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Energy efficient space and water heating in a university building
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Fluid and Climate Technology.
2013 (English)Independent thesis Basic level (university diploma), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The building Norra Djurgården 43:12 on the main campus of the Royal Institute of Technology (KTH)  in Stockholm will be retrofitted as students from the exter- nal campus Haninge will be moved there. This occasion is supposed to be used to improve the facility’s energy efficiency. Potential for this exists for both the space and the water heating system. The effect of decreasing the supply temperature to the radiators was examined  based on equations for the heat transfer. It was calcu- lated that lowering the supply temperature by 5 K would reduce the space heating demand by 25 %, i.e. 94.25 MWh a1  and avoid emissions of 9.9 t CO2 a1.

Due to high heat losses from the secondary district heating circuit on KTH property

to the ground, an alternative for the domestic hot water supply at times without space heating demand, i.e. from May to September, was considered.  Two systems were designed which can completely cover the demand and were evaluated in terms of both energy and economic efficiency. The daily domestic hot water demand  as well as the peak demand were modelled especially for this purpose. A system com- prising ten flat panel solar thermal collectors with a total aperture area of 23.3 m2 and an auxiliary heat pump of 7.5 kW capacity was calculated to achieve a maximum coefficient of performance (COP) of 9.13 in June. In spite of the low operation cost, the system has a negative Net Present Value as the fixed capital investment is very high. The more competitive option is the installation of a heat pump of 12.22 kW capacity which is supposed to use waste heat from the server room.  If both the cooling power and the heating  power are considered as the benefit, the Net Present Value calculates to about 274,500 SEK, otherwise it is still almost 99,000 SEK (ap- proximately 32,000 EUR and 11,500 EUR respectively).  These figures are based on an operation cycle of one year, i.e. if the heat pump contributes to the space heating supply from October to March. Compared to the use of outside air as a heat source, the COP is increased by 83 % or 10 % respectively, depending on the definition of the benefit. The reduction in the district heating demand calculated to 24.48 MWh a1 provided the building can be disconnected from the KTH distribution network from May to September. At the same time, emissions of 2.57 t CO2 a1  could be avoided. In conclusion, the installation of a heat pump using waste heat from the server room appears to be a solution which is both energy efficient and economical.

Abstract [de]

Das Gebäude Norra Djurgården  43:12 auf dem Hauptcampus der Königlichen Tech- nischen Hochschule (KTH)  in Stockholm wird renoviert werden, da der Vorlesungs- betrieb des externen Campus Haninge zukünftig zum Teil dort stattfinden wird. Bei dieser Gelegenheit soll die Energieeffizienz  des Gebäudes gesteigert werden. Poten- tial hierfür besteht sowohl beim Heizen als auch in der Warmwasserbereitung. Die Auswirkungen einer verringerten Vorlauftemperatur zu den Heizkörpern wurden auf Grundlage von Gleichungen zur Wärmeübertragung betrachtet. Es wurde berech- net, dass die Verringerung der Vorlauftemperatur um 5 K den Heizbedarf um 25 % reduzieren würde, d. h. um 94,25 MWh a1, und damit Emissionen in Höhe von 9,9 t CO2 a1 vermieden werden könnten.

Aufgrund hoher Wärmeverluste vom sekundären Fernwärmekreislauf  zum Boden auf dem Gelände der KTH wurde eine Alternative  für die Warmwasserbereitung zu Zeiten ohne Heizbedarf, d.h. von Mai bis September, in Erwägung gezogen. Zwei Systeme, welche den Bedarf vollständig abdecken können, wurden entwick- elt und sowohl auf ihre Energieeffizienz  als auch auf ihre Wirtschaftlichkeit  hin geprüft. Der tägliche Warmwasserbedarf  sowie der Spitzenbedarf  wurden eigens zu diesem Zweck modelliert. Für ein Hybridsystem, welches aus zehn Flachkollek- toren mit einer gesamten Aperturfläche von 23,3 m2  und einer Wärmepumpe mit 7,5 kW Leistung besteht, wurde eine maximale Leistungszahl von 9,13 im Juni ermittelt. Trotz der geringen Betriebskosten ist der Kapitalwert negativ, da die Investitionskosten sehr hoch sind. Die konkurrenzfähige Alternative ist die Installa- tion einer Wärmepumpe mit 12,22 kW Leistung, welche die Abwärme der Computer im Serverraum nutzen soll. Werden sowohl die Kälte- als auch die Wärmeleistung als Nutzen angesehen, berechnet  sich der Kapitalwert zu etwa 32.000 EUR, ohne Miteinbeziehung der Kälteleistung zu 11.500 EUR. Diese Zahlen beziehen sich auf einen ganzjährigen Betrieb, d. h. die Wärmepumpe trägt von Oktober bis März zur Heizleistung bei. Verglichen mit der Nutzung von Außenluft als Wärmequelle kann die Leistungszahl um 83 % bzw. 10 % gesteigert werden, je nach Definition des Nutzens. Die Verringerung des Fernwärmebedarfs wurde zu 24,48 MWh a1 berech- net, vorausgesetzt das Gebäude kann von Mai bis September vom Verteilernetz der KTH abgekoppelt werden. Gleichzeitig ermöglicht dies Emissionseinsparungen von 2,57 t CO2 a1. Zusammenfassend erscheint  die Installation einer Wärmepumpe, welche die Abwärme im Serverraum nutzt, als eine sowohl energieeffiziente als auch wirtschaftliche Lösung.

Abstract [sv]

Byggnaden Norra Djurgården  43:12 på Kungliga Tekniska Högskolans (KTH:s) hu- vudcampus i Stockholm kommer att renoveras då studenter från den externa cam- pusen Haninge kommer att  flyttas dit. Detta tillfälle  skall nu utnyttjas  för att effektivisera byggnadens energiprestation.  Potentialen för energieffektivisering finns därtill  i både uppvärmningen och varmvattenberedningen. I detta arbete har ef- fekten av sänkt tilloppstemperatur till radiatorerna studerats.  Effekten har kvan- tifierats genom beräkningarna  med hjälp av välkända ekvationer för värmetrans- port.  Beräkningarna har visat att värmebehovet kunde minskas med 25 %, d.v.s. 94,25 MWh per år, genom en sänkning av tillopstemperaturen med 5 K. Följaktigen kunde CO2 emissionerna också minskas med ungefär 9,9 ton per år.

Då värmeförlusterna från den primära fjärrvärmekretsen mellan maj och september är höga, har ett alternativ  för varmvattenberedningen för denna tidsperiod pre- senterats.  Två system har presenterats som kan fullständigt täcka behovet  och har analyserats beträffande både energieffektiviteten och lönsamhet. Det dagliga varmvattenbehovet samt spetsbehovet har modellerats just för detta syfte.  Den maxmimala värmefaktorn till ett system bestående av 10 plana solfångare med en total aperturarea (genomskinliga arean) på 23,3 m2  och en värmepump  på 7,5 kW har uppskattats till 9,13 i juni.  Trots de låga driftskostnaderna är kapitalvärdet negativt eftersom investeringskostnaderna  var höga. Den andra lösningen innefat- tade installation av en värmepump på 12,22 kW som använder sig av spillvärmen från serverrummet. Om besparingen av både fjärrvärme och fjärrkyla  betraktas i lönsamhetsanalysen, beräknas kapitalvärdet till ungefär 247.500 SEK, respektive 99.000 SEK om bara det minskade fjärrvärmebehovet  betraktas. Dessa siffror är baserade på ett års drift, d.v.s. om värmepumpen står för uppvärmningen från ok- tober till mars. Jämfört med användningen av uteluft som värmekälla  ökar värme- faktorn med 10 %. Ökningen blir 83 % om i processens nytta inkorporeras både den värme som absorberats från serverrummet och den värme som används för varm- vattenberedning  och uppvärmning. Reduktionen i fjärrvärmebehovet har beräknats till 24,48 MWh per år, förutsatt att byggnaden kan kopplas ifrån KTH:s distribu- tionsnätverk mellan maj och september.  Samtidigt kunde CO2 emissionerna också reduceras med 2,57 ton per år. Sammanfattningsvis kan det konstaterats att instal- lationen av en värmepump,  som använder sig av spillvärmen från serverrummet, kan vara både en kostnads- och energieffektiv lösning för den undersökta byggnaden.

Place, publisher, year, edition, pages
2013. , 67 p.
Keyword [en]
space, water heating system, hot water supply, Norra Djurgården 43:12
National Category
Civil Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-128356OAI: oai:DiVA.org:kth-128356DiVA: diva2:647397
Supervisors
Examiners
Available from: 2013-09-11 Created: 2013-09-11 Last updated: 2013-09-11Bibliographically approved

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