Varmepumpe HiST Nytt bygg på Kalvskinnet

Transkript

1 Statsbygg Varmepumpe HiST Nytt bygg på Kalvskinnet Oppdragsnr.:

2 D Til høring VH TTH TB Rev. Dato: Beskrivelse Utarbeidet Fagkontroll Godkjent Dette dokumentet er utarbeidet av Norconsult AS som del av det oppdraget som dokumentet omhandler. Opphavsretten tilhører Norconsult. Dokumentet må bare benyttes til det formål som oppdragsavtalen beskriver, og må ikke kopieres eller gjøres tilgjengelig på annen måte eller i større utstrekning enn formålet tilsier. Norconsult AS Pb. 626, NO-1303 Sandvika Vestfjordgaten 4, NO-1338 Sandvika n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 2 av 14

3 Innhold 1 Forutsetninger 5 2 Systemløsning varme/kjøling 6 3 Energireservoar Generelt Grunnvann Lukkede energibrønner Elvevann Uteluft 10 4 Energiproduksjon varmepumpe 11 5 Beregninger av energileveranse og lønnsomhet Alternativ A - Fjernvarme Alternativ B Varmepumpe/frikjøling 14 n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 3 av 14

4 Varmepumpe HiST Nytt bygg på Kalvskinnet Sammendrag Det er utført beregninger med varmepumper med energibrønner og frikjøling på HIST og sammenlignet med en løsning med fjernvarme og mekanisk kjøling. Foreløpige beregninger viser at det er lønnsomt med varmepumper, og at årlige kostnader til energi/kapital er ca kr ekskl. mva. lavere enn med fjernvarme/mekanisk kjøling. Det forutsettes en løsning med ca. 30 energibrønner á 250 m. Det er regnet med ca. 45 m til fast fjell. Det anbefales boret en testbrønn for å kartlegge forholdene bedre for energibrønner. All kjøling forutsettes dekket opp med frikjøling eller ved drift av varmepumpen. Det skal ikke installeres tørrkjølere. En elektrokjel på inntil 200 kw anbefales installert sammen med 400 kw fjernvarme for oppdekking av backup/spisslast. n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 4 av 14

5 1 Forutsetninger Det er tatt utgangspunkt i et beregnet varmebehov som vist i tabell 1 Energi- og effektbudsjett (oppsett etter NS 3032 ) med fordeling på alternative energikilder: SUM HiST ,0 m2 Elektr. Olje/gass Fj.varme Maks. effekt Netto energibruk Levert energibruk Annet Fj.kjøl. kw W/m 2 % MWh kwh/m² % MWh kwh/m² % MWh MWh MWh 1.Oppvarming 315,3 20,8 283,9 18,7 9 % 132,5 8,7 4 % 75,7 0,0 56,8 2.Vent.batt. 267,5 17,7 183,6 12,1 6 % 85,7 5,7 3 % 49,0 0,0 36,7 3.Varmtvann 97,1 6,4 75,8 5,0 2 % 35,4 2,3 1 % 20,2 0,0 15,2 4a.Vifteeffekt 30,0 2,0 124,8 8,2 4 % 124,8 8,2 4 % 124,8 4b. Pumper 25,1 1,7 92,8 6,1 3 % 92,8 6,1 3 % 92,8 5.Belysning 98,5 6,5 308,1 20,3 10 % 308,1 20,3 10 % 308,1 6.Utstyr 166,7 11,0 521,4 34,4 16 % 521,4 34,4 16 % 521,4 7.Kjøling 681,6 45,0 261,3 17,2 8 % 130,6 8,6 4 % 130,6 0,0 8.Gatevarme 0,0 0,0 0 % 0,0 0,0 0 % 0,0 0,0 0,0 1-8 Sum % % Tabell 1 Effekt/energibehov med normerte inputdata (NS3031) og Osloklima Fordeling kjøpt energi Det er gjort overslagsberegninger for å dokumentere utbyggingen ift TEK10 og energimerke. Disse beregningene er gjort med normerte inputdata. For dimensjonering av energianlegg generelt og varmepumper spesielt er det viktig at det utføres mest mulig nøyaktige energiberegninger med reelle inputdata. Det er spesielt internlaster som utstyr, lys, personer og driftstider på disse som påvirker energibruken (for høye verdier gir økt kjølebehov og redusert oppvarmingsbehov). Når man skal dimensjonere for eksempel et termisk energilager i balanse, er det svært viktig å ha gode energiberegninger med mest mulig reelle og kvalifisert vurderte inputdata. Men i denne fasen er beregningene tilstrekkelige for å vurdere alternativer opp mot hverandre. n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 5 av 14

6 2 Systemløsning varme/kjøling Figur 1 Prinsippskisse varme/kjøleanlegg Det er lagt til grunn en prinsippløsning som vist i figur 1. Her det det vist ett stykk varmepumpe, men det kan være alternativt to stykker. Det er også forutsatt fjernvarme som backup/spisslast. Statkraft Varme (fjernvarmekonsesjonær i Trondheim sentrum) leverer spisslast/backup, men dette er relativt dyrt for bygg med varmepumpe for grunnlast. Statkraft varme kan kreve et anleggsbidrag i tillegg til fast abonnert effektpris på 500 kr/kw ekskl. mva. pr. år. I tillegg kommer energileddet, energiprisen på løpende energibruk vil være lik elektrisitetsprisen (måned spot NO3 + forbruksavgift (p.t. 11,61 øre/kwh) +grønne sertifikater (ca 1,1 øre/kwh) +energiledd nettleie (ca. 5,3 øre/kwh). Trondheim kommune krever tilknytning til fjernvarmenettet (med mindre man ikke kan dokumentere at installasjonen er mer miljøvennlig enn fjernvarme). n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 6 av 14

7 Det er usikkert om kommunen krever at hele varmebehovet skal kunne dekkes opp med fjernvarme. I henhold til energiloven/teknisk forskrifter kan det stilles krav til dette. Ved bruk av varmepumpe vil man måtte ha et strøminnlegg/trafo som dekker varmepumpens kraftbehov. I situasjoner hvor varmepumpen stopper opp, er dette tilgjengelig som effekt til en elkjel. I følge Statkraft varme bestemmer kunden selv hvor mye varme som skal bestilles. Det vil være nødvendig med ca. 200 kw strømforsyning til varmepumpen, derfor bør fjernvarmeinnlegget kunne reduseres med tilsvarende. Dette gir årlige besparelser på ca. kr ekskl. mva. Uavhengig om det installeres energibrønner eller ikke, må det installeres en kjølemaskin med ca 600 kw kuldeytelse, denne vil ha et behov for en kraftforsyning på 200 kw. Figur 2 Konsesjonskraft fjernvarme Trondheim sentrum /Statkraft Varme/. Det ligger fjernvarmeledninger i umiddelbar nærhet til skolen. n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 7 av 14

8 3 Energireservoar 3.1 GENERELT Varmepumpen er avhengig av et energireservoar til å utveksle overskuddsvarme om sommeren og hente varme om vinteren. For det aktuelle bygget er mulighetene begrenset til: Grunnvann Lukkede energibrønner Elvevann Uteluft De ulike alternativene er kort vurdert i dette kapittelet. Effektopptaket fra energireservoaret vil være ca kw avhengig av varmepumpens COP og størrelse. I sommerdrift vil kjølebehovet være opp til kw med et kondensatorvarmeoverskudd på inntil 1000 kw. Størrelsen på kjølemaskinen om sommeren vil være avhengig av frikjølingspotensialet. 3.2 GRUNNVANN HIST ligger i et løsmasseområde bestående av fyllmasser og elveavsetninger. Det finnes et tynt sand/gruslag med usikker vanngiverevne. Kvalitetsmessig vil grunnvannet sannsynligvis være mineralrikt og dominert av marine salter Cl og Na. Fe-nivået er også noe høyt. Hydrogeologene vurderer sannsynligheten for uttak av grunnvann i større mengder i god nok kvalitet som beskjeden, men det må bores en testbrønn for å fastslå dette nøyaktig. Det vil være en risiko med setningsfare hvis grunnvannsnivået endres gjennom uttak av vann til varmepumpen. Denne risikoen må vurderes nærmere. Det må også påregnes installasjon av flere infiltrasjonsbrønner da det er lite trolig at vannet som pumpes opp tillates ført direkte til elv eller avløp. Grunnvannsbehovet vil være inntil 20 l/s med en DT=5 K og 400 kw. Frikjølingspotensialet vurderes som godt. n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 8 av 14

9 Figur 3 Brønnkart Granada/NGU 3.3 LUKKEDE ENERGIBRØNNER Lukkede energibrønner er normalt et godt egnet energireservoar. I dette tilfellet er det sannsynligvis m til fjell (ref. Masteroppgave ved NTNU: Merethe Weiseth Mork: "Tilrettelegging av geologiske og geotekniske data for samfunnets behov", 2012). Dette er ikke uoverkommelig, og det bør prøvebores ned til fast fjell for å fastlegge denne dybden mer eksakt. Det er viktig å ikke fryse ned energibrønner i områder med leire, da dette kan medføre setninger. Med tilbakeførsel av varme om sommeren ansees dette som et lite problem, og det vil være mulig å designe brønnparken med tilnærmet balanse i energiuttaket/tilbakeførsel. Antallet brønner er avhengig av dybden og energi/effektbalansen. Som et budsjett i denne fasen vurderes dette til 36 brønner á 250 m. Løsmassemektighet på inntil 50 m gir økte kostnader i foringsrør (ca 800 kr/m), men dette vurderes som overkommelig. Ettersom brønnene vil fungere som et termisk sesonglager, kan de stå noe tettere, dvs. med ca. 10 m innbyrdes avstand. 30 brønner vil kreve et areal på 2500 m². Brønnene kan bores innenfor vegglivet og plasseres under ferdig støpt dekke. Rørene må samles i kummer slik at de enkelte brønnene kan luftes og innreguleres. Energibrønner gir god mulighet for frikjøling på forsommeren, men effekten avtar sannsynligvis utover sommeren etterhvert som grunntemperaturen stiger. n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 9 av 14

10 For komplett design av et energibrønnanlegg er det nødvendig med en prøveboring med en termisk responstest (kostnad ca. kr ,- ekskl. mva.). I tillegg må det termiske energilageret simuleres med egnet verktøy for å endelig fastslå størrelsen. 3.4 ELVEVANN HiST ligger ca. 200 m fra elva, men det ansees som relativt kostbart og problematisk å føre rør frem til elva gjennom bygater og privat eiendom. Sannsynligvis må det bygges et varmeveksler/pumpehus ved elva i tillegg. Det kan være en del brakkvann i elva, og det forventes at det vil være relativt store utfordringer knyttet til groing/gjentetting av vekslere etc., noe som vil gi høye driftskostnader og driftsmessige utfordringer. Elvevann vurderes ikke som et alternativ. Figur 4 Skråfoto område mot Nidelva. (/1881/) 3.5 UTELUFT Uteluft er generelt ingen god energikilde, og varmepumper basert på uteluft vil ha begrenset ytelse når det er kaldt. COP-en vil også være dårligere enn andre typer varmepumper. I tillegg kan det være en god del driftsmessige utfordringer med snødrev som tetter igjen fordamperen, avriming, m.m. De fleste uteluftvarmepumper er utendørsaggregater, og væskekretsen må frostsikres. Dette gir normalt behov for en ekstra varmeveksling med et økt temperaturtap. Allikevel er dette i mange tilfeller det eneste alternativet. Uteluftvarmepumper gir noe støy, og en plassering som er til minst mulig sjenanse for egne ansatte og naboer er nødvendig. n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 10 av 14

11 4 Energiproduksjon varmepumpe Basert på energibehovene i kapittel 1 er det lagt til grunn en varmepumpeløsning med varmepumper som kan levere opp til 55 C. Systemløsningen gir lav retur, og varmepumpen har ikke problemer med å levere under noen driftsforhold. Det er forutsatt at to varmepumper ligger i parallell, men det er mulig å oppnå enda noe bedre COP ved seriedrift. Det er forutsatt varmepumper med dimensjonerende varmeeffekt på 450 kw ved +45 C utgående varm side og +7 C utgående på kald side. Figur 5 Varighetskurve for varmepumpen Nøkkeltall energiproduksjon: kwh/år Produsert Varmepumpevarme % Spisslast % Total primærenergi Gratis energi Års-COP: 3,2 VP-COP: 3,8 n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 11 av 14

12 5 Beregninger av energileveranse og lønnsomhet Det er regnet på to alternativer: A: Fjernvarme og kjølemaskin med tørrkjøler. B: Varmepumpe, frikjøling, elkjel og fjernvarme som backup/spisslast. Investeringskostnader er regnet kun det som er spesifikt for hvert enkelt alternativ, dvs. kostnader til sirkulasjon varme/kjøling samt andre felles komponenter (som f.eks. tappevann) i energisentralen er ikke medregnet. Nettleiepriser Trønder Energinett 2014 er lagt til grunn. Følgende energipriser er lagt til grunn (ekskl. mva.): Nordpool spot månedsmiddel Trondheim: Forbruksavgift: Nettleie: Grønne sertifikater: Sum energiledd energipris: 35 øre/kwh 11,61 øre/kwh 5,3 øre/kwh 1,0 øre/kwh 53,01 øre/kwh For alternativ A med fjernvarme regnes en avregnet gjennomsnittseffekt på 85% av installert effekt. For alternativ B med varmepumpe skal det brukes et effektledd på 500 kr/kw/år abonnert effekt. Det er regnet 7 % rente p.a. og 15 år (annuitet på 0,1098) på teknisk utstyr for sammenlignende årskostnader. For energibrønner er det brukt 7 % rente p.a. og 30 år (annuitet på 0,0806) n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 12 av 14

13 5.1 ALTERNATIV A - FJERNVARME Fjernvarme 600 kw Kjølemaskin 600 kw med tørrkjøler For alternativ A er det regnet investeringer som følger (priser ekskl. mva., prosjektering, reserve, rigg/drift): Anleggsbidrag: kr 0,- (det er ikke krav til anleggsbidrag når fjernvarmeledningene ligger rett ute i gaten). Kjølemaskin 600 kw med tørrkjøler, rør, elektro, aut, glykol, pumper: ,- Sum: ,- Investering som årskostnad: x 0,1098 = Energikostnader: Fjernvarme energi: kwh/år x 0,53 kr/kwh = ,- Fjernvarme effekt: 600 kw x 0,85 x 500 kr/kw = ,- Kjøling energi: / COP=2 = kwh x 0,53 = ,- Kjøling effekt: 200 kw x 0,3 x 500 kr/kw = ,- Sum energikostnader: = ,- SUM energi/kapitalkostnader kr/år = ,- n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 13 av 14

14 5.2 ALTERNATIV B VARMEPUMPE/FRIKJØLING Varmepumpe 450 kw med 30 energibrønner á 250 m Frikjøling Elkjel 200 kw som backup/spisslast Fjernvarme 400 kw som backup/spisslast For alternativ B er det regnet investeringer som følger (priser ekskl. mva., prosjektering, reserve, rigg/drift): Anleggsbidrag: kr 0,- (det er ikke krav til anleggsbidrag når fjernvarmeledningene ligger rett ute i gaten). Varmepumpe 450 kw med rør, elektro, aut., pumper: ,- Energibrønner 30 stk á 250 m, 45 m foringsrør pr. brønn: ,- VVX frikjøling, m.m ,- Sum ,- Investering som årskostnad: Energibrønner: kr x 0,0806 = ,- Teknisk utstyr: kr x 0,1098 = ,- Sum: = ,- Energikostnader: Fjernvarme energi: kwh/år x 0,53 kr/kwh = 7.000,- Fjernvarme effekt: 400 kw x 500 kr/kw = ,- Kjøling energi: 0 = 0,- Kjøling effekt: 0 = 0,- Varmepumpe energi (COP=3,8): x 0,53 = ,- Varmepumpe effekt 150 kw x 500 kr/kw = ,- Elkjel effekt: 50 kw x 500 kr/kw = ,- Sum energikostnader: = ,- SUM energi/kapitalkostnader kr/år = ,- Det forutsettes at øvrige driftskostnader/service er relativt likt på de to alternativene da man må ha service på kompressorer m.m. i begge tilfeller. Dette er derfor ikke medtatt. n:\510\09\ \varmepumpe\rapport varmepumpe hist vh.docx Side 14 av 14