No description available.

För att möta problem med ökande klimatförändringar kan fjärrvärmen ha en betydande roll ur både en svensk och en internationell kontext. Samtidigt står svenska fjärrvärmebolag inför betydande utmaningar då värmepumpar blir ett allt vanligare val för att möta uppvärmnings- och tappvarmvattenbehovet, tillgången till avfall och biomassa som bränsle förutspås bli mer begränsad och byggnaders uppvärmningsbehov blir allt lägre. För att fjärrvärme ska fortsätta vara ett konkurrenskraftigt och hållbart alternativ för att möta uppvärmnings- och tappvarmvattenbehovet har konceptet fjärde generationens fjärrvärme (4GDH) tagits fram. 4GDH karaktäriseras av lägre nättemperaturer, fler förnybara energikällor för fjärrvärmeproduktion samt ökad integrering med andra delar av energisystemet. I detta examensarbete har dels möjligheter med att arbeta mot 4GDH i Borlänge Energis fjärrvärmenät undersökts och dels har potentialen med att uppnå ett hållbart energisystem genom att konvertera existerande svenska fjärrvärmenät till 4GDH undersökts. Examensarbetets fokus har primärt legat på den aspekt av 4GDH som innebär lägre nättemperaturer.  Beräkningar på Borlänges fjärrvärmenät visar att det finns fördelar med att sänka nättemperaturen i form av (1) ökad elproduktion i kraftvärmeverk (KVV), (2) effektivare rökgaskondensering samt (3) mindre värmeförluster. Störst kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp erhålls genom effektivare rökgaskondensering följt av minskade värmeförluster. Den ökade elproduktionen i KVV medförde små kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp i förhållande till tidigare nämnda faktorer. Simulering av Borlänges fjärrvärmenät i dagsläget och med 4GDH visade på att 4GDH skulle kunna leda till att en stor mängd drifttimmar undviks i Borlänge Energis avfallseldade hetvattenpanna samtidigt som fjärrvärmesystemet blir oberoende av fossila bränslen. Detta innebär stora undvikta CO2-utsläpp men grundat i att avfallsförbränning är en tjänst som fjärrvärmebolag får betalt för i dagsläget leder det totalt sett till en ökade bränslekostnader för Borlänge Energi.   Vid analys av kunder i Borlänges fjärrvärmenät valdes fem fastigheter ut som till stor del uppfyllde framtagna kriterier för att en fastighet skulle lämpa sig väl för 4GDH. Av dessa var tre fastigheter planerade byggnationer och två befintliga fastigheter. Av de presenterade tekniska lösningarna fanns endast tydlig ekonomisk lönsamhet, miljönytta och teknisk möjlighet i ett av fallen, där majoriteten av fastighetens fjärrvärmebehov kunde täckas av returvärme tack vare låga temperaturkrav. I två andra fall kunde ekonomisk lönsamhet och miljönytta konstateras men dessa krävde investeringar av externa aktörer för att tekniskt möjliggöras. I de övriga två fallen begränsades den ekonomiska lönsamheten och tekniska möjligheten av ett begränsat flöde i närliggande returledningar som föreslogs användas som framledning för lösningarna.  De långsiktiga fördelarna med 4GDH indikerade att det är ett angreppssätt man på sikt bör jobba vidare med i Borlänge eftersom det kan bidra till att uppfylla kommunala miljömål. Samtidigt visade de studerade kundfallen att det finns tydliga hinder för implementering av 4GDH trots att fastigheter bedöms väl lämpade för att nyttja lågtempererad fjärrvärme. Således drogs slutsatsen att 4GDH främst bör implementeras i form av större sekundärnät vilket kräver samordning av ett flertal aktörer och långsiktig planering. För att stödja Borlänge Energis arbete mot 4GDH togs en handlingsplan fram med rekommenderade åtgärder i dagsläget, på fem till tio års sikt och på längre än tio års sikt.  För att avgöra potentialen med 4GDH i svenska fjärrvärmenät generellt nyttjades resultat från beräkningar och simuleringar av Borlänges fjärrvärmenät för att simulera fyra typiska svenska fjärrvärmenät med olika produktionsmixar. Simuleringarna visade på att 4GDH i samtliga fall ledde till kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp samtidigt som tillförseltryggheten ökade. Simuleringarna indikerade på att fjärrvärmenät där restvärme eller biomassa är de primära energikällorna främst drar fördel med 4GDH i form av minskade bränslekostnader medan fjärrvärmenät där avfall eller fossila bränslen är primära energikällor drar större fördel i form av undvikta CO2-utsläpp.  Resultaten från detta examensarbete visade att potentialen för att uppnå ett hållbart energisystem genom att konvertera svenska fjärrvärmenät till 4GDH är god. Beroende på vilken typ av svenskt fjärrvärmenät det är bör policys och styrmedel anpassas för att gynna en utveckling mot 4GDH, extra betydande är detta i fjärrvärmenät där avfallsförbränning står för en betydande del av fjärrvärmetillförsel. Generellt kan arbete mot 4GDH påbörjas på ett förhållandevis likvärdigt vis i svenska fjärrvärmenät, därför presenteras en generell metodik för hur svenska fjärrvärmebolag kan initiera en omställning mot 4GDH. / To face the emerging climate crisis, district heating could play an important role both in Sweden and internationally. Meanwhile, Swedish district heating companies are facing major challenges as heat pumps become more common to meet the heating and domestic hot water demand in buildings, the availability of waste and biomass as fuel is predicted to be limited and the heating demand of buildings is reducing. In order for district heating to maintain a competitive and sustainable alternative to meet the heating and domestic hot water demand in buildings, the concept of the fourth generation of district heating (4GDH) has been created. 4GDH is characterized by lower temperatures in the district heating network, more renewable energy sources used for heat production and increased integration with other parts of the energy system. In this master thesis, the possibilities with working towards 4GDH in Borlänge Energi’s district heating network has been evaluated. Also, the potential of achieving a sustainable energy system by converting existing Swedish district heating networks to 4GDH has been examined. The focus of the master thesis has primarily been on the aspect of 4GDH considering lower network temperatures.  Calculations show benefits with lower temperatures in Borlänge Energi’s district heating network such as (1) increasing electricity production in the combined heat and power plant (CHP), (2) more efficient flue gas condensation and (3) decreased heat losses. The largest reductions of costs and CO2 emissions are obtained from more efficient flue gas condensation followed by decreased heat losses. The increased electricity production in the CHP plant resulted in smaller reductions of costs and CO2 emissions compared to the above-mentioned factors. Simulations of a scenario where 4GDH is fully implemented in Borlänge, shows that 4GDH could lead to a lot of operating hours being avoided in the waste-fuelled hot water boiler and the district heating network being independent of fossil fuels. This means significant reductions of CO2 emissions but due to that waste incineration is a service that district heating companies gets paid for the total costs of fuel are increased.   When analysing customers in Borlänge Energi’s district heating network, five buildings were selected that largely fulfilled presented criterions for a building to suit well in a 4GDH system. Of these five buildings, three were planned buildings and two were existing. Of the presented technical solutions, there were only economic and environmental benefits with few technical barriers in one case. In this case, the heating and domestic hot water demand could mainly be covered by return heat owing to low temperature requirements. In two other cases, the economic and environmental benefits depended heavily on investments by external actors to be technically feasible. In the remaining two cases, the economic benefits and the technical feasibility was limited due to a limited flow in nearby return pipes which were proposed to be used as supply pipe to the buildings.  The long-term benefits with 4GDH indicated that it is an approach that should be continued with in Borlänge in the long term as it can contribute to reaching municipal environmental targets. However, the studied customer cases showed significant barriers to implementing 4GDH, although the buildings were assessed to be suited well for using low-tempered district heating. Thus, it was concluded that 4GDH should mainly be implemented by building larger low-tempered secondary networks. This requires coordination of multiple actors and long-term planning. To support Borlänge Energi’s work towards 4GDH, an action plan was presented with recommended measures today, in five to ten years’ time and in more than ten years’ time.  To generalize the results from Borlänge on a national level, the results from calculations and simulations of Borlänge Energi’s district heating network were used to simulate four typical Swedish district heating networks with different production mixes. The simulations showed that 4GDH in all cases led to reductions of costs and CO2 emissions and increased security of supply. The simulations indicated that district heating networks where residual heat or biomass is predominantly used mainly benefits from 4GDH through cost reductions, while district heating networks where waste or fossil fuels are predominantly used mainly benefits from 4GDH through reduced CO2 emissions.  The results of this thesis shows that the potential of achieving sustainable energy systems by converting Swedish district heating networks to 4GDH is high. Depending on the characteristics of the district heating network, policies and instruments should be adjusted to support a development towards 4GDH. This is especially important in district heating networks where waste incineration is a major source of the district heating supply. However, work towards 4GDH could generally be initiated in a relatively similar way in Swedish district heating networks. Therefore, a general method for initiating a transition towards 4GDH was presented

District heating plays a major part of the energy system used for heat supply in Sweden. The starting point of this parameter study have been to investigate the possibilities to provide the area Tullkammarkajen with efficient district heating supply in help of low temperature residual heat and waste heat from a nearby industry. The area is located in the city center of Halmstad and is currently in its planning phase. Facilities and apartments are planned to be built.The study is based on three different parameters: type of system, system temperatures and energy demand. The different type of systems that is analyzed is conventional districtheating, low-temperature district heating with a heat pump as a complement as well as low-temperature district heating with the primary network’s feed line as a complement. Further comparison was made between these parameters, both from an energy wise perspective as well as from an economic perspective.The underlying idea to this study has been to obtain an energy efficient solution that at the same time suits the principle of sustainable development. However, it can clearly be seen in the presented results that it is more profitable to use more conventional methods that are not adapted to sustainable development, based on today’s market. Thus, the question becomes whether the future of innovative solutions or economical funds should be prioritized.

District heating (DH) systems have been commonplace in Europe for over a century. These systems have undergone an evolution since their conceiving, and today we are at the precipice of the next major transition from the third-generation district heating system (3GDH) to the fourth generation (4GDH). Current 3GDH systems operate at a supply temperature in-between 80 °C - 100 °C and a return temperature of around 45 °C. Future 4GDH systems will operate at a supply temperature below 70 °C and return temperature as low as 25 °C, and therefore, will integrate waste heat available at low temperatures, and renewable heat sources.The literature review performed here shows that low temperature DH (LTDH) systems have several benefits over their conventional temperature DH (CTDH) predecessor and achieve lower operating costs for some technologies when compared to the CTDH alternative. Therefore, in this thesis, a TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System) model is used to simulate the operation of a DH system. The learnings from the literature review were incorporated into the model so that certain operational differences between CTDH and LTDH systems could be compared.In this context, the aim of this project is to analyse the effects of flexibility options on the operation of a DH system, and to compare these effects between CTDH and LTDH systems. Flexibility options in DH systems are technologies and concepts that work towards balancing heat generation and demand in thermal grids and can also help balance power generation and demand in electrical grids. Examples of flexibility options are thermal energy storage (TES) tanks, and seasonal energy storages (e.g., borehole TES (BTES), caverns (CTES), and pits (PTES)). These flexibility options have already been implemented in varying amounts in today’s CTDH systems and will therefore have to provide the same service with LTDH systems in the future.As part of the REWARDHeat project (grant agreement No. 857811), the Swedish city of Helsingborg was used as the case-study in this thesis. The city’s heating sector was incorporated into a TIMES heat model and simulated for the period 2017 to 2052. The existing CTDH system model was then adapted to a LTDH system model and simulated for the same time horizon. Both the CTDH model and LTDH model were simulated for a case with TES available and then for a case where TES was not available, to better-identify the flexibility benefits. The effect of electricity prices on the operation of the system was also studied, where one case uses electricity prices that are on the conservative (i.e., higher) side and another on the ambitious (i.e., lower) side. This means that a total of eight scenarios were simulated and analysed.The results show that more heat storage capacity is utilised in the LTDH system due to TES technologies having lower heat losses. Also, it was found that peak shaving was more pronounced in the LTDH system. This is due to more base heat supply in the system from more excess heat, and from STES discharging. This means that the required installed capacity of heat generating technologies are lower compared to the CTDH alternative. This all translates to TES technologies facilitating greater savings in total system cost, by almost 10%, in the LTDH system. The CTDH and LTDH systems studied in this thesis (i.e., with and without TES) are seen to transition from being a net electricity generator to being a major electricity consumer. This is due to reducing electricity prices going into the future, which incentivise investments into heat pumps (HPs), eventually making the systems (with combined heat and power (CHP) plants in the mix in the earlier years) HP-dominated. The inclusion of TES technologies is shown to accelerate this transition in both CTDH and LTDH systems studied in this thesis. More electricity is generated in the CTDH system than in a LTDH system as the cost savings from running HPs (due to higher coefficients of performance (COP) in low-temperature operation) offsets the revenue from electricity sales.Finally, the effect of electricity prices is also seen in the results. Lower electricity prices favour more DH production from HPs, while higher electricity prices incentivise increased production from CHP plants. The results show that the CTDH system gives the network operator more freedom (than in the LTDH system) to respond to electricity prices.Therefore, to conclude, LTDH systems can make more use of the flexibility provided by TES technologies due to lower heat losses, as shown through DH production volumes being lower, and through more peak shaving.Similar studies in future could incorporate a sensitivity analysis on the COPs of HPs in LTDH systems, given that this parameter seems to greatly influence the cost optimised strategy for operating DH systems. Also, it may be beneficial to expand the study into incorporating the city’s power sector, which would mean incorporating the electricity demand into the model. It would be interesting to see if this would cause the model to invest in other technologies other than HPs, or if it might still make more financial sense to import the electricity at market prices. Finally, the cost of transitioning from a CTDH system to a LTDH system could also be considered in the model, as it was not the case in this project. This would probably show that the financial benefit of LTDH systems is less than what is predicted in this study. / Fjärrvärmesystem har varit vanliga i Europa i över hundra år. Dessa system har utvecklats sedan de utformades, och idag står vi inför nästa stora övergång från tredje generationens fjärrvärmesystem (3GDH) till fjärde generationen (4GDH). Dagens 3GDH-nät fungerar med en framledningstemperatur mellan 80 °C och 100 °C och en returtemperatur på cirka 45 °C. Framtida 4GDH-nät kommer att fungera vid en framledningstemperatur under 70 °C och en returtemperatur så låg som 25 °C, och kommer därför att integrera spillvärme som är framkomlig vid låga temperaturer och förnybara värmekällor.Litteraturstudien som gjorts i den här studien visar att fjärrvärmenät med låg temperatur har flera fördelar jämfört med deras föregångare med konventionell temperatur och att driftskostnaderna för vissa tekniska system är lägre än för alternativet med konventionell temperatur. I denna avhandling används därför en TIMES-modell (The Integrated MARKAL-EFOM System) för att simulera driften av ett fjärrvärmesystem. Lärdomarna från litteraturstudien användes i modellen för att vissa driftskillnader mellan dessa två system så att de kunde jämföras. I detta sammanhang är syftet med detta projekt att analysera effekterna av flexibilitetsalternativ på driften av ett fjärrvärmesystem och att jämföra dessa effekter mellan konventionella temperaturer och lågtemperaturssystem. Flexibilitetsalternativ i fjärrvärmenät är teknologi och koncept som arbetar för att balansera värmeproduktionen och efterfrågan i termiska nät och som också kan bidra till att balansera elproduktionen och efterfrågan i elnätet. Exempel på flexibilitetsalternativ är lagringstankar av värmeenergi och säsongsbundna energilägen (till exempel lagring av värmeenergi i borrhål, grottor och gropar). Dessa flexibilitetsalternativ har redan införts i varierande omfattning i dagens fjärrvärmenät och kommer därför att användas med lågtemperaturnät i framtiden.Som en del av REWARDHeat-projektet (bidragsavtal nr 857811) användes den svenska staden Helsingborg som fallstudie i denna studie. Stadens värmesektor införlivades i en TIMES-värmemodell och simulerades för perioden 2017–2052. Den befintliga fjärrvärmenät modellen med konventionell temperatur anpassades sedan till en fjärrvärmenätmodell med låg temperatur och simulerades för samma tidsperiod. Båda modellerna simulerades för ett fall där värmeenergilagring var tillgänglig och sedan för ett fall där värmeenergilagring inte var tillgänglig, för att bättre identifiera flexibilitetsfördelarna. Effekten av elpriserna på systemets funktion undersöktes också, där ett fall använder elpriser som är på den konservativa (dvs. högre) sidan och ett annat på den ambitiösa (dvs. lägre) sidan. Detta innebär att totalt åtta scenarier simulerades och analyserades.Resultaten visar att mer värmelagringskapacitet utnyttjas i fjärrvärmesystemet med låg temperatur på grund av att tekniken för lagring av värmeenergi har mindre värmeförluster. Det konstaterades också att lastutjämning var mer i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. Detta beror på att det finns mer grundvärme i systemet på grund av mer överskottsvärme och på att värmeenergilagringar i borrhålen laddas ur. Detta innebär att den installerade kapacitet som krävs för värmeproducerande teknologi är lägre jämfört med alternativet med konventionell temperatur. Allt detta innebär att tekniken för lagring av värmeenergi möjliggör större besparingar i den totala systemkostnaden, med nästan 10 %, i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. De konventionella och lågtemperatur fjärrvärmesystem som studeras i denna avhandling (dvs. med och utan lagring av värmeenergi) övergår från att vara nettogeneratorer av el till att bli stora elkonsumenter. Detta beror på att elpriserna kommer att sjunka i framtiden, vilket ger incitament till investeringar i värmepumpar, vilket i slutändan gör att systemen (som har haft kraftvärmeverk i mixen under tidigare år) kommer att domineras av värmepumpar. Införandet av tekniken för värmeenergilagring visar sig påskynda denna övergång i båda de system som studeras i denna avhandling. Det produceras mer el i fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur än i ett fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom kostnadsbesparingarna från drift av värmepumpar (på grund av högre prestandakoefficienter) med låg temperatur uppväger intäkterna från elförsäljning.Slutligen syns också effekten av elpriserna i resultaten. Lägre elpriser gynnar mer värmeproduktion från värmepumpar, medan högre elpriser stimulerar ökad produktion från kraftvärmeverk. Resultaten visar att fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur ger nätoperatören större frihet (än i fjärrvärmesystemet med låg temperatur) att reagera på elpriserna.Sammanfattningsvis kan man därför konstatera att fjärrvärmesystem med låg temperatur i högre grad kan utnyttja den flexibilitet som tekniken för värmeenergilagring ger på grund av lägre värmeförluster, vilket visas genom att produktionsvolymerna för fjärrvärme är lägre och genom en högre grad av lastutjämning.Liknande studier i framtiden skulle kunna omfatta en känslighetsanalys av värmepumparnas prestandakoefficient i fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom denna parameter verkar ha stor betydelse för den kostnadsoptimerade strategin för driften av systemet. Det kan också vara fördelaktigt att utvidga studien till att omfatta stadens energisektor, vilket skulle innebära att elbehovet inkluderas i modellen. Det skulle vara intressant att se om detta skulle få modellen att investera i andra tekniker än värmepumpar, eller om det fortfarande skulle vara mer ekonomiskt fördelaktigt att importera el till marknadspris. Slutligen skulle kostnaden för att övergå från ett fjärrvärmenät med konventionell temperatur till ett fjärrvärmenät med låg temperatur också kunna beaktas i modellen, eftersom så inte var fallet i detta projekt. Detta skulle förmodligen visa att den ekonomiska fördelen med fjärrvärmenät med låg temperatur är mindre än vad som förutses i denna studie.

En tredjedel av Kirunas stad är på väg att flyttas och med det kommer nya möjligheter för en utveckling av den nya stadsdelen. Kiruna stad vill bygga ett attraktivt och hållbart samhälle som utnyttjar ny teknik för en energi- och resurssmart stadsmiljö. Fjärde generationens fjärrvärme eller 4GDH som det oftast förkortas är ett koncept som tagits fram för att öka fjärrvärmens konkurrenskraft samt öka dess attraktivitet för kunder. Detta projekt har genomfört en utredning för 4GDH i ett område i nya Kiruna där värmeprofiler har tagits fram med hjälp av CFD-programmet Comsol och en teknoekonomisk analys har utförts där olika alternativ på 4GDH jämförs mot varandra och mot den traditionella fjärrvärmen som finns idag. En ny teknik har undersökts som benämns samförläggning vilket innebär att flera tekniker förläggs i samma schakt. I rapporten redovisas viktiga resultat från simuleringar över nätet i Comsol, där hastigheter, temperaturfall och termiska förluster tas fram för flera olika varianter på nätets dimensionering för att sedan jämföras för att hitta det bästa alternativet. Den teknoekonomiska analysen visar att 4GDH är att föredra framför traditionell fjärrvärme med en besparing på drygt 3 miljoner kronor sett över rörens livslängd på 50 år.

Sweden is a country that since long have prioritized the development of energy-smart solutions and the optimization of energy systems to reduce its energy consumption. Energy usage encompasses various needs, including heating buildings and premises, but most importantly, heating of residential properties. Today, nearly half of all heating is done through district heating, and the transition towards the idealization of this energy source is therefore crucial for future climate transitions. This development is now focused on a new generation of district heating technology called the fourth-generation district heating (4GDH). These technologies aim to reduce distribution temperatures from the current third-generation district heating technology (3GDH), which operates at 80-120°C in forward flow and 40-60°C in return flow, to 55-70°C in forward flow and 20-35°C in return flow.  The present report addresses what 4GDH may look like, with a focus on low-temperature district heating islands within an existing 3GDH network. The project is based on energy efficiency, competition from heat pumps, and recent customer demands, which necessitate the modernization of low-temperature networks to ensure the competitiveness of district heating. The objective of this work is therefore to gain an overview of the potential for improvement when establishing a low-temperature district heating network within an existing network, considering ecologic and economic perspectives. Using the programme NetSim, five different scenarios for conventional and low-temperature installations in Eskilstuna have been simulated. The results show that a low-temperature installation becomes significantly more expensive when only considering pipe prices, with economic losses amounting to approximately 1.05 million SEK in case 1 and around 0.91 million SEK in case 2. However, it was observed that the low-temperature networks in case 1 and 2 have significantly lower heat losses, primarily due to the material of the heat carrier but also the temperature difference in the pipes. An economic calculation was made, which revealed savings compared to the conventional network in each case, with profits of approximately 37 200 SEK and 24 400 SEK for each case, respectively. Regarding the assumed dimensioning, it is also evident that the hydraulic balance in the low-temperature networks is better than in the conventional one. In the lower temperature networks, temperature losses in the forward flow of up to 0.5°C and 0.6°C can be observed for case 1 and 2, respectively, while the conventional networks lose up to 6,4°C and 10,4°C. It can also be noted that there is a higher pressure drop in the low-temperature networks due to increased flow velocity to ensure power delivery. Furthermore, contact with Mälarenergi has confirmed that a hot water central system works well and should be utilized when switching from the primary network.

This project presents a feasibility study and an investigation of the potential for low temperature district heating system in Västerås. The investigation treats integrations possibilities for 4GDH (4th Generation District Heating) in Kungsängens area in Västerås, which is undergoing a large-scale building-up and construction.  The study is conducted for the company Mälarenergi AB. The advantages of 4GDH technology are identified and analyzed, where energy effectiveness and economic benefits aspects were concluded. Problems with existing technology and higher cooling demand expectations drive 4GDH to be an interesting and necessary technology in the future. Four Different integration solutions between old and new networks are presented, analyzed and discussed. Quantitative analysis conducted where initial cost for the four technical solutions were estimated and compared. The results show that low temperature district heating could lead to reduction in the initial cost for the network by using PEX instead of steel as pipe material. The results show also that one solution using heat exchanger as exchange stations has the lowest cost between the four solutions. The results show that the cost for the retention flow that is linked with 4GDH stands for 20%-30% of the total cost. The importance of the retention flow pipe is investigated using two physical models in OpenModelica and Excel, where simulations were conducted. It is concluded that it is possible to provide Kungsängen area with low temperature district heating without having the retention flow pipe. Three parameters were identified to be critical which are, geographical placement of the consumers, pattern variation for the heat demand and heat systems installed inside consumer’s buildings. The results show also that it might be critical to have a variate and optimized supply temperature for the area, depending on the demand. The simulations of a fictive area that could present a future heat demand for Kungsängen area shows that a temperature of 55°C is satisfying during winter season where the demand is high and a temperature between 60-65°C must be available during spring/autumn seasons and specially during summer. The variation depends directly on the temperature drop through the supply pipes to the consumers. The temperature drop is directly linked with water velocity inside the pipes. The losses increase during summer nights when the heat demand is low which lead to low water velocities.

Thermal energy storage (TES) systems are technologies with the potential to enhance the efficiency and the flexibility of the coming 4th generation low temperature district heating (LTDH). Their integration would enable the creation of smarter, more efficient networks, benefiting both the utilities and the end consumers. This study aims at developing a comparative assessment of TES systems, both latent and sensible heat based. First, a techno-economic analysis of several TES systems is conducted to evaluate their suitability to be integrated into LTDH. Then, potential scenarios of TES integration are proposed and analysed in a case study of an active LTDH network. This is complemented with a review of current DH legislation focused on the Swedish case, with the aim of taking into consideration the present situation, and changes that may support some technologies over others. The results of the analysis show that sensible heat storage is still preferred to latent heat when coupled with LTDH: the cost per kWh stored is still 15% higher, at least, for latent heat in systems below 5MWh of storage size; though, they require just half of the volume. However, it is expected that the cost of latent heat storage systems will decline in the future, making them more competitive. From a system perspective, the introduction of TES systems into the network results in an increase in flexibility leading to lower heat production costs by load shifting. It is achieved by running the production units with lower marginal heat production costs for longer periods and with higher efficiency, and thus reducing the operating hours of the other more expensive operating units during peak load conditions. In the case study, savings in the magnitude of 0.5k EUR/year are achieved through this operational strategy, with an investment cost of 2k EUR to purchase a water tank. These results may also be extended to the case when heat generation is replaced by renewable, intermittent energy sources; thus increasing profits, reducing fuel consumption, and consequently emissions. This study represents a step forward in the development of a more efficient DH system through the integration of TES, which will play a crucial role in future smart energy system. / Thermal energy storage (TES) eller Termisk energilagring är en teknologi med potentialen att öka effektivitet och flexibilitet i den kommande fjärde generationens fjärrvärme (LTDH). Studien har som mål att kartlägga en komparativ uppskattning av TES systemen, baserad både på latent och sensibel värme. Resultaten visar att lagring av sensibel värme är att föredra före latent värme när den kopplas med LTDH: pris per lagrade kWh kvarstår som 15% högre än för latent värme i system under 5 MWh av lagringsutrymme; dock fordrar de endast hälften av volymen. Utifrån systemperspektiv innebär introduktionen av TES system i nätverket en ökning av flexibilitet vilket leder till reducerade värmeproduktionskostnaderna i mindre belastning. I fallstudien nås en sparnivå av femhundra euro per år genom denna operativa strategi, med en investering av 2000 euro för inköp av vattentank. Resultaten kan också vidgas till en situation där värmeproduktionen ersätts av förnybara, intermittenta energikällor; till detta medföljer högre vinster, lägre bruk av bränsle vilket skulle innebära lägre utsläpp. Studien kan ses som ett steg framåt mot skapandet av en mer effektiv DH system genom integrationen av TES, vilket kommer att spela en betydande roll i framtida smarta energisystem.

This report formulates the boundary conditions and discretization method for conducting a simulation of heat with liquids and solids through the finite element method. It introduces the reader to the movement that is due today with optimization of heat transport and mitigation generally described as the fourth generation of district heating. It presents the scope: calculating the heat release from pipes in hydronic underfloor heating, and presents the belonging question: how does heat release from different heating pipe patterns affect the body’s heat transfer? Simulation of the work is conducted with the delimitations of using a single boundary slip condition addressing friction and only using water as pipe flow medium. It focuses on the pattern’s ability to affect the heat to the body, of which characteristically manifests a square concrete slab in the running simulations. By using different cases, it analyses how patterns using the same length of pipes emit their average heat to the covering top surface differently, both as the heating level alternates, and duration for response changes. This meanwhile they are affected by analog boundary temperature conditions.    A sensitivity analysis is done answering how the various patterns tested are affected by change of propagation speed for the flowing medium, showing that a spiral formed pattern with evenly spread piping is the least affected. The results show that the pattern with alternating pipe spacing gives the best average heat emission in the simulated cases. It also concludes that minor changes in the pattern area will have profound effect on the average transferred heat from the body’s top surface.