Grønn IT – Unikt høytemperatur kjøle- og varmepumpeanlegg ved NTNU Gløshaugen

NTNU Drift har nylig satt i drift et unikt kjøle- og varmepumpeanlegg ved NTNU Gløshaugen, Trondheim. Anlegget kjøler superdatamaskinene ved Tungregnesenteret samt flere andre data-sentraler ved NTNU, og leverer varme ved 40 til 80 °C inn på det interne fjernvarmenettet.

0

Jørn Stene, Spesialist – varmepumper og kjølesystemer, COWI AS

Det energieffektive anlegget har en klar miljøprofil (Grønn IT) ettersom det bidrar til ca. 7-8 GWh årlig varmegjenvinning samt at det benyttes et miljøvennlig og framtidsrettet arbeidsmedium – ammoniakk (NH₃, R717).

Driftsavdelingen ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU) i Trondheim har i en årrekke hatt fokus på å redusere forbruket av vann, elektrisitet og varme i sin bygningsmasse. Ved hjelp av omfattende instrumentering av elektriske og termiske energisystemer tilknyttet ett sentralt SD-anlegg har de i dag meget god oversikt over energiflyten. NTNU har mange kjøleaggregater hvor kondensatorvarmen benyttes til oppvarming. Aggregatene har imidlertid 50 °C maks. utgående vanntemperatur, hvilket setter klare begrensninger på utnyttelse av varmen.

I 2013 installerte Tungregnesenteret ved NTNU nye superdatamaskiner, som bl.a. brukes til værsimuleringer for Meteorologisk institutt. Kjølebehovet ble opprinnelig dekket av standard kjølemaskiner. Pga. økende kjølebehov og ønske om større grad av varmegjenvinning, ble det i 2014 installert et høyeffektivt kjøle- og varmepumpeanlegg, som leverer overskuddsvarmen inn på det interne fjernvarmenettet ved NTNU Gløshaugen. Fjernvarmenettet er skilt fra primærnettet via en varmevekslersentral, som NTNU fikk installert i 2013. Dette trykkskillet gjør at NTNU Drift i dag har full kontroll over temperaturnivået i nettet. Turtemperaturen er utetemperatur-kompensert med en dimensjonerende temperatur på ca. 95 °C. Maksimal returtemperatur er ca. 60 °C.

Saken fortsetter under bildet:

Under kan man laste opp hele skjemaet i full størrelse.
[doc:44:pdf:NTNU skjema kjøle- og varmepumpe anlegg NH3 plakat]

Det kombinerte kjøle- og varmepumpeanlegget består av to aggregater av høy kvalitet fra GEA GmbH i Tyskland. Anlegget benytter ammoniakk (R717, NH3) som arbeidsmedium. Ammoniakk har i motsetning til HFK-mediene ingen innvirkning på drivhuseffekten ved utilsiktede utslipp (GWP=0). Mediet er derfor ikke omfattet av EUs F-gassdirektiv som setter krav til regelmessig lekkasjedeteksjon i anlegg påfylt HFK. Pga. ammoniakkens svært gode termofysikalske egenskaper, som medvirker til høy prosesseffektivitet, høy kompressorvirkningsgrad og effektiv varmeveksling, oppnår kjøleanlegg og varmepumper med ammoniakk betydelig høyere effektfaktor (COP) enn anlegg med HFK.

Det nye anlegget har 800 kW samlet kjøleytelse ved 7/12 °C i isvannssystemet, og maksimalt avgitt varmeeffekt er ca. 1,1 MW. Aggregatene har ett-trinns utførelse da det ikke var plass til et to-trinns anlegg i det trange plassbygde maskinrommet. Aggregatene har turtallsregulerte skruekompressorer med effektiv oljekjøling, og det er brukt ekstra varmevekslere i tillegg til kondensatorene for å oppnå høy COP ved høytemperatur varmeleveranse. Varme avgis først til bygningen hvor anlegget er plassert (Byggteknisk), mens overskuddsvarme leveres inn på returledningen i fjernvarmenettet (ringledning) ved NTNU Gløshaugen. Ved dimensjonerende forhold varmes fjernvarmevannet fra ca. 65 °C til 80 °C. Eventuell overskuddsvarme fra anlegget sommerstid avgis via en egen tørrkjølerkrets til uteluft.

En ulempe med ammoniakk som arbeidsmedium i forhold til HFK er mediets giftighet. Ammoniakk har også en stikkende lukt som kan skape panikk ved utslipp i områder hvor folk ikke er vant til å omgås ammoniakk. Maskinrommet er derfor gasstett, og sikkerhetsutstyret omfatter bl.a. nødventilasjon, gassdetektorer på tre nivåer og alarmsystem. Aggregatene er utstyrt med seksjoneringsventiler, som begrenser ammoniakkutslipp til et minimum ved en evt. lekkasje. Det er også installert en scrubber i maskinrommet. Scrubberen består bl.a. av en stor vanntank, og ved lekkasje føres den ammoniakkholdige luften gjentatte ganger gjennom en finfordelt vannspray som absorberer ammoniakken effektivt. Restkonsentrasjonen ventileres ut via en jethette på taket av bygningen. Ettersom ammoniakkgass er vesentlig lettere en luft fortynnes gassen raskt og utgjør dermed ingen fare for omgivelsene.

Kjøle-/varmepumpeanlegget oppnår en «energifaktor» i størrelsesorden 5. Dvs. at anlegget leverer 5 kWh nyttig varme og kjøling for hver kWh elektrisitet som tilføres for drift av anlegget. Ettersom overskuddsvarmen leveres til et fjernvarmenett med mange eldre bygninger er utnyttelsesgraden av overskuddsvarmen høy. Hvis en antar at anlegget har en gjennomsnittlig kjøleytelse på 700 kW og leverer all overskuddsvarme til fjernvarmenettet bortsatt fra årets varmeste måned, vil årlig varmeleveranse være i størrelsesorden 7 til 8 GWh/år. Årlig energibesparelse er estimert til ca. 4 til 5 GWh/år. På tross av at dette er et avansert og relativt kostbart anlegg er inntjeningstiden mindre enn 4 år.

Saken fortsetter under bildet:

Bildetekst: Det kombinerte kjøle- og varmepumpeanlegget består av to aggregater av høy kvalitet fra GEA GmbH i Tyskland.

COWI AS har som hovedstrategi å prosjektere energieffektive varmepumper og kuldeanlegg med miljøvennlige naturlige arbeidsmedier (ammoniakk, COâ‚‚, propan) der dette er mulig ut fra tekniske, økonomiske og praktiske forhold. I dette prosjektet har COWI i Trondheim hatt ansvaret for prosjektering og analyse av kjøle- og varmepumpeanlegget inkl. utarbeidelse av en detaljert rammebeskrivelse (tilbudsbeskrivelse) for kjøle-/varmepumpeaggregatene, prosjektering av ombygging av fjernvarme- og isvannssystemet, prosjektering av høyspent og lavspent strømforsyning samt gjennomføring av en detaljert risiko- og sårbarhetsanalyse (ROS-analyse). Eptec Energi AS i Moss/Oslo har levert anlegget, mens Eptec Energi AS i Trondheim skal stå for framtidig service og vedlikehold.

Anlegget er i utgangspunktet meget godt instrumentert, men det har blitt installert ekstra instrumentering slik at det kan benyttes som visnings- og øvingsanlegg for bl.a. Masterstudenter ved NTNU. Anlegget representerer det ypperste innen kjøle- og varmepumpeteknikk, og bruker dessuten et naturlig og miljøvennlig arbeidsmedium som bidrar til høy COP.