Energy flow analysis of a smart thermal grid at Leangen

Abstract

På Leangen i Trondheim skal det bli bygget et nytt boligområde. Hensikten med denne masteroppgaven er å evaluere hvordan et lokalt lav-temperatur varmenett kan forsyne boligområdet med energi til romoppvarming, produksjon av tappevann og romkjøling. Spillvarme fra en skøytebane i nærheten, samt spillvarme fra gråvann er implementert som en energikilde til lav-temperatur varmenettet.

To modeller er utviklet for å undersøke hvilke arbeidsmedium som er best egnet til varmepumpen som skal produsere tappevann. Modell 1 er et system som tar i bruk ammoniakk eller propan som arbeidsmedium og forvarming av tappevann er introdusert. Modell 2 bruker CO2, og tappevannet blir ikke forvarmet. Trondheim Kommune har gitt data fra to energimålere på skøytebanen, og informasjonen er videre brukt til å evaluere hvor mye av energibehovet til boligblokkene spillvarmen kan dekke. Boligblokkene er laget og simulert i Simien som lavenergi-bygg. Spesifikt energibehov for romoppvarming, tappevann og romkjøling er 28,1kWh/m2, 29,8kWh/m2 og 10,6kWh/m2.

Resultatene viser at det årlige energibehovet for romoppvarming og tappevannsbehov til én boligblokk kan dekkes av spillvarme fra skøytebanen med 47,5%, mens gråvann kan dekke 33,0%. Det må tilføres energi til varmepumpene i form av elektrisitet, og denne mengden energi utgjør 12,9%. Da har vi resterende 6,6% av energibehovet som må dekkes på andre måter som for eksempel kan være tilførsel av energi fra høy-temperatur fjernvarmenettet. I fremtiden kan det muligens finnes andre spillvarmekilder som kan implementeres og derav dekke hele behovet. Modell 2 som bruker CO2 som arbeidsmedium i varmepumpen ble valgt for videre vurdering. CO2 er det mediumet som oppnår høyest COP ved tappevannsproduksjon hvor høyt temperaturløft er nødvendig. Det var ønskelig å lage et enkelt og funksjonelt system, og modell 2 innebærer færre koblinger da det ikke innebærer forvarming av tappevann. Varmepumpen ble undersøkt når den var forbundet til varmekretsen og kjølekretsen. Ved rundt 10K overopphetning med intern varmeveksler er det mulig å oppnå en COP på 4,5 for CO2-varmepumpen forbundet med varmekretsen og en COP på 4,3 forbundet med kjølekretsen med temperaturene gitt i vårt system. Det er blitt implementert vanntanker for lagring av varmt tappevann for å redusere effekttopper i fjernvarmenettet ved å ha en kontinuerlig vannproduksjon. Høye temperaturer i en lagringstank tilsier mindre volum noe som kan være en fordel i tette boligstrøk samtidig som legionella bakterien ikke klarer å leve i temperaturer over 65 grader celsius. Det er derfor blitt valgt å implementere en lagringstanks forbundet til en bygning som inneholder vann på 75 grader celsius som lagres i en tank på størrelse mellom 1460-2098L.

Systemløsningen er basert på en rekke antakelser, og det er derfor viktig å være kritisk til resultatene. Resultatene vil kunne gi et bilde på hvordan ekstern og intern spillvarme kan dekke energibehovet til et stort boligområde og hvordan et lav-temperatur energinett med smarte løsnigner kan senke energibruket i vårt samfunn.

At Leangen in Trondheim a new residential area will be built. The purpose with this master thesis is to evaluate how a local low-temperature thermal grid can supply the area considering space heating, domestic hot water production and space cooling. Waste heat from a nearby ice skating rink and waste heat from greywater will be implemented as an energy source for the low-temperature thermal grid.

Two models for the energy distribution system have been developed to investigate which working fluid is best suited to produce domestic hot water. Model 1 is a system which uses ammonia or propane as well as preheating of tap water. Model 2 uses CO2 and there is no preheating of water. The municipality of Trondheim have given data from two energy meters at the ice skating rink, and this information is being used further to evaluate the amount of energy demand for the area which can be covered by waste heat. The buildings is simulated in Simien as low-energy consumption buildings. The specific energy demand for space heating and cooling is 28,1kWh/m2 and 10,6kWh/m2, while the demand for hot tap water is 29,8kWh/m2.

The results show that the annual energy demand for space heating and production of domestic hot water for one building can be covered by waste heat from the skate rink by 47,5%, while greywater can cover 33,0%. Energy must be supplied to the heat pumps in the form of electricity, and this amount of energy constitutes 12,9%. It remains 6,6% of the energy demand which must be covered in other ways. Heat supply from the high-temperature district heating network could be one solution. In the future, there may exist other waste heat sources that can be implemented and hence cover the entire energy demand. Model 2 using CO2 heat pump was selected for further evaluation due to CO2 being the medium that achieves the highest COP when producing domestic hot water with a high temperature lift. It was desirable to create a simple and functional system, and model 2 involves fewer connections as it does not involve preheating of tap water. The heat pump including internal heat exchanger and system overheating of about 10K achieves a COP of 4,5 for the CO2 heat pump connected to the space heating circuit and a COP of 4,3 connected to the space cooling circuit with the temperatures given in our system. Water tanks have been implemented for thermal storage of hot tap water to reduce the power peaks of the district heating network by having a continuous water production. High temperatures in a storage tank indicate lower volumes which can be an advantage in dense residential areas. In addition, the legionella bacteria can not live in water temperatures over 65 degree celsius. Therefore it has been decided to make storage tanks connected to each building with a temperature level of 75 degree celsius stored in a size of between 1460-2098L.

The system solution is based on a number of assumptions, and it is important to be critical of the results. The results will however give a picture of how external and internal waste heat can cover the energy demand of a large residential area and how a low-temperature thermal grid with smart solutions can lower the energy consumption in our society.