappevann er høyere enn prosjektert
Energimåling i elektrisk varmeelement er alene ca. like høyt som prosjektert verdi.
Regner man med at dette energiforbruket står for 60% av totalt energibehov for varmt tappevann, vil det tilsvare at det totale effektbehovet for oppvarming av varmt
tappevann er ca. 40% høyere enn prosjektert.
• Det er ingen indikasjon på økt dekningsgrad etter ombygning i systemet for oppvarming av varmt tappevann (ingen konklusjon)
Det konkluderes ikke med noe i denne analysen siden det ikke er nok sammenliknbar data før og etter omkobling. Det anbefales å gjennomføre en grundig undersøkelse av systemet for oppvarming av varmt tappevann, og vurdere en omkobling for å utnytte varme fra hetgassvarmeveksleren i høyere grad.
• SCOP for VP/KM er moderat og er redusert på bakgrunn av en reguleringsstrategi med høy temperaturleveranse
Det er regnet ut SCOP som inkluderer varmeleveransen for VP/KM på 2,3 (inkludert pumper). Det er på bakgrunn a reguleringsstrategi med varmeleveranse ved høye temperaturer og høyt temperaturløft at verdien ikke er høyere.
• Energisparingen er høy under varmeleveranse fra VP/KM
Verdien for SCOP anses som helt moderat, men bidrar til en energisparing på ca. 80%
sammenliknet med fjernvarmeløsning. Målt opp mot energisparing vil det lønne seg å produsere varme i VP/KM for å redusere fjernvarmeforbruket i ONV12A-D, selv med en noe redusert COP-verdi.
• God ytelse til tross for endret varmelast og reguleringsstrategi
Selv om reguleringsstrategien og størrelsen på varmelastene er snudd, opprettholder systemet god ytelse. Det er ikke registrert noen alvorlige feil eller mangler i det termiske energisystemet, og det dekker varme- og kjølelastene uten tegn til kapasitetsmangel.
Grunnen til dette er hovedsakelig at VP/KM er designet for varierende drift med mange kapasitetstrinn og har høy varme- og kjøleytelse.
Abstract
Otto Nielsens vei 12E (ONV12E) is an office building, built as an extension to the office centre on the property Otto Nielsens vei 12, in Trondheim. The building is one of four buildings that are divided into sections A-E. ONV12E is a near-passive house and has BREEAM classification "Excellent", with a heated area of 8940m2.
In ONV12E, an advanced heat pump/liquid cooler (HP/LC) is installed with bedrock borehole as heat source. The HP/LC-unit covers the heating and cooling needs of the building, as well as the majority for domestic hot water heating. ONV12A-D has a lower insulated building construction compared to ONV12E, as a result of being built in previous building stages. The installed heat source is connection to the district heating distribution network distributed by Statkraft Varme, and the distribution system has a dimensioning return and return
temperature of 80/60 ° C.
The thermal energy system of the ONV12E is designed specifically around an almost constant and high cooling requirement, based on an expected consumption pattern of the tenants of the building. This will contribute to the surplus production of heat that can be transferred to ONV12A-D. Due to the connection for heat transfer to neighbouring buildings, the thermal energy system of ONV12E is a part of the Zero Emission Neighbourhoods (ZEN) Research Project.
In this Master Thesis, the thermal energy system of ONV12E is measured and analysed for the first year of operation. A project paper, produced during the autumn of 2017, presents the thermal energy system in detail (Alfstad, 2017). This project focuses on the main components such as: HP/LC, heat distribution system, cooling distribution system, bedrock boreholes, heating system for domestic hot water, and the system for heat delivery to ONV12A-D. These topics are studied further in the master's thesis, by measuring and
analysing the systems during the first year of operation. The most important findings are the following:
• The heating requirement is greater than the cooling requirement of ONV12E The heating and cooling needs are calculated and compared to projected values in several ways to present the most real result during the first operating year. The heat demand is measured at least 50% higher than projected. The cooling requirement is measured at approx. 79% lower than projected, but this can be expected to increase in the future. The process refrigeration requirement, which represents the largest
proportion of the total refrigeration requirement, does not reach normal levels for energy delivery before mid-July, and the system started operating at the end of April 2017. An estimation by the most “normal” measurements during the first year, indicates that the process cooling requirement is approx. 75% lower than projected.
• The energy coverage of HP/LC is 95%
The rate for energy coverage should be 100% and the reason for it being reduced is a period of downtime in HP/LC due to a compressor change. The backup solution (district heating) was used to cower the heating demand during this period. The energy meter for the backup solution wrongfully logs energy delivery while the system is shut off, which reduce the overall energy coverage rate.
• Total heat supply to ONV12A-D is large
The total heat supply to ONV12A-D is about 220 000 kWh during the first year in operation, which corresponds to a negative deviation from the projected value of 26%.
Nevertheless, this is considered as a significant heat supply, which is expected to increase in the future.
• The control strategy is changed to active heat transfer to ONV12A-D and has been operated in overall heating mode during the first year of operation
The thermal energy system was expected to produce a large amount of surplus heat during overall cooling mode covering the expected cooling demand. The surplus heat would be transferred to ONV12A-D rather than dumped and to avoid temperature increase in boreholes. The regulation strategy is now changed to deliver a maximal amount of heat supply to ONV12A-D, and it follows that the system has been operated in overall heating mode throughout the first operating year to do so.
• The temperature requirement during heat transfer to ONV12A-D is high
The temperature level for heat delivery is high and HP/LC is therefore regulated to produce temperatures 15°C higher than the outside temperature compensation curve.
This controls the HP/LC to deliver temperatures between 60-70°C for long periods, which reduces SCOP and will tear on the components.
• The district heating consumption is reduced in ONV12A-D
There are strong indications that heat transfer reduces the consumption of district heating in neighbouring buildings. A reduction of 20-35% for January to April between 2017 and 2018 is measured. The reduction in district heating consumption, however, is higher than the heat delivery from ONV12E, and can therefore not only be due to the heat transfer.
• Bedrock boreholes show signs of large capacity during continuous heat delivery
As continuous operation in overall heating mode, has resulted in a stable heat extraction from the bedrock boreholes. The average temperature in the bedrock is reduced by approx. 3°C since start-up, but a reduction in energy consumption is expected during the first year of operation, so this is not a strong indication of cooling. The bedrock boreholes have the capacity to perform successfully as a heat source/heat sink in ONV12E. It is not recommended to continue to control the thermal energy system in only overall heating mode for the next operating year in view of the temperature development in the bedrock boreholes.
• The flow rate in the boreholes is ideal and stable
The flow of energy in the bedrock boreholes is measured at 0.55 l/s, which ensures high heat transfer without high pressure drop, as this causes the liquid to be in transition between turbulent and laminar flow.
• The accumulation tank ensures even flow rate to the condenser during low heat demand
The accumulation tank ensures even flow rate to the condenser in situations with low heat demand. The volume flow is measured at approx. 6.5 l/s, which is within the values of the HP/LC product data sheet.
• The energy efficiency of the heat gas heat exchanger is lower than desired
Energy efficiency ratio of the desuperheater in HP/LC is max. 40%. The heat from the desuperheater heat exchanger should theoretically cover 100% of the total heating requirement for hot tap water. The design of the system for heating of domestic hot water, and a low water use results in approx. 60% of the heat demand is nevertheless covered by electric heating element.
• The total energy requirement in the system for heating of domestic hot water is higher than estimated
Energy measurement in electric heating element is only approx. as high as projected value. If this energy consumption accounts for 60% of the total energy requirement for hot tap water, it would correspond that the total power requirement for heating hot tap water is approx. 40% higher than projected.
• There is no indication of increased coverage after rebuilding in the system for heating hot tap water (no conclusion)
There is no conclusion in this analysis since there is not enough comparable data before and after switching. It is recommended to carry out a thorough examination of the system for heating hot tap water and consider a switchover to utilize heat from the heat exchanger to a greater extent.
• Seasonal Coefficient of Performance for HP/LC is moderate and is reduced based on a high-temperature delivery strategy
SCOP have been calculated, which includes the heat supply for HP/LC of 2.3 (including pumps). It is due to high-temperature heating strategy with high temperature lift, that the value is not higher.
• Energy savings are high during heat delivery from HP/LC
The value of SCOP is considered to be moderate, but contributes to an energy saving of approx. 80% compared to district heating solution. Measured against energy saving, it will be worthwhile to produce heat in HP/LC to reduce district heating consumption in ONV12A-D, even with a slightly reduced COP value.
• Good performance despite changing heat load and regulation strategy
Although the control strategy and the magnitude of the heat loads are reversed, the system maintains good performance. No serious errors or deficiencies in the thermal energy system have been detected, and it covers the heat and cooling loads without signs of capacity shortage. The reason for this is mainly that HP/LC is designed for operation in varying conditions with many capacity steps and has large heating and cooling performance.
Innholdsfortegnelse
Forord ...iii
Sammendrag ... iv
Abstract ... vii
Innholdsfortegnelse ... x
Figurliste ... xii
Tabelliste ... xiv
1. Introduksjon ... 1
1.1 Mål for Masteroppgaven ... 1
1.2 Struktur og innhold... 3
2. Tidligere arbeid... 4
2.1 Bygget ONV12E ... 4
2.2 Varme- og kjølebehov i ONV12E ... 6
2.2.1 Prosjekterte verdier for varme og kjølebehov ... 7
2.3 Generell beskrivelse av varme- og kjølesystemet ... 9
2.4 Oppsummering og funn fra den innledende analysen ...15
3. Målesystemer, instrumentering og regulering ...18
3.1 Måle- og oppfølgingssystemer ...18
3.1.1 Sentralt Drift-anlegget (SD-anlegg) ...18
3.1.2 Energioppfølgingssystemet (EOS) – Entro AS ...19
3.2 Instrumentering og målepunkter ...20
3.2.1 Måleenheter i VP/KM ...24
3.2.2 Målenøyaktighet i komponentene ...26
3.3 Reguleringsstrategi i ONV12E ...28
4. Prosessbeskrivelse og kvalitetssikring ...29
4.1 Prosessbeskrivelse ...29
4.1.1 Databehandling – Generell fremgangsmåte ...29
4.1.2 Kvalitetssikring av SD-anlegget ...30
4.1.3 EOS (Entro) ...31
5. Resultat og måleverdianalyse ...32
5.1 Varme- og kjøleleveranse ...33
5.1.1 Avlesning av årlig varme- og kjøleleveranse ...33
5.1.2 VP/KM energidekningsgrad...36
5.1.3 Normalårskorrigering av varmeleveranse for rom- og ventilasjonsluftoppvarming...37
5.1.4 Kjøleleveranse ...41
5.1.5 Prosesskjølebehov ...44
5.2 Varmeoverføring til bygg A-D ...45
5.2.1 Total energioverføring ...46
5.2.2 Temperaturnivå ved varmeleveranse og LMTD-verdi ...47
5.2.3 Reduksjon i forbruk av fjernvarme ...51
5.3 Energibrønnene ...53
5.3.1 Varmeleveranse til- og fra energibrønnene ...54
5.3.2 Temperaturanalyse og temperaturutvikling i energibrønnene ...56
5.3.3 Volumstrøm i energibrønnene ...59
5.4 Akkumuleringstank i varmedistribusjonssystem ...61
5.5 System for oppvarming av varmt tappevann ...63
5.5.1 Effektforholdsanalyse mellom elektrisk varmeelement og hetgassvarmeveksler...65
5.5.2 Totalt energibehov til tappevann ...68
5.6 Varmepumpen/kjølemaskinen ...70
5.6.1 SCOP og energisparing ...71
5.6.2 LMTD i fordamper og kondensator...76
6. Konklusjon/Oppsummering ...80
7. Referanser ...83
8. Vedlegg...85
8.1 Vedlegg A...85
8.2 Vedlegg B ...86
8.3 Vedlegg C ...88
8.4 Vedlegg D ...93
8.5 Vedlegg E ...94
8.6 Vedlegg F ...96
8.7 Vedlegg G ...99
8.8 Vedlegg H ... 100
8.9 Vedlegg I ... 103
8.10 Vedlegg J... 105
8.11 Vedlegg K ... 106
8.12 Vedlegg L ... 107
8.13 Vedlegg M... 108
8.14 Vedlegg N ... 109
Figurliste
Figur 2.1 Otto Nielsens vei 12E, med veggmonterte solcellepaneler ... 5
Figur 2.2 Termisk energiflyt i det termiske energisystemet i ONV12E (Jørn Stene, 2018) ... 6
Figur 2.3 Effekt-varighetskurver for varme- og kjølebehovet ved ONV12E ... 8
Figur 2.4 Prinsippskisse av det termiske energisystemet til Otto Nielsens vei 12 E ... 10
Figur 2.5 Prinsippskisse av varmepumpen/kjølemaskinen i ONV12E ... 14
Figur 3.1 Varmepumpe/kjølemaskin i SD-anlegg (redigert) ... 18
Figur 3.2 Termisk energisystem i ONV12E med målepunkter og instrumentering ... 21
Figur 3.3 Illustrasjon av displayet til varmepumpen/kjølemaskinen med forklaring ... 25
Figur 3.4 Utetemperatur-kompensert set-punkt for VP/KM ... 28
Figur 5.1 Fordeling av årlig forbruk av varme og kjøling ... 34
Figur 5.2 Sammenlikning mellom målt varme- og kjøleleveranse og prosjekterte verdier ... 35
Figur 5.3 Sammenlikning målt (graddagkorrigert) og simulert energiforbruk for året 2017/2018 ... 38
Figur 5.4 Sammenlikning mellom metodene for analyse av klimaavhengig varmeleveranse . 39 Figur 5.5 Oversikt over kjøledistribusjonssystemet i ONV12E ... 41
Figur 5.6 Sammenlikning av levert og prosjektert kjøleleveranse ... 42
Figur 5.7 Månedsoversikt for total kjøleleveranse i ONV12E ... 43
Figur 5.8 Illustrasjon av tilkoblingen for varmeoverføring til ONV12A-D ... 45
Figur 5.9 Varighetskurve for temperaturnivå ved varmeleveranse til ONV12A-D ... 47
Figur 5.10 Dagsgjennomsnitt for temperatur og LMTD-verdi i varmeveksler til ONV12A-D ... 48
Figur 5.11 Effektmålinger for varmeoverføring til ONV12A-D ... 49
Figur 5.12 Resultatverdier for varmeoverføring feil vei ... 50
Figur 5.13 Sammenlikning mellom forbruket av fjernvarme uten og med overføring av varme fra ONV12E til ONV12A-D ... 51
Figur 5.14 Sammenlikning mellom redusert fjernvarmeleveranse og overført varme fra ONV12E til ONV12A-D ... 52
Figur 5.15 System for energibrønner med måle- og reguleringsenheter ... 54
Figur 5.16 Dagsverdier for energiproduksjon i fordamper og total kjøleleveranse i ONV12E (19. mars- 21. mai) ... 55
Figur 5.17 Sammenheng mellom utetemperatur og varmeuttak fra energibrønnene ... 55
Figur 5.18 Temperatur- varighetskurve for tur- og returtemperaturene i energibrønnene ... 56
Figur 5.19 Tur- og returtemperatur for energibrønnene til ONV12E med plottet mot fordampereffekt produsert av VP/KM ... 57
Figur 5.20 Temperatur-varighetskurve for temperaturdifferansen mellom tur- og returstrøm i energibrønnene (12.12.2017 - 21.05.2018) ... 59
Figur 5.21 Volumstrømmen gjennom energibrønnene ... 60
Figur 5.22 Krets for varmedistribusjonssystem med akkumuleringstankkobling ... 61
Figur 5.23 Volumstrøm på begge sider av akkumuleringstanken den 09.06.2018 ... 62
Figur 5.24 Kobling og måleutstyr for system for oppvarming av varmt tappevann til ONV12E etter 18.04.2018... 64
Figur 5.25 Totalt effektforbruk i el. element og hetgassvarmeveksler før- og etter omkobling av varmtvannsvarmeveksler (10°C) ... 65
Figur 5.26 Totalt effektforbruk i el. element og hetgassvarmeveksler før- og etter omkobling av varmtvannsvarmeveksler (6°C) ... 65
Figur 5.27 Forhold mellom effektleveranse i elektrisk varmeelement og hetgassvarmeveksler
... 66
Figur 5.28 Forholdsanalyse for total effektleveranse i elektrisk varmeelement og hetgassvarmeveksler ... 67
Figur 5.29 Forslag til omkobling av systemet for oppvarming av varmt tappevann ... 69
Figur 5.30 Oversikt over målepunkter i sammenheng med varmepumpeanalyse ... 70
Figur 5.31 SCOP1 og SCOP2 for varmeleveranse og total varme- og kjøleleveranse ... 72
Figur 5.32 Temperatur i fordamper og kondensator, VP/KM ... 73
Figur 5.33 Temperatur-varighetskurver for kondensator og fordamper (25.februar - 06.mars) ... 74
Figur 5.34 Sammenheng mellom temperaturløft, levert temperatur og COP, VP/KM (15.mars-1.juni) ... 75
Figur 5.35 Dobbel-kretskobling i fordamper med illustrasjon av strømningsfordeling (SWEP, 2016) ... 77
Figur 5.36 LMTD i fordamper vist for forskjellige pådrag. Nominell verdi for 100% pådrag er tegnet inn med rød kurve ... 78
Figur 5.37 LMTD i kondensator vist for forskjellige pådrag. Nominell verdi for 100% pådrag er tegnet inn med blå kurve... 78
Figur 5.38 Illustrasjon av målte verdier og utregnet LMTD for 100% pådrag. ... 79
Figur 8.1 Presentert varme- og kjølebehov for effekt og energi fra 2015 ... 85
Figur 8.2 Energirammemetoden – resultater fra SIMIENsimulering ... 86
Figur 8.3 Netto energiforbruk utregnet i sluttrapport til Enova ... 86
Figur 8.4 Prosjektert Netto årlig kjøleenergibehov ONV12E presentert i dokumentasjon for BREEAMkategori ENE03 ... 87
Figur 8.5 Kjøledistribusjonssystem SD-anlegg ... 88
Figur 8.6 VP/KM SD-anlegg ... 89
Figur 8.7 System for oppvarming av varmt tappevann SD-anlegg ... 90
Figur 8.8 Varmedistribusjonssystem 1 – SD-anlegg ... 91
Figur 8.9 Varmedistribusjonssystem 2 – SD-anlegg ... 92
Figur 8.10 Turbulensundersøkelse for kjølemediekretsen i energibrønnene ... 99
Figur 8.11 Eksempelbilde av måling ved avlesning av VP/KM-display ... 106
Figur 8.12 systemskisse med driftstatus for varmemodus, frikjøling og kjøledrift ... 107
Tabelliste
Tabell 2.1 Varme- og kjølebehovstypene i ONV12E ... 6
Tabell 2.2 Beregnet effekt- og energibehov for oppvarming og kjøling ... 7
Tabell 2.3 Liste over komponenter med i det termiske systemet i ONV12E med beskrivelse 11 Tabell 3.1 Måleenheter i ONV12E ... 20
Tabell 3.2 Liste over installerte målepunkter i ONV12E med identifikasjon... 22
Tabell 3.3 Måleenheter i VP/KM ... 24
Tabell 3.4 Målenøyaktighet i installert instrumentering i ONV12E ... 26
Tabell 5.1 Avlest energileveranse i systemet for året 2017/2018 ... 33
Tabell 5.2 Verdier for utregning av VP/KM energidekningsgrad ... 36
Tabell 5.3 Målerne for klimaavhengig energibruk i ONV12E ... 37
Tabell 5.4 Klimaavhengig varmeleveranse ... 38
Tabell 5.5 Klimaavhengig varmeleveranse sammenlignet med prosjekterte verdier ... 39
Tabell 5.6 Sammenlikning av levert og prosjektert kjøleleveranse ... 41
Tabell 5.7 Estimert og målt prosesskjølebehov ... 44
Tabell 5.8 Sammenlikning mellom beregnet og målt effekt for prosesskjøling ... 44
Tabell 5.9 Måleutstyr brukt i analyse for varmeoverføring til bygg A-D ... 46
Tabell 5.10 Total prosjektert og målt varmeenergi overføring ONV12A-D ... 46
Tabell 5.11 Måleutstyr brukt i analyse for energibrønnene... 53
Tabell 5.12 Varmeleveranse til- og fra energibrønnene for en begrenset periode ... 56
Tabell 5.13 Korrelasjon mellom temperatur og fordampereffekt ... 57
Tabell 5.14 Gjennomsnittlig temperaturnivå og gjennomsnittlig fordampereffekt ... 58
Tabell 5.15 Volumstrøm i energibrønnene... 59
Tabell 5.16 Målepunkter brukt i analyse for akkumuleringstank ... 61
Tabell 5.17 Prosjekterte og målte verdier for volumstrøm gjennom kondensator ... 62
Tabell 5.18 Vanntankenes volumkapasitet for varmt tappevann ... 63
Tabell 5.19 Måleutstyr brukt i analyse for tappevannsoppvarming til ONV12E ... 64
Tabell 5.20 Totalt estimert energiforbruk i varmtvannstank med elektrisk varmeelement ... 68
Tabell 5.21 Instrumentering brukt i VP/KM-analyse... 71
Tabell 5.22 SCOP-varianter ... 72
Tabell 5.23 SCOP for VP/KM ... 73
Tabell 5.24 Generell informasjon og nominelle verdier for 100% drift for varmevekslerne i VP/KM i ONV12E ... 76
Tabell 5.25 Identifikasjon og beskrivelse for måleutstyr brukt i LMTD-utregning ... 77
Tabell 8.1 Presentasjon av graddagstallene brukt i utregningene for normålårskorrigering .. 95
Tabell 8.2 Energimålere ... 96
Tabell 8.3 Måleenhetene i energimålerne ... 96
Tabell 8.4 Nummerering i masteroppgaven og SD-anlegg temperatursensorer ... 97
Tabell 8.5 Nummerering i masteroppgaven og SD-anlegg for sirkuleringspumper ... 98
Tabell 8.6 Nummerering i masteroppgaven og SD-anlegg for mekanisk stengeventil ... 98
Tabell 8.7 Inndata og resultatverdier for LMTD-utregning for VP/KM-enheten i ONV12E ... 100
Tabell 8.8 inndata for utregning av LMTD i utvalgte kompressorpådrag ... 101
Tabell 8.9 Utregnede verdier for LMTD... 102
Tabell 8.10 Samlet data for kjøleenergi til COP-utregning ... 103
Tabell 8.11 Samlet data for varme- og forbrukt energi VP til COP-utregning ... 104
Tabell 8.12 Utvalgt data og utregnede verdier for SCOP ... 104
1. Introduksjon
Denne Masteroppgaven er en videreføring av prosjektoppgaven «Analysis of the Thermal Energy System at Otto Nielsen vei 12 E» (Alfstad, 2017), skrevet i samarbeid med NTNU og er en del av forskningsprosjektet Zero Emission Neighbourhoods (ZEN).
Prosjektoppgaven omfatter en introduksjon og beskrivelse av det termiske energisystemet i ONV12E, og i prosessen ble det gjennomført en innledende analyse på noen utvalgte systemer:
• Varmepumpen/kjølemaskinen
• Koblingen for overføring av varme til nabobyggene i Otto Nielsens vei 12 (bygg A-D)
• Systemet for oppvarming av varmt tappevann
• Energibrønnene
• Instrumentering og målesystemer
• Reguleringsstrategien
Disse analysene avdekket interessante temaer og områder som er aktuelle for videre studie og dybdeanalyse. Det er via funnene i prosjektoppgaven utarbeidet mål for arbeidet i masteroppgaven.
1.1 Mål for Masteroppgaven
Det er utarbeidet mål for masteroppgaven. Disse er laget for å skape en naturlig avgrensning og problemstilling for oppgaven, og er skrevet på bakgrunn av de foreslåtte
analyseområdene presentert i prosjektoppgaven (Alfstad, 2017). Målene er justert og tilpasset på bakgrunn av tilgjengelig måledata og reguleringsstrategien i det termiske energisystemet det første driftsåret. Disse vil gjøre det enklere å oppsummere og konkludere i slutten av masteroppgaven.
Målene er presentert som syv punkter, og består av å avdekke og presentere:
1. Varme- og kjøleleveransen er i ONV12E, og sammenligne dette med prosjekterte verdier
I denne analysen er det interessant å undersøke hvor høy energidekningsgrad VP/KM har, og om det er varme-, eller kjøleleveransen som er størst.
2. Total varmeleveranse til ONV12A-D
I denne sammenhengen er det interessant å undersøke hvor mye varme som overføres via koblingen sammenlignet med prosjektert verdi, og temperaturnivået ved
varmeoverføring. Det er også relevant å undersøke om det har forekommet flere perioder med overføring av varme feil vei i systemet. Noe som ble rapportert i løpet av første halvår av driftsperioden.
3. Ytelsen og temperaturnivået i energibrønnene
Energibrønnene i ONV12E er tilkoblet fordamperen slik at fordampereffekten leveres direkte til energibrønnene. I en slik kobling vil det, under lange perioder med varmedrift, kun være varmeuttak i energibrønnene og temperaturnivået vil synke. En
tilstandsanalyse på energibrønnene etter ett år i drift vil avdekke hvordan reguleringsteknikken og utformingen at kjølemediekoblingen har påvirket
energibrønnene, og om ytelsen til energibrønnene er stor nok til å dekke varme- og kjølebehovet til ONV12E.
4. Akkumuleringstankens ytelse og evne til å sikre jevn volumstrøm til kondensatoren under lavt varmebehov
5. Energidekningsgraden til hetgassvarmeveksleren i det totale årlige effektopptaket for oppvarming av varmt tappevann
6. Ytelsen til VP/KM
I denne analysen er det interessant å regne ut reell SCOP og COP. Via disse verdiene er det mulig å estimere energisparingen som VP/KM bidrar til, sammenliknet med
fjernvarme som varmeløsning.
Masteroppgaven er en systemanalyse av varme- og kjølesystemet ved Otto Nielsen vei 12E, og det er fokusert hovedsakelig på termisk energiforsyning og ytelsen av systemet i større trekk.
1.2 Struktur og innhold
Dette kapittelet presenterer strukturen i oppgaven Del 1 – Introduksjon
Del 1 presenterer målene, og strukturen i masteroppgaven, som vil gi et oversikt over oppgavens omfang og innhold.
Del 2 – Tidligere arbeid
Kapittelet oppsummerer funnene fra prosjektoppgaven, med introduksjon av bygget Otto Nielsens vei med det termiske energisystemet. Prosjektert Varme- og kjølebehov er
presentert for å skape et sammenlikningsgrunnlag som kan brukes mot de målte verdiene i analysen.
Del 3 – Målesystemer, instrumentering og regulering
Denne delen beskriver hvilke måle- og reguleringssystemer som benyttes for strukturering og logging av målte verdier i ONV12E. Måleutstyr og målepunkter i det termiske
energisystemet blir så presentert, før en endring i reguleringsstrategien for ONV12E blir forklart.
Del 4 – Prosessbeskrivelse og kvalitetssikring
I dette kapittelet blir prosessen med databehandling og kvalitetssikring av måleutstyr og logger forklart. Denne prosessen er omfattende og tidkrevende, men synes ikke i
sluttresultatet.
Del 5 – Måleresultat og analyse
Del 5 er hoveddelen av masteroppgaven. Her presenteres måleresultatene og analysene som er gjennomført for å kartlegge ytelsen til varme- og kjølesystemet. Analysen består av følgende deler:
1. Varme- og kjøleleveranse
2. Varmeoverføring til nabobygg ONV12A-D 3. Energibrønnene
4. Akkumuleringstank i varmedistribusjonssystem 5. System for oppvarming av varmt tappevann 6. Varmepumpen/kjølemaskinen
Del 6– Konklusjon og oppsummering
I dette kapittelet blir de viktigste resultatene fra alle analysene presentert. Her foreligger en oppsummering av funnene som er gjort i løpet av masterperioden.
2. Tidligere arbeid
I dette kapittelet presenteres utvalgte deler av innholdet som ble presentert i
prosjektoppgaven, gjennomført som en foranalyse av det termiske energisystemet i ONV12E (Alfstad, 2017). Dette skal gi en rask introduksjon, og skape en ramme for den mer
dyptgående analysen som er gjennomført på det termiske energisystemet.
Strukturen på dette kapitelet:
1. Introduksjon av bygget med nøkkelinformasjon 2. Prosjekterte verdier for varme- og kjølebehov 3. Presentasjon av det termiske energisystemet 4. Oppsummering og funn fra analysen
Prosjektoppgaven, som ble utarbeidet høsten 2017, presenterer varme- og kjølesystemet ved Otto Nielsens vei 12 E (ONV12E), i Trondheim. Her blir prosjekterte verdier for varme- og kjølebehov og en overordnet beskrivelse av det termiske energisystemet presentert. En mer dyptgående beskrivelse og analyse er gjennomført på følgende elementer:
• Varmepumpen/kjølemaskinen
• Koblingen for overføring av varme til nabobyggene i Otto Nielsens vei 12 (bygg A-D)
• Systemet for oppvarming av varmt tappevann
• Energibrønnene
• Instrumentering og målesystemer
• Reguleringsstrategien
2.1 Bygget ONV12E
ONV12E er et kontorbygg, ferdigstilt i juni 2017. Bygget er ett av fire bygg i kontorsenteret på eiendommen Otto Nielsens vei 12, bestående av delene A-E. Under alle byggene er det bygget en felles parkeringskjeller, med egne plasser for brukerne av ONV12E. Totalt areal er 9090 m2, og totalt oppvarmet del av bruksareal (BRA) er 8940m2.
ONV12E skiller seg fra de fleste andre moderne kontorbygg ved muligheten for varmeleveranse til nabobyggene (A-D). Det er også installert solcellepaneler for
elektrisitetsproduksjon, der en mulig overskuddsproduksjon kan benyttes i nabobygg slik at forbruket skjer lokalt, uten at det blir behov for distribusjon ut på nett eller lagring (Fjær, 2017b). Disse løsningene gir grunnlag for pengestøtte fra Enova for nye energi- og
klimateknologier. Installasjonene er interessante innen forskningsområdet på nullutslipps- nabolag, Zero Emission Neighbourhoods (ZEN). Dette er en videreføring av konseptet om nullutslippsbygg, der nabolag skal kunne utveksle termisk og elektrisk energi, for blant annet å redusere avstanden for frakt av energi og som vil skape helt nye premisser for design av energiløsninger i fremtiden.
Bygget er utformet og designet spesifikt rundt forbruksmønsteret til leietakerne av bygget, Nordic Semiconductor, som forsker på og utvikler Bluetooth- teknologi («Nordic
semiconductor», 2017). Aktiviteten fører til et nesten konstant kjølebehov via kjøling av dataservere, og periodevis kjøling av testutstyr. Et overslag på kjølebehovet ble gitt av Nordic Semiconductor til COWI i prosjekteringsperioden av bygget. Det har vært
usikkerheter rundt kjølebehovet, og hvorvidt dette vil bli like høyt som prosjektert. Dette vil komme frem gjennom målingene av det reelle varme- og kjølebehovet.
Figur 2.1 Otto Nielsens vei 12E, med veggmonterte solcellepaneler
Nøkkelinformasjon for ONV12E:
• Nær-passivhusnivå (NS3701)
• BREEAM klassifisering «Excellent»
• Kjølebehovet er dimensjonerende for varmepumpe/kjølemaskin o Signifikant og nær konstant årlig prosesskjølebehov (~8000h)
• Varmepumpe/kjølemaskin (VP/KM)
o Dimensjonerende kjølekapasitet på 290kW
o Produserer varmeenergi til å dekke mer enn varmebehovet i ONV12E o Energibrønnsystem som varmekilde og varmesluk
• Estimert årlig overføring av 300 kWh/m2 varmeenergi til nabobyggene A-D
• Elektrisitetsproduksjon fra solcellepaneler
• Fjernvarmetilkobling som reserveløsning eller spisslast
2.2 Varme- og kjølebehov i ONV12E
I dette kapittelet vil typene av varme- og kjølebehov i det termiske energisystemet til ONV12E bli identifisert. De prosjekterte verdiene for varme- og kjølebehov som ble presentert i prosjektoppgaven vil så bli gjengitt for å gi et sammenlikningsgrunnlag for analysen som er gjennomført med hensyn på varme- og kjølebehov i ONV12E.
De forskjellige typene for varme- og kjølebehov i ONV12E er presentert i Tabell 2.1 og den termiske energiflyten er illustrert i Figur 2.2.
Snøsmeltingsanlegget kan benyttes som et anlegg for å kvitte seg med overskuddsvarme på sommeren, i tillegg til å brukes til snøsmelting på vinteren.
Tabell 2.1 Varme- og kjølebehovstypene i ONV12E
Varme- og kjølebehov Varme Varmt
tappevann
Oppvarming av ventilasjonsluft
Rom- oppvarming
Varme- overføring til bygg A-D
Snøsmeltings- anlegg
Kjøling Lokal kjøling
Kjøling av
ventilasjonsluft Prosesskjøling
Figur 2.2 Termisk energiflyt i det termiske energisystemet i ONV12E (Jørn Stene, 2018)
2.2.1 Prosjekterte verdier for varme og kjølebehov
De prosjekterte verdiene er presentert i dette kapittelet. Dette er verdiene som ble presentert i prosjektoppgaven om det termiske energisystemet i ONV12E.
Det er utarbeidet en SIMIEN-simulering med navn «R80 – som bygget», en simulering som er justert etter byggets egenskaper. Det benyttes to metoder for å produsere et
sammenlikningsgrunnlag for målte verdier i denne analysen:
1. Årssimulering – en simulering som bruker lokal klimadata. I tillegg til en rapport med oversikt over byggets forventede forbruk og energiytelse, genereres en logg med timesforbruk for et helt år, for blant annet forbrukt varme- og kjøleeffekt.
2. §14-4 Energiramme – Beregner årlig netto energibehov ved bruk av standard Osloklima og sammenligner resultatet med en fastsatt verdi i Byggteknisk forskrift («Verdier for energiramme (TEK)», 2017).
Årlig dimensjonerende effekt- og energibehov for varme og kjøling er gjengitt i Tabell 2.2. En skrivefeil i det totale varmeenergibehovet i prosjektoppgaven er rettet opp fra 208 356 kW til 208 302 kW.
Tabell 2.2 Beregnet effekt- og energibehov for oppvarming og kjøling
Netto effektbehov Årlig energibehov Varmebehov
Rom og ventilasjon 155 kW 163 602 kWh
Tappevann 5 kW 44 700 kWh
Total 160 kW 208 302 kWh
Kjølebehov
Prosesskjøling 52 kW 416 000 kWh/år
Lokal kjøling 18 kW 11 700 kWh/år
Ventilasjon 261 kW 39 150 kWh/år
Total 331 kW 466 850 kWh/år
Vedlegg B inneholder det presenterte årlige netto varme- og kjøleenergibehov (Fjær, 2017b), (Fjær, 2017a).
Effekt-varighetskurven for oppvarming og kjøling er presentert i Figur 2.3, og er laget med timesverdier fra årssimuleringen. Figuren viser årlig netto varmebehov og kjølebehov for ONV12E.
Det er antatt årlig overføring til ONV12A-D på 300 000 kWh.
Figur 2.3 Effekt-varighetskurver for varme- og kjølebehovet ved ONV12E
Noen verdier er lagt til manuelt, og noen verdier er endret for å passe verdiene som er gitt i Tabell 2.2. Endringene er:
• Verdiene for prosesskjøling og lokal kjøling er lagt til manuelt.
• Varmebehovet for varmt tappevann er lagt til manuelt.
• Varmeeffektbehovet i simuleringen er justert ned med 60% for å passe med tidligere rapporterte verdier for varmebehov, dette er nærmere forklart i prosjektoppgaven.
Den installerte kapasiteten til varmedistribusjonssystemet (brutto) er 395kW og VP/KM er dimensjonert til å dekke kjøleeffektbehovet. Av dette følger det at det ikke er forventede kapasitetsproblemer i varmedistribusjonssystemet, selv med økt varmeeffektbehov.
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760 Utetemperatur [°C]
Effekt [kW]
Timer [h]
Totalt kjølebehov Totalt varmebehov Varmt tappevann Prosesskjøling Utetemperatur
2.3 Generell beskrivelse av varme- og kjølesystemet
Det termiske systemet i ONV12E kan deles opp i seks undersystemer, listet opp under:
A. Kjøledistribusjonssystem
B. Grunnvarmeanlegg med rørsystem for kjølemediesirkulasjon C. Varmepumpe/kjølemaskin
D. System for oppvarming av varmt tappevann E. Varmedistribusjonssystem
F. Varmeoverføring til ONV12A-D
En skisse av det termiske energisystemet til ONV12E er presentert i Figur 2.4. Skissen inkluderer hovedelementene i det termiske energisystemet, markert med nummer.
Nummereringen i figuren er koblet til numrene som er presentert Tabell 2.3. Dette er for å identifisere komponentene og gi en innledende beskrivelse.
Skissen inkluderer ikke komponenter som ekspansjonssystemer, manuelle ventiler eller måleutstyr.
Figur 2.4 Prinsippskisse av det termiske energisystemet til Otto Nielsens vei 12 E
Tabell 2.3 Liste over komponenter med i det termiske systemet i ONV12E med beskrivelse Nr. Komponent Beskrivelse og funksjon
1) Lokalt kjølesystem • Lokal kjøling i møterom
• Dimensjonerende tur- og returtemperatur:
14/18°C 2) System for kjøling av
ventilasjonsluft • Kjølebatteri for ventilasjonsluft (4 enheter)
• For kjøling av luft i ventilasjonsenhetene
• Dimensjonerende tur og returtemperatur:
10/16°C
3) Prosesskjøling • For prosesskjøling
• Dimensjonerende tur og returtemperatur:
14/18°C 4) Akkumuleringstank -
Kjøledistribusjonsside
• Kapasitet: 400 liter
• Forhindrer hyppig start/stopp av VP/KM ved lavt kjølebehov.
5) Varmeveksler mellom kjøledistribusjon- systemet og kjølemediet (VV1)
• For å utveksle varme mellom
kjøledistribusjonssystemet (vann) og kjølemediekretsen som sirkulerer gjennom fordamper og energibrønnene.
• Dimensjonerende tur og returtemperatur i hoveddistribusjonssystemet for kjøling: 10/16°C 6) Energibrønner og
kjølemediekrets • 25 energibrønner
• Dybde pr brønn: 260 m
• Total dybde: 6500 m
• Minimum 7,5 m avstand mellom brønnene
• Installert U-kollektor av typen «Turbokollektor»
• Effektiv termisk konduktivitet, leff: 4.0 W/m×K
• Kjølemedie for energibrønnene:
o Etanol-vann-miks (25%)
o Brennbar væske, flammepunkt: 33°C
KjøledistribusjonssystemGrunnvarmeanlegg
7) Varmepumpe/
kjølemaskin • Dekker hele varme- og kjølebehovet i bygg E
• Kan produsere varme for overføring til bygg A-D
• Temperatur for varmeleveranse opp til 65°C
• Varmemodus:
o Nominell varmekapasitet 230kW, dimensjonerende temperatur: 60/50°C o Nominell kjølekapasitet: 144kW,
dimensjonerende temperatur: 3/0°C
• Kjølemodus:
o Nominell varmekapasitet: 290 kW, dimensjonerende temperatur: 40/34°C o Nominell kjølekapasitet: 379kW,
dimensjonerende temperatur: 16/10°C
• Kjølemedie (fordamperside) til vann (kondensatorside)
• Kapasitetsstyring: 20% - 100%
Komponentvalg og spesifikasjoner:
• Arbeidsmedie: R134a
• 2 parallelle kretser
o 40 kg R134a pr. krets
• Semi-hermetiske stempelkompressorer:
o 2 x turtallsregulerte o 1 x av/på-regulert
• Elektroniske strupeventiler
• Underkjøler og overhetingsvarmeveksler
• Fordamper og kondensator
o Varmevekslerareal (pr. veksler): 37m2 o Loddet platevarmeveksler
8) System for
oppvarming av varmt tappevann
• Varmevekslingstank med integrert spiral o Kapasitet: 550 liter (installert)
o Overfører varme for oppvarming av varmt tappevann fra hetgassvarmeveksler fra VP/KM
• Varmtvannsbereder med elektrisk varmeelement o Kapasitet: 380 liter (installert volum) o Oppvarming av tappevann og
varmtvannssirkulasjonen
o Koblet etter varmeoverføringstanken Varmepumpe/kjølemaskin Sanitæranlegg
9) Varmeveksler mellom kjølemediekretsen og varmedistribusjons- systemet (VV2)
• For å levere overflødig varme fra kondensatoren til grunnvarmesystemet
10) Reservekobling til
fjernvarme (VV3) • Koblet på det eksisterende systemet for
varmeleveranse til ONV12A-D som reservesystem for ONV12E
• Back-up for oppvarming
• Spisslastsystem 11) Akkumuleringstank i
Varmedistribusjons- side
• Kapasitet: 1000 liter
• Sikrer konstant vannmengde for kondensatoren til varmepumpen/kjølemaskinen i samdrift med pumpe P7
• Forhindrer hyppig start/stopp av VP/KM ved lavt varmebehov
12) System for oppvarming av ventilasjonsluft
• Varmebatterier (4 enheter) o For oppvarming av luft i
varmebehandlingsenhetene
• Aerotempere i parkeringskjeller
• Dimensjonerende tur- og returtemperatur:
60/40°C
13) Gulvvarmesystem • Gulvvarme i inngangshall
• Dimensjonerende tur- og returtemperatur:
35/30°C
• Separat utetemperatur-kompenseringskurve 14) Radiatorer og
konvektorer • Romoppvarmingssystem
• Dimensjonerende tur- og returtemperatur:
60/50°C 15) Snøsmeltingssystem
(VV4) • Snøsmeltingsanlegg i varmemodus
• System for å fjerne overskuddsvarme i kjølemodus
• Separat reguleringssystem
• Dimensjonerende tur- og returtemperatur:
60/40°C 16) Varmeleveranse til
ONV12 A-D (VV5) • Leveranse av et årlig estimat av 300 000 kWh til nabobyggene A-D
• Varmeveksler mellom varmedistribusjonssystemet til ONV12E og ONV12A-D
• Dimensjonerende tur- og returtemperatur i bygg A-D: 80/60°C
• Varmeleveranse til returledningen til bygg A-D
Kobling til ONV12A-DVarmedistribusjonssystem
Siden varmepumpe-/kjøleaggregatet er et hovedelement i systemet, og er en avansert installasjon designet for fleksibel drift med høy COP, presenteres denne som en del av den generelle beskrivelsen av varme- og kjølesystemet. Prinsippskissen er vist i Figur 2.5. Denne skissen er forenklet, basert på beskrivelse og informasjon gitt fra Oilon Scancool (Östman, 2017).
Figur 2.5 Prinsippskisse av varmepumpen/kjølemaskinen i ONV12E
2.4 Oppsummering og funn fra den innledende analysen
I prosjektoppgaven ble det avdekket flere områder der det var potensiale for å undersøke systemet nærmere.
• Effektbehov for oppvarming
Det er usikkerhet rundt varmeeffektbehovet til ONV12E som er framstilt i
prosjektoppgaven, presentert i kapittel 2.2. Denne utregningen av varmeeffektbehovet er unøyaktig, og det er en god sjanse for at netto effektbehov er høyere enn verdien som er presentert. Det ble derfor konkludert med at en nærmere undersøkelse og måling av varmeeffektbehovet burde bli gjennomført i masteroppgaven.
• Effekt- og energibehov for prosesskjøling
Systemet er designet til å dekke prosesskjølebehovet basert på rapporterte verdier fra Nordic Semiconductor. Estimerte verdier har en tendens til å være høyere enn det reelle behovet, og det er derfor interessant å undersøke om det prosesskjølebehovet er som prosjektert.
• Varmepumpen/kjølemaskinen (VP/KM)
En sammenlikning av forskjellige arbeidsmedier og komponentvalg ble gjennomført. Det ble konkludert med at den valgte installasjonen er god og vil ha potensiale for høy SCOP selv med varierende varme og kjølebehov.
Det var ikke installert energimålere for kondensatoren, fordamperen eller overhetingsvarmeveksleren, høst 2017, noe som resulterte i at en analyse av
varmepumpen ble utsatt. Dette er nå installert, og en ytelsesvurdering er gjennomført.
• Dimensjoneringen av VP/KM for maksimalt kjølebehov
VP/KM er blitt dimensjonert noe lavere enn beregnet maksimalt kjølebehov. Dette ble diskutert i prosjektoppgaven og det ble ansett som interessant å undersøke om installert kjøleeffekt for VP/KM vil være tilstrekkelig ved maksimalt kjølebehov.
• Koblingen mellom VP/KM, energibrønnene og kjøledistribusjonssystemet
I koblingen flyter kjølemediet i følgende rekkefølge: fordamper → energibrønner → kjøledistribusjon. En mer tradisjonell rekkefølge for dette systemet er å koble fordamper
→ kjøledistribusjonstilkobling → grunnvarmesystem.
Koblingens rekkefølge ble diskutert i sammenheng med at den vil kunne påvirke VP/KM og energisystemets ytelse og oppførsel. En overordnet oppsummering er presentert punktvis under:
o Økt COP og termisk ytelse for VP/KM o Tidligere regulering til kjølemodus
o Tømme varmekapasiteten til energibrønnene tidligere
Det ble derfor betegnet som et interessant tema å undersøke og inkludere i analysen.
Siden dette kan påvirke både VP/KM, reguleringen av det termiske energisystemet og
energibrønnene, bør dette vurderes som en årsak eller påvirkende faktor under analyse av disse elementene.
• System for oppvarming av varmt tappevann
I prosjektoppgaven ble systemet for oppvarming av varmt tappevann presentert og kommentert. Vanntanken som er installert for varmeoverføring mellom
hetgassvarmeveksleren til VP/KM og tappevannsystemet ble originalt ikke installert i henhold til systemskissen, og som følge av dette har kapasiteten til
varmtvannsoppvarming har vært sterkt redusert. Den 18. april 2018 ble systemet koblet om til slik det var originalt prosjektert, og det totale lagringsvolumet for varmtvann vil være 930 L fra og med denne datoen.
En analyse av dette systemet ble betegnet som interessant i prosjektoppgaven, for å undersøke om dette systemet har fungert som prosjektert. Det er gjennomført en analyse av systemet før og etter det ble koblet om.
• Energibrønnene
Det ble konkludert med at varmeoverføringsegenskapene var gode. Effektiv
varmeoverføringskonstant (leff = 4,0 W/m×K) viste seg å være høyere enn typiske verdier i Norge, men innenfor forventet verdi for typen bergart i området (Mørkved & Holmberg, 2016). Motstanden for varmeoverføring er hhv. 0,1 m·K/W og 0,12 m·K/W for
varmeleveranse og varmeuthenting.
• Reguleringsstrategi for å styre temperaturen i brønnparken
Det ble oppdaget at reguleringsstrategien for det termiske energisystemet til ONV12E ikke følger anbefalingen fra TRT-analysen (Mørkved & Holmberg, 2016). Denne
anbefalingen går ut på å levere og kvitte seg med så varme som mulig, før noe varme tilføres brønnparken.
Det fremgår i reguleringsstrategien for ONV12E, som er presentert i prosjektoppgaven, at det skal overføres varme til energibrønnene frem til maksimal tillatte temperatur på 25°C er møtt, for så å dumpe varme til snøsmelteanlegget. Det er lagt inn i
reguleringsstrategien at det skal overføres varme til ONV12A-D så lenge temperaturene i systemet tillater det. Dette vil bidra til at temperaturøkningen i brønnparken vil være tregere enn om dette ikke var en del av strategien.
• Dimensjonering av brønnparken
I løpet av prosjektoppgaveperioden ble det stilt spørsmål rundt hvorfor det ble dimensjonert en brønnpark med 25 energibrønner, selv med prognoser om
temperaturøkning over tid i TRT-analysen. Grunnene er presentert punktvis under:
o Energibrønnene er plassert under parkeringskjelleren til bygg E, noe som fører til plassbegrensing.
o 25 energibrønner var inkludert i budsjettet.
o Kostnaden for å øke brønnparken er markant.
o Energiregnskapet som ble brukt i TRT-analysen var basert på et overslag gjort tidlig i prosjekteringen.
Det ble konkludert med at det ikke var grunnlag nok til å legge inn denne kostnaden for å øke brønnparken.
Det er interessant å undersøke hvordan det reelle varme- og kjølebehovet i ONV12E vil påvirke driften av brønnparken, og hvorvidt en ser tegn til temperaturendring på samme måte som det ble konkludert med i TRT-analysen.
• Varmeleveranse til nabobygg A-D
Det er lagt opp til et system for varmeleveranse fra varmepumpe/kjølemaskin i ONV12E til returledningen for fjernvarme på ONV12A-D. Det har blitt oppdaget driftsfeil i
systemet for varmeleveranse til bygg A-D. Det har ved flere anledninger blitt levert varme motsatt vei, fra termisk system A-D til E, noe som har bidratt til et høyere forbruk av fjernvarme.
3. Målesystemer, instrumentering og regulering
Her presenteres måle- og oppfølgingssystemene som brukes i ONV12E. Instrumenteringen for overvåkning og regulering av det termiske energisystemet blir så presentert i
sammenheng med plassering i det termiske energisystemet, type og nøyaktighet.
3.1 Måle- og oppfølgingssystemer
Det er to separate systemer som brukes til å måle og regulere anlegget i ONV12E:
1. Sentralt Drift-anlegg (SD-anlegg) 2. Energioppfølgingssystem (EOS)
Kort beskrevet brukes SD-anlegget til måling og regulering på detaljnivå i det termiske energisystemet, mens EOS brukes for en mer overordnet oversikt i hele energiflyten til et bygg. Det er SD-anlegget som inneholder mest relevant data for den type analyse som er gjennomført i denne masteroppgaven.
3.1.1 Sentralt Drift-anlegget (SD-anlegg)
SD-anlegget måler og logger alle relevante måleverdier og holder oversikt over driftsituasjonen til alle regulerbare komponenter i hele varme- og kjøleanlegget, med undersystemer. Det er gjennom dette anlegget man ser status på reguleringsstrategien og overvåker om systemene i det termiske energisystemet fungerer som planlagt.
SD-anlegget er av type «EcoStruxure™ Building» fra Schneider Electric som også har stått for leveransen med prosjektering, programmering og idriftsetting til dette bygget (Schneider Electric, 2017a). Systemet blir overlevert til byggeier etter endt utførelse og driftspersonell i ONV12E vil overta ansvaret for videre drift og overvåking via systemet.
Systemet har både en listefunksjon med logger for hver komponent og en grafisk, interaktiv versjon, som man kan se i Figur 3.1. Relevante bilder av SD-anlegget er inkludert i Vedlegg C.
SD-anleggets system og listefunksjonen blir nærmere beskrevet i kapittel 4.1.2.
Figur 3.1 Varmepumpe/kjølemaskin i SD-anlegg (redigert)
3.1.2 Energioppfølgingssystemet (EOS) – Entro AS
Energioppfølgingssystemet brukes for å holde oversikt over det overordnede effekt- og energiforbruket i ONV12E. Systemet var satt opp gjennom Entro AS. Plattformen vil ikke bli beskrevet i detalj siden den er lite benyttet i arbeidet med analyse av ONV12E. Dette er på bakgrunn av følgende grunner:
• Det er gjennomført et eierskifte av ONV12E i februar 2018, der Koteng AS ble medeier og forvalter av bygget (Koteng Eiendom AS, 2018). EOS-plattformen ble i sammenheng med eierskiftet, flyttet fra Entro. Det har derfor ikke vært tilgang til nye eller historiske
måledata etter den 1. mai. Det ble klart i en samtale med ansvarlig for SD-anlegget at de sluttet å overføre data fra og med 1. april 2018.
• Eksportfunksjonen i programmet er lite brukervennlig ved eksport av større mengder data. Ved eksport av data for mer enn en måler om gangen, er det ikke mulig å hente ut data for mer enn ett døgn.
• Registrerte avvik som mistenkes som feil i verdiinnhentingen og summering av energimålingene. Dette vil bli videre kommentert i kapittel 4.1.3, som en del av prosessbeskrivelsen.
3.2 Instrumentering og målepunkter
Det er et betydelig antall installerte komponenter for overvåkning og regulering av det termiske energisystemet i ONV12E, og prisnippskissen med måleutstyr er svært detaljert.
Derfor er tegninger for hvert delsystem presentert med måleutstyr i de separate analysene i kapittel 5.
Måleinstrumentene med tilgjengelig måleenheter for overvåkning og regulering i det overordnede termiske energisystemet i ONV12E er presentert i Tabell 3.1. Pumpene og de mekaniske ventilene loggfører egen innstilling, noe som gir status på reguleringen i det termiske energisystemet. Måleenhetene for internverdier i VP/KM er presentert i Tabell 3.3, med beskrivelse.
Tabell 3.1 Måleenheter i ONV12E
ID Beskrivelse Enhet
Energimålere
OE Energi kW
-V Strømningsmengde m3/h
-T1 Turtemperatur °C
-T2 Returtemperatur °C
Temperaturmålere
RT4 Turtemperatur °C
RT5 Returtemperatur °C
Trykksensor
RP Trykk kPa
Vannmengdeforbruk sanitæranlegg
RF Volumstrøm [m3/h)
Pumpe
P Effektforbruk W
Pumpehastighet rpm
Middeltemperatur °C
Trykkforhold kPa
Volumstrøm m3/h
Mekanisk stengeventil
MV Åpne-/lukkeinnstilling %
Plasseringen for målepunktene for overvåkning og regulering av det termiske energisystemet i ONV12E er presentert i Figur 3.2, med ID-koder for referanse. En beskrivelse over hvilke systemer de måler, er vist Tabell 3.2.
Alle målepunktene er tilgjengelige i SD-anlegget, og en fullstendig liste med alle måle- og reguleringsinstrumenter i ONV12E, med kodene som benyttes i SD-anlegget er inkludert i Vedlegg F.
Det er gjort noen endringer på prinsippskissen med måleutstyr sammenlignet med den som ble presentert i prosjektoppgaven (Alfstad, 2017). En forklaring for bakgrunnen bak- og detaljert beskrivelse for endringene er vist i Vedlegg D.
Figur 3.2 Termisk energisystem i ONV12E med målepunkter og instrumentering
