Metodikk for design av varmepumpeanlegg for omsorgssentre/sykehjem ved bruk av miljøvennlig arbeidsmedium - og saksstudie fra et kommunalt omsorgssenter

Abstract

Avhandlingen foreslår metodikk for design av varme-/kjølesystem for omsorgssentre/sykehjem ved bruk av varmepumpe med miljøvennlig arbeidsmedium. Metodikken er beregnet for tilfeller med oppgradering av energisentral, utvidelse av bygningsmasse eller lignende, og er lagt opp stegvis:

1. Kartlegging av varme- og kjølebehov: Simulering eller måling av energiforbruk for bygningsmasse, utarbeide varighetskurve og kartlegge eksisterende varmeløsning. Her tas det også stilling til om man skal vurdere et sentralanlegg for flere bygg.

2. Vurdering av temperaturnivå i varmedistribusjonssystemet, og tiltak forå redusere det: Dette innebærer revurdering av utekompenseringskurve for turtemperatur, ombygging av varmedistribusjonsnett for større temperaturfall og lavere temperaturnivå.

3. Tilgjengelige varmekilder: Vurdering av hvilke varmekilder som kan passe temperaturnivået gitt av steg 2 og er tilgjengelig ved bygningsmassens beliggenhet.

4. Mulig arbeidsmedium: Med hensyn til de to foregående stegene vurderes egnede arbeidsmedium, i siste steg bestemmes kostnadsoptimal løsning.

5. Varmtvannsberedning og kjøling: Ulike løsninger forå dekke varmtvannsforbruket vurderes med blant annet forvarming, to-trinnsoppvarming eller egen CO2-varmepumpe. I tillegg gjennomgås metode for kjøling.

6. Helhetlig vurdering: Bestemmer effektdekningsgrad og gjør en gjennomgang av forventet gjennomsnittlig COP og energidekningsgrad for å beregne hvilken løsning fra de foregående stegene som er optimal etter oppdragsgivers kriterier.

Denne metodikken er benyttet på et sykehjem i Vennesla bestående av to bygg med ulik alder, byggteknisk standard, varmedistribusjonssystem og temperaturnivå. Bygningsmassen har hatt høyt energiforbruk for oppvarming grunnet stort varmetap fra den eldre delen, dårlig varmegjenvinning fra ventilasjonsluft og problemfull varmepumpeløsning for den nyere delen.

Det foreslås å bygge varmedistribusjonsnettet om til seriekobling av varmelaster for begge bygg og bruk av ny utekompenseringskurve til den eldre delen (for turtemperatur). Dette vil redusere temperaturnivået slik at byggene klassifiseres henholdsvis som middels/høyt og middels/lavt av metodikken for den eldre og nyere delen. Analyse viser at temperaturkravet overstiger 60˚C 70 timer i året for den eldre delen, og kun ved DUT for den nyere delen.

To alternative løsninger foreslås: 1. propan-varmepumpe med bergvarme som varmekilde for begge bygg, eventuelt med uteluft for den nyere delen, og 2. én energisentral for begge bygg med bergvarmepumpe med ammoniakk. Beregnet SCOP og energibesparelse er 3,9 og totalt ca. 560MWh for alternativ 1, og 4,1 og totalt ca. 575MWh for alternativ 2. Grunnet høyere levetid vurderes alternativ 2 som kostnads-optimal løsning med nedbetalingstid på 8 år og netto nåverdi på 4MNOK. Som konklusjonen illustrer, så viser saksstudiet at metodikken kan være nyttig for design av varme-/kjølesystem, men krever individuell vurdering.

This thesis proposes a methodology for the design of heating/cooling system for care center/nursery homes by using heat pump with natural working fluid or HFO. The methodology is intended for renewal of heat central and expansion of building stock, and consists of the following steps:

1. Calculation of heating and cooling demands: Simulation or measurements of energy use for the building stock, construction of duration curve and mapping of existing heat distribution system. Possible use of a central heating system.

2. Assessment of temperature levels in the heat distribution system, and measures to reduce it: Including reevaluation of outdoor temperature compensation, reconstruction of the heat distribution system in order to increase the temperature drop and lower the temperature level.

3. Available heat sources: Evaluation of which heat sources are suitable for the temperature level given by the previous step at the buildings location.

4. Possible working fluid: Evaluation of which working fluids that are best suited with regards to the prior steps. In the last step the most cost-efficient solution is calculated.

5. Domestic hot water and cooling: Possible designs in order to cover the hot water heating: preheating, 2-stage system, separate heat pump. System design with regards to cooling is evaluated.

6. Overall assessment: Power coverage factor is decided and overall COP and energy coverage factor are calculated in order to choose the optimum solution, from the prior steps, with regards to given criteria.

The methodology is used at a nursing home in Vennesla consisting of two buildings, of different age, technical condition, heat distribution system and supply temperature. The buildings require a high heat and energy use due to large heat loss from the older unit, low heat recovery from the ventilation air and inadequate heat pump solution for the new building.

It is proposed to connect the heat loads for the heat distribution system in series for both buildings and use a new outdoor temperature compensation curve for the older unit. This will reduce the temperature levels so that the buildings will be classified as medium/high and medium/low for the newer and older unit respectively, according to the methodology. Analysis shows that the supply temperature surpasses 60˚C 70 hours a year for the older unit and only at DOT for the newer unit.

Two alternative solutions are suggested: 1. propane heat pumps with ground as a heat sources for both buildings, or possibly outdoor air for the new unit, and 2. one central heat plant using a ground source heat pump with ammonia as working fluid for both building. Calculated total SCOP and energy saving is 3.9 and about 560MWh for option 1, and 4.1 and about 575MWh for option 2. Option 2, with payback time of 8 years and net present value of just above 4MNOK, is deemed the most cost-efficient solution due to higher lifetime. The case shows that the methodology can be useful for design of heating/cooling system in care centers/nursery homes in general, but individual assessment is needed for each new case.