På uppdrag av Sundsvall Energi AB har FVB Sverige AB påbörjat en förstudie kring etableringen av fjärrkyla i Sundsvall. Produktionsmedlen i det planerade nätet kommer att innefatta frikyla från akviferen och en kompressordriven kylmaskin. Det övergripande syftet med projektet har dels varit att ta fram en optimal framledningskurva, samt att ta reda på i vilken utsträckning frikylan kan nyttjas innan kylmaskinen måste användas som spetsproduktionsmedel. Projektet har inledningsvis fokuserat på att undersöka hur klimatet och kylbehovet ser uti Sundsvall. Kylbehovet granskades utifrån sex befintliga byggnader som nyttjar dricksvattenkyld fjärrkyla i Sundsvall. Därefter undersöktes olika typer av klimatsystem för att utröna vad de har för krav på framledningstemperaturen. Det konstaterades att kylbatterier var den komponent som kräver lägst framledningstemperatur, varför kyleffektberäkningar utfördes på dem. Resultatet ur kylbatteriberäkningarna fick motsvara den av fjärrkylenätet avgivna kyleffekten vid varierande utomhustemperatur. Genom att väga den avgivna kyleffekten vid varierande framledningstemperatur mot det erforderliga kyleffektbehovet vid varierande utomhustemperatur kunde framledningskurvan ta form. Akviferen antas hålla en temperatur på omkring 7°C till 9°C året runt, men utgångspunkten i detta projekt har varit att den konstant är 9°C. Under de förutsättningarna har framledningstemperaturen kunnat bestämmas till att vara 11°C under större delen av året, men att den sänks vid en utomhustemperatur på omkring 21°C i varierande grad ned till 6°C vid utomhustemperaturen 25°C. Med hjälp av framledningskurvan kunde därefter frikylans täckningsgrad bedömas. Resultatet visar att om framledningens temperatur höjs med 0,5–1,0°C i distributionsnätet kommer kylmaskinen att behöva vara i drift under 159 timmar per år. Om istället uppvärmningen blir 1,5° eller 2,0°C kommer kylmaskinen behöva vara i drift under 233 timmar respektive 325 timmar. Sammantaget har samtliga av projektets konkreta och verifierbara mål besvarats. / On behalf of Sundsvall Energi AB, FVB Sverige AB has initiated a preliminary study on the establishment of a district cooling system in Sundsvall. The main source for the cooling will be cool water drawn from the aquifer and a compressor chiller. The main purpose of this project has both been to provide the optimal supply temperature of the cooling network at different outdoor temperatures, and to find out to what extent the cool water from the aquifer can be used by itself as the cooling source. The project was initially focused on examining the climate and cooling demand in Sundsvall. The cooling demand was examined on the basis of six existing buildings that uses freshwater district cooling, and different types of climatesystems were then examined to ascertain what their requirements for the supply temperature are. Cooling coil batteries were found to be the component that requires the lowest supply temperature; therefore, the cooling power calculations were relied on them. The outcome of the cooling coil battery calculations was presumed to correspond to the cooling power of the network itself. By comparing the cooling power of the coil batteries at different supply temperatures and the cooling demand at different outdoor temperatures the main supply temperature for the district cooling network took shape. The aquifer is expected to maintain a temperature of approximately 7°C to 9°C, but in this project the temperature is set to exactly 9°C. On those premises the supply temperature of the cooling network could be set to 11°C for most of the year, but with a reduction of the supply temperature at outdoor temperatures around 21°C. Subsequently the supply temperature is reduced to 6°C at the outdoor temperature 25°C. Via the supply temperature curve, the aquifer cooling coverage ratio could be assessed. The result shows that if the supply temperature is raised between 0,5°C and 1,0°C in the distribution network the compressor chiller will have to be in operation for 159 hours per year. If instead the supply temperature is raised 1,5°C or 2,0°C, the compressor chiller must be in operation for 233 hours and 325 hours, respectively. In summary, all the goals and targets of the project have been completed.

I Sverige är fjärrvärme den vanligaste uppvärmningsformen. Vatten värms upp i en fjärrvärmeanläggning och distribueras genom nedgrävda rör i marken, också kallat fjärrvärmenätet. En tillförlitlig energimodell anses vara ett bra och viktigt hjälpmedel för analyser av värmeförluster som uppstår i ett fjärrvärmenät vid distribueringen av det heta vattnet. Sandviken Energis styrning av framledningstemperaturen sker idag utifrån en inställd styrkurva som tar hänsyn till vad det är för utetemperatur. Det var av intresse för studien att jämföra denna styrning med en simulerad framledningstemperatur och identifiera övertemperaturer i Sandviken Energis fjärrvärmenät i Sandviken. Detta gjordes utifrån att undersöka hur olika faktorer påverkade värmebehovet. De påverkande faktorer som studerats i detta examensarbete var följande: utetemperatur, månad, tid på dygnet och vindhastighet. Mätdata gällande valda påverkande faktorer hämtades för perioderna 2015 till och med 2019, analyserades och indelades för att se deras påverkan på värmelasten. Utifrån indelningen av faktorerna utvanns ekvationer från deras effektkurvors trendlinjer. Ekvationerna användes för att skapa en simuleringsmatris för styrningen. En egenskapad masterekvation simulerade den ideala styrningen utifrån simuleringsmatrisen och de krav på påverkande faktorer som ställs av ett exempel-år. Den ideala styrningen beräknades om till en ideal framledningstemperatur och jämfördes därefter med den verkliga framledningstemperaturen. Tillsammans med en värmeförlustsimulering i NetSim, som resulterade i vad sparad energi per grad är värd, kunde besparingspotentialen beräknas. Resultatet visar på att en besparingspotential på 261 MWh är möjlig att uppnå vid en sänkning av framledningstemperaturen för att utesluta övertemperaturer i fjärrvärmenätet, vilket är en minskning med ca 1,8 % jämfört med det verkliga året. Detta skulle motsvara en besparing på ca 70 000 SEK genom en förändring av styrningen. En minskad framledningstemperatur kommer påverka resten av systemet positivt, bland annat för att returtemperaturen kommer minska, rökgaskondenseringens och pannornas effektivitet öka samt minskade utsläpp i form av bland annat CO2, för att nämna några exempel. / In Sweden district heating is the most common form of heating. Water is heated in a district heating plant and distributed through buried pipelines in the ground, also called the district heating network. A reliable energy model is considered to be a good and important tool for analysis of heat losses that occur in a district heating network when the hot water is distributed. Sandviken Energi’s control of the supply temperature is based today on a set control curve that takes into account what the outdoor temperature is. It was of interest to this study to compare this control with a simulated supply temperature and identify overtemperatures in Sandviken Energi’s district heating network in Sandviken. This was done on the basis of examining how different factors affected the heat demand. The influencing factors studied in the thesis were the following: outdoor temperature, month, time of day and wind speed. Measurement data on selected influencing factors were collected for the periods 2015 through 2019, analyzed and subdivided to see their effect on the heat load. From the subdivision of the factors, equations were extracted from the trend lines of their effect curves. The equations were used to create a simulations matrix for the control. A custom master equation simulated the ideal control based on the simulation matrix and the demands on influencing factors set by an example year. The ideal control was recalculated to an ideal supply temperature and then compared with the actual supply temperature. Together with a heat loss simulation in NetSim, which resulted in what energy saved per degree is worth, the savings potential could be calculated. The result shows that a saving potential of 261 MWh is possible to achieve by lowering the supply temperature to exclude excess temperatures in the district heating network, which is a decrease of about 1.8 % compared to the real year. This would correspond to a savings of about 70 000 SEK through a change in control. A reduced supply temperature will have a positive impact on the rest of the system, including reducing the return temperature, increasing the efficiency of flue gas condensation and boilers, and reducing emissions such as CO2, to name a few examples.

Försmutsning av plattvärmeväxlare i fjärrvärmecentraler minskar avkylningen av det cirkulerande vattnet i fjärrvärmenätet. Detta ökar behovet av värmeproduktion i fjärrvärmeverket vilket medför ökade utsläpp av växthusgaser. Mängden försmutsning beror på vattnets kvalitet och material i systemet. I denna studie undersöks prestandaförändring av värmeväxlare i fjärrvärmecentraler för småhus före och efter rengöring samt för en ny värmeväxlare. Prestandan mäts i laboratorium genom att mäta temperaturer på in- och utlopp på värmeväxlaren vid bestämda flöden. Utvärderingen inkluderar prestandaförändring för UA-värdet, Temperaturverkningsgrad, Effektivitet NTU och möjlig påverkan på växthusgasutsläpp från Borlänge Energis fjärrvärmesystem. En osäkerhetsanalys genomfördes för att bestämma de teoretiska osäkerheterna.Resultaten från studien visar att rengöring av småhusvärmeväxlare med CIP-metoden har en viss effekt på både tappvattenvärmeväxlaren och värmeväxlaren. För värmeväxlaren är förändringen liten där ökningen på UA-värdet ligger mellan 10–202 W/˚C jämfört med tappvattenvärmeväxlaren där det ligger mellan 205–870 W/˚C. Störst effekt har rengöringen på tappvattenvärmeväxlaren vid högre flöde. Värmeöverföringen är likvärdig för en ny värmeväxlare och den rengjorda.En sänkt returtemperatur från fjärrvärmecentraler leder till en förbättrad verkningsgrad på fjärrvärmeverket som bidrar till en minskning av mängden växthusgasutsläpp. Enligt de resultat och beräkningar utförda i studien kan genom rengöring returtemperaturen minskas med 2,3 ˚C ±0,4 % från fjärrvärmecentralerna i småhus till Borlänge Energis fjärrvärmenät.Rengöring av tappvattenvärmeväxlare kan vara ett alternativ till att byta ut mot en ny för småhusägaren, med förutsättning att priset för rengöring är lägre än att köpa en ny och att fjärrvärmesystemet har flödesavgift. Detta gäller dock inte värmeväxlaren för värme där skillnaden i värmeöverföring mellan en smutsig och ny eller rengjord är marginell. / Fouling of plate heat exchangers in district heating substations reduces the cooling of circulating water in the district heating network. This increases energy production at the district heating plant, which results in increased greenhouse gas emissions. The amount of fouling depends on the quality of the water and material in the system. This study evaluates the performance change of heat exchangers in district heating substations for residential housing before and after cleaning, and new heat exchangers. Performance is measured in the laboratory by measuring temperatures before and after cleaning at specified flows. The evaluation includes performance change of UA-value, Temperature efficiency, Effectiveness NTU and possible impact on greenhouse gas emissions from Borlänge Energi's district heating system.The results of the study show that cleaning of residential heat exchangers with the CIP method has a certain effect on both the tap water heat exchanger and the heat exchanger. For the heat exchanger, the improvement in performance is small where the UA-value increases between 10-202 W/˚C compared to the tap water heat exchanger where it is between 205-870 W/˚C. The highest effect is the cleaning on the tap water heat exchanger at higher flow. The heat transfer is equivalent for a new heat exchanger and the cleaned one.Reduced return temperature from the district heating network leads to an improved efficiency at the district heating plant, which contributes to a reduction in the amount of greenhouse gas emissions. According to the results and calculations performed in the study, by cleaning the return temperature can be reduced by 2,3 ˚C ± 0.4% from the district heating substations in residential houses to Borlänge Energy's district heating network.Cleaning of tap water heat exchangers can be an alternative to switching to a new one for the homeowner, provided that the price for cleaning is lower than buying a new one and that the district heating system has flow rate tariff. However, this does not apply to the heat exchanger where the difference in heat transfer between one with fouling and a new or cleaned is marginal.

Bei der Auslegung und Überprüfung der Betriebsweise von Fernwärmesystemen (FWS) ist eine Analyse der gesamten Prozesskette eines FWS – Erzeugung, Verteilung und Übergabe – notwendig, um eine bestmögliche Gestaltung derselben zu erreichen. Einen Ansatz zur Optimierung der Betriebsweise bietet die Modifikation des Fernwärmetemperaturniveaus, dem in der Fernwärmebranche bezüglich der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems eine große Bedeutung beigemessen wird. Allgemeingültige Aussagen zur Höhe dieses Einflusses lassen sich aufgrund der unterschiedlich gestalteten FWS, insbesondere für Teillastbedingungen, nicht treffen. Die vorliegende Arbeit behandelt den Einfluss des Fernwärmetemperaturniveaus auf die Effizienz thermodynamischer Prozesse in Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Anlagen) mit Dampfturbinen sowie auf den Transportaufwand des Fernwärmewassers. Zu diesem Zweck werden die Grundlagen und der Stand des Wissens sowie wesentliche Zusammenhänge zwischen den Optimierungsstrategien und dem Fernwärmetemperaturniveau formuliert. Zur Ermittlung des elektrischen Eigenbedarfs für den Transport des Fernwärmewassers wird eine hydraulische Untersuchung vorgestellt und anhand unterschiedlicher Wärmenetzstrukturen diskutiert. Für die weitere Analyse von KWK-Anlagen mit Dampfturbinen werden methodische Hinweise und Grundlagen zur Modellierung ausgearbeitet, die anschließend auf real existierende typische KWK-Anlagen angewendet werden. Dies sind eine Gegendruckanlage, ein Kombikraftwerk und eine Entnahme-Kondensations-Anlage. Zur Modellüberprüfung werden Mess- und Simulationswerte von ausgewählten Lastgängen sowie für den gesamten Lastbereich gegenübergestellt. Zur Bewertung der Energieeffizienz von FWS unter Berücksichtigung des Fernwärmetemperaturniveaus werden zwei Methoden abgeleitet. Eine differentielle, auf den Lastpunkt bezogene Bewertung mittels temperaturabhängiger Kraftwerkskennlinien und eine integrative Bewertung, bei der unterschiedliche Betriebsweisen über einen definierten Zeitraum einbezogen werden. An ausführlichen Beispielen werden deren Anwendung und Eignung sowie der Einfluss des Fernwärmetemperaturniveaus diskutiert. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit von 3 ausgewählten Maßnahmen durch Anwendung der integrativen Bewertung vorgestellt. / In order to achieve the best possible end-to-end design of a district heating system, any dimensioning and examining of operating regimes of district heating systems requires an analysis of the entire process chain ranging from generation via distribution to heat delivery. One of the options to optimise an operating regime is to modify the district heating temperature level, a parameter to which great importance is attached in the district heating industry with a view to the economics of the overall system. The differences in the design of district heating systems do not allow issuing any universally valid statements on how strong this influence is, especially for conditions of part load. The present paper looks into the influence of the district heating temperature level on the efficiency of thermodynamic processes in combined heat and power (CHP) plants using steam turbines, and on the expenditure of district heating water transport. For this purpose, it states the fundamentals and current level of knowledge, as well as important connections between the optimisation strategies used and the district heating temperature level. In view of calculating the auxiliary power required to transport district heating water, a hydraulic analysis will be presented and discussed, with several different structures of district heating systems being used for illustration. For a more advanced analysis of CHP plants using steam turbines, methodological information and modelling basics will be described and then applied to typical CHP plants existing in reality. These are a backpressure plant, a combined-cycle gas turbine plant and an extraction condensing plant. To validate the model, measured and simulated data of selected load cycles as well as the entire load range will be compared. Two methods of assessing the energy efficiency of district heating systems in consideration of the district heating temperature level will be derived: a differential assessment related to the duty point and using temperature-dependent power plant characteristic curves, and an integrative assessment where several different operating regimes are included over a pre-defined period of time. Detailed examples will be discussed to illustrate the application and suitability of these assessments as well as the influence of the district heating temperature level. Finally, the economics of selected steps applying the integrative assessment will be highlighted.

Bei der Auslegung und Überprüfung der Betriebsweise von Fernwärmesystemen (FWS) ist eine Analyse der gesamten Prozesskette eines FWS – Erzeugung, Verteilung und Übergabe – notwendig, um eine bestmögliche Gestaltung derselben zu erreichen. Einen Ansatz zur Optimierung der Betriebsweise bietet die Modifikation des Fernwärmetemperaturniveaus, dem in der Fernwärmebranche bezüglich der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems eine große Bedeutung beigemessen wird. Allgemeingültige Aussagen zur Höhe dieses Einflusses lassen sich aufgrund der unterschiedlich gestalteten FWS, insbesondere für Teillastbedingungen, nicht treffen. Die vorliegende Arbeit behandelt den Einfluss des Fernwärmetemperaturniveaus auf die Effizienz thermodynamischer Prozesse in Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Anlagen) mit Dampfturbinen sowie auf den Transportaufwand des Fernwärmewassers. Zu diesem Zweck werden die Grundlagen und der Stand des Wissens sowie wesentliche Zusammenhänge zwischen den Optimierungsstrategien und dem Fernwärmetemperaturniveau formuliert. Zur Ermittlung des elektrischen Eigenbedarfs für den Transport des Fernwärmewassers wird eine hydraulische Untersuchung vorgestellt und anhand unterschiedlicher Wärmenetzstrukturen diskutiert. Für die weitere Analyse von KWK-Anlagen mit Dampfturbinen werden methodische Hinweise und Grundlagen zur Modellierung ausgearbeitet, die anschließend auf real existierende typische KWK-Anlagen angewendet werden. Dies sind eine Gegendruckanlage, ein Kombikraftwerk und eine Entnahme-Kondensations-Anlage. Zur Modellüberprüfung werden Mess- und Simulationswerte von ausgewählten Lastgängen sowie für den gesamten Lastbereich gegenübergestellt. Zur Bewertung der Energieeffizienz von FWS unter Berücksichtigung des Fernwärmetemperaturniveaus werden zwei Methoden abgeleitet. Eine differentielle, auf den Lastpunkt bezogene Bewertung mittels temperaturabhängiger Kraftwerkskennlinien und eine integrative Bewertung, bei der unterschiedliche Betriebsweisen über einen definierten Zeitraum einbezogen werden. An ausführlichen Beispielen werden deren Anwendung und Eignung sowie der Einfluss des Fernwärmetemperaturniveaus diskutiert. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit von 3 ausgewählten Maßnahmen durch Anwendung der integrativen Bewertung vorgestellt. / In order to achieve the best possible end-to-end design of a district heating system, any dimensioning and examining of operating regimes of district heating systems requires an analysis of the entire process chain ranging from generation via distribution to heat delivery. One of the options to optimise an operating regime is to modify the district heating temperature level, a parameter to which great importance is attached in the district heating industry with a view to the economics of the overall system. The differences in the design of district heating systems do not allow issuing any universally valid statements on how strong this influence is, especially for conditions of part load. The present paper looks into the influence of the district heating temperature level on the efficiency of thermodynamic processes in combined heat and power (CHP) plants using steam turbines, and on the expenditure of district heating water transport. For this purpose, it states the fundamentals and current level of knowledge, as well as important connections between the optimisation strategies used and the district heating temperature level. In view of calculating the auxiliary power required to transport district heating water, a hydraulic analysis will be presented and discussed, with several different structures of district heating systems being used for illustration. For a more advanced analysis of CHP plants using steam turbines, methodological information and modelling basics will be described and then applied to typical CHP plants existing in reality. These are a backpressure plant, a combined-cycle gas turbine plant and an extraction condensing plant. To validate the model, measured and simulated data of selected load cycles as well as the entire load range will be compared. Two methods of assessing the energy efficiency of district heating systems in consideration of the district heating temperature level will be derived: a differential assessment related to the duty point and using temperature-dependent power plant characteristic curves, and an integrative assessment where several different operating regimes are included over a pre-defined period of time. Detailed examples will be discussed to illustrate the application and suitability of these assessments as well as the influence of the district heating temperature level. Finally, the economics of selected steps applying the integrative assessment will be highlighted.

This thesis presents work on a holistic approach for improving the overall design of solar cooling systems driven by solar thermal collectors. Newly developed methods for thermodynamic optimization of hydraulics and control were used to redesign an existing pilot plant. Measurements taken from the newly developed system show an 81% increase of the Solar Cooling Efficiency (SCEth) factor compared to the original pilot system. In addition to the improvements in system design, new efficiency factors for benchmarking solar cooling systems are presented. The Solar Supply Efficiency (SSEth) factor provides a means of quantifying the quality of solar thermal charging systems relative to the usable heat to drive the sorption process. The product of the SSEth with the already established COPth of the chiller, leads to the SCEth factor which, for the first time, provides a clear and concise benchmarking method for the overall design of solar cooling systems. Furthermore, the definition of a coefficient of performance, including irreversibilities from energy conversion (COPcon), enables a direct comparison of compression and sorption chiller technology. This new performance metric is applicable to all low-temperature heat-supply machines for direct comparison of different types or technologies. The achieved findings of this work led to an optimized generic design for solar cooling systems, which was successfully transferred to the market.