Utredning och optimering av Umeå Energis fjärrvärmenät i småhusområden Johan Henriksson Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)
Sammanfattning Fjärrvärmenätet på Tomtebo var fram till slutet av oktober i år fristående och utgör ett av Umeå Energis fjärrvärmenät i småhusområden. I detta arbete analyseras värmeförluster, rördimensionering och lönsamhet för fjärrvärmenätet på Tomtebo. Alternativa kulvertutformningar, rördimensioner samt lönsamhet för anslutning av fjärrvärmekunder med frånluftsvärmepump undersöks för att få ett underlag som kan ligga till grund vid framtida fjärrvärmeetableringar i småhusområden. Fjärrvärmenätet på Tomtebo sattes i drift år och har till slutet av oktober i år försörjts av en elpanna vilket har medfört att nätet har mycket dålig lönsamhet. Nätet har dessutom låg årlig såld värmemängd i förhållande till längd ledning (,41 MWh/m) vilket medför mycket höga relativa värmeförluster (33 %). En bidragande orsak till detta är att drygt en tredjedel av alla kunder i området använder frånluftsvärmepump. Resultaten från de teoretiska beräkningarna gav en relativ värmeförlust på 31 %. Genom simuleringar i programvaran FEMLAB kunde följande fastställas om kulvertar och dess förläggningssätt. Tvillingkulverten är att föredra framför enkelkulverten p.g.a. lägre värmeförluster och investeringskostnad. För servisledningarna är detta extra viktigt eftersom en stor andel av fjärrvärmenäten utgörs av dessa står de också för en stor andel av den totala nätkostnaden. Tvillingkulverten ger 35 % lägre värmeförluster för servisledningen och 3 % lägre värmeförluster för DN 65 i förhållande till de bäst isolerade enkelkulvertarna. Dränering av kulvertgraven är knappast nödvändig om den enbart används för att minska värmeförlusterna eftersom ett extremfall endast minskar värmeförlusterna med 5-7 %. Genom att förlägga kulverten, m närmare markytan minskar värmeförlusterna med mindre än,5 %. Samtliga kulvertar i Umeå Energis fjärrvärmenät är dimensionerade efter ett maximalt tryckfall på 1 Pa/m. Av denna undersökning framgår att detta inte är det optimala sättet att dimensionera fjärrvärmerören i ett småhusområde på. Genom att istället dimensionera med utgångspunkt från det tillgängliga differenstrycket kan distributionskostnaderna sänkas avsevärt. Undersökningen visar att det inte är lönsamt för Umeå Energi att etablera fjärrvärme i ett område med frånluftsvärmepumpar. För småhusägaren är användande av endast fjärrvärme mer lönsamt än att kombinera fjärrvärmen med frånluftsvärmepump.
Investigation and optimization of Umeå Energi s district heating systems in single-family housing areas Summary The district heating system in Tomtebo, Umeå, represent one of Umeå Energi s district heating system in single-family housing areas and was until end of October 6 detached. In this master thesis the district heating system in Tomtebo is analyzed with respect to heat losses, pipe dimensions and profitability. Alternative shaping of the pipes, size of pipe dimensions as well as profitability for connection of houses with exhaust air heat pumps is investigated to get a knowledge that can be used in future establishments of district heating in single-family housing areas. The district heating system in Tomtebo started to distribute heat in year and have until end of October this year been supported by an electric boiler and therefore the system has very bad profitability. The system have furthermore low annual sold heat density in comparison to pipe length (,41 MWh/m). This is the reason for the high relative heat losses of 33 %, which can be compared to the theoretical calculations on the system which gave 31 % relative heat losses. Through simulations in the software FEMLAB the following could be determined about the shape of the pipe and its way to be located in the ground. The twin pipe is preferable in front of the single pipe because of lower heat losses and lower costs of investment. For the branch pipes this is of additional importance since a big share of district heating systems are represented by these. The twin pipe gives 35 % lower heat losses for the branch pipes and 3 % lower heat losses for DN 65 in behaviour to the single pipes of best isolation. Draining of the grave of the culvert is hardly required if the only reason is to decrease the heat losses since draining, in the extreme case, only lower the heat losses with 5-7 %. If the pipe is located, m closer to the ground surface the heat losses decreases with less than,5 %. All pipe dimensions in Umeå Energi s district heating system is chosen to have a maximum pressure drop of 1 Pa/m. This investigation shows that this isn t the optimum way to choose the pipe dimension in a single family housing area. If the dimensions instead are chosen on the basis of the available differential pressure the distribution costs can be lowered considerably. This work shows that it s not profitable for Umeå Energi to establish district heating in an area with exhaust air heat pumps. For the owner of the house, usage of only district heating is more profitable than it is to combine district heating with an exhaust air heat pump.
Förord Det här är ett examensarbete inom civilingenjörsutbildningen i energiteknik vid Umeå universitet. Arbetet är på poäng och har utförts tillsammans med konsultföretaget WSP på uppdrag av Umeå Energi. Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare Thomas Öhlund på WSP och Åke Fransson vid Umeå Universitet. I övrigt vill jag bland andra tacka följande personer som har hjälpt mig vid framtagande av den information och mätdata som krävts för att genomföra detta arbete. Sture Sikström, Umeå Energi Staffan Ögren, Umeå Energi Leif Säfsten, Umeå Energi Gun Lundin, Umeå Energi Caroline Ödin, Umeå Energi Bengt Jonsson, Umeå Energi Egon Nyström, Umeå Energi Bo Fredriksson, Umeå Energi Håkan Ahlberg, Umeå Energi Karolina Magnusson, Umeå Energi Tony Berglund, Umeå Energi Anna Sjöqvist, Umeå Energi Ulf Lindqvist, Umeå Energi Roland Svärd, WSP Patrik Holmgren, WSP Ulf Jarfelt, Chalmers Tekniska Högskola Umeå november 6 Johan Henriksson 3
Innehållsförteckning 1 Inledning... 6 1.1 Bakgrund... 6 1. Syfte... 6 1.3 Avgränsningar... 7 1.4 Beräknings- och simuleringsverktyg... 7 Metod... 8 3 Teori... 9 3.1 Allmänt... 9 3. Värmelast... 9 3.3 Värmeförluster... 11 3.4 Pumpteknik... 14 3.5 Dimensionering av fjärrvärmerör... 16 3.6 Ekonomi... 17 4 Nulägesanalys av fjärrvärmenätet på Tomtebo... 18 4.1 Allmänt... 18 4. Fastställande av nätets värmeförluster... 19 4..1 Beräkning av värmeförluster baserad på produktions- och försäljningsdata... 19 4.. Teoretisk beräkning av värmeförluster... 4.3 Energiomsättning av cirkulationspump... 5 4.4 Analys av nätets rördimensioner genom tryckfallsberäkningar... 5 4.4.1 Undersökning av maximalt volymflöde i fördelningsledningarna... 6 4.4. Analys av nätets rördimensioner... 8 4.5 Utredning av nätets lönsamhet... 3 5 Undersökning av hur alternativa kulvertar och förläggningssätt påverkar värmeförlusterna... 34 5.1 Värmeförlusternas påverkan av kulvertutformning... 34 5. Inverkan av dränering... 37 5.3 Inverkan av förläggningsdjup... 38 6 Undersökning av olika dimensioneringsprinciper för fjärrvärmerör... 39 6.1 Fjärrvärmenätets distributionskostnader... 39 6. Undersökning av olika tillvägagångssätt vid dimensionering av fjärrvärmerör... 43 7 Lönsamhet för anslutning av fjärrvärme i fastigheter med frånluftsvärmepump... 48 7.1 Ur Umeå Energis perspektiv... 48 7. Ur fjärrvärmekundens perspektiv... 5 4
8 Resultatsammanställning... 55 8.1 Nulägesanalys av fjärrvärmenätet på Tomtebo... 55 8. Värmeförlusternas beroende av alternativa kulvertar och förläggningssätt... 55 8.3 Undersökning av olika tillvägagångssätt vid dimensionering av fjärrvärmerör... 56 8.4 Lönsamhet för anslutning av fjärrvärme till fastigheter med frånluftsvärmepump... 56 9 Sammanfattande diskussion... 57 1 Slutsatser... 59 11 Källförteckning... 6 Bilaga 1 Bilaga Bilaga 3 Bilaga 4 Bilaga 5 5
1 Inledning I denna rapport undersöks Umeå Energi AB:s fjärrvärmenät på Tomtebo samt hur framtida installationer av liknande fjärrvärmenät kan öka sin lönsamhet. 1.1 Bakgrund Fjärrvärme förser en stor andel av Sveriges tätbebyggda områden, såsom stadskärnor och flerbostadsområden, med värme och varmvatten. Fjärrvärme i småhusområden, som ofta är belägna i städers utkanter, är däremot inte lika vanligt. Anledningen till detta är att det är betydligt svårare att få samma lönsamhet i dessa som i de tätbebyggda områdena. De större avstånden medför högre kostnader för distributionsledningar och värmeförluster i förhållande till den sålda energin. För kraftvärmeproducenter, som t ex Umeå Energi, är intresset för ökad värmelast och därmed större möjlighet för elproduktion stor, inte minst med dagens stigande elpris. Detta leder till att intresset för att ansluta nya fjärrvärmekunder även i småhusområden är önskvärt om installationskostnader och värmeförluster kan hållas inom acceptabla nivåer. Sedan har ett forskningsprogram, Värmegles Fjärrvärme, pågått i samarbete med Svensk Fjärrvärme och Energimyndigheten. Programmet pågår t o m 6 och syftet är att sänka installationskostnaden och höja konkurrenskraften för fjärrvärme i villaområden. Information och färdigställda rapporter angående detta finns att ta del av på forskningsprogrammets hemsida [1]. Fjärrvärmenätet inom bostadsområdet på Tomtebo byggdes år och har efterhand byggts ut till att idag innefatta 116 kunder, mestadels bestående av småhus (se bilaga 1). Nätet har sedan det anlades varit fristående och försörjts av en elpanna, men ska så småningom anslutas till Umeå Energis huvudnät. Det finns ett antal kunder i nätet som använder frånluftsvärmepumpar som primär uppvärmningskälla och fjärrvärme endast vid extrema behov. Umeå Energi planerar, att eventuellt, etablera fjärrvärme på det nya bostadsområdet som ska byggas på Tomtebo. Företaget är dock inte helt säkert på hur stor lönsamheten för ett fjärrvärmenät i ett småhusområde är. De befintliga fjärrvärmenäten som Umeå Energi har i värmeglesa områden är dimensionerade efter gammal vedertagen fjärrvärmepraxis (se kapitel 3.5) och frågan är om det är optimalt för ett småhusområde. 1. Syfte Syftet med examensarbetet är att göra en utredning av fjärrvärmenätet på Tomtebo. I detta ingår fastställande av värmeförluster, lönsamhet och analys av befintliga dimensioner. Utöver detta undersöks hur värmeförlusterna påverkas av alternativa kulvertsystem och dess förläggning samt hur alternativa sätt att dimensionera fjärrvärmerör kan påverka lönsamhet och nätdrift. I utredningen ingår även en undersökning av lönsamheten i att ansluta fjärrvärme till fastigheter med frånluftsvärmepump vilket utreds ur både Umeå Energis och fjärrvärmekundens perspektiv. 6
Arbetet ska mynna ut i ett underlag som kan ligga till grund för en eventuell utbyggnad av fjärrvärme till det nya villaområdet på Tomtebo, men ska även kunna användas vid andra framtida etableringar av fjärrvärme i småhusområden. 1.3 Avgränsningar För att uppnå generella resultat begränsas arbetet enligt följande. Vid undersökningen av alternativa kulvertsystem utreds endast lösningar med materiel som finns tillgängliga hos kulvertleverantörer och hur dessa påverkar värmeförlusterna. De omständigheter som undersöks begränsas till de aktuella förutsättningar som Umeå Energis fjärrvärmenät medför. Sekundär anslutning, som innebär att småhusområdet separeras från huvudnätet i en områdescentral, undersöks inte enligt beställarens önskemål. Av dessa anledningar undersöks inte heller andra rörsystem än tvårörssystemet vilket utgörs av två enkelkulvertar eller en tvillingkulvert. Vid optimering av dimensionerna på fjärrvärmeledningarna begränsas dessa till att endast omfatta fördelningsledningar. 1.4 Beräknings- och simuleringsverktyg FEMLAB FEMLAB används i detta arbete till att bestämma värmeförluster för fjärrvärmenätet på Tomtebo samt att undersöka olika kulvertsystem vid olika driftsförhållanden. FEMLAB är ett programsystem för modellbyggnad och simulering och kan användas vid en rad olika fysikaliska problem, bland annat vid beräkningar av värmeledningsproblem. Programmet bygger på partiella differentialekvationer och kan behandla såväl stationära som tidsberoende problem. Det maskineri som översätter ekvationerna till lämpliga samband för datorn kallas finita elementmetoden vilket innebär att geometrin delas in i trianglar. Ju fler trianglar geometrin delas in i desto mindre blir felet i beräkningen, vilket dock innebär mer tidskrävande simuleringar och högre krav på datorkapaciteten. TERMIS TERMIS är en programvara för styrning av fjärrvärmesystem och kan användas vid bl.a. planering och utformning av nät, optimering av befintliga nät, värmeproduktion och pumpoptimering och som analysverktyg inför investeringar. I detta arbete används TERMIS främst till att få överblick av driftförhållanden. 7
Metod Arbetet lades upp på följande vis. Utförandet förklaras utförligare under respektive avsnitt i senare delen av rapporten. Arbetet inleddes med att bygga upp Tomtebos fjärrvärmenät i programvaran TERMIS för att få en överblick av nätet och för att ha ett verktyg till att kunna undersöka nätdriften vid olika dimensioneringskriterier. I denna fas skickades även en enkät ut till abonnenterna i bostadsområdet för att urskilja abonnenter som inte använder fjärrvärme som primär uppvärmningskälla vilket inte gick att uttyda utifrån omsättningsdata. Detta gjordes dels för att på ett relevant sätt kunna analysera dimensioneringen och dels för att kunna undersöka hur lönsamheten påverkas av dessa kunder. I nästa steg gjordes en nulägesanalys av fjärrvärmenätet på Tomtebo genom fastställande av nätets värmeförluster och en utredning av dess lönsamhet samt undersökning av aktuella dimensioner genom tryckfallsberäkningar. Värmeförlusterna fastställdes utifrån produktionsoch försäljningsdata vilket jämfördes med resultat från beräkningar genom simuleringsprogram och teoretiska samband. För att kunna analysera den aktuella dimensioneringen på nätet bestämdes aktuella flöden i nätet för respektive ledning. Därefter analyserades olika kulvertsystem och hur förläggningen av dessa påverkar värmeförlusterna i nätet. Detta gjordes med hjälp av simuleringsprogrammet FEMLAB. Nästkommande moment bestod i att utreda distributionskostnaderna i ett fjärrvärmenät. Kostnadernas beroende av innerdiametern utreddes för att fastställa den ekonomiskt optimala dimensionen. Med utgångspunkt från detta kunde sedan olika dimensioneringsprinciper undersökas och utvärderas. Avslutningsvis gjordes en undersökning av hur de kunder som inte använder fjärrvärme som primär uppvärmningskälla påverkar lönsamheten. Detta undersöktes både för Umeå Energi och för fjärrvärmekunden. De berörda kunderna bestämdes genom ovan nämnda enkätundersökning som kompletterades med telefonintervjuer. 8
3 Teori 3.1 Allmänt Fjärrvärme innebär att hela eller delar av städer kopplas samman i ett gemensamt kulvertnät bestående av nedgrävda rör i vilka värmen distribueras. Värmen produceras i en eller flera strategiskt placerade produktionsanläggningar där vissa endast används vid hög värmelast. Framledningen transporterar fjärrvärmevattnet från produktionsanläggningen till kunden där värme avges innan det återvänder till värmeverket i returledningen. Ledningarna närmast produktionsanläggningarna kallas huvudledningar och de ledningar som går in till de anslutna fastigheterna benämns servisledningar. Ledningarna däremellan betecknas fördelningsledningar. Ledningarna består av medierör, isolering och mantelrör. De vanligaste systemlösningarna för rördragningen i tvårörssystem är att antingen lägga fram- och returledning i var sin isolering, så kallade enkelkulvertar, eller att, som för tvillingkulverten, innesluta de två ledningarna i samma isolering. Vid varje ansluten kund finns en fjärrvärmecentral där värmen vanligtvis överförs genom värmeväxlare till kundens egna värmesystem som tillgodoser dess uppvärmnings- och tappvarmvattenbehov. I denna fjärrvärmecentral sker också mätning av energiuttaget för vilken värmeproducenten tar betalt. Ovan nämnda lösning är den vanligast förekommande i Sverige [], på andra ställen existerar andra lösningar, t ex i Danmark där det är vanligt att kundens uppvärmningssystem är direkt anslutet till servisledningen utan värmeväxling [3]. Nyckeltal För att få en överblick av ett fjärrvärmenät och för att kunna jämföra nätet med andra nät kan data från nätet presenteras i form av nyckeltal. I tabellen nedan följer exempel på nyckeltal som kan vara användbara för att kunna dra slutsatser om ledningsdragning, värmeförluster, dimensionering mm. Tabell 3.1 Nyckeltal Ledningslängd [m] Ledningsdiameter [mm] Såld värmemängd [MWh] Linjetäthet [MWh/m] Årlig relativ värmeförlust [-] Total parvis längd för hela nätet Genomsnittlig innerdiameter Kundernas totala årsomsättning Årlig såld värmemängd per parvis ledningslängd Värmeförlust dividerat med producerad energi Värmeglesa områden kännetecknas av en låg linjetäthet vilket innebär större relativa värmeförluster än i områden med högre linjetäthet och i övrigt samma förutsättningar. 3. Värmelast Den mängd värmeenergi som produktionsanläggningarna levererar måste täcka kundernas uppvärmnings- och tappvarmvattenbehov samt de värmeförluster som uppstår i distributionsledningarna fram till fjärrvärmecentralen. Värmeverkets totala värmelast kan således delas in i nedanstående tre delar vilka kommer att beskrivas mer ingående. Uppvärmning 9
Varmvattenberedning Distributionsförluster Effektbehovet för uppvärmning, P uppv, är proportionellt mot skillnaden mellan inomhus- och utomhustemperaturen enligt följande ekvation och är alltså störst vid låga utomhustemperaturer []. P uppv = UA + (1 η ) V& ρc ) ( T T ) [W] ( P inne ute Transmissionsförlusterna karaktäriseras av UA som är beroende av värmeledningsförmågan i väggar, tak, fönster och dörrar. Ventilationsförlusterna beskrivs av ( 1 η ) VρC & P som påverkas av luftomsättning och ett eventuellt värmeåtervinningssystem. Om uppvärmningsbehovet för ett år ska jämföras med ett normalår år måste hänsyn tas till om året varit kallare eller varmare än normalt. Detta kan göras genom att beräkna antalet graddagar för det aktuella året. Graddagarna beräknas genom att summera temperaturdifferensen ( Tinne Tute ) för årets dygn. Eftersom värme genereras genom solinstrålning, personvärme, elektriska apparater mm används inomhustemperaturen 17 C vid beräkningen. Under vår, sommar och höst är inverkan av solinstrålningen stor vilket kräver en viss justering i beräkningsrutinen. Mellan april och oktober blir antalet dygnsgraddagar noll när dygnsmedeltemperaturen överstiger nedan angivna gränser, även om denna är lägre än 17 C vilket kan läsas mer om på SMHI:s hemsida [4]. Dessa gränser brukar även betecknas eldningsgräns. Tabell 3. Eldningsgränser Månad Eldningsgräns [ C] April 1 Maj, juni, juli 1 Augusti 11 September 1 Oktober 13 När graddagarna är beräknade kan uppvärmningsbehovet normalårskorrigeras enligt följande ekvation. Denna korrigeringsmetod använder Andréasson [5] i en rapport publicerad av SCB och Energimyndigheten och innebär att energianvändningen korrigeras med 5 % av graddagtalets relativa avvikelse från ett normalår. För Umeå är antalet graddagar för ett normalår 4519 [5]. E nå där 1 = E GD GD 1+,5 GDnå nå E = uppvärmningsbehov GD = graddagar Effektbehovet för tappvarmvatten är inte lika lätt att beskriva som uppvärmningsbehovet. Kraftiga variationer för varje enskild användare äger rum varje dygn. Ju fler kunder varmvattenberedningen omfattar desto mindre kraftiga blir variationerna för värmeverket på grund av den sammanlagring som uppstår då olika användare duschar, diskar mm vid olika 1
tidpunkter. Detta effektbehov är som sagt inte så lätt att förutspå men undersökningar har visat att även varmvattenförbrukningen är en aning större vid lägre utomhustemperaturer enligt Frederiksen []. På grund av varmvattenbehovet måste vatten med tillräckligt hög temperatur cirkulera i fjärrvärmenätet även när uppvärmningsbehovet saknas p.g.a. att kunderna ska få sitt varmvatten tillräckligt snabbt. Den mängd värmeenergi som anläggningarna producerar måste även täcka de värmeförluster som uppstår i distributionsledningarna. Värmeförlusternas relativa storlek är beroende av isoleringsgrad, ledningens dimension, temperaturnivå i fjärrvärmevatten, utomhustemperatur, omgivande mark samt nätets linjetäthet. Även distributionsförlusterna är en aning större vid låga utomhustemperaturer till följd av den sänkta marktemperaturen och höjda temperaturnivån på fjärrvärmevattnet vid lägre utomhustemperaturer. Beräkning av värmeförluster beskrivs i kapitel 3.3. I figur 3.1 visas hur den totala värmelasten kan vara fördelad i ett varaktighetsdiagram. Som framgår av figuren står uppvärmningen, kanske inte helt oväntat, för största delen av värmelasten. Andelen har dock minskat på senare år då byggnader har energieffektiviserats. Figur 3.1 Exempel på skattning av värmelastens sammansättning i ett varaktighetsdiagram. Diagrammet gäller för ett fjärrvärmenät i Malmö 1969-1979 []. 3.3 Värmeförluster Värme kan, i huvudsak, transporteras på tre olika sätt; ledning, konvektion och strålning. Ledning uppträder inuti material medan konvektion och strålning sker i övergången mellan olika material eller media. I fjärrvärmerör dominerar värmeöverföring orsakad av ledning. Ett användbart sätt att behandla värmeöverföringsproblem är att använda sig av värmemotstånd. Ett högt värmemotstånd kännetecknas av en låg förmåga att transportera värme. Är temperaturen på utsidan av fjärrvärmeröret känd kan värmeförlusterna beräknas med hjälp av dessa vilket beskrivs av Cengel [6]. Är temperaturen inte känd kompliceras 11
1 beräkningen avsevärt. Förutom att utomhustemperaturen påverkar temperaturen i marken sker värmetransport från fram- till returledningen. Wallentén [7] har tagit fram explicita samband för att beräkna värmeförluster från isolerade rör förlagda i mark. Sambanden gäller vid stationärt tillstånd och är framtagna med hjälp av den så kallade multipolmetoden. För två isolerade enkelrör i mark enligt figur 3. kan värmeförlusterna beräknas med hjälp av ekvation (3.1) och (3.). Beteckningarnas betydelse förklaras längre ner. Figur 3. Schematisk bild av två isolerade rör i mark s g tot h T T T q + = πλ 4 1 [W/m] (3.1) + + + = 1 1 ln ln ln S H r r r H h i i g s λ λ ( ) ln 1 ln 1 4 + + + + S r r r r r H S r H r S r i i g i i g λ λ λ λ [-] (3.) När det är fråga om tvillingkulvertar kan ekvation (3.3) och (3.4) användas. Dessa gäller för två rör inom samma isolering som är förlagda i mark. Ekvationerna avser rör horisontellt placerade i isoleringen som figur 3.3 visar. I fjärrvärmerör placeras ledningarna vertikalt med framledningen under returledningen, detta innebär dock att värmeförlusterna endast minskar med, % enligt en studie som Wallentén [7] hänvisar till. T S r r i S H
13 Figur 3.3 Schematisk bild av tvillingrör i mark s i tot h T T T q + = πλ 4 1 [W/m] (3.3) + + + = 4 4 4 1 ln ln ln S r r Dr r r H h g i g i i g i s λ λ λ λ λ λ 4 4 4 4 3 1 + + + + S r S r r S r S r S r S r i g i g i i i g i g i i λ λ λ λ λ λ λ λ [-] (3.4) där 1 T = temperatur i rör 1 [K] T = temperatur i rör [K] T = utomhustemperatur [K] g λ = värmeledningsförmåga i mark [W/(mK)] i λ = värmeledningsförmåga i isolering [W/(mK)] H = avstånd mellan markyta och röraxel [m] r = inre rörradie [m] i r = yttre rörradie [m] S = halva centrumavståndet mellan rör 1 och rör [m] I mark och rör förekommer olika skikt med olika egenskaper. Som framgår av sambanden ovan tar dessa, till skillnad från FEM-simuleringar, inte detta i beaktande. Formlerna tar inte heller hänsyn till rörets eller mantelns tjocklek eller värmemotståndet i gränsskiktet mellan vatten och medierör samt mellan mark och luft. I sambanden bör medierörets ytterradie användas som i r snarare än innerradien och som r bör mantelns innerradie användas snarare än ytterradien. Värmeledningsekvationen för det tidsberoende fallet som beskriver hur temperaturen i materialet varierar med tiden när den utsätts för störningar, som t ex varierande lufttemperatur, kan skrivas enligt ekvationen nedan som är hämtad ur Cengel [6]. För att T S r r i H
ekvationen ska gälla förutsätts materialet vara homogent, alltså att värmeledningsförmågan, λ, är konstant i hela materialet. FEMLAB:s tidsberoende simuleringar behandlas med hjälp av denna ekvation. T t = λ ρ C p T x T + y T + = z λ ρ C p T [K/s] där ρ = densitet [kg/m 3 ] C p = specifik värmekapacitet [J/(kgK)] 3.4 Pumpteknik I ett rörsystem uppstår tryckfallsförluster i form av rakrörs- och engångsförluster. För att uppväga dessa förluster och därmed uppnå cirkulation i fjärrvärmesystemet krävs en tryckökning i form av en eller flera pumpar. En ytterligare parameter som påverkar trycknivån i nätet är topografin vilken är viktig att uppmärksamma när man undersöker högsta och lägsta tillåtna trycknivå i nätet men som utöver detta inte påverkar pumpbehovet. I ett rakt rör kan tryckfallet som uppstår på grund av friktion mellan det strömmande mediet och väggarna skrivas på följande sätt []. p rör = f L ρ u D [Pa] (3.5) där f = friktionstal [-] L = rörlängd [m] D = innerdiameter [m] ρ = densitet [kg/m 3 ] u = strömningshastighet [m/s] Friktionstalet är beroende av Reynolds tal och rörets relativa ytråhet, ε / D, vilket är ett mått på rörytans jämnhet. Reynolds tal, Re, beror utöver flödeshastigheten och rördiametern även på den kinematiska viskositeten,υ, för det strömmande mediet [6] enligt nedan. u D 4 V& Re = = [-] υ υ π D där ρ = densitet V & = volymflöde υ = viskositet Storleken på Reynolds tal bestämmer huruvida flödet är laminärt, turbulent eller i övergången mellan laminärt och turbulent. För flöde på insidan av ett rör delas flödet in enligt följande [6]. Re < 3 Laminär strömning Re > 1 5 Turbulent strömning 14
Friktionstalet kan utläsas i ett Moody-diagram med vetskap om Reynolds tal och den relativa ytråheten. Moody-diagram finns att tillgå i strömningsteknisk litteratur [8]. Det finns även ekvationer som beskriver detta diagram. På grund av påverkan från flödeshastighet och Reynolds tal finns olika uttryck för när flödet är laminärt, turbulent eller i övergången mellan laminärt och turbulent. I ett fjärrvärmesystem är dimensionerna och hastigheterna sådana att det mestadels råder turbulent flöde. För turbulent flöde kan följande ekvation approximativt användas enligt White [8]. f ε 1,8log 3,7 D 1,11 6,9 + Re [-] (3.6) Är flödet i övergången mellan laminärt och turbulent flöde kan ekvation (3.7) användas. f,5 ε log + 3,7D 5,74,9 Re [-] (3.7) Den absoluta ytråheten, ε, varierar beroende på om röret är nytt eller använt. Enligt leverantörer av fjärrvärmerör [9,1] kan den variera mellan,1 mm och,6 mm under ett fjärrvärmerörs livslängd. Tryckfallen för enskilda rörelement, som t ex ventiler, kan uttryckas på följande vis var för sig [8]. ρ u p en = ζ [Pa] Förlustkoefficienten, ζ, finns angiven i den strömningstekniska litteraturen [11] för olika komponenter. Det totala tryckfallet i ett fjärrvärmerör representeras då av summan av ekvation (3.5) och den totala förlusten för samtliga enstaka rörelement. Om volymflödet, V &, används istället för hastigheten fås nedanstående uttryck för det totala tryckfallet. L 8 ρ V& p tot = f + ζ D π D 4 [Pa] (3.8) Den pumpeffekt som fordras för en sådan tryckhöjning ges av följande samband []. V p P = & tot [W] η p där η = pumpverkningsgrad p 15
Kombineras ovanstående två ekvationer erhålls ekvation (3.9). L V P = ρ f + 8 & ζ 4 D D π η 3 p [W] (3.9) Om engångsförlusterna kan försummas visar ekvation (3.9) att den pumpeffekt som måste tillföras är omvänt proportionell mot rördiametern upphöjt i fem. En minskning av rördiametern kräver således en kraftig ökning av pumpeffekten för att åstadkomma samma volymflöde. Detta förutsätter att friktionsfaktorn och pumpverkningsgraden är förhållandevis oförändrade vilket de är under de förutsättningar som råder i ett fjärrvärmenät. 3.5 Dimensionering av fjärrvärmerör Vid dimensionering av fjärrvärmerör till ett område är det vattenflödet i distributionsnätet som styr rörens dimension. Flödet bestäms utgående från den effekt som ledningen ska transportera enligt nedanstående ekvation. Ekvationen kan för övrigt även användas vid beräkning av den effekt som överförs i kundernas fjärrvärmecentral. ( C T C T ) Q & = m& [W] pfram fram pretur retur där m& = massflöde [kg/s] T = fjärrvärmevattnets framledningstemperatur [K] fram T retur = fjärrvärmevattnets returledningstemperatur [K] C pfram = specifik värmekapacitet för vatten vid T fram [J/(kgK)] C pretur = specifik värmekapacitet för vatten vid T retur [J/(kgK)] Specifika värmekapaciteten är beroende av den temperatur vattnet har, men inom de temperaturer som fjärrvärmevattnet håller sig är variationen mycket liten. Detta medför att C pfram och C pretur kan antas vara lika och ersättas med C p för medeltemperaturen av vattnet i fram- och returledningen. Ekvationen ovan kan då skrivas om till p ( T T ) Q & = m& C [W] fram retur Som ekvationen visar är det angeläget att få ( Tfram T retur ) så stor som möjligt för att minska flödet och därmed rördimensionerna. Detta kan åstadkommas genom att öka framledningstemperaturen och/eller genom att sänka returledningstemperaturen. En ökning av framledningstemperaturen ställer högre krav på ingående material och ger högre värmeförluster. En sänkt returtemperatur är således att föredra men svårare att åstadkomma. Vid utbyggnad av ett befintligt nät måste dimensionering anpassas efter rådande T kan därmed inte påverkas vilket innebär omständigheter. Temperaturdifferensen ( ) fram T retur att massflödet kan bestämmas då vetskap om den effekt som ledningen ska transportera finns. Volymflödet kan då fastställas genom nedan givna samband. m V& & = [m 3 /s] ρ 16
Densiteten är temperaturberoende men skiljer sig inte särskilt mycket för de temperaturskillnader som råder i fram- och returledning i ett fjärrvärmenät, varför densiteten väljs vid medeltemperaturen på vattnet i fram- och returledning. En tumregel vid val av dimension är att använda sig av ett genomgående maximalt tryckfall på 1 Pa/m för hela fjärrvärmenätet. Denna praxis är använd vid dimensioneringen av Umeå Energis fjärrvärmenät och allmänt vedertagen vid dimensionering av fjärrvärmerör. Med hjälp av denna tumregel kan innerdiametern bestämmas enligt nedan eftersom alla övriga storheter av den del i ekvation (3.8) som avser rakrörsförlusterna är kända. D = 5 f 8 ρ V& 1 π max [m] Den effekt som ledningen maximalt ska transportera är emellertid inte helt självklar. Det är många faktorer som måste beaktas förutom abonnenternas förväntade sammanlagda maxbehov. Påverkande faktorer är bl.a. framtida anslutning, inverkan av ytterligare energibesparing och sammanlagring. Mer information om dimensionering finns att läsa i värmekulverthandboken [11]. 3.6 Ekonomi För att undersöka hur lönsamma investeringar är kan olika investeringskalkyler användas. Tre sådana kalkyler är nuvärdesmetoden, annuitetsmetoden och återbetalningsmetoden. Aniander m.fl.[1] beskriver de tre kalkylerna mer utförligt. Nuvärdesmetoden och annuitetsmetoden är i princip två varianter av en och samma metod. Ett positivt nuvärde eller en positiv annuitet representeras av en lönsam investering. I nuvärdesmetoden räknas investeringens samtliga betalningar om till början av det år då grundinvesteringen görs med hänsyn tagen till ekonomisk livslängd och kalkylränta. Nuvärdesfaktorn med vilken den aktuella betalningen multipliceras kan bestämmas genom följande ekvation. På liknande sätt kan betalningar som redan existerat räknas fram till det aktuella året. NUV 1 = [-] n (1 + r) där r = kalkylränta [-] n = ekonomisk livslängd [år] I annuitetsmetoden fördelas investeringens kapitalkostnader (summan av avskrivningar och ränta) till lika stora årliga belopp under investeringens ekonomiska livslängd. Enligt ekvation (3.1) kan annuitetsfaktorn beräknas, vilken sedan multipliceras med det totala nuvärdet för att bestämma det årliga beloppet. ANN r = 1 (1 + r) n [-] (3.1) Återbetalningsmetoden, vilket är den tredje metoden, går ut på att beräkna den tid det tar innan det satsade kapitalet har betalats tillbaka. 17
4 Nulägesanalys av fjärrvärmenätet på Tomtebo I denna del av rapporten undersöks nuläget för fjärrvärmenätet på Tomtebo. Förutsättningar klarläggs varpå distributionsförluster i form av värmeförluster och pumparbete fastställs. Den dimensionering som användes när nätet anlades utreds och lönsamheten för nätet bestäms med utgångspunkt från distributionsförlustsberäkningar. Kapitlet inleds med en allmän orientering kring förutsättningarna för nätet. I kapitel 4. fastställs värmeförlusterna, först baserat på produktions- och försäljningsdata och sedan teoretiskt baserat på temperaturuppgifter och materialparametrar. Kapitel 4.3 behandlar energiomsättningen i cirkulationspumpen och i kapitel 4.4 utförs en analys av de aktuella dimensionerna med hjälp av tryckfallsberäkningar. Kapitlet avslutas med en utredning av lönsamheten för nätet. 4.1 Allmänt Nätet sattes i drift år för, att efterhand ha byggts ut till, att idag innefatta 116 kunder (se bilaga 1). Fördelningsledningarna i nätet består uteslutande av tvillingrör i stål i dimensionerna DN 5 till DN 1. Servisledningarna utgörs av enkelrör av typen kopparflex, samtliga av dimensionen Cu. Både förläggning av fördelningsledningar och servisledningar har i huvudsak skett i grönyta med undantag för några kortare sträckor som skett i gatumark. Rören med dimensionerna DN 1 och DN 8 är förlagda med dräneringsrör medan nätet i övrigt saknar dränering. Andelen fördelningsledning av det idag totalt 437 m (parvis) långa nätet är ungefär 6 % och andelen servisledning 38 %. Nätets anslutna kunder består i huvudsakligen av småhus med undantag för ett daghem och en bostadsrättsförening bestående av ett antal flerbostadshus som tillkommit i slutet av 5. Husen i området är byggda från slutet av 9-talet fram till idag och har i regel anslutits till fjärrvärmenätet i samband med detta. De flesta är normalisolerade hus med en ungefärlig boyta på 115 m med undantag för flerbostadshusen och daghemmet. Nätet är idag anslutet till Umeås fjärrvärmenät men fram till den 5 oktober 6 producerades värmeenergin av en elpanna och vid extrema behov även av en oljepanna som användes sporadiskt mellan januari och maj 6. Elpannan har en maximal effekt på 1 MW och har enligt tillverkaren en verkningsgrad på 99 % [13]. Elpannan justeras så att framledningstemperaturen på nätet är cirka 1 C vintertid och 9 C sommartid enligt Ahlberg [14]. När justeringen görs finns inte dokumenterat men enligt Ahlberg [14] och Jonsson [15] sker övergången till 9 C i början av april och till 1 C i början av oktober. Returtemperaturen är mellan 45 C och 5 C året runt. Vid en avläsning den 3 juni 6 var framledningstemperaturen 9 C och returtemperaturen 48 C. Analysperioden för bestämning av distributionsförlusterna och analys av rördimensionerna valdes till att innefatta ett år med början 18 mars 4 och med slut 17 mars 5. Under denna tidsperiod försörjde nätet endast småhus med undantag för ett daghem. Omsättningen för de kunder som var anslutna under denna period varierade mellan 3,4 och 36,4 MWh med undantag för daghemmet som under perioden omsatte 157,9 MWh. Medelårsomsättningen för småhusen var 13,6 MWh. Den stora skillnaden i omsättningen för kunderna kan förklaras med att många av småhusen är utrustade med frånluftsvärmepumpar. 18
4. Fastställande av nätets värmeförluster Beräkningarna av de värmeförluster som uppstår i distributionsnätet kan ske på olika sätt. Om det finns uppgifter på den i produktionsanläggningen producerade värmeenergin och den av kunderna omsatta energin under en bestämd tid kan värmeförlusterna beräknas som differensen mellan dessa vilket första delen i det här kapitlet behandlar. Det finns även andra sätt att bestämma värmeförlusterna vilket kan vara intressant om ovanstående sätt behöver kontrolleras eller om mer utförliga uppgifter om var förlusterna sker behöver utredas. De teoretiska metoder som detta avser behandlas i kapitel 4.. där resultat från förlustberäkningar genom FEM-simuleringar och explicita samband redovisas. 4..1 Beräkning av värmeförluster baserad på produktions- och försäljningsdata Vid beräkningen av förlusterna användes dygnsmedelvärden på kundernas omsättning och elpannans värmeproduktion. Figur 4.1 visar hur produktion, omsättning och förluster förhöll sig veckovis under året. 1 9 8 Värmeproduktion Försäljning Värmeförlust Energiomsättning [MWh] 7 6 5 4 3 1 mar-4 jun-4 sep-4 dec-4 mar-5 Figur 4.1 Veckovis energiomsättning för fjärrvärmenätet på Tomtebo Förutom energin från elpannan tillkommer värmeenergi från cirkulationspumpen. Friktionen mellan vattnet och rörväggen gör att energin som pumpen ger omvandlas till värme och gör pumpen till en liten värmeproduktionsenhet. Denna energi är medtagen i figur 4.1 men gör inte någon märkbar skillnad då andelen av den totala värmeproduktionen i det närmaste är försumbar (se avsnitt 4.3). Figuren visar som väntat att produktion och omsättning ökar kraftigt under vinterhalvåret samtidigt som förlusterna inte har en lika stor årsvariation. Den årliga värmeproduktionen uppgick till 51 MWh och den av abonnenterna totala årsomsättningen till 168 MWh. Värmeförlusterna, vilka motsvaras av differensen mellan dessa, är då 83 MWh och den relativa förlusten 33 %. 19
I figur 4. visas förlusterna veckovis. Figuren visar vilka stora relativa förluster som förekommer under låglastsäsongen med förluster på upp över 7 % för vissa veckor. 1 1 9 8 Förlust Relativ förlust 9 8 Värmeförlust [MWh] 7 6 5 4 3 7 6 5 4 3 Relativ värmeförlust [%] 1 1 mar-4 jun-4 sep-4 dec-4 mar-5 Figur 4. Värmeförluster beräknad utifrån produktions- och försäljningsdata 4.. Teoretisk beräkning av värmeförluster Beräkningen av värmeförlusterna gjordes dels med simuleringsverktyget FEMLAB och dels med Wallenténs [8] explicita samband. Wallenténs samband berör endast det stationära fallet. Eftersom verkligheten är tidsberoende kan aldrig en korrekt temperaturfördelning i marken uppnås med en stationär modell. Av denna anledning konstruerades en tidsberoende modell i FEMLAB för att kunna beräkna värmeförlusterna i ett tidsberoende perspektiv. Båda metoderna gick ut på att först bestämma de enskilda förlusterna för respektive dimension för att sedan utifrån rörlängd addera dessa enligt fjärrvärmenätets konstruktion. Vid den teoretiska beräkningen av värmeförlusterna krävs förutom kännedom om kulvertens placering och utformning, temperaturer för luft och fjärrvärmevatten även kunskap om kulvertens och markens termiska egenskaper. Av denna anledning följer först en utredning angående isolerskiktets värmekonduktivitet samt markens termiska egenskaper innan beräknings- och simuleringsresultaten redovisas. Vid de teoretiska beräkningarna av värmeförlusterna antas kulverten hålla samma temperatur på fram- och returledningen i hela nätet. En justering av framledningstemperaturen utförs dock från 9 C till 1 C på hösten och från 1 C till 9 C på våren. Returledningstemperaturen antas vara 48 C under hela året. Isolerskiktets värmekonduktivitet Den materialparameter som påverkar värmeförlusterna i särklass störst utsträckning är isolerskiktets värmeledningsförmåga vilket också framgår av bilaga 4. Isoleringen består i dagsläget, för de allra flesta tillverkarna, av polyuretanskum. Polyuretanskummets värmekonduktivitet beror till stor del av den inneslutna gasblandningens sammansättning. När
fjärrvärmeröret tillverkas består gasblandningen av cyklopentan, koldioxid och en liten mängd luft. I naturens strävan att jämna ut koncentrationsskillnader kommer koldioxid och cyklopentan att diffundera ut genom mantelröret. Av samma anledning kommer luft från omgivningen att diffundera in i isoleringen. Detta medför att cellgassammansättningen och följaktligen dess isolerande förmåga förändras med tiden. Mantelröret av polyeten fungerar som en diffusionsbroms och fungerar bättre vid grövre tjocklek. Detta innebär att diffusionen går snabbare för rör med lägre dimension, eftersom de har tunnare mantelrör. I bilaga beskrivs hur värmeledningsförmågans förändring med tiden kan beräknas och i figur 4.3 visas hur föråldringen av ett tvillingrör i stål av dimensionen DN 4 kan se ut.,38 Värmeledningsförmåga [W/(mK)],36,34,3,3,8,6,4 5 1 15 5 3 Tid [år] Figur 4.3 Värmeledningsförmågans förändring för ett tvillingrör i stål av DN 4 Eftersom åldern på rören under den studerade perioden var sex år beräknades värmeledningsförmågan efter sex års åldrande för samtliga dimensioner på området. I tabell 4.1 visas resultaten av dessa beräkningar. Förutsättningarna för beräkningarna är angivna i bilaga. Tabell 4.1 Isolerskiktets värmeledningsförmåga efter sex år Dimension Värmeledningsförmåga [W/(mK)] Cu (Servis),33 DN 5,31 DN 3,31 DN 4,31 DN 5,3 DN 65,3 DN 8,9 DN 1,8 Markens termiska egenskaper Som berörts tidigare har marken kring fjärrvärmenätet på Tomtebo höga värmeledande egenskaper vilket är negativt i strävan att uppnå låga värmeförluster. I bilaga 3 bestäms markens termiska egenskaper för jordarterna i området vilka sedan används vid FEMsimuleringarna. Wallenténs samband tar inte hänsyn till markens olika skikt på samma sätt som det ges möjlighet i FEMLAB utan en sammantagen värmeledningsförmåga för hela 1
marken används. Eftersom stationära beräkningar inte påverkas av densitet och specifik värmekapacitet är beräkningen endast i behov av markens värmeledningsförmåga. Beräkning av värmeförlusterna med FEMLAB En beskrivning av den grundmodell och dess egenskaper som FEM-simuleringarna grundar sig på ges i bilaga 4. FEM-modellen tar hänsyn till ett snödjup som vintertid ligger ovan mark i de grönytor som fjärrvärmerören är förlagda i. Den tar även ett tjäldjup i beaktning i den utsträckning att de termiska egenskaperna i översta skiktet i marken under vintern förändras till att motsvara egenskaperna för fruset tillstånd. FEM-simuleringarna tar dock inte hänsyn till den latenta värme som frigörs/upptas vid fasomvandling av vatten. För att kunna göra tidsberoende simuleringar approximerades lufttemperaturen med nedanstående funktion. Denna är framtagen med hjälp av en metod av Anderlind som beskrivs i bilaga 4. Funktionen gäller för ett normalår i Umeå där t anges i dagar med början den första april. t 3,5 t 39,5 T luft = 3,4 + 1,5 sin π + sin 4π [ C] 365 365 I figur 4.4 visas hur kurvan stämmer överens med temperaturen under det studerade året. Kurvan överensstämmer, som figuren visar, förhållandevis väl med mätdata och användes därför vid beräkningen av värmeförlusterna för nätet med FEMLAB. Utomhustemperaturerna är hämtade från väderstationen vid Institutionen för tillämpad fysik och elektronik (TFE) vid Umeå universitet kompletterad med data från Umeå Energis driftcentraler. 5 Temperatur [ C] 15 1 5-5 -1-15 Mätdata, TFE Approximerad funktion - apr-4 jul-4 okt-4 jan-5 apr-5 Figur 4.4 Utomhustemperaturer under året Figur 4.5 visar värmeförlusternas variation över året beräknade med FEMLAB och värmeförlusterna beräknade utifrån differensen mellan den i elpannan producerade och den hos kunderna omsatta värmeenergi. De tydliga förändringarna av FEM-beräkningarna 1/4 samt 1/1 beror på justeringen av framledningstemperaturen. Anledningen till att kurvan sjunker vid årsskiftet är det snötäcke som simuleras ligga över marken mellan 1/1 och 31/3. Som figuren visar ligger resultaten från FEM-beräkningen något lägre än den beräknade värmeförlusten som baseras på mätdata.
3,5 3 Värmeförlust [MWh],5 1,5 1,5 Mätdata FEM mar-4 jun-4 sep-4 dec-4 mar-5 Figur 4.5 Dagliga värmeförluster där den grå kurvan representerar förluster beräknade utifrån mätdata och den kraftiga kurvan förlusterna beräknade med FEMLAB Enligt FEM-beräkningen var skillnaderna mellan de specifika förlusterna för de olika dimensionerna inte särskilt stora. Förlustandelen för respektive dimension stämde således väl överens med dess längd i nätet. Förlustfördelningen är sammanfattad i tabell 4.. Förhållandena för förläggningen skiljer sig en aning då kulvertgravarna för dimensionerna i DN 8 och DN 1 är dränerade samt att DN 5 är förlagd i gatumark. Av tabellen framgår att huvuddelen av förlusterna kan härledas till servisledningen och dimensionen DN 4. Tabell 4. Årlig förlustfördelning baserad på FEM-simuleringar Specifik förlust Total förlust Dimension Andel [MWh/m] [MWh] DN (Servis),17 87 37 % DN 5,15 14 % DN 3,16 75 1 % DN 4,19 6 33 % DN 5,18 7 1 % DN 65,1 43 5 % DN 8,4 5 7 % DN 1,3 43 6 % Beräkning av värmeförlusterna med Wallenténs samband Som beskrivits tidigare tar inte Wallenténs samband (ekvation (3.1)-(3.4)) hänsyn till att olika skikt i marken har olika termiska egenskaper. Vid beräkningen av värmeförlusterna med Wallenténs samband användes en gemensam värmekonduktivitet för marken på W/(mK). I figur 4.6 visas värmeförlusternas variation över året beräknade med Wallenténs samband och värmeförlusterna beräknade utifrån mätdata på i elpannan producerad och hos kunderna omsatt värmeenergi. TFE:s mätdata för utomhustemperaturen som visas i figur 4.4 användes vid den analytiska beräkningen. Som figur 4.6 visar ligger förlustberäkningen med Wallenténs samband i likhet med resultaten från FEM-simuleringarna något lägre än den 3
beräknade förlusten baserad på mätdata. De går även här att urskilja förändringen av framledningstemperaturen under vår och höst. 3,5 3 Värmeförlust [MWh],5 1,5 1,5 Mätdata Wallenténs samband mar-4 jun-4 sep-4 dec-4 mar-5 Figur 4.6 Dagliga värmeförluster där den grå kurvan representerar förluster beräknade utifrån mätdata och den svarta kurvan förlusterna beräknade med Wallenténs samband Diskussion I tabell 4.3 visas de årliga värmeförlusterna för respektive beräkningsmetodik. Som framgår är de relativa förlusterna höga vid samtliga beräkningar. Linjetätheten på,41 MWh/m är extremt låg för nätet, och kan jämföras med huvudnätets cirka 4 MWh/m och en relativ förlust på 7-8 %, vilket har en avgörande betydelse för de relativa värmeförlusterna. Marken i området har hög vattenhalt och goda värmeledande egenskaper vilket också bidrar till högre värmeförluster. Tabell 4.3 Årliga värmeförluster Mätdata FEMLAB Wallentén Värmeförlust [MWh] 83 78 79 Relativ värmeförlust [-] 33 % 31 % 31 % FEM-beräkningarna och beräkningarna med Wallenténs uttryck stämmer bra överens med mätdata med tanke på att det är många faktorer med osäkerheter som påverkar de teoretiska beräkningarna. Några exempel är isolerskiktets värmeledningsförmåga, fjärrvärmevattnets temperatur och markens termiska egenskaper. Dessa faktorers påverkan på värmeförlusterna utreds i bilaga 4 där det framgår att resultaten främst är känslig för isolerskiktets värmeledningsförmåga. Det finns även en viss osäkerhet i mätdata. Integreringsverken, F, som sitter hos abonnenterna är av märket Metrima, mätosäkerheten hos dessa är dock mindre än % [16]. I de teoretiska beräkningarna överskattas värmeförlusterna när fram- och returledning antas ha samma temperaturnivå som vid elpannan i hela nätet eftersom vattnets temperatur sjunker på vägen till kunden. Mätvärden på framledningstemperaturen från en tvåveckorsperiod i oktober visade dock att temperaturen ungefär var lika hög för en kund nära pannan som en kund belägen längst bort i nätet. Under sommaren förekommer dock förmodligen en skillnad 4
på grund av att flödet är lägre och att fjärrvärmevattnets temperatur då hinner sjunka innan det är framme hos abonnenten. Detta kan vara anledningen till att FEMLAB, under sommarmånaderna, ger högre resultat i förhållande till mätdata i jämförelse med vinterhalvåret. 4.3 Energiomsättning av cirkulationspump Pumpen som under den studerade perioden drev cirkulationen i nätet är på 5 kw och har konstant varvtal. Flödet styrs därför bara av hur öppna abonnentventilerna är. För att beräkna cirkulationspumpens energiomsättning sammanställdes flödet för det analyserade året för samtliga kunder. Effekt vid olika flöden framgick av pumpens driftkaraktäristik vilket medförde att energiomsättningen kunde bestämmas. Enligt beräkningen omsatte pumpen totalt 1 MWh el under året. Om pumpen hade varit förlustfri hade all denna energi omvandlats till värme genom vattnets friktion mot rörväggarna. Men eftersom pumpen inte är förlustfri omvandlas bara den av pumpen nyttiggjorda elenergin till värmeenergi i fjärrvärmevattnet. Ur pumpkaraktäristiken framgår hur verkningsgraden beror av flödet varpå den bildade värmeenergin kan bestämmas. Utifrån detta kunde den från pumpen totalt bildade värmeenergin under året beräknas till 1 MWh vilket endast motsvarar cirka,4 % av den totala värmeproduktionen. 4.4 Analys av nätets rördimensioner genom tryckfallsberäkningar Analysen av de nuvarande dimensionerna för fjärrvärmeledningarna på Tomtebo bestod i att undersöka hur tryckfallen förhållit sig i nätet med hjälp av teoretiska beräkningar. Fjärrvärmeledningarna på Tomtebo är i likhet med Umeås övriga fjärrvärmenät dimensionerade till att ha ett maximalt tryckfall på 1 Pa/m. Förutom detta maximala tryckfall beaktas även flödeshastigheterna för att undvika erosion och höga ljud. Gränsvärdena för dessa överstigs i regel inte vid ovanstående dimensioneringsförfarande för de ytråheter och volymflöden som råder i fjärrvärmerör. Gränsvärdena skiljer sig beroende på material och förutsättningar för ljudutbredning. Enligt Overgaard [17] kan de variera mellan 3 och 3,5 m/s för fördelningsledningar. Lögstör anger 3 m/s för gatuledningar i sin produktkatalog [18]. Värdena avser konstanta flöden men högre flöden under mycket korta perioder kan möjligtvis tillåtas. Eftersom ungefär en tredjedel av kunderna i området använder frånluftsvärmepump skulle en analys av dimensionerna utifrån de aktuella flödena inte ge generella resultat. Av denna anledning ersattes flöden hos de kunder som använder värmepump med flöden för närmsta granne som nyttjade fjärrvärmen fullt ut. För att kunna göra en analys av dimensionerna i nätet krävs kännedom om de maximala volymflödena. Av denna anledning utreds de maximala flödena i kapitel 4.4.1 för att sedan i kapitel 4.4. kunna analysera nätets dimensioner. Analysen begränsades till att undersöka de delar av nätet som endast berördes av småhus, de ledningar som transporterar energi till daghemmet analyseras följaktligen inte. 5