Waste heat utilization and smart energy system of combined ice and swimming halls

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-05-06
Department
Major/Subject
HVAC Technology
Mcode
K3008
Degree programme
Master's Programme in Energy Technology (EEN)
Language
en
Pages
115 + 19
Series
Abstract
The building sector consumes about 40 % of global primary energy and contributes to 30 % of global CO2 emissions. The building sector has a great potential on reducing global energy use and emissions by improving overall energy efficiency and using more renewable energy sources instead of fossil fuels. Building sector in Finland includes about 220 ice halls and 280 swimming halls, which are easily overlooked as significant energy consumers and CO2 emission producers. The Ministry of the Environment of Finland has set no limits for the energy consumption of these type of buildings. The main potential energy saving and emission reducing measures for these type of buildings are waste heat recovery and demand response. Waste heat recovery reduces purchased energy in ice and swimming halls, since it utilizes heat from ice refrigeration, sewage water, dehumidification and exhaust air. Demand response reduces the peak-load of electricity or district heat grid, which in turn reduces emissions, since the energy for peaks is produced with high-polluting plants. The objectives of this thesis were to analyze the potential energy and cost saving potential of waste heat recovery and smart control of energy system in a combined energy system of ice and swimming halls. This thesis examines a case in Pirkkola (Helsinki), which includes an old existing medium-sized swimming hall and a new training ice hall. This study was carried out by dynamic building energy simulations and post-processing of the simulation results. The models of the ice and swimming halls and some specific component models of the energy systems were built. The waste heat recovery was complemented with short-time storing of heat. Measures for smart control of energy systems consisted of demand response of electricity and district heat and a smart exhaust air heat pump (EAHP). A rule-based demand response algorithm was introduced for control of electricity and district heat. A smart EAHP was built for the swimming hall, which adjusts the temperature set point of exhaust air to match the waste heat to the heat demands. This study found out that 99 % of purchased district heat in the ice hall could be replaced by waste heat, while the total electricity demand in the ice hall increases only by 9 %. By transferring excess heat from the ice hall to the swimming hall and by utilizing waste heats of the swimming hall, the total purchased district heat in the swimming hall is reduced by 72 %, while purchased electricity in the swimming hall is increased by 37 %. Demand response of electricity for ice refrigeration decreases the total electricity costs of the ice hall by 1.9 %. Demand response of district heat for swimming pool water and pool space air temperatures decreases the average price of purchased district heat in the swimming hall by 2.8 % and the total district heat costs of the swimming hall are reduced by 1.1 %. With all previous measures of utilization of waste heat and smart control of energy system, the changes in the total annual energy consumptions with summer breaks for the ice and swimming halls are 83 % reduced purchased district heat, 23 % increased electricity and 45 % reduced total purchased energy.

Maailmanlaajuisesti rakennussektori kuluttaa noin 40 % primäärienergiasta ja tuottaa noin 30 % hiilidioksidipäästöistä. Rakennussektorilla on potentiaali vähentää maailmanlaajuista energiakulutusta ja päästöjä parantamalla hyötysuhdetta ja käyttämällä enemmän uusiutuvia energialähteitä fossiilisten sijasta. Suomen rakennuskantaan kuuluu noin 220 jäähallia ja 280 uimahallia, joiden suuri energiakulutus ja päästöt jäävät helposti huomiotta. Ympäristöministeriö ei ole poikkeuksellisesti asettanut rajoja näiden rakennustyyppien energiakulutukselle. Näiden rakennustyyppien suurimmat mahdollisuudet energiakulutuksen ja päästöjen vähentämiseksi ovat hukkalämmön hyödyntäminen ja kysyntäjouston mukaan ohjatut järjestelmät. Hukkalämmön hyödyntäminen vähentää ostettua kaukolämpöä jää- ja uimahalleissa, sillä se hyödyntää hukkalämpöä jään jäähdytyksestä, jätevedestä, ilman kuivatuksesta ja poistoilmasta. Kysyntäjousto vähentää sähkö tai kaukolämpöverkon huippupiikkejä, joka puolestaan vähentää päästöjä, sillä huipputeho tuotetaan saastuttavammilla laitoksilla. Tämän tutkimuksen tavoitteina oli analysoida yhdistetyn jää- ja uimahallin energiasysteemin energiakulutuksen pienentämistä ja kustannussäästöjä hyödyntämällä hukkalämpöjä ja älykästä energiaohjausta. Tarkastelukohteena on kohde Helsingin Pirkkolassa. Kohteessa on vanha keskikokoinen uimahalli ja uusi rakenteilla oleva harjoitusjäähalli. Tämä tutkimus toteutettiin dynaamisella rakennuksen energiasimuloinneilla ja simulointituloksina saatavien energiavirtojen jälkikäsittelynä. Mallit rakennettiin jää- ja uimahalleille, ilmanvaihtokoneille ja energiasysteemin komponenteille, joita ei ollut valmiiksi saatavilla. Hukkalämmön hyödynnyksessä käytettiin lyhyen aikavälin lämpövarastoja. Älykäs energiaohjaus sisälsi sähkön ja kaukolämmön kysyntäjouston ja poistoilmalämpöpumpun ohjauksen. Sääntöperustainen algoritmi luotiin tässä tutkimuksessa sähkön ja kaukolämmön kysyntäjoustoa varten. Lisäksi poistoilmalämpöpumpulle luotiin älykäs ohjaus, joka ohjaa poistoilman lämpötilaa asettaen tuotetun hukkalämpömäärän vastaamaan uimahallin ennustettua lämmöntarvetta. Tämä tutkimus osoitti, että jäähallin ostetusta kaukolämmöstä 99 % voi korvata hukkalämmöllä, samalla kun jäähallin ostosähkö kasvaa vain 9 %. Siirtämällä jäähallin ylijäämähukkalämpö uimahallille ja hyödyntämällä uimahallin hukkalämpöjä, uimahallin ostettu kaukolämpö vähenee 72 % ja uimahallin sähkönkulutus kasvaa 37 %. Sähkön kysyntäjousto jään jäähdytyksessä vähentää jäähallin ostetun sähkön energiakustannuksia 1.9 %. Kaukolämmön kysyntäjousto uima-altaan ja allastilan lämmityksessä vähentää uimahallin ostetun kaukolämmön hintaa keskimäärin 2.8 % ja uimahallin kaukolämmön energiakustannuksia 1.1 %. Yhdistämällä kaikki mainitut hukkalämmön hyödyntämisen ja älykkään energiaohjauksen toimenpiteet, muutokset jää- ja uimahallin vuotuiseen energiakulutukseen kesätauot huomioiden ovat 83 % vähentynyt ostettu kaukolämpö, 23 % lisääntynyt ostosähkö ja 45 % vähentynyt kokonaisostoenergia.
Description
Supervisor
Kosonen, Risto
Thesis advisor
Jokisalo, Juha
Keywords
waste heat recovery, demand response, combined energy system, ice hall, swimming hall, dynamic building energy modelling
Other note
Citation