En flödesutjämnande driftstrategi för Uppsalas fjärrvärmesystem

UPTEC ES06 017 Examensarbete 20 p December 2006 En flödesutjämnande driftstrategi för Uppsalas fjärrvärmesystem En ändrad styrning av framtemperaturen B. J. Kim Hedin

Abstract En flödesutjämnande driftstrategi för Uppsalas fjärrvärmesystem A control strategy to minimize flow fluctuations in Uppsala's district heating system Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student B. J. Kim Hedin This thesis examines a possible control strategy to minimize flow fluctuations in Uppsala s district heating system. High variations in flow rate may lead to complications caused by hydraulic constraints in the district heating system. These complications, such as inadequate pressure and temperature levels, increase the risk of heat delivery failures. It is therefore important to avoid such situations both for the producer and for the customers. Typically, the forward temperature is controlled by using a rough correlation with respect to the outdoor temperature. This thesis examines a control strategy for the forward temperature that is not only based on present outdoor temperature, but also on time of the day. By controlling the forward temperature in this more sophisticated manner, flow fluctuations can be reduced. The new control strategy was created by studying collected operational data. Certain patterns in heat demand could then be revealed, leading to the construction of a software tool that simplifies compliance with the new control strategy. Potential benefits from a possible implementation of the new control strategy were then examined. The results show that there are reasons for implementing the strategy. As the flow fluctuations according to the simulations were reduced, the new control strategy therefore imposes a number of advantages. Beside the economical benefits, an increased net capacity is one crucial improvement. Another essential benefit is the expected improvement in heat delivery reliability leading to more satisfied customers. Handledare: Andreas Larsson, Majid Mohammadi & Johan Schenning Ämnesgranskare: Arne Roos Examinator: Ulla Tengblad ISSN: 1650-8300, UPTEC ES06 017 Sponsor: Vattenfall AB

SAMMANFATTNING Sverige är ett relativt kallt land med ett större uppvärmningsbehov än länder som befinner sig närmare ekvatorn. Under de kyliga vintermånaderna är behovet som störst. Fjärrvärmen står för en stor del av uppvärmningen av de svenska hushållen och även andra lokaler. Som teknik möjliggör fjärrvärme att från en eller ett fåtal platser värma upp hela eller stora delar av städer. Ofta tillåter fjärrvärme att en mängd olika bränslen kan användas till uppvärmning, till skillnad från mindre enskilda pannor som endast tillåter ett eller ett fåtal bränslen. Värmeöverföringen sker vanligen med vatten som energibärare. Ledningar ut från produktionsanläggningen kallas framledningar, och när vattnet lämnat sin värme hos kunderna transporteras det tillbaka via returledningar. Att vattnet överhuvudtaget rör sig beror på att ledningarna trycksätts; högre tryck i framledningen och lägre tryck i returledningen. Temperaturnivån på vattnet ut till kunderna kallas vanligen för framledningstemperatur, eller helt enkelt framtemperatur. Det finns vissa begränsningar för framtemperaturen, exempelvis skall varmvattnet hos kunderna vara varmare än 55 grader Celsius för att hindra bakterietillväxt. Samtidigt får framtemperaturen enligt bestämmelser inte vara högre än 120 grader. Mängden vatten som måste transporteras i rörledningarna beror främst på temperaturskillnaden mellan framtemperaturen och temperaturen på vattnet som kommer tillbaka till produktionsanläggningen, returtemperaturen. Är temperaturskillnaden för liten kan det leda till mycket höga volymflöden i fjärrvärmenätet. Stora flöden kan medföra skador på utrustning hos kunder på grund av för höga tryck, men även det kan även leda till att nätet stryper sig självt. Returtemperaturen är svår att påverka från produktionsanläggningen, men framtemperaturen är lättare att reglera. Ett vanligt sätt att styra framtemperaturen är att använda en börvärdeskurva som ger ett grovt samband mellan framtemperatur och rådande utomhustemperatur. I vissa fall räcker det, men när ett nät blir trångt inte klarar av att förse alla kunder med värme kan det vara nödvändigt att förbättra styrningen. En bättre styrning ger nämligen flera driftmässiga fördelar eftersom det då går att ta större hänsyn till dynamiken i systemet. Det här arbetet gick ut på att undersöka möjligheterna att jämna ut volymflödet i Uppsalas fjärrvärmesystem. Genom att undersöka driftdata för perioden november 2005 till och med februari 2006 kunde förbrukningsmönstret i fjärrvärmesystemet tas fram. Förbrukningsmönstret, som visade att behovet är som störst under morgontimmarna och lägst under natten, har tagits fram genom att undersöka variationer som inte beror på rådande utomhustemperatur. Det framtagna förbrukningsmönstret låg till grund för ett styrsätt som inte bara tar hänsyn till utomhustemperaturen, utan tiden på dygnet. Det nya styrsättet har validerats genom simuleringar i MATLAB, där följderna på det uppkomna flödet har undersökts. För att underlätta den nya driftstrategin togs även ett verktyg fram som beräknar och förutspår lämplig framtemperatur. Resultaten visar att flödet skulle kunna bli jämnare om den nya driftstrategin tas i bruk. Det är svårt att säga exakt i vilken omfattning maxflödet kan minskas med den nya driftstrategin eftersom projektet inte innehåller några verkliga tester, men skillnaderna är iii

betydande. Simuleringarna ger därför goda förhoppningar om ett jämnare flöde. Teoretiskt sett kan flödet jämnas ut nästan helt, men i praktiken kommer det fortfarande att finnas kvar flödesvariationer. Det förklaras främst av det förenklade nät som använts vid modellskapandet och som påverkar träffsäkerheten hos driftstrategin, men även dess begränsning vid högre utomhustemperaturer. Trots begränsningarna medför den nya driftstrategin inte bara ett jämnare flöde, utan även att de olika skiftlagen på produktionsanläggningen får en gemensam filosofi att utgå från. Den ekonomiska besparingen av att övergå till den nya driftstrategin har skattats till strax under 190 000 kronor per år. Då ingår dels kostnadsminskningar som uppstår om driftstrategin efterlevs, och dels de fördelar som kommer med möjligheten att generellt kunna höja eller sänka framtemperaturen. Något osäkra beräkningsmetoder gör att siffran bör ses som ett riktmärke snarare än som ett absolut värde. Utöver de ekonomiska förtjänsterna som uppkommer medför det jämnare flödet andra fördelar som är svårare att mäta i pengar. Det rör sig främst om en ökad överföringskapacitet i nätet samt en ökad leveranssäkerhet. Överföringskapaciteten ökar i samma storlek som maxflödet minskar. Det innebär att fler kunder kan anslutas till fjärrvärmenätet. I vissa fall kanske det kan göras utan att lägga nya rör, en verksamhet som annars förknippas med stora kostnader. En annan fördel är den ökade leveranssäkerheten. Leveranssäkerheten ökar eftersom det blir färre driftfall med för stora flöden. Exakt hur en nöjdare kund skall värderas är svårt att säga, men belåtna kunder bör enligt Vattenfall värderas högt. iv

FÖRORD Det här examensarbetet har utförts på uppdrag av Vattenfall AB Värme Uppsala och är på 20 poäng på D-nivå. Arbetet har inneburit en värdefull chans att få djupare kunskap om energibranschen i allmänhet och fjärrvärme i synnerhet, och hade inte kunnat genomföras utan en mängd personers kunskap och stöd. Därför vill jag rikta ett stort tack till följande personer: Jonas Andersson och Jan Zetterberg på Vattenfall AB Värme Uppsala för att ha möjligtgjort och anförtrott mig detta examensarbete. Deras värdefulla kunskap och stöd har varit till stor hjälp under projektets gång. Andreas Larsson, Majid Mohammadi och Johan Schenning i deras egenskap av handledare, men även för deras djupa, men samtidigt breda, kunskap som gett både inspiration och insikt. Jag vill även tacka övrig personal på Vattenfall AB Värme Norden som med kunskap, information och stöd har inspirerat och underlättat projektet. Ett stort tack riktas även Ulla Tengblad, Gertrud Nordlander och Arne Roos vid Uppsala Universitet för uppmuntran, inspiration och stöd. Kim Hedin v

INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING... 1 1.1 Fjärrvärme... 1 1.2 Fjärrvärme i Uppsala... 1 1.3 Motivering till ändrad driftfilosofi... 2 1.4 Syftet med studien... 2 1.5 Rapportens upplägg... 2 2 INTRODUKTION TILL FJÄRRVÄRME... 4 2.1 Avsikten med fjärrvärme... 4 2.2 Produktionsanläggningar... 5 2.2.1 Olika typer av pannor... 5 2.2.2 Förbränningstekniker... 5 2.2.3 Rökgasrening... 6 2.2.4 Rökgaskondensering... 6 2.2.5 Värmepumpar... 6 2.3 Distribution... 6 2.3.1 Pumpar... 7 2.3.2 Temperatur i fjärrvärmesystemet... 7 2.4 Abonnentanläggningar... 9 2.4.1 Tappvarmvattensystem... 9 2.4.2 Radiatorsystem... 9 3 KORT BESKRIVNING AV UPPSALAS FJÄRRVÄRMESYSTEM... 10 3.1 Kort fakta... 10 3.2 Bränslen... 10 3.3 Anläggningar... 11 4 TEORETISK BAKGRUND... 12 4.1 Driftstrategier... 12 4.1.1 Styrning med avseende på utetemperatur... 12 4.1.2 Utjämning av utmatad effekt... 13 4.1.3 Utjämning av flödet... 13 4.2 Modellering av fjärrvärmenätet... 13 4.2.1 Värmelast... 14 4.2.2 Modell av värmelasten... 15 4.2.3 Modell av returtemperaturen... 17 4.2.4 Modell av framtemperaturen... 17 5 PROJEKTETS GENOMFÖRANDE... 19 5.1 Litteraturstudier... 19 5.2 Driftdata... 19 5.3 Beräkningsverktyg... 19 5.4 Beräkningsgång... 20 5.4.1 Förarbete... 20 5.4.2 Framtagande av värmelastens utseende... 21 vi

5.4.3 Validering... 21 5.4.4 Skapande av verktyg... 21 5.4.5 Skattning av besparingspotential... 22 5.5 Övriga antaganden... 22 5.5.1 Rätt värden från givare... 22 5.5.2 Värmeförluster... 22 6 FRAMTAGNING AV MODELLER... 23 6.1 Korrigering av västra returtemperaturen... 23 6.2 Viktning av temperaturer och flöden... 24 6.3 Värmelast... 25 6.4 Returtemperatur... 26 6.5 Framtemperatur... 27 6.5.1 Börvärdeskurva och korrigeringskurva... 27 6.5.2 Modellavvikelse... 28 7 VALIDERING TEST AV NY DRIFTSTRATEGI... 30 7.1 Valideringens syfte... 30 7.2 Uppmätt framtemperatur och ny driftstrategi... 30 7.3 Jämnare flöde... 31 7.3.1 Validering med modeller... 31 7.3.2 Validering med uppmätta värden... 33 8 FRAMTAGNING AV VERKTYG... 35 8.1 Förutsättningar... 35 8.2 Verktyget... 35 8.2.1 Upplägg... 35 8.2.2 Användargränssnitt... 36 8.2.3 Beräkningar... 36 9 BESPARINGSPOTENTIAL... 38 9.1 Olika sorters besparingar... 38 9.2 Besparingar av jämnare flöde?... 38 9.3 Sänka eller höja framtemperaturen?... 40 9.3.1 Elproduktion... 40 9.3.2 Pumpeffekt... 42 9.3.3 Värmeförluster... 42 9.3.4 Resultat av förändrad genomsnittlig framtemperatur... 44 9.4 Besparingar som är svåra att mäta... 45 9.4.1 Ökad kapacitet... 45 9.4.2 Ökad leveranssäkerhet... 45 9.5 Resultat besparingar... 45 10 SAMMANFATTANDE DISKUSSION OCH KOMMENTARER... 47 10.1 Den flödesutjämnande driftstrategin... 47 10.2 Utvecklingsmöjligheter... 47 10.3 Sänkning av returtemperaturen... 48 11 REFERENSER... 49 vii

APPENDIX APPENDIX 1 Visual Basic-kod för excel... 50 Modul 1... 50 This workbook... 50 APPENDIX 2 MATLABKOD... 51 FUKS.m (huvudprogram)... 51 loaddata.m... 56 TreVfix.m... 57 P_modell.m... 58 Tr_modell.m... 59 envecka.m... 61 Tfq_modell.m... 62 APPENDIX 3 VERKTYGET... 64 Verktyg ark 1... 64 Verktyg ark 2... 65 Verktyg ark 3... 66 Verktyg ark 4... 67 Verktyg ark 5... 68 APPENDIX 4 BESPARINGSPOTENTIAL... 69 Besparingspotential ark 1... 69 Besparingspotential ark 2... 70 Besparingspotential ark 3... 71 viii

1 INLEDNING Det här kapitlet har som syfte att kort redogöra för de bakomliggande faktorerna och studiens huvudsakliga syfte. 1.1 Fjärrvärme En av pionjärerna inom fjärrvärmetekniken var uppfinnaren och ingenjören Birdsill Holly. Han anses vara den första att framgångsrikt bygga ett fjärrvärmenät på kommersiell basis, då han år 1877 konstruerade ett system för värmeförsäljning i New York. Systemet bestod bland annat av 700 meter rörledning isolerade med sågspån, och antalet anslutna kunder uppgick till 14 stycken. 1 Sedan dess har utvecklingen gått framåt. För Sveriges del kom de första kommunala fjärrvärmesystemen ett par år efter andra världskrigets slut. Karlstad var först ut och kunde leverera värme under slutet av 1948, och inte långt efter kom Malmö, Norrköping, Göteborg och Stockholm. 2 Idag finns fjärrvärme på 220 orter i Sverige 3. Under 2004 ökade värmeleveranserna med 2,5 procent, vilket gjorde att de uppgick till nästan 48 TWh. Över hälften av dessa leveranser gick till flerbostadshus 4. Fjärrvärme utgör alltså en betydande del av Sveriges energiförsörjning. 1.2 Fjärrvärme i Uppsala En av de orter där fjärrvärme finns är Uppsala. Där äger och driver Vattenfall AB, Värme Uppsala fjärrvärmesystemet. Vattenfall levererar fjärrvärme till c:a 93 procent av Uppsalas hushåll. Leveranserna av värme är ungefär 1500 GWh per år. En viktig faktor vid leveranserna av värme är framledningstemperaturen (även kallat framtemperatur), det vill säga vilken temperatur vattnet ut till kunderna i fjärrvärmenätet har. Enligt fastställda regler måste temperaturen hålla sig inom ett visst intervall. Idag styrs framtemperaturen med hjälp av en grov börvärdeskurva enligt tanken att utomhustemperaturen är det som påverkar kundernas värmebehov mest. Det finns anledning att undersöka möjligheterna till att göra styrningen av framtemperaturen mer flexibel. 1 Werner (1984), s. ix 2 Larsson (1999), s. 1 3 Energimyndigheten (2006), avsnitt Värmeproduktion. 4 Statistiska centralbyrån (2006), s. 7. 1

1.3 Motivering till ändrad driftfilosofi Det går att peka på några olika orsaker till varför styrningen av framledningstemperaturen bör förbättras, exempelvis säkrare värmeleveranser och ökade möjligheter till planering av driften. Kan till exempel en skattning av framledningstemperaturen göras på förhand ökar förbättringspotentialen inom följande områden: Färre störningar för kunder med bättre styrning minskar risken för att kunder som befinner sig i fjärrvärmenätets yttre delar drabbas av störningar. Minskat antal störningar för kunderna leder på sikt till ökad kundnöjdhet, något som många företag värderar högt. Gemensam driftfilosofi ett verktyg som i någon mån förutsäger vad framledningstemperaturen bör vara ökar möjligheterna till en gemensam driftfilosofi för samtliga skiftlag. En gemensam filosofi leder till jämnare och mer förutsägbar drift mellan skiftlagen. Färre tillfälliga över- och undertemperaturer genom att bättre förutsäga vad värmebehovet i fjärrvärmenätet är minskar även risken för att skillnaden mellan kundernas behov och produktion blir för stor. Mindre lastsvängningar i produktionen då kundernas behov kan skattas på förhand förbättrar möjligheterna till att planera produktionen. Det ökar chanserna till att låta produktionen ske optimalt, både ur ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv. 1.4 Syftet med studien Det finns enligt förestående resonemang ett antal anledningar till att revidera styrningssättet av framtemperaturen, där det främsta motivet är ett utjämnat flöde. Därför är syftet med den här studien att utveckla en driftstrategi som jämnar ut flödet. ta fram ett verktyg som underlättar styrning av framtemperaturen enligt den nya driftstrategin. undersöka besparingspotentialen med den nya driftstrategin. 1.5 Rapportens upplägg Kapitel 2 avser att ge läsaren en introduktion till fjärrvärme genom att förklara de begrepp som förekommer. Kapitel 3 fortsätter i samma spår men går in mer på specifika detaljer som rör Uppsalas fjärrvärmesystem. 2

Kapitel 4 redogör för de teoretiska resonemang och antaganden som ligger till grund för studien. Där presenteras olika filosofier till styrning av framtemperaturen, men även hur modeller som används i studien tas fram. Kapitel 5 beskriver hur själva studien har genomförts. Här redovisas bland annat viktig litteratur, vilka data studien bygger på och olika antaganden. Kapitel 6 redovisar de modeller över värmelast, returtemperatur och framtemperatur som tagits fram i studien. Kapitel 7 följer upp hur väl den framtagna körstrategin fungerar, det vill säga ger ett jämnare flöde. Studien innefattar även framtagning av ett verktyg som skall underlätta efterlevnaden av den nya körstrategin. Kapitel 8 redogör för detta, och i kapitel 9 beskrivs möjligheter till olika besparingar. Kapitel 10 innehåller en sammanfattande diskussion kring resultaten i studien, men även vilka möjligheter till utveckling den framtagna körstrategin har. Appendix innehåller programkod för Visual Basic och MATLAB, men även bilder av hur verktyget för den nya driftstrategin ser ut. Även bilder av kalkylboken för beräkning av besparingar har bifogats. 3

2 INTRODUKTION TILL FJÄRRVÄRME Det finns en mängd termer och begrepp som förekommer inom fjärrvärmetekniken. Det här kapitlet har för avsikt att sätta in läsaren i fjärrvärme som företeelse. 2.1 Avsikten med fjärrvärme Fjärrvärme är en teknik för att värma upp hela städer, eller delar av dem, genom att producera värme centralt i ett fåtal större produktionsanläggningar. Den producerade värmen distribueras genom ledningsnät ut till abonnenterna, och som regel används hetvatten som distributionsmedium. Fjärrvärme används främst för värmning av kranvatten och för uppvärmning av byggnader, och är därför vanligast i länder med kallt klimat. 5 Figur 1: principskiss över fjärrvärme. Källa: Vattenfall AB Fördelarna med fjärrvärme anses vara att hushållen slipper egna komplicerade uppvärmningssystem, men även att en större anläggning ger större möjligheter till ekonomisk och miljömässig effektivitet. 6 Fjärrvärme som system kan delas upp i tre delsystem; produktionsanläggningar, distributionsledningar och abonnentcentraler. 7 Avsnitt 2.2, 2.3 samt 2.4 behandlar de tre delsystemen. 5 Fredriksen & Werner (1993), s.11 6 Fredriksen & Werner (1993), ss.12 14 7 Fredriksen & Werner (1993), s.11 4

2.2 Produktionsanläggningar I produktionsanläggningen, även kallat värmeverk, värms vatten upp genom eldning av ett bränsle. Ofta består produktionsanläggningen av flera pannor i varierande storlek avsedda för olika bränslen, vilket ger möjlighet att anpassa produktionen efter bränslepriser och skatter. Det går även att värma vattnet med spillvärme från en industri eller avloppsvatten, men det kan då krävas en värmepump för att ge tillräcklig uppvärmning. 8 2.2.1 Olika typer av pannor De pannor som används för fjärrvärmeproduktion är antingen sådana som producerar enbart värme eller pannor för både el- och värmeproduktion. De sistnämnda kallas även för kraftvärmeverk där det generella sambandet som råder är att ju mer el som produceras, desto mindre värme. Därmed påverkar marknadspriset på el i vilket förhållande el och värme produceras. 9 Det är inte ovanligt med flera olika produktionsanläggningar i ett fjärrvärmesystem. Kundernas värmebehov under normala förhållanden brukar kunna tillgodoses av en så kallade baslastanläggning. I baslastpannor används ofta billiga bränslen som är av sämre kvalitet som till exempel avfall, eftersom det ger den ekonomiskt sett mest fördelaktiga driften. 10 Under kyligare dagar ökar värmebehovet i nätet vilket medför att spetslastpannor kan behövas kopplas in. Spetslastpannor bör kunna startas lätt och snabbt, och därför används oftast lätthanterliga och energitäta bränslen som gas och olja. Spetslastanläggningar karaktäriseras av låga investeringskostnader och höga priser på bränslet. 2.2.2 Förbränningstekniker Det finns flera olika sätt att sammanföra bränsle och förbränningsluft. Det kan bland annat ske med hjälp av brännare, rost, cyklon eller med fluidiseringsteknik. Ofta används olika typer av brännare beroende på om det är gas och olja eller torv och kol som används. Gemensamt är dock att bränslet sprutas in tillsammans. Rosteldning är den vanligaste metoden för att elda fasta bränslen, där bränslet matas fram på en yta och där luften tillförs luft underifrån. Fluidiseringsprincipen innebär att en bädd av bränsle och andra fasta partiklar genomblåses underifrån av luft. Följden blir att bränsleblandningen uppträder på ett vätskeliknande sätt. 11 8 Fredriksen & Werner (1993), ss.71 73 9 Fredriksen & Werner (1993), ss.90 105 10 Fredriksen & Werner (1993), ss.71 73 11 Fredriksen & Werner (1993), ss.81 89 5

2.2.3 Rökgasrening Förbränning av bränslen innebär att det uppstår rökgaser som beroende på bränsle kan innehålla flera olika ämnen. På senare år har dock utsläppen av främst svavel, kvicksilver, tungemetaller och försurande ämnen minskat kraftigt som en följd av en allt effektivare rökgasrening. Det är främst bränslet som avgör vilken eller vilka typer av rening som används, eftersom val av bränsle påverkar vilka ämnen som finns i rökgasen. 12 2.2.4 Rökgaskondensering I bränslet som används finns även fukt, och vid förbränningen förångas detta och blandas ut med rökgaserna. Rökgaskondensering innebär i princip att värmen i den vattenånga som finns i rökgasen omhändertas. Genom att få ångan att kondensera så utvinns en del av det så kallade kondenseringsvärmet, som i sin tur kan återföras till fjärrvärmenätet. Med rökgaskondensering kan verkningsgraden öka med upp till 40 procent, men den exakta siffran beror bland annat på vilket bränsle som används. Då exempelvis bränslen med mycket fukt, som till exempel biobränslen och avfall, ger rökgaskondensering stora förbättringar av verkningsgraden. 13 2.2.5 Värmepumpar Värmepumpar har blivit ett allt mer populärt sätt att värma upp hus och andra byggnader, men faktum är att de även används vid produktion fjärrvärme och ligger då i storlekar på 1 50MW. Vanligast är så kallade kompressionsvärmepumpar, men även absorptionsvärmepumpar förekommer. 14 Värmekällan för de stora värmepumparna kan vara avloppsvatten, spillvärme mm. Eftersom det är temperaturskillnaden mellan pumpens varma och kalla sida så är även returledningen intressant eftersom det brukar råda lägst temperatur där. En tumregel säger att en värmepump ger tre delar värme för varje del el som används. 2.3 Distribution Från produktionsanläggningen transporteras det uppvärmda vattnet via rörledningar till kunderna, där vattnet sedermera kyls av för att slutligen transporteras tillbaka till anläggningen. Kylningen hos kunden är en viktig del, eftersom det är ett mått på hur bra fjärrvärmenätet är. En jämförelsevis vanlig temperaturskillnad mellan vattnet ut från produktionsanläggningen och vattnet tillbaka in är 35 grader. Oftast är problemet med rörledningarna inte hur mycket vatten som skall transporteras, utan snarare att se till att temperaturen inte sänks för mycket i de ibland mycket långa rörsystemen. Därtill kommer att en betydlig del av vattnet måste transporteras under en längre tid, vanligen 2 timmar men under sommaren under så lång tid om 12 timmar. 12 Frederiksen & Werner (1993), ss. 95 100 13 Frederiksen & Werner (1993), ss. 95 100 14 Frederiksen & Werner (1993), ss. 120 123 6

Transporttiderna ökar som en följd av lägre flöde i fjärrvärmesystemet eftersom värmebehoven är lägre. 2.3.1 Pumpar För att se till att vattnet överhuvudtaget når ut i nätet krävs trycksättning, vilket vanligen sker genom pumpar. Pumparna kan placeras direkt i anslutning till produktionsanläggningen, eller ut i nätet där trycket av olika anledningar är dåligt. Trycket får inte överstiga 16 bar, det tryck som kallas för konstruktionstryck. Trycket får heller inte vara för lågt eftersom det då kan ske ångbildning vilket kan vara mycket farligt. Riskerna med pumpbortfall är just att trycket blir för lågt, vilket kan undvikas med en så kallad tryckklocka. 2.3.2 Temperatur i fjärrvärmesystemet Ju större skillnaden är på temperaturen mellan fram- och returvatten, desto mer värme kan transporteras per volymenhet. På samma gång finns det anledning att hålla lägre temperaturer eftersom värmeförlusterna minskar, samt att mer elkraft kan produceras i produktionsanläggningar med kombinerad el- och värmeproduktion. Då ett helt nytt fjärrvärme system byggs är det tämligen enkelt att dimensionera alla delsystem och komponenter efter gängse standard. De fjärrvärmesystem som finns idag har emellertid konstruerats över en längre tid med olika lösningar både i distributionsnätet och hos kunderna. Följderna blir bland annat att effektiviteten i vattenavkylningen hos kunderna kan skilja en hel del och att det vissa delar av nätet uppstår flaskhalsar. 2.3.2.1 Framtemperatur Temperaturen hos det vatten som går ut från produktionsanläggningen kallas för framledningstemperatur, alternativt den kortare varianten framtemperatur. En av de dimensionerande faktorer som påverkar framtemperaturen är värmebehoven hos kunderna; rums- och tappvarmvattentemperatur. Rumstemperaturen ligger vanligen kring 20ºC, och Boverkets krav på tappvarmvatten är 50ºC vid tappstället 15. Det innebär i praktiken att tappvarmvattnet måste hålla en temperatur på 55ºC. Samtidigt sker förluster i fjärrvärmeväxlaren, där fjärrvärmenätets vatten värmer upp dricksvattnet, vilket leder till att framtemperaturen måste hålla lägst 65ºC 16. Anledningen till att tappvarmvattnet måste hålla en viss temperatur är att undvika tillväxt av bakterier som till exempel legionella 17. Vid kallare temperaturer måste framtemperaturen vara betydligt högre än så för att klara uppvärmningsbehoven hos kunderna. Fjärrvärmenätet måste alltid förses med tillräckligt varmt vatten för att fjärrvärmecentralerna hos kunderna skall fungera bra, och det är oftast de sämsta kundsystemen i nätet som begränsar temperaturen nedåt. 15 Boverket (2006), s. 140 16 Svensk Fjärrvärme (2004), s. 11 17 Svensk Fjärrvärme (2004), ss. 23 24 7

Framledningstemperatur [ºC] 120 110 100 90 80 70 60-25 -20-15 -10-5 0 Utetemperatur [ºC] 5 10 15 Figur 2: Temperaturen hos framledningsvattnet beror till stor del på rådande utomhustemperatur. Det finns även en begränsning uppåt, nämligen 120ºC, vilket då blir den högsta temperatur framvattnet får ha 18. Så höga temperaturer är inte önskvärda på grund av att det kan uppstå kokning i trycklösa system, men även personskador vid läckage. Fördelen med att ha högre framtemperatur än lägsta möjliga är att flödet i system blir lägre eftersom de enskilda kunderna kan ta ut mer värme. Nackdelarna med högre framtemperatur är ibland annat större värmeförluster. 2.3.2.2 Returtemperatur Returtemperaturen är temperaturen på vattnet på väg in i produktionsanläggningen, och som redan varit ute i fjärrvärmesystemet och kylts av hos kunderna. En sänkt returtemperatur är önskvärt bland annat för att det direkt eller indirekt innebär lägre värmeförluster och mindre pumpenergi 19. Även att kapaciteten i fjärrvärmenätet ökar eftersom en lägre returtemperatur medför att både flödet och tryckfallet minskar. På anläggningar som producerar både el och fjärrvärme finns möjligheter till ökad elproduktion. Vid en första anblick låter det rimligt att det finns ett samband mellan temperaturerna på fram- och returvatten, vilket även traditionell värmeväxlarteori säger. Mycket tyder dock på motsatsen; en intressant observation som gjorts är att temperaturen på returvattnet verkar vara oberoende av temperaturen på framvattnet. Orsaken är bland annat tidsförskjutningar i systemet, rundgångar i nätet och äldre fjärrvärmecentraler. 20 Ett tydligare samband är att returtemperaturen kan skattas med bra noggrannhet som en funktion av utomhustemperaturen och vilken tid på dygnet det är. Därför mäts returtemperaturen vid produktionsanläggningen för analys att mäta denna hos varje enskild kund är ofta praktiskt omöjligt. 18 Svensk Fjärrvärme (2004), s. 12 Mohammadi & Schenning (2006), ss. 2 3. 20 Larsson (1999) s. 160 19 8

2.4 Abonnentanläggningar Abonnentanläggningarna innehåller vanligen en fjärrvärmecentral dit det uppvärmda vattnet transporteras. I fjärrvärmecentralen återfinns bland annat värmeväxlare, reglerventiler och övrig utrustning. Värmeväxlaren fungerar på så sätt att fjärrvärmevattnet värmer upp vatten i det system som finns i byggnaden vattnet i de båda systemen sammanblandas aldrig. Det finns även system som istället för vatten använder luft eller ånga. 21 I fjärrvärmecentraler finns ofta två värmeväxlare, en för tappvarmvatten och en för radiatorsystemet. 2.4.1 Tappvarmvattensystem Tappvarmvattensystemet är det som ser till att det finns varmvatten i kranen. Det är det kalla dricksvattnet som värms upp i fjärrvärmecentralens värmeväxlare. Inte sällan så förvärms det inkommande kallvattnet av returvattnet från radiatorernas värmeväxlare, men även i en så kallad eftervärmare. 22 På sommaren är det kraven på lägsta tappvarmvattentemperatur som påverkar hur låg framtemperaturen får vara eftersom behovet av byggnadsuppvärmning är minimalt. Istället är det bakterietillväxt som skall förhindras, och det sker genom att kunderna inte får vatten med temperaturer på mindre 65ºC. 2.4.2 Radiatorsystem Uppvärmningen av byggnaden sker genom radiatorsystemet. I Europa är det vanligast med vatten som värmebärare. Radiatorerna är det som vardagligt tal brukar kallas för värmeelement och det som värmer upp byggnaden. Det i fjärrvärmeväxlaren uppvärmda vattnet transporteras genom rören i byggnaden till radiatorerna där vattnet värmer rummet. 23 Under vintertid är det behovet av uppvärmning som begränsar hur låg framtemperaturen i fjärrvärmesystem får vara. Är temperaturen för låg blir uppvärmningen inte tillräcklig, och normalt sett måste framtemperaturen vara så pass hög att tappvarmvattnets behov alltid tillgodoses. 21 Frederiksen & Werner (1993), ss. 222 223 22 Frederiksen & Werner (1993), ss. 228 229 23 Frederiksen & Werner (1993), ss. 223 227 9

3 KORT BESKRIVNING AV UPPSALAS FJÄRRVÄRMESYSTEM Även om många fjärrvärmesystem uppvisar likheter finns det även skillnader. Det här kapitlet redogör kort för Uppsalas fjärrvärmesystem. 3.1 Kort fakta Utbyggnaden av fjärrvärme i Uppsala startade 1961 och idag är cirka 93 procent av hushållen anslutna. Distributionsnätet har en total längd på över 400 km och leveranserna av fjärrvärme är 1 500 GWh per år. Mängden vatten i nätet uppgår till ungefär 20 000 m 3 vatten. 3.2 Bränslen Huvudbränslet är sorterat avfall där 70 procent är hushållsavfall och resterande 30 procent avfall från industrin. Den största delen av avfallet kommer från Uppland, Gästrikland och Västmanland, men även mindre mängder kommer från Norge och Ålands. De näst vanligaste bränslena, torv och trä, kommer från Härjedalen och vitryssland. Olja och kol används så sällan som möjligt på grund av de (vid studiens genomförande) höga priserna på dessa. Figur 3: Bränslemix. Källa: Vattenfall 10

3.3 Anläggningar Vattenfalls produktion av fjärrvärme sker i ett antal olika anläggningar. Nedan ges en kort beskrivning för produktionsanläggningarna. Avfallsförbränningen använder avfall som bränsle och producerar förutom fjärrvärme även ånga samt fjärrkyla. Verket fungerar som baslastanläggning och används därför under hela året, vilket ger en produktion på 1 200 GWh per år. Kapaciteten är 170 MW. Kraftvärmeverket var från början avsett för oljeeldning, men har byggts om för att kunna hantera främst torv och trä, men även kol. Har en kapacitet på 245 MW värme och 120 MW el. Är i drift främst under vintermånaderna med en produktion på 490 GWh fjärrvärme och 220 GWh el per år. Värmepumparna utnyttjar spillvärme i kommunens reningsverk. Anläggningen består av tre eldrivna värmepumpar om 15 MW. Produktionen av fjärrvärme ligger på 100 GWh per år. Bolandsverket består av en samling hetvattenpannor och ångpannor: en torveldad hetvattenpanna (100 MW), fyra oljepannor (75 MW) och elpanna (10 och 50 MW). Bolandsverket används vid spetslast och som produktionsreserv. Den totala produktionen ligger på 110 GWh Husbyborgsverket som används som produktionsreserv vid spetslast Anläggningen används då kapaciteten för övriga anläggningar är nådd, och består av tre oljeeldade pannor om 50 MW vardera med en produktion på 30 GWh fjärrvärme per år. Gasturbinanläggningen används som beredskap för elproduktion och för start av kraftvärmeverket. Använder lättolja som bränsle och har en kapacitet på 16 MW. 11

4 TEORETISK BAKGRUND Det här kapitlet redogör för den teoretiska bakgrunden till arbetet. 4.1 Driftstrategier Av faktorerna flöde, tryck, returtemperatur och framledningstemperatur är det den sistnämnda som effektivast går att styra. Returtemperaturen, flödet och trycket påverkas främst av kundernas fjärrvärmecentraler, medan framledningstemperaturen är det som enklast kan styras på produktionssidan. Utifrån detta finns det olika sätt att styra framtemperaturen, och detta avsnitt berör tre vanliga strategier för detta. Det är den tredje och sista strategin som är föremål för den här studien, de övriga redogörs endast kort för med syftet att sätta in driftstrategierna i ett sammanhang. Resonemangen kring driftstrategierna som beskrivs i det här avsnittet är hämtade från kapitel 6 i Larsson (1999). 4.1.1 Styrning med avseende på utetemperatur Det troligen vanligaste sättet att styra framledningstemperaturen på är att använda utomhustemperaturen som riktmärke. Strategin går ut på att det vid temperaturer högre än omkring 0ºC är tappvarmvattenbehovet som styr, och vid lägre temperaturer uppvärmningsbehovet. Nyare fjärrvärmecentraler klarar enkelt av att värma varmvattnet till minst 55ºC om framledningstemperaturen är 65ºC. På grund av temperaturfall i nätets ledningar och förekomsten av äldre centraler så måste dock den lägsta framledningstemperaturen vara högre än så. Resultatet blir en börvärdeskurva (även kallad styrkurva) för framledningstemperaturen enligt figur (4). 120 Styrkurva för framledningstemperatur 110 Framtemperatur [ºC] 100 90 80 70-20 -10 0 10 20 Utetemperatur [ºC] Figur 4: Exempel på styrkurva för framledningstemperatur. Källa: Larsson (1999) 12

Strategins stora fördelar ligger i dess enkelhet och måttliga flödesvariationer, men samtidigt så nyttjas inte nätet maximalt och effektvariationer kan förstärkas. 4.1.2 Utjämning av utmatad effekt Nätets framledning kan nyttjas som värmelager vilket ger möjlighet att minska variationer av utmatad effekt. En jämnare produktion innebär längre drifttider för kostnadseffektiva enheter, färre start- och stoppkostnader och lägre utsläpp av bland annat NO x -gaser. Strategin går ut på att ändra framtemperaturen så att ledningen laddas med varmt vatten. Det sker genom att framtemperaturen ut från verket beräknas som ett löpande medelvärde utifrån nätets värmelast samt en prognos på utetemperaturen. Den stora nackdelen med strategin är att den medför stora flödesvariationer, samtidigt som det i praktiken är omöjligt att få total dygnsutjämning. Ett av skälen är att variationerna hos framledningstemperaturen är mycket stora, samt att känsligheten gentemot felaktiga temperaturprognoser ökar. 4.1.3 Utjämning av flödet I vissa nät finns det hydrauliska begränsningar som medför att det kan vara svårt att leverera den effekt som efterfrågas. Ett exempel på det är otillräckliga tryckskillnader mellan fram- och returledning i nätets periferi, vilken medför lägre flöden än vad som krävs i fjärrvärmecentralerna. Med för låga flöden hinner inte tillräckligt mycket värme överföras till abonnenten. Ett sätt att komma tillrätta med ovanstående problem är att höja framledningstemperaturen, för att på så sätt få tillräckligt mycket värme att avlämnas i fjärrvärmecentralerna. Dessvärre leder en höjd framledningstemperatur till större värmeförluster och sänkt produktionseffektivitet. En begränsande faktor är som tidigare nämnts även att temperaturen enligt lag inte får överstiga 120 C i svenska fjärrvärmenät. Grundtanken bakom en flödesutjämnande strategi är att få en ökad kapacitet i fjärrvärmenätet. Genom att styra framtemperaturen på ett mer genomtänkt sätt kan flödesvariationerna minskas. Om flödestopparna kan jämnas ut torde en generell ökning av flödet i nätet vara möjlig. Detta leder således till ökad kapacitet eftersom flödestopparna till stor del anger nätets begränsningar. Därtill kan det tänkas att jämnare drift hos de trycksättande pumparna leder till mindre slitage. 4.2 Modellering av fjärrvärmenätet Simuleringar i ett fjärrvärmesystem kräver att värmelasten och returtemperaturen kan skattas. Genom att studera driftstatistik kan modeller för värmelast och returtemperatur tas fram för att se hur de varierar. Beräkningsmetoderna som beskrivs i det här avsnittet är hämtade från kapitel 6 i Larsson (1999). Om nätet antas försörjas från endast en matningspunkt kan fjärrvärmesystemet starkt förenklas enligt figur (5). Samtliga abonnenter approximeras till en lastpunkt som finns 13

belägen på ett avstånd motsvarande den tid det tar för temperaturvågen att nå nätets lasttyngdpunkt. T f Framledning T f,last Q utm Matningspunkt Last T r Returledning T r,last Figur 5. Förenklad modell av ett fjärrvärmenät. Källa: Larsson (1999) Q utm Utmatat flöde från produktionsanläggningen m /s T f Framtemperatur ut från produktionsanläggningen ºC T r Returtemperatur in till produktionsanläggningen ºC Framtemperatur i lastpunkten ºC T f, last T, Returtemperatur i lastpunkten ºC r last Fördelen med att se fjärrvärmesystemet på detta sätt är dels att det underlättar beräkningarna, och dels att modellen utgår från mätningar vid ett fåtal ställen i nätet. 4.2.1 Värmelast Vattnet som går ut från produktionsanläggningen (T f ) har en högre temperatur än vattnet som når lastpunkten (T f,last ), vilket beror på värmeförluster. På samma sätt är returtemperaturen (T r ) vid produktionsanläggningen lägre än den vid punktlasten (T r,last ). Det som påverkar värmeförlusterna är den termiska resistensen i nätdelen och temperaturskillnaden mellan vattnet och omgivande marken. I ekvation (1) och (2) divideras inversen av den termiska resistensen med 2 eftersom hela rörnätet i den förenklade modellen delats upp i en framledning och en returledning. UA ( Tf Tmark ) Tf last = Tf 2, (1) ρ Q c v v utm utm pv UA ( Tr Tmark ) Tr last = Tr + 2, (2) ρ Q c pv U A T mark Värmeledningstal W/m,ºC Rörnätets mantelarea 2 m Omgivande markens temperatur ºC 14

ρ Vattnets densitet kg/m 3 v Q utm c pv Utmatat flöde m /s Vattnets värmekapacitivitet J/kg,ºC Det går även att skatta temperaturvågens transporttid i fram- respektive returledning om nätets volym är känd. Det kan utföras genom att summera flödet till dess att ekvationerna (3) och (4) nedan är uppfyllda. V 2 = t Q utm t Δt f dt (3) V 2 = t + Δt r t Q utm dt V Δt f Δt r nätets volym framtemperaturens transporttid returtemperaturens transporttid (4) 3 m s s Den effekt som avlämnas i nätet beror på temperaturskillnaden mellan utgående framtemperatur och inkommande returtemperatur, enligt ekvation (5): ( T T ) P last v Qutm cpv f, last r, last = ρ (5) En flödesändring resulterar i en tryckvåg som rör sig mycket snabbt, ungefär 1000 m/s. Det är tillräckligt snabbt för att försumma jämfört med en temperaturvåg, som rör sig med en hastighet mycket nära vattnets hastighet i rörnätet (1 10 m/s). Den utmatade effekten vid produktionsanläggningen skiljer sig således från lasten ute i nätet, inte bara på grund av förluster utan även som en följd av dessa tidsförskjutningar P last () t ( T ( t Δt ) T ( t + Δt )) ( t) ρ (6) = v c p, v Qutm f, last f r, last Ekvationen ovan beskriver alltså hur effektbehovet ser ut i nätets tyngdpunkt vid en given tid. I följande avsnitt förklaras hur den så kallade värmelasten används för att skapa en lastmodell. r 4.2.2 Modell av värmelasten Värmelasten påverkas av flera faktorer som utomhustemperatur, kallvattentemperatur, solinstrålning, vindstyrka, utmatad effekt och en rad andra faktorer. Det är dock utomhustemperaturen och tid på dygnet som har störst inflytande på värmelasten. Vidare är dessa två parametrar de enklaste att mäta, och utomhustemperaturen finns det prognoser. 15

Lastmodellen, Pˆlast, som skattar den riktiga värmelasten kan då skrivas som en funktion av två delfunktioner enligt följande: Pˆ last ( Tute, t) = Ptemp( Tute) + P klockan ( t) (7) P temp ( T ute ) Utomhustemperaturberoende del av värmelasten W P klockan (t) Dygnsberoende del av värmelasten W P temp (T ute ) är den del av skattningen som beror på rådande utomhustemperatur., och utgör därmed den mest betydande delen. P klockan (t) är den del som beror av tiden, även kallad social last. Med det menas att värmeförbrukningen hos det sammanlagda antalet kunder skiljer sig åt beroende på vilken tid på dygnet det är. Den temperaturberoende delen av värmelastskattningen kan skattas med ett polynom enligt följande P temp ( T ute ) = n i 1 ( ki T ) ute i = 1 (8) Genom att minimera δ p i ekvationen nedan kan koefficienterna k n bestämmas. I praktiken handlar det om att med minsta kvadratmetoden anpassa P temp till P last P klockan. n δ P = ( Ptemp( Tute) ( Plast Pklockan( t) )) i = 1 2 (9) Funktionerna för dygnsvariationerna utgörs inte av funktioner, utan snarare vektorer vars element beskriver hur värmelasten varierar med klockan: P klockan,vardag = k ( 1 P Ptemp,vardag) (10) k last,vardag vardag= 1 k ( 1 Pklockan, helg = P Ptemp,helg) (11) k last,helg helg= 1 Ovanstående beräkning (ekvation (9), (10) och (11)) är en iterativ process. Första iterationen sätt P klockan till noll, varpå funktionen P temp anpassas till enbart P last. Därefter tas dygnsvariationerna fram som skillnaden mellan P last och P temp. Vid andra iterationen kurvanpassas således P temp till P last - P klockan, en process som fortsätter tills felet konvergerat. 16

Utifrån den sociala delen av värmelasten går det att skapa dygnsprofiler för vardagar och helger. Anledningen till den uppdelningen är att mönstret i förbrukningen skiljer sig åt beroende på vilken veckodag det är. Dygnsprofilerna tas fram genom att addera vardagar respektive helgdagar och sedan vikta med antalet dagar. 4.2.3 Modell av returtemperaturen På precis samma sätt som för värmelasten kan en modell för returledningstemperaturen tas fram. Även den består således av en del som kan kopplas till utomhustemperaturen, och en del som kan kopplas till vilken tid på dygnet det är. Tˆ f, last ( Tute, t) = Tr, temp( Tute ) + Tr, klockan( t) (12) T r ( T, temp ute T r, klockan ( t) ) Utomhustemperaturberoende del av returtemperaturen ºC Dygnsberoende del av returtemperaturen ºC Den utomhustemperaturberoende delen kan skattas med T temp ( T ute ) = n i 1 ( ki T ) ute i = 1 (13) Dygnsvariationerna beräknas genom att minimera δ p i n δ P = ( Ttemp( Tute) ( Tlast Tklockan )) i = 1 2 (14) Dygnsvariationerna motsvaras av k ( 1 Tklockan, vardag = T Ttemp,vardag) (15) k last,vardag vardag= 1 k ( 1 Tklockan, helg = T Ttemp,helg) (16) k last,helg helg= 1 4.2.4 Modell av framtemperaturen Det är möjligt att utifrån mätdata ta reda på hur framtemperaturen skulle ha valt för att ge ett i princip totalt utjämnat flöde. En omskrivning av ekvation (5) ger att framtemperaturen kan skrivas som P last T f, last = Tr, last v c p, v Q + ρ utm (17) 17

Genom att istället sätta Q utm till en konstant så fås en framtemperatur som ger just ett konstant flöde. Om då hela mätserien för det utmatade flöde således byts ut mot en fiktiv mätserie, med önskade data, så fås en flödesutjämnande framtemperatur; T f,q. Den flödesutjämnande framtemperaturen beskriver hur framtemperaturen över en viss period skulle ha valts för att flödet Q c skulle ha uppnåtts. P last T f, q = Tr, last v c p, v Q + ρ c (18) När det är känt hur framtemperaturen skulle ha styrts för att ha givit ett jämnare flöde går det att skapa en flödesutjämnande modell för styrning av framtemperaturen. Det sker på samma sätt som för effekten i nätet (värmelasten) och returtemperaturen. Tˆ ( T, t) = T ( T ) T ( ) (19) f, q ute f, temp ute + f, klockan t T f ( T, temp ute T f, klockan ( t) ) Utomhustemperaturberoende del av returtemperaturen ºC Dygnsberoende del av returtemperaturen ºC Den utomhustemperaturberoende delen kan skattas med T n i 1 f, temp( Tute) = ( ki Tute ) i = 1 (20) Dygnsvariationerna beräknas genom att minimera δp i n δ P = ( Tf, temp( Tute ) ( Tf, last Tf, klockan )) i = 1 2 (21) Dygnsvariationerna motsvaras av k ( 1 Tf, klockan,vardag = T Tf,temp,vardag) (22) k f,last,vardag vardag= 1 k ( 1 Tf, klockan,helg = T Tf,temp,helg) (23) k f,last,helg helg= 1 Modellen för framtemperatur kommer således att bestå dels av en börvärdeskurva som beror på utomhustemperaturen, och dels en korrigering av börvärdeskurvan som beror på dygnsvariationerna. Summan av dessa två (ekvation 19) får inte överstiga 117ºC eller understiga 70 C, som är begränsningarna ut från produktionsanläggningen. 18

5 PROJEKTETS GENOMFÖRANDE Det här kapitlets syfte är att redogöra för den strategi som legat till grund för studiens genomförande. Läsaren bör få en god bild av hur studien har genomförts. 5.1 Litteraturstudier Projektet inleddes med en litteraturstudie. Där ingick den övergripande boken av Svend Frederiksen och Sven Werner, ett verk som är populärt inom olika fjärrvärmekurser. Den ena av dessa författare, Werner, har även skrivit The heat load in district heating systems som behandlar värmelastens utseende. Även Dynamik i fjärrvärmesystem av Gunnar Larsson berör värmelastmodeller. Eftersom det skiljer 15 år mellan de två publikationerna Werners från 1984 och Larssons från 1999 har Larssons beskrivning valts. Larsson är också medförfattare till en fallstudie, där möjligheterna till en flödesutjämnande driftstrategi för Karlskogas fjärrvärmesystem har undersökts. Maxflödet reducerades i försöken med 7 procent, vilket motsvarar en ökning av överföringskapaciteten med lika mycket. Minflödet reducerades med 12 procent. Metoden som använts i fallstudien har legat till grund för det här projektet. 5.2 Driftdata Som underlag för projektet har driftdata med en minuts upplösning under perioden 31:oktober 2005 till 5:e mars 2006 använts. Underlaget kommer från Vattenfall AB Värme Uppsalas egen databas. Driftdata för utetemperatur, fram- och returtemperaturer, flöden samt värmepumparnas effekt. Även driftdata för pumpeffekt har nyttjats. 5.3 Beräkningsverktyg För att hantera de stora mängder mätdata som beräkningarna grundar sig på har MATLAB använts. MATLAB är ett program som används främst till tekniska och matematiska beräkningar. Programmet kan användas inom andra områden, exempelvis ekonomi, men används främst av de tekniska högskolorna i Sverige. MATLAB tillhandahålls av företaget The MathWorks. Huvudsaklig MATLAB-kod finns återgiven i appendix 2. Ett beräkningstillägg för MATLAB har använts för att beräkna densitet och värmekapacitivitet för vatten vid olika temperaturer. Tillägget heter X Steam och är skrivet av Magnus Holmgren. En viss modifiering av tillägget har gjort för att det skall 19

klara av vektorer som argument. Modifieringar har inte inneburit några felaktigheter för de beräkningar som gjort. 24 För att beräkna glidande medelvärden har ytterligare ett tillägg används. Tillägget har inget riktigt namn utan kallas för slidingavg (troligen ett sammandrag av sliding average). Tillägget finns tillgängligt via The Mathworks fildelningstjänst. Enklare beräkningar har gjort inom kalkylprogrammet Excel, som ingår i Microsofts Officepaket. Programmet arbetar enligt modellen att utföra matematiska beräkningar i tabeller. Visual Basic-kod som använts för Excel finns i appendix 1. 5.4 Beräkningsgång 5.4.1 Förarbete Innan beräkningar och framtagande av modeller på allvar har kunnat genomföras, har en del förarbete krävts. Dessa beskrivs nedan. 5.4.1.1 Behandling av driftdata Mätdata har hämtats från Excel via tillägget ActiveFactory för att exporteras till textfiler. ActiveFactory är ett verktyg för att hämta värden från driftdatabasen med hjälp av mer eller mindre komplicerade förfrågningar, så kallade queries. Verktyget är även införlivat i Excel vilket har gjort arbetet enklare. Vissa uteblivna mätvärden får etiketten NoRecords, något som MATLAB inte känner igen varpå dessa etiketter har ersatts med NaN (not-a-number). Därtill har kommatecken i de numeriska värdena omvandlats till punkter för att kännas igen av MATLAB. 5.4.1.2 Korrigering för värmepumpar Vattenfall AB Värme Uppsala använder tre värmepumpar som nyttjar vattnet i returledningen. Som en följd av detta höjs temperaturen på vattnet i returledningen, och en olycklig omständighet är att returtemperaturen inte mäts förrän efter värmepumparna. Eftersom värmepumparna inte skall påverka värmelasten, måste returtemperaturen före värmepumparna räknas ut. 5.4.1.3 Viktning av flöde och temperatur Den modell som ligger till grund för beräkningarna har endast en framledning och en returledning. Eftersom framvattnet matas ut i två ledningar, och returvattnet kommer tillbaka i tre ledningar, så har dessa viktats. Viktning har skett enligt följande: 24 X Steam finns att ladda ned på www.x-eng.com alternativt www.mathworks.org. 20

T f, viktad Tf,1 Qf,1 + Tf,2 Qf,2 = (24) Q + Q f,1 f,2 T r, viktad Tr,1 Qr,1 + Tr,2 Qr,2 + Tr,3 Qr,3 = (25) Q + Q + Q r,1 r,2 r,3 T, Viktad framtemperatur ºC f viktad T r, viktad Viktad returtemperatur ºC Q, Framflöde i ledning n m /s f n Q, Returflöde i ledning n m 3 /s r n T f, n Framtemperatur i ledning n ºC Returtemperatur i ledning n ºC T r, n 5.4.1.4 Transporttid för temperaturvåg i ledningarna Flödesändringar och av dem uppkomna tryckändringar i nätets rörledningar sprider sig med en hastighet på ungefär 1000 meter per sekund. Ändringar i framtemperatur sprider sig betydligt långsammare; i Uppsalas fjärrvärmenät rör det sig om hastigheter kring 2 meter per sekund. Därför har det vid beräkningarna tagits hänsyn till temperaturvågens transporttid. Erfarenhetsmässigt brukar transporttiden vintertid anges till 60 minuter, vilket innebär att temperaturvågen då nått merparten av kunderna. En ändring av framtemperaturen vid produktionsanläggningen når således nätets lasttyngdpunkt efter en timme. 5.4.2 Framtagande av värmelastens utseende Efter förberedelserna har en modell för värmelasten, kundernas behov av värme, tagits fram. Modellen består av två delar; en del som beror på utomhustemperaturen och en del som beror på klockan, även kallat socialt mönster. Därefter har även returtemperaturens utseende tagits fram, för att slutligen möjliggöra framtagandet av en modell över framtemperaturen som i sin tur ger ett jämnare flöde. Modellerna för retur- och framtemperaturen består, precis som i fallet för värmelasten, av en temperatur- och en tidsberoende del. 5.4.3 Validering En ofta nödvändig del i modellskapande är validering av modeller. För att visa att den ändrade styrningen av framtemperaturen, med dess modell som grund, ger ett jämnare flöde har det nya styrsättet jämförts med det gamla. Valideringen har skett på två sätt; det första sättet innebar att undersöka hur flödet skulle te sig baserat på de tre modellerna av effekt, returtemperatur och framtemperatur; det andra sättet innebar att valideringen genomfördes med modellen av framtemperaren, men i övrigt uppmätt värden. 5.4.4 Skapande av verktyg När valideringen slutförts skapades ett verktyg med syfte att underlätta och främja det nya styrsättet. Modellen skapades i Microsoft Excel och krävde en del programmering i 21