Søker: Halden kommune, Storgt. 8, Halden Smart energioptimalisering i kommunale yrkesbygg Kartlegging av suksessfaktorer for å oppnå betydelige innsparinger av energikostnadene i grupper av yrkesbygg 1 med ulike typer av SD-anlegg 2, med spesiell fokus på kommunale yrkesbygg. 1. Innledning Energikostnadene i yrkesbygg representerer en betydelig andel av byggenes driftskostnader. I følge SINTEF Byggforsk utgjorde energiforbruket i yrkesbygg i Norge i 2007 ca. 36 TWh, eller omlag 45 % av energiforbruk i bygninger totalt sett (SINTEF-B 02-2011). Med en pris på NOK 0,70 pr kwh tilsvarer dette en samlet energikostnad for yrkesbygg utenom industrielle bygg på ca. NOK 25 Mrd. pr år. SINTEF Byggforsk anslår at potensialet for energieffektivisering av denne delen av bygningsmassen ved bruk av eksisterende teknologi vil være omlag 6,5 TWh eller ca 18% innen 2020. Disse tallene illustrerer at energieffektivisering i yrkesbygg er av stor betydning både bedriftsøkonomisk, samfunnsøkonomisk og klimamessig. Omtrent 50% av energibruken i yrkesbygg knytter seg til romoppvarming 3. I 2009 var den totale energibruken i yrkesbygg i følge NVE på 33TWh hvorav 80% ble dekket av elektrisitet og 7% av fjernvarme (NVE 09-2011). Romoppvarming i yrkesbygg består som regel av tre delsystemer: (1) en varmekilde (el-kjele, pellets eller oljefyrt kjele, bergvarmepumpe, fjernvarme, m.m.) for oppvarming av en varmebærer (som regel vann), (2) et rørsystem for distribusjon av varmebærer til de enkelte rommene og (3) varmegivere i rommene (radiatorer, vannbåren gulvvarme, m.m.). For å styre energiproduksjon og -distribusjon til de enkelte fløyene og etasjene i et yrkesbygg finnes det som regel et sentralt driftsanlegg for styring av varmeproduksjon og distribusjon, et såkalt SD-anlegg. Gjennom SD-anlegget kan ventiler i distribusjonssystemet åpnes og lukkes, og varmeproduksjonen kan justeres opp og ned. Dermed kan varmedistribusjonen styres til bygningsfløyer og etasjer, men som regel ikke til de enkelte rommene. Styring av varme i de enkelte rommene gjøres som regel manuelt ved justering av varmegiverne i de enkelte rommene. Det samme gjelder i yrkesbygg som bruker elektriske varmegivere (panelovner, elektrisk gulvvarme, e.l.). Optimal styring av SD-anleggene i forhold til bruksmønstre i de enkelte fløyer og etasjer og ut fra det enkelte yrkesbyggets særpreg krever spesialisert kompetanse og erfaring hos driftspersonalet (vaktmestere) og dette finnes i liten grad. I kommunale bygg finnes det ikke lenger øremerket driftspersonale for hvert bygg, men en gruppe ambulerende vaktmestere som har ansvaret for driften av en rekke bygg, ofte med ulike SD-anlegg og noen uten SD-anlegg. Justering av varme i de enkelte rommene foretas ofte av brukerne i de enkelte rommene etter brukernes aktuelle varmebehov og varmegiveren i rommet justeres ofte først igjen når brukeren kommer tilbake til rommet neste arbeidsdag, evt. første arbeidsdag etter helgen eller første dag etter ferien. Dermed brukes det mye energi til oppvarming av rom som ikke er i bruk. SD-anlegg som kan styre varmedistribusjon og varmegiver i hvert enkelt rom er ikke vanlige i annet enn nye bygg. Innjustering av slike SD-anlegg ut fra de enkelte rommenes bruksmønstre kan gi store besparelser, men er også enda mere kompetansekrevende enn justering av SD-anlegg på fløy- og etasjenivå. Når driftspersonale i kommunale bygg har i oppgave å drifte og vedlikeholde varmeanlegg i en rekke bygg, og optimalisering av varmeanlegg i tillegg krever manuelle rutiner for oppfølging av bruksmønstre og varmebehov på etasje-, fløy- og romnivå, så har driftspersonale ofte nok med å holde varmesystemet i drift og utføre nødvendig ettersyn og vedlikehold. Resultatene fra prosjektet vil bety mye for prosjekteier, Halden kommune. Med et årlig energibruk på ca. 30.000.000 kwh og en pris på NOK 0,70 pr kwh vil en energioptimalisering i kommunens bygg på 20-40% bety en innsparing på MNOK 4,2 til 8,4 pr år, noe som vil være et betydelig beløp for en kommune med 30.000 innbyggere. 1 Med yrkesbygg menes her forretningsbygg og offentlige bygg med unntak av industrielle bygg. US National Institute of Standards and Technology (NIST) definerer tre kategorier bygninger: The Customer domain is usually segmented into sub-domains for home, commercial/building, and industrial. The energy needs of these sub-domains are typically set at less than 20kW of demand for Home, 20-200 kw for Commercial/Building, and over 200kW for Industrial. (NIST 2012, s. 211). Yrkesbygg vil tilsvarer således NIST kategorien Commercial/Building». 2 SD-anlegg er betegnelsen for sentrale driftsanlegg for styring av alle tekniske anlegg i større bygg, bl.a. varmeproduksjon og distribusjon, ventilasjon, kjøling, brann og adgangskontroll. 3 Ifølge anslag i Bygningsnettverkets årsstatistikk 2004, http://www.enova.no/dialog.aspx?action=file&fileid=654, s. 5, brukes 18 av 35 TWh i yrkesbygg til romoppvarming. Her kan det hevdes at i prinsippet nesten 100 % av den energien som tilføres et bygg går over til varme. Det er kun prosesser hvor det skjer endring i enthalpien på det som går inn og ut hvor noe av energien som tilføres følger produktet ut. Dette tas som regel ikke hensyn til dette under prosjektering og utførelse av bygg.
Det søkes i første omgang om støtte til et kvalifiseringsprosjekt for (a) å få et bedre bilde over nåsituasjon og forskningsutfordringer nasjonalt og internasjonalt og (b) for å undersøke om flere offentlige aktører, leverandører og forskningsaktøer bør inviteres med i et hovedprosjekt, og i tilfellet hvilke og hvor mange. 2. Prosjektmål Identifisere de viktigste faktorene som kan bidra til å oppnå 20 40% innsparinger på energikostnadene i grupper av yrkesbygg med ulike typer av SD anlegg. Delmål Komme frem til: M1. en oversikt over varmestyringssystemene i de 10 mest energiintensive bygg hos hhv. Halden kommune og Fredrikstad kommune og identifisere de viktigste faktorene som driver energiforbruket i disse byggene. M2. en oversikt over de 5-10 mest brukte SD-anleggene i kommunale bygg i Norge. M3. et detaljert forslag til funksjons- og komponentarkitektur for måling, styring og overvåking av energiproduksjon og - forbruk i kommunale yrkesbygg ned til romnivå. M4. en detaljert funksjonsbeskrivelse for overgripende styringssystem for grupper av heterogene SD-anlegg i kommunale bygg. M5. en simuleringsmodell for optimalisering av energibruken i energiintensive kommunale bygg basert på resultatene fra M1-M4. M6. en søknad om støtte til et hovedprosjekt (Oslofjordfondet, RENERGI eller annet relevant program). 3. Forskningsinnhold Følgende problemstillinger skal søkes besvart i prosjektet, gruppert etter delmål: P 1 Problemstillinger knyttet til delmål M1 a) Hvilke er de 10 mest energiintensive bygg hos hhv. Halden kommune og Fredrikstad kommune? b) Hvilke typer bygg er mest energiintensive målt i kwh pr år pr m 2 (olje, gass, pellet, flis og fjernvarme omregnet til kwh)? c) Hvilke typer SD-anlegg finnes i de enkelte byggene og hvor gamle er de? d) Finnes det noen systemovergripende styringssystemer i Halden kommune og Fredrikstad kommune som gjør det mulig å styre flere SD-anlegg av samme type fra samme sted? e) Finnes det noen systemovergripende styringssystemer i Halden kommune og Fredrikstad kommune som gjør det mulig å styre flere SD-anlegg av ulik type fra samme sted? f) Hvilke er de viktigste faktorene som driver energiforbruket i disse byggene? g) Hvordan samsvarer levert ytelse i forhold til spesifisert ytelse for SD-anlegg, og hvilke er de viktigste KPI 4 ene for å kunne vurdere denne ytelsen 5? P 2 Problemstillinger knyttet til delmål M2 a) Hvilke rapporter finnes det om erfaringer med SD-anlegg i hhv. yrkesbygg generelt og kommunale yrkesbygg i særdeleshet? b) Hvilke SD-anlegg finnes det på markedet og hvilke funksjoner dekker de? c) Hvilke er de mest brukte SD-anlegg i Norge hhv. yrkesbygg generelt og kommunale yrkesbygg i særdeleshet? d) Hvis de mest brukte SD-anlegg er ulik for yrkesbygg generelt og for kommunale yrkesbygg i særdeleshet, hva kan være grunnen for det? e) Finnes det noen systemovergripende styringssystemer som gjør det mulig å styre flere SD-anlegg (a) av samme type og (b) av ulik type fra samme sted? f) Hvis det finnes slike systemovergripende styringssystemer, hva er erfaringene med disse blant driftspersonalet i et utvalg av 5-10 kommuner og fylkeskommuner? 4 KPI: Key Performance Indicator 5 Det er mye som tyder på at mange av de som prosjekterer og leverer SD-anlegg har begrenset kunnskap om energi og effektomsetning i bygg. Resultat er at SD-anlegg stort sett fungerer som et fjernstyringsanlegg med tidsur. Årsaken til dette starter allerede i prosjekteringsfasen hos rådgivende ingeniør. Oftest er kravet i spesifikasjon at et yrkesbygg skal ha et SDanlegg som dekker ventilasjon, brann og adgangskontroll. Det stilles derimot liten krav til avansert sammenstillinger som kan ende ut i KPIer for bygget, f.eks. kwh/m 2 pr tidsenhet sett i forhold til utetemperatur.
g) Hvilke er de viktigste faktorene som driver energiforbruket i yrkesbygg generelt? h) Hvilke KPIer fokuserer store eiendomsforvaltere på når de spesifiserer krav til SD anlegg? P 3 Problemstillinger knyttet til delmål M3 a) Uavhengig av eksisterende løsninger på markedet for energistyring i enkeltstående yrkesbygg, hvilke funksjoner bør dekkes når det gjelder måling, styring og overvåking av energiforbruk og -produksjon i kommunale yrkesbygg? b) Hva er de viktigste styringsparameterne for optimalisering av energibruken i yrkesbygg generelt og kommunale yrkesbygg i særdeleshet? c) Hvilke komponenter trengs for å oppnå de ønskede funksjonene, og hvordan bør komponentene samspille? d) Hvordan bør funksjons- og komponentarkitekturen se ut for å oppnå de enkelte funksjonene? e) Hvilke funksjoner kan automatiseres og hvilke krever manuelle prosedyrer? f) Hvilke funksjoner dekkes av de mest brukte systemer på markedet for varmestyring i enkeltstående yrkesbygg, og hvilke finnes ikke? g) Hva betyr dette når det gjelder de viktigste styringsparameterne for optimalisering av energibruken i yrkesbygg generelt og kommunale bygg i særdeleshet? P 4 Problemstillinger knyttet til delmål M4 a) Uavhengig av eksisterende løsninger på markedet for sentralisert måling, styring og overvåking av flere ulike (heterogene) SD-anlegg i grupper av yrkesbygg, hvilke funksjoner bør dekkes av et slikt system for sentralisert styring? b) Hvilke komponenter trengs i et system for sentralisert styring og overvåking av heterogene SD-anlegg i grupper av yrkesbygg for å oppnå de ønskede funksjonene, og hvordan bør komponentene samspille? c) Hvordan bør funksjons- og komponentarkitekturen se ut for å oppnå de enkelte funksjonene? d) Hvilke funksjoner kan ivaretas sentralt og hvilke må håndteres lokalt i det enkelte bygget? e) Hvilke funksjoner dekkes av de mest brukte systemer på markedet for sentralisert varmestyring i yrkesbygg, og hvilke finnes ikke? f) Hva betyr dette når det gjelder de viktigste styringsparameterne for optimalisering av energibruken i yrkesbygg generelt og kommunale bygg i særdeleshet? P 5 Problemstillinger knyttet til delmål M5 a) Basert på funksjons- og komponentarkitekturen i P 3 og P 4, hvordan bør en simuleringsmodell for optimalisering av energibruken i yrkesbygg se ut når det gjelder de viktigste styringsparameterne i P 3 b)? b) Hvilke inputparameterne bør kunne justeres i en slik simuleringsmodell? c) Er det andre inputparametere i eldre energiintensive kommunale bygg enn i nye yrkesbygg? d) Hvordan bør ulike inputparametere vektes for å få til optimale resultater for eldre energiintensive kommunale bygg og for nye kommunale bygg? e) Er det mulig å bygge en slik simuleringsmodell? Hvis ja, hvilke resultater i form av energieffektivisering gir simuleringene sammenlignet med energibruken i bygg før optimalisering? f) Hva skal til for å kunne oppnå samme energieffektiviseringsresultater i et utvalg av bygg som i simuleringene? P 6 Problemstillinger knyttet til delmål M6 a) Basert på resultatene fra P 1 til P 5, hvilke er de viktigste forskningsutfordringene når det gjelder bruk av styringssystemer for optimalisering av energibruken i yrkesbygg generelt og kommunale bygg i særdeleshet? b) Hvilke kompetansemessige og ressursmessige utfordringer finnes det i kommuner når det gjelder optimalisering av energibruken i kommunale yrkesbygg? Hva er rett kompetanse, og hvordan kan vår region bidra til å bygge denne kompetansen? c) Kommer kompetansen man har ut til de prosjekterende enheter? Er samarbeidet mellom forskjellige disipliner godt, eller er det vanntette skott mellom disiplinene? Og tar organiseringen av byggprosjektene i tilstrekkelig grad hensyn til interdisiplinært samarbeid? d) Hvordan løser man dette i andre land hvor energiprisene er vesentlig høyere enn i Norge? e) Hvilke partnere bør være med i et hovedprosjekt?
4. Prosjektgjennomføring a. Informasjonsinnhenting/datainnsamling Informasjonen og data som trengs for å belyse problemstillingene P 1 til P 5 skal innhentes fra følgende kilder: Tall og informasjon fra Halden kommune og Fredrikstad kommune over energibruk og varmestyringssystemer i kommunale bygg. Dybdeintervjuer med energiansvarlige og driftspersonell med fokus på å identifisere de viktigste faktorene som driver energiforbruket. Rapporter fra SINTEF Byggforsk, Kommunesektorens organisasjon, NVE, Byggenæringens Landsforening, m.fl. Informasjon på internett om funksjon og utbredelse av ulike SD-anlegg i Norge og internasjonalt. Erfaringsdata fra prosjektdeltakerne (byggeiere, eiendoms- og energiansvarlige, brukere av SD-anlegg, driftspersonale, energianalytikere, akademisk personale og studenter innen energiteknologi, informasjonsteknologi og energiøkonomisering) Informasjonssøk på internett om studietilbud nasjonalt og internasjonalt innen energiledelse og energieffektivisering. Innsamling av relevante inputdata fra prosjektdeltakernes SD-anlegg for simulering av energioptimaliseringen og av sammenligningsdata før og etter simulert optimalisering. b. Analyse av data Innhentede data og informasjon skal analyseres i samarbeid mellom byggeiere/energibrukere, eksperter på energiledelse og energieffektivisering og det akademiske personalet. Simuleringene skal gjennomføres av studentgrupper under veiledning av akademisk fagansvarlig og øremerkede eksperter på energiledelse og energieffektivisering. I simuleringene skal ulike sett av de antatt viktigste faktorene for energiforbruket brukes som inputparameter. Resultatene fra simuleringene skal måles etter antall kwh pr m 2 pr år med målsetning om minimum 20% mindre energibruk, med en rangering av de viktigste parameterne/faktorene. c. Prosjektgruppe Prosjektgruppen er sammensatt med personell fra følgende bedrifter og institusjoner (kontaktperson for prosjektet i parentes): Halden kommune (Ann-Charlott Kristiansen, Prosjektleder VVA), søker/prosjektansvarlig Fredrikstad kommune (Maria Mikhina, Siv.ing. Bygg og eiendom) Østfold fylkeskommune (Hilde Brandsrud, Seksjonsjef klima, vann og landbruk / Joakim Sveli, Næringsrådgiver klima og energi) Rejlers AS (Henrik Eriksen, adm.dir, Knut Landvik, Siv.ing. Energy Services) Correlate AS (Halvor Kalve, adm.dir) Commun icate Norge AS (Jørn Pettersen, Contract Operation Manager) Inkubator Halden/NCE Smart Energy Markets (Dieter Hirdes, spesialrådgiver) prosjektleder Universitetet for miljø- og biovitenskap, Institutt for matematiske realfag og teknologi, UMB-IMT (Prof. Tormod Aurlien) Høgskolen i Østfold, avdeling for ingeniørfag HiØ-IR (Helge Mordt, Førsteamanuensis) Høgskolen i Østfold, avdeling for informasjonsteknologi, HiØ-IT (Prof. Steinar Kristoffersen) d. Tidsplan og milepæler Prosjektets tidsplan løper fra januar til september 2013 med prosjektaktiviteter og tidsplan som vist i tabellen nedenfor. Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep PA-1 Oversikt energiintensive bygg MP1 PA-2 Oversikt mest brukte SD-anlegg MP2 PA-3 Funksjons- og komponentarkitektur MP3 PA-4 Overgripende styringssystem MP4 PA-5 Simuleringsmodell MP5 MP6 PA-6 Søknad hovedprosjekt MP7 Prosjektledelse
Prosjektplanen har følgende milepæler: MP1 28.02.2013 Oversikt over varmestyringssystemene i de 10 mest energiintensive bygg utarbeidet MP2 31.03.2013 Oversikt over de mest brukte SD-anlegg utarbeidet MP3 30.04.2013 Funksjons- og komponentarkitektur utarbeidet MP4 31.05.2013 Funksjonsbeskrivelse overgripende styringssystem utarbeidet MP5 15.05.2013 Simuleringsmodell for optimalisering av energibruk utarbeidet MP6 30.06.2013 Simuleringsmodell for optimalisering av energibruk verifisert og demokjørt MP7 30.09.2013 Søknad hovedprosjekt ferdig 5. Budsjett og finansieringsplan Halden kommune: 80 timer egeninnsats Fredrikstad kommune: 80 timer egeninnsats Østfold fylkeskommune 40 timer egeninnsats Rejlers AS: 60 timer egeninnsats Communicate Norge AS: 40 timer egeninnsats Correlate AS: 30 timer egeninnsats Inkubator Halden / NCE: 100 timer finansiert fra Oslofjordfondet UMB-IMT: 100 timer finansiert fra Oslofjordfondet + studentprosjektbidrag Høgskolen i Østfold: 100 timer egeninnsats + studentprosjektbidrag 6. Svar på krav i utlysningen Søknaden styrker kunnskapsutviklingen, verdiskapingen og mulighetene for en bærekraftig utvikling innen Oslofjordregionens hovedinnsatsområder «Energi og miljø» og «Teknologi» og innbefatter tverrfaglig samarbeid mellom fagområdene energiteknologi, miljøteknologi og informasjonsteknologi. Prosjektet har et stort potensiale for innovasjon og nyskapning i offentlig og privat sektor. Prosjektansvarlig er en mellomstor kommune og prosjektet har god deltakelse fra så vel privat og offentlig sektor samt fra relevante UoH-/FoUaktører. Prosjektet er av strategisk betydning for prosjekteier og for de deltakende bedriftenes forskningsbaserte innovasjonsarbeid. Prosjektresultatet vil kunne legge grunnlag for utvikling av produkter og tjenester som vil redusere energibruk og dermed belastning av klima og miljø. Kjønnsbalansen er relativt godt ivaretatt og ønskes ytterligere forbedres gjennom deltakelse av studenter av begge kjønn. I et hovedprosjekt vil det bli tatt sikte på en balansert kjønnsfordeling. 7. Videreføring og utnyttelse av resultatene Hensikten for kvalifiseringsprosjektet er å legge grunnlag for en hovedprosjektsøknad til Oslofjordfondet, en søknad til RENERGI-programmet eller tilsvarende. Et slikt hovedprosjekt vil danne grunnlag for (a) ny kunnskap om muligheter for energieffektivisering i kommunale yrkesbygg, (b) utvikling av nye produkter og tjenester hos de deltakende bedriftene og (c) beslutningsgrunnlag hos UoH-aktørene om evt. utvikling av nye tverrfaglig studietilbud innen Smart Energy Management / energiledelse/ energieffektivisering. Prosjektresultatene vil også ha betydning for mange kommuner og fylkeskommuner i Norge, for andre teknologibedrifter, og for regionens UoH-aktører. Prosjektet er i tråd med Halden kommunes strategiske plan for energi- og miljøtiltak. Prosjektresultatene vil bli formidlet gjennom vitenskapelige og tekniske tidsskrift, bransjemedia som Kommunal Rapport samt gjennom øvrige regionale og nasjonale media. 8. Referanser (SINTEF-B 02-2011) Energieffektive næringsbygg for fremtiden, publikasjon, SINTEF Byggforsk 02-2011 (NIST 2012) NIST Special Publication 1108R2 - NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 2.0, Feb. 2012 (NVE 9/2011) Energibruk i Fastlands-Norge, NVE rapport nr. 9/2011