Analyse av CO2-basert kuldeanlegg for utendørs isflate og oppvarming av skole og svømmehall

Abstract

Selbu ungdomsskole skal stå ferdig høsten 2022, og skal brukes primært av ungdomsskoleelever fra 8. trinn til 10. trinn. Skolen skal bygges med plass til 300 personer, og inkluderer en aktivitetssal, 25-meters basseng og en kunstisbane. For at oppvarmingen skal være bærekraftig og effektiv, har Selbu kommune valgt en CO2-varmepumpe. CO2 er ubrennbart, ugiftig og bidrar ikke til nedbrytning av stratosfærisk ozon eller til global oppvarming. Den skiller seg fra andre anlegg på mange måter, blant annet med hensyn på varmeavgivelsesprosessen og hvilke faktorer som påvirker anleggets energieffektivitet. I CO2-anlegg er det returtemperaturen som bestemmer effektfaktoren. Jo lavere returtemperatur, jo høyre effektfaktor. I samarbeid med SIAT, Selbu kommune og Norges Teknisk-naturvitenskapelig Universitet (NTNU), er det lagd en modell for et varmepumpesystem til Selbu ungdomsskole. Modellen er utviklet ved å analysere og dimensjonere de forskjellige prosessene i et slikt kjøleanlegg. Gjennom kartlegging av skolebygget og svømmehallen til Selbu ungdomsskole ble varmebehovet beregnet. Ved bruk av flere metoder og vurderinger er det kommer frem til et totalt oppvarmingsbehov på 174,58 kW, og at varmepumpen skal levere omtrent 150 kW varme. Ved å dimensjonere varmepumpen etter kuldebehovet får vi et system som harmonerer godt ved ulike driftsforhold, samtidig som at varmebehovet vil være tilfredsstilt. Eventuell overskuddsvarme vil kunne lagres i energibrønner, slik at all energi blir utnyttet. Ved analyse av systemet så man fordelene ved å benytte kun én fordamper for isbane/solfanger og energibrønn, ettersom man oppnår en jevnere drift. En annen positiv bi-effekt ved bruk av kun én fordamper er at man får opprettholdt sirkulasjon i lakerørene ved at isbanen kan driftes samtidig som det lagres overskuddsvarme i energibrønnene. Ved at begge systemene kan kjøres kontinuerlig, unngår man unødvendig start/stopp og giring av varmepumpen. Én fordamper kombinert med tre gasskjølere, gjør at all varme blir utnyttet. Denne kombinasjonen vil også føre til lavest mulig temperatur på arbeidsmediet før det skal inn i fordamperen. Ved å sammenligne flere ulike medier for isbanen, endte vi til slutt opp med at saltlake var det mediet som egnet seg best i kjølerørene. Den er ikke giftig og fungerer i energibrønnen. Når det skal legges is er det fornuftig å kjøle 1/3 av banen av gangen.

Selbu ungdomsskole will be completed in the autumn of 2022 and will be used primarily by ungdomsskole students from 8th grade to 10th grade. The school will be built with room for 300 people, and includes an activity hall, 25-meter pool and an ice surface. In order for the heating to be sustainable and efficient, Selbu municipality has chosen a CO2 heat pump. CO2 is non-combustible, non-toxic and does not contribute to stratospheric ozone depletion or global warming. It differs from other plants in many ways, including the heat dissipation process and the factors that affect the plant's energy efficiency. In CO2 systems, it is the return temperature that determines the power factor. The lower the return temperature, the higher the power factor. In collaboration with SIAT, Selbu Municipality and the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), a model has been created for a heat pump system for Selbu ungdomsskole. The model has been developed by analysing and dimensioning the various processes in such a refrigeration system. Through mapping of the school building and the swimming pool at Selbu ungdomsskole, the heat demand was calculated. Using several methods and assessments, a total heating demand of 174.58 kW has been reached, and the heat pump will supply approximately 150 kW of heat. By dimensioning the heat pump according to the cooling demand, we get a system that harmonizes well with different operating conditions, at the same time as the heat demand will be satisfied. Any excess heat can be stored in energy wells, so that all energy is utilized. Analysis of the system showed the advantages of using only one evaporator for ice surface / solar collector and energy well, as a more even operation is achieved. Another positive side effect of using only one evaporator is that circulation in the paint pipes is maintained by the fact that the ice surface can be operated at the same time as excess heat is stored in the energy wells. Because both systems can be run continuously, unnecessary start / stop and gearing of the heat pump is avoided. One evaporator combined with three gas coolers, means that all heat is utilized. This combination will also lead to the lowest possible temperature of the working medium before it enters the evaporator. By comparing several different media for the ice surface, we finally ended up with brine being the medium that was most suitable in the cooling pipes. It is non-toxic and works in the energy well. When making ice, it makes sense to cool 1/3 of the course at a time.