förbättrad teknik för fjärrvärme till byggnader med vattenburna värmesystem rapport 2010:2

Transkript

1 förbättrad teknik för fjärrvärme till byggnader med vattenburna värmesystem rapport 2010:

2

3 förbättrad teknik för fjärrvärme till byggnader med vattenburna värmesystem patrick lauenburg doktorsavhandling avdelningen för energihushållning institutionen för energivetenskaper lunds tekniska högskola lunds universitet 2009 följande rapport utgör en svensk version av doktorsavhandlingen improved supply of district heat to hydronic space heating systems. ISBN ISBN Svensk Fjärrvärme AB

4 förord Doktorsavhandlingen beskriver olika åtgärder på bland annat kundens sekundära värmesystem som är anslutet till fjärrvärmesystemet via ett aggregat (fjärrvärmecentralen) så kallad indirekt anslutning. Syftet med avhandlingen har varit att analysera värmeleveransers tillförlitlighet och att förbättra avkylningen i fjärrvärmecentralen genom reglerstrategier och olika kopplingsprinciper. Patrik Lauenburg visar på ny kunskap om hur byggnaden kan tillgodogöra sig fjärrvärme under elvabrott när andra typer av energikällor som är beroende av el inte fungerar dvs. robust tillförlitlighet under varierande driftförhållanden. Genom att utnyttja fjärrvärmecentralens termodynamiska egenskaper där självcirkulation uppnås kan större delen av byggnadens värmebehov tillgodoses. Studien belyser även andra innovativa idéer på åtgärder som kan minska kundens elberoende, till exempel turbindriven cirkulationspump. Arbete har genomförts av doktorand Patrik Lauenburg och handledare Janusz Wollerstrand, Lunds tekniska högskola. Till projektet har det funnits en referensgrupp bestående av en representant från teknikrådet, Holger Feurstein, Ringsjö Energi och Conny Håkansson Svensk Fjärrvärme. Projektet har ingått i forskningsprogrammet Fjärrsyn som finansieras av Svensk Fjärrvärme och Energimyndigheten. Fjärrsyns mål är att bland annat att utveckla tekniken, driftoptimera fjärrvärme och fjärrkyla för att stärka konkurrenskraften genom en mer anpassad behovsstyrd forskning. Eva-Katrin Lindman Ordförande i Svensk Fjärrvärmes teknikråd Rapporten redovisar projektets resultat och slutsatser. Publicering innebär inte att Svensk Fjärrvärme eller Fjärrsyns styrelse har tagit ställning till innehållet. 4

5 sammanfattning Studierna som presenteras i denna avhandling berör värmesystem som är anslutna till ett fjärrvärmenät via värmeväxlare, så kallad indirekt anslutning. Syftet är att studera tillförlitligheten i fjärrvärmeleveranser och att förbättra avkylningen i fjärrvärmecentraler. Två av nackdelarna med indirekt anslutning har behandlats: den termodynamiska förlusten och elberoendet som användningen av värmeväxlare innebär. Resultaten visar att inverkan av dessa nackdelar kan minskas genom att använda varianter av så kallade lågflödesinjusteringar av värmesystem. Beträffande tillförlitliga fjärrvärmeleveranser så har arbetet lett till ny kunskap om fjärrvärmeteknikens elberoende. En betydande värmeförsörjning kan upprätthållas i de flesta typer av byggnader i händelse av ett elavbrott eftersom självcirkulation kan uppstå i många värmesystem. En turbindriven cirkulationspump har potential att ytterligare minska elberoendet. Beträffande god avkylning av fjärrvärmevatten, vilket är ett viktigt prestandamått för fjärrvärmecentraler, så har en ny reglermetod för värmesystem visat potential att kunna sänka returtemperaturen. Metoden innebär reglering av både framtemperatur och flöde i systemet. Möjligheten att förbättra avkylningen genom olika kopplingsprinciper i fjärrvärmecentraler har också studerats. Nyckelord: Fjärrvärme, värmesystem, självcirkulation, avkylning, returtemperatur 5

6 summary The studies presented in this thesis concern hydronic space heating systems connected via heat exchangers to a district heating network: referred to as an indirect connection. The objective has been to improve the reliability of district heat supplies and to lower the return temperature from consumer substations. Two of the disadvantages of an indirect connection have been addressed: the thermodynamic loss and the local dependency on electricity involved during the use of a heat exchanger. The results show that the influence of these disadvantages can be reduced by employing several variants of so-called low-flow processes in hydronic heating systems. Concerning the reliability of district heat supplies, the present work has led to new knowledge regarding the dependence of the district heating technology on electricity. A substantial heat supply can be maintained in numerous buildings in case of an electric power failure since natural circulation can be expected to take place in the heating systems. A turbine-driven circulation pump has the potential to further reduce the dependence on electricity. Concerning a low return temperature from consumer substations, which is a key performance measure for district heating substations, a new method for the control of the heating system has demonstrated a potential of reducing the district heating return temperature. The method involves the control of both the supply temperature and the flow rate in the heating system. The possibility of achieving a low return temperature from different connection schemes of the substation has also been studied. Keywords: District heating, hydronic space heating, natural circulation, low return temperature 6

7 erkännanden Många personer har deltagit i och hjälpt till med följande arbete, och jag är samtliga mycket tacksam. Tack till: Min handledare, Svend Frederiksen, som gav mig möjligheten att bedriva mina forskarstudier vid avdelningen, delat med sig av sina oerhörda kunskaper om fjärrvärme och väglett mig genom arbetet. Min biträdande handledare, Janusz Wollerstrand, för (nästan) dagliga diskussioner, tålamod med en ofta förvirrad doktorand, och som delat med sig av sitt stora tekniska kunnande. Per-Olof Johansson, för alla timmar som har spenderats i smutsiga källarutrymmen, framför datorn med att skriva artiklar och bygga datormodeller och, sist men inte minst, med att dricka kaffe. Projektledaren för projektet om fjärrvärme vid elavbrott, Lennart Lindsjö, och referensgruppen, Lennart Andersson, Jan Berglund, Conny Håkansson, Kurt Ericsson, Egon Lange och Jan-Peter Stål, för ert värdefulla stöd, och Anna Envall Lundberg, kommunikatör för projektet. Harald Andersson på E.ON, som kom på idén att studera självcirkulation och som initierade projektet. Ordförande och medlemmar av the Scientific Committe of the Nordic Energy Research Programme Primary Energy Efficiency, Rolf Ulseth, och projektgruppen, Carl-Johan Fogelholm, Olafur Petur Palsson, Andres Siirde, och Lars Gullev, samt doktorandkollegorna Monica Berner, Thomas Kohl, Marta Ros Karlsdottir och Eduard Latosov, för stöd och intressanta seminarier. Referensgruppen i projektet om adaptiv reglering, Kjell Andersson, Holger Feurstein, Gunnar Nilsson, Östen Tordenmalm, Robert Duimovich, Lars Hansson och Hampus Ekvall, för värdefulla råd. Hans Magnusson på Karlshamnsbostäder, för hjälp i projektet om adaptiv reglering genom att alltid göra våra besök i Karlshamn till ett nöje. Christian Johansson och Fredrik Wernstedt på BTH/Noda IS AB, för all hjälp i Karlshamn och för att vi fick använda er utrustning. Karlshamn Energi AB och Alfa Laval AB för hjälp i projektet med adaptiv reglering. Göteborg Energi AB och Grundfos A/S för hjälp med projektet om den turbindrivna pumpen. All driftspersonal och annan personal som gjort det möjligt att genomföra alla experiment. Alla kollegor på min avdelning, Lennart Thörnqvist, Jurek Pyrko, Fahrad Derakhshan och Tommy Persson (som hjälpte mig under mitt första år innan han slutade), och alla på institutionen, speciellt Magnus Fast och Klas Jonshagen, för ert goda sällskap. Svensk Fjärrvärme AB samt Energimyndigheten, Nordic Energy Research, E.ON Värme Sverige AB, Malmö Stad, Stadsfastigheter, MKB Fastighet AB och Göteborg Energi AB för finansiering. Min familj: mamma, pappa och bror, och den mest betydelsefulla personen för mig, min fru Sofi, för ert stöd! 7

8 publikationer i avhandlingen Avhandlingen är baserad på följande artiklar. Artiklarna återfinns som bilaga. Observera att jag ändrade mitt efternamn under 2008, från Ljunggren till Lauenburg. Artikel I Optimised space heating system operation with the aim of lowering the primary return temperature Ljunggren, P., Johansson, P.-O., Wollerstrand, J. Conference proceedings från 11 th International Symposium on District Heating and Cooling, 2008, Reykjavik, Island. Artikel II Obstacles for natural circulation in heating systems, connected to district heating via heat exchangers, during a power failure Johansson, P.-O., Ljunggren, P., Wollerstrand, J. Conference proceedings från 11 th International Symposium on District Heating and Cooling, 2008, Reykjavik, Island. Artikel III Modelling space heating systems connected to district heating in case of electric power failure Lauenburg, P., Johansson, P.-O., Wollerstrand, J. Conference proceedings från Building Simulation 2009 (11 th International Building Performance Simulation Association Conference and Exhibition), Glasgow, Skottland. Artikel IV A turbine-driven circulation pump in a district heating substation Wollerstrand, J., Lauenburg, P., Frederiksen, S. Conference proceedings från ECOS 2009 (22 nd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems), Foz do Iguaçu, Brasilien. Artikel V Improved cooling of district heating water in substations by using alternative connection schemes Johansson, P.-O., Lauenburg, P., Wollerstrand, J. Conference proceedings från ECOS 2009 (22 nd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems), Foz do Iguaçu, Brasilien. Artikel VI District heating in case of power failure Lauenburg, P., Johansson, P.-O., Wollerstrand, J. Article in press, accepted manuscript, Applied Energy (2009). Artikel VII Adaptive control of radiator systems for a lowest possible district heating return temperature Lauenburg, P., Wollerstrand, J. Submitted for publication (2009). 8

9 erkännanden Andra relevanta publikationer av författaren: Cascading in District Heating Substations in Pursuit of Low Return Temperatures Ljunggren, P., Wollerstrand, J., Frederiksen, S. Conference proceedings från 9 th International Symposium on District Heating and Cooling, 2004, Espoo, Finland. Optimal och robust drift av fjärrvärmecentraler avkylning och egenskaper vid elavbrott Ljunggren, P. Licentiatavhandling, Institutionen Energivetenskaper, Lunds Universitet, LTH, District heating supplies during a power failure Ljunggren, P. Presentation vid 33 rd Euroheat & Power Congress CHP/DHC: building our future, Juni 2007, Köpenhamn, Danmark. Fjärrvärme vid elavbrott slutrapport Lauenburg, P., Johansson, P.-O. Projektrapport, Institutionen Energivetenskaper, Lunds Universitet, LTH, Fjärrvärme vid elavbrott Lauenburg, P. Energi & Miljö (2009) vol. 80(2/09). Fältförsök med adaptiv reglering av radiatorsystem Wollerstrand, J., Lauenburg, P. Fjärrsynrapport 2009:19, Svensk Fjärrvärme,

10 populärvetenskaplig sammanfattning I ett fjärrvärmesystem produceras varmvatten centralt och distribueras till användare via ett rörnät. Fjärrvärme innebär att man kan uppnå bättre rökgasrening, att man inte är bunden till ett visst energislag och att det är möjligt att använda energi som annars skulle gå till spillo, t ex restvärme från en industri eller från elproduktion. Ett enkelt, bränsleeldat kraftverk kan bara omvandla en begränsad del av den tillförda energin till el medan huvuddelen normalt kyls bort. I ett s.k. kraftvärmeverk tillvaratas däremot restvärmen och distribueras i ett fjärrvärmenät. Fjärrvärmen är väl utbyggd i Sverige och svarar för 90 % av uppvärmningen av våra flerbostadshus. År 1980 stod olja för 90 % av den tillförda energin till den svenska fjärrvärmen medan biobränsle och restvärme idag står för 76 %. Internationellt har fjärrvärmen betydande marknadsandelar främst i de skandinaviska länderna och i en del länder i centrala och östra Europa. Fjärrvärme förekommer i mindre utsträckning i andra länder, bland annat i USA. Idag svarar fjärrvärme för 6 % av uppvärmningen i Europa men är under uppgång. Möjligheterna är oerhörda med tanke på att värmeförlusterna i den europeiska energibalansen (som främst uppstår i bränsleeldade kraftverk) är större än slutanvändningen av värme. Distribution / Fjärrvärmenät Produktionsanläggning Fjärrvärmecentral Värme Tappvarmvatten Ett fjärrvärmesystem består av flera olika delar: produktion, distribution och användare. Värme överförs till byggnaden i fjärrvärmecentralen. Studierna i denna avhandling berör två teman inom fjärrvärmeforskningen tillförlitlighet och god avkylning med fokus på värmesystem med indirekt fjärrvärmeanslutning. Det sistnämnda innebär att värme överförs från fjärrvärmevattnet till byggnadens värmesystem via en värmeväxlare. Metoden används bland annat i Sverige och denna avhandling fokuserar på hur några av nackdelarna med indirekt anslutning kan minimeras. Angående tillförlitlighet har möjligheterna att leverera fjärrvärme vid ett långvarigt elavbrott studerats. Det visade sig att det finns goda möjligheter till självcirkulation i de anslutna värmesystemen, vilket uppstår då det finns en tillräckligt stor temperaturskillnad mellan fram- och returledningen i ett värmesystem eftersom varmt vatten väger mindre än kallt. Om det finns reservkraft för att upprätthålla produktion och distribution av fjärrvärme kan värme överföras till byggnaden trots att cirkulationspumpen i fjärrvärmecentralen i byggnaden slutar att fungera. Resultaten visar att de allra flesta 10

11 byggnader kan få betydande självcirkulation vid ett elavbrott, vilket innebär att man normalt klarar flera dygn innan en eventuell evakuering blir nödvändig. För att minimera effekten av ett omfattande elavbrott pågår arbete för att under ett avbrott kunna etablera ett mindre elnät genom att utnyttja lokal elproduktion. För ett kraftvärmeverk är det ofta en förutsättning att restvärme från elproduktionen kan tas emot av fjärrvärmenätet. Det var tidigare oklart huruvida detta var möjligt vid ett elavbrott, men har nu alltså visat sig vara det. God avkylning, d v s en så stor temperaturskillnad mellan fram- och returledning som möjligt, har varit ett ständigt aktuellt tema inom fjärrvärmeforskningen. På så sätt behöver mindre vatten pumpas runt, vilket sparar energi och frigör kapacitet i näten. En låg returtemperatur gynnar dessutom verkningsgraden i vissa typer av produktionsanläggningar, t ex pannor med rökgaskondensering. God avkylning kan även ge möjlighet till en sänkt framledningstemperatur vilket innebär en positiv effekt för kraftvärmeverk som då kan producera mer el och för restvärme som kan utnyttjas bättre. Sänkta temperaturer i fjärrvärmenäten minskar också värmeförlusterna från rören. Med syfte att förbättra avkylningen har en metod för bättre reglering av värmesystem utvecklats. För varje utetemperatur bestäms den kombination av framledningstemperatur och flöde i värmesystemet som ger bästa möjliga avkylning av fjärrvärmevattnet. 11

12 innehåll introduktion 13 Bakgrund 13 Syfte 13 Begränsningar 14 Avhandlingens upplägg 14 översikt om fjärrvärme 16 Grundläggande om fjärrvärme 16 Produktion 17 Distribution 17 Fjärrvärmecentraler 17 Direkt respektive indirekt anslutning 18 Kopplingsprinciper 19 byggnadsinterna system med fjärrvärmeanslutning 20 Tappvarmvatten 20 Rumsuppvärmning 20 Värmesystemets reglering 20 Systemtemperaturer 21 Några innovationer på området 23 vikten av låga temperaturer i fjärrvärmesystem 26 Definition 26 Varför viktigt? 26 Höga returtemperaturer på grund av felaktigheter i fjärrvärmecentraler 27 Låga returtemperaturer i fjärrvärmecentraler 28 Värmesystemets inverkan på den primära returtemperaturen 28 fjärrvärmeleverans och tillgänglighet 30 Fjärrvärme generellt tillförlitligt 30 Elavbrott 30 Självcirkulation kan mildra elberoende 32 En turbindriven pump kan ytterligare minska elberoendet 34 metod 35 avslutande diskussion 36 Reflexioner kring studierna syftande till en sänkt returtemperatur 36 Reflexioner kring studierna fjärrvärmens elberoende 36 Förslag på fortsatt studie om kontinuerlig drift med en turbindriven pump 37 referenser 41 12

13 introduktion Bakgrund Fjärrvärme innebär produktion av varmvatten i en eller flera produktionsenheter samt distribution till användare via ett rörnät. Motsatsen till detta är lokal värmeproduktion där varje användare har sin egen värmekälla. Produktion i få, men stora, produktionsanläggningar kan ge fördelar i form av lägre utsläpp och högre verkningsgrad. En annan fördel är att fjärrvärmetekniken inte är bunden till en särskild energikälla, vilket gör det möjligt att använda energi som annars skulle gå till spillo. Fjärrvärmetekniken är i många länder intimt förknippad med kraftvärme, det vill säga kraftproduktion där restvärmet tillvaratas och distribueras via ett fjärrvärmenät vilket bidrar till ett effektivt användande av energiresurser. Fjärrvärme kan anses vara en mogen teknik. Det finns emellertid många områden som kan utvecklas och förbättras. Fjärrvärmeforskning bedrivs inom olika discipliner: ekonomi, politik och teknik, och berör marknadsföring, expansion och effektivitet av fjärrvärmesystem. Detta innebär i sin tur produktion, distribution och användning av fjärrvärme. Studierna som presenteras i denna avhandling berör uppvärmningssystem med så kallad indirekt fjärrvärmeanslutning, det vill säga via värmeväxlare, med syfte att förbättra tillgängligheten i fjärrvärmeleveranser och att förbättra avkylningen i fjärrvärmecentraler. Beträffande tillgänglighet i fjärrvärmeleveranser har arbetet lett fram till ny kunskap beträffande fjärrvärmens elbehov. Beträffande god avkylning i fjärrvärmecentraler, vilket är ett viktigt prestandamått för fjärrvärmecentraler, har en ny reglermetod visat potential att sänka fjärrvärmereturtemperaturen. Möjligheten att förbättra avkylningen genom innovativa kopplingsprinciper i fjärrvärmecentraler har också studerats. En fjärrvärmecentral kan konstrueras för indirekt eller direkt anslutning av värmesystemet, det vill säga huruvida en värmeväxlare hydrauliskt skiljer primärsidans (fjärrvärmenätets) och sekundärsidans (byggnadens) flöden. I Sverige, och i en del andra länder, dominerar indirekt anslutning. Båda metoderna har självfallet både för- och nackdelar. I detta arbete har indirekt anslutning förutsatts och två av metodens nackdelar har studerats närmare: den termodynamiska förlusten och det lokala beroendet av elektricitet som användandet av en värmeväxlare innebär. Resultaten som presenteras här visar att inverkan av dessa nackdelar kan minimeras genom användandet av varianter av så kallade lågflödessystem i värmesystem. Syfte Syftet med studierna var att undersöka och presentera nya aspekter på det som vanligtvis kallas lågflödessystem i fjärrvärmeanslutna värmesystem avseende tillgänglighet och god avkylning av fjärrvärmevatten. Avsikten med arbetet har därmed varit att minimera vissa av nackdelarna med indirekt anslutning, det vill säga den termodynamiska förlusten såväl som tillgängligheten beträffande elberoende. Tillgänglighet avser således att utforska möjligheten att upprätthålla värmetillförseln i fjärrvärmesystem i händelse av ett omfattande elavbrott genom de mycket låga radiatorflöden som kan uppstå genom självcirkulation i värmesystem. Studierna kring detta ämne presenteras i Artikel II, Artikel III, Artikel IV och Artikel VI. 13

14 God avkylning av fjärrvärmevatten avser att utforska möjligheterna att uppnå en så låg primär returtemperatur som möjligt för en given primär framtemperatur, vilket ofta leder till en minskad användning av primära energiresurser. I studien som presenteras i Artikel V, undersöktes alternativa kopplingsprinciper för fjärrvärmecentraler och deras inverkan på avkylningen. I Artikel I och Artikel VII presenteras en ny regleralgoritm för fjärrvärmeanslutna värmesystem. Reglermetoden använder en optimal kombination av framtemperatur och ett lågt, variabelt flöde i värmesystemet i syfte att åstadkomma lägsta möjliga primära returtemperatur. Figur 1 illustrerar syftet med avhandlingsarbetet. Värmesystem med indirekt fjärrvärmeanslutning - Negativ inverkan både på produktion och distribution av fjärrvärme - Leder till ökad användning av primärenergi Högre returtemperatur - Utveckla adaptiv algoritm som använder variabelt flöde - Undersöka olika kopplingsprinciper Nackdelar Dyrare Möjligheter att mildra nackdelar: Låga flöden i radiatorsystem Elberoende - Undersöka möjligheter för självcirkulation - Möjligt komplement: en turbindriven cirkulationspump - Känsligt för elavbrott - Använder el, dvs ökad användning av primärenergi Figur 1 Syftet med avhandlingen. Baserat på tidigare arbeten på området, både svenskt och internationellt, utfördes studierna med stöd av datorberäkningar och praktiska experiment i ett flertal olika byggnader. Begränsningar Som redan nämnts är en viktig begränsning med arbetet att indirekt fjärrvärmeanslutning för värmesystem har förutsatts, likaså har tappvarmvattenberedning med genomströmningsberedare. Vidare har ingen ekonomisk utvärdering av de erhållna resultaten gjorts. Avhandlingens upplägg I avhandlingens första del presenteras en översikt av vissa delar av fjärrvärmetekniken som är relevant för studierna som presenteras i artiklarna. Avsikten har varit att, baserat på en sammanställning av vad som i huvudsak gjorts under senare år, peka på hur föreliggande arbete har bidragit till utvecklingen. Avhandlingens andra del utgörs av artiklarna. 14

15 Nästa kapitel ger relevant bakgrundsinformation om fjärrvärme i allmänhet, de olika delarna av systemet och skillnaden mellan direkt och indirekt anslutning av värmesystem. Detta följs av ett kapitel om byggnadsinterna system, främst avseende rumsuppvärmning, med fokus på de aspekter som är relevanta för studierna som presenteras i artiklarna. Kapitlet inkluderar en kort översikt beträffande innovationer på området under senare år. Det därpå följande kapitlet ägnas åt vikten av låga temperaturer i fjärrvärmesystem och de parametrar som påverkar dessa. Därefter diskuteras begreppet tillgänglighet i fjärrvärmesystem med fokus på elberoende. Detta följs av ett kort kapitel om metod och några avslutande reflexioner och kommentarer om fortsatta studier. Artiklarna ligger som bilaga, sist i avhandlingen. 15

16 översikt om fjärrvärme Detta kapitel avser att ge relevant bakgrundsinformation beträffande fjärrvärmetekniken. Där inga specifika referenser har getts, kan den presenterade informationen betraktas som allmänt känd fjärrvärmekunskap, något som beskrivits i detalj i bland annat en lärobok av Frederiksen och Werner [21]. Grundläggande om fjärrvärme En del fördelar med fjärrvärme nämndes redan i introduktionen, till exempel den generellt höga verkningsgraden med avseende på användning av primära energiresurser. Lågvärdig energi, såsom restvärme från kraftproduktion, industriella processer, avfallsförbränning, sol och geotermi, som annars skulle gå till spillo eller vara svåra att nyttiggöra, kan överföras till användare i ett fjärrvärmesystem. I fjärrvärmeanslutna byggnader används fjärrvärmevattnet i första hand till rumsuppvärmning och tappvarmvatten. Andra ändamål inkluderar till exempel torkkretsar, kyla och industriella applikationer. Fjärrvärmevattnet kan användas direkt i det byggnadsinterna systemet eller värme kan överföras till de byggnadsinterna systemen via värmeväxlare. Fjärrvärme är vanligt i Sverige med en marknadsandel på 90 procent för uppvärmning och tappvarmvatten i flerbostadshus. I lokalbyggnader används också fjärrvärme i stor utsträckning medan andelen bland småhus är relativt låg. Totalt svarar fjärrvärme för 54 procent av energin som används för rumsuppvärmning och tappvarmvatten i Sverige. [68] År 1980 stod olja för 90 procent av den tillförda energin till fjärrvärmeproduktionen i Sverige. Idag svarar biobränsle, avfall, torv och restvärme för 76 procent [67]. Fjärrvärme har därmed klart bidragit till ett skifte ifrån olja i den svenska byggnadssektorn. Andra länder med betydande marknadsandelar för fjärrvärme finns i Skandinavien och östra Europa. Emellertid finns fjärrvärmesystem i många städer i vissa länder i västra Europa och i USA. De största fjärrvärmevolymerna återfinns i Ryssland och Tyskland. Den totala marknadsandelen i Europa uppgår till endast sex procent men den ökar. Potentialen är oerhörd med tanke på att värmeförlusterna i den europeiska energibalansen (vilka främst uppstår i bränsleeldade kraftverk) är större än slutanvändningen av värme. Det finns även en stor potential att spara energi genom fjärrvärmebaserad kyla och fjärrkyla (central produktion av kyla) med tanke en kraftigt ökande efterfrågan på komfortkyla som idag främst baseras på eldriven kompressorkyla. Fjärrkyla ökar både i Sverige och internationellt. Uppgifterna i detta stycke är hämtade från Ecoheatcool-projektet [14]. En fördel med fjärrvärme, som ofta lyfts fram, är möjligheten att använda energi som är svår att nyttiggöra eller som annars skulle gå förlorad, såsom restvärme eller lågvärdigt värme. Centraliserad värmeproduktion innebär även bättre möjligheter till effektiv förbränning och rökgasrening. Werner [77] har uppskattat att fjärrvärme och kraftvärme minskar världens koldioxidutsläpp med 3-4 procent, trots en marknadsandel på 3,5 procent av världens energianvändning. En nackdel med fjärrvärmetekniken är den relativt höga investeringskostnaden, i synnerhet i bebyggda områden. 16

17 Produktion Det finns många sätt att producera fjärrvärme. För endast produktion av värme kan hetvattenpannor användas. I Sverige står sådana för majoriteten av fjärrvärmeproduktionen [62]. Som nämnts ovan har det tillförda bränslet skiftat från i huvudsak olja till trädbränslen [67]. Idag är pannor i regel utrustade med rökgaskondensering vilket avsevärt höjer verkningsgraden. Kraftvärme nämns ofta i samband med fjärrvärme. Det innebär samtidig produktion av el och värme. All termisk kraftproduktion är förknippad med stora värmeförluster som är svåra att nyttiggöra utan tillgång till ett fjärrvärmenät. Kraftvärme kan betraktas som nyttiggörande av spillvärme även om elproduktionen minskar något då värmet avsätts till ett fjärrvärmenät. En annan form av spillvärme i fjärrvärmeproduktion härstammar från industriellt restvärme. Andra former, såsom spillvärme från reningsverk, kräver emellertid en höjning av temperaturen för att kunna matcha fjärrvärmenätets temperaturnivå. Värmeproduktion från avfallsförbränning, geotermi och sol minskar också tillförseln av primära energiresurser. Vanligtvis råder en blandning av olika produktionsslag i ett fjärrvärmesystem. Driften av de olika produktionsenheterna baseras normalt på principen att den enhet som har lägst rörlig kostnad används för basproduktion medan den enhet som har högst rörlig kostnad används för spetslast. Till exempel används avfallsförbränning ofta för basproduktion medan till exempel en oljepanna används för spetslast. Ackumulering av värme används ofta i anslutning till produktionsanläggningar för att jämna ut och optimera värmeproduktionen, oftast på kortare basis (daglig) men ibland även på längre basis (säsong). Till exempel kan elutbytet i kraftvärmeverk höjas om värmeproduktionen inte fullt ut måste justeras för att matcha det aktuella värmebehovet i nätet. Distribution Energin distribueras från produktionen till användarna genom ett rörnät där vatten normalt används som värmebärare. Det förekommer fortfarande fjärrvärmesystem där ånga används som värmebärare, främst i USA. Värmetillförseln i ett fjärrvärmesystem regleras genom differenstrycket (flödet) och genom framtemperaturen. Normalt används båda för optimal drift, det vill säga låg returtemperatur och måttliga flöden. För att hantera förväntade lastförändringar kan nätet även laddas med värmeenergi. Temperaturnivån varierar i olika länder och mellan olika fjärrvärmenät. I Ryssland används generellt högre temperaturer ( C), vilket även är fallet i Tyskland ( C). I Sverige används emellertid lägre temperaturer ( C) och i Danmark används ofta ännu lägre (80-90 C). [21] [63] [85] Fjärrvärmecentraler I fjärrvärmeanslutna byggnader finns normalt någon form av fjärrvärmecentral där energi överförs från fjärrvärmenätet till de byggnadsinterna systemen. Här sker ofta även 17

18 värmemängdsmätning. Fjärrvärmecentraler kan utformas på olika sätt, ofta beroende på regler och traditioner i olika länder. En indelning kan exempelvis göras mellan direkt och indirekt anslutning av värmesystemet. Den senare innebär att en värmeväxlare hydrauliskt separerar fjärrvärmenätet och värmesystemet. Vid direkt anslutning cirkulerar samma vatten i fjärrvärmenätet och i uppvärmningssystemet. På motsvarande sätt kan tappvarmvattensystemet vara antingen öppet, där tappning av varmvatten innebär att vatten från fjärrvärmenätet tappas av, eller stängt, där en varmvattenberedare används, vilket också vanligare. Direkt respektive indirekt anslutning Fjärrvärmens utbredning är ojämnt fördelad i världen vilket sannolikt är en bidragande faktor till att tekniken i stor utsträckning karakteriseras av nationella standarder. Detta arbete fokuserar på indirekt fjärrvärmeanslutning av värmesystem därför att det är det dominerande valet i Sverige och inte för att det nödvändigtvis är bättre i alla avseenden. Det finns för- och nackdelar med båda metoder. En nackdel med direkt anslutning är att det innebär en risk i att ett läckage i ett värmesystem får stora konsekvenser och att det kan vara besvärligt att hantera stora statiska tryckvariationer i nät med stora höjdskillnader. Dessutom finns en risk i och med det faktum att framtemperaturen är relativt hög i fjärrvärmenätet. Om inte fjärrvärmenätet håller en tillräckligt låg tryckoch temperaturnivå måste dessa minskas för att matcha byggnadens system. Fjärrvärmecentraler med direkt anslutning är ofta utrustade med en shuntkoppling där återcirkulerat vatten blandas med inkommande framledning för att reducera temperaturen och en styrventil för att sänka differenstrycket. Ibland används en strålpump som kan sänka både temperatur och tryck. I många länder, till exempel Danmark och Tyskland, används både direkt och indirekt anslutning medan direkt anslutning dominerar i östra och centrala Europa. Den vanligaste invändningen mot indirekt anslutning är att värmeväxlaren innebär en termodynamisk förlust på grund av att returtemperaturen från värmeväxlaren alltid är högre än den inkommande temperaturen från värmesystemet. Förespråkare för indirekt anslutning menar dock att temperaturskillnaden i den kalla änden av värmeväxlaren, som ibland benämns grädigkeit, kan hållas liten med dagens plattvärmeväxlare. Som studierna i Artikel I and Artikel VII försöker visa, så kan grädigkeiten minskas ytterligare om regleringen av värmesystemet tar hänsyn till värmeväxlarens karakteristik. Bruket av värmeväxlare innebär också en högre kostnad men det är emellertid inte säkert att den totala kostnaden på installationen behöver bli högre med tanke på att primärsidans tryck och temperatur behöver anpassas till nivån i de sekundära systemen [21]. En tredje invändning mot indirekt anslutning är elberoendet. Direkt anslutning, å sin sida, innebär inte per automatik att fjärrvärmekunderna kommer att få värme levererad i händelse av ett elavbrott; trevägsventiler (shuntkopplingar) och reglerade strålpumpar kan vara självstängande av säkerhetsskäl, det vill säga för att undvika att extremt varmt vatten strömmar in i de sekundära systemen, och användningen av cirkulationspumpar i de sekundära systemen kan vara nödvändiga för en fullgod funktion. Likväl finns en naturlig potential att förse kunder med fjärrvärme vid direkt anslutning, förutsatt att produktion och distribution av fjärrvärme kan upprätthållas. Vid 18

19 indirekt anslutning utgör värmeväxlaren ett hinder, som kan te sig omöjligt att överbygga, för överföringen av värme från fjärrvärmenätet till värmesystemet. Efter att ha studerat ett flertal olika byggnader, som presenterats i exempelvis Artikel VI, kan emellertid slutsatsen dras att självcirkulation har en påtaglig potential att överföra värme till byggnaden, trots användandet av värmeväxlare. Kopplingsprinciper Kopplingsprinciper är ett annat sätt att kategorisera fjärrvärmecentraler. Vid indirekt anslutning är det inte ovanligt att någon form av flerstegskoppling används av värmeväxlarna i fjärrvärmecentralen. Syftet med detta är att utnyttja de olika temperaturnivåerna i de sekundära systemen för att kyla fjärrvärmeflödet maximalt. Referenserna [21] och [59] ger en detaljerad genomgång av en mängd olika kopplingsprinciper. Den vanligaste typen av flerstegskoppling är tvåstegskopplingen, där fjärrvärmevatten från radiatorvärmeväxlaren används för att förvärma inkommande kallvatten avsett för tappvarmvattenberedning. Detta har motiverats av de relativt höga radiatortemperaturer som traditionellt har använts i kombination med en relativt hög (kontinuerlig) tappvarmvattenanvändning. Exempel på andra kopplingsprinciper är trestegskopplingen som finns i olika varianter: en som använts i relativt stor utsträckning på några håll i Sverige och en annan som använts i Ryssland. En typ av seriekoppling har använts i vissa länder i centrala och östra Europa. Idag föredras ofta parallellkopplingen (enstegskopplingen) i Sverige eftersom den är enkel, billig och generellt ger en returtemperatur som är jämförbar med tvåstegskopplingen [15]. Artikel V visar exempel på hur flerstegskopplingar kan vara fördelaktigt då värmesystemets temperaturer är låga. Flerstegskoppling med tappvarmvattenberedning före (det vill säga vid en högre temperaturnivå) värmesystemets värmeväxlare har visats sig vara gynnsamt, i synnerhet i byggnader med låg tappvarmvattenanvändning (exempelvis lokalbyggnader). Detta beror på att den relativt höga returtemperaturen på cirkulerat varmvatten utnyttjas. Det ska också nämnas att det finns åtskilliga varianter av kopplingsprinciper för kombinationer av fjärrvärme och andra värmekällor, till exempel värmepumpar och solvärme. 19

20 byggnadsinterna system med fjärrvärmeanslutning De två huvudsakliga nyttigheter som försörjs med fjärrvärme, i synnerhet i bostadshus, är tappvarmvattenberedning och rumsuppvärmning. Andra ändamål, såsom torkning, kyla och industriella applikationer, tas inte upp här. System för tappvarmvatten och rumsuppvärmning är självfallet inte specifika för fjärrvärme utan hittas i alla typer av byggnader, oavsett värmekälla. Utformning och drift av systemen har emellertid ibland påverkats på olika sätt beroende på om de är fjärrvärmeanslutna. Det gäller i synnerhet i Sverige där en betydande del av flerbostadshusbeståndet är fjärrvärmeanslutet. Ett exempel på detta är önskemålet att värmesystemet ska ge en låg returtemperatur på fjärrvärmevattnet. Detta gäller även till exempel byggnader försedda med en värmepump medan pannor traditionellt har krävt en relativt hög returtemperatur. Tappvarmvatten I ett slutet tappvarmvattensystem kan varmvattnet beredas antingen i en beredare med ackumulering (förrådsberedare) eller momentant i en värmeväxlare (genomströmningsberedare). Precis som för uppdelningen mellan direkt och indirekt anslutning finns för- och nackdelar med båda metoder. Till exempel innebär förrådsberedning att mindre dimensioner för fjärrvärmeledningar kan användas medan genomströmningsberedning generellt ger lägre returtemperatur. Även här varierar praxis mellan olika länder. I Sverige, idag, dominerar bruket av genomströmningsberedare och denna metod har också förutsatts i studien i Artikel V som behandlar kopplingsprinciper. Rumsuppvärmning Rumsuppvärmning åstadkommes ofta genom radiatorsystem, i synnerhet i länder med kallt klimat eller en stor andel fjärrvärme. Ånga var vanligt som värmebärare för mycket länge sedan men idag är radiatorsystem vattenburna. Golvvärme, som har vunnit stora marknadsandelar under senare år, är ofta vattenburna och är i grunden relativt lika radiatorsystem. Ventilationssystem används ibland också för rumsuppvärmning, i detta fall är värmen luftburen. I bostadshus är radiatorsystem vanligast, åtminstone i Sverige, medan luftburen värme ofta förekommer i lokalbyggnader och då ofta i kombination med ett radiatorsystem. I detta fall kompenserar den luftburna värmen typiskt för byggnadens ventilationsförluster medan radiatorsystemet kompenserar för transmissionsförluster. Artikel II och Artikel VI behandlar värmesystem med både radiatorer och forcerad ventilation medan övriga artiklar behandlar värmesystem endast med radiatorer. Radiatorsystem är normalt utformade som ett- eller tvårörssystem. Det var relativt vanligt att bygga ettrörssystem under och 1970-talet men idag dominerar tvårörssystem. Ettrörssystemet har fördelen av en något lägre installationskostnad med anses generellt vara besvärliga att injustera och underhålla. [21] Värmesystemets reglering Det finns olika sätt att reglera värmeavgivningen i ett värmesystem. Sådana metoder kan baseras på en konstant framtemperatur i kombination med lokal flödesreglering eller ett konstant flöde i kombination med en kompensationskurva för framlednings- 20