Energy flow analysis of a smart thermal grid at Leangen

På Leangen i Trondheim skal det bli bygget et nytt boligområde. Hensikten med denne masteroppgaven er å evaluere hvordan et lokalt lav-temperatur varmenett kan forsyne boligområdet med energi til romoppvarming, produksjon av tappevann og romkjøling. Spillvarme fra en skøytebane i nærheten, samt spillvarme fra gråvann er implementert som en energikilde til lav-temperatur varmenettet. To modeller er utviklet for å undersøke hvilke arbeidsmedium som er best egnet til varmepumpen som skal produsere tappevann. Modell 1 er et system som tar i bruk ammoniakk eller propan som arbeidsmedium og forvarming av tappevann er introdusert. Modell 2 bruker CO₂, og tappevannet blir ikke forvarmet. Trondheim Kommune har gitt data fra to energimålere på skøytebanen, og informasjonen er videre brukt til å evaluere hvor mye av energibehovet til boligblokkene spillvarmen kan dekke. Boligblokkene er laget og simulert i Simien som lavenergi-bygg. Spesifikt energibehov for romoppvarming, tappevann og romkjøling er 28,1kWh/m2, 29,8kWh/m2 og 10,6kWh/m2. Resultatene viser at det årlige energibehovet for romoppvarming og tappevannsbehov til én boligblokk kan dekkes av spillvarme fra skøytebanen med 47,5%, mens gråvann kan dekke 33,0%. Det må tilføres energi til varmepumpene i form av elektrisitet, og denne mengden energi utgjør 12,9%. Da har vi resterende 6,6% av energibehovet som må dekkes på andre måter som for eksempel kan være tilførsel av energi fra høy-temperatur fjernvarmenettet. I fremtiden kan det muligens finnes andre spillvarmekilder som kan implementeres og derav dekke hele behovet. Modell 2 som bruker CO₂ som arbeidsmedium i varmepumpen ble valgt for videre vurdering. CO₂ er det mediumet som oppnår høyest COP ved tappevannsproduksjon hvor høyt temperaturløft er nødvendig. Det var ønskelig å lage et enkelt og funksjonelt system, og modell 2 innebærer færre koblinger da det ikke innebærer forvarming av tappevann. Varmepumpen ble undersøkt når den var forbundet til varmekretsen og kjølekretsen. Ved rundt 10K overopphetning med intern varmeveksler er det mulig å oppnå en COP på 4,5 for CO₂-varmepumpen forbundet med varmekretsen og en COP på 4,3 forbundet med kjølekretsen med temperaturene gitt i vårt system. Det er blitt implementert vanntanker for lagring av varmt tappevann for å redusere effekttopper i fjernvarmenettet ved å ha en kontinuerlig vannproduksjon. Høye temperaturer i en lagringstank tilsier mindre volum noe som kan være en fordel i tette boligstrøk samtidig som legionella bakterien ikke klarer å leve i temperaturer over 65 grader celsius. Det er derfor blitt valgt å implementere en lagringstanks forbundet til en bygning som inneholder vann på 75 grader celsius som lagres i en tank på størrelse mellom 1460-2098L. Systemløsningen er basert på en rekke antakelser, og det er derfor viktig å være kritisk til resultatene. Resultatene vil kunne gi et bilde på hvordan ekstern og intern spillvarme kan dekke energibehovet til et stort boligområde og hvordan et lav-temperatur energinett med smarte løsnigner kan senke energibruket i vårt samfunn.