Efterfrågestyrning (DSR) inom fjärrvärme
Skrivet av Sonja Salo. Tidigare publicerad av Fourdeg Oy på Mon 10 Sep 2018 11:00:00 AM EEST
Denna artikel har tidigare publicerats i Kuntatekniikka (12/2016)
Att utrusta byggnaders värmesystem med intelligenta styrenheter kan ge betydande ekonomiska och miljömässiga fördelar. När byggnaderna väl är anslutna till städernas eller kommunernas lokala fjärrvärmenät bör man inte optimera byggnaderna individuellt, utan hela fjärrvärmenätet som ett system som samtidigt optimerar produktion, distribution och förbrukning.
Ungefär hälften av de finländska bostäderna är anslutna till fjärrvärme. Den totala energiförbrukningen 2015 var cirka 33 TWh, vilket är en minskning med 5 procent jämfört med föregående år, på grund av det rekordvarma vädret.
Fjärrvärme har ansetts vara det mest kostnadseffektiva sättet att värma upp byggnader, särskilt i stadsområden. Finland, liksom övriga nordiska länder, har några av världens mest omfattande fjärrvärmenät. Alternativa uppvärmningsformer utvecklas dock i snabb takt. Ökad konkurrens och förändringar i energipolitikens inriktning sätter stort tryck på fjärrvärmeföretagen att förändras.
Fjärrvärme produceras för närvarande direkt för att tillgodose konsumenternas efterfrågan och till ganska rigida priser. Fjärrvärmeförbrukningen varierar både säsongsmässigt och dagligen beroende på utomhustemperaturen och konsumenternas beteende. Flexibilitet i energiförsörjningen uppnås främst genom förändringar i produktionen, utnyttjande av stora vattenbehållare och optimering av distributionsnätet. Momentana toppar i efterfrågan måste ofta ersättas med fossila bränslen eftersom de lämpar sig för snabba förändringar i värmeproduktionen.
Värmen lagras i strukturer.
Alternativt kan energiförbrukningen i enskilda byggnader ändras nedåt under tillfälliga förbrukningstoppar. Syftet med efterfrågestyrning av fjärrvärme är att överföra rätt mängd värmeeffekt som byggnaderna behöver över tiden, samtidigt som nätets totala energibehov optimeras. Till exempel kan värmeenergi levereras till byggnader några timmar före en efterfrågetopp. Den tillförda energin lagras antingen i varmvattenbehållare eller i byggnadernas konstruktioner, vilket minskar byggnadernas energibehov under efterfrågetoppen. På så sätt undviker man att starta ett dyrt reservkraftverk.
Efterfrågestyrningen för fjärrvärme har likheter med den som används för el. Internationellt sett avses med Demand Side Management även totala energibesparingar och med Demand Response i elsystem avses överföring av effekt över tiden. Till skillnad från el är fjärrvärme tvungen att produceras lokalt.
Fjärrvärme är också en mer stelbent energiform som reagerar långsammare på förändringar och flexibiliteten måste planeras i förväg. Med intelligent temperaturreglering märker slutanvändaren inte den tillfälliga förändringen i uppvärmningen på grund av den långsamma reaktionen.
Det yttersta målet med efterfrågeflexibilitet (DSR) är att uppnå besparingar i både energiförbrukning och kostnader utan att ge avkall på användarvänligheten. Efterfrågestyrning av varmvatten och fjärrvärme har därför endast begränsade möjligheter.
Virtuellt värmebatteri
Byggnader som är anslutna till fjärrvärme kan ingå i en virtuell, distribuerad värmeackumulator med intelligent styrning. Dessa lokala små värmelager uppfattas av fjärrvärmeföretaget som ett stort, virtuellt värmebatteri som kan laddas och laddas ur av operatören på samma sätt som ett stort värmebatteri i en vattentank.
Ett distribuerat värmelagringssystem fungerar som ett virtuellt kraftverk i elektriska system. På så sätt kan ett fjärrvärmeföretag öka sin virtuella batterikapacitet med en relativt liten investering utan att äga någon fysisk lagring.
De distribuerade värmelagren kan fjärrstyras med hjälp av enheter som är anslutna till sakernas internet. Fördelarna är låga investeringskostnader, förebyggande underhåll och effektiv användning av utrymme. Ett distribuerat värmelager i en fjärrvärmefastighet är en betydande värmeackumulator.
Värmeackumulatorn laddas och töms i strukturerna i enlighet med förändringen i rumslufttemperaturen, vilket möjliggör en kortvarig värmelagring på några timmar.
När radiatorerna ökar effekten värms rumsluften upp först på grund av den lägre värmekapaciteten. Därefter överförs värmeenergin långsamt till rummets strukturer, t.ex. väggar, golv och tak.
När radiatorernas effekt minskar överför rumskonstruktionerna långsamt värmeenergi till rumsluften samtidigt som de håller en konstant temperatur.
Värmelagringskapaciteten kan ökas
Konstruktioners lagringspotential beror till stor del på materialets värmekapacitet, dess massa och den termiska gradient som lagringen tillämpas på. De byggnader som är anslutna till efterfrågestyrningen bör ha en tung struktur och därmed en hög värmekapacitet.
Värmelagringskapaciteten kan ökas genom att lägga till latent värmelagring (LHS) i stället för känslig värmelagring (SHS), vilket kan genomföras antingen genom aktiva system eller genom att passivt integrera fasväxlingsmaterial i strukturerna.
Genom att utrusta en byggnad med intelligenta styrenheter minskar byggnadens energiförbrukning eftersom styrenheterna balanserar inomhustemperaturen i rummen, sänker temperaturen vid frånvaro och lär sig byggnadens individuella värmekapacitet. Med rätt styrning optimerar och sparar byggnaden energi.
Med efterfrågestyrning kan en byggnads inre temperatur tillfälligt stiga, vilket leder till att värmeförlusterna ökar. Byggnaden kan därför förbruka mer energi än den sparar under värmeavbrottet. Detta ökade energibehov har dock realiserats under en kostnadseffektiv period och den totala kostnaden för energiproduktionen kan fortfarande minska.
Strömmen kan minskas med upp till 30 %.
Konstruktioners lagringspotential beror till stor del på materialets värmekapacitet, dess massa och den termiska gradient som lagringen tillämpas på. De byggnader som är kopplade till efterfrågeelasticitet är så tunga som möjligt, dvs. de har en stor termisk massa.
Värmelagringskapaciteten kan ökas genom att välja lagring av latent värme i stället för känslig värme, vilket kan ske antingen med aktiva system eller genom att passivt integrera fasändringsmaterial i strukturer.
Genom att utrusta byggnaden med smarta styrenheter minskar byggnadens energiförbrukning när styrenheterna balanserar inomhustemperaturen i rummen, sänker temperaturen vid frånvaro och lär sig byggnadens individuella värmemotstånd. Med rätt styrning sparar byggnaden energi som helhet.
Med efterfrågeelasticitet kan byggnadens inre temperatur öka tillfälligt, vilket leder till att värmeförlusterna också ökar. Byggnaden kan då förbruka mer energi när den sparar värme under ett strömavbrott. Detta ökade energibehov har dock genomförts under en kostnadseffektiv tid, och de totala produktionskostnaderna kan därmed minska.
Toppeffekten kan minskas med upp till 30 %.
Både rumsspecifika och nätverksgemensamma simuleringar har gjorts för att öka flexibiliteten i efterfrågan på fjärrvärme. Rumssimuleringen visade att byggnadens svagaste punkter finns i hörnrummen, som har en större värmeförlust än resten av byggnaden. Med rumsspecifik värmereglering är det därför möjligt att utnyttja lagringspotentialen i hela byggnaden.
Enligt forskning i Jyväskylä är det möjligt att minska fjärrvärmesystemets effekt med upp till 25-30 procent, vilket innebär att man kan undvika att använda t.ex. en värmecentral som drivs med eldningsolja.
Fjärrvärmens efterfrågeflexibilitet är en del av framtidens intelligenta fjärrvärmenät. På grundval av nätverkssimuleringen kan ett fjärrvärmeföretag spara cirka 5-10 % av de rörliga kostnaderna för fjärrvärme genom att använda ett distribuerat värmebatteri.
De rörliga kostnadernas andel av de totala kostnaderna för fjärrvärmeproduktion varierar beroende på t.ex. produktionsstruktur, fjärrvärmenätets storlek och ålder. I simuleringen beaktades det beroende som den kombinerade el- och värmeproduktionsanläggningen och den stora värmepumpen har av spotpriset på el.
Ett energibolag kan hitta mervärde till den befintliga verksamheten genom att inleda ett samtal med kunden. Detta leder till en av de centrala frågorna om efterfrågeelasticitet: hur lockar vi konsumenterna att delta i elasticiteten? Tekniken finns visserligen, men de rätta ekonomiska och sociala incitamenten håller fortfarande på att utvecklas.
Konsumenternas attityder till den ändlösa energiförsörjningen bör också uppdateras. Den offentliga sektorn skulle kunna vara en trendsättare och pionjär för renare, smartare och effektivare fjärrvärme.
Källor:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Predictive Demand-side Management in District Heating and Cooling Connected Buildings,
Kärkkäinen et al. (2004) Styrning av fjärrvärmesystemens efterfrågesida
