Utnyttelse av fordrøyningsmagasin for regnvann til termisk akkumulering

Abstract

Med klimaendringer som medfører økt regnintensitet og et underdimensjonert avløpsnett skjerper kommunene krav til lokal overvannshåndtering for nye byggeprosjekter. For overvannshåndtering på tomter i urbane strøk med stor andel tette flater er lukkede fordrøyningsmagasin ofte den mest hensiktsmessige løsningen. Det gjøres store inngrep og investeres store summer i disse magasinene, kun for noen få timer styrtregn i året. Denne masteroppgaven er en mulighetsstudie som vurderer om det er praktisk gjennomførbart og økonomisk lønnsomt å benytte et fordrøyningsmagasin for regnvann som et termisk kjølelager for et kontorbygg. Vannet i lagertanken kjøles ned om natten, når kjølebehovet i bygget er på et minimum. For en mest mulig energieffektiv løsning skal akkumuleringstanken kjøles ned med størst mulig grad av frikjøling mot energibrønner. Det resterende kjølebehovet må dekkes ved hjelp av kjølemaskiner. Den akkumulerte kjøleenergien utnyttes på dagtid, noe som vil kunne redusere effektvariasjonen over døgnet. Hovedinsentivet for innføring av konseptet er de potensielt store økonomiske besparelsene som følger av effektutjevningen konseptet muliggjør. I dette studiet knyttes problemstillingen opp mot et konkret casebygg. Døgnvariasjon og årsvariasjon av effektbehovet til casebygget ble simulert ved hjelp av simuleringsverktøyet IDA ICE 4.7.1. I oppgaven vurderes caseprosjektets mål om en neddimensjonering av kjøleanlegget på 30 % ved utnyttelse av fordrøyningsmagasinet til termisk kjølelager. Med resultatene fra simuleringene lagt til grunn ble nødvendig akkumulert energimengde beregnet til 1 421 kWh for å nå den målsatte neddimensjoneringen. Forutsatt en nattkjøling av tanken ned til 4°C vil det kreve et vannvolum på om lag 122 m3. De økonomiske betraktningene gjort i oppgaven viser at konseptets totale lønnsomhet hovedsakelig avhenger av tre faktorer: størrelsen på neddimensjoneringen av kjøleanlegget, størrelsen på oppdimensjoneringen av fordrøyningsmagasinet og merkostnadene ved systemendringen. For caseprosjektet viser lønnsomhetsberegningene, under gitte forutsetninger, at en neddimensjonering på 30 % vil gi en besparelse på 439 058 kr. I oppgaven belyses de største praktiske utfordringene det er forventet at konseptet vil møte. Som et resultat av den vurderingen kommer det fram at energilageret kan få problemer med kjøleleveransen i tilfellet der store mengder varmt regnvann må tilføres akkumuleringstanken kort tid før kjølebehovet i bygget nærmer seg toppunktet. Ytterligere analyser og beregninger må gjøres for å kartlegge hvor stor risikoen er for at denne situasjonen inntreffer og hvor store konsekvensene potensielt kan bli. Resultatene i denne oppgaven viser at under de gitte forutsetningene vil løsningen være lønnsom og praktisk mulig å gjennomføre. For videre arbeid med konseptet bør flere analyser samt test av systemet gjennomføres for å redusere usikkerheten rundt dette innovative konseptet.

Stormwater management in urban environments is today part of the agenda when developing cities. Due to the increased rainfall and the fact that the sewer system in the cities no longer have capacity to handle the large amounts of water does the authorities require improved stormwater management. The use of closed detention basins for stormwater management in the cities is proven highly effective. Implementing these basins to prevent flood require huge investments. This Master’s thesis analyses the possibility of utilisation of these stormwater detention basins to store thermal energy. The main task is to evaluate whether this solution is both feasible and profitable. In this analysis the thermal energy storage is evaluated for the purpose of cooling an office building. By the use of chillers and free cooling from the energy wells the storage tank will be recharged during night time, off-peak hours, and utilised to meet the buildings demand the following day. Energy storage will make it possible to reduce the peak power demand for the office building. The main incentive for implementing this concept is the possibility of huge economic benefits due to the reduced peak power demand. The concept is evaluated for a general purpose and in relation to a specific building. For the test building the variation in power demand was simulated using the simulation software, IDA Indoor Climate Energy. The main goal for the test building is to downscale the cooling system in the building by 30 % by utilising the stormwater detention basins as thermal energy storage. The simulation results show that the energy storage capacity needs to be 1 421 kWh to reach this goal. Assuming the storage tank is chilled down to 4°C by night, this will require a volume of 122 m3 of water. The results of the economic analysis show that the concepts profitability mainly depends on three factors: the size of the downscaling of the cooling system, the size of the upscaling of the detention basins and the additional costs implied by the concept. The results show, under the given conditions, that the test project can save 439 058 NOK by implementing the concept and downscale the cooling system by 30 %. This thesis comprises an analysis of possible challenges and weaknesses related to the concept. The result of this analysis show that one specific situation may cause problems for the system. If warm rainwater is supplied to the storage tank shortly before the peak power demand occurs, the storage can get problems delivering the required cooling energy. Further analysis and tests must be done to determine the possibility of this situation occurring, and the possible consequences. The analysis and results in this Master’s thesis show that the use of stormwater detention basins as thermal energy storage is both possible and profitable. Further evaluations and tests should be done to reduce the amount of uncertainty related to this new and innovative concept.