Demand Side Response (DSR) kaukolämmityksessä
Kirjoittanut Sonja Salo. Julkaistu aiemmin Fourdeg Oy:n toimesta ma 10. syyskuuta 2018 klo 11.00 EEST.
Tämä artikkeli on aiemmin julkaistu Kuntatekniikka-lehdessä (12/2016)
Rakennusten lämmitysjärjestelmien varustaminen älykkäillä ohjauslaitteilla voi tuoda merkittäviä taloudellisia ja ympäristöllisiä hyötyjä. Kun rakennukset on liitetty kaupunkien tai kuntien paikalliseen kaukolämpöverkkoon, niitä ei tulisi optimoida yksilöllisesti, vaan koko kaukolämpöverkko järjestelmänä, joka optimoi samanaikaisesti tuotantoa, jakelua ja kulutusta.
Noin puolet suomalaisista kodeista on liitetty kaukolämmitykseen. Kokonaisenergiankulutus vuonna 2015 oli noin 33 TWh, mikä oli 5 prosenttia vähemmän kuin edellisenä vuonna ennätyslämpimän sään vuoksi.
Kaukolämmitystä on pidetty kustannustehokkaimpana tapana lämmittää rakennuksia, erityisesti kaupunkialueilla. Suomessa, kuten muissakin Pohjoismaissa, on maailman kattavimpia kaukolämpöverkkoja. Vaihtoehtoiset lämmitysmuodot kehittyvät kuitenkin nopeasti. Lisääntyvä kilpailu ja energiapolitiikan suunnanmuutokset asettavat kaukolämpöyhtiöille suuria muutospaineita.
Kaukolämpöä tuotetaan tällä hetkellä suoraan vastaamaan kuluttajien kysyntää ja melko jäykällä hinnoittelulla. Kaukolämmön kulutus vaihtelee sekä kausittain että päivittäin ulkolämpötilan ja kuluttajakäyttäytymisen mukaan. Joustavuus energiantoimituksessa saavutetaan pääasiassa tuotannon muutoksilla, suurten vesivaraajien hyödyntämisellä ja jakeluverkon optimoinnilla. Hetkelliset kysyntähuiput joudutaan usein korvaamaan fossiilisilla polttoaineilla, koska ne soveltuvat nopeisiin lämmöntuotannon muutoksiin.
Lämpö varastoituu rakenteisiin
Vaihtoehtoisesti yksittäisten rakennusten energiankulutusta voitaisiin joustaa alaspäin hetkellisten kulutushuippujen aikana. Kaukolämmön Demand Side Managementin tavoitteena on siirtää rakennusten tarvitsemaa lämpötehoa ajallisesti, optimoiden samalla verkon kokonaisenergiantarpeen. Esimerkiksi lämpöenergiaa voidaan syöttää rakennuksiin muutamaa tuntia ennen kysyntähuippua. Syötetty energia varastoituu joko lämminvesivaraajiin tai rakennusten rakenteisiin, mikä vähentää rakennusten energiantarvetta huippukysynnän aikana. Tämä välttää kalliin varavoimalaitoksen käynnistämisen.
Kaukolämmön Demand Side Managementilla on yhtäläisyyksiä sähkön vastaavan kanssa. Kansainvälisesti Demand Side Management ymmärretään myös kokonaisenergiansäästöinä, ja sähköjärjestelmien Demand Response viittaa tehon siirtoon ajallisesti. Toisin kuin sähkö, kaukolämpö on pakko tuottaa paikallisesti.
Kaukolämpö on myös energiamuotona jäykempi ja reagoi hitaammin muutoksiin, ja joustavuus on suunniteltava etukäteen. Älykkäällä lämpötilanohjauksella loppukäyttäjä ei huomaa hetkellistä lämmityksen muutosta hitaan reagoinnin vuoksi.
Demand Side Responsen (DSR) perimmäisenä tavoitteena on saavuttaa säästöjä sekä energiankulutuksessa että kustannuksissa käyttömukavuudesta tinkimättä. Tämän vuoksi käyttöveden ja kaukolämmön Demand Side Managementilla on vain rajalliset mahdollisuudet.
Virtuaalinen lämpöakku
Kaukolämpöön liitetyt rakennukset voivat olla osa älykkäästi ohjattua virtuaalista, hajautettua lämpöakkua. Nämä paikalliset pienet lämpövarastot näyttäytyvät kaukolämpöyhtiölle yhtenä suurena, virtuaalisena lämpöakkuna, jota operaattori voi ladata ja purkaa samalla tavalla kuin suurta vesisäiliöön perustuvaa lämpöakkua.
Hajautettu lämpövarastojärjestelmä toimii sähköjärjestelmien virtuaalivoimalaitoksen tavoin. Tällä tavoin kaukolämpöyhtiö voi kasvattaa virtuaalista akkukapasiteettiaan suhteellisen pienellä investoinnilla omistamatta fyysistä varastoa.
Hajautettuja lämpövarastoja voidaan hallita etänä esineiden internetiin (IoT) liitetyillä laitteilla. Sen etuja ovat alhaiset investointikustannukset, ennakoiva kunnossapito ja tilan tehokas käyttö. Hajautettu lämpövarasto kaukolämmitetyssä kiinteistössä on merkittävä lämmönvaraaja.
Lämmönvaraaja latautuu ja purkautuu rakenteisiin huoneilman lämpötilan muutoksen mukaan, mahdollistaen lyhytaikaisen, noin muutaman tunnin lämmönvarastoinnin.
Kun patterit lisäävät tehoa, huoneilma lämpenee ensin alhaisemman lämpökapasiteetin vuoksi. Sen jälkeen lämpöenergia siirtyy hitaasti huoneen rakenteisiin, kuten seiniin, lattiaan ja kattoon.
Vastaavasti pattereiden tehon laskiessa huoneen rakenteet siirtävät hitaasti lämpöenergiaa huoneilmaan ylläpitäen samalla vakiolämpötilaa.
Lämmönvarastointikapasiteettia voidaan kasvattaa
Rakenteiden varastointipotentiaali riippuu suurelta osin materiaalin lämpökapasiteetista, sen massasta ja lämpötilaerosta, johon varastointia sovelletaan. Demand Side Managementiin liitettyjen rakennusten tulisi olla massiivisia rakenteiltaan ja siten omaavat korkean lämpökapasiteetin.
Lämmönvarastointikapasiteettia voidaan kasvattaa lisäämällä latenttia lämmönvarastointia (LHS) sensitiivisen lämmönvarastoinnin (SHS) sijaan, joka voidaan toteuttaa joko aktiivisilla järjestelmillä tai integroimalla vaiheenvaihtomateriaalit passiivisesti rakenteisiin.
Rakennuksen varustaminen älykkäillä ohjauksilla vähentää sen energiankulutusta, sillä ohjaimet tasapainottavat huoneiden sisälämpötilaa, laskevat lämpötilaa poissaolon aikana ja oppivat rakennuksen yksilöllisen lämpökapasiteetin. Oikealla ohjauksella rakennus optimoi ja säästää energiaa.
Demand Side Managementin avulla rakennuksen sisälämpötila voi nousta hetkellisesti, mikä lisää lämpöhäviöitä. Rakennus voi siten kuluttaa enemmän energiaa kuin se säästää lämpökatkon aikana. Kuitenkin tämä lisääntynyt energiantarve on toteutunut kustannustehokkaana ajanjaksona, ja energian kokonaistuotantokustannukset voivat silti laskea.
Tehoa voidaan leikata jopa 30 %
Rakenteiden varastointipotentiaali riippuu suurelta osin materiaalin lämpökapasiteetista, sen massasta ja lämpötilagradientista, johon varastointia sovelletaan. Kysyntäjoustoon liitetyt rakennukset ovat mahdollisimman massiivisia, eli niillä on suuri lämpömassa.
Lämpövarastointikapasiteettia voidaan lisätä valitsemalla latentin lämmön varastointi sensitiivisen lämmön varastoinnin sijaan, mikä voidaan toteuttaa joko aktiivisilla järjestelmillä tai integroimalla vaihemuutosmateriaalia passiivisesti rakenteisiin.
Rakennuksen varustaminen älykkäillä ohjauslaitteilla vähentää rakennuksen energiankulutusta, kun ohjaukset tasapainottavat huoneiden sisälämpötilaa, laskevat lämpötilaa poissaolon aikana ja oppivat rakennuksen yksilöllisen lämmönvastuksen. Oikealla ohjauksella rakennus säästää energiaa kokonaisuutena.
Rakennuksen sisälämpötila voi kysyntäjouston avulla nousta hetkellisesti, mikä lisää myös lämpöhäviöitä. Rakennus voi tällöin kuluttaa enemmän energiaa varastoidessaan lämpöä esimerkiksi sähkökatkon aikana. Tämä lisääntynyt energiantarve on kuitenkin toteutettu kustannustehokkaaseen aikaan, ja kokonaiskustannukset voivat siten pienentyä.
Huipputehoa voidaan leikata jopa 30 %
Kaukolämmön kysyntäjoustolle on tehty sekä huonekohtaisia että verkonlaajuisia simulointeja. Huonesimulaatio osoitti, että rakennuksen heikoimmat kohdat ovat kulmahuoneissa, joissa lämpöhäviö on suurempi kuin muissa osissa rakennusta. Siksi huonekohtaisella lämmityksen ohjauksella on mahdollista hyödyntää koko rakennuksen varastointipotentiaalia.
Jyväskylässä tehdyn tutkimuksen mukaan kaukolämpöjärjestelmän tehoa on mahdollista leikata jopa 25–30 %, mikä tarkoittaa, että esimerkiksi polttoöljyllä toimivan lämpökeskuksen käyttö voidaan välttää.
Kaukolämmön kysyntäjousto on osa tulevaisuuden älykästä kaukolämpöverkkoa. Verkkosimulaation perusteella kaukolämpöyhtiö voi säästää noin 5–10 % kaukolämmön muuttuvissa kustannuksissa hyödyntämällä hajautettua lämpöakkua.
Muuttuvien kustannusten osuus kaukolämmön tuotannon kokonaiskustannuksista vaihtelee esimerkiksi tuotantorakenteen, kaukolämpöverkon koon ja iän mukaan. Simulaatiossa otettiin huomioon sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen sekä suuren lämpöpumpun riippuvuudet sähkön spot-hinnasta.
Energiayhtiö voi löytää lisäarvoa olemassa olevaan liiketoimintaan avaamalla keskustelun asiakkaan kanssa. Tämä johtaa yhteen kysyntäjouston keskeisistä kysymyksistä: miten houkuttelemme kuluttajia osallistumaan joustoon? Vaikka teknologia on olemassa, oikeita taloudellisia ja sosiaalisia kannustimia kehitetään edelleen.
Kuluttajien asenteita loputtomasta energiatarjonnasta tulisi myös päivittää. Julkinen sektori voisi olla suunnannäyttäjä ja edelläkävijä puhtaamman, älykkäämmän ja tehokkaamman kaukolämmityksen osalta.
Lähteet:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Ennakoiva Demand Side Management kaukolämpöön ja -jäähdytykseen liitetyissä rakennuksissa,
Kärkkäinen et al. (2004) Demand Side Management of the District Heating Systems
