Buildings and district heating - contributions to development and assessments of efficient technology

Abstract

The objective of this thesis is to contribute to improved performance of district heating systems by focusing on three items.

Item 1: Study of three methods for improving the performance of sub-systems within buildings connected to the distribution network. The methods can be considered as more or less innovative. Results from two of these measures are quantified in terms of so-called Primary Energy Factors.

Item 2: Investigation of the extent to which space heating supply to buildings connected to a district heating network can be maintained in the event of a failure in the electric power supply.

Item 3: An experimental investigation of the cavitation phenomena within primary side substation control valves.

More specifically, with respect to item 1, three methods were investigated;

a) Deriving substation connection schemes that will improve overall thermodynamic efficiency, taking into account a complete range of load cases, including variations in hot water load,

b) Adding small fan blowers onto the surfaces of existing radiators, with the aim of increasing convective heat transfer, thereby making it possible to lower the operating temperatures of the hydronic space heating system such that supply and return temperatures on the primary side of substations can be lowered,

c) Advanced control of hydronic space heating systems such that for all heat loads an operational mode is automatically selected that optimises the performance of a substation in terms of the lowest possible return temperature on the primary side.

The thesis shows how Primary Energy Factors for district heating can be affected when the heat is produced in a combined heat and power station and in a heat-only boiler. Calculations of the factors were performed according to the EU standard, EN 15603:2008. The results of the analysis show that the size of the factor depends strongly upon the particular production mix of the electric power system to which the combined heat and power plant is assumed to be connected.

Concerning item 2, district heating in case of power failure, both numerical analysis and field experiments showed that a significant share of the heat supply to buildings can be maintained even if a circulation pump is no longer running. This is due to the fact that gravity driven circulation takes over to variable extent. Generally, 20-80% of the initial heat load can be supplied, provided that circulation is maintained in the district heating network. Further improvements are possible if some minor modifications are made.

Item 3 pertains to a small laboratory study of cavitation in modern state-of-the art control valves. It was found that cavitation primarily occurred under conditions that in practice only seldom occur, such as a large differential pressure across the valve combined with a situation when the valves are close to being fully opened.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Fjärrvärme är en väletablerad teknik som främst används för uppvärmning av byggnader och varmvatten. I Sverige värms över 80% av flerbostadshusen med fjärrvärme, vilket innebär att de flesta svenskar faktiskt bor i ett fjärrvärmeuppvärmt hus. Fjärrvärme är inte enbart en svensk teknik, utan används över hela värden där behov av uppvärmning finns. Länderna i Norden och Östeuropa har en betydande andel byggnader värmda med fjärrvärme.

Ett fjärrvärmesystem består av centralt producerat varmvatten som distribueras i ett rörnät till de anslutna byggnaderna. Genom en central produktion av värme ökar möjligheten till bränsleflexibilitet. Historiskt sett har fjärrvärme även bidragit till en kraftig minskning av oljeanvändning för uppvärmningsändamål i Sverige. Fjärrvärme utgör även grunden för en ökad kraftvärmeutbyggnad, något som fortfarande förespråkas både i Sverige och i Europa. I ett kraftvärmeverk produceras el och värme samtidigt till en hög verkningsgrad tillskillnad från elproduktion i kondenskraftverk där endast el produceras. För svenska förhållanden innebär en ökad kraftvärmeutbyggnad oftast att andelen el producerad med biobränslen ökar, något som är ett eftersträvat politiskt mål.

I denna avhandling berörs två områden relevanta för fjärrvärmeforskning: förbättrad temperaturutnyttjande i fjärrvärmesystemet och möjligheten att upprätthålla värmeförsörjning i fjärrvärmeanslutna byggnader vid elavbrott.

Inom ramen för det första området undersöks tre metoder för att förbättra temperaturutnyttjandet av fjärrvärme, vilket i praktiken betyder att sänka temperaturnivån i fjärrvärmenätet. De undersökta metoderna är utnyttjande av radiatorfläktar för att öka värmeavgivningen från radiatorer, optimerad styrning av radiatorsystemet och införande av alternativa kopplingsprinciper i fjärrvärmecentralen. Genom att använda radiatorfläktar ökar värmeavgivningen från radiatorerna, vilket innebär att samma mängd värme kan avges vid lägre temperatur med radiatorfläkt i drift. Nyttan med radiatorfläktar och den optimerade radiatorstyrningen exemplifieras med en analys av förändringar av primärenergifaktorer för ett fjärrvärmesystem med kraftvärmeproduktion. När primärenergifaktorer beräknas för fjärrvärme med kraftvärmeproduktion allokeras den samtidigt producerade elen och betraktas som ersättning till el producerad med andra metoder. Hur man betraktar den ersatta elen har stor inverkan på fjärrvärmens primärenergifaktor. Om den producerade elen antas ersätta el producerad på marginalen i kolkondenskraftverk blir påverkan på fjärrvärmens primärenergifaktor stor då fjärrvärmetemperaturerna sänks. Om den ersatta elen istället hade producerats som den genomsnittliga nordiska elen blir påverkan på fjärrvärmens primärenergifaktor nästan helt försumbar. Hur den allokerade elen skall betraktas är därför avgörande för fjärrvärmens primärenergifaktor för fjärrvärmenät med kraftvärmeproduktion. Nya EU-direktiv angående energideklarering av byggnader föreskriver att energianvändningen skall anges i form av primärenergianvändning, varför denna fråga är av stor vikt.

Inom detta arbete har även byggnaders möjlighet att ta emot värme under elavbrott studerats. Genom fältstudier i bostadshus och lokaler där elavbrott har simulerats har det visat sig att för de flesta fall finns det goda möjligheter att upprätthålla, eller i alla fall förlänga tiden för en under omständigheterna acceptabel inomhustemperatur. Ur krisberedskapssynpunkt har det stor betydelse att det finns goda möjligheter för boende att bo kvar under långvariga elavbrott om försörjningen av det heta fjärrvärmevattnet kan upprätthållas.

• author: Johansson, Per-Olof
• supervisor: Svend Frederiksen
• opponent: Trüschel, Anders, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden
• organization: Efficient Energy Systems
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Energy Engineering
• keywords: District heating, hydronic space heating, natural circulation, lowered return temperature, primary energy, add-on-fan blower
• defense location: Lecture hall M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-06-14 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-130-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 766bb44f-8a56-4ee3-af6b-6e83388f04e8 (old id 1962823)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:26:56
• date last changed: 2018-11-21 20:53:10