Integrerte varme- og kjølesystem for sykehusbygg med mål om minimal brutto energibruk

Increasing requirements for energy performance in buildings forces the need to further develop new and/or improved methods for planning and designing technical facilities. Important measures are significantly increased use of heat pump and energy storage / free cooling. Furthermore, it is particularly important to be able to analyse different dimensioning temperatures for the various technical components. There is significant potential for further improvement, and one of the main approaches used in the project has been the development of a simulation tool that can effectively calculate gains and potentials. The aim of the project has been to make the energy use more efficient for energy-intensive buildings with time-varying heating and cooling needs. This has been solved through the development of optimized solutions for integrated heating and cooling systems where geothermal heating systems and other energy storage solutions are used for balancing energy needs over time. In this project, the focus has been on hospital buildings and other health-related buildings. The reason for this is that a hospital building include many types of technical installations and varying operating conditions - often 24/7. Thus the knowledge developed in the project is also relevant for other buildings. The energy potential for the project has been 20-40% energy reduction related to heating and cooling of hospital buildings through adaptation to local conditions and optimal interaction between different parts of the energy system. Central in this context has been the integration of technical internal installations and the interplay between the following: - temperature level hot side, - temperature level cold side, - utilization of surplus heat and - temperature level and configuration of the well park in combination with energy storage. The innovation in the project has been to create a validated cost-effective simulation tool and best-practice solutions for the design and operation of integrated heating and cooling systems in hospital buildings and other health-related buildings. The developed simulation tool has aimed to have special focus on dealing with local conditions, including energy storage in well parks with a given geology, as well as various geographical climatic conditions. In the project, several simulation models have been developed for thermal storage of heat in the ground storage area. Models have also been developed for utilizing waste heat from exhaust ventilation air with regulation according to the desired temperature level from the return temperature from the borehole. The calculation results from the project are as analysed using a total Seasonal Performance Factor (SPFtotal) which includes added electrical power to the heat pump, peak load, "free cooling" during heat pump operation and free cooling. By optimizing the return temperature level on the heating side with focus on low return temperature and high temperature on the cooling side in combination with utilization of the optimized temperature level in the borehole with focus on free cooling, the SPFtotal can be increased from around 2.0 up to 3.5. The simulation program can further be used to optimize the number of required boreholes as a function of regulated temperature level in the ground.

Innovasjonen i dette prosjektet har gitt et simuleringsverktøy som vil ivareta behovet for optimalisering av varme- og kjølesystemer i bygningsmasse, inkludert muligheten for å modellere et energilager under grunnen på en enklere og bedre måte med en tilstrekkelig nøyaktighet på en langt bedre måte enn de verktøy som har vært tilgjengelig i dag. Det er lagt vekt på design av byggets termiske egenskaper basert på temperaturbehov for produksjonspunkter i ulike deler av bygget. Verktøyet er validert og har kjent nøyaktighet og det er utarbeidet beste-praksis anbefalinger. Ved forbedret samspill mellom ulike deler av energisystemet gjennom tilpasning av termiske løsninger basert på ulike temperaturbehov vil dette vil gi en betydelig reduksjon i behovet for tilført energi for oppvarming og kjøling. Sykehusbygg er valgt som bygg-kategori fordi besparingspotesialet er omfattende her, men simuleringsverktøyet vil også kunne benyttes for andre bygningskategorier.

10 % av offentlig bygningsmasse er relatert til helsebygg. Disse bygningene har ca. dobbel energibruk sammenlignet med andre bygninger og er dermed blant de høyeste energibrukerne innenfor bygningssektoren i Norge. Sykehus har typisk et årlig energibehov på 300-500 kWh/m2. God design og ytelse på integrerte varme- og kjølesystemer fordrer godt samspill mellom komponenter i systemet; systemets ytelse er avhengig av alle komponenter og hvordan de er integrert. Energisystemene i moderne bygg, og spesifikt i sykehusbygg, er så komplekse at det er behov for å simulere det komplette energisystemet for å finne gode total-løsninger. For å redusere energibehovet i sykehusbygg og andre helserelaterte bygg i tråd med målene i dette prosjektet er det behov for en modell av energisystemet som det er relativt enkelt å tilpasse til ulike bygg, klimatiske forhold og andre lokale forhold, og der det er mulig å utføre sensitivitetsanalyser og optimalisering. Dette vil gi spennende FoU-utfordringer da kriterier skal fastsettes og komponenter defineres teknisk gode og innovative løsninger som vil gi ønsket energireduksjon. Hovedmålet for innovasjonsprosjektet er å skape en dokumenterbar 20-40% energireduksjon relatert til oppvarming og kjøling av sykehusbygg gjennom (1) å utvikle beste-praksis retningslinjer for design og drift av energisystemet i sykehusbygg for norske forhold og (2) å utvikle et verktøy som skal gjøre det effektivt å designe og drifte slike systemer i henhold til beste-praksis retningslinjene. Simuleringsmodellen (designverktøyet) vil være nyvinnende i sitt slag og det vil være både nasjonal og internasjonal interesse for resultatene. Retningslinjer og verktøy vil også ha direkte overføringsverdi til andre typer bygninger og vil ha betydelig merverdi til både byggherrer og rådgivende ingeniører / prosjekterende.