4GDH och lågtempererad fjärrvärme har diskuterats allt mer frekvent de senaste åren men antalet faktiska fall av omställning mot 4GDH är begränsade. År 2017 drogs slutsatsen att ingen ännu hade visat att en tillförseltemperatur på 50 °C och en returtemperatur 20 °C faktiskt går att uppnå i nya eller existerande fjärrvärmenät (Werner, 2017a), men det finns fall där man har kommit en god bit på väg.
Det finns olika lösningar för att möjliggöra låga temperaturer i nya områden där det redan finns ett etablerat fjärrvärmenät: uppdelning av nätet i primära och sekundära nät med hjälp av fjärrvärmecentraler och shuntlösningar, samt att värme av olika temperaturer nyttjas hos kunder med olika behov genom att de kopplas samman (Averfalk & Werner, 2017). Befintliga och planerade projekt där olika varianter av dessa lösningar har applicerats i en strävan mot 4GDH presenteras i detta avsnitt. I Figur 13 redovisas planerade tillförsel- och returtemperaturer för dessa projekt. Det är tydligt att de flesta projekt arbetar mot lägre temperaturer än både svenskt och danskt genomsnitt samtidigt som man har en lägre differens mellan tillförsel- och returtemperaturer, då det generellt är enklare att sänka tillförseltemperaturen än att sänka returtemperaturen.
Figur 13. Redogör för tillförsel- och returtemperaturer i olika 4GDH-projekt där svenska och danska genomsnittstemperaturer finns för jämförelse.
3.4.1 Kirsehir, Turkiet
I staden Kirsehir i Turkiet återfinns ett lågtempererat fjärrvärmenät som har varit i drift sedan 1994 och tillgodoser 1 800 byggnader med värme (Oktay & Aslan, 2007; Wiltshire, 2013). Incitamenten bakom implementeringen var dålig luftkvalité i staden kombinerat med tillgången till lågtempererad geotermisk värme på 57 °C (Mertoglu et al., 2003). Temperaturen på värmekällan uppskattades som tillräcklig grundat i överdimensionerade radiatorer i byggnaderna (Wiltshire, 2013). Wiltshire (2013) redogör för att den dimensionerande temperaturen var -12 °C, vilket är den samma som i Danmark. Nätet har en tillförseltemperatur på 54 °C och en returtemperatur på 49 °C och består av glasfiberförstärkta polyesterrör och förisolerade singelrör av stål (Oktay & Aslan, 2007; Wiltshire, 2013).
3.4.2 Lystrup, Danmark
I området Lystrup i Danmark har man implementerat en fullskalig lösning för lågtempererad fjärrvärme (Thorsen et al., 2011). Området innefattar sju radhus med totalt 40 lägenheter samt en lokal. Målet med projektet är att leverera fjärrvärme med en tillförseltemperatur nära 50 °C. För att möjliggöra projektet har man utvecklat två olika slags fjärrvärmecentraler anpassade för lågtempererad fjärrvärme samt nya twinrör med en mindre rördiameter (Schmidt et al., 2017). Området är anslutet till Århus fjärrvärmenät via en shuntkoppling och försörjs på det viset med värme (Lauenburg, 2018).
Som uppvärmningssystem används radiatorer, dimensionerade för en tillförseltemperatur på 50 °C och en returtemperatur på 20 °C, i alla rum förutom i badrum där istället golvvärme används. År 2011 var den genomsnittliga tillförseltemperaturen 52,7 °C och den genomsnittliga returtemperaturen 34,1 °C (Lauenburg, 2018). För att möjliggöra låga tillförseltemperaturer kommer två olika alternativ på anslutningar av byggnader till systemet att implementeras. En lösning där vattnet i fjärrvärmenätet tillförs direkt till byggnadens golvvärmessystem istället för att man nyttjar värmeväxling mellan fjärrvärmenätet och byggnaden men även vanliga fjärrvärmecentraler kommer att nyttjas i projektet (M. Brand et al., 2010; Paulsen et al., 2017). Till 82 % nyttjar man aluPEX-rör i fjärrvärmenätet och man har enbart twinrör (Lauenburg, 2018). Enligt Lauenburg (2018) hade värmeförlusterna varit fyra gånger så höga i Lystrups fjärrvärmenät om konventionella enkelrör och en tillförseltemperatur på 80 °C istället hade nyttjats.
Danmark har ett komfortkrav på 50 C vid tappstället men i danska projekt med lågtempererad fjärrvärme har man ett antaget komfortkrav på 45 C (Lauenburg, 2018). För projektet i Lystrup utvecklade men därför särskilda fjärrvärmecentraler som klarar av att leverera tappvarmvatten med en temperatur på 47 C vid en tillförseltemperatur i fjärrvärmenätet på 50 C. För att hantera legionellaproblematiken har man använt sig av en tysk standard där man inte har något lägre temperaturkrav för tappvarmvattensystem med en volym mindre
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T em pe ra tur ( ℃)
än tre liter exklusive värmeväxlare (Gerhardy, 2012). Detta kräver dock att varje lägenhet har sin egen fjärrvärmecentral (Lauenburg, 2018).
Överlag visar projektet på att lågtempererad fjärrvärme är ett ekonomiskt lönsamt alternativ som ger hög komfortnivå för användarna i områden där byggnaderna har ett lågt energibehov (Olsen et al., 2008). Beräkningar av Olsen et al. (2008) visar att kostnaderna över en 30-årsperiod är lägre om lågtempererad fjärrvärme nyttjas i Lystrup än vad de hade varit i scenarion där bergvärmepumpar eller luftvärmepumpar hade nyttjats för uppvärmning istället.
3.4.3 Tåstrup, Danmark
Ytterligare ett exempel på ett danskt pilotprojekt återfinns i kommunen Tåstrup i distriktet Sønderby där en fullskalig renovering av en del av ett existerande fjärrvärmenät genomfördes och ett lågtempererat nät etablerades (Schmidt et al., 2017). Projektet avser ett område med 75 byggnader från 1997 och 1998 med golvvärme som uppvärmningssystem (Cenian et al., 2019). För att tillgodose nätet med värme används ett närliggande 3GDH-näts returledningsvatten som framledning, med en uppmätt medeltemperatur på 48 °C (Cenian et al., 2019; Schmidt et al., 2017). När denna inte är tillräcklig för det lågtempererade fjärrvärmenätet kan vatten från framledningen i det närliggande 3GDH-nätet kopplas på. I nätet används twinrör, de större distributionsledningar är av stål och de mindre av aluPEX (Cenian et al., 2019). I varje hus installerades en fjärrvärmecentral och varmvattenvolymen på sekundärsidan begränsades till tre liter.
Mätningar visar på att returledningen från 3GDH-nätet har täckt 81 % av behovet för det lågtempererade nätet (Cenian et al., 2019). Innan det lågtempererade nätet introducerades var det ett fjärrvärmesystem med singelrör som fanns i området och värmeförlusterna från systemet var uppemot 40 %, dessa minskades till 13-14 % i det lågtempererade nätet (Schmidt et al., 2017). Medelvärden för temperaturer på tillförsel- och returledningsvatten uppmättes till 55 °C respektive 40 °C, vilket stämde relativt bra överens med de dimensionerade temperaturerna 55 °C respektive 27–30 °C. För fjärrvärmecentralerna uppmättes medeltemperaturer till 53 °C respektive 38 °C och de designade temperaturerna var 50 ° och 25 °C (Cenian et al., 2019). Noterbart är att temperaturdifferensen mellan fram- och returledning på sekundärsidan inte blev lika stor som tänkt, vilket Cenian et al. (2019) redogör för grundas i att den är beroende av fjärrvärmekonsumenters vanor vilka är svåra att kontrollera och förutspå.
Sammanfattningsvis visade projektet på att lågtempererad fjärrvärme kan implementeras i områden med byggnader som inte är nyrenoverade eller nybyggda (Cenian et al., 2019). Projektet påvisade även fördelar med en gradvis omställning från 3GDH till 4GDH då kapaciteten hos fjärrvärmenätet ökade utan att investering i ökad produktion behövde genomföras (Schmidt et al., 2017).
3.4.4 Norra Djurgårdsstaden, Stockholm
I Sverige pågår det ett antal projekt där 4GDH och lågtempererade fjärrvärmelösningar håller på att implementeras. Det största lågtempererade systemet i Europa återfinns i Norra Djurgårdsstaden och omfattar omkring 30 GWh fjärrvärme (Borglund, 2020). Systemet använder i dagsläget returvatten från det befintliga 3GDH-systemet som huvudsaklig värmekälla. Området är i dagsläget inte helt färdigbyggt och det finns även planer på att nyttja innovativa lösningar för att mer effektivt kunna ta tillvara på energi från avloppsvatten för att värma byggnader (Stockholm Stad, 2020). I dagsläget är tillförsel- och returtemperatur 74,2 °C respektive 42,8 °C. Förväntningen är att kunna komma under 35 °C i returflödet vilket skulle kunna möjliggöra tillförseltemperaturer under 70 °C (Dalgren, 2021).
3.4.5 Ranagård, Halmstad
I området Ranagård i Halmstad håller ett lågtempererat fjärrvärmesystem på att implementeras som ska tillgodose 500 bostäder med fjärrvärme (Strandell, 2021). I området planeras det att byggas 86 villor samt ett antal lägenhetshus och radhus. Fjärrvärmenätet kommer att delas in i tre olika nät där man i område ett kommer att använda sig av 4GDH tillsammans med tekniken som beskrevs tidigare med ett tredje rör. I område två och tre kommer vanliga tvårörsystem med lågtempererad fjärrvärme att implementeras (Halmstad Energi och Miljö, 2020). Uppdelningen i tre områden genomfördes dels då man identifierade kapacitetbegräsningar i shuntkopplingen vilket inte gjorde det möjligt att trygga värmetillförseln för samtliga kunder med en gemensam nedväxlingsstation och dels för att man ville kunna jämföra en trerörslösning med en konventionell tvårörslösning i det område där värmebehovet möts av värme från nedväxlingsstationen. Målet är att tillförseltemperaturen för hela området ska vara 65 °C, returtemperaturen för området med trerörslösningen
28 °C och för tvårörssystemen siktar man på returtemperaturer mellan 35–37 °C. För att lågtemperad fjärrvärme ska kunna nyttjas så effektivt som möjligt samt för att sänka returtemperaturen ytterligare hade det varit nödvändigt att installera lägenhetsfjärrvärmecentraler. Det är dock något som enligt Strandell (2021) inte bedömdes rimligt givet hur normen för att bygga flerbostadshus ser ut i Sverige idag.
Samtliga rör som installeras i de nya näten är av stål, trots den lågtemperade fjärrvärmen (Strandell, 2021). Detta grundas i att fjärrvärmebolaget med säkerhet vill kunna tillgodose samtliga kunder med värme vilket garanteras genom att nyttja rör som klarar av att högtemperad fjärrvärme kan användas vid behov. Projektet började planeras för omkring fyra år sedan och de tekniska förutsättningarna var då inte lika tydligt undersökta som de är idag. I dagsläget hade det varit mer lönsamt att implementera ett vanligt 3GDH-systemet i området men förutsättningarna för projektet i Halmstads ansågs goda eftersom högskolan i Halmstad är framstående när det kommer till 4GDH och man ser en nytta med att testa teknikerna på en större skala. Målet med projektet är bland annat att utvärdera tredjerörslösningen med avseende på energieffektivitet och konstruktion, samt att utreda hur 4GDH och 3GDH konstruktionsmässigt skiljer sig åt.
Projektet är ett resultat av att kommunen genomförde en satsning på fjärrvärmenätet för att öka dess konkurrenskraft, framförallt mot individuella värmepumpar i villor (Strandell, 2021). Ytterligare fördelar med satsningen är även att lösningarna kan leda till att fjärrvärmens effektivitet bibehålls. Enligt Strandell (2021) är fjärrvärme ett uppvärmningssätt som gynnas av en storskalig förbrukning och att det är viktigt för att avfallsförbränningen ska kunna fortgå.
3.4.6 Brunnshög, Lund
I stadsdelen Brunnshög i Lund byggs ett av världens största lågtempererade fjärrvärmenät (Kraftringen, 2018; Olin, 2020). Den stora satsningen grundas i att man på effektivaste möjliga sätt vill ta vara på den lågtemperade värmen som produceras av forskningsanläggningen MAX IV och även värmen från den framtida forskningsanläggningen ESS. Redan idag återvinns värmen som har en temperatur kring 30–50 °C från MAX IV i Lunds befintliga fjärrvärmesystem men först efter att ha fått en temperaturhöjning till omkring 90 °C. I framtiden planeras vattnet att höjas upp till 65 °C i fjärrvärmecentralen, en gräns som valdes grundat i dagens krav på en temperatur på 50 °C på tappvarmvattnet för att undvika legionella (Olin, 2020). Målet är att ha en returtemperatur på 35 °C (Kraftringen, 2018). Den lågtempererade fjärrvärmen är väl lämpad för de moderna och energieffektiva byggnaderna som kommer att byggas i området.
3.4.7 Västerås
I Västerås har en satsning gjorts för att försörja nybyggda bostäder med lågtempererad fjärrvärme, vilket har implementerats i sju olika bostadsområden som innefattar såväl villor som flerbostadshus med hög energiprestanda (Lauenburg, 2018). I lägenhetshusen har man valt att satsa på att implementera lägenhetscentraler, vilket medför att varmvattencirkulering inte är nödvändig. Systemet är sekundäranslutet till det stora fjärrvärmenätet och det är dimensionerat för en tillförseltemperatur på 60 °C och en returtemperatur på 30 °C.
3.4.8 Ectogrid i Medicon Village, Lund
Företaget E.ON har tagit fram konceptet ectogrid där man genom att ansluta byggnader med olika energibehov till varandra kan balansera energin mellan dessa vilket leder till lägre energianvändning och mindre CO2-
utsläpp (E.ON, 2021a). Detta uppnås genom att man nyttjar befintliga tekniker som kylmaskiner och värmepumpar men använder dem tillsammans på ett nytt vis (E.ON, 2021c). Bäst kan ectogrid beskrivas som ett dubbelriktat och lågtempererat fjärrenergisystem (Bünning et al., 2018). Systemet bygger på att man istället för att ha ett värmesystem med tillförsel- och returledningar och ett kylsystem med tillförsel- och returledningar nu endast har ett gemensamt system med en varm och en kall sida (Franzén et al., 2019). Grundprincipen är att varje byggnad har en värmepump på den varma sidan av nätet för att möta värmebehovet och en kylmaskin på nätets kalla sida för att möta kylbehovet. Dessutom har systemet en tank för varmvattenlagring för att jämna ut dygnsvariationer och en extern energikälla för att värma tanken i det fall stora värmeuttag krävs för att möta värmebehovet. Temperaturen är inte konstant på varken den varma sidan, kalla sidan eller i värmelagringstanken. På den varma sidan varierar temperaturen mellan 16 °C och 40 °C, på den kalla sidan mellan 6 °C och 30 °C. Varmvattentanken har en övre temperaturgräns vid vilken värmeuttag måste ske och en nedre temperaturgräns vid vilken värme måste tillföras systemet genom en extern energikälla.
I forskningsområdet Medicon Village i Lund genomförs det första pilotprojektet med ectogrid vilket var planerat att stå klart 2020 (E.ON, 2021b). Totalt ansluts 15 byggnader till varandra med ett årligt uppvärmningsbehov på 10 GWh och ett kylbehov på 4 GWh. Alla byggnader ska förses med värmepumpar och kylmaskiner dimensionerade för att kräva 50 % av byggnadernas elbehov. Med ectogrid kommer 90 % av värmebehovet och 85 % av kylbehovet att täckas och resterande del att täckas av fjärrvärme- och fjärrkylesystemet. En studie kring ectogrid i Medicon Village visar på att energianvändningen blir nära tre gånger mindre med ectogrid jämfört med dagens fjärrvärmenät (Franzén et al., 2019).
4 Metod
I detta avsnitt presenteras den övergripande metoden som används för att uppfylla arbetets mål och besvara frågeställningarna, följt av en mer detaljerad beskrivning av de olika forskningsmetoder som har använts.