effektivare rundgångar Håkan Walletun och Karolina Näsholm, ZW Energiteknik Forskning och Utveckling 2004:109
EFFEKTIVARE RUNDGÅNGAR Håkan Walletun och Karolina Näsholm, ZW Energiteknik Forskning och Utveckling 2004:109 ISSN 1402-5191 2004 Svensk Fjärrvärme AB Art nr FoU 2004:109
I rapportserien publicerar projektledaren resultaten från sitt projekt. Publiceringen innebär inte att Svensk Fjärrvärme AB tagit ställning till slutsatserna och resultaten. 2
Sammanfattning I de flesta fjärrvärmenät har man varit tvungen att införa s k rundgångar för att undvika distributionsproblem och kostnader dels genom att förhindra frysning i något ledningsavsnitt med låga flöden vintertid. Dels för att kunna hålla en tillräcklig temperatur i hela nätet utan att behöva höja framledningstemperaturen. Valet av rundgångstyp kan medföra olika höga kostnader. En manuell ventil ger oftast ett avsevärt större flöde än vad som egentligen behövs. För höga kortslutningsflöden leder till höjda systemtemperaturer, vilket i sin tur medför ökade värmeförluster. Några olika lokala utredningar som gjorts visar att där det är möjligt att sätta in termostatstyrda ventiler istället för manuella ventiler kan man göra betydande kostnadsreduceringar. Avsikten med detta projekt har varit att utarbeta en metodik för hur man på ett motsvarande sätt som för fjärrvärmecentraler, kan följa funktionen för nätets rundgångar systematiskt och periodiskt. Ett annat syfte med projektet har varit att försöka höja statusen för rundgången som komponent, då dessa ventiler kan ha mycket stor påverkan på ett näts distributionsförutsättningar. I rapporten presenteras en allmän genomgång av olika typer av rundgångar samt hur dessa hanteras vid olika energiföretag. Projektet har bl a resulterat i ett förslag till arbetsmetodik för att bättre kunna hantera och underhålla kortslutningar/rundgångar. Metodiken kan förenklat sammanfattas i följande punkter: Inventering och dokumentation av fjärrvärmenätets rundgångar. Ifrågasätt behovet av rundgångar, gör flödesberäkningar. Varje motiverad rundgång bör ha ett beräknat genomströmningsflöde. Justera in flödet med lämpligt ventilval. Instrumentera för temperaturmätning i fasta rundgångar. Kontrollera varje rundgång minst 2 gånger/år. Ändra framledningstemperatur eller differenstryck och gör samtidigt lokala temperaturloggningar i olika nätavsnitt under kortare perioder. Detaljanalysera områden som inte uppvisar förväntade temperaturnivåer. Gör periodiska jämförelser (t ex kvartalsvis) mellan sammanvägd avkylning i alla FC och nätets uppmätta avkylning vid produktionsanläggningar. I metodiken ingår även en beskrivning av hur en enkel teoretisk modell kan upprättas för att beräkna hur ett visst fjärrvärmenät idealt ska uppföra sig. Genom praktiska försök i det aktuella nätet kan man sedan avgöra om eventuella avvikelser kan härröras till kortslutningsflöden och rundgångsproblem eller till avkylningsproblem i fjärrvärmecentraler. Studien har genomförts på uppdrag av Svensk Fjärrvärme. Nyckelord: Rundgångar, Ventiler, Arbetsmetodik, Fjärrvärmedistribution. 3
Summary In a majority of district heating distribution networks by-passes (between supply and return pipe) are installed in order to avoid system stops or risk for freezing in low flow sections in wintertime on one hand and for reason of supplying minimum design temperatures on the other hand. However, the choice of the by-pass valve type can influence the costs caused by the by-pass. Manually operated valves very often deliver higher flows than necessary for the intended service function. Too high by-pass flows result in unwanted high system temperatures, implying higher heat losses. Different local investigations have shown that it is possible to use instead thermostat-controlled valves resulting in important reductions of operating costs. The objective of this project was to elaborate a method for investigating by-passes in a systematic and methodical way, similarly how it is done for substations. Another objective was to raise the technical status of the by-pass as a component. By-passes have a big impact on the distribution capacity of a network and hence should get more attention than normally is the case. In this report, different types of by-passes are described. Furthermore, also the way how different energy companies operate them is analysed. The project has among others resulted in a proposed operation and maintenance method for by-passes. This method can be summarised as follows: Make an inventory and documentation of all by-passes in a district heating network. Question the need for by-passes in every case, make flow calculations for the given point. To each motivated by-pass, a calculated design flow value should be assigned. Adjust the flow by means of a correct valve dimension. Install temperature sensors in fixed by-passes. Control each by-pass at least twice a year. Operate the system for periods with changed supply temperature and/or changed differential pressure and log the temperatures in different sections. Analyse sections in more detail that are not showing proper (expected) temperatures. Make periodical comparisons (f. i. quarterly) between weighted means for the cooling of all the substations and the resulting cooling (supply temperature minus return temperature) of the net at the production plants. The method includes also a description of how to establish a simple theoretical model for calculating the temperature characteristic of a given net. By practical tests at different points in the net it can be figured out if actual deviations from the expected values are caused by by-passes and other short-circuits in the net or by substations with inadequate cooling properties. The study has been carried out on behalf of Svensk Fjärrvärme (Swedish District Heating Association). Keywords: By-passes, valves, operational routines, working methods, district heating. 4
Innehållsförteckning 1. Inledning...6 1.1. Bakgrund... 6 1.2. Problembeskrivning... 6 1.3. Syfte och mål... 7 2. Om rundgångar...8 2.1. Anledningar till rundgångar existerar... 8 2.2. Olika typer av rundgångar... 8 2.3. Dokumentation... 12 2.4. Rutiner för installation och uppföljning... 13 3. Dokumenterade erfarenheter om rundgångar...14 3.1. Sammanfattning av Herberts rapport... 14 3.2. Test i Uppsala... 14 3.3. Test i Göteborg... 15 4. Arbetsmetodik och teoretisk modell...17 4.1. Metodik... 17 4.2. Fjärrvärmenätet som en enda värmeväxlare... 18 5. Mätningar i olika nät...20 5.1. Gävle (ca 225 MW vid 20 C)... 20 5.2. Skogås (ca 45 MW vid 20 C)... 22 5.3. Nykvarn (ca 10 MW vid 20 C)... 24 6. Diskussion och slutsatser...29 Bilaga 1..32 5
1. Inledning 1.1. Bakgrund Generellt kan man säga att det finns tre orsaker som leder till bristfällig avkylning i fjärrvärmenät: Olämpliga driftförutsättningar i form av framledningstemperatur, flöden och differenstryck [Kunskapsinhämtning pågår inom branschen och flera nyttiga projekt har gjorts de senaste åren]. Bristfällig funktion i fjärrvärmecentraler och deras sekundära system för värme och tappvarmvatten [Kunskap och metoder finns]. Olämpliga flöden genom rundgångar och kortslutningar eller överläckage i nätet [Få projekt har genomförts och en hel del kunskap saknas]. Under flera år har resurser lagts ned på att utarbeta arbetssätt och metoder för att effektivt kunna följa funktionen i fjärrvärmecentraler (FC). Detta har resulterat i att fjärrvärmeföretag som idag vill arbeta med att förbättra avkylningen i sina distributionssystem kan använda verktyg som finns färdiga för att möjliggöra förbättringar i FC, se t ex [Ref. 3 och Ref. 4]. Men då man eftersträvar en förbättrad total avkylning i ett fjärrvärmenät saknas enligt vår mening fortfarande ett moment som kan vara av mycket stor betydelse, nämligen uppföljningen av nätets s.k. rundgångar eller kortslutningar (både planerade och oplanerade). Det har också framkommit inom detta arbete med kontaktade företag att ingen klart uttalad strategi eller metodik finns som generellt kan tillämpas för detta. (Dock gjordes i Värmeforsks regi en värdering av rundgångars ekonomiska betydelse i mitten på 1990-talet [Ref. 1].) 1.2. Problembeskrivning Installation av rundgångar i fjärrvärmenät kan ha olika orsaker och anses ibland vara oundvikliga. Gemensamt för rundgångarnas existens är dock att man vill undvika distributionsproblem och kostnader dels genom att förhindra frysning i något ledningsavsnitt med låga flöden vintertid. Dels för att kunna hålla en jämn och tillräcklig temperatur i hela nätet utan att behöva höja framledningstemperaturen (vilket ofta skulle leda till ökade driftskostnader). Rundgångarna i sig leder också till ökade kostnader i form av själva investeringen samt det kontinuerliga underhållet av dem. De bidrar även till att temperaturen i nätet höjs, och detta är ju tvärtemot vad man nu arbetar med att uppnå. Användandet av rundgångar är således motsägelsefullt. Valet av typ av rundgång kan också medföra olika höga kostnader. En manuell ventil ger oftast ett avsevärt större flöde än vad som verkligen behövs. Några olika lokala utredningar som gjorts visar att där det är möjligt att sätta in termostatstyrda ventiler istället för manuella ventiler kan man göra betydande kostnadsreduceringar. 6
Problemen kan således listas i följande punkter (utan inbördes rangordning): Hur avgör man om en rundgång behövs? Det bästa är ju trots allt om rundgången kan tas bort eller inte alls installeras. Om rundgången krävs, vilket genomströmningsflöde ska tillåtas? Vilka rutiner behövs för underhåll och dokumentering? Hur avgör man om fjärrvärmenätet eller en del av detta har för stor andel kortslutningsflöde via rundgångar eller andra förbigångar? 1.3. Syfte och mål Avsikten med projektet är att utarbeta en metodik för hur man på ett motsvarande sätt som för fjärrvärmecentraler kan följa funktionen för nätets rundgångar systematiskt och periodiskt. Syftet är att ge utökade möjligheter till förbättrad avkylning. Ytterligare ett syfte med projektet har varit att försöka höja statusen för rundgången som komponent, då dessa ventiler kan ha mycket stor påverkan på ett näts distributionsförutsättningar. Vårt mål är främst att skapa tillämpbara verktyg för energiföretag som vill kunna påverka och förbättra (sänka) distributionsnätets temperaturnivå. Målet är också att sprida kunskap om hur man arbetar med rundgångar vid olika energiföretag i Sverige. Vi vill också tacka följande kollegor som bidragit med support och mätdata från olika fjärrvärmenät: Carl-Gustav Davbergher, Södertörns Fjärrvärme Christer Forslund, Gävle Energi Anders Fransson, Göteborg Energi. Rolf Siwertz, Telge Energi Därutöver har Patrik Selinder och Håkan Lindkvist vid ZW Energiteknik bidragit med omfattande bearbetning och analys av mätdata. 7
2. Om rundgångar Vi har redan konstaterat att rundgångar förekommer i fjärrvärmenäten för att om möjligt förbättra distributionsförutsättningarna. 2.1. Anledningar till rundgångar existerar Det finns flera olika anledningar till att rundgångar/kortslutningar installeras: 1. Ett skäl är att man vill säkerställa att alla kunder får en tillräckligt hög framledningstemperatur oavsett lokalisering i nätet. Problemen med att upprätthålla framledningstemperaturen märks oftast under sommarhalvåret och i delar av distributionsnätet som har låg s k linjetäthet. Rundgången ska då hjälpa till att öka cirkulationen på vattnet i det lokala nätavsnittet och man behöver därmed inte höja framledningstemperaturen i hela fjärrvärmenätet. Dessa rundgångar kan finnas antingen i nätet eller tillsammans med fjärrvärmecentraler hos kunder. 2. Ibland ligger inte luftnings- och avtappningsbrunnarna direkt intill fjärrvärmeledningarna. I dessa fall kan det finnas risk för att ledningarna fryser efter avstängningsventilerna och därför sätts rundgångar in som kan garantera ett minimiflöde i ledningarna. 3. Ytterligare en situation som kräver ett garanterat minimiflöde är då man vill undvika frysning i ledningar som är framdragna men som inte anslutits till kunden (varmhållning). Vid t ex nybyggnad av ett villa- eller industriområde kan installation av fjärrvärme planeras och därför läggs fjärrvärmerör fram till tomtgränsen med en avslutande rundgång. 2.2. Olika typer av rundgångar Den fysiska placeringen av rundgångar kan vara i hus, ventilbrunnar, kammare, mark eller i huvar ovan mark. Det finns några olika typer av rundgångar som beskrivs nedan och som sammanfattas i tabell 1: 8
Tabell 1 Sammanfattning av förekommande rundgångstyper. Beteckning Ventiltyp Placering Normal kontroll Syfte KÄND1 Termostatventil I nätet 1-2 ggr/år Förhindra frysning eller förbättra sommarcirkulation KÄND2 Nålventil/kulventil I nätet 1-2 ggr/år Förhindra frysning eller förbättra sommarcirkulation KÄND3 Klent rör & Vid Sällan Förhindra frysning Kulventil nätavslutning KÄND4 Termostatventil I villacentral Sällan Förbättra sommarcirkulation KÄND5 Nålventil/Kulventil I produktionsanläggning Sällan Skapa rätt produktionsförutsättningar OKÄND1 Nålventil/Kulventil I nätet - Förhindra frysning eller förbättra sommarcirkulation OKÄND2 Kulventil I nätet - Vid avstängning alt. sektionering En vanlig typ rundgång består av en termostatventil, se exempel nedan i figur 2.1. Ventilens placering i distributionsnätet är känd, den ingår ofta i ett ronderingsschema och kontrolleras några gånger per år. Vi kallar denna typ av rundgång för KÄND1. Figur 2.1 Danfoss termostatiska returvattenventil. Thermostat valve from Danfoss. Termostatventilerna ställs in så att de endast släpper igenom den mängd vatten som krävs för att upprätthålla den önskvärda temperaturen. Om ventilen är placerad i ett uppvärmt utrymme bör det dock kontrolleras att dess känselkropp inte påverkas av omgivningstemperaturen. Det är också viktigt att ventilen placeras så att den inte påverkas av värme från huvudledningen. 9
Den kanske vanligaste rundgången består av en nålventil eller kulventil som ställts in i ett läge som ska motsvara önskat genomströmningsflöde, se exempel nedan i figur 2.2. Ventilens placering i distributionsnätet är känd, den ingår ofta i ett ronderingsschema och kontrolleras några gånger per år. Då det gäller ventiler som installerats för att förhindra frysning, är det vanligt att ventilerna är stängda under sommarperioden.vi kallar denna typ av rundgång för KÄND2. Figur 2.2 Rundgång med manuell ventil. By-pass with manual valve. Rundgångar med manuell ventil har den nackdelen att flödena oftast blir alldeles för höga. Ibland kan flödet vara så stort att returledningen håller lika hög temperatur som framledningen. Det kan vara svårt att finjustera in det minimiflöde som man eftersträvar. I regel finns inga instruktioner för hur ventilen ska ställas in utan det vanligaste är att man lyssnar av så att ett flöde just så pass börjar strömma igenom. Eftersom flödena ofta blir onödigt höga med manuella ventiler, är det att rekommendera att dessa byts till termostatstyrda ventiler där så är möjligt. En annan typ av rundgång/kortslutning är den tillfälliga avslutningen på en ledningssträcka, ofta i form av ett klent rör och en avstängningsventil, se figur 2.3. Vanligtvis finns den i områden där nya fjärrvärmeanslutningar planeras och den har blivit mycket vanlig i samband den ökade anslutningstakten av småhus. Avsikten är att rundgången ska vara tillfällig tills anslutning eller fortsatt utbyggnation återupptas. Vi kallar denna typ av rundgång för KÄND3. Denna typ av rundgång ronderas ytterst sällan, utan glöms bort tills en eventuell fortsatt nyanslutning blir aktuell. 10
Figur 2.3 Kortslutningskoppling i avslutning på ett ledningsavsnitt. By-pass with a thin pipe and valve. En fjärde typ av rundgångar/kortslutningar är de ventiler som idag är vanligt förekommande i, eller i anslutning till, villacentraler som installeras i småhus. Ventilernas funktion är ofta termostatisk och syftar till att motverka för låg temperatur på tappvarmvattnet sommartid. Ventilens placering i nätet är inte alltid känd/dokumenterad och den ingår sällan i ett ronderingsschema och blir därmed ytterst sällan kontrollerad. Eftersom de dock ingår i många villacentraler anser vi att de är kända och vi kallar denna typ av rundgång för KÄND4, men den skiljer sig på flera sätt från typ KÄND1. Främst kanske genom att de ofta glöms bort, då de ingår i en villacentral och därmed inte direkt anses tillhöra nätet. Det finns även en femte typ av kända rundgångar. Det är de rundgångar som man normalt bortser ifrån, men som i många fall påverkar även nättemperaturerna. Vi avser då olika typer av produktionsrundgångar, dvs kortslutningar och rundgångar som behövs för att förbättra produktionsförutsättningarna. Det kan t ex vara en varmhållningskrets för eldningsolja eller liknande. Vi kallar denna typ av rundgång för KÄND5. Utöver dessa fem varianter på rundgångar/kortslutningar förekommer åtminstone ytterligare två varianter som kan betecknas som okända. Med okända rundgångar menar vi t ex ställen i ett distributionsnät där kortslutningsflöden förekommer, men de är av olika anledningar ej dokumenterade. Det kan t ex vara äldre nätavsnitt eller nät som övertagits från en annan distributör och som saknar dokumentation. Det kan också vara rundgångsventiler som helt enkelt blivit bortglömda i samband med utbyggnation och som därför inte finns dokumenterade. Vi kallar denna typ av rundgång för OKÄND1. Slutligen finns det ytterligare en typ av rundgång/kortslutning som vi kan beteckna som okänd. Det är det kortslutningsflöde som kan uppstå i ventiler som ej återställts korrekt i samband med arbete eller sektioneringar. Vi kallar denna typ av rundgång för OKÄND2. Gemensamt för alla typer av rundgångar, kända som okända, är att det är mycket svårt att uppskatta vilka flödesmängder som passerar genom en enskild ventil. Möjligen med undantag för typ KÄND4, som ibland ingår i villacentralen och därmed mäts in med ordinarie värmemätare. 11
De två vanligaste fabrikaten av termostatstyrda ventiler på den svenska marknaden är idag Danfoss termostatiska returvattenventil FJV 15, 20 eller 25 respektive Samsons returtemperaturbegränsningsventil 3D, 4D eller 4E. Arbetsområdet för Danfoss- och Samson-ventilerna är ca 20-60 C. Dessutom förekommer en termostatisk ventil VVC 20F från Markaryds Metall- Armatur som hittills mest har används i sekundära tillämpningar, som t ex injustering av VVC-slingor. Ventilen är dock konstruerad för att kunna användas vid 120 C, 16 bars tryck och 6 bars differenstryck. Arbetsområdet är 40-60 C vilket gör den mest lämpad för användning i områden med låg linjetäthet och där extra cirkulationsflöde krävs för att upprätthålla framledningstemperaturen. Figur 2.4 Samsons returtemperaturbegränsningsventil Typ 3D och Typ 4E. Return flow temperature limiter from Samson. Figur 2.5 MMA:s begränsningsventil VVC 20F. Thermostat valve from MMA (Markaryds Metall Armatur). 2.3. Dokumentation Det sätt som rundgångarna dokumenteras på varierar kraftigt mellan olika energiföretag. Vid en del företag finns endast en ritning över rundgången där det dock oftast står dimension och fabrikat på ventilen. Det är dock sällsynt med en samlad förteckning över vilka rundgångar som existerar, med tillhörande beskrivning av t ex fabrikat, arbetsinstruktion o dyl. Den mesta informationen finns dock i huvudet 12
på de som arbetar ute på nätet, vilket ibland får till följd att viktig kunskap förloras om någon av dessa personer slutar vid företaget. Andra företag har mycket god ordning och dokumentation på sina rundgångar. Ett särskilt register över rundgångarna finns, antingen digitalt eller så i pärmar. Här finns utförlig information om varje specifik rundgång och aktuell status för den. De digitala registren kan också ibland kopplas ihop med ett kartregister. Det vanligaste verkar dock vara ett mellanting av de två ovanstående. Av ett flertal kontaktade företag finns 13 st förfrågningar redovisade i bilaga 1. 2.4. Rutiner för installation och uppföljning Våra intervjuer visar också på att det sällan finns klara och tydliga instruktioner för vad som gäller vid installation av rundgångar med manuella ventiler. Det vanligaste är att ge direktiv till entreprenörer att montera så klent som möjligt, men det är långt ifrån alltid som installationen följs upp. När entreprenören väljer dimension på rören så har de sällan rundgångsproblematiken i åtanke utan använder tillgängligt material och tidigare erfarenhet. Då det installeras termostatiska ventiler har däremot oftast energiföretaget valt ventiltyp och storlek och förser entreprenören med denna. Oftast har man också en tanke eller policy med vilket värde som den termostatiska ventilen ska ställas in på. Då ett nytt område projekteras och ska anslutas till fjärrvärme görs ofta noggranna och omfattande beräkningar i förväg av förväntad flödesbild vid olika lastfall. Beräkningarna leder sedan till slutligt val av rördimensioner. Ofta görs också någon beräkning av vilka flöden som kan förväntas vid låglast och om det kommer att krävas någon rundgång för att öka genomströmningen. Det är däremot ovanligt att man gjort några mer omfattande flödesberäkningar för att fastställa vilket flödesbehov som finns vid den aktuella rundgången, d v s dimensionera ventilen med hänsyn tagen till differenstryck och flödesbehov. Vårt intryck är att de teoretiska beräkningarna möjligen genomförs i ett senare skede när ventilen redan är installerad och då man ifrågasätter vilka flödesmängder som kan passera igenom rundgången. 13
3. Dokumenterade erfarenheter om rundgångar Vi har valt att redovisa tre olika studier som gjorts inom detta område. Det ska dock påpekas att ämnesområdet knappast har studerats överhuvudtaget och är därför ringa dokumenterat. 3.1. Sammanfattning av Herberts rapport Peter Herbert skrev 1995 rapporten Rundgångars ekonomiska betydelse för fjärrvärmenäten [Ref. 1]. I samband med den har en undersökning av manuella och termostatstyrda ventiler gjorts och beräkning av dess kostnader då det gäller investering, drift och underhåll. Studien gäller dock huvudsakligen rundgångar som installerats för att förhindra frysning. Herbert har gjort antagandet att en rundgång kan betraktas som en kund i nätet och därmed kan kostnaden för rundgången beräknas om flödet värderas som om en s k flödesavgift tillämpas. Några övriga slutsatser är: Installation av termostatventiler istället för manuella ventiler med eller utan sommaravstängning minskar energi- och effektförlusterna avsevärt. De årliga förlusterna för rundgångar med termostatventiler inställda på 45 C och 20 C uppgår till ca 50% respektive ca 20% av förlusterna för manuell ventil utan sommaravstängning. Termostatventiler inställda på 45 C medför på årsbasis dock större energiförluster än vad manuella ventiler med sommaravstängning gör. De årliga energiförlusterna för rundgång med sommaravstängning uppgår till ca 40% av de vid manuell ventil utan sommaravstängning. De årliga kostnaderna beräknades ligga i storleksordningen 10 kkr/rundgång för manuella ventiler (vilket motsvarar ca 11 kkr 2003). Kostnadsnivån är så hög att varje enskilt nät bör fundera på möjligheten att slopa eller strypa in flöden med hjälp av termostatventiler. 3.2. Test i Uppsala Vid dåvarande Uppsala Energi gjorde Johan Schenning 1996 en intern utredning av vad kostnaderna är för manuella respektive termiskt reglerade ventiler. För att göra detta hade man placerat en ventil av varje modell på sådan plats att differenstrycket i fjärrvärmenätet var detsamma och sedan mätt flödet genom dessa. Den manuella ventilen (av typ Trim A ) gav ett flöde på 0,6 l/s eller 18 000 m³. Flödet genom den termiska (returbegränsningsventil av typ Samson 4D) ställdes in på 30ºC och kunde vid denna temperatur reglera utan ett mätbart flöde registrerades, dvs ett mindre flöde än mätarens minimiflöde som var 25 l/h. Här uppskattades flödet därför till maximalt 1000 m³/år. Även i denna utredning betraktar man kostnaden för flödet genom rundgången som en sorts flödestaxa. Detta resulterar i att kostnaden för den manuella ventilen beräknas till 18 gånger större än för den termiskt reglerade [Ref. 6]. 14
3.3. Test i Göteborg Anders Fransson vid Göteborg Energi AB har under hösten 2001 gjort tester för att jämföra flödet i rundgångar med antingen nålventil och termiskt reglerad ventil. (Den undersökta termiskt reglerande ventilen var en Danfoss FJV DN15 och nålventil var en Rubens Broby DN 15, Kvs 0,6) I rapporten [Ref. 2] görs en ekonomisk jämförelse som visar att en termiskt reglerad ventil som är öppen året runt kostar mindre än 100 kr per år för Göteborg Energi. En rundgång med manuell ventil som är kraftigt instrypt kostar 400 kr per år. Eftersom det dock är ovanligt att kunna strypa nålventiler så kraftigt att endast nödvändigt flöde passerar, så kostar de oreglerade ventilerna med betydligt högre genomströmningsflöde, istället närmare 10 000 kr per år. Kostnaderna är beräknade utifrån en värdering av enbart flöde och kostnaden för arbetstid är ej medtagen i de redovisade värdena. Då det gäller flödet genom de båda rundgångstyperna visar testet att en termostatventil inställd på 40ºC har ca 80 % lägre flöde jämfört med en kraftigt instrypt nålventil. Den manuella nålventilen får dessutom ett genomströmningsflöde som är betydligt mer känsligt för tryckvariationer i nätet, se figur 3.1. Dvs man bör ha i minnet att ett korrekt injusterat flöde i den manuella ventilen, ändå kan öka kraftigt om differentrycket över ventilen höjs. Figur 3.1 Flödesförändring genom rundgångsventiler vid olika differenstryck. Mätningar gjorda vid Göteborg Energi. Measurements from Göteborg Energi that shows the flows through valves at various differential pressure. The lower curve corresponds to a thermostat valve and the upper curve shows the flow through a manual valve. 0,04 Flödets beroende av tryckfallet över ventilen Flöde [m3/h] 0,03 0,02 0,01 0 0 0,5 1 1,5 2 Instrypt ventil [m3/h] Termiskt reglerad ventil [m3/h] Tryckfall över ventilerna [Bar] Även temperaturen kommer att variera efter en instrypt ventil då differenstrycket förändras, se figur 3.2. Mätningarna i figur 3.1 och 3.2 visar på svårigheterna med att kunna få kontroll över temperatur- och flödesnivå i en manuellt instrypt ventil. 15
Figur 3.2 Temperaturförändring vid rundgångsventiler vid olika differenstryck. Mätningar gjorda vid Göteborg Energi. Measurements from Göteborg Energi that shows the resulting temperature after an adjusted manual valve (upper curve) and a thermostat valve (lower curve) at various differential pressure. Temperaturens beroende av tryckfallet över ventilen Temperatur [gr C ] 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0 0,5 1 1,5 2 Instrypt ventil [gr C ] Termiskt reglerad ventil [gr C ] Tryckfall över ventilerna [Bar] 16
4. Arbetsmetodik och teoretisk modell 4.1. Metodik Vi har i projektet vägt samman synpunkter från ett flertal intervjuade energiföretag med egna erfarenheter/funderingar samt genomförda undersökningar. Det har resulterat i ett förslag till metodik som enklast kan sammanfattas i följande punkter: Inventering, kategorisering och dokumentation av nätets och fjärrvärmecentralers rundgångar. Ifrågasätt behovet av rundgångar, gör flödesberäkningar Bygg bort om möjligt! Varje motiverad rundgång bör ha ett beräknat genomströmningsflöde. Justera in flödet med lämplig ventil, helst med möjlighet till flödesmätning. En motiverad rundgång som ska förhindra frysning bör helst bestå av en termostatstyrd ventil. Instrumentera för temperaturmätning i fasta rundgångar, förbered gärna för kommande loggning. Kontrollera varje rundgång minst 2 gånger/år. Genomför perioder med ändrad framledningstemperatur eller differenstryck och gör samtidigt lokala temperaturloggningar i olika nätavsnitt. Detaljanalysera (kontrollera kända rundgångsventiler och leta efter okända kortslutningar/rundgångar) områden som inte uppvisar förväntade temperaturnivåer. Gör periodiska jämförelser (t ex kvartalsvis) mellan sammanvägd avkylning i alla FC och nätets uppmätta avkylning vid produktionsanläggningar. De första två punkterna är naturligtvis självklara även om det, som redan nämnts flera gånger, förekommer mycket varierande ambitioner då det gäller dokumentation och rutiner. Vi finner det sedan lite märkligt att man inte lägger ned större möda på att dimensionera ett lämpligt genomströmningsflöde i fasta rundgångar. Det används ju idag ofta kraftfulla beräkningsprogram för ledningsdimensionering och samma beräkningar skulle kunna användas för detta ändamål. Om man t ex finner att det behövs ett rundgångsflöde på 1 m³/h i en viss punkt, så kan man med kännedom om differenstrycket välja en lämplig ventilstorlek som inte medger så mycket större genomströmningsflöde vid fullt öppen ventil. Detta vore då ett sätt att säkerställa ett maximalt värde på kortslutningsflödet. Då det gäller rundgångar som ska förhindra frysning är kanske flödesberäkningarna av mindre vikt, utan man bör då istället välja en termostatstyrd ventil som ställs in med ett rimligt börvärde, ca 20-35 C. Men som vi tidigare nämnt, så är det ganska sällsynt att man gjort några mer omfattande flödesberäkningar för att fastställa vilket flödesbehov som egentligen finns vid övriga fasta rundgångar. Vi anser därför att även dessa ventiler bör dimensioneras med hög noggrannhet. Detta blir dessutom av allt större betydelse om övriga ventilers Kvs-värden och kortslutningar i nätet konsekvent och kontinuerligt reduceras. 17
Vi har utifrån gjorda intervjuer funnit att en rimlig nivå på kontroller av rundgångsventiler är minst 2 gånger per år. För fasta ventiler som öppnas/stängs vid vår och höst är det självklart, men även termostatventiler bör kontrolleras regelbundet. Vår egen erfarenhet från flera olika distributionsnät visar att det kan vara stor spridning i termostatventilers funktion samt att en given börvärdesinställning inte alltid resulterar i önskad temperaturnivå. Från några fjärrvärmenät finns det också rapporter om termostatventiler som slutat fungera efter bara något enstaka driftår. Detta motiverar således att såväl termostatventiler som fasta rundgångsventiler bör kontrolleras åtminstone 2 gånger per år. Som ett komplement till ronderingarna anser vi att man dessutom ska överväga att instrumentera fasta rundgångar med en permanent temperaturmätning eller åtminstone förbereda för utplacering av tillfälliga temperaturloggningar. I den sista punkten i metodiken förslår vi att det görs periodiska jämförelser mellan uppnådd avkylning i alla fjärrvärmecentraler och nätets uppmätta avkylning vid produktionsanläggningar. Om man t ex väljer att göra sammanställningen med månadsdata eller kvartalsdata, så kommer man efter ett års statistik snabbt kunna upptäcka avvikelser som tyder på förändringar i distributionsnätet eller att t ex ett mätfel kan upptäckas. Statistiken har kanske visat att under vinterperioden brukar det skilja ca 2 C mellan avkylningen i FC och avkylningen på hela nätet. Om man plötsligt får en skillnad på istället 5 C finns det skäl att undersöka vad förändringen beror på. Erfarenheten visar att det oftast beror på att någon ventil blivit felaktigt manövrerad vid en tillfällig avstängning eller alternativt beror det på ett mätfel. Det senare kan då snabbt åtgärdas med hjälp av en kalibrering. En annan ofta pågående diskussion vid många energiföretag gäller huruvida fjärrvärmenätet körs med rätt framledningstemperatur. Det är självfallet så att många faktorer ska vägas in när man avgör hur nätet ska matas med framledningstemperatur och pumpning för att kunna hålla energileverans och differenstryck i givna kontrollpunkter. Och oftast finns det en betydande teoretisk analys i botten som kombinerats med tidigare drifterfarenheter när man lägger fast olika driftinstruktioner. Men det borde också vara självklart att man regelbundet undersöker hur nätets termodynamiska och hydrauliska egenskaper förändras. Vår uppfattning är att man korrigerar betydligt oftare driftinstruktionerna pga ekonomiska förändringar i omvärlden än tekniska förändringar i fjärrvärmesystemet. Fjärrvärmenätet modifieras hela tiden och byggs oftast ut, kunder byter äldre FC eller ändrar sina lastuttag samt pumpar och produktionsenheter byggs om. Sammantaget leder allt det här till man måste genom praktiska försök och test lära sig hur nätets egenskaper förändras, t ex genom förändrad framledningstemperatur eller differenstryck. En annan faktor som också är oerhört viktig är ju att verifiera teoretiska modeller och beräkningar. I värsta fall sitter man annars med en detaljerad modell för tryck- och flödesberäkning av distributionsnätet som skiljer sig från verkligheten. 4.2. Fjärrvärmenätet som en enda värmeväxlare I utredningar som ZW Energiteknik bl a gjort 1999/2000 vid Enköpings Värmeverk och Sundvall Energi har en arbetsmetodik använts som bygger på att man betraktar hela distributionssystemet kompakterat. Med detta menar vi att alla värmeväxlare (VVX) som finns utplacerade i hundratals fjärrvärmecentraler beräkningsmässigt ersätts med en enda VVX. Det innebär att vi kan säga att allt vatten som passerar genom systemets fjärrvärmecentraler, modellmässigt passerar genom vår tänkta VVX. På sekundärsidan av VVX 18
passerar allt vatten som finns i kundernas sekundära system, dvs radiator-, ventilations- och tappvarmvattensystem. De rundgångar som finns i distributionssystemet kan då sammantaget tänkas som en ren kortslutning på den primära sidan av vår tänkta VVX. Med detta betraktelsesätt kan vi sedan genom fältförsök avgöra om ett distributionsnät eller en del av detta har orimligt höga kortslutningsflöden. Genom att använda statistik över utetemperatur, effekt, fram- och returtemperatur vid alla klockslag under exempelvis ett år kan en modell över nätets temperaturprofil och lastuttag skapas. En trevlig egenskap hos modellen är alltså att den bygger enbart på verkliga driftdata. Modellens svaghet ligger i att sekundärsidans beteende generaliseras kraftigt, men då vi endast är ute efter att beskriva vad som händer vid olika mindre temperaturförändringar kan även detta hanteras på ett accepterbart sätt. Allmänt gäller att en värmeväxlare kan beskrivas med ett k*a-tal P där k *A = [W/ C] (ekv 1) LMTD där P är effekt, k är värmegenomgångstal och A är värmeväxlaryta. LMTD är logaritmisk medeltemperaturdifferens och beräknas enligt följande ( T11 T22) ( T12 T21) LMTD = [ C] (ekv 2) T11 T22 ln T12 T21 där T11 respektive T12 är fram- och returtemperatur i fjärrvärmenätet. T22 och T21 är i vår modell de sammanvägda fram- och returtemperaturerna på den sekundära sidan, d v s radiatorer, ventilation och tappvarmvatten. Genom att betrakta hela fjärrvärmenätet som en enda värmeväxlare kan ett k*a-värde för denna utgöra vår modell. Och om vår VVX beskriver nätet på ett relevant sätt, kan vi därför t ex förutsäga hur nätet ska bete sig om en ändring av t ex framledningstemperaturen görs. Med hjälp av detta k*a-värde kan en ny returtemperatur beräknas om vi exempelvis höjer framledningstemperaturen 5 C och antager att sekundärsidan (=kundernas beteende) är oförändrat. Om vi därefter genomför försök med höjd eller sänkt framledningstemperatur och jämför det verkliga utfallet med våra modellerade värden kan vi få en indikation på om det finns rundgångar/kortslutningar i nätet. Dvs om nätet beter sig i grova drag som modellen förutsagt, så kan vi påstå att vår modell stämmer och att nätet grovt kan beskrivas med en värmeväxlare. Om utfallet däremot inte stämmer med vår modell, så är vårt antagande felaktigt och nätet kan inte beskrivas med en värmeväxlare. Och vi drar då slutsatsen att nätet är inte idealt utan innehåller mer eller mindre kortslutningar. Vi har genomfört detta betraktelsesätt på några olika fjärrvärmenät och funnit att den teoretiska ansatsen stämmer relativt väl på mindre nät, men att avvikelserna kan bli avsevärda på större och mer komplexa distributionssystem. 19
5. Mätningar i olika nät I fjärrvärmenäten vid Gävle och Skogås (söder om Stockholm) har några kortare försökperioder genomförts 2002 med en rejält förhöjd framledningstemperatur. Syftet har varit att försöka visa hur de olika näten svarar på detta och utifrån resultaten avgöra om olika delområden bör studeras noggrannare då det gäller att lokalisera för höga läckageflöden. I fjärrvärmenätet i Nykvarn har under sommaren 2003 rundgångsventiler studerats med olika inställningar. Syftet har varit att studera ventilernas funktion och möjlighet att påverka på nättemperaturerna. 5.1. Gävle (ca 225 MW vid 20 C) Värden har loggats under perioden 25/1-24/2 2002 och själva testet utfördes under en vecka, 12/2-18/2. Framledningstemperaturen Tfram höjdes då 8-10ºC utifrån det normala programmet. Utetemperaturens medelvärde under testveckan låg på 1,5ºC (max 7,5ºC, min 3,7ºC). Returtemperaturer har mätts i nio punkter, varav två från produktionsanläggningarna Johannes och KEAB. Som gemensam Tfram har en viktad temperatur från de båda produktionsanläggningarna använts. Testvärdena har sedan jämförts med de normala värdena för samma utetemperatur i ett diagram för respektive mätpunkt. Man bör ha i åtanke att Gävle Energi de senaste fem åren arbetat intensivt med att minska storlekar på styrventiler i fjärrvärmecentraler. Framförallt har detta gällt ventiler för reglering av tappvarmvattentemperatur där mer än 700 ventiler bytts ut och ersatts med nya och mindre ventiler. Detta arbete bör också inverka vid vårt test och få mest genomslag på returtemperaturen i lastområden då värmelasten inte dominerar lika mycket, t ex då utetemperaturen är över +5 C. Diagrammen som sammanställts visar tydligt höjningen av framledningstemperaturen och motsvarande returtemperatur (röda mätpunkter). Totalt har nio olika mätpunkter i nätet studerats, varav två visas i figur 5.1-5.2. Vid fem av mätpunkterna kan man se att den nya returen ligger i underkant eller signifikant under den gamla returtemperaturnivån, se exempel i figur 5.1. Detta överensstämmer med de teoretiska beräkningarna att då framledningen höjs så sänks returen. Vi anser då att man troligen inte har några rundgångar eller kortslutningsflöden i dessa områden som i större utsträckning påverkar returtemperaturen. Däremot kan det mycket väl finnas en del problem med värmesystemen eftersom ingen returtemperaturförändring kan noteras vid lägre utomhustemperaturer. Problemen kan t ex vara smutsiga värmeväxlare, för högt inställda värmekurvor i fastigheter eller ineffektiva luftbatterier. De övriga fyra mätpunkterna uppvisar däremot inte liknande förändringar. För exempelvis mätpunkten Källö, se figur 5.2, syns knappt någon förändring alls. Vi anser då att det i dessa delar av nätet finns problem med överläckage mellan fram- och returledning, vilket bl a kan vara förorsakat av rundgångsventiler med för högt genomströmningsflöde. 20
Figur 5.1 Nättemperaturer vid olika utetemperaturer i mätpunkt Piper. Röda punkter visar förhöjd framledningstemperatur och motsvarande returtemperatur. Measurements from Gävle Energi at location Piper. The diagram shows the district heating temperatures at various outdoor temperatures. Red points is a temporary rise of the forward temperature and corresponding return temperature. Piper 120 100 80 60 40 20 0-15 -10-5 0 5 10 För att mer i detalj kartlägga orsaken och kunna lokalisera platsen för överläckage i nätet, bör man placera ut temperaturloggar i respektive område. Därefter genomförs en liknande övning med tillfälligt höjd framledningstemperatur och analysen kan sedan göras på nytt. Dessa mätningar har dock ej genomförts i detta projekt. Vid Göteborg Energi har däremot omfattade loggningar gjorts i olika kammare under våren 2002 på den s k SE-stammen, se bilaga 1. Syftet var just att försöka lokalisera rundgångsventiler som har för högt genomströmningsflöde. Erfarenheten från dessa mätningar är dock att framledningstemperaturen har varierat alldeles för kraftigt för att denna analysmetod ska kunna tillämpas, se figur 1.1 i bilaga 1. Nätavsnittets generellt låga returtemperatur tyder dock på att inga större problem med rundgångar eller överläckage förekommer. Men eventuella lokala problem i något nätavsnitt kan endast fastställas med denna metod om framledningstemperaturen följer striktare temperaturkurvor. 21
Figur 5.2 Nättemperaturer vid olika utetemperaturer i mätpunkt Källö. Röda punkter visar förhöjd framledningstemperatur och motsvarande returtemperatur. Measurements from Gävle Energi at location Källö. The diagram shows the district heating temperatures. Red points is a temporary rise of the forward temperature and corresponding return temperature. Källö 120 100 80 60 40 20 0-15 -10-5 0 5 10 5.2. Skogås (ca 45 MW vid 20 C) Värden har loggats under två olika perioder. Under vintern 1998/99 utfördes test med olika framledningskurvor i nätet som då omfattade Skogås och Trångsund. Figur 5.3 visar värden med normal driftsituation, men med en förhöjd framledningstemperatur då utomhustemperaturen Tute varierat mellan 9 C och +4 C. Vi kan också tydligt se att där skillnaden mellan de två framledningskurvorna är som störst vid Tute ca 2 C, får man ett tydligt gensvar från nätet som resulterar i lägre returtemperatur. Dvs att nätet uppför sig som en värmeväxlare och inga dominerande kortslutningar verkar förekomma. Enligt dokumentationen ska det inte heller finnas några permanenta rundgångar i detta nät. 22
Figur 5.3 Nättemperaturer vid olika utetemperaturer i Skogås PC, vintern 1998/99. Gröna punkter visar förhöjd framledningstemperatur och motsvarande returtemperatur (svarta punkter). Measurements from Södertörns Fjärrvärme at Skogås. The diagram shows the district heating temperatures. Green points is a temporary rise of the forward temperature and corresponding return temperature (black points). Fram och returtemperatur i Skogås december 1998 - februari 1999 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30-20 -15-10 -5 0 5 10 Nästa dokumenterade mätperiod omfattar 1 juni 2001 4 mars 2002, där den sista veckan innehåller testet med höjd framledningstemperaturen med ca 5ºC utifrån det normala programmet, se figur 5.4. Under hösten 2001 har fjärrvärmenätet i Länna sammankopplats med nätet i Skogås/Trångsund. De anslutna kunderna i Länna består till huvuddelen av småindustrier som har en mycket låg tappvarmvattenlast. I delar av Länna-nätet är det därför sommartid svårt att hålla en tillräckligt hög Tfram. Nätet i Länna innehåller två fasta rundgångar i form av nålventiler i kammare samt en termostatstyrd ventil hos kund. Därtill finns ett antal äldre fjärrvärmecentraler med laddningsberedare som innehåller en s k returtemperaturbegränsning av typ Samson, vilka är att jämställa med en rundgångsventil. 23
Figur 5.4 Nättemperaturer vid olika utetemperaturer i Skogås PC, juni 2001 februari 2002. Röda punkter visar förhöjd framledningstemperatur och motsvarande returtemperatur. Measurements from Södertörns Fjärrvärme at Skogås. The diagram shows the district heating temperatures. Red points is a temporary rise of the forward temperature and corresponding return temperature. Skogås 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 Då man jämför figur 5.4 med figur 5.3 finner man att nätet inte längre svarar på samma sätt som vid den tidigare temperaturhöjningen. Men eftersom det tillkommit ett antal rundgångsventiler och kortslutningar i Länna, så är detta helt logiskt och stämmer väl med vårt tidigare resonemang. En teoretisk beräkning som gjorts med vår VVX-model visar på att returtemperaturen istället borde sjunka 1-1.5 C i det aktuella lastintervallet om inga kortslutningsflöden förekommer. Dvs ungefär som vid det tidigare försöket, figur 5.3. 5.3. Nykvarn (ca 10 MW vid 20 C) I Nykvarn (ca 10 km väster om Södertälje) finns ett mindre fjärrvärmenät med ca 30 större fjärrvärmecentraler (effektintervall 30 2000 kw) och ca 25 villor anslutna. Fjärrvärmenätet är relativt utsträckt och kan betecknas som värmeglest, även om antalet anslutna villor ännu så länge är i samma storleksordning som antalet FC. (Energileveransen är ca 20 GWh/år och nätets längd är 8.7 km vilket ger linjetätheten 2.3 MWh/m och år.) Ett kännetecken för ett värmeglest nät är också en del problem med att sommartid kunna upprätthålla en homogen framledningstemperatur i nätet, speciellt i dess ytterområden. I två av nätets ändpunkter har termostatstyrda rundgångsventiler monterats sommaren 2002, se figur 5.5. Avsikten är att under sommarperioden höja nätets cirkulationsflöde med hjälp av dessa ventiler och därigenom försöka höja framledningstemperaturen i områden med lågt lastbehov och lågt fjärrvärmeflöde. Ventilerna är av fabrikat Danfoss FJV 15, se figur 2.1. Båda ventilerna är monterade direkt innanför vägg i respektive fastighet. Dvs att ventilernas omgivningstemperatur är 20-25 C. 24
Figur 5.5 Fjärrvärmenätet i Nykvarn, med markerade (blå) rundgångsventiler. The district heating network in Nykvarn with two by-pass valves. Under sommaren 2003 har ett antal försöksperioder genomförts med olika börvärdesinställningar på ventilerna. Syftet har varit att klargöra vilken inverkan rundgångsventilerna har på nättemperaturen då olika börvärden ställts in. Vid sommarens mätperioder har ventilernas börvärde successivt höjts från 1.7 till 2.0, 2.3, 2.6 och slutligen 3.0. Två av perioderna redovisas i figurerna nedan. 25
Figur 5.6 Temperaturmätningar i PC och vid rundgångsventiler. Inställt börvärde på ventilerna är 2.3, vilket motsvarar ca 50 C enl. produktblad 3/97. Temperature measurements in the heating plant and in the network at by-pass valves. The valve set point is 50 C. Nykvarnsnätet 6/8-7/8 2003 Tfram (PC) Tretur (PC) Tfram (Turingeskolan) Tretur (Turingeskolan) Tfram (Posten) Tute 90 80 70 60 Temperatur [ C] 50 40 30 20 10 0 2003-08-06 04:48 2003-08-06 14:24 2003-08-07 00:00 2003-08-07 09:36 2003-08-07 19:12 Tid [h] Figur 5.7 Temperaturmätningar i PC och vid rundgångsventiler. Inställt börvärde på ventilerna är 3.0, vilket motsvarar ca 60 C enl. produktblad 3/97. Temperature measurements in the heating plant and in the network at by-pass valves. The valve set point is 60 C. Nykvarnsnätet 16/9-17/9 2003 Tfram (PC) Tretur (PC) Tfram (Turingeskolan) Tretur (Turingeskolan) Tute 90 80 70 60 Temperatur [ C] 50 40 30 20 10 0 2003-09-16 07:12 2003-09-16 16:48 2003-09-17 02:24 2003-09-17 12:00 Tid [h] 26
Det bör noteras att i Danfoss produktblad för den termostatiska FJV-ventilen förekommer två olika temperaturskalor. Enligt produktblad daterat 3/97 motsvarar ventilens inställning 1-5 intervallet [30-75 C]. Enligt produktblad daterat 10/00 motsvarar ventilens inställning 1-5 intervallet [20-65 C]. Vi tolkar detta som att ventilens egenskaper förändrats med årsmodell. I praktiken innebär det i så fall att den äldre ventilen som ställt in på t ex 3 ger 60 C i returtemperatur och den nyare ventilen ger 50 C med samma inställning. En annan slutsats som kan dras är att ventilerna tillåter alldeles för låga flöden för att det ska resultera i en generell höjning av framledningstemperaturen. I Nykvarn är huvudledningen genomgående väl tilltagen och nätets medeldimension är ca 150 mm. Det medför då att vattnet har låg hastighet sommartid och att framledningstemperaturen kommer att sjunka rejält. I figur 5.6 ser man t ex att framledningstemperaturen sjunker mer än 20 C, från ca 80 C till ca 58 C i nätets ändpunkter. Temperaturfallet förstärks av att sommartid finns det inte något annat lastuttag än varmhållning av VVC vid de båda ändpunkterna i Turingeskolan och Posten. I figur 5.7 finner vi att framledningstemperaturen vid Turingeskolan höjts till 62-63 C i snitt då FJV-ventilen ställts in på börvärde 3. Mätvärden för Posten saknas för denna mätperiod, men har i samtliga övriga mätperioder varit på samma nivå som vid Turingeskolan. Figur 5.8 Temperaturmätningar i PC och vid rundgångsventiler. Inställt börvärde på ventilerna är 2.6, vilket motsvarar ca 55 C enl. produktblad 3/97. Temperature measurements in the heating plant and in the network at by-pass valves. The valve set point is 55 C. Nykvarnsnätet 20/8-21/8 2003 Tfram (PC) Tretur (PC) Tfram (Turingeskolan) Tretur (Turingeskolan) Tfram (Posten) Tute 90 80 70 60 Temperatur [ C] 50 40 30 20 10 0 2003-08-20 04:48 2003-08-20 14:24 2003-08-21 00:00 2003-08-21 09:36 2003-08-21 19:12 Tid [h] 27
I figur 5.8 visas ett dygn med styrproblem att automatisk hålla en konstant framledningstemperatur vid PC. Vi kan konstatera att pendlingarna även får genomslag på hur returtemperaturen varierar och resulterar i mindre pendlingar. Däremot syns inget av pendlingarna på framledningstemperaturen vid Posten eller Turingeskolan. Vi tolkar detta som att FJV-ventilerna reglerar och konstanthåller temperaturen på en nivå som motsvarar inställt börvärde på ca 55 C. Utifrån synpunkter och erfarenheter från våra intervjuer drar vi också den slutsatsen att problemet med att kunna upprätthålla Tfram under låglast sommartid är relativt vanligt. Då man projekterar ett nytt område för fjärrvärmeanslutning, är man oftast mycket noggrann då det gäller att bestämma lämplig rördimension på olika avsnitt. Inte minst utifrån en ekonomisk aspekt så eftersträvar man idag så klena dimensioner som möjligt. Det förefaller också vara relativt vanligt att man teoretiskt beräknar låglastfall för att kunna se vilka flöden som krävs sommartid. 28
6. Diskussion och slutsatser Rundgångar i distributionsnät är normalt en komponent som har lite dåligt rykte. Speciellt då man ensidigt eftersträvar så bra avkylning i nätet som möjligt, men faktum är att rundgångsventiler ger också förutsättningar för bättre utnyttjande av distributionsnätet. Man kan kanske uttrycka det som att mindre kortslutningsflöden ger generellt lägre Tretur. Samtidigt som större kortslutningsflöden i valda punkter ger jämnare Tfram. Problemställningen har således inte alltid en självklar lösning. Termostatiska rundgångar som installerats för att förhindra frysning rekommenderas att ställas in med låg temperatur nivå. Vi kan ge följande rekommendation: För rundgångar i hus ställs ventilen in på 35 C och i övriga rundgångar ställs ventilen in på 30 C. I t ex Uppsala anser man detta ge en hög säkerhet mot frysning i ledningarna. Vid Södertörns Fjärrvärme har man ännu lägre börvärde för tillfälliga rundgångar i samband med nybyggnation. Dessa rundgångar har termostatventiler som normalt ställts in på 20 C. Då det gäller termostatiska rundgångsventiler som installerats för att kunna upprätthålla en tillräcklig framledningstemperatur sommartid bör man resonera annorlunda. Har man väl bestämt sig för att det krävs ventiler för att öka nätets genomströmningsflöde, så kan man inte tillåta sig att strypa dessa med för lågt inställda börvärden. Man kan t ex inte nå önskad effekt om ventilen samtidigt ska fungera som en returtemperaturbegränsare inställd på 40-45 C. Både teoretiska beräkningar och praktiska fältmätningar visar att högre börvärden krävs om ventilen överhuvudtaget ska få avsedd inverkan på nättemperaturerna. Det går alltså inte att gasa och bromsa samtidigt! I [Ref 7] har Persson och Wollerstand gjort simuleringar på ett värmeglest område med 34 småhus i Malmö. I fallet med att installera en termostatisk ventil längst bort i nätet som rundgångsventil dras bl a slutsatsen att sommartid verkar det vara gynnsammare att höja börvärdet på rundgångsventilen än att höja nätets framledningstemperatur. Detta både med tanke på nätets värmeförluster och resulterande nivå (kvalité) på framledningstemperatur. I [Ref 8] har Werner analyserat problemet med att kunna upprätthålla framledningstemperaturen vid värmegles fjärrvärme. Några av rekommendationerna i rapporten är direkt motsatta mot slutsatserna i [Ref 7]. Dvs Werner föreslår att både oreglerade och termostatiska kortslutningar bör undvikas så långt det är möjligt i värmeglesa områden utan man bör istället utnyttja den automatiska kortslutningen som finns inbyggd i villacentralerna (rundgång typ KÄND4). Det föreslås också i [Ref 8] att man bör höja framledningstemperaturen i hela fjärrvärmenätet under sommaren. Med tanke på dessa två arbetens skilda slutsatser, samt inte minst de praktiska svårigheter som upplevs på många ställen i landet, är det uppenbart att problemet är komplicerat och knappast har en enda entydig lösning. Och med tanke på de betydande värmeförlusterna från ett nät sommartid, så är den optimala lösningen med behov av rundgångar i ett nät sannolikt förknippad med fjärrvärmerörens isoleringskvalité. Det förefaller dock vara en logisk tanke att det allmänt finns optimala värden på alla rundgångars genomströmningsflöden. Då flera aktiviteter pågår med att anpassa fjärrvärmecentralers styrventiler till mer korrekt dimensionerade storlekar bör ett fjärrvärmenät generellt få allt mindre av läckageflöden i dessa anläggningar. Dvs man får speciellt sommartid allt mindre flödesbehov i FC och därmed allt mindre hjälp med att upprätthålla nätets nödvändiga cirkulation. Vi menar därför att det sannolikt 29
finns ett behov att sommartid höja värdet på dessa börvärden i takt med att styrventilers storlek minskar. Inledningsvis listade vi i vår problembeskrivning några punkter som borde besvaras. Vi har därför i projektet sammanfattat våra egna och andras synpunkter i ett förslag till arbetsmetodik. Vår förhoppning är att på detta sätt involvera kortslutningar och rundgångar lite mer i diskussionen då det gäller total effektivisering av ett fjärrvärmesystem. Metodiken kan sammanfattas i följande punkter: Inventering, kategorisering och dokumentation av nätets och fjärrvärmecentralers rundgångar. Ifrågasätt behovet av rundgångar, gör flödesberäkningar Bygg bort om möjligt! Varje motiverad rundgång bör ha ett beräknat genomströmningsflöde. Justera in flödet med lämplig ventil, helst med möjlighet till flödesmätning. En motiverad rundgång som ska förhindra frysning bör helst bestå av en termostatstyrd ventil. Instrumentera för temperaturmätning i fasta rundgångar, förbered gärna för kommande loggning. Kontrollera varje rundgång minst 2 gånger/år. Genomför perioder med ändrad framledningstemperatur eller differenstryck och gör samtidigt lokala temperaturloggningar i olika nätavsnitt. Detaljanalysera (kontrollera kända rundgångsventiler och leta efter okända kortslutningar/rundgångar) områden som inte uppvisar förväntade temperaturnivåer. Gör periodiska jämförelser (t ex kvartalsvis) mellan sammanvägd avkylning i alla FC och nätets uppmätta avkylning vid produktionsanläggningar. 30
Referensförteckning 1 HERBERT, PETER Rundgångars ekonomiska betydelse för fjärrvärmenäten. Investerings-, driftoch underhållskostnader, nr 525 ISSN 0282-3772 Stiftelsen för Värmeteknisk forskning, Stockholm, 1995. 2 FRANSSON, ANDERS Rapport av jämförelse mellan rundgångsflöde; a) instrypt med nålventil och b) reglerat med termiskt reglerad ventil, Danfoss FJV Intern rapport, Göteborg Energi AB, 2001. 3 WALLETUN, HÅKAN Effektivisering av fjärrvärmecentraler FOU 1999:27 Svensk Fjärrvärme, Stockholm 1999. 4 Avkylningen i ett Fjärrvärmesystem FVF 2000:03 Svensk Fjärrvärme, Stockholm 2000. 5 FREDRIKSEN, SVEND och WERNER, SVEN Fjärrvärme Teori, teknik och funktion ISBN 91-44-38011-9 Studentlitteratur, Stockholm 1993. 6 SCHENNING, JOHAN (UPPSALA ENERGI) Privat meddelande 2001/2002. 7 PERSSON, TOMMY OCH WOLLERSTRAND, JANUSZ Securing domestic hot water temperature summertime in district heating areas with low heat density Bidrag vid 8 th International symposium on district heating and cooling Trondheim 14-16 augusti 2002. 8 WERNER, SVEN Framtemperatur vid värmegles fjärrvärme FOU 2002:65 Svensk Fjärrvärme, Stockholm 2002 31
Personliga kontakter Leif Eriksson, Borlänge Energi Hans Carenmark, Enköpings värmeverk Jan Bergdahl, Eskilstuna Energi & Miljö Christer Forslund, Gävle Energi Anders Fransson, Göteborg Energi Krister Joneken, Energiverken i Halmstad Thomas Samuelsson, Jönköping Energi Magnus Johansson, Luleå Energi Rolf Jacobsson, Sydkraft (Malmö) Sven Eriksson, Mälarenergi Lars Filipsson, Norrenergi Lennart Ståhl, Södertörns Fjärrvärme Rolf Siwertz, Telge Energi Sture Sikström, Umeå Energi Johan Schenning, Vattenfall (Uppsala) Lars Ehrlén, Växjö Energi 32
Bilaga 1 Hur rundgångar hanteras vid olika energiföretag Förfrågningar angående hur rundgångar hanteras gjordes till ett antal energiföretag under våren 2002. Resultaten av samtalen redovisas kortfattat nedan. Borlänge Energi Fjärrvärmenätet i Borlänge är ca 25 mil och det finns ca 440 större FC anslutna. Borlänges fjärrvärmenät levererar ca 370 GWh per år och är till stora delar byggt på 1970-talet. Nätets linjetäthet är ca 1.5 MWh/m. I nätet finns idag ca 350 400 st rundgångar och alla har numera termostatstyrda ventiler. Man har undan för undan byggt bort de äldre manuella rundgångsventilerna. De termostatstyrda ventilerna är av märket Samson RTB typ 4D och ställs normalt in på ca 35 C. Det stora antalet rundgångar beror på att fjärrvärme för närvarande ansluts till småhusområden där mindre dimensioner på rör dominerar. För att då säkerställa temperaturen till alla kunder behövs dessa rundgångar samt för att undvika frysning i tillfälliga röravsnitt. Alla rundgångar är väl dokumenterade i ett datasystem. Enköpings värmeverk Fjärrvärmenätet anlades i början på 70-talet och har för närvarande en längd på drygt 7 mil. Fjärrvärmenätet levererar ca 210 GWh per år och volymen i nätet uppgår till 3100 m 3. Nätets linjetäthet är ca 3.0 MWh/m. Enköpings kommun har 37 000 invånare och de flesta fastigheter i Enköping är anslutna till fjärrvärmenätet. Av dessa är 88 % bostadsfastigheter. I nätet finns 12 rundgångar inbyggda, varav endast en har en termostatventil. I samband med en planerad nybyggnad drogs en 1,2 km ledning för att sedan kunna kopplas in till fastigheterna. Ledningen avslutades med en termostatventil, Danfoss FJV DN20. Nybyggnaden blev sedermera aldrig av och nu skickas vatten genom dessa ledningar för att förhindra frysning. De övriga 11 rundgångarna är försedda med manuella ventiler. Dessa öppnas/stängs genom spindelförlängare och man lyssnar av tills ett flödesljud hörs, vilket naturligtvis kan bli rätt så godtyckligt. Dessa rundgångar öppnas inför vintersäsongen (november) och stängs igen under mars-april. 33
Eskilstuna Energi och Miljö Fjärrvärmenätet i Eskilstuna började byggas 1969 och har idag en sträcka på 24 mil. Energileveransen är ca 700 GWh per år till ca 4000 anslutna kunder varav ungefär 75% är villor. Nätets linjetäthet är ca 2.7 MWh/m. De enda rundgångar som finns är s.k. servisrundgångar. Dessa sitter i områden där ledningar dragits men anslutning till fastighet ännu inte gjorts. Antalet rundgångar är ca 40 stycken och dessa är termostatstyrda ventiler av märket Samson. Ventilerna är inställda på 35 C. Det finns ingen samlad dokumentation på rundgångarna, utan de återfinns endast på ritningar. Vid årliga ronderingar kontrollerar man att de är inställda och fungerar som tänkt. Gävle Energi Gävles fjärrvärmenät är totalt ca 19 mil och distribuerar värme till ca 2900 FC. Energileveransen är ca 700 GWh per år vilket ger en linjetäthet på ca 3.2 MWh/m. Man har tidigare gjort en ordentlig inventering av sina rundgångar, men vet att det finns ytterligare ett antal okända rundgångar i nätet. För fem år sedan började man byta ut de manuella mot termostatstyrda ventiler men en del manuella finns fortfarande kvar. De termostatstyrda ventilerna är genomgående inställda på 40 C. 34
Man har även byggt bort några rundgångar som visade sig onödiga och därmed fått ner antalet rundgångar från ungefär 60 till idag 2003 ca 10 stycken. Varje rundgång har ett eget SI-nummer och kan återfinnas på en GIS-karta. Det finns dock ingen samlad dokumentation över rundgångarna. Man försöker även arbeta med att minska problemen med s k produktionsrundgångar exempelvis i samband med varmhållning av eldningsolja. Göteborg Energi Göteborgs fjärrvärmenät är drygt 70 mil och energileveransen är ca 3500 GWh per år, vilket ger en linjetäthet på ca 4.8 MWh/m. Det totala antalet rundgångar i nätet är ca 180-200 st. På grund av distributionsnätets storlek och att en stor del av nätet är kopplat till flera olika produktionsenheter, har vi valt att studera endast en del av Göteborgs fjärrvärmenät (SE-stammen och dess förgreningar som visas i figuren ovan). På den nätdel som valts sitter enligt anläggningsregistret 46 rundgångar men sannolikt finns ytterligare 30 stycken som inte blivit inmatade i systemet. Av dessa är 3 st termostatstyrda ventiler KÄND1 och resten manuella KÄND2. 35
Göteborg Energi har delat upp sina rundgångar i fem kategorier: A = Frysrisk p g a minusgrader i luften B = Markledning längre än 20 m (skall vara öppen hela året) C = Markledning kortare än 20 m D = Används i samband med stängda sektionsventiler E = Slopas eller behöver ej användas Enligt arbetsinstruktion skall typ A öppnas under oktober. Typ B kontrolleras att den är öppen. Typ C och D öppnas när det är risk för tjäle. Vid öppning/stängning av de manuella ventilerna finns inga instruktioner, utan de öppnas och ställs in erfarenhetsmässigt. Man har ett anläggningsregister där typ av rundgång och karthänvisning beskrivs. Ledningarna betecknas med A, AB, AB-1 o s v där A är huvudledning. Det finns också ett kartprogram, Mapinfo, som ska kunna kopplas ihop med anläggningsregistret. Man har också börjat göra försök i servicebilarna med handdatorer som är kopplade till dessa kartregister. Figur 1.1 Nättemperaturer vid olika utetemperaturer i SE-stam vid Göteborg Energi. Halmstad Halmstad har haft fjärrvärme sedan 1980 och idag är 1 400 småhus och ca 13 000 lägenheter i Halmstad är anslutna till fjärrvärmenätet. Nätet är uppbyggt som ett ringsystem och är ca 16 mil långt med en årlig energileverans på ca 360 GWh. Detta ger en linjetäthet på ca 2.1 MWh/m Energiproduktion/Matning sker från flera håll. Utbyggnaden av fjärrvärmenätet skedde relativt sent så att rundgångar har undvikits. Det finns alltså inga fasta rundgångar för att hålla uppe temperaturen utan detta sker enbart med temperaturreglering från produktionsstället. De rundgångar som finns är tillfälliga rundgångar under byggnation och det är enkla, manuella som tas bort sedan installation till kund är utförd. När fjärrvärmenätet byggdes tog man också över gamla nät från bl a militärförläggningen. Där fanns fasta rundgångar som nu byggdes bort. 36