Examensarbete
Analys av småskaligt
fjärrvärmenätverk.
- Utvärdering av kritiska punkter i Hovmantorps fjärrvärmenätverk
genom beräkning av temperaturfall genom nätverket.
Författare: Alice Volmarsson & Mikel Constantin Handledare LNU: Truong Nguyen
Examinator: Michael Strand
Datum: 2020-06-03 Kurskod: 2BT01E, 15hp Ämne: Energi- och miljöteknik Nivå: Grundläggande
För att nå de mål som Sverige och EU har satt upp gällande utsläpp av växthusgaser måste utveckling av energieffektiva lösningar ske. Potentialen för fjärrvärme i Europa utnyttjas inte fullt ut. Utveckling av mer energieffektiva fjärrvärmenätverk där förnyelsebara bränslen används kommer vara en del av lösningen. Fjärrvärme baseras på att flytta tillgänglig värme från en källa till kunder anslutna till
fjärrvärmenätet. Genom att sänka utgående- och returtemperaturen i ett fjärrvärmesystem kan förluster inom systemet minskas.
Detta examensarbete undersöker möjligheten att sänka den utgåendetemperaturen från fjärrvärmeverket i Hovmantorp. Målobjekten för arbetet var; hitta potentiella kritiska punkter, undersöka vad som orsakar förlusterna vid de kritiska punkterna och utifrån detta föreslå åtgärder för att minska dessa förluster.
Kritiska punkter, zoner där en sänkning av utgåendetemperatur hindras som mest, identifierades genom att kartlägga distributionsnätverket i AutoCAD genom att bestämma rörlängden och antalet kunder länkade till nätverket. Därefter gjordes, med data som anskaffats från fjärrvärmeverket, en uppskattning av volymflödet under två kritiska perioder med avseende på värmebehov, en i februari och en i juli.
Tillsammans med data som erhållits från Logstors beräkningsverktyg, beräknades energin som förloras genom rörledningen. Slutligen beräknades temperaturfallet för respektive rörsektion och hela linjen från kunden till fjärrvärmeanläggningen. Tre punkter i nätverket gav de största temperaturfallen. Resultatet visar att temperaturfallet varierar mellan 10.8-20.1℃ under vintern och 27.7-54.8℃ för sommaren. Inom nätverket anses den yttersta delen av Oxtorget vara den mest kritiska punkten som skulle kunna påverka systemets drift. Även om de exakta siffrorna ansågs vara för höga och sålunda opålitliga kunde en slutsats angående viktiga parametrar dras. Huvudparametern som leder till orealistiska resultat är volymflödet. Uppskattningen av volymflödet genom nätverket baserades på kundantalet och resultaten visade att de största förlusterna var baserade på det låga flödet orsakat av den låga kundtätheten i de kritiska områdena. För att minska de temperaturfallen som sker har olika åtgärder påpekats och diskuterats.
Distribueringsrör med mer isolering, så som klass 2, vilka anses vara
To reach the goals set by Sweden and the EU for a decrease of greenhouse gas emissions, the development of more energy efficient processes must occur. The potential for district heating in Europe is not properly exploited. Developing more energy efficient district heating networks that uses sustainable fuel will be a part of the solution. District heating is based on the principal of moving available heat from a source to customers connected to the district heating network. By lowering the supply and return temperatures in a district heating system, losses within the system could be reduced.
This thesis explores the possibility of reducing the supply temperature from the district heating plant in Hovmantorp. To achieve that, a few goals were set: find potential critical points, assess what is causing the critical points to have such an energy demand and propose adjustments to lower these demands.
Critical points, areas where the reduction of the district heating supply temperature is most hindered, were identified by charting the distribution network in AutoCAD to determine the length of the pipes and the number of clients linked to the network. Then using data acquired from the plant, an estimate for the volume flow was made for two different critical periods of heat supply, one in February and one in July. Along with data obtained from Logstor’s calculation tool, the energy lost through different pipe sections were calculated. Approximate calculations of temperature drop for each pipe section and the whole line from the client’s end to the plant were then made.
The results of the three points that gave the highest temperature losses showed that the temperature drop along the lines vary from 10.8-20.1°C and 27.7-54.8°C during the peak winter and summer, respectively. Within this network, Oxorget is
considered the most critical point that could influence the operation of the system. Even though the results exact numbers were considered too high; conclusions could be drawn regarding the different parameters. The main variable that lead to
unrealistic results is the volume flow. The estimation of volume flow was based on the client numbers; the results showed the highest temperature losses were based on the lowest flow caused by the low client density in the critical area. Several
Denna studie analyserar förlusterna i ett småskaligt fjärrvärmenät i Hovmantorp för att identifiera kritiska punkter. Genom att med en kvantitativ metod beräkna de värmeförluster som sker genom rören kan kritiska punkter i nätverket identifieras och behandlas. Inom nätverket anses den yttersta delen av Oxtorget vara den mest
kritiska punkten som skulle kunna påverka systemets drift. Studien ger inte ett definitivt svar på möjligheten att minska temperaturen i fjärrvärmenätet i
Hovmantorp, men den har resulterat i en metod som med rätt data kan användas i en fördjupad analys. Utöver redogörande av värmeförluster ger rapporten även
kunskaper om fjärrvärmebranschens flera tekniker, begränsningar och framtida studier.
På förfrågan från universitetslektor Truong Nguyen vid Linnéuniversitetet har detta examensarbete i kursen ”Examensarbete i Bioenergiteknik” utformats. Projektet är baserat på intresset för möjligheterna av en lägre driftstemperatur vid ett småskaligt fjärrvärmenätverk i Hovmantorp. Examensarbetet är utfört vid Linnéuniversitetet i Växjö under vårterminen 2020.
Det har varit både lärorikt och intressant att analysera fjärrvärmenätverkets
utformning och dess förluster. Vår förhoppning är att de resultat som denna studie resulterat i kan användas vidare för en djupare analys av nätverket och att en lägre driftstemperatur kan uppnås i fjärrvärmenätverket.
Vi vill tacka Krister Lundquist vid Hovmantorp fjärrvärme som tillhandahållit information och data relaterade till utformningen och driften av Hovmantorps fjärrvärme. Vi vill också tacka lite extra för besöket vid värmeverket som kunde genomföras trots vårens speciella omständigheter. Vidare vill vi rikta vår tacksamhet till samtliga professorer och lektorer på institutionen för byggd miljö och
energiteknik för allt stöd under studietiden på universitetet.
At last, we want to express our gratitude to Truong Nguyen. It has been a pleasure to work on this thesis under your supervision and we thank you for your guidance and encouragement throughout the project.
1. Introduktion ____________________________________________ 1
1.1 Bakgrund _________________________________________________________ 1 1.2 Syfte och mål ______________________________________________________ 4 1.3 Avgränsningar _____________________________________________________ 4
2. Teori __________________________________________________ 5
2.1 Den tredje- och fjärde generationens Fjärrvärmenätverk ____________________ 5 2.2 Förluster inom nätverket _____________________________________________ 5 2.2.1 Värmeledning __________________________________________________ 6 2.2.2 Konvektion ____________________________________________________ 6 2.2.3 Kritiska punkter ________________________________________________ 6 2.2.4 Isolerings material _______________________________________________ 7 2.3 Utformning av fjärrvärmenätverk. ______________________________________ 9 2.3.1 Rörsystem _______________________________________________________ 9 2.3.2 Tryckfall _______________________________________________________ 11 2.3.3 Fjärrvärmecentral/ undercentral ___________________________________ 11 3. Metod ________________________________________________ 17 4. Genomförande _________________________________________ 19 4.1 Litteraturstudie ____________________________________________________ 19 4.2 Insamlande av data _________________________________________________ 19 4.3 Beräkningar och analys _____________________________________________ 23
5. Resultat och analys ______________________________________ 25
5.1 Nätverkskartor ____________________________________________________ 25 5.2 Beräknade förluster och temperaturdifferenser. __________________________ 26 5.3 Övriga områden ___________________________________________________ 32 5.4 Simulering flöden och isolering. ______________________________________ 32
6. Diskussion och slutsats ___________________________________ 34
6.1 Diskussion _______________________________________________________ 34 6.2 Slutsats __________________________________________________________ 35
1
1. Introduktion
1.1 Bakgrund
På grund av klimatförändringarna, har EU satt upp ett mål att sänka energiförbrukningen med 40% från 1990 till 2030, samt att öka
energieffektiviteten med 32%. [1] I en rapport skriven 2015 uppskattas det att 68% av EU’s värmebehov täcks av olika fossila bränslen. [2] Lösningen kommer förmodligen inte i form av en överlägsen teknik, utan istället kommer det att vara en kombination av tekniker som kan kombineras. Fjärrvärme har potentialen att vara en sådan teknik. I Europa överstiger bort slösad värme från konventionella värmegenererande anläggningar årligen bostädernas värme och varmvattenbehov. Om denna bortkastade energi kan återanvändas via fjärrvärmenätet, skulle minskningen av värme som
produceras med fossila bränslen idag vara betydande. [3] Genom att sänka utgående- och returtemperatur i fjärrvärmesystemen skulle förluster inom systemet kunna sänkas. De senaste åren har intresset för denna typ av temperatursänkning ökat och försök både teoretiska samt verkliga studier har gjorts på området. [4]
Fjärrvärme baseras på att förflytta tillgänglig värme från en källa för direkt användning av värmen hos kunder som är kopplade till fjärrvärmenätet. Fjärrvärme implementerades i USA under sena 1800-talet och senare i Europa under 1900-talet. Idag används främst lokalt producerat bränsle i fjärrvärmeverken och det finns ett intresse att ta vara på energi bundet i material som annars hade gått förlorad om denna inte kunnat distribueras till kunder. Värmen som fjärrvärmeverken distribuerar används till
uppvärmning av byggnader, både bostäder och kommersiella, samt varmvatten. Bränslet som används måste vara prisvärt för att kompensera investeringen som krävs för ett fungerande distribueringssystem och
utförandet av själva anläggningen. Bränslet som används i fjärrvärmeverken delas in i två kategorier var av den första har två underkategorier. Primär energi- som sedan delas in i fossila samt förnyelsebara bränslen. Den andra kategorin är sekundära energikällor vilket avser bränslen som återvinns genom att exempelvis förbrännas i fjärrvärmeverken men det kan också vara värme från industrier som återanvänds i som fjärrvärme och distribueras genom fjärrvärmenätverket. [5]
Det finns ett antal fördelar som fjärrvärme ger, några av dessa är: • Möjligheten att producera både elektricitet och värme från en rad olika
bränslen inklusive biomassa som betraktas som hållbar/förnyelsebar energikälla.
2
• Kostnader enligt Energimyndigheten är fördelaktiga för användning av fjärrvärme i jämförelse till andra system. [6]
Tillgängligheten av fjärrvärme varierar mellan länderna i Europa, enligt en studie från 2016 är ca 1-2% av Storbritanniens och Norges befolkning anslutna till fjärrvärme jämfört med Island där hela 90% av befolkningen är anslutna till fjärrvärmenätverk. I Lettland och Danmark är ca 62-65% av befolkningen anslutna till fjärrvärme vilket gör att länderna hamnar på en tredjeplats med avseende på användande av fjärrvärme i Europa. Även om väderförhållande och befolkningsmängd varierar mellan länderna och är viktiga faktorer att beakta indikerar skillnaden mellan Danmark (62%) och Norge (2%) att potentialen för fjärrvärmen inom Europa inte utnyttjas fullt ut. Vidare utveckling av både befintliga och kommande nätverk skulle kunna öka den roll som fjärrvärme har i arbetet mot att minska
klimatförändringarna. [7]
I Sverige finns det tre energisektorer; industri, transport och bostads- och tjänstesektor. De använde 143TWh, 88TWh respektive 146TWh av den totala energiförbrukningen 2017. Inom bostads- och tjänstesektorn är efterfrågan på energi för rymdvärme och varmvatten 50TWh. Behovet att minska utsläppen av växthusgaser gör att alla sektorer behöver se över hur de kan minska sina utsläpp. [1] Även om Sverige är ett EU-medlemsland överstiger Sveriges egna klimatmål de som är satta på EU-nivå på flera fronter. Under 2017 var el fortfarande den vanligaste energibäraren för uppvärmning av villor i Sverige. Men i flerbostadshus och andra bostäder är fjärrvärme vanligare för uppvärmning. [1]
3
Fjärrvärmeindustrin i Sverige har gjort betydliga minskningar i
användningen av fossila bränslen sedan 1980-talet. Figur 1 presenterar att fjärrvärmeindustrin i Sverige 2018 producerade 92% av sin energi från återvunnen energi och förnybara bränslen. Grafen visar också en minskning av koldioxidutsläppen från 325 till 75 CO2 g/ kW. Även om det inte är koldioxidneutralt, visar detta att fjärrvärmeteknologi kan vara en av de viktigaste teknikerna för att mildra klimatförändringarna. [8]
Hovmantorp är en ort i sydöstra Sverige som tillhör Lessebo kommun. Orten har ett eget fjärrvärmeverk med ett tillhörande distribueringsnätverk med ca 24 km rörledningar. Även om anläggningen drivs självständigt finns ett nära samarbete med tre andra anläggningar belägna i Lessebo, Kosta och Skruv. Figur 2 visar en karta över dessa 4 orter och Hovmantorp är markerat i rött.
Figur 2: Karta över Hovmantorp, Kosta, Lessebo och Skruv.
4
1.2 Syfte och mål
Examensarbetets syfte är att undersöka möjligheten för en sänkning av utgående temperatur från fjärrvärmeverket i Hovmantorp genom att
utvärdera kritiskapunkter i fjärrvärmenätverket. Rapporten ska också ge en övergripande bild av hur fjärrvärmenätverket i Hovmantorp ser ut och fungerar. Då fjärrvärmedistribuering är ett vanligt system i Sverige kan optimering av dessa påverka flera aspekter för såväl industrin som samhället.
Genom litteraturstudier och kontakt med industrin skall rapporten i utbildningssyfte ge kunskap om fjärrvärmesystem, de olika tekniker som finns samt begränsningar och möjligheter. Med data från Hovmantorp är syftet att genomföra beräkningar och simuleringar för att undersöka eventuella förbättringar av systemet.
Målet för detta examineringsarbete är att skapa en metod för beräkning av temperaturminskning genom nätverket och identifiera kritiska punkter i nätverket. Genom analys av dessa kritiska punkter är målet att föreslå en optimal driftstemperatur för fjärrvärmeverket i Hovmantorp. Utöver detta ska det ges åtgärdsförslag på hur Hovmantorps fjärrvärme kan sänka sina förluster i nätverket- för en lägre driftstemperatur.
1.3 Avgränsningar
I arbetet har flera avgränsningar gjorts, dels på grund av tidsbrist men även själva inriktningen av projektet har inneburit naturliga avgränsningar. Enbart själva fjärrvärmenätverket kommer analyseras vilket innebär att de delar av värmeverket som rör pannan och dess funktionalitet inte kommer undersökas. Vid beräkningar av rör och förluster i dessa tas ingen hänsyn till skarvar eller böjar i fjärrvärmenätverket, rören antas även vara tillverkade vid samma tidpunkt för att isoleringsförmågan skall vara konstant genom de olika dimensionerna.
Fokus kommer läggas på två olika driftssituationer. Kallaste tiden för året, när värmebehovet och flödet är högt samt varmaste tiden på året när motsatta förhållanden gäller.
5
2. Teori
2.1 Den tredje- och fjärde generationens Fjärrvärmenätverk
Den teknik som i dagsläget tillämpas för distribuering av fjärrvärme kallas den 3:e generationens fjärrvärmeteknik. Den traditionella utformningen bygger på att rören består av ett inre medierör som omsluts av isolering och ett mantelrör. Isoleringen är bunden till både medie- samt mantelrör. Den 3:e generationens fjärrvärmenärverk bygger till största delen på mantelrör av plast men inte uteslutande. Rören delas in i olika grader av flexibilitet och styvhet varav de styva rören nästan uteslutande är gjorda av kolstål med isolering av polyuretan och ett mantelrör av etenplast. Ett annat
karaktärsdrag för den tredje generationens fjärrvärmesystem är
nedgrävningen av rör som inte bara hjälper till att reducera dimensionerna på rören men också antalet komponenter som måste användas kan minskas. Rören grävs då ner på ett frostfritt djup, som i södra Sverige vanligen är runt en meters djup. [9] Genom utvecklandet av de olika generationernas
fjärrvärmenätverk har fokus hela tiden legat på att bland annat sänka temperaturen inom nätverket men också att använda lätthanterliga material med en hög grad av monteringsfärdig utrustning. Sannolikheten är att det även är dessa parametrar som utvecklas även för den fjärde generationens fjärrvärme. [7]
Vidareutveckling av befintlig teknik och implementering av smarta
energisystem där flera förnyelsebara energikällor samverkar behövs för att ställa om från en fossil- och kärnbränslebasserad energikälla. Den fjärde generationens fjärrvärmenätverk tillsammans med övriga energikällor kan vara en utav nyckellösningarna för en högre effektivitet, lägre
värmeförluster och ett mer effektivt användande av förnyelsebart bränsle. [7] En viktig aspekt för ett väl fungerande Fjärrvärmenätverk är kundtätheten, detta för att minimera förluster och för att bibehålla kostnader för själva distribueringen så låg som möjligt. Låga flöden, till följd av låga
värmebehov, leder alltså till högre driftkostnader och förluster. Även om temperaturen inom nätverket sänks måste fortfarande anläggningarna kunna leverera värme nog för både uppvärmning och tappvatten, något som ställer krav på låga förluster i nätverket. [10]
2.2 Förluster inom nätverket
Värmeöverföring kan delas upp i tre olika kategorier; ledning, konvektion och strålning. Värmeöverföring är transport av energi mellan två kroppar eller genom en och samma kropps olika delar som på grund av
6
2.2.1 Värmeledning
Värmeledning sker mellan fasta, flytande eller gasformiga medier. Mediets partiklar och dess olika rörelseenergier överförs mellan de med högre och lägre energinivåer. Värmeledningsförmågan hos ett material kallas för konduktivitet (λ) och uttrycks i W/(m ‧ K) detta värde kan dock variera för ett och samma material beroende på temperatur eller flödets riktning i förhållande till materialets struktur. [11]
Radiell värmeöverföring används för att beräkna värmeflöden genom cylindriska väggar, exempelvis för rörisolering. Ekvation 1 används för att beräkna värmeförlusten genom n styck cirkulär-cylindriska skikt,
exempelvis rörledningar för vatten. Där ri+1 och ri är yttre respektive inre
radie av skikt i. Vidare är A ytarean, P effekten och t står för temperaturen genom ge olika skikten. [11]
𝑃 = 𝐴 × 𝑡1−𝑡𝑛+1 ∑ 1 𝜆𝑖×𝑙𝑛 𝑟𝑖+1 𝑟𝑖 𝑛 1 (1)
Värmeledningskoefficienten för den totala värmeresistansen byggs upp av tre huvudkomponenter; isoleringens och markens värmeresistans samt den värmeresistans som uppstår från de sammanfallande temperaturfälten. [9]
2.2.2 Konvektion
Värmeöverföring mellan en fluid (vätska eller gas) och en fast vägg kallas konvektion, vad som händer är att partiklarna i fluiden närmast varma väggen kommer bli varmare än resten av partiklarna. På grund av den minskade densiteten, till följd av den ökade temperaturen, kommer då dessa partiklar att stiga och ge plats för övriga partiklar att värmas. Ett exempel på naturlig konvektion är kallras vid fönster.
Fluidens egenskaper, rörelsehastighet, ytans form och material påverkar ett temperaturgränsskikt som finns närmast väggen, det är också vid detta gränsskikt som större delen av temperaturändringen sker. Värmemängden som överförs från fluiden, eller väggen, är proportionell mot yt-arean, temperaturdifferensen och värmeövergångskoefficienten α och uttrycks i W/(m2 ‧ K). [11]
2.2.3 Kritiska punkter
Eftersom energin i ett fjärrvärmenät transporteras av vatten återspeglas energibehovet proportionellt i volymen vatten som pumpas ut från anläggningen. Men under transporten i rörnätet kommer vissa
7
Värmeförlusterna i rören beräknas med Ekvation 2. Där massflödet (ṁ) anges i kg/s, värmekapaciteten (cp) i J/(kg·K) och delta T står för temperatur differensen.
𝑃 = ṁ × 𝑐𝑝 × ∆𝑇 (2)
Isolering runt rören tillsammans med temperaturskillnaden på vattentemp och omgivningens temperatur har en viktig roll för att minimera dessa värmeförluster. De punkter med störst värmeförluster och
temperatursänkning i ett system kallas kritiska punkter. Vid val av rördimension är det största flödet en viktig parameter. Ett väl utformat nätverk leder till minskade förluster och de kritiska punkternas betydelse. För att lyckas konvertera nätverket till ett fjärrvärmesystem med en lägre temperatur måste dessa punkter identifieras och bearbetas. För att få rätt rördimension måste toppvolymen identifieras eftersom det är en variabel som rören dimensioneras efter. [12] Genom att minska rördimensionerna och där med högsta flöde i nätverket kan värmeförlusterna minskas, denna förändring innebär dock ett ökat tryckfall i ledningarna men detta skulle kunna justeras med lokala pumpar i nätverket. [10]
2.2.4 Isolerings material
God isoleringsförmåga, styrka och långvarig stabilitet för de temperaturer som vanligen används vid fjärrvärmedistribuering är kvalitéer som
isoleringsmaterial för styva rör bör ha. Nästan uteslutande används PUR- polyuretanskum- i fjärrvärmesystem men isoleringsmaterialet används bland annat även som isoleringspaneler i byggnader. PUR tillverkas genom
blandning av två flytande polymerer, isocyanid och polyol. I närvaro av olika additiv och en katalyst skapas ett skum med en så kallad ”sluten- cell” struktur. Denna struktur gör skummet vattentåligt och att gasdiffusion hindras. [9]
PUR-skummets ihåliga celler innehåller en isoleringsgas bestående av CO2
och cyklopentan, tidigare bestod denna gasen av R11, mer känt som freon, men gasens påverkan av ozonlagret ledde till ett förbud och byttes därför ut. PUR-skummet som används i fjärrvärmenätverkets rör har en densitet på 60-80 kg/m3, densiteten påverkar konduktiviteten och materialets totala
konduktivitetsvärde baseras på både skummets och isoleringsgasens konduktivitet. Viktigt att ta i beaktning är att minskad densitet innebär, utöver ökad konduktivitet, minskad mekanisk styrka hos materialet. [9] Som nämnt tidigare isoleras rören mellan medierör och mantelrör. På grund av gasdiffusion mellan cellerna i isoleringen och mantelröret sker ett
gasutbyte mellan CO2 och cyklapentan med O2 och N2. Ett tjockare
8
kommer öka då O2 och N2 har en högre värmeledningsförmåga. [9] I Tabell 1
redovisas ett urval av rördimensioner av singelrör
Tabell 1: Standardvärden av rördimensioner av olika klassificeringar för singelrör.
DN Inner (mm)
DN Ytter (mm)
Klass1 Klass2 Klass3
20 90 110 125 32 110 125 140 50 125 140 160 65 140 160 180 80 160 180 200 100 200 225 250 150 250 280 315 250 400 450 500 350 500 560 630 450 630 670 710
Tabell 2: Standarsvärden av rördimensioner av olika klassificeringar för tvillingrör.
DN Inner (mm)
DN Ytter (mm)
Klass1 Klass2 Klass3
20 125 140 160 32 160 180 200 40 160 180 200 50 200 225 250 65 225 250 280 80 250 280 315 100 315 355 400 150 450 400 560 250 710 800 900
Isolering av rören för fjärrvärme delas in i 3 klasser varav klass 2 och 3 används för värme. Även klass 1 kan användas för fjärrvärme men används även för fjärrkyla. Mängden isolering som används är standardiserad men storleken på mantelröret baseras till största del på kostnaden för
9
2.3 Utformning av fjärrvärmenätverk.
För fjärrvärmeanläggningar kategoriseras kundernas värmebehov i
varmvatten och energi för uppvärmning, en efterfrågan som varierar av olika skäl. Uppvärmningsbehovet varierar beroende på vädertrender, för en typisk dag på vintern är temperaturen mycket lägre än den för typisk sommardag, därför ökar kundernas efterfrågan under vintern. Generellt kan
värmebehovet för ett område bestämmas genom flertalet sätt; arean för det område som omfattas av värmesystemet, antalet invånare och yt-arean för de byggnader som är anslutna är några exempel. [13]
När det gäller efterfrågan på varmvatten beror detta främst på
bostadsegenskaper i nätverket. Den huvudsakliga variabeln som påverkar efterfrågan på varmvatten är mänsklig aktivitet. I Sverige konsumeras i genomsnitt 180 l vatten per person per dag. Det mesta används för personlig hygien, tvätt, dryck och matlagning. [14]
Kundtätheten och värmebehovet för olika delar av nätverket kan beräknas med Ekvation 3. Definitionen av denna ekvation baseras på den årliga ration mellan nätverkslängd (L) och totala årliga värmebehovet (Qtot)över denna
längd.
𝐿𝐻𝐷 = 𝑄𝑡𝑜𝑡
𝐿 (3)
Detta innebär att ett högre LHD är ekvivalent med högre kundtäthet och värmebehov över nätverket. En högre kundtäthet minskar värmeförlusternas betydelse genom nätverket. [15]
2.3.1 Rörsystem
Utvecklingen av rörsystemen i fjärrvärmenätverken och efterfrågan på mer energieffektiva lösningar har lett till förbättringar i rördesignen över åren. Tjockare isolering och användning av två medierör i samma mantelrör (tvillingrör/dubbelrör) är ett resultat av denna utveckling. [16]
Värmedistribueringen i DH nätverk sker normalt via 2 parallella singelrör eller genom tvillingrör. Värmeförlusterna i tvillingrören är lägre och
10
Figur 3: Schematisk bild över 2 parallella singelrör. Källa: LOGSTOR calculator. Används med tillstånd.
Figur 4: Schematisk bild för tvillingrör.Källa: LOGSTOR calculator. Används med tillstånd
2.3.1.1 Styva rör
Design av styva rör som används inom fjärrvärmenätverket, framför allt medierören, liknar i många avseende den design som används på trycksatta rörledningar i andra applikationer. Trots detta så finns det aspekter inom fjärrvärme området som måste tas i beaktning vid utformning av dessa ledningar. Hög axiell stress, till följd av hindrad termisk axiell deformation, är den aspekt som framför allt är kopplad till fjärrvärmenätverkets rördesign. Eftersom de styva rören nästan uteslutande görs av medierör av stål och operationstemperaturen inte når tillräckligt höga temperaturer för att orsaka krypning (icke-elastisk deformation) av stålet. För de flexibla rören som ofta görs av polymera material är dock krypning ett stort problem. [9]
2.3.1.2 Flexibla rör
De flexibla rören konkurrerar med de styva när det kommer till kostnad för rörläggning, framför allt när det kommer till de mindre dimensionerna. De små dimensionerna bidrar också till att längre delar kan installeras med färre skarvar jämfört med styva rör men kan även bidra till att den totala längden rör minskar. Rören tillverkas i dimensioner om 30-200mm. När mantelrör till flexibla rör är gjorda av polymera material, vanligen polyeten med molekylära tvärbindningar, måste dimensionerna hållas små då
11
2.3.2 Tryckfall
Genom att tillämpa Bernoullis ekvation i en rörlednings två punkter antas summan av tryck-, läges- och hastighetsenergin vara konstant. Detta gäller endast under förutsättningar där ingen energi lämnar eller tillsätts mellan dessa punkter. Om förluster finns bekräftade inom systemet kommer summan av de olika energierna i punkt två vara lägre än i punkt ett.
Bernoullis ekvation, kompletterad med tryckförlustterm (∆𝑝𝑓12) redovisas i Ekvation 4. Denna term är summan av minskningen i fluidens läges-, hastighet- och tryckenergi uttryckt i tryck. Där p är trycket i Pa och fluidens densitet 𝛿 (kg/m3). Vidare är (c2/2)·𝛿 det dynamiska trycket där c är fluidens
hastighet uttryckt i m/s. Övriga variabler är höjden h och gravitationskonstanten g. 𝑝1+ 𝛿 × 𝑔 × ℎ1+ 𝑐12 2 𝛿 = 𝑝2+ 𝛿 × 𝑔 × ℎ2+ 𝑐22 2 𝛿 + ∆𝑝𝑓12 (4)
Bernoullis ekvation förklarar också sambandet mellan en fluids tryck och minskningen av detta tryck i en förträngning i en rörledning.
Detta medför att det finns ett kontinuerligt tryckfall i fjärrvärmenätverket vilket dels beror på minskat flöde längs med nätverket men också det faktum att rördimensionerna minskar genom systemet. [18]
2.3.3 Fjärrvärmecentral/ undercentral
Byggnader som är kopplade till fjärrvärmenätverket har en undercentral där en eller två värmeväxlare skiljer fjärrvärmevattnet från byggnadens vatten. Detta görs delvis då trycket i fjärrvärmesystemet är betydligt högre än det som finns i byggnader samt att den högre temperaturen från nätverket skulle innebära högre kostnader för byggnadens eget värmeledningssystem. [19] Undercentralen ser även till att fjärrvärmevattnet inte förorenas eller syresätts vilket i sin tur skulle leda till korrosionsproblem inom fjärrvärmenätverket. [20]
Generellt utformas centralen efter tre premisser.
• Temperaturskillnaden mellan primärvattnets framlednings- och
returledningsvatten ska vara så stor som möjligt för att värmekapaciteten i systemet ska utnyttjas maximalt.
• Varmvatten beredning för tappvatten måste prioriteras framför uppvärmning och värmning av ventilationsluft.
• Primärvatten flödet skall inte påverkas av kraftigt varierande tappvatten användning.
12
2.3.3.1 Utformning av fjärrvärmecentral
Det finns flera anledningar till varför det är viktigt att den utgående
temperaturen ifrån värmeverket inte är för hög och att returtemperaturen är så låg som möjligt. Ett fungerande sådant system skulle bidra till minskade förluster inom nätverket men även öka energieffektiviteten i själva driften. Returtemperaturen är beroende av det interna rörsystemet i respektive byggnad och hur designen av fjärrvärmecentralerna är uppbyggda och hur dess reglersystem fungerar. Exempelvis kan vattenburen värme designas för att kunna utnyttja en mindre värmemängd, detta kan i sin tur sedan
leverantören av fjärrvärmen utnyttja genom att sänka den levererade temperaturen, där den lägsta möjliga temperaturen baseras på de centraler som kräver den högsta levererade temperaturen.
Förbättrad drifttemperatur kan uppnås genom att förbättra designen på sekundärsidan, exempelvis större radiatorer. Men termodynamiska
förbättringar inom centralen genom modifiering av blandare och ventiler kan också göras. [20]
2.3.3.1.1 Kopplings principer inom fjärrvämecentralen
Det finns flera olika metoder för hur den distribuerade värmen tas ut hos kunderna. Kopplingsprinciperna varierar mellan länder men den
gemensamma faktorn är att majoriteten av alla metoder bygger på separering av distribueringsvatten från bruksvatten i någon form. Att inte ha någon separering alls är ovanligt och av ovan nämnda orsaker samt att ett sådant system är ineffektivt när det kommer till energi- och vattenhushållning. [20] En metod som används i flera länder är “Direkt uppvärmning och slutet varmvattensystem” metoden bygger på att radiatorer och
fjärrvärmenätverket fungerar vid samma driftstemperatur, på så sätt undviker man en temperatursänkning över värmeväxlaren. Dock är vatten avsett för tappvatten helt skiljt från fjärrvärmenätverket och värms via en värmeväxlare (VVX). Kopplingssystemet för denna metod visas i Figur 5.
Figur 5:Kopplingsschema över direkt uppvärmning och slutet varmvattensystem.
Radi ator
13
Den metod som vanligen används i Sverige är ett system som bygger på att både tappvatten och uppvärmning sker i slutna system via värmeväxlare i ett så kallat “Indirekt uppvärmning och slutet varmvattensystem”. Schematisk bild för kopplingssystemet visas i Figur 6. Det är ett något dyrare system men pålitligheten som det erbjuder är ett av argumenten för användandet av det. Systemet bygger på att både användandet av två separata värmeväxlare, en för uppvärmning och en för varmvatten. Utöver det så betyder också dess utformning att plötsliga tryckökningar inom fjärrvärmesystemet inte
påverkar byggnadens egna värmesystem eller att syrerikt vatten orsakar korrosion i radiatorer. [9]
Figur 6: Kopplingsschema för indirekt uppvärmning och slutet varmvatten system.
2.3.3.1.2 Värmeväxlare
Instrument avsedda för att överföra värme från ett medium till ett annat kallas för värmeväxlare. Mediet är vanligen olika gaser eller vätskor som används men värmeöverföringen kan också ske mellan fasta partiklar. Generellt är medierna skilda från varandra, vilket medför att
värmeöverföringskoefficienten för denna skiljevägg måste vara så låg som möjligt. Värmeväxlarna delas in i 3 kategorier efter strömningsriktingen hos mediet; med- mot- och tvärströmsvärmeväxlare. [11]
För en medströms värmeväxlare kommer det kalla arbetsmediets
utloppstemperatur alltid vara lägre än det varma mediets utloppstemperatur detta då det kommer finnas ett temperaturfall över skiljeväggen mellan medierna. För motströmsvärmeväxlaren däremot, kan utloppstemperaturen hos det kalla mediet överstiga den hos det varma mediet. I en
14
Figur 7: Motströmsvärmeväxlare
Figur 8: Medströmsvärmeväxlare.
Figur 9: Tvärströmsvärmeväxlare.
Det finns flera typer av värmeväxlare rent konstruktionsmässigt, den typ av värmeväxlare som används vid fjärrvärmeverket i Hovmantorp är lödd plattvärmeväxlare. Denna typ används i kundernas fjärrvärmecentraler och likaså i värmeverkets egna värmeväxlare mellan systemvatten och
15
Plattorna löds samman och ett motströmsflöde av kallt, respektive varmt arbetsmedium flödar över plattorna. [20]
2.3.3.1.3 Dimensioning av värmeväxlare
Genom passagen i värmeväxlaren förändras åtminstone en utav arbetsmediernas temperatur. Den värmemängd som överförs mellan medierna kan beräknas med Ekvation 5.
𝑃 = 𝐴 × 𝑘 × (𝑇𝑣− 𝑇𝑘) (5)
A= värmegenomsläppande ytans area
k= Värmegenomgångs koefficient för väggen mellan medierna. Tv-Tk= temperaturskillnaden mellan medierna
Om arbetsmedierna har olika temperatur genom passagen kan en
medeltemperaturdifferens användas istället för att beräkna värmemängden med hjälp av Ekvation 6.
𝑃 = 𝐴 × 𝑘 × 𝜗𝑚 (6)
𝜗𝑚 = 𝜗′−𝜗"
ln(𝜗′−𝜗") (7)
𝜗𝑚 är den logaritmiska medeltemperaturdifferensen och beräknas med hjälp av Ekvation 7. 𝜗′ och 𝜗" är temperaturskillnaden mellan ändpunkterna i värmeväxlaren. Temperaturdiagram för mot- och medströmsvärmeväxlare visas i Figur 10 och Figur 11. [11]
16
.
Figur 11: Temperaturdiagram för medströmsvärmeväxlare.
17
3. Metod
Beräkning och utvärdering av kritiska punkter inom fjärrvärmenätverket beräknas med en kvantitativ metod. Metoden baseras på insamlande av data, digitalisering av nätverket för vidare beräkningar och simuleringar.
Då arbetet baseras på intresset för möjligheten av en lägre utgående temperatur studeras rapporter om fjärde generationens fjärrvärmenätverk och LTDH (låg temperatur fjärrvärmeverk) för insikt i om hur kritiska punkter skulle kunna avhjälpas. Vidare har rördimensioner och
värmeledning samt termodynamiska grunder gällande tryck och värme studerats för att kunna utvärdera vart i systemet de kritiska punkterna finns och hur dessa genom en kvantitativ metod skulle kunna identifieras. Litteraturstudien ligger även till grund för förslag på lämpliga åtgärder gentemot de kritiska punkterna.
Mätningar av rörlängder från nätverkskartor tillhandahållna från
Hovmantorps fjärrvärmeverk görs med hjälp av AutoCADs mätverktyg, där rörlängder och rördimensioner för singel- och tvillingrör sedan registreras i Microsoft Excell för vidare beräkningar. Övrig data från Hovmantorp så som flöden, utomhustemperatur och utgåendetemperaturer används i beräkningsfilen. Rörtillverkaren Logstors beräkningsverktyg, LOGSTOR calculator, används för beräkning av förluster i rören. Beräkningsverktyget tar hänsyn till utgåendetemperatur och generell utomhustemperatur för vinter- respektive sommarmånaderna vilket ger en bättre bild av hur förlusterna varierar under dessa perioder.
Kritiska kunder i nätverket baseras på i första hand på avståndet från fjärrvärmeverket och därefter rördimensioner och kundtäthet inom
respektive område. Vidare får den levererade temperaturen inte understiga 63 grader (givet för nuvarande värmeväxlare i fjärrvärmecentraler hos kunderna) för att uppnå en tappvattentemperatur om 55C enligt BBR-förskrifterna. Beräkningar för optimal utgående driftstemperatur görs med utgångspunkt från kunderna. För att få en uppfattning om flödet hos
ändkunderna har antalet kunder i nätverket beräknats. En kund antas vara en bostad och för lägenhetshus har antalet bostäder per fastighet antagits vara sex. Hovmantorpskola antas motsvara tio vanliga kunder under vinter halvåret men antas inte ha något värmebehov under sommaren.
18
19
4. Genomförande
4.1 Litteraturstudie
Linnéuniversitetets bibliotekstjänst ”One Search” har används för
uppsökning av lämpliga granskade rapporter och artiklar. Övriga databaser över vetenskaplig litteratur, så som Science direct har också används. Utöver det har även kurslitteratur från kurserna Energiteknik 1 och
Installationsteknik används för fastställande av grundläggande teoretiska principer.
4.2 Insamlande av data
Insamlingen av data har skett dels genom kontakt med Lessebo
fjärrvärmeverk som sköter värmeverket i Hovmantorp och även ett besök vid fjärrvärmeverket har gjorts. Från personal vid fjärrvärmeverket har även data över utgående- och returtemperaturer, flöden och tryckskillnader erhållits. Figurerna nedan visar ett exempel på hur relevant data
tillhandahållen från Hovmantorp såg ut. I Figur 12 redovisas tillhandahållen data från Hovmantorps fjärrverk. Retur- och utgående temperatur, effekt samt flödet avläses på den vänstra vertikala axeln. Utomhustemperaturen avläses på den högra. Figur 13 avläses på samma sätt för februari månad 2020.
Figur 12 Data tillhandahållen från Hovmantorps fjärrvärme under juli 2019.
0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Datum
20
Figur 13 Data tillhandahållen från Hovmantorps fjärrvärme under februari 2020.
De digitala nätverkskartor som fanns skickades i pdf-format och lästes in i AutoCAD. Skalan på ritningarna i pdf-filerna justerades i AutoCAD då filerna i CAD lästes in som 1:2 respektive 1:3 för östra och västra delen av nätverket. För att kontrollera att mätningarna var rimliga kontrollerades gatulängder i googlemaps. I ritningarna över kulvertsystemet fanns varje rörs dimension och modell (singel, tvilling eller koppar) markerad. Med hjälp av AutoCADs linjalfunktion kunde rörlängderna mätas. Hur programvaran ser ut när mätverktyget används visas i Figur 14. Där syns även dimension och rörmodell samt rörlängd på det uppmätta röret, i detta fall DN 40/160. -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Datum
21
Figur 14: Skärmdump från AutoCAD vid användande av mätverktyget.
22
Tabell 3: Tabell över uppmätta rörlängder och dimensioner för de olika förgreningarna i nätverket.
Rörlängd (m)
Idrotts-hallen Oxtorget Water front Knaggen Bojen Grottan Spindeln Dimension
Cu 22/125 N/A 18,9 N/A N/A 6,2 N/A 20,5
25/140 N/A N/A N/A N/A N/A 10,5 N/A
32/160 N/A N/A N/A N/A N/A N/A 66,4
40/160 274,5 N/A 174,8 17,5 16,0 134,8 87,1 50/200 N/A 388,1 77,2 N/A 99,9 41,9 163,0 65/225 582,6 421,8 153,1 282,4 80,4 68,5 291,2 80/250 157,0 260,2 N/A 322,4 243,7 351,0 373,4 100/315 N/A 414,3 285,8 275,1 445,3 445,3 N/A 125/400 901,2 901,2 86,2 N/A 86,2 86,2 3,6 150/450 162,6 162,6 1661 162,6 1661 1661 1661 T 200/560 30,2 30,2 30,2 30,2 30,2 30,2 30,2 S 200/315 483,0 483,0 483,0 483,0 483,0 483,0 483,0 Total rörlängd (m) 2591 3080 2951 1573 3152 3313 3180
För beräkning av förluster i rören används rörtillverkaren LOGSTORS beräkningsverktyg som kostnadsfritt kan användas genom att skapa ett konto på deras hemsida. Programmet baseras på utgående- och returtemperaturer från värmeverket samt omgivande temperatur. Förlusterna kategoriseras i två perioder, sommar och vinter.
Figur 15: Bild över vilka parametrar som användes i Logstor beräkningsverktyg.
23
utomhustemperatur om 21°C under sommaren och -4,2°C för vintern. Dessa parametrar genererar därefter, utifrån rörtyp, klassificering och rörmaterial förlust uttryckt i W/m. Figur 16 redovisar hur beräkningsverktyget ser ut vid val av rör och dimension. I Logstors beräkningsverktyg benämns
klassificeringen av rören som Series d1 och PipeSystem avser vilken typ utav rör det är som används; koppar, traditionellt stål eller liknande. Med avseende på dimensioner så står d1 för medierörets dimension och D1 för ytterdiametern av mantelröret, allt givet i mm.
Figur 16: Bild från Logstors beräkningsverktyg över de olika rörens dimension.
4.3 Beräkningar och analys
All insamlad data sammanställdes i Microsoft Excell för vidare beräkning. Värmeledningen per meter erhölls från LOGSTOR beräkningsverktyg där olika flödestemperaturer från 63°C till och med 85°C med fem graders intervall från och med 65°C. Temperaturerna uppdateras kontinuerligt allt eftersom temperaturen i systemet ökar då beräkningarna görs från kundsidan mot fjärrvärmeverket. Samtliga rördimensioners förluster fås i W/m utifrån uppdaterad flödestemperatur utomhustemperatur uppdelat i sommar och vinter. De ändpunkter i nätverket längst bort från fjärrvärmeverket prioriteras för beräkning och analys av kritiska punkter.
Beräkningarna är gjorda från kundens värmeväxlare tillbaka till
24
Rörlängder och dimensioner samt antalet kunder kopplade till dessa rörlängder används sedan för att beräkna T2 ur ekvation Q. Detta görs för
varje rörlängd och flödestemperaturen justeras allt eftersom utifrån de temperaturgränser som nämnts tidigare. Ekvation (1) skrivs om på följande sätt i beräkningsmodellen i Microsoft Excell.
𝑇2 = 𝑇1+
𝑄𝑟ö𝑟 𝑐𝑝 × 𝑚̇
25
5. Resultat och analys
5.1 Nätverkskartor
Ändpunkternas kombinerade rörlängd från punkten längst bort tillbaka till fjärrvärmeverket gav en indikation på var de kritiska punkterna i systemet skulle finnas. När beräkningarna av temperatur genom distribueringsrören utfördes med respektive rördimension kunde tre kritiska grenar av systemet identifieras; Idrottsplatsen, Oxtorget och Grottan. I Figur 17 finns dessa kritiska punkter markerade samt viktiga knutpunkter i nätverket.
Fjärrvärmeverket (1), knutpunkt mellan västra och östra delen av nätverket (5), knutpunkt brandstationen (4) samt kritiska punkterna Oxtorget (2) och Idrottsplatsen (3). Vid folketshus (6) fortsätter den västra delen av nätverket.
Figur 17: Nätverkskarta med knutpunkter och kritiska punkter.
26
nätverket i Hovmantorp. De två kritiska punkterna i östradelen av nätverket binds samman vid knutpunkten Brandstationen (5) härifrån grenar sig nätverket mot Idtottsplatsen (3) och Oxtorget (2). Både (2) och (3) karaktäriseras av enbart ett fåtal inkopplade byggnader sista delen av nätverket.
Den västra delen av nätverket kopplas samman med östra delen vid Folketshus (6). I Figur 18 framgår utformningen av västra delen och den kritiska punkten Grottan(8), en västra knutpunkt (9) samt en jämförelse punkt för Spindeln (7) är utmarkerade.
Figur 18: Nätverkskarta över den västra delen av nätverket. Viktiga punkter markeras med röda punkter.45.1 Beräknade förluster och temperaturdifferenser
Knutpunkt väster (9) binder samman de olika grenarna av nätverket på västrasidan, där Grottan (8) är den del av nätverket med minst ansluta byggnader till nätverket. (7), Spindeln har en högre kundtäthet och är den punkt i nätverket som ligger längst bort från fjärrvärmeverket (1).
5.2 Beräknade förluster och temperaturdifferenser.
Enligt de beräkningar som gjorts skulle det räcka med en utgående temperatur på 79℃ under vintern för att temperaturen vid
27
I Tabell 4 redovisas förlusterna kopplade till rördimensioner och antal kunder. Temperaturen som redovisas är det temperaturfall som sker mellan ändkundens värmeväxlare (63℃) och fjärrvärmeverket.
Tabell 4 visar förlusterna vid nyckelpunkter i nätverket från Idrottshallen till fjärrvärmeverket under vintern. Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall (℃) Idrottshallen 40/160 58,6 1 522,9 3,2 40/160 215,9 2 1983 9,3 65/225 25,4 3 293,7 9,9 Knutpunkt 125/400 75,1 71 964,5 15,1 125/400 103,0 101 1323 15,2 Fabriksgatan 150/450 162,6 116 2577 15,9 T 200/560 30,2 418 531,3 15,9 Verket S 200/355 483,0 418 12528 16,1
I Tabell 5 som redovisar motsvarande beräkningar och förluster under sommaren, är den beräknade totala temperaturdifferensen 43,3℃. På samma sträcka som under vintern resulterade i en temperaturskillnad på 6℃ ser vi istället en temperaturskillnad på 15℃. I Bilaga 6 finns den fullständiga Excellfilen över beräkningarna för Idrottshallen.
Tabell 5: Tabell över förlusterna vid nyckelpunkter från Idrottshallen till fjärrvärmeverket under sommaren. Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall (℃) Idrottshallen 40/160 58,6 1,0 327,7 7,2 40/160 215,9 2,0 1410 22,8 Ö. Knutpunkt 125/400 75,1 69,0 782,0 40,1 125/400 103,0 99,0 1072 42,3 Fabriksgatan 150/450 162,6 109,0 2087 42,7 T 200/560 30,2 394,0 430,4 42,7 Verket S 200/355 483,0 394,0 10152 43,3
I Figur 19 redovisas den sammanlagda nätverkslängden från Idrottshallen till fjärrvärmeverket och hur temperaturen ändras genom nätverket. Detta
28
Figur 19:Temperaturförändring över den ackumulerade rörlängden från ändpunkten idrottshallen till fjärrvärmeverket under vintern och sommaren.
För Oxtorget, som är den andra kritiska punkten av den östra delen av nätverket, är de beräknade utgående temperaturerna för vintern och sommaren något högre än för Idrottshallen. Under vintern beräknas den totala temperaturdifferensen till 20℃. Precis som för Idrottshallen finns de största temperaturförlusterna under de första mindre rördimensionerna där antalet kunder är få. Temperaturskillnaden under 238,8 meter med
rördimensionen 50/200 beräknas till ca 13℃. Resultaten för de viktiga knutpunkterna redovisas i Tabell 6.
Tabell 6: Beräknade förluster vid nyckelpunkter mellan Oxtorget och fjärrvärmeverket under vintern.
Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall (℃) Oxtorget 22/125 18,9 1 90,4 0,6 50/200 238,8 1 2091,9 13,4 Ö. Knutpunkt 125/400 75,1 71 1026,1 18,9 125/400 103,0 101 1407 19 Fabriksgatan 150/450 162,6 116 2739 19,8 T 200/560 30,2 418 565,1 19,8 Verket S 200/355 483,0 418 13320 20
Precis som vid Idrottshallen är temperaturfallet betydligt högre under sommaren (54,6℃) jämfört med vintern (20℃). Under samma kritiska sträcka för sommaren är temperaturdifferensen 28,9℃. I Tabell 7 redovisas dessa resultat. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 T em peratu rfal l (℃ ) Rörlängd (m)
Temperaturfall vinter Temperaturfall sommar
29
Tabell 7: Beräknade förluster och temperaturfall vid nyckelpukter i nätverket mellan fjärrvärmeverket och Oxtorget under sommaren.
Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall (℃) Oxtorget 22/125 18,9 1 56,7 1,3 50/200 238,8 1 1311 30,2 Ö. Knutpunkt 125/400 75,1 69 781,9 51,5 125/400 103,0 99 1072,7 53,6 Fabriksgatan 150/450 162,6 109 2087,6 54 T 200/560 30,2 394 430,4 54,1 Verket S 200/355 483 394 10152 54,6
I Figur 20 syns hur temperaturen förändras genom nätverket från Oxtorgets ändpunkt. På den horisontella axeln redovisas den sammanlagda rörlängden genom nätverket med slutpunkt vid värmeverket. Temperaturen redovisas på den vertikala axeln. Grafen ger en tydlig bild av vart i systemet de större förlusterna sker. De aktuella rördimensionerna visas även i grafen. Fullständiga beräkningar för området Oxtorget finns i Bilaga 7.
Figur 20: Temperaturförändring över den ackumulerade rörlängden från ändpunkten Oxtorget till fjärrvärmeverket under vintern och sommaren.
I den västra delen av nätverket identifierades 2 potentiella kritiska punkter med avseende på avstånd från värmeverket. I Tabell 8 redovisas förluster och beräknade temperaturfall för den kritiska punkten Grottan. Under
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tem peratu rfal l (℃) Rörlängd (m)
Temperaturfall vinter Temperaturfall sommar
30
vintern är det beräknade temperaturfallet 10,7℃. Det finns ingen tydligt utstickande temperaturdifferens här, men den största temperaturskillnaden, ca 5℃, sker under 117 meter där rördimensionen är 150/450.
Tabell 8: Beräknade förluster vid nyckelpunkter i nätverket mellan fjärrvärmeverket och Grottan..
Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall. (℃) Grottan hus 25/140 10,5 1 71,5 0,4 40/160 76,2 1 700,0 4,8 V. Knutpunkt 150/450 114,4 180 1697 9,9 Folketshus 150/450 70,3 231 1115 10,2 T 200/560 30,2 418 531,3 10,5 Verket S 200/355 483 418 12528 10,7
För samma kritiska punkt under sommaren finns det två tydliga platser i nätverket där förlusterna sticker iväg och resulterar i en beräknad temperaturdifferens om 9,4℃. Dessa förluster sker under den delen av nätverket där antal kunder anslutna till nätet är satta till ett. Den här sträckan är uppmätt till 76,2 meter med rördimensionen 40/160. I Tabell 9 finns dessa resultat redovisade. Fullständig beräkningsfil från Excell finns i Bilaga 3.
Tabell 9: Beräknade förluster vid nyckelpunkter i nätverket mellan fjärrvärmeverket och Grottans hus under sommaren. Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall. (℃) Grottan hus 25/140 10,5 1 44,8 1,4 40/160 76,2 1 425,8 10,8 V. Knutpunkt 150/450 114,4 176 1469 25,1 Folketshus 150/450 70,3 217 903,1 26 T 200/560 30,2 394 430,4 27 Verket S 200/355 483 394 10152 27,5
31
Figur 21: Temperaturförändring över den ackumulerade rörlängden från ändpunkten Grottan till fjärrvärmeverket under vintern och sommaren.
Vid Spindeln, ett område som till en början bedömdes som kritisk, är det beräknade temperaturfallet för vintern endast 5,6℃ och det finns ingen utstickande temperaturdifferens genom nätverket för denna punkt. I Tabell 10 redovisas beräknade temperaturer och förluster vid nyckelpunkter mellan Spindeln och fjärrvärmeverket.
Tabell 10: Beräknade förluster vid nyckelpunkter mellan Spindeln och fjärrvärmeverket under vintern. Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall (℃) Spindeln 3 22/125 20,5 1 98,2 0 32/160 12,5 1 92,6 0,6 V. Knutpunkt 150/450 114,4 180 1583 4,8 Folketshus 150/450 70,3 231 1044 5,1 T 200/560 30,2 418 497,8 5,4 Verket S 200/355 483 418 11736 5,6
Under sommaren följer även Spindeln mönstret för de övriga områdena som analyserats och genererar en högre temperatur jämfört med vintern.
Temperaturdifferensen är dock inte lika stor som för övriga områden enligt beräkningarna, utan resulterar i endast 15℃. Den största
temperaturskillnaden, ca 10℃, uppstår under de 114 meter där 0 5 10 15 20 25 30 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tem peratu rfal l (℃) Rörlängd (m)
Temperature vinter Temperature sommar
32
rördimensionen är 150/450 efter västra knutpunkten. De beräknade värdena redovisas i Tabell 11. I Bilaga 2 finns de fullständiga beräkningarna genom nätverket från Spindeln tillbaka till fjärrvärmeverket.
Tabell 11: Beräknade förluster och temperaturfall vid nyckelpunkter mellan Spindeln och fjärrvärmeverket under sommaren.
Dimension Rörlängd (m) Kund antal Q förl. (W) Temperaturfall (℃) Spindeln 3 22/125 20,5 1 61,5 1,4 32/160 12,5 1 58,1 2,6 V. knutpunkt 150/450 114,4 176 1239 13 Folketshus 150/450 70,3 217 761,7 13,7 T 200/560 30,2 394 363,3 14,6 Verket S 200/355 483 394 8563 15 5.3 Övriga områden
Utöver de kritiska punkter som redovisats ovan finns det ett antal andra områden i nätverket som analyserats. Varför de inte redovisas på samma sätt som övriga områden beror på att de inte bedömts vara kritiska. Dessa
områden är Water front i den västradelen av nätverket där det beräknade temperaturfallet för vinter respektive sommar blev 9,7℃ och 20,4℃. I Bilaga 5 finns de fullständiga beräkningarna. Ett industriområde i östra delen av nätverket, benämnt Knaggen i denna rapport, beräknades temperaturfallen för vinter och sommar till 14,12℃ och 45℃.
Beräkningstabell för området knaggen finns i Bilaga 8. Ytterligare ett område, Bojen, beläget i den västra delen har analyserats och
temperaturfallen beräknades till 6,6℃ och 16,8℃ för vinter respektive sommar. I Bilaga 4 finns beräkningstabell för Bojen.
5.4 Simulering flöden och isolering.
För att få en bild av hur resultaten ändras vid justering av olika parametrar och för att se vilka parametrar det är som påverkar resultatet mest kommer har ett par jämförelsetabeller gjorts för att redovisa dessa resultat.
33
Tabell 12: Stycke från resultattabell av förluster och beräknat temperaturfall vid Oxtorget.
Tabell 13: Förluster och beräknat temperaturfall vid ett ökat kundantal för samma sträcka som i tabell 10.
Vid insättning av rör med samma dimensionering som används nu, men av klass 2, fås också en annan temperatur om än inte lika stor som om flödet ändras. Om enbart klassificeringen av rören för dessa sträckor ändras fås en temperaturdifferens på 24℃ istället för 29℃ som beräkningarna för nätets nuvarande utformning ger. Detta redovisas i Tabell 14.
Tabell 14: Förluster och beräknad temperatur för Oxtorgets kritiska punkt med rör av Klass 2.
34
6. Diskussion och slutsats
6.1 Diskussion
Det här examensarbetet undersöker fjärrvärmenätverket i Hovmantorp, dess utformning och hur driften ser ut. Med hjälp av data från fjärrvärmeverket och rörtillverkaren Logstor gällande flöden, temperaturförhållanden samt rörförluster har temperaturförändringen genom nätverkets olika grenar analyserats.
Resultaten redovisar var de stora förlusterna i nätverket sker med relativ noggrannhet. Resultaten reflekterar dock inte hur fjärrvärmenätverket opererar i verkligheten, speciellt inte under sommaren. Detta på grund av ett antagande gällande hur volymflödet ser ut genom nätverket. Det här
antagandet leder dock till ett orimligt lågt volymflöde vid de kritiska punkterna- och därmed betydande temperaturfall.
Genom en sänkning av driftstemperaturen och därmed en minskning av skillnaden mellan den utgåendetemperaturen och temperaturen på kundsidan kan värmeförlusterna genom nätverket minskas. Utifrån resultaten som redovisas i detta arbete är en förbättring av utformning och drift av nätverket nödvändig för att minska dessa värmeförluster. En ökad kundtäthet och bättre isolerade rör skulle kunna leda till signifikant minskade förluster inom nätverket. Området Spindeln har till exempel en högre kundtäthet och detta reflekteras i resultaten. Driftstemperaturen är betydligt lägre för både sommaren och vintern jämfört med övriga områden. Då den beräknade driftstemperaturen för vintern är betydligt lägre för Spindeln än vad som i verkligheten distribueras och vad som beräknats för övriga områden indikerar detta ytterligare på någon form av reglering av flödet genom nätverket. I fallet för Oxtorget redovisas detta tydligt. Om kundantalet ökas från ett till tre vid den kritiska punkten, medför det en drastisk skillnad i temperatur jämfört med de ursprungliga beräkningarna.
Ett utav de analyserade områdena i nätverket, Knaggen, bedömdes inte som en kritisk punkt trots ett stort temperaturfall, speciellt under sommaren (45℃). Denna bedömning gjordes utifrån att flera byggnader anknutna till nätverket i detta område antogs vara industrier och att avståndet till fjärrvärmeverket är förhållandevis litet jämfört med andra områden med lägre temperaturfall. Även detta är en indikation på att mer korrekt data om hur flödet i nätverket styrs behövs. Om korrekt data med avseende på volymflöden kan erhållas, kan en bättre analys av nätverkets göras. Detta skulle i sin tur leda till ett mer exakt svar på huruvida den utgående temperaturen kan sänkas, och hur mycket det skulle röra sig om.
35
justeringen av flödet bidrar med, har ett byte från Klass1 till Klass 2 en tydlig effekt på den beräknade temperaturskillnaden. Simuleringen som görs och redovisas i resultatet är enbart gjord på en liten sträcka av hela nätverket men temperaturfallet minskas med ca 5℃. En mer ingående analys av vad ett framtida utbyte av rörklassificering över hela nätverket behövs göras för att ett mer trovärdigt svar angående effekten av ett sådant utbyte ska kunna ges.
Eftersom resultaten inte motsvarar verkligheten är det svårt att föreslå adekvata förändringar av systemet för en lägre driftstemperatur. Dock har litteraturstudierna tillsammans med kartläggningen av nätverket gett upphov till uppfattningen om att en utav de stora utmaningarna för att en lägre driftstemperatur ligger i den låga kundtätheten i ändpunkterna av nätverkets olika förgreningar. En högre kundtäthet, tillsammans med en högre
klassificering av rör skulle kanske kunna sänka förlusterna i nätverket. Om det dessutom skulle installeras lokala tryckpumpar i nätverket tillsammans med en generell minskning av rördimensioner genom nätverket kanske Hovmantorp skulle kunna sänka sin drifttemperatur betydligt. Detta är dessvärre enbart spekulationer baserade på resultat och den teori som
redovisats tidigare i rapporten. Det behövs mer ingående analys av nätverket och korrekt data om hur flödet i nätverket distribueras.
6.2 Slutsats
I ändpunkterna av Hovmantorps fjärrvärmenätverk är kundtätheten låg, detta medför högre förluster då flödena blir för låga. Detta låga flöde kan inte kompenseras med mer isolering i rören, men om nya beräkningar med korrekta flöden kan göras kan en utvärdering av vad ett byte av klassificering på rören skulle innebära.
Vidare analysering av nätverket, korrekt data angående flöde genom nätverket och värmebehov genom nätverket skulle resultera i ett mer tillförlitligt resultat gällande möjligheten för en sänkning av
36
7. Referenser
[1] Svenska energi myndigheten, ”Energiläget i Sverige 2019- En överblick,” Eskilstuna, 2020.
[2] U. Person och S. Werner, ”Quantifying the heating and cooling demand in Europe,” Halmstads Universitet, Intelligent Energy Europe Programme of the European Union, Halmstad, 2015.
[3] A. Colmenar-Santos, E. Rosales-Asensio, D. Borge-Diez och J. J. Blanes-Peiró, ”District heating and co-generation in the EU-28: Current situation, potential and proposed energy strategy for its generalisation.,” Renewable and sustainable Energy reviews, vol. 62, pp. 621-639, 2016.
[4] O. Dolna och J. Mikielewicz, ”The ground impact on ultra-and low-temperature district heating operation,” Renewable Energy, vol. 146, 2020. [5] S. Fredriksen och S. Werner, ”Energy, heat and cold markets,” i District
heating and cooling, Lund, Studentlitteratur, 2013, pp. 29-43.
[6] J. Hanania, K. Stenhouse och J. Donev, ”Energy Education,” Univercity of Calgary, 28 april 2020. [Online]. Available:
https://energyeducation.ca/encyclopedia/District_heating. [Använd April 2020].
[7] I. Pakere, F. Romagnoli och D. Bjumberga, ”Introduction of small-scale 4th generation district heating system. Methodolgy approach,” Energy Procedia, vol. 149, pp. 549-554, 2018.
[8] R. Khodayari, ”Tillförd energi,” Energi företagen, 10 juni 2019. [Online]. Available:
https://www.energiforetagen.se/statistik/fjarrvarmestatistik/tillford-energi/. [Använd april 2020].
[9] S. Fredriksen och S. Werner, ”Heat and cold distribution technology,” i District heating and cooling, Lund, Studentlitteratur, 2014, pp. 271-359. [10] H. Lund, S. Werner, R. Wiltshire, S. Svendsen, J. E. Thorsen, F. Hvelplund
och B. Vad Mathiesen, ”4th generation district heating- Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems,” 2014.
[11] H. Alvarez, ”Värmelära,” i Energi teknik del1, Lund, Studentlitteratur, 2006, pp. 245-480.
[12] P. K. Olsen, C. H. Christiansen, M. Hofmeister, s. Svendsen, J.-E. Thorsen, O. Gudmundsson och M. Brand, ”Guidelines for Low-Temprature District Heating,” Danish Energy Angency, Denmark, 2014.
[13] J. R. Petrovic, B. D. Gvozdenac- Urosevic och J. J. Polc, ”Reasons for heat demand changes and effects on planning and development of heating systems,” Thermal Science, vol. 16, pp. 63-77, 2012.
37
[15] B. Talebi, P. A. Mirzaei, A. Bastani och F. Haghighat, ”A review of district heating systems: Modeling and optimization,” Frontiers in built
environment, vol. 2, nr 22, 2016.
[16] B. Bøhm och H. Kristjansson, ”Single, twin and triple buried heating pipes: on potential savings in heat losses and costs,” International journal of energy research, 2005.
[17] A. D. Rosa, H. Li och S. Svendsen, ”Modeling transient heat transfer in small-size twin pipes for end-user connections to low-energy district heating,” Heat transfer engineering, vol. 34, nr 4, 2013.
[18] H. Alvarez, ”Hydromekanik,” i Energiteknik del1, Lund, Studentlitteratur, 2006, pp. 3-91.
[19] C. Wrfvinge och M. Dahlblom, ”Värme,” i Projektering av VVS-installationer, Lund, Studentlitteratur, 2010, pp. 4:1-4:78.
1
8. Bilagor
Bilaga 1: Data på energiförluster från rör enligt Logstore beräkningsverktyg
1
Bilaga 2: Beräkningstabell för området Spindeln. Tabellen redovisar
Tabell 15: Tabell över den totala beräkningsfilen från Excell för området Spindeln.
1
Bilaga 3: Beräkningstabell för området Grottan.
Tabell 16: Tabell över den totala beräkningsfilen från Excell för den kritiska punkten Grottan
1 Bilaga 4: Beräkningstabell för området Bojen.
Tabell 17: Tabell över den totala beräkningsfilen från Excell för den kritiska punkten Bojen
1
Bilaga 5: Beräkningstabell för området Water Front
Tabell 18: Tabell över den totala beräkningsfilen från Excell för området Water front
1
Bilaga 6: Beräkningstabell för området Idrottshallen
Tabell 19 Tabell över den totala beräkningsfilen från Excell för den kritiska punkten Idrottshallen.
1
Bilaga 7: Beräkningstabell för området Oxtorget
Tabell 20 Tabell över den totala beräkningsfilen från Excell för den kritiska punkten Oxtorget
1
Bilaga 8: Beräkningstabell för området Knaggen
Tabell 21 Tabell över den totala beräkningsfilen från Excell för den området Knaggen
Fakulteten för teknik
391 82 Kalmar | 351 95 Växjö Tel 0772-28 80 00
teknik@lnu.se
