För att kvantifiera nyttan med lägre nättemperaturer och 4GDH har ett antal faktorer som påverkas av förändrade tillförsel- och returtemperaturer undersökts. I detta kapitel presenteras den beräkningsmetodik som användes för att kvantifiera nyttor med lägre nättemperaturer. För att förslag på tekniska lösningar ska kunna presenteras för specifika kunder i Borlänge genomfördes även beräkningar kring dimensionerande flöden och temperaturer för att välja rätt uppvärmningssystem och fjärrvärmecentraler.
4.4.1 Ökad elproduktion i KVV vid lägre tillförseltemperatur
För att kvantifiera ekonomiska och miljömässiga nyttor med en omställning till 4GDH i Borlänges fjärrvärmenät beräknades den potentiella ökningen av elproduktionen i Borlänge Energis KVV med hjälp av termodynamikens första huvudsats där förändring i kinetisk och potentiell energi försummades enligt ekvation [1].
𝑄̇𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛= 𝑚̇(ℎ2− ℎ1)𝜂𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 [1]
Där ℎ1 är entalpin innan turbinen, ℎ2 är entalpin efter turbinen, 𝜂𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 är turbinens verkningsgrad och 𝑚̇ är
massflödet genom turbinen. Entalpierna kunde erhållas vid känt tryck och temperatur. Massflödet genom turbinen och dess verkningsgrad tillhandahölls av Borlänge Energi.
Beräkningen bygger på ett antagande att kondensorn efter turbinen försummas och att tillförseltemperaturen är lika med ångtemperaturen efter turbinen. Borlänge Energi uppgav att det kan skilja någon grad mellan temperaturen ut ur ångturbinen och fjärrvärmevattnets tillförseltemperatur samt att förluster i kondensorn är mycket små. Beräkningarna bygger även på antaganden kring att KVV endast körs ett antal timmar på maximal effekt vilket har beräknats med hjälp av den totala årliga elproduktionen och den maximala turbineffekten i dagsläget. Turbinverkningsgraden modifierades så att turbinen genererar den maximala effekten 6,7 MW vid en tillförseltemperatur på 79,2 C och ett massflöde på 10,2 kg/s.
4.4.2 Effektivare rökgaskondensering vid lägre returtemperatur
För att analysera hur den levererade effekten från rökgaskondensering i hetvattenpannor påverkas av en sänkt returtemperatur i nätet användes ekvation [2].
𝑄̇𝑟ö𝑘𝑔𝑎𝑠𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 = 𝑚̇𝑐𝑝(𝑇2− 𝑇1) [2]
Där 𝑚̇ är fjärrvärmevattnets massflöde över värmeväxlarna, 𝑐𝑝 är fjärrvärmevattnets specifika värmekapacitet
som antas vara konstant 4,18 kJ/(kg*C), 𝑇1 är returtemperaturen på fjärrvärmevattnet och 𝑇2 är temperaturen
på fjärrvärmevattnet efter rökgaskondenseringen som beräknades enligt ekvation [3].
𝑇2 = 𝑇𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟,𝑖𝑑𝑎𝑔 +
𝑄̇𝑟ö𝑘𝑔𝑎𝑠𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔,𝑖𝑑𝑎𝑔
𝑚̇𝑐𝑝
[3]
Där 𝑄̇𝑟ö𝑘𝑔𝑎𝑠𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔,𝑖𝑑𝑎𝑔 är rökgaskondenseringens effektivitet i dagsläget och 𝑇𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟,𝑖𝑑𝑎𝑔 är
temperaturen på returvattnet idag innan rökgaskondenseringen. För att därefter beräkna den extra mängden energi som genereras av rökgaskondenseringen när temperaturen på returvattnet i fjärrvärmenätet sänks multiplicerades den uträknade effekten från ekvation [2] med antalet drifttimmar på maximal effekt för respektive anläggning.
Beräkningarna bygger på ett antagande om att det alltid kommer vara möjligt att värma fjärrvärmevattnet till samma temperatur även om fjärrvärmevattnet har en lägre returtemperatur än i dagsläget och att det således finns tillräcklig mängd lågvärdig värme i rökgaserna som i dagsläget inte utnyttjas. För att ta hänsyn till att låga returtemperaturer kan innebära att tillförseltemperaturen sänks undersöktes även ett scenario där fjärrvärmevattnet endast förvärms till 45 C och 𝑇2 således hålls fixt vid denna siffra.
4.4.3 Minskade värmeförluster från fjärrvärmenätet vid lägre nättemperaturer
Med förändrade tillförsel- och returtemperaturer i fjärrvärmenätet kommer värmeförlusterna från distribution också att förändras. Dessutom har rörisoleringen stor påverkan på värmeförlusterna. Således var det av intresse att undersöka hur förändring av dessa faktorer vid en omställning till 4GDH påverkar värmeförlusterna från fjärrvärmenätet. Genomsnittliga värmeförluster från framledningar beräknades enligt ekvation [4] och värmeförluster från returledningar beräknades enligt ekvation [5]
𝑄̇𝑣ä𝑟𝑚𝑒𝑓ö𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡𝑒𝑟,𝑓𝑟𝑎𝑚 = (𝑇𝑓𝑟𝑎𝑚− 𝑇𝑜𝑚𝑔𝑖𝑣𝑛𝑖𝑛𝑔)𝜆𝑓𝑟𝑎𝑚ℓ𝑓𝑟𝑎𝑚 [4]
𝑄̇𝑣ä𝑟𝑚𝑒𝑓ö𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡𝑒𝑟,𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟= (𝑇𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟− 𝑇𝑜𝑚𝑔𝑖𝑣𝑛𝑖𝑛𝑔)𝜆𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟ℓ𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟 [5]
Där 𝑇𝑓𝑟𝑎𝑚 och 𝑇𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟 är de genomsnittliga temperaturerna i fram- respektive returledningar, 𝜆𝑓𝑟𝑎𝑚och
𝜆𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟 är de genomsnittliga specifika värmeledningsförmågorna för fram- respektive returledningar och
ℓ𝑓𝑟𝑎𝑚 och ℓ𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟 är den totala längden på fram- respektive returledningar. Data kring den totala längden av
rören i nätet erhölls från Borlänge Energi, fram- och returledningar antogs vara lika långa. Data för lambdavärden hämtades från rörtillverkaren Logstor baserat på information om ledningar från Borlänge Energi. Ett genomsnittligt lambdavärde för hela systemet beräknades och därmed antogs 𝜆𝑓𝑟𝑎𝑚vara lika med
𝜆𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟. Gällande 𝑇𝑓𝑟𝑎𝑚 och 𝑇𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟 användes genomsnitt för temperaturer i fram- respektive returflöde från
2020. 𝑇𝑜𝑚𝑔𝑖𝑣𝑛𝑖𝑛𝑔 antogs till medeltemperaturen i luften i Borlänge under 2020 vilken var 5,6 °C.
För att beräkna de årliga värmeförlusterna multiplicerades den beräknade genomsnittliga effekten från värmeförluster med antalet drifttimmar i fjärrvärmenätet, vilket är alla årets timmar då inga driftstopp antogs ske i fjärrvärmenätet.
4.4.4 Beräkning av dimensionerande uppvärmnings- och tappvarmvattenbehov i byggnader
Husets dimensionerande uppvärmningsbehov beräknades med ekvation [6] genom att varje byggnadsdels
värmegenomgångskoefficient, 𝑈, multipliceras med dess area, 𝐴, och differensen mellan önskad
rumstemperatur, 𝑇𝑟𝑢𝑚, och dimensionerande vinterutetemperatur (DVUT). DVUT i Borlänge är -20,7 °C
(Boverket, 2017b).
𝑄̇𝑑𝑖𝑚= ∑ 𝑈𝐴𝑛 (𝑇𝑟𝑢𝑚− 𝐷𝑉𝑈𝑇) [6]
Baserat på det dimensionerade uppvärmningsbehovet beräknades volymflödet som krävs för att tillgodose fastigheten med lågtempererad fjärrvärme enligt ekvation [7]. Utifrån branschorganisationen Svensk fjärrvärmes riktlinjer för dimensionering av en fjärrvärmecentral antogs för fastigheter med golvvärme en dimensionerande tillförseltemperatur på sekundärsidan till 38 °C för uppvärmningsbehovet och en differens på maximalt 7 °C mellan rumsluften och returtemperaturen i sekundärsystemet (Svensk Fjärrvärme AB, 2014). Radiatorer antogs vara dimensionerade för temperaturerna 60/40/20 °C där viss avvikelse från dessa temperaturer antogs vara möjlig i några fall. Baserat på dessa antaganden kunde tillförsel- och returtemperaturer i sekundärsystemet estimeras. Det antogs vara en differens mellan primär- och sekundärsidas
tillförsel- och returtemperatur på
minst 3 °C. Med hjälp av det dimensionerande uppvärmningsbehovet och kända temperaturer på sekundär- sidan kunde volymflödet för att möta dimensionerande uppvärmningsbehov beräknas.
𝑉̇ = 𝑄̇𝑑𝑖𝑚
𝜌𝑐𝑝 (𝑇𝑓𝑟𝑎𝑚,𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟−𝑇𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟,𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟) [7]
Där 𝑉̇är volymflödet, 𝑄̇𝑑𝑖𝑚 är det dimensionerande uppvärmningsbehovet, 𝜌 är vattnets densitet vilken är 997
kg/m3, 𝐶
𝑝 är vattnets specifika värmekapacitet vilken är 4,18 kJ/(kg*°C) samt 𝑇𝑓𝑟𝑎𝑚,𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟 och
𝑇𝑟𝑒𝑡𝑢𝑟,𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑ä𝑟 är tillförsel- och returtemperatur i byggnadens sekundärsystem.
Det dimensionerande flödet och effektbehovet för tappvarmvatten beräknades enligt Tabell 4 baserat på hur många lägenheter varje byggnad innehöll. I det fall byggnaderna var lokaler för kontor eller annan verksamhet antogs dessa ha likvärdigt tappvarmvattenbehov som en genomsnittlig lägenhet. Tappvarmvattnet antogs i
samtliga fall tillföras byggnadens sekundärsystem med en temperatur på 55 °C, detta antogs ge en returtemperatur på 18 °C.
Tabell 4. Tillhandahållen data kring dimensionerande tappvarmvattenbehov (Metrotherm, 2021)