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

Stadig skjerpede krav til redusert energibruk fremtvinger behovet for å videreutvikle og finne frem til nye og/eller endrede metoder for å planlegge og prosjektere tekniske anlegg mer optimalt. Viktige komponenter er økt bruk av varmepumpe og energilager / frikjøling. Videre er det særs viktig å kunne analysere og optimalisere ulike dimensjonerende temperaturer for de tekniske komponentene. Her er potensialet stort for ytterligere reduksjon av energibruk, og et av hovedtiltakene i prosjektet har vært utvikling av et simuleringsverktøy som effektivt kunne beregne gevinst og potensialer. Målet med prosjektet har vært å effektivisere energibruk for energiintensive bygninger med tidsvarierende varme- og kjølebehov. Dette er løst gjennom utvikling av optimaliserte løsninger for integrerte varme- og kjølesystemer med bruk av bergvarmeanlegg og andre energilagringsløsninger for balansering av energibehov over tid. I dette prosjektet har det vært fokus på sykehusbygg og andre helserelaterte bygg. Årsaken til dette fokuset er at et sykehusbygg innehar de aller fleste typer tekniske installasjoner og varierende driftsforhold ? ofte 24/7 ? og at kunnskapen som frembringes derfor kan brukes for mange andre typer bygg senere. Energipotensialet for prosjektet har vært 20-40% energireduksjon relatert til oppvarming og kjøling av sykehusbygg gjennom tilpasning til lokale forhold og optimalt samspill mellom ulike deler av energisystemet. Sentralt i denne sammenhengen har vært integrasjon av tekniske interne installasjoner og samspillet mellom følgende: - temperaturnivå varm side, - temperaturnivå kald side, - utnyttelse av overskuddsvarme og - temperaturnivå og konfigurasjon av brønnpark i kombinasjon med energilagring. Innovasjonen i prosjektet har vært å skape et validert kostnadseffektivt simuleringsverktøy og beste-praksis løsninger for design og drift av integrerte varme- og kjølesystemer i sykehusbygg og andre helserelaterte bygg. Det utviklede simuleringsverktøyet har hatt som mål å ha spesiell fokus på å håndtere lokale forhold, inkludert energilagring i brønnparker med gitt geologi, samt ulike geografiske klimaforhold. I prosjektet er det utviklet flere simuleringsmodeller for termisk lagring av varme i bakken. Det er videre utviklet modeller for å utnytte avkastvarme fra ventilasjonsluft med regulering etter ønsket temperaturnivå opp fra borehullet. Resultatene fra prosjektet er analysert ut fra total Seasonal Perfomance Factor (SPFtotal) som inkluderer tilført effekt til varmepumpe, spisslast, «gratis kjøling» ved varmepumpedrift, ren kjøling og fri kjøling. Ved å optimalisere turtemperaturnivået på varmesiden med fokus på lav returtemperatur og høy temperatur på kjølesiden i kombinasjon med utnyttelse av borehullet til størst mulig grad av fri kjøling kan en øke SPFtotal fra rundt 2.5 til nær 3.5. Simuleringsprogrammet kan videre benyttes til optimalisering av antall nødvendige borehull som funksjon av regulert temperaturnivå i bakken.

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.