konsekvenser av mindre styrventiler i distributionsnät

Transkript

1 konsekvenser av mindre styrventiler i distributionsnät Håkan Lindkvist och Håkan Walletun, ZW Energiteknik AB Forskning och Utveckling 24:15

2

3 KONSEKVENSER AV MINDRE STYRVENTILER I DISTRIBUTIONSNÄT Håkan Lindkvist och Håkan Walletun, ZW Energiteknik ISSN

4 I rapportserien publicerar projektledaren resultaten från sitt projekt. Publiceringen innebär inte att Svensk Fjärrvärme AB tagit ställning till slutsatserna och resultaten Svensk Fjärrvärme AB

5 SAMMANFATTNING: FOU 24:15 Konsekvenser av mindre styrventiler i distributionsnät Effektivisering av fjärrvärmenät kan beskrivas i form av två konkreta aktiviteter, dels förbättrad avkylning i kundanläggningar och minimering av rundgångar, dels reducering av installerade K vs -värden på styrventiler i fjärrvärmecentraler (FC). Den förbättrade avkylningen möjliggör bättre utnyttjande av produktion, minskade värmeförluster och ett minskat pumpbehov. Reduceringen av K vs -värden på styrventiler syftar främst till en effektivisering av distributionen. Avsikten är att få ett spänstigare fjärrvärmenät som blir lättare att reglera och som uppvisar mindre flödespendlingar. De praktiska erfarenheterna från utbyten av äldre och ofta överdimensionerade komponenter i landets fjärrvärmesystem har i de flesta fall varit positiva. Trots detta är det fortfarande svårt att skaffa sig en helhetsuppfattning om huruvida funktionen i ett distributionsnät vid olika tidpunkter under året och vid olika lastsituationer förändrats på grund av komponentbyten. Syftet med detta projekt är att genomföra teoretiska beräkningar på ett fjärrvärmenät för att kunna visa på vilka generella fördelar som kan förväntas uppstå om en konsekvent ventildimensionering tillämpas. Beräkningarna har gjorts med simuleringsprogrammen ISAC/Analys och NetSim Analyse på ett fjärrvärmenät, där storleken på kundernas styrventiler varierats. Några av projektets slutsatser är att Beräkningarna visar att konsekvenserna av en temperaturstörning på framledningstemperaturen kan begränsas av striktare dimensionerade (mindre) styrventiler vid framförallt lägre utomhustemperaturer (-5 C). Följderna av en störning på flödet är inte beroende av utomhustemperaturen (effektuttaget) och genom att installera striktare ventiler kan det maximala flödesbehovet halveras, och därmed nödvändigt pumpbehov. Vid en flödesstörning innebär mindre styrventiler alltså positiva konsekvenser för fjärrvärmenätets drift även vid höga utomhustemperaturer. Genom att installera striktare ventiler kan det maximala flödet begränsas och därmed minskar pumpbehovet. Likaså kan effektuttaget begränsas vid en störning, men inte i lika stor utsträckning som flödet. Generellt i resultaten finns det klara tendenser som tyder på att FC bör åtgärdas i en viss prioritetsordning. Enligt beräkningarna spelar fjärrvärmecentralens läge i nätet en avgörande betydelse för resultatet, även om dess totala överdimensionerade K vs -värde givetvis också är viktigt. Även vid den dagliga driften av fjärrvärmenätet kommer mindre styrventiler att medföra en förbättring. Detta eftersom det vid normal drift förekommer en rad flödes- och effekttoppar. Ett exempel är den s.k. morgontoppen, ett annat är ökat flödes- och effektuttag på grund av snabbt fallande utomhustemperatur. Mindre styrventiler kommer att släta ut topparna och därmed ge ett stabilare fjärrvärmenät. Studien har genomförts på uppdrag av Svensk Fjärrvärme. Nyckelord: Fjärrvärmecentral, Ventildimensionering, Netsim Analyse 2

6 SUMMARY: FOU 24:15 The consequences of reduced control valves on distribution nets Improvement of distribution quality in district heating networks can be achieved by means of two tangible measures. One is effective cooling of the heating medium in substations and the minimum use of bypasses; another one is the reduction of the size (i.e. K vs -values) of the installed control valves in the substations. The improved cooling capacity results in better use of heat production facilities, reduced heat losses and reduced pumping energy. The reduction of the K vs -values of control valves results in the first hand in improved dynamic response behaviour of the distribution network, leading to faster flow adjustment and consequently less frequent flow oscillations. The practical experience of the exchange of older and often oversized components in Sweden s district heating networks has in the most cases been very positive. Still it is difficult to get an idea about which improvements have been achieved with given measures and what do they mean for the operation over a whole year with varying heat load demands. The aim of this project is to perform theoretical network simulations in order to show which consequences a rigorous fieldwork dedicated to reduce K vs -values of control valves might have for the operation of the net. The analyses have been performed with the simulation tools ISAC/Analys and NetSim Analyse, respectively. The application was on an existing and welldocumented district heating net. In the simulations, the size of the control valves has been subsequently reduced and its consequence for flow and temperatures has been analysed. Some of the project s conclusions are as follows: The simulations show that the consequences of temperature disturbances can be reduced when applying smaller control valves, especially at lower air temperatures (-5 C). The consequences of flow disturbances (pump stop) are not depending on the air temperature (heat demand), but results over the whole year in reduced maximum flow during the process of operation recovery. With adequately reduced valve size, the resulting maximum flow at restart can be approximately reduced to the half, leading in reduced need of pumping peak power. Similarly, the maximum peak power taken from the net at net recovery will be reduced, however, this effect is not as strong as that for flow. Generally, we have found clear indications for that the adjustment of the K vs -values of control valves in substations should follow a certain logical order of priority. An important factor is the location of substations in respect to the heating plant and to the pressure control points in the net. Another important factor is the absolute K vs -value of the oversizing, i.e. the difference of the actual installed valve and the targeted valve size. Smaller size of control valves means also an improvement of the everyday operation of the district heating net, especially in the case when flowand power peaks are expected to occur. Examples for that could be the 3

7 morning peaks with increase heat and hot water demands, or such events when the air temperature is decreasing very fast because of weather phenomena. Smaller control valves will smear out the transients and give therefore more stable net conditions. The study has been performed on behalf of The Swedish District Heating Association. Key words: District heating, substation, control valve, dimensioning of valve, Netsim Analyse. 4

8

9 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING BAKGRUND PROBLEMBESKRIVNING SYFTE OCH MÅL BESKRIVNING BERÄKNINGSVERKTYG TULLINGE/VISÄTTRA FÖRUTSÄTTNINGAR OCH INDATA ISAC/ANALYS Framledningstemperatur T fram Differenstryck Temperatur och värmesystem Lägenhetsantal och uppvärmd yta i fastighet Klimat FÖRUTSÄTTNINGAR OCH INDATA NETSIM/NETSIM ANALYSE Randvillkor TILLVÄGAGÅNGSSÄTT OCH BESKRIVNING AV BERÄKNINGAR Datainsamling och ISAC/Analys-beräkningar Simuleringar i NetSim/NetSim Analyse NYCKELTAL BERÄKNINGSRESULTAT TEMPERATURSTÖRNING Produktionsanläggningen Fjärrvärmecentraler FLÖDESSTÖRNING Produktionsanläggningen VERKLIG DRIFTSTÖRNING SLUTSATSER...36 REFERENSFÖRTECKNING...39 BILAGA 1 TILL 6 5

10

11 1 INLEDNING 1.1 Bakgrund Då man talar om effektivisering av fjärrvärmenät kan det beskrivas i form av två konkreta aktiviteter: Förbättrad avkylning i kundanläggningar genom systematiska uppföljningar baserade på t ex debiterande avläsningar eller data från driftövervakningssystem. Reducering av installerade K vs -värden på styrventiler i fjärrvärmecentraler (FC). Insatserna prioriteras oftast till områden med störningskänslighet eller distributionsproblem vid olika lastfall. Den förbättrade avkylningen möjliggör bättre utnyttjande av produktion (rökgaskylare, värmepumpar, spillvärme etc.), minskade värmeförluster och ett minskat pumpbehov. Den sista faktorn kan vara av stor betydelse vid t ex överföring i trånga nätavsnitt. Reduceringen av K vs -värden på styrventiler syftar främst till en effektivisering av distributionen. Avsikten är att få ett spänstigare fjärrvärmenät som blir lättare att reglera och som uppvisar mindre flödespendlingar. Reducerade flödespendlingar leder också till att morgonlasten minimeras och endast motsvarar verkligt effektbehov. Ett annat sätt att beskriva åtgärden är att kundens FC utrustas med styrventiler som motsvarar abonnerad effekt. Dvs. har kundens anläggning dimensionerats för t ex 6 kw och den fasta avgiften är avstämd mot detta värde, bör det inte vara möjligt att ta ut avsevärt större värmeeffekter och flöden. En korrekt dimensionerad FC ska därför utrustas med styrventiler som avspeglar kundens verkliga behov av både värme och tappvarmvatten. Erfarenheterna från utbyten av äldre och ofta överdimensionerade komponenter i landets fjärrvärmesystem har genomgående varit mycket positiva. Vid flera energiföretag tillämpas idag dimensioneringsvärden som för bara 5 år sedan skulle ha bedömts som helt orimliga. Det gäller då val av t ex styrventiler, värmeväxlare för tappvarmvatten, flödesmätare för värmemängdsmätning etc. Även de praktiska erfarenheterna har i de flesta fall varit positiva. Trots detta är det fortfarande svårt att skaffa sig en helhetsuppfattning om huruvida funktionen i ett distributionsnät (komplett eller bara lokalt för en del av ett nät) vid olika tidpunkter under året och vid olika lastsituationer förändrats på grund av komponentbyten. Resultaten från det tidigare genomförda projektet Förändring av fjärrvärmenäts flödesbehov [Ref 1] visade t ex att häpnadsväckande minskningar av ventilstorlekar sannolikt kan göras i de flesta fjärrvärmenät genom att bara strikt tillämpa anvisningarna i Svensk Fjärrvärmes Tekniska bestämmelser för fjärrvärmecentraler. Beräkningsresultaten visade där att K vs -värdet på styrventilerna för tappvarmvatten kan minskas till i genomsnitt 1/3 av tidigare installerat värde. Ventilkapaciteten för uppvärmning (värme och ventilation) kan i genomsnitt minskas till 2/3 av installerat värde. I flera fall kan t o m halva ventilstorleken vara tillräcklig för värme. Sammantaget leder detta till att många fjärrvärmenät 6

12 kan reducera totalt installerade K vs -värden till cirka 5 procent av aktuellt värde, vilket självfallet då kommer att påverka nätets dynamiska beteende. En uppföljning som gjorts av ventilbyten vid fjärrvärmecentraler i Södertörns fjärrvärmenät under , visar att för cirka 15 anläggningar har det totala K vs -värdet kunnat minskas från 5453 till 1867 (gäller både uppvärmning och tappvarmvatten). Dvs. att endast 34 procent återstår och behövs av ursprungligt installerat värde. Bara i två dokumenterade fall har kunderna upplevt brist och sämre komfort, vilket i det ena fallet visade sig bero på dåligt injusterade VVC-slingor och termostatblandare som läckt in kallvatten. I det andra fallet hade tappvarmvattenlasten missbedömts. Det framstår således som uppenbart att en striktare dimensionering av styrventiler kan tillämpas, men fortfarande kvarstår att avgöra vilka faktorer som påverkas, hur mycket och vid vilka lastsituationer. Vid Gävle Energi har man genom ett konsekvent utbyte av styrventiler för tappvarmvatten t ex kunnat konstatera att distributionsnätet fått kortare svarstider, återhämtar sig snabbare vid driftstörningar och fått bättre avkylning sommartid. Det finns också indikationer på att den s k morgontoppen reducerats mm. Därför känns det angeläget att kunna styrka dessa observationer med teoretiska beräkningar, samt att även försöka fastställa hur långt det kan vara möjligt att nå och hur mycket av installerat K vs -värde som måste byggas bort innan man ser konkreta resultat i sitt fjärrvärmenät. 1.2 Problembeskrivning Installationer av för stora styrventiler i FC medför en rad olika problem: För stora ventiler för reglering av tappvarmvatten i kombination med långsamma ställdon innebär att det kommer att passera vissa mängder dåligt avkylt fjärrvärmevatten genom VVX. När detta sker i många fjärrvärmecentraler kommer resultatet att bli en förhöjd returtemperatur i fjärrvärmenätet. Samtidigt förstärks effektökningen som sker på morgonen, den s k morgontoppen, och det skapas då ett fiktivt lastbehov större än det egentliga behovet. Ventiler för uppvärmning, värme och ventilation, kan också medverka till orimligt stora flödesökningar i distributionsnätet. Uppstår en driftstörning på framledningstemperaturen under vinterhalvåret, t ex ett temperaturfall på 1ºC som varar 3 minuter, så kommer det att leda till en naturlig flödesökning som kompensation för temperaturbristen. Likaså om utomhustemperaturen sjunker hastigt, t ex 5ºC på 6 minuter, sker en markant ökning av flödet. Dessvärre förstärks flödesökningarna då många ventiler med för höga kapacitetsvärden har installerats och dessa öppnar fullt. Resultatet blir att man upplever ett stort pumpbehov och tiden för att åter uppnå stabil drift blir lång. Många tvåvägsventiler som förekommer i fjärrvärmecentralerna har dessutom ofta ett litet läckage även vid stängt ventillägen. Två vanliga ventiler som förekommer i stort antal är Siemens VVF52 och TAC V241. Tillverkarna till dessa uppger i sina produktblad att läckaget kan vara upp till,2 procent av K vs. För äldre ventilmodeller kan läckaget vara upp till,5 procent av K vs. Resultatet av detta är att överdimensionerade ventiler också medför större läckage vid stängd ventilläge. Ventilläckagen märks extra tydligt under sommarhalvåret då styrventilen ofta ska vara helt stängd. 7

13 Installation av för stora styrventiler i fjärrvärmecentraler innebär därför alltid att fjärrvärmenätets totala flödesbehov ökar och detta kan försvåra en effektiv distribution av värme i nätet. 1.3 Syfte och mål Vårt syfte och mål med detta projekt är att genomföra teoretiska beräkningar på ett fjärrvärmenät (del av Södertörns Fjärrvärmes nät) för att kunna visa på vilka generella fördelar som kan förväntas uppstå om en konsekvent ventildimensionering tillämpas. Vi vill med beräkningarna kunna styrka och vidareutveckla de observationer som tidigare gjorts i Gävles fjärrvärmenät. Vi vill också försöka beskriva hur mycket av installerat K vs -värde som måste byggas bort innan man ser konkreta resultat i sitt fjärrvärmenät. T ex i form av en minskad störningskänslighet. Projektets referensgrupp har bestått av: Hans Andersson, Södertörns Fjärrvärme Christer Forslund, Gävle Energi Janusz Wollerstrand, Lunds Tekniska Högskola Bengt Gålnander, Fortum Värme samägt med Stockholms Stad Peter Sivengård, Fortum Värme samägt med Stockholms Stad Gunnar Nilsson, Göteborg Energi Sören Ullberg, Sundsvall Energi Modellering (modifiering av befintlig nätmodell) och simuleringar i projektet har genomförts av: Gustav Edlund, Vitec Energy Sven-Åke Andersson, Södertörns Fjärrvärme Vi vill rikta ett stort tack till Gustav Edlund, Vitec Energy, som med stor energi och entusiasm genomfört alla simuleringsberäkningar med NetSim/NetSim Analyse. Studien har genomförts på uppdrag av Svensk Fjärrvärme. 8

14 2 BESKRIVNING Vi har inom projektet genomfört simuleringar på en del av Södertörns Fjärrvärmes (SFAB) nät, i området Tullinge/Visättra (södra Stockholm). Genom att i simuleringarna variera fjärrvärmecentralernas maximala flödeskapacitet, dvs anläggningarnas totala K vs -värde, har fyra olika modeller skapats: Tidigare installerade ventiler i FC (status före 1999) Befintliga installerade ventiler i FC (status 22) Nydimensionerade ventiler (optimalt val 22) Mest reducerade ventiler, utarbetad tillsammans med Christer Forslund, Gävle Energi (= Nydimensionerade värmeventiler samt behovsanpassad dimensionering på tappvarmvattenventilerna). Den sista ventilmodellen, med mest reducerade ventilstorlekar, kan antas utgöra det undre gränsvärdet för K vs -värdet i detta nätavsnitt. Dessutom har två varianter skapats med utgångspunkt från ventilmodellen Tidigare installerade ventiler : Urval K vs där ventilerna i de elva största FC med hänsyn till det totala K vs -värdet har ersatts med nydimensionerade ventiler. Urval effekt där liknande byten har skett, men med hänsyn till den dimensionerade effekten. Dvs. ventilerna i de elva största FC med hänsyn till dimensionerande effekt har ersatts med nydimensionerade ventiler. På detta sätt har vi kunnat skapa oss en bild om hur mycket K vs -värdet måste minskas för att bästa distributionsförutsättningarna skall uppnås. (De sex modellernas totala K vs -värde för det studerade nätet finns redovisat i avsnitt 3.) Beräkningarna har sedan genomförts vid två utomhustemperaturer, -5 C och +5 C. Det finns flera orsaker till att dessa temperaturer valts vid beräkningarna. Ett viktigt skäl är att båda temperaturerna förekommer med stor varaktighet under ett normalt driftår. Detta har då lett till att det funnits goda möjligheter att verifiera egenskaperna vid varje FC utifrån verkliga uppmätta driftdata. Detta var också ett skäl till att inte i detta projekt studera det s.k. DUT-fallet vid 19 C, eftersom det inte fanns tillräckligt med indata tillgängligt. Lastfallet vid utomhustemperatur 5 C har dessutom studerats mycket vid SFAB eftersom detta utgör beräkningsunderlag för fastställande av en kunds abonnemangseffekt. Dvs. att såväl nätsimuleringsmodellen som kundernas beräknade effektbehov stämmer sannolikt väl med verkligheten vid just detta temperaturfall. Två typer av störningar har studerats, dels en temperaturstörning och dels en störning på differenstrycket vilket medför uteblivet flöde. Sammantaget har detta lett fram till totalt 33 stycken simuleringsalternativ. Projektet har avgränsat sig till att huvudsakligen omfatta flerbostadshus och samfälligheter då det gäller att förse anläggningarna med olika ventilkapaciteter. Ett mindre antal skolor och daghem samt industribyggnader ingår också, men inga enskilda småhus/villor. Totalt har 84 stycken fjärrvärmecentraler studerats och dimensionerats på nytt i simuleringsprogrammet ISAC/Analys. 9

15 2.1 Beräkningsverktyg Beräkningsverktygen som använts i projektet är simuleringsprogrammen ISAC/Analys (version 2.2) och NetSim/NetSim Analyse. ISAC/Analys är ett grafiskt beräkningsprogram där man kan välja och dimensionera/beräkna styrventiler, VVX, inställningar av reglerparametrar mm för FC. Beräkningarna kan göras vid olika klimatförutsättningar och med olika differenstryck och framledningstemperaturer. NetSim/NetSim Analyse från Vitec Energy används vid SFAB regelbundet för olika typer av temperatur- och tryckfallsberäkningar i distributionsnätet. I den befintliga modellen i NetSim Analyse som beskriver nätet, är alla kulvertsträckor med dimensioner registrerade. För kundanläggningarna anges sedan effektbehov eller flödesbehov samt avkylning eller returtemperatur vid olika utomhustemperaturer. Simuleringsberäkningarna har pågått under flera år och modellen är avstämd mot verkliga erfarenheter, varför tilltron till beräkningsresultaten bedöms vara hög. 2.2 Tullinge/Visättra Området i Tullinge/Visättra förses av SFAB med fjärrvärme. Till denna del av fjärrvärmenätet är drygt 25 stycken FC och villor anslutna, varav vår detaljstudie alltså omfattar 84 stycken av dessa. Den totala rörlängden i nätet uppskattas till cirka 25 meter, nätvolymen uppgår till cirka 1 1 m³ och den beräknade linjetätheten är 4,6 MWh/m. Effektbehovet i detta nätavsnitt är cirka 4 MW (vid T ute 19 C). Produktionen sker sommartid (cirka 15 juni - 15 augusti) vid kraftvärmeverket i Högdalen. Vid övrig tid sker produktionen vid Igelstaverket i Södertälje och vid Fittjaverkets produktionsanläggning. 2.3 Förutsättningar och indata ISAC/Analys Framledningstemperatur T fram En framledningskurva har använts i beräkningarna, se bilaga 1. Kurvan är hämtad från SFAB och är baserad på verkliga drifttemperaturer i denna del av fjärrvärmenätet. Lägsta temperatur är cirka 72 C och högsta temperatur är 115 C. (Generellt kan temperaturnivån på kurvan tyckas vara hög, men det finns distributionstekniska förklaringar för denna driftstrategi.) Differenstryck Två olika kurvor för differenstrycket har använts vid dimensioneringsberäkningarna, se bilaga 1. Dessa utgör inte några extremvärden, utan anses vara två bra exempel på normala respektive låga differenstryck i fjärrvärmecentralerna i Tullinge/Visättra. Differenstrycken stämmer väl överens med simuleringsmodellen i NetSim Analyse. Enligt Tekniska bestämmelser [Ref 2] så kan differenstrycket tillåtas att variera mellan 1 och 6 kpa (1 och 6 bar) och att utrustningen i fjärrvärmecentralen fortfarande ska klara funktionskraven som ställs. 1

16 2.3.3 Temperatur och värmesystem Två olika temperaturprogram för värmesystemet i fastigheterna har använts i beräkningarna, bilaga 2. Dels 7/5ºC vilket anses vara det vanligaste temperaturprogrammet i området. Det finns dock fastigheter där behovet fortfarande är 8/6 C, men det finns också nybyggda fastigheter som tillämpar t ex 6/45 C. Av detta skäl har vi låtit 7/5 C utgöra ett representativt medelvärde i hus med traditionella radiatorer. Dels 55/4ºC där golvvärme är installerat i fastigheten. Undantag har således gjorts för fastigheter där det är känt att golvvärme finns. Tappvarmvattentemperaturerna är valda till 55/1 C enligt Tekniska bestämmelser Lägenhetsantal och uppvärmd yta i fastighet Vid beräkningarna har befintliga uppgifter om fastigheternas lägenhetsantal och uppvärmd yta använts. Uppgifterna har hämtats från SFAB:s databas. I beräkningarna har antagits att önskad inomhustemperatur i rummen skall vara 21 C och att husens balanstemperatur är 18 C. Det interna värmetillskottet ges av balanstemperaturen. Denna definieras såsom den utomhustemperatur då det internt genererade värmet från hushållsutrustning (kyl, frys, TV mm), belysning, samt de inneboendes värmeavgivning uppväger värmeförlusterna genom transmission och ventilation Klimat Vid beräkningarna har klimatdata från Stockholms klimatzon använts. Dessa utgörs av temperaturfrekvenser från SMHI (Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut) under 1-årsperioden För beräkningarna har DUT satts till 19 C. 2.4 Förutsättningar och indata NetSim/NetSim Analyse I den befintliga simuleringsmodellen för fjärrvärmenätet finns uppgifter angående nätets uppbyggnad t ex kulverttyp, isolering och rörlängder. Resultaten av beräkningarna från ISAC/Analys tillsammans med verkliga värden tjänar sedan som specifika indata för FC. Dessa indata till FC i NetSim har varit K vs -värde på styrventiler (flödesbegränsning), effekt (beräknad i ISAC/Analys och jämförd med SFAB:s databas) samt avkylning (uppmätt vid SFAB). I figur 1 återfinns en bild över fjärrvärmenätet med FC relativa storlek i effekt samt differenstrycket i nätet vid utomhustemperaturen 5 C. Förutom de i denna studie innefattande FC (84 stycken) ingår i nätmodellen 167 stycken villor, 22 stycken rundgångar samt 4 stycken planerade eller ej färdiginstallerade FC (totalt 277 stycken). Alla villor har givits ett K vs -värde på 2,2 (,6 för värme och 1,6 för tappvarmvatten) och rundgångarna antas ha ett flöde motsvarande ett K vs -värde på 1,. De resterande 4 FC har antagna värden på styrventilerna, dels för tidigare installerade och befintliga ventiler, dels för nydimensionerade och mest reducerade ventiler. 11

17 Det är således endast K vs -värdet på de 84 stycken studerade FC och de övriga 4 FC som varierar mellan de olika simuleringarna. Villornas K vs -värden i modellen stämmer väl med verkligheten och skulle troligtvis inte gå att påverka/förbättra nämnvärt. Figur 1: Nätbild över Tullinge/Visättra som visar FC relativa effektstorlek (röda cirklar) och differenstryck vid -5 C. Figure 1: Network system for Tullinge/Visättra that shows the relative heat demand (red spots) for substations and the differential pressure at -5 C Randvillkor Följande antaganden och generaliseringar är gjorda i nätmodellen: Generellt antas det nominella tryckfallet över FC (värmeväxlare, flödesmätare mm.), exklusive reglerventiler, vara 5 kpa vid nominella förhållanden. För nominella förhållanden gäller att avkylningen är 5 C och effektbehovet är lika med effektbehovet vid -5 C alternativt +5 C. I modellen har varje FC en bestämd genomsnittlig effekt och returtemperatur. Genom att i beräkningarna variera effekten under dygnet, kan vi efterlikna effektbehovet med avseende på tappvarmvattenlasten samt ventilation, se figur 2. 12

18 1,4 Bostäder Offentliga byggnader 1,3 1,2 1,1 Index 1,9,8,7, Tid under dygnet [timmar] Figur 2: Dygnsvariation i effektbehovet i flerfamiljshus samt offentliga/kontors/arbetsplats byggnader (-5 C). Figure 2: Variation of heat demand during a 24-hour period (-5 C) in multifamily houses and commercial buildings. Simuleringarna har genomförts med två alternativa styrpunkter på differenstrycket. Dels har differenstrycket i FC 134 hållits konstant, 23 kpa. Detta ger ett differenstryck i nätet som är jämförbart med de idag verkliga värdena. Detta medför dock att det vid en störning krävs orimligt höga differenstryck i produktionsanläggningen för att upprätthålla differenstrycket i FC 134. Därför har även simuleringar genomförts med konstant differenstryck i produktionsanläggningen, det vill säga, att en begränsning i pumpkapacitet har införts, vilket ju också existerar i verkligheten. Två typer av störningar har använts för att studera fjärrvärmenätets beteende. Dels har framledningstemperaturen från produktionsanläggningen varierats under simuleringen och skapar på detta sätt en störning i värmeleveransen. Dels har en störning på flödet från produktionsanläggningen genererats, se avsnitt Med det aktuella differenstrycket och framledningstemperaturen som parametrar vid varje FC beräknas det flöde som: - framledningstemperatur, returledningstemperatur och effektbehov genererar, eller - det flöde som ventilerna i FC medger vid fullt öppet läge. 13

19 2.5 Tillvägagångssätt och beskrivning av beräkningar Som tidigare nämnts så består projektet av två delmoment. Först genomförs en datainsamling och sammanställning av indata, för att sedan följas av simuleringar i NetSim/NetSim Analyse Datainsamling och ISAC/Analys-beräkningar Information om det valda området, Tullinge/Visättra inhämtades i samarbete med SFAB. Dels givna produktionsförutsättningar som framledningstemperatur och differenstryck i distributionsnätet och dels specifik data för de aktuella FC. För FC har följande parametrar inhämtats: Årsförbrukning av energi [MWh/år] Sommarförbrukning av energi [MWh/månad] (juni-augusti) Uppvärmd yta [m²] Antal lägenheter [antal] Befintliga ventilstorlekar, K vs -värden [m³/h] Eventuellt tidigare installerande ventiler, K vs -värden [m³/h] Befintliga T (vid T ute +5, -5ºC) Antalet lägenheter och sommarförbrukningen av energi har utnyttjats för att bedöma anläggningens tappvarmvattenbehov. Då värden funnits för sommarförbrukningen har dessa antagits beskriva FC tappvarmvattenlast. I annat fall har antalet lägenheter legat till grund för beräkningen av tappvarmvattenlasten i ISAC/Analys. Uppgiften om uppvärmd yta har varit till grund för uppskattningen av fastighetens värmebehov, fjärrvärmecentralens värmelast. Fastighetens totala årsförbrukning har tjänat som referens för den totala beräknade årsförbrukningen, det vill säga lastmodellen har anpassats så att den beräknade förbrukningen överensstämmer med den uppmätta. Arbetsmetodiken har först varit att göra en individuell lastanpassning för varje FC i ISAC/Analys. Detta görs genom att parametrarna klimat, framledningstemperatur och differenstryck väljs. Därefter har fastighetens last (energibehov) specificerats, enligt beskrivning ovan, för att i möjligaste mån stämma med klimatförutsättningar och verklig energiåtgång. Vid beräkningarna har 1-stegskopplade (parallellkopplade) FC med plattvärmeväxlare uteslutande använts. Valet av 1-stegskopplade FC grundar sig på resultaten från projektet Teknisk och ekonomisk jämförelse mellan 1- och 2- stegskopplade fjärrvärmecentraler (Ref 3) som visar att andra faktorer än val av kopplingsprincip har större betydelse för FC funktion. Innan beräkningarna påbörjats har sedan lämpligt temperaturprogram för uppvärmning valts. Dimensioneringen av värmeväxlare (VVX) för värmesystemet har skett så att temperaturvillkoren som föreskrivs i Tekniska bestämmelser [Ref 2] uppfylls. Detta innebär bland annat att vid temperaturprogrammet 7/5ºC skall fjärrvärme temperaturen vara 1/53ºC vid 14

20 dimensionerande last. Det beräknade tryckfallet över VVX har aldrig tillåtits överstiga 3 kpa vid dimensionerande last. Likaså har vid dimensioneringen av VVX till tappvarmvattensystemet villkoren i Tekniska bestämmelser beaktats. Detta medför att temperaturvillkoren uppfylls med fjärrvärmetemperaturer på 65/22ºC och sekundära temperaturer på 1/55ºC. Slutligen har styrventiler för värmesystemet och för tappvarmvattensystemet dimensionerats. Riktlinjen vid val av ventil för uppvärmning har varit ventilstorlekar som ger en ventilaukoritet på,4-,5 (max,6). Vid beräkningarna har vi valt Siemens VVF52 (K vs -värden från,16 till 25 m³/h) eller Danfoss (K vs -värden från,25 till 16 m³/h) som styrventil. Vid dimensioneringen av tappvarmvattenventilen har till skillnad från ventilen för uppvärmning en så liten ventil som möjligt valts. Detta innebär att ventilauktoriteter på,8-,9 ibland har förekommit i beräkningarna. Eftersom praktiska erfarenheter från 1-tals installationer under de senaste åren visat att detta kan göras med god marginal, under förutsättning att fastigheten har en fungerande VVC, har ytterligare en storlek mindre valts än beräknat. Det vill säga, om beräkningarna har visat på en ventil med K vs -värde på 1,, så har en ventil med K vs -värde på,8 använts vid simuleringarna i NetSim. I vissa fall kan detta sätt att skapa en individuell lastmodell leda till felaktig dimensionering av små fjärrvärmecentraler, t ex barnstugor och industrilokaler med litet tappvarmvattenbehov under sommarmånaderna. Beräkningarna kan då resultera i att ventiler med K vs -värden på,25 i så fall skulle monteras för värme och/eller tappvarmvatten, vilket inte kan anses vara ett rimligt resultat. Erfarenheter visar att detta med stor sannolikhet medför brister på värme och tappvarmvatten. Dessa värden kan jämföras med rekommendationer från olika tillverkare, t ex SweTherm (Thermia) som på villacentraler vanligtvis monterar minst 1, för tappvarmvatten och,63 för värme. Alfa-Laval rekommenderar 1,6 för tappvarmvatten, vilket är värdet på den minsta självverkande ventilen, och,63 för värme. Med hänsyn till dessa rekommendationer har K vs -värden räknats upp så att minsta ventil som föreslås för värme är,63 och minsta ventil för tappvarmvatten i fastigheter med VVC också är,63. När fjärrvärmecentralen är korrekt dimensionerad genomförs en beräkning där anläggningen utsätts för ett års lastvariationer. Utifrån resultaten har för varje enskild fjärrvärmecentral sammanlagd ventilstorlek och effekt vid två utomhustemperaturer (-5 C och +5 C) inhämtats. Verkliga data om fjärrvärmecentralens T har slutligen erhållits från SFAB:s databas. Detta har skett genom att avläsa T för tidsperioder med lämplig medeltemperatur Simuleringar i NetSim/NetSim Analyse Beräkningsmodellen i NetSim/NetSim Analyse har anpassats så att den endast beskriver det avgränsade området. Genom att sedan skapa olika modeller, där begränsningar i flödet uppstår på grund av vald storlek på styrventiler, har fjärrvärmenätets beteende kunnat studeras. Simuleringen initieras med nominella värden. Därefter utförs en beräkning av förhållandet i nätet var fjärde minut. Resultaten från föregående simulering är 15