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.

Domestic and industrial water demands are growing globally due to population growth and rapid economic development, placing increasing strains on water resources. Wastewater effluents generated from these and other activities impact the environment and are thus subject to tightening regulation. The focus of research and development in water treatment processes aims at both pollutant removal efficiency and cost of purification. Membrane distillation (MD) is a developing thermally driven technology capable of achieving extremely high environmental performance utilizing renewable energy sources to a high degree. District heating networks, and in particular those driven by biomass, represent an ideal heat supply for MD systems. This thesis presents a technoeconomic assessment of district heating driven MD for water purification in selected industrial applications. The study covers analysis of MD separation performance and the related costs from different district heating integration scenarios. The analyses are based on three types of semi-commercial MD modules, with experiments conducted at laboratory and pilot scales. The case studies include pharmaceutical residue removal from effluents of municipal wastewater treatment plant, wastewater purification in pharmaceutical industry, and ethanol concentration in bioethanol production plant. Full-scale simulation studies were carried out for the identified case studies based on the experimental data obtained from MD module along with process information gathered from the industries. Results from the pharmaceutical residue removal pilot trials showed very good to excellent separation efficiency for 37 compounds at feed concentrations ranging from ng/L to mg/L. From alcohol-water feeds, ethanol concentrations were increased from 5% to nearly 90%. Simulation studies revealed that district heating integration of MD systems is feasible. Costs per unit volume of purified water are higher than competing technologies, however the configurations enable enhanced environmental performance that would be difficult to achieve otherwise. / Kommunala och industriella vattenkrav växer globalt på grund av befolkningstillväxt och snabb ekonomisk utveckling, vilket ökar belastningen på vattenresurserna. Avloppsvatten från alla verk-samheter påverkar miljön och är därmed föremål för tilltagande reglering. Fokus i forskning och utveckling av vattenreningsprocesser syftar till att både öka effektiviteten i avlägsnandet av föroreningarna och att minska kostnaderna för detta. Membrandestillation (MD) är en ny termiskt driven teknik som kan uppnå extremt hög miljö-prestanda genom att den är effektiv och i hög grad kan drivas av förnybara energikällor. Fjärrvärmesystem, särskilt de som drivs av biomassa, utgör en idealisk värmeförsörjning för ett MD-system. Avhandlingen presenterar en teknoekonomisk bedömning av fjärrvärmedriven MD för vattenrening i utvalda industriella applikationer. Studien analyserar MD-systemets separations-prestanda och kostnader i olika fjärrvärmeintegrationsscenarier. Analyserna baseras på tre typer av semi-kommersiella MD-moduler, med experiment utförda på laboratorie- och pilotskala. Fallstudierna innefattar: borttagning av läkemedelsrester från avloppsvatten från kommunalt avloppsreningsverk; avloppsvattenrening i läkemedels-industrin; och uppkoncentrering i bioetanolproduktionsanläggning. Fullskaliga simuleringsstudier har utförts för fallstudierna baserat på experimentella data erhållna från MD-modulen och med processinformation som samlats in från industrin. Resultaten från försöken med läkemedelsrester visade mycket god till utmärkt separationseffektivitet för 37 föreningar vid förorenings-koncentrationer som sträckte sig från ng/liter till mg/liter. Vid uppkoncentrering av alkohol ökades etanolhalten från 5 % till nära 90 %. Simuleringsstudier visade att fjärrvärmeintegration av MD-system är möjlig. Kostnader per volym renat vatten är högre än konkurrerande teknik, men konfigurationerna möjliggör förbättrad miljöprestanda som skulle vara svår att uppnå på annat sätt. / <p>This doctoral research has been carried out in the context of an agreement on joint doctoral research supervision between KTH Royal Institute of Technology, (Stockholm, Sweden), and Politecnico di Torino − PoliTo, (Turin, Italy). Erasmus Mundus Joint Doctorate, SELECT+ (Environomical pathways for sustainable energy services) program. QC 20170523</p> / SLECT+ Erasmus Mundus Joint Doctoral Program

Since district heating is the most common way of space heatingin Sweden, continual improvements of theefficiency of production and distribution of district heating is crucial. The purposeof this report is therefore to, using Kalmar Energi as an example, study how the production and distribution of district heating is affected by introducing a bypass pipeat a critical point in the network, and to investigate howcost efficiency might be achieved. To fulfill this task, the network simulation software NetSim and the cost optimizing software MODEST was used. Most ofthe heat in the district heating network in Kalmar comesfrom the bio-fueled combined heat and power plant Moskogen and the top load production plantDraken covers the top load when the heat from Moskogen is not enoughto fulfill the heating demand. However, the studied scenario does not represent normal operationbut a temporary solution for when Draken and its circulation pumps for some reason cannot be used.In that scenario, all heat in the city mustbe delivered using the bypass pipeor usingthe two smaller reserve production plantsLindsdal and Dvärgen. The simulations performed in NetSim consist of three primary cases; one reference modelwhich represents the currentsituation, one model with only Moskogenand the bypass and one model with Moskogen, bypass, Lindsdal and Dvärgen. To study the possibility for improvements of the network further simulations were performed with measures like new circulation pumps, upgradeto bigger pipes and addition of new pipes. The optimization in MODEST also consist of three cases; normaloperation, operation using the bypassand possible benefits ofusing RME instead of oil in reserve plants. The simulations in NetSimshows that the bypass pipe enables fulfillment of the heating demand of Kalmar without the use ofDraken or otherreserveproduction plantsdown to an outside temperature around 1°C.If the reserve units in the periphery parts of the city are used, the bypass of Draken enables fulfillmentof the heating demand until an outside temperature of approximately -3°C. The limiting factorsare mainlycirculationpump capacity and the differential pressure. If a higher supply temperature than normal is usedor newcirculationpumps and bigger pipes are introduced, a working network can be achieved for loweroutsidetemperatures. However, a highersupply temperature means higherheatlosses and no additional electricity production and a new pumping station just to handle a worst-case scenario is most likely not economically feasible. New pipes connecting areas with high and low differential pressures was also found to improve the system, but might not be profitable in the short term. If the city is expected to expand in the certain areas that the new pipesweretested, the new pipes might become amore feasiblemeasurein the future.The optimizing in MODEST shows that from a cost minimizing perspective, it is optimal to use the biomass-fueled combined heat and power plant Moskogenas much as possibleand to cover the remaining heat demand using wood powderboilersand if necessary, oilboilers.It is also evident thatregardless ofthe bypass beingused or not, it is always more profitable to lower the electricity production of Moskogen in favor of heat production during periods when the electricity price is low or whentheuse of oilboilerswould otherwise be needed.This measure also lowers the amount ofcarbon dioxideemissionsfor the systemwith up to 250 tons/yearsince oil use can be exchanged for biomass use.An alternative way of eliminating carbon dioxide emissionsis to replace the oilfuelwith a renewable fuel like RME. However, this would be associated with higher costs for Kalmar Energi, since RME is currently more expensive per MWh than the oil that is currentlyused. / Med tanke på att fjärrvärme är den vanligaste uppvärmningsprincipen i Sverige är arbete med att förbättra effektiviteten och pålitligheten vid produktion och distribution av värme ett ständigt aktuellt ämne. Syftet med detta arbete är därför att med Kalmar Energi som exempel undersöka hur produktion och distribution av fjärrvärme påverkas av att en förbikoppling av en kritisk sektion har byggts samt att identifiera hur kostnadsoptimal drift av fjärrvärmenätet bör ske. För att uppnå detta har nätverkssimuleringsprogrammet NetSim och kostnadsoptimeringsprogrammet MODEST använts. Majoriteten av värmen i Kalmars fjärrvärmenät kommer från det bioeldade kraftvärmeverket Moskogen. Värmeverket Draken täcker under normal drift upp när Moskogens effekt inte räcker till för att uppfylla värmeefterfrågan. Scenariot som framförallt har studerats representerar dock inte normal drift utan utgör en tillfällig lösning för perioder när värmeverket Draken med tillhörande pumpar av någon anledning inte är tillgängliga. All Kalmars fjärrvärme måste i detta läge levereras från Moskogen via den nybyggda förbikopplingen eller med hjälp av de två mindre reservanläggningarna Lindsdal och Dvärgen. De simuleringar som gjorts i NetSim består av tre primära fall; en referensmodell som illustrerar nuläget, en modell med endast Moskogen via förbikopplingen samt en modell med Moskogen via förbikopplingen i kombination med Dvärgen och Lindsdal. För att studera förbättringsmöjligheter i systemet genomfördes även simuleringar på hur förändringar så som nya pumpar och utbyte av gamla rör påverkar systemet. Arbetet i MODEST består också av tre olika delar; normal drift, drift vid användning av förbikopplingen samt nyttan med ett bränslebyte från olja till RME. För normal drift och förbikopplingsdrift utvärderas lönsamheten med att minska elproduktionen och därmed få ut mer värme till fjärrvärmenätet.   Simuleringarna i NetSim visar att Moskogen tack vare förbikopplingen ensam kan uppfylla Kalmars värmebehov ner till utomhustemperaturer kring 1 °C. Vid användning av reservanläggningarna i kombination med förbikopplingen kan värmebehovet i dagsläget uppfyllas fullständigt ner till utomhustemperaturer kring -3 °C. De begränsande faktorerna för nätet är framförallt kapacitet hos cirkulationspumpar och differenstryck. Om högre framledningstemperatur används eller om nya cirkulationspumpar införs och begränsande rör görs större kan ett väl fungerande system fås utan Draken även vid lägre utomhustemperaturer. Värt att notera är dock att höjd framledningstemperatur ökar värmeförlusterna i nätet samt att införskaffandet av nya pumpar endast för att hantera ett reservfall bedöms bli dyrt. Nya rör som kopplar samman områden med höga och låga differenstryck förbättrar också systemet men det bedöms på kort sikt inte vara lönsamt att implementera men kan kanske bli aktuellt i samband med framtida expansion av staden.  Optimeringen av driften i MODEST visar att det ur produktionskostnadsperspektiv är optimalt att använda det bioeldade kraftvärmeverket Moskogen så mycket som möjligt och sedan täcka upp med träpulver och därefter olja när det behövs. Optimeringen visar också att det både vid utnyttjande av förbikopplingen och vid normal drift är ekonomiskt lönsamt att minska på elproduktionen i Moskogen till fördel för ökad värmeproduktion under perioder när elpriset är lågt eller när olja annars måste användas för värmeproduktion. Denna åtgärd minskar även utsläppen av fossil koldioxid med upp till 250 ton koldioxid per år eftersom oljeanvändning kan ersättas med Moskogens biobränsle. Ett alternativt sätt att eliminera utsläpp av fossil koldioxid vore att ersätta oljan med ett förnybart alternativ, exempelvis RME. Detta medför dock i Kalmars fall att den årliga driftskostnaden ökar med 179 miljoner SEK per år eftersom RME i dagsläget är dyrare per MWh än den olja som idag används.

The access to ideal heating and power techniques has always been highly thought after.This is mainly due to the development in housing architecture and the cold nature of certain regions which has led to an increase in popularity of the heating market and modernised heating technologies. The current DH systems make use of CHP plants for thegeneration of power and electricity. These CHP plants for the most part, are powered through biomass and during winter periods the demand for heating is highly increased.The biggest issue with relying on biomass solely is the constant need to burn wasteproducts which not only results in increasing the demand for consuming in more waste,but also results in producing remains (by-products) that cannot be broken down further and hence might require the utilization of land-space (landfills) for their disposal. Solar modules on the other hand, have gained increased popularity in the recent age. This is mainly due their extremely high flexible ability in converting solar irradiance intoelectrical and thermal energies. This study will try to provide a comprehensive study intothe utilization of a hybrid solar system that combines a standard PV module with a flat-plate collector through estimating the energy demands for a simple housing within Sweden and China. This will be the main aim of the study, however the possibilities of integrating this hybrid solar system alongside current DH systems will mostly be discussed in the first sections to proof the possibility of executing such a system. The theoretical work carried out will only include simulations of having just separate,standalone PV and flat-plate collector modules. However, designing a hybrid solar and DH system will not be the major focus of this study. The results at the end of the report,concluded that the electrical production for the Swedish case were noticeably higher thanthat of the Chinese case in spite of maintaining the same load values through both cases and higher solar irradiation for the Chinese case. Due to PVsyst simulation constraints,the results show that the investment cost of the Swedish PV (electrical component) module was about 3.6 times greater than that of the Chinese which could possibly mean that the Swedish case has a bigger PV module area than the Chinese case in order to meetel ectricity demand monthly. However, when it came to the thermal energy production, it was possible to assume different collectors cases and hence an area of 7m2 was chosen for the Swedish perspective while an area of 4m2 has been considered for the Chinese case. The thermal useful energy values where then compared with heating demands for both of the cases. Finally, the thesis concluded that there was no requirement for having an integrated DH network within the standalone houses, having small electricity and heat demand and hence, it might be more beneficial to have an integrated DH and solar system within more densely populated housing areas. / Efterfrågan på tillgången till idealisk uppvärmning och effektiva tekniker har alltid varithög. Detta beror främst på utvecklingen inom arkitektur och den kalla naturen i vissaregioner som har lett till en ökad popularitet av värmemarknaden och moderniseradevärmeteknologiert. De nuvarande fjärrvärme-systemen använder kraftvärmeverk förproduktion av kraft och elektricitet. Dessa kraftvärmeanläggningar drivs till stor delgenom biomassa och under vinterperioderna ökar efterfrågan på uppvärmning mycket.Det största problemet med att förlita sig på biomassa enbart är det ständiga behovet avatt bränna avfallsprodukter som inte bara resulterar i att öka efterfrågan på konsumtionav fler avfallsprodukter utan också resulterar i att producera rester (biprodukter) sominte kan brytas ned ytterligare och därmed kan kräva användning av markutrymme fördeponering. solar-moduler å andra sidan har ökat popularitet under de senaste åren.Detta beror främst på deras extremt höga flexibla förmåga att konvertera solbestrålningtill elektrisk och termisk energi. Denna studie kommer att försöka tillhandahålla enomfattande studie av användningen av ett hybridsolsystem som kombinerar en standardPV-modul med en flatplate collector för att simulera en solar-modul samt caselera enfristående version genom att uppskatta energikraven för en enkel bostad i Sverige ochKina. Detta kommer att vara huvudmålet med studien, men möjligheterna att integreradetta hybrida solsystem tillsammans med nuvarande DH-system kommer mestadels attdiskuteras i de första avsnitten för att bevisa möjligheten att utföra ett sådant system. Detteoretiska arbetet som utförs kommer endast att innehålla simuleringar av att bara ha enfristående PV- och flatplate collector module, men att utforma ett hybrid sol- och DHsystemkommer inte att vara huvudfokus för denna studie. Resultaten i slutet avrapporten drog överraskande slutsatsen att den elektriska produktionen för den svenskacaselen var märkbart högre än den för den kinesiska caselen trots att de båda caselernabibehöll samma belastningsvärden och högre solbestrålning för den kinesiska caselen.Detta kan förklaras av skillnaden i modulpriser vid simulering genom PVsyst därinvesteringskostnaden för den svenska PV-modulen (elektrisk komponent) var ungefär3,6 gånger större än den för kinesiska, vilket innebär att PVsyst antar ett störremodulområde för svensk modul och därmed mer energiproduktion. Men när det kom tillvärmeenergiproduktionen, var det möjligt att anta olika samlarfall och följaktligen valdesett område på 7m2 för det svenska perspektivet medan ett område på 4m2 har beaktatsför den kinesiska och värmevärden för användbar energi där jämfördes sedan med dekrav som krävs för uppvärmning i båda fallen. Slutligen drog avhandlingen slutsatsen attdet inte fanns något krav på att ha ett integrerat DH-nätverk i de fristående husen ochdärför kan det vara mer fördelaktigt att ha ett integrerat DH och solsystem i tätarebebyggda bostadsområden.

<p>Fjärrvärmen utgör idag ungefär 12 % (48 TWh) av Sveriges totala energianvändning. Starka argument att använda fjärrvärme för att tillgodose bostäders och lokalers värmebehov är möjligheten att använda olika bränslen av skiftande pris och kvalitet, den goda verkningsgraden en centraliserad värmeanläggning erhåller samt fördelen med att kombinera produktionen av el och värme.</p><p>Halmstad energi och miljö (HEM), förser Halmstad och närområdet med fjärrvärme och total mängd producerad energi uppgick 2009 till 596 GWh. Avfall och biobränsle utgör den största produktionsandelen men även industriell spillvärme samt mindre mängder olja och naturgas används för att framställa värme.</p><p>Konkurrenssituationen för fjärrvärme är på många orter i det närmsta monopolistisk där en stor aktör äger hela marknaden. Det är viktigt att förbättra fjärrvärmesystemet för att i framtiden behålla dess konkurrenskraft. Följande rapport utreder och beskriver åtgärder för att göra ett redan befintligt fjärrvärmesystem mer effektivt.</p><p>Utifrån möten med personal på HEM har tio punkter presenterats, vilka utvärderar olika delmoment i Halmstads fjärrvärmesystem. Utifrån dessa punkter presenteras en ”kvalitetsstämpel” vilken beskriver hur väl HEM:s fjärrvärmesystem fungerar inom respektive delområde.</p><p>Slutsatsen av rapporten visar att förbättringspotential ur en energieffektiv synvinkel är möjlig men att de ekonomiska fördelarna är få.</p> / <p>District heating constitutes about 12 % (48 TWh) of the total energy usage in Sweden. Arguments for utilize district heating to provide housings and premises with heat are the possibility to use different kinds of fuels with various prices and quality, the good efficiency a centralized heating plant gives and the benefits of produce electricity and heat at the same time.</p><p>The energy company HEM supplies Halmstad and surrounding area with district heating and the produced amount of energy 2009 was 596 GWh. Waste and bio fuels constitutes the largest part of produced energy but also industrial lost heat and small amounts of oil and natural gas are used to produce heat.</p><p>The competitive situation for district heating is in many places close to monopolistic because only one major participant owns the market. It is important to improve a district heating system to maintain it’s ability to be competitive in the future. The following report investigates and describes interventions to make an already existing district heating system more efficient.</p><p>From meetings with personnel, ten items has been presented evaluating different elements in the district heating system of Halmstad. These elements also give a view of how well HEM:s district heating system works in different areas.</p><p>The conclusion of this report shows that the potential of a more energy efficient system is possible but the economical benefits are few.</p>

Intresset kring lågenergibyggnader blir allt större och så kallade passivhus, med god isolering, hög lufttäthet och värmeåtervinning, byggs i allt större utsträckning i Sverige och andra europeiska länder. Vissa frågetecken har dock uppkommit kring inomhusklimatet i husen och risken för både under- och övertemperaturer. En annan viktig aspekt är hur husens egenskaper påverkar värmelasterna och hur detta i sin tur påverkar energiförsörjningssystemet. I detta examensarbete undersöks dessa båda aspekter – värmelastegenskaper och innetemperaturer – i fyra likadana nybyggda flerbostadshus i Falkenberg. Mätvärden från husens tekniska system, inklusive lufttemperaturmätningar i samtliga lägenheter, analyseras. Husen består av totalt 108 lägenheter, värms med fjärrvärme och använder ca 50 kWh/m2 Atemp årligen. Värmelastegenskaperna kännetecknas framförallt av låga effektbehov för både uppvärmning och varmvatten samt relativt stora svängningar över dygnet. Husen tycks vara känsligare för variationer i interntillskott än konventionella hus, vilket leder till regelbundna svängningar i effektbehovet för uppvärmning, med en topp under natten och morgonen. Detta leder till förstärkta svängningar i fjärrvärmenätet, vilket skulle kunna undvikas med hjälp av effektstyrning. Passivhusens stora termiska tröghet talar för en sådan möjlighet. Även innetemperaturen uppvisar regelbundna dygnsvariationer, som kan vara något större än i vanliga hus. Låga temperaturer förekommer tidvis under vintern, men resultaten pekar inte på några brister i de tekniska systemen. Temperaturen på sommaren är inte högre än i andra hus, och övertemperaturer tycks inte vara något stort problem i dessa hus. Det kan dock finnas en möjlighet att minska risken för övertemperaturer ytterligare genom användning av nattkyla under varma perioder. Denna möjlighet kan vara ett sätt att utnyttja passivhusens speciella egenskaper för att ytterligare förbättra konceptet. / There is today an increasing interest in low-energy buildings, and the so-called “passive houses” are becoming increasingly popular in Sweden and other European countries. There are however some concerns regarding the indoor climate in these houses, notably the risk of too low indoor temperatures in the winter and too high temperatures in the summer. Another issue is the heat load characteristics of this type of buildings, and how these affect the energy systems. In this thesis, these two aspects – heat load characteristics and indoor temperatures – are analysed in four identical multi-family buildings in Falkenberg, Sweden, using measured values from the buildings’ technical systems and measured indoor air temperatures in all dwellings. The buildings are heated with district heating, comprise 108 dwellings in total and use approximately 50 kWh/m2 annually (space heating, hot water and electricity for building services). The heat loads are mainly characterised by low but varying heat demands for space heating and hot water. The buildings appear to have a higher than usual sensitivity for variations in heat from internal sources and solar gains, leading to regular variations in the heat demand for space heating and fluctuations in the total heat demand. These fluctuations, which may negatively affect the energy system, could be avoided by actively controlling the heat demand for space heating. There are also daily fluctuations in the indoor temperatures, but the buildings perform well in this aspect, with temperatures that stay within the acceptable range most of the time. The summer indoor temperatures do not get higher than in other buildings. A possibility for further improvement within this area could be the use of forced ventilation during the night in hot periods, and hence utilising the buildings’ well insulated and airtight building envelope to keep heat out during the day. This possibility might further improve the passive house concept.

Fjärrvärme täcker i dagsläget cirka 56 procent av energibehovet för uppvärmning och varmvatten i svenska bostadssektorn. Denna siffra förväntas minska i och med ökade energieffektiviseringsåtgärder och installationer av alternativa värmekällor. Det har blivit allt vanligare att både fastighetssektorn och olika miljöklassningssystem fokuserar på att minska mängden inköpt energi och ett sätt att göra detta på är att installera frånluftsvärmepumpar som ett komplement till fastighetens primära uppvärmningssystem. Det kommunalägda bostadsbolaget AB Stångåstaden planerar att utföra detta i flerbostadshus där FTX-system av flera anledningar inte är möjligt att installera. Installationen är aktuell i fastigheter som i dagsläget har frånluftsventilation och självdrag samt är högre än tre våningar.Installationen kommer att påverka den lokala fjärrvärmeleverantören Tekniska verken AB och då även de är kommunalägda finns det ett intresse i att utreda de effekter som frånluftsvärmepumparna kommer att ha på de båda företagen samt på kommunen i stort. Därför ämnar denna rapport till att påvisa effekterna av installationen av frånluftsvärmepumpar som komplement till fjärrvärme ur ett ekonomiskt, miljö- och resursmässigt perspektiv. I den här rapporten syftar resurs till den primärenergianvändning som sker till följd av förändrad fjärrvärme- och elanvändning vid installation av frånluftsvärmepumpar.Detta har gjorts genom att undersöka två befintliga fastigheter där frånluftsvärmepumpar nyligen installerats och modellera dem i programmet BV2. Där undersöks hur värmeanvändningen förändras då frånluftsvärmepumpen tillåts att drivas utifrån följande sex driftfall; 1. Frånluftsvärmepumpen går året runt 2. Frånluftsvärmepumpen går mellan december och februari 3. Frånluftsvärmepumpen går mellan oktober och april 4. Frånluftsvärmepumpen startar då utetemperaturen understiger -4˚C 5. Frånluftsvärmepumpen startar då utetemperaturen understiger +1˚C 6. Frånluftsvärmepumpen startar då utetemperaturen understiger +5˚C Dessa är framtagna med avseende på Tekniska verkens säsongsbaserade fjärrvärmepris samt på ungefärliga utetemperaturer då marginalproduktionen för fjärrvärmen skiftar bränsle. Dessa kommer även att jämföras med ett referensfall då enbart fjärrvärme täcker fastigheternas värmebehov.Förändringen i fastigheternas fjärrvärmebehov simulerades sedan i Tekniska verkens energiplaneringssystem för att se hur värme- och elproduktionen påverkades. Genom detta erhölls underlag för att kunna ta fram de ekonomiska, miljö- och primärenergimässiga effekterna som uppkommer i och med frånluftsvärmepumpens drift.Utifrån detta kan det konstateras att frånluftsvärmepumpar inte är en lönsam energieffektiviseringsåtgärd för Tekniska verken, Stångåstaden eller Linköpings kommun. Prisbilden och bränslesammansättningen för fjärrvärme i Linköping ger inte frånluftsvärmepumparna potential till att vara lönsam utifrån något av de tre kriterierna ekonomi, miljö och resurs. De mest fördelaktiga driftfallen fås för alla parter då frånluftsvärmepumpen får starta mellan en och minus fyra grader. Detta ger som bäst kommunen en ekonomisk förlust på cirka 1,6 Mkr för Fastighet A och 2,8 Mkr för Fastighet B över en tidsperiod på tjugo år, vilket bedöms vara värmepumpens ekonomiska livslängd. Förlusten beror till störst del på de höga investeringskostnaderna som frånluftsvärmepumparna medför, men också på den prisbild som är satt för fjärrvärme i Linköping.Genom att temperaturstyra frånluftsvärmepumpen ges också störst potential till att minska utsläppsintensiv marginalproduktion av fjärrvärme och genom det också ge minskade globala växthusgasutsläpp i jämförelse med att enbart använda fjärrvärme. Merparten av driftfallen ger dock ökade utsläpp i jämförelse med referensen. Anledningen är till stor del den höga andel avfallsbränsle som finns i Tekniska verkens produktionsmix. Minskad fjärrvärmeproduktion minskar även Tekniska verkens elproduktion vilken antas täckas upp av en mer utsläppsintensiv europeisk marginalproduktion.iiDet finns inget av de valda driftfallen som minskar användningen av den primärenergi som krävs vid värmeproduktionen och anledningen är återigen att den ökade elanvändningen värderas med en högre faktor än vad avfallsbaserad fjärrvärme gör.Frånluftsvärmepumparna är på båda fastigheterna installerade på fastighetens radiatorretur och trots den bevisat förhöjda returtemperaturen som sker på fjärrvärmenätet så bedöms detta inkopplingsalternativ som det mest effektiva sätt att utföra installationen på för att erhålla bäst värmefaktor, driftkostnad och grundinvestering.Trots att inget av de analyserade driftfallen gav en entydig förbättring ur kriterierna ekonomi, miljö och resurs i jämförelse med referensfallet lyckades ändå mängden inköpt energi minskas i samtliga fall. Detta kan ses som en indikation på att de mål om minskad inköpt energi som sätts inom branschen kan behöva revideras, då exempelvis en av de primära anledningarna till dessa mål är att minska koldioxidutsläppen.

This thesis considers the composition of the daily heat load in six Swedish district heating systems supplying heat for space heating and hot water supply. The analysis was performed by bringing together a heat load model and series of daily heat load observations covering periods ranging from five to eleven years. The influences of transient heat transmission, solar gain, and wind infiltration are found to be significant but small. It is shown that a natural self control of water radiators affects the magnitude of these influences when the control systems are incomplete. The annual fraction of each heat load component, the composition of the heat load duration graph, and the long term changes in heat consumption are presented. Furthermore, the heat load composition estimated facilitates future heat load simulations in order to quantify the outcome of various energy conservation measures with respect to reductions in design heat load and annual heat demand.

Main goal of this work is to establish background for improvement of forecasting and planning of heat market for district heating through defining functional relations between heat consumption versus internal and external factors.

Cette étude concerne un système de stockage d’énergie thermique par changement de phase, de type tubes et calandre et destiné à être raccordé à la sous-station d’un réseau de chaleur. Le travail s’axe autour des transferts thermiques dans le MCP et du régime de convection dans le fluide caloporteur.La première étude expérimentale s’attache à montrer l’importance des inserts à l’intérieur du tube où circule le fluide caloporteur, pour sortir des régimes de convection mixte défavorables au système. Deux tubes ailettés sont testés avec deux types d’insert différents. Les inserts testés sont cylindriques et hélicoïdaux. Les performances thermiques sont meilleures avec ces derniers. Les tubes ont des densités d’ailettes suffisamment élevées pour que les transferts thermiques par convection, dans le MCP, soient négligeables. Une approche analytique a permis d’estimer les conductivités thermiques effectives dans le MCP au contact des ailettes à partir des résultats expérimentaux. Elles sont estimées à 7,4 et 10,9 W/m/K pour des densités d’ailettes de 7 et 10 fpi respectivement.La seconde campagne expérimentale se penche sur des géométries d’échangeurs novatrices : des tubes équipés soit d’une mousse stochastique en cuivre, soit d’une mousse régulière en aluminium. Les conductivités thermiques effectives sont estimées à 13,4 et 39,5 W/m/K respectivement. Le potentiel de ces échangeurs est mis en avant à travers des comparaisons avec d’autres géométries d’échangeurs. En particulier, l’échangeur à mousse de cuivre permet de transférer plus d’énergie en un temps plus court qu’un échangeur à ailettes radiales en cuivre, bien que la quantité de cuivre dans la mousse soit moindre que dans les ailettes.Enfin, un modèle numérique de CFD 2D-axisymétrique est validé expérimentalement. Ce modèle confirme que la convection naturelle a une influence négligeable sur les performances thermiques à l’échelle du système, mais qu’elle joue un rôle dans la forme du front de fusion entre et en périphérie des ailettes. / This study is about a shell and tubes latent heat thermal energy storage system. This system is expected to be integrated in a district heating network substation. Heat transfers inside the PCM as well as convection flow regime inside the heat transfer fluid are investigated.A first experimental study aims at demonstrating the necessity of internal insert inside the tubes in order to avoid mixed convection flow regime. Two highly finned tubes as well as two inserts are tested. Inserts are either cylindrical or helical. Better thermal performances are obtained with the helical one. Besides, it is shown that free convection, between the fins is negligible. Effective thermal conductivities are estimated with an experimental and analytical approach at 7.4 and 10.9 W/m/K for the 7 fpi and the 10 fpi tube.A second test campaign is carried out with metallic foams. The first one is stochastic and in copper while the second one is regular and in alumina. Effective thermal conductivities are around 13.4 and 39.4 W/m/K respectively. The copper foam heat exchanger is shown to be better than a copper finned tube in terms of stored energy and thermal power, whereas only half the mass of the fins is used in the foam.Eventually a CFD numerical model is experimentally validated. This model shows that free convection inside the PCM is negligible on the overall thermal performances even though it modifies the solid/liquid interface shape locally.