Utilising the Potential in Thermally Activated Building Systems (TABS) to Optimise the Positive Energy Block (PEB) at Sluppen

Abstract

Bygninger står for 40 % av verdens energibruk, hvorav mesteparten går til romoppvarming og drift av elektrisk utstyr. Å videre utvikle bygninger med mer effektive og miljøvennlige varmesystemer er derfor avgjørende for å redusere klimagassutslipp. +CityxChange-prosjektet, et European Commission Horizon 2020-prosjekt, har som mål å bygge bærekraftige nullutslipp- og urbane økosystemer med 100 % fornybar energi tilførsel. Fire bygg på Sluppen, Sluppenvegen (SLV) 11, 13, 17B og 19 i Trondheim er i startfasen av å bli en positiv energiblokk (PEB), som en del av +CityxChange. Bygningene består av kontorer, en mathall og et klatresenter.

Denne oppgaven analyserer ulike strategier for å kutte effekttopper og optimalisere energiforbruk. Dette gjøres ved å simulere de ulike egenskapene ved PEB-en; utnytte termoaktive dekker (TABS), varmepumper og sektor kobling for å flytte og endre varmebehov og effekttopper.

En litteraturstudie om TABS ble utført for å gi en oversikt over andre erfaringer og bedre forstå fordeler og ulemper med TABS. TABS er ikke en utbredt teknologi i Norge, og er per dags dato installert i tre bygninger, og er ytterligere planlagt i to bygg. Fleksibiliteten til TABS kan brukes til å kutte effekttopper, men det er komplisert å beregne eksakt. Imidlertid har mange enkle modeller høy nøyaktighet, spesielt for kjølesystemer.

Det ble gjennomført en casestudie av Sluppen, med fokus på systembeskrivelsene og relevante tekniske spesifikasjoner. Kartlegging av dagens situasjon på Sluppen (Base Case), ble gjort for å kunne gjennomføre simuleringer i MatLab. Enkle simuleringer karakteriserte potensialet for kutting av effekttopper ved flytting av varmelaster fra 07:00-16:00 til 20:00-05:00. En annen simuleringsanalyse undersøkte mulighetene for å bruke sektor kobling til å redusere elektrisitetsetterspørsel.

Base Case avdekket at systemet foreløpig ikke kan kvalifiseres som en PEB, men Kjelsberg har planlagt flere tiltak for å sikre at systemet oppnår dette i nær fremtid. Varmepumper er den primære oppvarmingskilden i SLV 17B og 19, og det er elektrisk utstyr som bruker mesteparten av elektrisiteten. Omkring 57 % av varmen som forbrukes i SLV 17B, leveres til TABS. Potensialet for å kutte effekttopper i næringsbyggene er mest fremtredende midt på dagen på hverdager, og i vintermånedene. I TABS- og varmepumpe simuleringene ble effekttoppene redusert med omtrentlig 11 % mens det totale energibehovet gikk opp. Potensialet var større på vinteren, enn på sommeren. I sektor kobling simuleringen gikk elektrisitetsforbruket ned med 5 %, og fjernvarmebehovet økte med 235 %. Prismodellen som brukes på fjernvarme gjør ofte bruk av varmepumper til den billigste løsningen.

Ytterligere installasjoner av solcellepaneler er planlagt, men dette er ikke nok for at systemet skal nå PEB-kravene. Det behøves mer fornybar energi for å jevne ut produksjonskurven og få den til å samsvare med forbrukskurven.

Denne oppgaven vil bidra til TrønderEnergi sitt arbeid i +CityxChange-prosjektet ved å gi en oversikt over tilgjengelige data og antyde hvilke tilleggsdata som må samles inn. I tillegg vil den bidra med et teoretisk grunnlag for å optimalisere systemet på Sluppen til å bli en PEB, og gi innsikt i TABS.

Buildings account for 40 % of the world's energy use, most of which is used for space heating and the operation of electrical equipment. Creating buildings with more efficient and environmentally friendly heating systems is therefore crucial to reducing greenhouse gas emissions. The +CityxChange project, a European Commission Horizon 2020 project, aims to build zero-emissions sustainable urban ecosystems with 100 % renewable energy sources. Four buildings at Sluppen, Sluppenvegen (SLV) 11, 13, 17B and 19 in Trondheim are in the process of becoming a Positive Energy Block (PEB), as a part of the +CityxChange project. The buildings hold offices, a food court and a climbing centre.

This thesis aims to analyse ways of shaving power peaks and optimising energy usage by simulating PEB properties and utilising Thermally Activated Building Systems (TABS), heat pumps, and sector coupling to move and change heating demands and power peaks.

A literature review on TABS was conducted to create an overview of other experiences and better understand the pros and cons of TABS. TABS is not a widespread technology in Norway, and presently, three buildings have them installed, and two more are under construction. The flexibility of TABS can be used to shave power peaks, but it is complex to calculate accurately. However, several simple models have relatively high accuracy, especially for cooling systems.

A case study of Sluppen with the relevant technical specifications and system descriptions was performed. The current status of the Sluppen-system was mapped to conduct simulations in MatLab. Simple simulations characterised the peak shaving potential and moved heating loads from 07:00-16:00 to 20:00-05:00. Another simulation explored the opportunities of using sector coupling to lower electricity demand.

The Base Case showed that the system currently does not qualify as a PEB. However, Kjeldsberg has planned multiple measures to make sure the system soon becomes one. The heat pumps are the primary heat source for SLV 17B and SLV 19, and electrical equipment consumes the most electricity. Approximately 57 % of the heat consumed at SLV 17B gets distributed through the TABS. The peak shaving potential is most prominent around noon on weekdays, especially during the winter months.

In the TABS and heat pump simulations, the power peak reduction is around 11 % but the total energy demand increases. The potential is highest in the winter and lowest in the summer. In the sector coupling simulation, the power demand was decreased by 5 %, while the district heating demand grew dramatically by 235 %. Due to the district heating pricing model, this scenario has a competitive disadvantage compared to heat pumps. Additional PV installation is planned; however, according to the calculations, this will not make the system reach the PEB requirements. More renewable energy is needed to even out the production curve and conform to the consumption curve.

This thesis will contribute to TrønderEnergi's work in the +CityxChange project by providing an overview of the available data and implying what additional data needs to be collected. In addition, it will contribute with a theoretical base for optimising the system to become a PEB and give insight into TABS.