Energy flexibility in Nordic Superblocks

Abstract

Buildings account for 40% of emissions in the European union and most of buildings’ emission are caused by their energy consumption. In an effort to lower emissions countries have increased the generation of renewables. Increasing wind and solar generation and their volatile nature will, however, introduce new challenges for energy systems balancing. Demand response has been suggested as a solution to both high emissions and grid stability. Demand response can enable buildings to shift their energy demand to a time when prices of emissions are lower.

As the energy system is decarbonizing the role of material will become more important. Nordic Superblock is a new building concept first developed by Tampere University for the Hiedanranta district. Nordic Superblocks combine housing, business spaces, and services, and utilizes circular economy strategies and renewable energy generation with the aim to become an energy self-sufficient and carbon negative district.

This thesis investigates energy flexibility and heating demand response potential of Nordic Superblocks. A Microsoft Excel based calculation tool was developed for the thesis with the goal of examining the potential to reduce peak heating power, and costs and emissions attributed to heat consumption. District heating, ground and air source heat pumps, and electric boilers were chosen as calculation cases.

The results show that the highest potential is in hybrid systems with both district heating and heat pump generation. If the generation method is chosen each hour based on energy price a 12% reduction in annual energy costs can be achieved. In other calculation cases, where heat pumps covered only the base load, the potential was much smaller, only in the order of 1%. The calculation tool aimed to raise the indoor temperature back to 21 °C after every demand response event and, therefore, the total change in energy consumption was limited. Demand response has been showed in literature to have potential for cost and emissions reduction, and as a conclusion of this thesis it is suggested that the calculation methods presented in this the-sis be developed further and simulations of the changes in the heating power of a Nordic Superblock be conducted.

Rakennusteollisuus aiheuttaa noin 40 % Euroopan Union alueen päästöistä ja suurin osa rakennusten päästöistä aiheutuu tällä hetkellä niiden energian kulutuksesta. Päästöjen vähentämiseksi uusiutuvan energian tuotannon määrää on kasvatettu, mutta lisääntyvä tuuli- ja aurinkovoiman tuotanto ja niiden volatiili luonne luovat tulevaisuudessa haasteita verkon tasapainotukselle. Energian päästöjen vähentämiseen ja uusiutuvan tuotannon haasteisiin on ehdotettu ratkaisuksi energian kysyntäjoustoa, jonka avulla rakennusten energiankulutusta on mahdollista yrittää siirtää ajankohtaan, jolloin energia on halvempaa tai aiheuttaa vähemmän päästöjä.

Energiajärjestelmän siirtyessä uusiutuviin tuotannon päästöt vähenevät ja materiaalien rooli rakennusten ympäristövaikutuksissa korostuu. Nordic Superblock, pohjoismainen superkortteli, on Tampereen yliopistossa Hiedanrannan aluetta varten kehitetty uusi rakentamisen konsepti. Superkortteli yhdistää eri asumisen muotoja, liikekiinteistöjä ja palveluita alueeksi, joka tavoittelee energiaomavaraisuutta ja hiilinegatiivisuutta muun muassa kiertotalouden ja uusiutuvien energiantuotantomuotojen avulla.

Tässä diplomityössä tarkastellaan Nordic Superblockin energiajoustavuutta ja lämmön kulutusjoustopotentiaalia. Tarkastelu suoritettiin työtä varten kehitetyllä Microsoft Excel -pohjaisella laskentaohjelmalla. Laskennalla pyrittiin selvittämään, kuinka suuri potentiaali superkorttelilla on kulutusjouston avulla vähentää lämmön huippukulutusta sekä vuosittaisia energiakustannuksia ja -päästöjä. Tarkasteltaviksi energiantuotantomenetelmiksi valikoituivat kaukolämpö, maalämpö, ilma-vesilämpöpumput sekä sähkökattila.

Laskennan tuloksena havaittiin, että suurin kustannussäästö on saavutettavissa hybridijärjestelmällä, jossa lämpö tuotetaan kaukolämmön ja lämpöpumppujen yhdistelmällä. Mikäli hybridijärjestelmässä lämmön tuotantotapa valitaan tunneittain energian hinnan perusteella, on mahdollista saavuttaa 12 % vähennys vuosikustannuksissa verrattuna tapaukseen, jossa lämpö tuotetaan kaukolämmöllä. Muissa laskentatapauksissa, joissa lämpöpumput tuottivat lämmityksen pohjakuorman, säästöpotentiaali oli huomattavasti pienempi, noin prosenttiyksikön luokkaa. Laskentatyökalu pyrki palauttamaan lämpötilan jokaisen kulutusjoustotapahtuman jälkeen 21 °C:seen, minkä vuoksi vaihtelut energiankulutuksessa jäivät pieniksi. Kulutusjoustolla on kuitenkin kirjallisuudessa esitetty olevan potentiaalia, joten jatkotarkasteluiksi suositellaan muutoksia tässä työssä esitettyyn laskentatapaan sekä kattavampia simulaatioita rakennuksen lämmönkulutuksen muutoksista.