Analysis of the Thermal Energy System at Nidarvoll Rehabilitation Centre and School: Results from the First Year of Operation and Commissioning

Abstract

Nidarvoll nullutslippsnabolag, som består av et rehabiliterings-senter og en skole med aktivitetshaller, er det nyeste tilskuddet til Trondheim kommunes klimanøytrale eiendomsportefølje. Rehabiliteringssenteret er 10 000 m^2 og har plass til 72 korttidspasienter, treningsfasiliteter og kontorlokaler. Skolen og hallene er rundt 16 000 m^2 og har plass til rundt 1 000 elever. Begge bygningene er konstruert som passivhus, med solcellepaneler installert på takene, og de deler en innovativ energisentral plassert i kjelleren på rehabiliteringssenteret. Rehabiliteringssenteret åpnet i august 2023, og skolen i februar 2024.

Denne masteroppgaven følger igangkjøringen av den delte energisentralen fra august 2023 til mai 2024. Analysen inkluderer vurdering av bygningenes energiforbruk, modellering av forbruk fra det termiske anlegget og analyse av driften av energisentralen og varmtvannsystemet. På grunn av systemproblemer gjennomgikk anlegget to ombygginger og skiftet til en ny driftsstrategi i løpet av denne perioden. Prøvedriftsperioden er også utvidet utover perioden for denne oppgaven.

Romvarmebehovet for rehabiliteringsbygget er 1544 - 139 ⋅ T_{ute} kWh/dag, hvorav det meste stammer fra ventilasjonsoppvarming. Etter ombyggingen og omprogrammeringen av energisentralen i begynnelsen av februar 2024, har behovet for romoppvarming minket fordi ventilasjons- og gulvvarmen ble mer forutsigbar og elektriske oppvarming gikk ned. Varmtvannsforbruket er 2000 kWh/dag. Skolen og aktivitetshallene mottar nærvarme fra energisentralen tilsvarende 1956 - 136 ⋅ T_{ute} kWh/dag.

Energisentralen består av en 260 kW luft-til-vann propan varmepumpe, et termisk batteri bestående av fjorten 5000 L tanker, og en tilkobling til 660 kW fjernvarme. Målet er at det termiske batteriet skal dekke enten topplast eller hele lasten til byggene. Åtte drift scenarioer ble designet for anlegget: lavtemperatur vinter, høytemperatur vinter, og sommerdrift med lading og utlading av det termiske batteriet, sammen med to feil scenarier. Under lavtemperaturdrift leverer varmepumpen varme til systemet og lader det termiske batteriet, som deretter alene gir forsyner byggene når varmepumpen er av. Under høytemperaturdrift dekker varmepumpen grunnlasten, mens fjernvarmen lader batteriet til bruk under topplaster. I sommerdrift kjøler batteriet ventilasjonssystemet og fungerer som varmekilde for varmtvannsvarmepumpen. Feil scenarioene baserer seg på fjernvarme og det termiske batteriet i tilfelle kort eller langvarig varmepumpefeil. Den energisentralens sesongbaserte ytelsesfaktor, SPF4, nådde 2,5 til 3 ved lavtemperaturdrift og rundt 1,5 ved høytemperaturdrift. Varmepumpeenhetens SPF1 og energidekningsfaktoen påvirker SPF4 betydelig. På grunn av problemer med varmepumpen har SPF4 vært 1 i halve driftsperioden.

Luft-til-vann propanvarmepumpen møtte mange problemer under igangkjøringen, som hyppig avriming, kompressorsvikt og utilstrekkelig regulering. Dette førte til at COP-en ligger 1 enhet under forventet COP, og oppnår kun 2,7 når utetemperaturen er +7 °C. Disse problemene spredte seg gjennom systemet og krevde en overgang til mer dynamiske driftsprinsipper. Reguleringsproblemene førte til for høy kondensatorutløpstemperatur som fortsatte inn i varmesystemet. Varmesystemets turtemperatur har vært ustabil, men har blitt mer stabil etter ombyggingene.

Det termiske batteriet opererer med daglige ladesykluser og utladningssykluser. Opprinnelig ble batteriet nattladet, men senere ble endret til en mer dynamisk drift med flere daglige sykluser. Når kun fjernvarme leverte varme, fungerte nattlading strategien effektivt, men det resulterte i høye effektuttak fra fjernvarmenettet under høytemperatur vinterdrift når det måtte levere både grunnlasten og lade batteriet. En alternativ strategi var å opprettholde et jevnt effektuttak av fjernvarme gjennom dagen, lade overskuddet under perioder med lavt forbruk og tømme det under perioder med høyt forbruk. Den kombinerte driften av varmepumpen og fjernvarme krever videre testing når neste varmesesong begynner, ettersom det var få perioder å analysere. Drift med kun varmepumpen fungerer bra, men den stopper bare i 2-4 timer om gangen, noe som ikke alltid samsvarer med toppforbrukstider. Derfor reduseres ikke nødvendigvis belastningen på nettet, selv om det reduserer elektrisitetsforbruket.

Varmtvannssystemet fungerer bra. Systemet krever 250-310 kWh/dag for å varme opp varmtvann, hvor mesteparten av dette dekkes av CO2-varmepumpen, og rundt 80 kWh/dag brukes til etteroppvarming med elektrisk kjel. CO2-varmepumpen er på i gjennomsnitt 9,2 timer på ukedager og 7,0 timer i helgene, og oppnår konsekvent en COP på rundt 3,6.

Energisentralen fungerer nå godt, men krever fortsatt mer testing i neste fyringssesong.

Nidarvoll zero-emission neighbourhood, featuring a rehabilitation centre and a school with activity halls, is the latest addition to the Trondheim municipality's climate-neutral property portfolio. The rehabilitation centre spans 10,000 m^2 and features accommodations for 72 short-term patients, training facilities, and office spaces. The school and halls span around 16,000 m^2 and accommodate around 1,000 students. Both buildings are constructed as passive houses, equipped with photovoltaic panels on the roofs, and share an innovative thermal plant placed in the basement of the rehabilitation centre. The rehabilitation centre opened in August 2023, and the school in February 2024.

This thesis follows the commissioning of the shared thermal plant from August 2023 to May 2024. The analysis includes looking at the building loads, making a model of consumption from the thermal plant, and analysing the operation of the thermal plant and domestic hot water system. Due to system issues, the plant had two rebuilds and switched to a new operation strategy during this period. The trial operation period has also been extended beyond the period of this thesis.

The space heating demand for the rehab building is 1544 - 139 ⋅ T_{outdoor} kWh/day, most of which stems from ventilation heating. After the rebuild and reprogramming of the thermal plant at the beginning of February 2024, the demand for space heating decreased as the ventilation and floor heating got more predictable, and the electric heating went down. The demand for domestic hot water is 2000 kWh/day. The school and activity halls receive local heating from the thermal plant equivalent to 1956 - 136 ⋅ T_{outdoor} kWh/day.

The thermal plant comprises a 260 kW air-source propane heat pump, a sensible thermal energy storage system of fourteen 5,000 L tanks, and a connection to 660 kW district heating. The goal is for the thermal battery to supply either the peak load or the entire building load, depending on the demands. Eight operational scenarios were designed for the plant: low-temperature winter, high-temperature winter, and summer operations with charging and discharging the thermal battery, along with two error scenarios. During low-temperature operation, the heat pump provides heat to the system and charges the thermal battery, which solely provides heat when the heat pump is off. In high-temperature operation, the heat pump covers the base load, while district heating charges the battery for peak loads. In summer operation, the battery is used for ventilation cooling and as a heat source for the domestic hot water heat pump. The error scenarios rely on district heating and the thermal battery in case of short or long-term heat pump failure. The thermal plant's seasonal performance factor, SPF4, reached 2.5 to 3 under low-temperature operation and around 1.5 under high-temperature operation. The heat pump unit's SPF1 and energy coverage factor significantly impact the SPF4. Due to heat pump issues, the SPF4 has been 1 for half of the operation period.

The air-source propane heat pump faced numerous issues during commissioning, such as frequent defrosting, compressor malfunctions, and inadequate regulation. These issues resulted in a consistently lower COP by 1 unit compared to the rated COP, reaching a COP of 2.7 at +7 °C. These issues propagated through the system, necessitating a shift to more dynamic operation principles. The regulation issues led to a too-high condenser outlet temperature that continued into the heating system. The heating system supply temperature has been unstable but has gotten more stable after the rebuilds.

The thermal battery operates with daily charging and discharging cycles. Initially, it followed a night charging schedule, which was later changed to a more dynamic operation with multiple daily cycles. When only district heating supplied heat, the night charging strategy worked effectively. Still, it resulted in high power demands from the district heating grid during high-temperature operation when it had to provide both the base load and charge the battery. An alternative strategy was maintaining a flat district heating power rate throughout the day, charging the excess during low consumption periods and discharging it during peak consumption hours. The combined operation of the heat pump and district heating requires further testing when the next heating season begins, as there were few periods to analyse. Operating solely with the heat pump works well; however, the heat pump only stops for 2-4 hours at a time, which does not always align with the peak consumption hours. Therefore, the load on the grid do not necessarily decrease, though it does reduce the overall electrical energy consumption.

The domestic hot water system operates as anticipated and functions well. The system demands 250-310 kWh/day to heat the domestic hot water; most of this is covered by the CO2 heat pump, and around 80 kWh/day is used for reheating with the electric boilers. The CO2 heat pump operates on average 9.2 hours on weekdays and 7.0 hours on weekends, consistently achieving a COP of around 3.6.

The thermal plant now operates well but still requires more testing in the next heating season.