The Development of a New District Heating Concept:Network Design and Optimization for Integrating Energy Conservation and Renewable Energy Use in Energy Sustainable Communities

摘要

DEL I af denne afhandling omfatter 6 kapitler.Kapitel 1 beskriver de vigtigste problemstillinger omkring brug af energiressourcer.De omhandler miljømæssige, økonomiske, demografiske og socialpolitiske emner som kædes sammen og skaber baggrunden for afhandlingen.Kapitel 2 beskriver state-of-the-art fjernvarmesystemer med fokus på den aktuelle og fremtidige situation i Danmark.Afhandlingen er centreret omkring udviklingen af et nyt fjernvarmeparadigme, ”lavtemperatur-fjernvarme”, med særligt fokus på dets potentiale og på undersøgelser af de tekniske muligheder for at optimere denne energiløsning med henblik på energieffektivitet og socialøkonomi. Kapitel 3 beskriver hele konceptet bag lavtemperatur-fjernvarme.Kapitel 4 præsenterer afhandlingens hypoteser og sætter fokusområdet i perspektiv i forhold til andre relevante aspekter af emnet. Metoder og begrænsninger er ligeledes beskrevet.Kapitel 5 forklarer det videnskabelige indhold af artiklerne i DEL II af afhandlingen. I artikel I introduceres de tekniske og organisatoriske strategier, som danner baggrund for etableringen af succesrig energiplanlægning i et samfund. I artiklen analyseres desuden state-of-the-art indenfor energiplanlægning, kritiske problemstillinger diskuteres og fjernvarmens rolle i udviklingen af bæredygtig energitilførsel påpeges. Artikel II og III søger at give en videnskabelige baggrund for udvikling af forbedrede løsninger for fjernvarmenetværk; der fokuseres på simulerede modeller af fjernvarmerør for at kunne vurdere energiydelsen fra brug af innovative rørgeometrier, materialer og systemkonfigurationer. Modellerne blev valideret mod eksperimentelle målinger på rigtige fjernvarmerør. Artikel II omhandler detaljeret steady-state modellering og analyse af varmetab fra præisolerede fjernvarmerør. Artikel III fokuserer på modellering og udregning af transient varmeoverførsel i tilførende fjernvarmerør, som er vigtige elementer i lavtemperaturfjernvarmenetværk, især ved forsyning af bebyggede områder med lav varmetæthed. Artikel IV er baseret på simulationer og analyser af netværk med lavenergifjernvarme som forsyner energi-effektive bebyggede områder i lande – såsom Danmark – med en eksisterende veludbygget fjernvarmeinfrastruktur. Den tekniske og økonomiske gennemførlighed af disse løsninger bliver vurderet og strategier for optimering af design og funktion bliver foreslået. Artikel V diskuterer potentiale for, og barriererimod, implementering af fjernvarme i Canada, hvor markedsandelen for fjernvarme er lille. Tekniske og økonomiske gennemførlighedsanalyser blev foretaget på fjernvarmenetværk, der forsyner et tæt bebygget område i Ottawa, med særligt fokus på udvikling af potentialet for at udnytte varme udvundet fra vedvarende energiressourcer.Kapitel 6 indeholder afhandlingens konklusioner:Analyserne antyder, at man ved kommunal energiplanlægning bør overveje mulighederne for implementering af fjernvarme, da det udgør en vigtig infrastruktur for fremtidige bæredygtige energiløsninger. Energipolitik bør have til formål at organisere og skabe synergien mellem energibesparende tiltag og varmeforsyning fra vedvarende energiressourcer og herved minimere konkurrence mellem de to sektorer.Det anbefales at Finite Element Method (FEM) modeller og simulationer bruges ved design af nye rørgeometrier og systemer. Driftsikkerheden af FEM modeller af fjernvarmerør blev valideret ved hjælp af eksperimentelle data og sammenligning med udregninger og formler fra litteraturen. Udregningerne tager hensyn til temperaturafhængigheden af isoleringsmaterialets varmeledningsevne. Det er blevet vist, at asymmetrisk isolering af dobbeltrør i lavtemperatursystemer fører til 4-8% mindre varmetab fra tilførende varmerør end med symmetrisk isolering. Samtidig kan varmetab fra fraførende varmerør holdes tæt på nul. Ved brug af optimerede dobbeltrørsystemer (et par rør af forskellig størrelse indpakket i samme isolering og yderrør) er det muligt at reducere varmetabet med 6-12% sammenlignet med almindelige dobbeltrør, uden at øge investeringsomkostningerne. Endelig beskrives en løsning med et optimeret tredobbelt rørsystem.Modelleringen af transient varmeoverførsel i fjernvarmeservicerør har vist sig at være nøjagtig, da den giver resultater som stemmer overens med tilbageløbstemperaturprofilen målt eksperimentelt med en afvigelse på mindre end 0.5°C. Der er desuden god overensstemmelse med detaljerede finite-volume simulationer for både trinvise og sinusformede grænsebetingelser mht. fremløbs-temperaturprofilen. Den foreslåede integrerede løsning som omfatter servicerør og varmevekslerenhed med en boosterpumpe opfylder kravene om fjernvarmeforsyning indenfor 10 sekunder og opnår varmebesparelser på 200 kWhth/år med ekstra elektricitetsforbrug på 58 kWhel/år.I Danmark kan optimerede lavtemperatur-fjernvarme netværk være omkostningseffektive i områder med lineær varmetæthed så lav som 0.20 MWh/(m.år). For de scenarier som er analyseret her, er de tilsvarende omkostninger for energiforbruget i intervallet 13.9–19.3 c€/kWh (ekskl. moms), hvilket er ca. 20% lavere end scenariet baseret på jordvarme. Netværksløsninger baseret på drift med lav temperatur er bedre end systemer baseret på drift med lavt flow. Det totale primære energiforbrug i det mest energi-effektive design er 14.3% lavere end forbruget i standardnetværk og varmetabet er halveret. Disse resultater antyder, at lavtemperaturfjernvarme konceptet passer ind i visionen for en fremtidig bæredygtig varmesektor.I undersøgelserne foretaget i Canada fandt man, at fjernvarmeforsyning af bebyggede områder med lineær varmetæthed højere end 3.0 MWh/(m.år) er konkurrencedygtig i forhold til den alternative naturgasforsyning, og det giver mulighed for implementering af brugen af vedvarende energi ressourcer og ringe varmeressourcer. I områder med lineær varmetæthed under 1.5 MWh/(m.år) er det dog ikke økonomisk rentabelt i den aktuelle situation på energimarkedet i Canada, men kunne overvejes ved fremtidige netværksudvidelser sammen med implementering af optimerede design- og planlægningskoncepter. Desuden kan middeltemperatur-fjernvarme netværk tilpasses de aktuelle varmebehov, imens fremadrettede muligheder for lavtemperatur-fjernvarme overvejes.