Energisystem for Fillan skole

Abstract

Hitra kommune har som mål å bli mer energieffektive og har på dagsorden å se på energifremmende tiltak. Hovedhensikten med denne masteroppgaven er derfor å kartlegge energibruken til Fillan skole, gi en grunnleggende beskrivelse av hvilke tiltak skolen kan gjennomføre for å bli mer energieffektive og hvordan dette vil påvirke energibruken framover i tid. Masteroppgaven tar derfor for seg energibruk i skolebygg hvor det beskrives hvorfor det er så viktig med energieffektivisering, og hvilke tiltak som kan gjøres når det kommer til å redusere energibruken. Oppgaven beskriver varmepumper som energiforsyningssystem, med spesielt vekt på CO2-varmepumper.

Kartleggingen av energisituasjonen til Fillan skole ble gjort ved å gjennomføre befaringer på anlegget, og innhenting av energidata fra TrønderEnergi. Energidataene ble deretter analysert, og Fillan skole har i løpet av 2017 og 2018 et gjennomsnittlig energiforbruk på 837 053 kWh. Dette tilsvarer en spesifikk energibruk på 200,8 kWh/m2. Simuleringer i Simien ble gjennomført for å få en detaljert analyse av energibruken til bygget. Disse simuleringene viser at levert energi til bygget er 837 861 kWh, som gir en spesifikk levert energi på 201,0 kWh/m2. Dette samsvarer godt med det faktiske energibruket til skolen. Resultatene fra simuleringen viser blant annet det årlige energibudsjettet for de ulike energipostene og varmetapsbudsjettet for bygningen. Den største eneriposten er romoppvarming og ventilasjonsvarme. Deretter er det teknisk utstyr, belysning, tappevann og til slutt vifter. Det største varmetapet er gjennom taket og så følger ventilasjon, yttervegger, gulv, vinduer/dører, infiltrasjon og kuldebroer. Basert på disse resultatene ble aktuelle tiltak vurdert. Dette var å forbedre energiforsyningen til bygget med en varmepumpe, oppgradere vinduer slik at de får en U-verdi på 1,2 eller 0,65 W/m2K, forbedre taket, forbedre yttervegger og skifte ut et ventilasjonsaggregat. For Fillan skole vil et forbedret varmeanlegg med en varmepumpe redusere energibruken i størst grad, og det ble vurdert at en CO2-varmepumpe vil være et godt valg. Grunnen til dette er at CO2-varmepumper kan tilby høye temperaturer, og deler av skolen er et vannbårent system som opererer på høye temperaturer. Varmepumpen vil seriekoble lastene, som har ulike temperaturkrav, slik at man får utnyttet varmeavgivelsen ved glidende temperaturer som skjer hos CO2. Varmepumpen vil da gi en energibesparelse på 411 027 kWh i året. En slik varmepumpe kan dermed i teorien gi en besparelse på 328 822 kr/år, og ha en inntjeningstid på 2,2 år. Andre tiltak vil også være økonomisk lønnsomme, og disse tiltakene er å forbedre tak, skifte vinduer slik at de har en U-verdi på 0,65 W/m2K og skifte et ventilasjonsaggregat. Gjennomfører man alle disse tiltakene vil man ha en årlig energibesparelse 527 362 kWh. Den spesifikke energibruken til skolebygget blir da på 74,5 kWh/m2. Den årlig besparelse blir på 421 889 kr, og den samlede inntjeningstiden vil være 8,6 år. En model av en CO2-varmepumpe ble laget i Dymola. Den har luft som varmekilde da luft er en lett tilgjengelig og det kreves ikke store investeringer. Modellen ble undersøkt med tanke på hvordan COP varierer med ulik utgående temperatur fra gasskjøleren. Det ble også sett på hvordan temperaturen til fordamperen endres med ulike utetemperaturer. Her ble konklusjonen at med redusert utgående temperatur får man en økende COP, og tilsvarende får man det samme med økende temperatur i fordamperen. Andre varmekilder som kan være aktuelle er sjøvann gjennom et fjernvarme distribusjonsnett som vil kunne gi både oppvarming og kjøling. Det ble laget en forstudierapport i 2003 som undersøkte denne muligheten, men ingen tiltak ble iverksatt etter denne rapporten.

Den endelige konklusjonen er at Hitra kommune i teorien vil redusere både energibruken og kostnadene knyttet til energi med 63 % for Fillan skole ved å gjennomføre tiltakene som anses som lønnsomme. En CO2-varmepumpe vil også være en utmerket varmepumpe for Fillan skole da skolen består av forskjellige temperaturnivåer. Det vil også være hensiktsmessig å undersøke mulighetene for et fjernvarme distribusjonsnett med sjøvannsvarmepumpe som energiforsyningskilde. Muligheten for et oppvarmingssystem for framtidens Hitra vil da være at man kan koble på ulike bygninger, og dette kan utnyttes for både oppvarming og kjøling av bygninger.

Hitra municipality's goal is to become more energy efficient and have on the agenda to look at energy-promoting measures. The main purpose of this thesis is therefore to map the energy use of Fillan School, to give a basic description of what measures the school can implement to become more energy efficient. The master thesis therefore considers energy use in school buildings where it is described why energy efficiency is so important and what measures can be taken when it comes to reducing energy consumption. The task describes heat pumps as an energy supply system, with particular emphasis on CO2 heat pumps.

The survey of the energy situation of Fillan School was done by conducting inspections at the facility, and obtaining energy data from TrønderEnergi. The energy data was then analyzed, and during 2017 and 2018, Fillan School had an average energy consumption of 837 053 kWh. This corresponds to a specific energy consumption of 200.8 kWh/m2. Simien simulations were conducted to get a detailed analysis of the energy use of the building. These simulations show that the energy delivered to the building is 837 861 kWh, which gives a specific energy of 201.0 kWh/m2. This fits well with the actual energy consumption of the school. The results from the simulation show the annual energy budget for the various energy items, and also the heat loss budget for the building. The largest energy item is space heating and ventilation heating. Then there are technical equipment, lighting, tap water and finally fans. The largest heat loss is out the ceiling and then it is ventilation, exterior walls, floors, windows/doors, infiltration and cold bridges. Based on these results, relevant measures were considered. This was to improve the energy supply to the building with a heat pump, change windows with a U value of 1.2 and 0.65 W/m2K, improve the ceiling, improve exterior walls and replace a ventilation unit. For Fillan School, an improved heating system with a heat pump will greatly reduce energy consumption, and it was considered that a CO2 heat pump would be a good choice. The reason for this is that CO2 heat pumps can provide high temperatures and parts of the school are a waterborne system operating at high temperatures. The heat pump will serially connect the loads, which have different temperature requirements, so that heat dissipation is utilized at sliding temperatures that occur with the use of CO2. Such a heat pump can in theory yield a saving of NOK 328,822 per year, and have a earnings period of 2.2 years. Other measures will also be economically profitable, and these measures are improving roofs, changing windows so that they have a U-value of 0.65 W/m2K and changing a ventilation unit. If all these measures are implemented, energy of 527 362 kWh will be supplied, which corresponds to a specific energy consumption of 74.5 kWh/m2. The annual savings will then be NOK 421,889, and the total earnings period will be 8.6 years. A model of a CO2 heat pump was made in Dymola and this was investigated considering how the COP varies with different outgoing temperatures from the gas cooler. It was also seen how the temperature of the evaporator changes with different outdoor temperatures. Here, the conclusion was that with reduced outgoing temperature one gets an increasing COP, and correspondingly one gets the same with increasing temperature in the evaporator.

The final conclusion is that Hitra municipality will theoretically reduce both energy consumption and energy costs by 63 % by implementing these measures. A CO2 heat pump will also be an excellent heat pump for the Fillan school as the school consists of different temperature levels. It will also be expedient to further investigate the possibilities of a district heating distribution network with seawater heat pump as an energy supply source. Then there is the possibility of a heating system for Hitra that one can connect to different buildings and this can be utilized for both heating and cooling of buildings.