Reduksjon av termiske effekttopper i fjernvarmenett : en casestudie av Veterinærhøgskolen på Ås

Abstract

I dagens samfunn, der behovet for klimaomstilling og mer fornybar energi haster, er det viktig å bruke den tilgjengelige energien best mulig. I Norge står bygg for 40 % av energibruken i landet, og 79 % av strømforbruket i bygg går til oppvarming og varmtvann. Samtidig står samfunnet overfor en stor elektrifisering, der kraftnettet flere steder stadig nærmer seg sin begrensende kapasitet. Dersom bygg benytter termisk energi til oppvarming, kan strømforbruket i bygg betraktelig reduseres. Fjernvarme er et godt alternativ til elektrisk oppvarming, og for å bruke fjernvarmenettet effektivt er det lurt å styre unna store effekttopper. Effekttopper oppstår når store termiske laster forbrukes samtidig, og denne masteroppgaven tar for seg hvordan effekttopper i fjernvarmeforsyningen til veterinærbygget på Ås kan reduseres. Oppgaven tar også for seg hvilke økonomiske besparelser NMBU kan oppnå ved en slik effekttoppreduksjon. Første del av resultater fremstiller fjernvarmeforbruket på veterinærbygget fra 1. desember 2021 til 28. februar 2022. Deretter ble det laget en teoretisk simulering der enkelte laster ble redusert eller koblet ut i korte tidsperioder for å redusere de totale effekttoppene i fjernvarmeforsyningen. Tre forskjellige tiltak for å redusere effekttopper ble undersøkt, der tiltak 1 gikk ut på å redusere eller skru av romoppvarmingslastene, radiatorer og gulvvarme i to timer når effekttopper oppstår. I tiltak 2 ble utvalgte ventilasjonslaster som går til kontorer og grupperom skrudd av i én time. Snøsmelteanlegget utenfor veterinærbygningen er også koblet på samme fjernvarmeforsyning, og dette anlegget bidrar betydelig til termiske effekttopper. I tiltak 3 ble det derfor undersøkt hvordan en effektgrense for snøsmelteanlegget kan bidra til reduserte effekttopper totalt sett for bygget. Et sannsynlig driftsscenario vil også være en kombinasjon av tiltakene, og det ble derfor testet ut hvilken betydning en kombinasjon av disse tiltakene vil ha for effekttoppreduksjon. Det ble valgt nye effektgrenser for snøsmelteanlegget, og romoppvarming og ventilasjon ble skrudd av i henholdsvis én og to timer, ved lik effektgrense. Dette ga en effekttoppreduksjon på 464 kW i desember, 460 kW i januar og 485 kW i februar. Med denne reduksjonen var det mulig å spare 168 825 kr i fjernvarmekostnader til veterinærbygningen, som tilsvarer en kostnadsreduksjon for Eiendomsavdelingen i disse månedene på 1,6 %. I alle tre tiltakene som har blitt undersøkt vil valget av effektgrense ha stor betydning for hvor mye effekttopper kan reduseres. Da effektgrensene ble valgt ble det undersøkt hvor lavt grensen kunne settes for å redusere de høyeste effekttoppene i fjernvarmenettet, og samtidig unngå å skru av laster som ikke bidrar til lavere effekttopp. Med de effektgrensene som ble valgt blir dermed kun de lastene som bidrar til effekttoppreduksjon totalt sett redusert. Denne metoden baserer seg på at man vet forbruket for en hel måned, men i en reell driftssituasjon må en effektgrense velges i forkant. Valg av effektgrenser i en reell driftssituasjon bør dermed benytte historisk data for å velge effektgrenser som er best tilpasset det forventede forbruket. Gjeninnkoblingseffekten har ikke blitt tatt hensyn til. Siden de største effekttoppene i fjernvarmeforbruket har varighet på kun én time, vil gjeninnkoblingseffekten trolig ikke bidra til forsterkede effekttopper. Dersom effektgrensene senkes, slik at laster kobles ut oftere, er det mulig at gjeninnkoblingseffekten kan bidra til større effekttopper totalt sett. Dette bør i så fall testes ut. Oppgaven har heller ikke tatt for seg hvilke konsekvenser en utkobling vil ha for inneklimaet. For å opprettholde et godt inneklima er det først og fremst ønskelig å koble ut laster i rom der det ikke er folk. Ved å innføre en smart styring av bygget der brukerne selv kan gi tilbakemelding på inneklimaet, er det mulig å finne krysningspunkter for god innekomfort. Sensorer og timeplaner over når ulike rom er i bruk, i kombinasjon med historisk data, vil kunne gi informasjon om fleksibilitetspotensialet til enhver tid, og på den måten kan laster reduseres uten at dette får negative konsekvenser for brukerne av bygget. Snøsmelteanlegget hadde vinteren 2021/2022 et energiforbruk på 87 kWh/m2, med effekttopper opp mot 2 000 kW. Anlegget har i dag ingen standby-drift på verken bakken eller fjernvarmevannet, og dette er en av årsakene til at store effekthopp oppstår når anlegget skrus på. Størrelsen på effekttoppene avhenger ikke av nedbørintensitet, men hvilken temperatur vannet i fjernvarmeanlegget har i forhold til settpunkt når anlegget skrus på. Dersom anlegget hadde blitt styrt opp mot en værtjeneste kunne temperaturen på fjernvarmevannet gravis økt til settpunkt de periodene det er meldt snø, og effekttoppene i anlegget kunne blitt redusert. I oppgaven har det ikke blitt testet, og det anbefales derfor å teste dette i praksis. Ved å redusere effekttopper i snøsmelteanlegget vil også de totale effekttoppene for veterinærbygget reduseres betraktelig.

In today’s society the need of more renewable energy is urgent, and it is important to use the available energy in the best possible way. In Norway, buildings accounts for 40 % of the energy consumption in the country, and 79 % of the electricity consumption in buildings goes to heating and hot water. At the same time, society is facing a major electrification, where the power grid in several places is constantly approaching its limiting capacity. If buildings use thermal energy for heating, the electricity consumption in buildings can be significantly reduced. District heating is a good alternative to electric heating, and in order to use the district heating network efficiently, it is a good idea to avoid large power peaks. Power peaks occur when large thermal loads are consumed at the same time, and this master’s thesis deals with how power peaks in the district heating supply to the veterinary building at ˚As can be reduced. The thesis also addresses the financial savings NMBU can achieve by such a power reduction. The first part of the results shows the district heating consumption on the veterinary building from 1 December 2021 to 28 February 2022. Then a theoretical simulation was made where certain loads were reduced or switched off for short periods to reduce the total power peaks in the district heating supply. Three different measures to reduce power peaks were investigated, where measure 1 involved reducing or turning off the space heating loads, radiators and underfloor heating for two hours when power peaks occur. In measure 2, selected ventilation loads that goes to offices and group rooms were turned off for one hour. The snow melting plant outside the veterinary building is also connected to the same district heating supply, and this plant contributes significantly to thermal power peaks. In measure 3, it was therefore investigated how a power limit for the snow melting system can contribute to reduced power peaks overall for the building. A probable operating scenario will also be a combination of these measures, and it was therefore tested what significance a combination of these measures will have for effect reduction. New power limits were chosen for the snow melting system, and space heating and ventilation were switched off for one and two hours, respectively, at the same power limit. This resulted in a power reduction of 464 kW in December, 460 kW in January and 485 kW in February. With this reduction, it was possible to save NOK 168,825 in district heating costs for the veterinary building, which corresponds to a cost reduction for the department of Estates and Facilities in these months of 1,6 %. In all three measures that have been examined, the choice of power limit will be of great importance how much power peaks can be reduced. When the power limits were chosen, it was investigated how low the limit could be set to reduce the highest power peaks in the district heating network, and at the same time avoid to turn off loads that do not contribute to lower power peaks. With the chosen power limits, only loads that contribute to power reduction in total was reduced. This method is based on knowing the consumption for a whole month, but in a real operating situation, a power limit must be chosen in advance. Choice of power limits in a real operating situation should thus use historical data to select the power limits that are best adapted to the expected consumption. The rebound effect has not been taken into account. Since the largest power peaks in district heating consumption have a duration of only one hour, the rebound effect will probably not contribute to amplified power peaks. If the power limits are lowered, so that loads are disconnected more often, it is possible that the rebound effect can contribute to larger power peaks overall. In that case, this should be tested. The task has neither addressed the consequences of a disconnection for the indoor climate. In order to maintain a good indoor climate, it is first and foremost desirable to disconnect loads in rooms with no people. By introducing a smart control of the building where users themselves can give feedback on the indoor climate, it is possible to find crossing points for good indoor comfort. Sensors and timetables for when different rooms are in use, in combination with historical data, will be able to provide information about the flexibility potential at any given time, and in this way loads can be reduced without giving negative consequences for the users of the building. In the winter of 2021/2022, the snow melting plant had an energy consumption of 87 kWh/m2, with power peaks of up to 2 000 kW. The system currently has no standby operation on either the ground or the district heating water, and this is one of the reasons why large power jumps occur when the system is switched on. The size of the power peaks does not depend on precipitation intensity, but on the temperature of the water in the district heating system in relation to the set point when the system is switched on. If the plant had been steered towards a weather service, the temperature of the district heating water could have increased gravely to the set point during the periods when snow has been reported, and the power peaks in the plant could have been reduced. In the thesis, this has not been tested, and it is therefore recommended to test this in practice. By reducing power peaks in the snow melting plant, the total power peaks for the veterinary building will also be reduced considerably.