Smart thermal grid concepts for the Leangen area

Abstract

Sammendrag Leangen består for øyeblikket av en veddeløpsbane. Koteng Eiendom AS planlegger å rive banen, for å deretter bygge et bærekraftig boligområde med lavt energiforbruk og klimavennlig fotavtrykk. Byggeplanene inkluderer boliger og næringsvirksomhet, i tillegg til helse- og velferdstjenester som barnehage og vernede boliger. Veddeløpsbanen ligger ved siden av et idrettsanlegg, som blant annet består av flere isbaner. For å holde isbanene kalde er det installert en ammoniakkvarmepumpe. Informasjon fra kontaktpersoner ved dette anlegget viser at anlegget produserte 4 152 116 kWh med spillvarme i 2018. Dette betyr at det ligger en uutnyttet varmekilde med stort potensial i nærheten av Leangen. En mulighet for å dekke Leangens fremtidige varmebehov er derfor å bruke denne overskuddsvarmen som varmekilde, sammen med et lokalt lavtemperaturenerginett. Intensjonen med oppgaven er å utforske nettopp denne muligheten Ettersom bygningsplanene enda ikke er fastsatt, er det valgt å designe en fiktiv bygning som skal representere den gjennomsnittlige boligblokken på Leangen. Energibehovet for denne bygningen er en kombinasjon av varme- og varmtvannsbehovet fra en passivhusbygning i Trondheim og simulerte kjølebehov fra SIMIEN. For å best mulig dekke bygningens varmebehov ved bruk av skøytebanenes spillvarme, er det utviklet er energidistribusjonssystem. Systemet fokuserer på å bruke varmtvannet fra lavtemperaturnettet, både i et vannbårent gulvvarmesystem og som varmekilde for en varmtvannsvarmepumpe. Gulvvarmen skal dekke alt av romoppvarming og en 𝐶𝑂2 varmepumpe skal dekke varmtvannsbehovet. Den representative bygningen har i tillegg et betydelig kjølebehov. Det er derfor installert et vannbårent taksystem som absorberer den overflødige varmen i bygget. Dette er koblet til varmepumpen som ekstra varmekilde for varmtvannsoppvarming. Resultatene viser at spillvarmen fra skøyteanlegget ikke vil være nok til å dekke Leangens varmebehov. Bygningens energidistribusjonssystem ble derfor justert til å kunne inkludere energigjenvinning fra gråvann. Innledningsvis ble det sett på mulighetene for å samle gråvannet fra den individuelle bygningen, og deretter koble gråvannstanken til varmepumpen som en ekstern kilde for varmtvannsoppvarming. Dette førte til en betydelig reduksjon i behovet for spillvarme fra skøyteanlegget. Reduksjonen var imidlertid ikke nok til å kunne dekke det totale varmebehovet. På bakgrunn av dette ble det sett på mulighetene for å samle den totale gråvannsmengden fra boligområdet. Ved å samle dette i et sentralt basseng/tank og så koble det til lavtemperaturnettet via en varmepumpe, ble det totale behovet for spillvarme nok til å dekke det årlige vamebehovet. Selv om denne løsningen dekket det årlige behovet totalt, var varmebehovet i januar fortsatt større enn den tilgjengelige spillvarmen. En mulig løsning er å koble lavtemperaturnettet til fjernvarmenettet. Dette medfører at fjernvarme kan importeres når spillvarmen ikke strekker til. På tross av at varmebehovet i januar er for stort til å kunne dekkes av den tilgjengelige spillvarmen, vil det resten av året være et stort overskudd av spillvarme, inkludert desember. Dette muliggjør en eventuell lagring av overskuddvarme i et termisk lager for senere bruk. Dersom overskuddsenergien i desember kan lagres for senere bruk, er det mulig å bruke desembers overskudd til å dekke mangelen på spillvarme i januar.

Abstract At the present, Leangen is occupied by a race course. Koteng Eiendom AS are going to demolish it and build a sustainable community with a low environmental footprint in its stead. The construction plans for this area include housing and businesses, in addition to public services such as a kindergarten and a health and welfare center. Next to the racecourse is a sports facility containing several ice rinks. To keep the rinks cold, the facility has installed a large ammonia heat pump. Information provided by a contact person at the facility shows that the heat pump system produced a total of 4 152 116 kWh of waste heat in 2018. The excess heat was released into the ambient air through dry coolers on the roof. This means that there is a local source of untapped heat nearby ready to be exploited. A possible way of covering Leangens future residential heating demand can therefore be to use the skating rinks as a heat source in combination with a low temperature thermal grid. The objective of this assignment is to explore this very option. Given that the construction plans are not yet definitive, it was decided to design a fictive building representing the average residential building at Leangen. The buildings demands are a combination of the hot water- and space heating demands from another passive house building in Trondheim. The cooling demands are a result of simulations in SIMIEN. To cover the demands by way of the Sports facility’s waste heat, an energy distribution system for the representative building was designed. The system focuses on applying hot water from the low temperature thermal grid as the source for both a waterborne floor heating system and as the heat source for hot water heating. The floor heating system is set to fully cover the space heating demands, while a CO2 heat pump covers the hot water demands. The representative building also has a considerable need for cooling. The distribution system covers the cooling demand by way of a waterborne ceiling system. This is connected to the heat pump as an extra heat source for hot water heating. The results showed that it is not possible to cover Leangens heating demands by using the waste heat from the skating rinks alone. It was therefore decided to adjust the energy distribution system, making it able to include heat recovery from greywater as well. Initially, greywater from each building was accumulated in greywater tanks connected to the hot water heat pump as an additional heat source. This reduced each buildings energy consumption from the low temperature thermal grid. Even so, this reduction was not enough for the sports facility’s waste heat to suffice. Subsequently, the accumulation of the entire residential area’s greywater production was explored. It was discovered that by accumulating this in a centralized pool and connecting it to the LTTG with a heat pump, the greywater potential increased tremendously. When the greywater energy was directly imported into the LTTG the total annual available waste heat was enough to cover the annual waste heat consumption. However, the waste heat consumption in January still exceeded the available waste heat. A proposed solution was to connect the LTTG to district heating. The district heating could thus be an emergency heat source for when the system is at a lack of waste heat. Even though the consumption in January exceeded the available waste heat, there was a considerable excess of waste heat the rest of the year. This includes December. If the excess energy in December can be stored for later use, this can cover the expected deficit in January.