Til hovedinnhold

Innovasjonsrapport 2020

Forskningssenteret for nullutslippsområder i smarte byer (FME ZEN)
FME ZEN

Innovasjonsrapport 2020

Forskning og innovasjon er grunnpilaren i vår visjon om å utviklebærekraftige områder med null klimagassutslipp. Innovasjonskomiteen skal bistå senterledelsen i dette arbeidet gjennom å etablere gode innovasjonsprosesser i grensesnittet mellom FME ZEN og de offentlige og industrielle partnerne i forskningssenteret. I 2018 ble det utarbeidet og vedtatt en innovasjonsstrategi, der et rammeverk for identifisering, klassifisering og oppfølging av innovasjoner er implementert. Du sitter nå med den første utgaven av FME ZENs innovasjonsrapport som skal gi en lettfattelig oversikt over alle innovasjonene som så langt er registrert.

FME ZEN

Dette er FME ZEN

FME ZEN er et senter for miljøvennlig energi som skal utvikle løsninger for framtidens bygninger og byområder – løsninger som bidrar til at nullutslippssamfunnet kan realiseres.

FME ZEN skal vare i åtte år (2017-2024), og budsjettet er på cirka 380 millioner kroner, finansiert av Norges forskningsråd, forskningspartnerne NTNU og SINTEF, og brukerpartnerne fra privat og offentlig sektor. NTNU er vertsinstitusjon og leder senteret sammen med SINTEF Community og SINTEF Energi.

Forskere, kommuner, industri og statlige organisasjoner samarbeider i FME ZEN for å planlegge, utvikle og drifte områder med null klimagassutslipp, over levetiden til områdene. ZEN-senteret har ni pilotprosjekter fordelt over store deler av landet. Pilotprosjektene omfatter til sammen et areal på mer enn 1 million m2 og totalt mer enn 30 000 innbyggere. Pilotområdene i FME ZEN er vår viktigste innovasjonsarena hvor innovasjoner testes og demonstreres.

Innovasjoner fra FME ZEN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LCA-bibliotek for ventilasjonskomponenter

Vehicle-to-grid - Toveis elbillading

PROFet – Aggregert lastprofilestimator for områder

Finansielle strategier og tiltak for utvikling av nullutslippsområder

Verktøykasse for risikoreduksjon ved utvikling av nullutslippsområder

Referanseverdier for klimagassutslipp fra materialbruk

Videreutvikling av verktøyet EMPIRE

Optimalisering av fjernvarmesystemer

Tariffmodell: hvordan strømkunder reagerer på ulike prismekanismer

Veileder for måling og rapportering av klimagassutslipp

Model Predictive Control av bygg og nabolag

PI-SEC Scenario Calculator

LCA av betong- og trekonstruksjoner

Batterimodul til eTransport

Moduler for termisk energilagring i eTransport

LCA-modell og database for ZEN-prosjekter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stock-flow modell for scenarioanalyse

ZENIT

ZENIT-R

Utslippsverktøy for nullutslippsbygninger

Driftsmodell: Verdien av fleksibilitet for en bygning med fleksible komponenter

ZEN definisjon og nøkkelindikatorer

ZEN KPI vurderingsverktøy

Smart bruk av lavkostnads sensorteknologi til optimalisering av behovsstyrt ventilasjon

Europeisk kapasitetsutvidelse og nullutslippsområder

Likevektsmodell for å vurdere og designe lokale markedsmekanismer i ZEN

IKT-arkitektur for ZEN KPI datahåndtering

Energifleksibilitetsmerket

Karakterisering av dynamisk termisk komfort

Modell for minimum energi- og effektbehov for ventilasjon

Modell for optimal design av nettariffer

Fleksibilitet gjennom styring og design av kundesentraler i fjernvarmenettet

 

 

 

 

FME ZEN

LCA-bibliotek for ventilasjonskomponenter

God miljøinformasjon om tekniske installasjoner er nødvendig i miljøvurderinger av bygg, men har til nå vært mangelvare.

Når utslipp fra byggematerialer, komponenter og energibruk reduseres, ofte på grunn av økt bruk av tekniske installasjoner, blir behovet for riktige utslippsdata for installasjoner enda viktigere. Vi har derfor utviklet et LCA-bibliotek for standard ventilasjonskomponenter, med et bredt utvalg av komponenter og dimensjoner. Dermed kan ventilasjonssystemer inngå i miljøvurderinger for både nybygg og rehabiliteringer, for boliger og næringsbygg. Det vil gjøre det tydelig hvor mye ventilasjonsløsningen har å si for CO2-utslippene fra bygg. LCA-biblioteket kan brukes av de som gjør miljøanalyser av bygninger og nullutslippsområder.

    

FME ZEN

Vehicle-to-grid - toveis elbillading i Norge

Statsbygg har realisert toveis elbillading ved ZEN-pilot Campus Evenstad, og batteriene i elbiler kan dermed kan levere strøm tilbake til bygg eller strømnett.

Alle elbilene i Norge utgjør et stort reservelager av strøm som igjen kan utgjøre et supplement eller alternativ til nettinvesteringer. ZEN studerer prosessen mot etablering av Vehicle-to-grid (V2G) og mulige barrierer for innføring av teknologien. V2G er ikke tidligere testet ut i Norge, og erfaringene fra Evenstad har gitt oss kunnskap og erfaring fra innkjøp, installering og drift av løsningen. Videre uttesting av laderne kan bidra til å skape nye løsninger for energisystemet.

       


    

FME ZEN

PROFet – Aggregert lastprofilestimator for områder

PROFet er et verktøy som genererer aggregerte lastprofiler for elspesifikt og termisk energibehov for ulike typer nabolag og klimasoner.

For å kunne planlegge og utforme energisystemer for nabolag og byer, på regionalt og nasjonalt nivå, må vi kunne estimere de samlede aggregerte lastprofilene til bygninger. Ved nybygging og energirenovering av bygninger kan man ikke måle energibehovet, det må estimeres. Ofte er estimatene avhengige av simuleringer, selv om det er kjent avvik mellom simulert og reell bygningsytelse. Lastprofilmodellen gjør det mulig å overkomme denne barrieren og gir bedre og raskere kunnskap til bygningsdesigner og energisystemdesigner, slik at komponentene dimensjoneres riktig og kostnadene minimeres.

FME ZEN

Finansielle strategier og tiltak for utvikling av nullutslippsområder

Vi har analysert strategier og markedstiltak for å redusere klimafotavtrykket fra betong.

Strategiene og tiltakene er utviklet gjennom case-analyser i samarbeid med ZEN-partnere, og målet er å komme frem til et sett av ulike metoder, tiltak og modeller som kan tas i bruk av myndigheter og beslutningstakere, men også bedrifter og organisasjoner som skal adoptere grønn teknologi. Med utgangspunkt i blant annet en spørreundersøkelse om innovasjonsøkosystemet kan bedriftene analysere flere nivåer av verdikjeden og deretter utvikle en «virkemiddelpakke» for grønne produkter eller tjenester. 

 

FME ZEN

Verktøykasse for risikoreduksjon ved utvikling av nullutslippsområder

Verktøykassen skal bidra til en arbeidsprosess og samhandlingsform som gir størst mulig sannsynlighet for å lykkes med utviklingen av et nullutslippsområde.

Det er størst sjanse for å lykkes med prosjektet om alle verktøyene tas i bruk. Det er først og fremst kommuner og andre offentlige foretak som kan benytte verktøyene, gjerne i samhandling med utbyggere, eiendomsmeglere, entreprenører og andre. Verktøykassen består av fire deler:

  •          I del en kartlegges aktører og relasjoner mellom dem, samt viktige fysiske og teknologiske delsystemer (innovasjonsøkosystem). Hvem er interessenter i utviklingen av nullutslippsområdet?
  •          I del to utvikles det prosessbeskrivelser, analyse- og organiseringsmodeller for offentlig-privat samarbeid og offentlige anskaffelser. 
  •          I del tre modelleres risiko og usikkerhet i ulike deler av verdikjeder og nettverk med hensyn til å kunne sette inn avhjelpende og risikoreduserende tiltak i forbindelse med ZEN-relaterte innovasjoner.
  •          I del fire utvikles det spesifikke forretningsmodeller og strategier for å få til bærekraftige løsninger som skaper verdi for alle involverte parter.

 


    

FME ZEN

Referanseverdier for klimagassutslipp fra materialbruk

I energieffektive bygninger kommer en høyere andel av klimagassutslippene fra materialbruk (55-87 prosent), hvorav cirka 65 prosent fra selve bygningskroppen. Derfor har ZEN utviklet et forslag til referanseverdier for klimautslipp fra byggematerialer.

Data fra livsløpsanalyser for over 130 bygninger i Norge kan brukes som referanseverdier for maks tillatt klimagassutslipp fra materialbruk i bygninger. Verdiene brukes allerede av FutureBuilt i utforming av nye klimagasskriterier for lavutslippsbygg. Referanseverdiene kan på sikt implementeres i lovverket (byggteknisk forskrift), og dermed hjelpe Norge med å nå nasjonale klimamål gjennom tiltak i bygg- og anleggssektoren.

 

FME ZEN

Videreutvikling av verktøyet EMPIRE

Storskala modellering av europeisk kraftmarked

EMPIRE er et verktøy for å analysere hvordan variabel kraftforsyning fra sol og vind påvirker investeringen i det europeiske kraftsystemet. Det vil gi politikere, områdeutviklere og investorer bedre forståelse av samspillet mellom de ulike komponentene i kraftsystemet. Modellen knytter sammen langsiktige investeringshorisonter med kortsiktig drift og usikker tilgjengelighet av kraftsystemkomponenter i ett og samme modellrammeverk. Komponentene omfatter forsynings-, lagrings-, og overføringskapasitet i kraftsystemet, og er aggregert på et nasjonalt nivå. I ZEN videreutvikles EMPIRE med funksjonalitet som gjør at vi kan si noe om hvordan kraftsystemet vil påvirkes når nullutslippsområder blir mer utbredt i Europa. Mer spesifikt inneholder videreutviklingen en modul som tillater analyse av forsyning og bruk av varme i bygg, lading av elektriske kjøretøy, og fleksibelt energiforbruk i nullutslippsområder. 

 

FME ZEN

Optimalisering av fjernvarmesystemer

Med fjernvarme kan energikilder som ellers ville forblitt ubrukte, benyttes til oppvarming av bygninger.

Fremtidens fjernvarmesystem vil benytte seg av flere distribuerte spillvarmekilder eller fornybare varmekilder. Den oppgraderte fjernvarmemodulen i verktøyet eTransport tillater evaluering av slike systemer i og med at den tillater strømning til begge retninger i et rør, noe som er relevant når flere varmekilder er til stede i et fjernvarmenett. Oppgraderingen muliggjør bedre planlegging av lokale fjernvarmesystem med distribuerte varmekilder for energibedrifter og områdeplanleggere. 

FME ZEN

Tariffmodell: hvordan strømkunder reagerer på ulike prismekanismer

Tariffmodellen brukes til å forutsi hvordan utforming av tariffstrukturer påvirker strømbruk dersom energifleksibilitet utnyttes for å minimere kostnader.

Modellen omhandler også samspillet mellom utvikling og drift av bygg og områder, og hvordan disse kan koordinere seg mot nettselskapene. Tariffmodellen er anvendt i fire case-studier så langt, hvor det benyttes målt strømforbruk fra ZEN pilotområde campus Evenstad og anslåtte tariffpriser fra NVE for de ulike tariffstrukturene. 

FME ZEN

Veileder for måling og rapportering av klimagassutslipp for bygg og områder

ZEN definisjonsveileder

Veilederen skal hjelpe utførende aktører med å ta ZEN-definisjonen i bruk. Den beskriver hvordan vurderingskriteriene og nøkkelindikatorene (klimagassutslipp, energi, effekt, mobilitet, økonomi, stedskvaliteter og innovasjon) kan planlegges for, vurderes og følges opp i ZEN pilotprosjekter. Hver indikator er delt opp i ulike kategorier og tilhørende måleenheter. Veilederen skal kunne brukes av planleggende og utførende aktører i ulike planfaser. Den beskriver relevante evalueringsmetoder, og gir en oversikt over data som er nødvendig for å gjøre evalueringene. Veilederen utvikles i tråd med ZEN-definisjonen og oppdateres etter behov over senterets levetid.

FME ZEN

Model Predictive Control (MPC) av bygg og nabolag

MPC er en algoritme som brukes for å optimalisere driften av bygg med forskjellige mål, som for eksempel å minimere energikostnader, minimere CO2-utslipp knyttet til energibruk, maksimere forbruk av egenprodusert solenergi, eller jevne ut spisslast for å avlaste nettet.

 MPC skal kunne implementeres i eksisterende sentraldriftsanlegg (SD-anlegg) både lokalt og i skybaserte løsninger. Utnyttelse av fleksibilitetspotensialet via MPC-applikasjoner i bygg og nabolag kan derfor redusere driftskostnadene for brukerne, redusere investeringskostnader i energinettet, øke systemvirkningsgraden i energinettet, samt redusere karbonfotavtrykket til energisystemet. Innovasjonen inneholder både selve utviklingen av "grey-box" modeller for komponenter i bygnings- og nabolagsenergisystem – som er den mest krevende delen – og utvikling av algoritmer for implementering av kontrollmodellene i et MPC rammeverk.

 

FME ZEN

PI-SEC Scenario Calculator

Excel-basert beslutningsstøtteverktøy for planlegging og evaluering av ZEN-prosjekter.

Scenariokalkulatoren er ment for kommuneansatte som er involvert i planprosessen, men også konsulenter kan gi input til kalkulatoren hvis kommunen trenger hjelp. Verktøyet ble først utviklet i forskerprosjektet PI-SEC (Planning instruments for smart energy communities), og videreutvikles nå gjennom testing på pilotene i ZEN. Scenariokalkulatoren kan brukes både for planlegging av helt nye områder, og oppgradering av eksisterende områder i tidligfaseplanlegging. Ved å koble energi og utslipp fra bygg og infrastruktur til de overordnede målene for området, får planleggerne bedre kunnskap om hva som er nødvendig av tiltak for å nå målet. Kalkulatoren fungerer ved at man legger inn informasjon om bygg, transport og infrastruktur i området, og regner deretter ut hvordan området skårer på valgte indikatorer. Det er mulig å legge inn ulike scenarioer for tiltak og utviklingstrekk i området, og deretter studere hvordan ulike valg påvirker energibruk og utslipp i området, og hvilke tiltak som må gjøres for å nå ulike mål. Verktøyet og brukerveiledning kan lastes ned herfra: https://www.sintef.no/prosjekter/pi-sec/

FME ZEN

LCA av betong- og trekonstruksjoner

Det har vært en kontinuerlig debatt om miljøegenskapene til tre versus betong de siste tiårene, men begge materialene har sine styrker og svakheter.

I dette arbeidet utvikles det en metode for å gjennomføre følsomhetsanalyser av bygninger basert på data hentet fra BIM-modeller. En parametrisk modell utvikles for å utforske miljøegenskapene til byggematerialer i et livsløpsperspektiv. Modellen vil demonstreres ved å analysere to varianter av et bygg, en med bærekonstruksjon i tre og en med bærekonstruksjon i betong. Bygget er et virtuelt, men realistisk bygg. Formålet med metoden er å gi bedre beslutningsstøtte i tidlig fase for byggherrer, entreprenører, arkitekter og materialleverandører.

FME ZEN

Batterimodul til eTransport

Når forbrukere produserer egen strøm som lagres i batteri, kan en større del av kraftforbruket bli egenprodusert. Det kan være økonomisk lønnsomt, men lønnsomheten avhenger av tariffstrukturen.

Det er derfor utviklet og innlemmet en egen batterimodell i eTransport, et verktøy for planlegging av energisystemer. Det at batterimodulen er implementert i et eksisterende verktøy gjør det mulig å sette batterier inn i et helhetlig energisystem med optimalisering av drift og investeringer. Man kan både undersøke lønnsomhet, og hvordan batterier samspiller med andre komponenter i et lokalt kraftsystem, som egenproduksjon fra solceller, og strømnettet. Verktøyet eTransport brukes av forskere og konsulenter innenfor energi, i Norge og utlandet. 

FME ZEN

Moduler for termisk energilagring i eTransport

Termisk energilagring gjør det mulig å produsere energi mer fleksibelt og dermed redusere kostnader og utslipp for fjernvarme og elektriske nett.

To moduler for termisk energilagring er utviklet i planleggingsverktøyet eTransport: døgn- og sesonglagring av varme. Døgnlageret er modellert som en akkumulatortank, som gir muligheten til å redusere topplastbehov og flytte laster på timesbasis. Lageret kan lades med både termisk (vannbåren) og elektrisk energi, og gir dermed også muligheten til å evaluere fleksibiliteten mellom elektriske og termiske energisystem som et slikt lager tilbyr. Et sesonglager av varme gir muligheten for å lagre overskuddsvarme, eksempelvis fra søppelforbrenning om sommeren, til bruk for oppvarming av et område om vinteren. Selv om sesonglageret på lik linje med andre moduler brukes for å optimalisere energiforbruk på døgnbasis, har modulen variabilitet over lengre tidsskala slik at mengden varme som kan tas ut fra, og puttes inn i lageret, er avhengig av sesongen. I tillegg har modulen et visst varmetap over et år. Modulen kan brukes av konsulenter, områdeplanleggere, energibedrifter og forskere for å evaluere lønnsomheten av et termisk lager i et lokalt energisystem.

FME ZEN

LCA-modell og database for ZEN-prosjekter

Myndigheter og marked etterspør stadig mer av nullutslippsløsninger, som må analyseres og dokumenteres ved hjelp av LCA-verktøy.

Vi utvikler en metodikk med beregningsmodeller og database for å kunne utføre konsistente livsløpsvurderinger (LCA) av nullutslippsprosjekter. Metodikken er egnet til å vurdere omfanget av og kildene til klimagassutslipp over hele livsløpet til et prosjekt. Metodikken består av ulike verktøy tilpasset LCA på områdenivå, inkludert inventar for LCA-database for bruk i eksisterende og fremtidig LCA-programvare. Dette inkluderer utslipp fra bygg, infrastruktur og mobilitet, og med spesiell vekt på detaljert dokumentasjon og statistisk behandling av klimagassutslipp fra materialbruk over hele levetiden for bygg. LCA-studier på områdenivå er foreløpig utført for pilotprosjektene Ydalir og Zero Village Bergen. ­Metodikken kan brukes av planleggere, prosjektutviklere, rådgivningsfirma og forskere.

FME ZEN

Stock-flow modell for scenarioanalyse av ZEN-prosjekter

Et verktøy for langtidsanalyse av utviklingen av bygningsmassen i et område. Hvordan påvirker rehabilitering, riving og nybygging samlet material- og energibruk, og dermed klimagassutslipp?

Verktøyet benytter såkalt dynamisk stock-flow materialstrømsanalyse for scenariomodellering av energibruken i bygningsmassen i et område, og bygger på mangeårig forskning. Hensikten er å estimere hvordan ZEN-prosjekter bidrar til å nå mål for klimagassutslipp mot 2050. Verktøyet vil videreutvikles i to retninger, koblet mot livsløpsanalyse (LCA) for klimagassutslipp og mot livsløpskostnadsanalyser (LCC). Verktøyet er i sin eksisterende form anvendt for pilotprosjektet NTNU Campus Gløshaugen og for et hypotetisk ZEN-prosjekt. Verktøyet er viktig i planlegging og vurdering av løsninger for videreutvikling av eksisterende områder og utbygging av nye, fordi det vil legges økt vekt på at disse skal bidra til nullutslippssamfunnet, og scenarioanalyser kan avdekke hva som blir de mest effektive løsningsalternativ, gitt ulike mulige utviklingstrekk fremover for prosjekter med lange tidshorisonter. Målgruppen for bruk av verktøyet er primært forskere, mens resultatene vil være av primær nytte for planleggere, utbyggere og rådgivere.  

FME ZEN

ZENIT - kostnadsoptimalt energisystem for nullutslippsnabolag

ZENIT er en modell for å lage et kostnadsoptimalt energisystem for nye nabolag med ambisjon om å oppnå nullutslipp på slutten av levetiden.

Modellen gjør det mulig for byplanleggere og områdeutviklere å identifisere komponenter i energisystemet (type teknologier, drivstoff og størrelser) tidlig i prosjektfasen. Modellen tar utgangspunkt i el-spesifikt forbruk, romvarme og varmt vann i bygg samt klimaforholdene (temperatur, solinnstråling). Basert på kostnadene med alternative energiløsninger beregner modellen kostnadsoptimal drift og utvikling av energisystemet. Modellen er formulert i et Python-skript og bruker optimaliseringsløseren Gurobi. Både forskere og byplanleggere kan bruke verktøyet.

FME ZEN

ZENIT-R - oppgradering av bygningskropp og energisystem

Det er viktig å vite hvor mye man skal fokusere på henholdsvis energisystemet og på oppgradering av bygningskroppen for å oppnå nullutslipp på en kostnadsoptimal måte.

ZENIT-R er en variant av ZENIT-modellen, og gjør det mulig for byplanleggere og bydelsutviklere å identifisere tiltak tidlig i prosjektfasen. For å redusere utslippene fra eksisterende bygningsmasse, tillater ZENIT-R å undersøke hvordan man kan få til et nullutslippsområde med utgangspunkt i et område med eksisterende bygningsmasse. 

FME ZEN

Utslippsverktøy for nullutslippsbygninger (ZEB GHG Tool)

ZEB GHG Tool er et Excel-basert regneark. Formålet var å beregne klimagassutslipp fra bygninger på ZEB-OM ambisjonsnivå, altså medregnet utslipp fra materialproduksjon, utskiftninger i driftsfasen og energibruk i driftsfasen.

Verktøyet gjør bruk av data fra miljøvaredeklarasjoner og er bygget etter en struktur som synliggjør hvilke bygnings­deler og livsløpsmoduler utslipp stammer fra. Det vil støtte utførende aktører i ulike prosjektfaser for å designe og bygge komponenter, bygninger, installasjoner og områder med netto nullutslipp. Vi vurderer hvordan dette verktøyet kan videreutvikles til bruk for ZEN-prosjekter, slik at det kan analysere utslipp fra bygninger og installasjoner på områdenivå, og brukes for å fatte beslutninger om teknologi og utforming av bygg og områder.

FME ZEN

Driftsmodell: verdien av fleksibilitet for en bygning med fleksible komponenter

Vi utvikler en modell som gjør det mulig å se hvor mye man kan spare ved å utnytte mulighetene for fleksibel strømforsyning i en bygning, på kort og lang sikt. Det gjør det enklere for strømkunder og nettselskaper å planlegge og analysere driften av bygningen.

For å kunne styre smarte fleksible enheter (som elbillading og romoppvarming i en bygning) på en lønnsom måte, er man avhengig av å kunne beregne prisingen en periode fram i tid. Kostnaden mot slutten av perioden avhenger av driften av bygningen, spesielt hvis en skulle inkludere sluttpriser som avhenger av bruksmønsteret gjennom hele perioden. Modellen tar for seg en lengre driftsperiode, fra en måned til et år, og beregner strømforbruket fram i tid og viser hvordan driften av fleksible enheter, for eksempel når man velger å lade elbilbatteriet eller skru opp varmen i bygningen, påvirker kostnadene for resten av perioden. Kostnadene visualiseres som en kostnadskurve, som viser konsekvensene av å endre bruken av fleksible enheter, gjennom en variabel, som kan være en intern CO2-balanse, høyest effektimport eller batteritilstanden til en elbil. Verdien av å bruke fleksibilitet måles mot denne variabelen slik at det gjøres en kostnadsoptimal vurdering.

FME ZEN

ZEN-definisjon og nøkkelindikatorer

ZEN-definisjonen og nøkkelindikatorer (KPI) for klima¬gasser, energi, effekt, mobilitet, stedskvaliteter, økonomi og innovasjon er utarbeidet i samarbeid med ZEN-partnere og skal testes gjennom hele forskningssenterets periode.

Definisjon og KPI-er forventes å bli mye brukt til planlegging, benchmarking og dokumentasjon av ZEN-prosjekter. Definisjonen og nøkkelindikatorene vil bidra betydelig til at nye områder faktisk bygges etter ZEN definisjonsnivå med tanke på planprosess, løsninger, ambisjonsnivå, kriterier og dokumentasjon. Definisjonen kan potensielt påvirke forskriftsverket. Definisjonen skal anvendes i alle pilotprosjektene, og resultatene og erfaringene brukes for kontinuerlig forbedring av både definisjonen og indikatorene.

FME ZEN

ZEN KPI vurderingsverktøy

ZEN KPI vurderingsverktøy er et verktøy for helhetlig vurdering av et ZEN-prosjekt opp mot de kriterier og nøkkelindikatorer (KPI-er) som ZEN-definisjonen angir.

Verktøyet skal også kunne brukes for benchmarking av hvordan et prosjekt vil prestere på KPI-er i forhold til vanlige og/eller best-practice prosjekter. Et godt fungerende verktøy vil ha et betydelig brukspotensial i markedet, fordi det gir mulighet til en kvantitativ dokumentasjon, eller estimering, av hvordan et prosjekt vil prestere på ulike kriterier som man vet er viktig for utbyggere, kunder og andre interessenter. ZEN KPI vurderingsverktøy skal utformes og brukes slik at det aktivt påvirker prosjekter i planleggingsprosessen til å strekke seg mot null utslipp av klimagasser, og slik at prosjektene også presterer best mulig på andre kriterier. Lykkes man med dette, vil verktøyet kunne ha meget stor effekt, fordi det dokumenterer hvordan ZEN-prosjekter kan gi null utslipp, eller hva som begrenser dette­. Verktøyet vil testes i pilotprosjekter i perioden 2020-2021. Enkeltindikatorer som inngår i verktøyet, er allerede testet i flere piloter.


    

Smart bruk av lavkostnads sensorteknologi til optimalisering av behovsstyrt ventilasjon

Behovsstyrt ventilasjon kan gjøres mer energieffektiv samtidig som brukernes helse ivaretas.

Ved behovsstyrt ventilasjon (DCV) brukes konsentrasjonen av CO2 i rommet som en indikasjon for luftkvalitet. Mengden friskluft styres slik at CO2-konsentrasjonen ligger under et visst nivå, men dette er ingen garanti for at luften ikke inneholder andre helseskadelige partikler eller stoffer. Målinger i forskjellige typer bygninger viser at konsentrasjonen av forskjellige stoffer varierer basert på bruken av rommet, men også med den geografiske plasseringen. Tanken er å utvikle en løsning som kan integrere flere rimelige sensorer for ulike typer skadelige stoffer, og bearbeide informasjonen fra disse slik at det kan gis konkret tilbakemelding til ventilasjonsviftenes og spjeldenes regulatorer. Brukere kan også installere en app som informerer om luftkvaliteten. Løsningen vil forbedre muligheten til å kontrollere inneluftkvaliteten uten økte kostnader, sammenlignet med en tradisjonell DCV.  Målgruppen vil være leverandører av løsninger for bygningsautomatisering og prosjekter­ende ingeniører. 

FME ZEN

Europeisk kapasitetsutvidelse og nullutslippsområder

Soft linking av modeller er en måte å kombinere flere modeller med forskjellige skalaer (for eksempel romlig og tidsmessig). Ved å kombinere ZENIT og EMPIRE, en modell for å investere i energisystemet i nabolag og en modell for kraftkapasitetsutvidelse av Europa, er det mulig å få innsikt i virkningen av investeringer i nullutslippsrområder på det fremtidige energi­systemet i Europa. Metoden gjør det også mulig å studere hvordan det optimale energisystemet til nullutslippsområder påvirkes av endringene i det europeiske energisystemet og på tvers av europeiske land. 

FME ZEN

Likevektsmodell for å vurdere og designe lokale markedsmekanismer i ZEN

Det blir stadig flere fleksible ressurser og ressurser for energiproduksjon i distribusjonsnettet, som styring av energiforbruk og bruk av batterier. Ved å utnytte fleksibiliteten innenfor et område er det mulig å koordinere forbruk og dermed utnytte nettet på en best mulig måte. Imidlertid mangler det insentiver som fremmer slikt samarbeid, så det er i dag mer lønnsomt å optimere energibruken individuelt bak hver måler, enn på nabolagsnivå. Med bakgrunn i dette har vi i ZEN utviklet en spillteoretisk modell for å analysere lokale markedsmekanismer. Her analyserer vi konsekvensen av utforming av ulike nettariffer som gir kostnadsdekning for nett­operatøren. Modellrammeverket er i stand til å vurdere de samfunns­økonomiske implikasjonene av å etablere lokale handels­mekanismer. Viktige indikatorer som total systemkostnad, nødvendig nettkapasitet, tariffnivå, og mengde fornybar energi, kan undersøkes basert på ulike regulatoriske rammeverk. Modellens målgruppe er forskere, aktører med ansvar for den regulatoriske utviklingen, samt nettselskaper.

FME ZEN

IKT-arkitektur for ZEN KPI datahåndtering

Det er utviklet en overordnet IKT-arkitektur for datahåndtering for ZEN.

Arkitekturen tar hensyn til data fra sensorer på bygg og simuleringsverktøy. ”Distributed to Centralized Data Management” (D2C-DM) IKT-arkitekturen tar utgangspunkt i at ZEN består av piloter på ulike steder, og støtteverktøyene utviklet i ZEN har varierte datainnhold. Arkitekturen støtter lokal lagring og analyse av data i "tåker", eller små skyer, i stedet for en sentral skybasert lagring, noe som kan resultere i bedre ytelse og redusert risiko knyttet til datasikkerhet. Dette gir muligheten til å lagre og behandle data lokalt, og samtidig gir det tilgang til å dele data med andre piloter og eksterne parter. Målgrupper for IKT-arkitekturen er alle som produserer og/eller bruker data (f.eks. partnere i pilotene og forskere i ZEN) og applikasjonsutviklere, da man bruker en eller flere data kilder fra ZEN (eksempelvis ZEN KPI verktøy).


    

FME ZEN

Energifleksibilitetsmerket

Energifleksibilitetsmerket for bygg og områder er inspirert av Energi-merkeordningen som forvaltes av Enova.

Energifleksibilitetsmerket beskriver i hvilken grad et bygg eller et nabolag kan respondere på ulike signaler fra energinettet, som for eksempel energikostnader, CO2-intensitet og flaskehalser i nettet. Energifleksibilitetsmerket skal bygge på nøkkelindikatorer (KPI-er) som skal utvikles og testes for å vurdere ZEN-fleksibilitet under kategorien 'Effekt' i ZEN-definisjonen. KPI-ene skal måle evnen bygninger og nabolag har til å avvike fra deres standard lastprofiler, og er derfor avhengige av referanselastprofiler for forskjellige bygningstyper. Potensielle gevinster: Selv i Norge, hvor fornybar energi kommer fra reguler­­bar vannkraft, er optimal utnyttelse av overførings- og distribusjonsnettet en utfordring, ettersom investerings- og vedlike­holdskostnader er drevet av høye effekttopper som forekommer i kun korte tidsperioder. De samme utfordringene er til stede i fjern­varmenettene. En del av løsningen på disse utfordringene er et paradigmeskifte fra forsyningskontroll til etterspørselskontroll. Energi­fleksibilitetsmerket vil øke kunnskapen om hvor mye fleksibilitet som er tilgjengelig for strømnettet og varmenettet i bygg i et gitt område. Målgruppen er energiselskapene. 

FME ZEN

Karakterisering av dynamisk termisk komfort

I hvor stor grad er det mulig å utnytte bygningers energifleksibilitet uten at det går ut over termisk komfort?

Det er gjort eksperimenter på opplevd termisk komfort og bruker­atferd for å øke forståelsen av hvordan, og hvor mye, brukeres termiske komfort påvirkes av raskt skiftende innetemperatur, med temperaturramper som varer fra 15 minutter til 2 timer. Hovedmålet er å etablere retningslinjer for utvikling av styringsalgoritmer for fleksibel oppvarming og kjøling av bygninger. Det er også et mål å se hvordan dette kan implementeres i bygningssimuleringsmodeller.

Potensielle gevinster: Nåværende forskning innen bygningsvitenskap har som mål å iverksette strategier for å utnytte energifleksibiliteten til bygninger. Energifleksibilitet betyr å kunne flytte på energibruket til et bygg, time for time, til det som er gunstig for etterspørselen i energisystemet. En av de mest kostnadseffektive løsningene består av å utnytte bygningers termiske masse som varmelager. Siden alle bygninger har termisk masse innebygd i sine konstruksjoner, er det mulig å lagre en viss mengde indre energi her. Energibruk til oppvarming og kjøling av rom er viktige parametere for bygningens energibalanse, men denne energibruken kan utsettes noen timer ved å bruke bygningens termiske masse, uten å påvirke beboernes termiske komfort betydelig. 

FME ZEN

Modell for minimum energi- og effektbehov for ventilasjon

Ny kunnskap om roterende gjenvinnere viser at dagens beste varmegjenvinningseffektivitet i beste fall er 80 prosent, og synker ved reduserte luftmengder. Det gjenspeiles ikke i verdiene som ofte brukes ved prosjektering, og som også er krav i TEK.

Det betyr at behovsstyrt ventilasjon (DCV) ikke sparer så mye energi som beregnet, på grunn av det skjulte effektivitetstapet ved lave luftmengder. Nyutviklede teknologier for varmegjenvinning, hvor effektiviteten er forbedret fra mindre enn 80 prosent til 90 prosent, muliggjør reduksjon av maksimalt effektbehov til oppvarming av ventilasjonsluft. Imidlertid må alle parametere som virker inn på effektbehovet, inkluderes i utviklingen av nye løsninger: bygningens termiske egenskaper, tilpasn­inger med tanke på termisk og atmosfærisk inneklima, komponenters reguleringstekniske egenskaper med mer. En ny modell innpasset i programvare for beregning av energi og effektbehov, som EnergyPlus eller IDA ICE, vil bli utviklet for å løse utfordringene beskrevet ovenfor. Kundene er designere, forskere og beslutningstakere som trenger beregningsverktøy for mer realistisk beregning av effekt- og energibehov samt utslipp.

FME ZEN

Modell for optimal design av nettariffer

Når sluttbrukerne i kraftsystemet blir stadig mer fleksible, er det viktig å forstå hvordan fleksibiliteten kan bli en ressurs for nettet. Nettariffene kan bli et viktig verktøy hvis de gir riktige insentiver for lastflytting.

I dette arbeidet utvikles en metode for optimal design av nettariffer med desentralisert beslutningstaking. Modellen som er utviklet, tar hensyn til usikkerhet i etterspørsel, kraftpriser og fornybar produksjon. For å beskrive interaksjonen mellom nettoperatør og sluttkunder er dette formulert som en to-nivå-modell med såkalt Stackelberg struktur. I tillegg er det utviklet en systemoptimeringsmodell for å kunne vurdere resultatene av den spillteoretiske formuleringen opp mot det samfunnsøkonomisk gunstigste. Hensikten med modellen er å si noe om hvor gode insentiver ulike tariffstrukturer kan gi. Modellens målgruppe er forskere, aktører med ansvar for den regulatoriske utviklingen, samt nettselskaper.

FME ZEN

Fleksiblitet gjennom styring og design av kundesentraler i fjernvarmenettet

Mange eksisterende bygg har varmesystemer som kontrolleres med en sentralt styrt turtemperatur, som styres etter en ute¬kompenseringskurve. Denne styringsmåten tar ikke hensyn til innetemperatur, solinnstråling eller brukeradferd, og fører ofte til overforbruk av energi og overtemperatur i rommene.

Vi utvikler styring av kundesentralen med en "Model Predictive Control" (MPC) algoritme. Ved hjelp av innetemperatursensorer og programvare for styring kan man kostnadseffektivt implementere smarte styringssystemer som kan redusere energiforbruk, forbedre inneklima og utløse fleksibilitetspotensialet i bygget og dets varmesystem.

Potensielle gevinster: Dersom byggeier styrer varmeanlegget selv, kan bedre styring av varmeanlegget gi direkte redusert energibruk og reduserte driftskostnader for byggeiere. Dersom prissignalet er bygget riktig opp, kan det også redusere drifts- og investeringskostnader for fjernvarmeselskapene. Dersom fjernvarmeselskapet styrer kunde­sentralen, kan fleksibiliteten brukes til å utnytte nettet bedre og dermed redusere behovet for spisslastfyring og investeringer i nettutbygging. Målgruppen er fjernvarmeselskaper.

ZEN Report No. 28

Innovasjonsrapport 2020 – Forskningssenteret for nullutslippsområder i smarte byer (FME ZEN)

Redaktører: Ann Kristin Kvellheim, SINTEF Community, Sunniva Moum Danielsen, NTNU og Anne Nuijten, NTNU