En stor andel av Sveriges bostäder och lokaler är beroende av fjärrvärmeleveransen. Energimyndigheten i Sverige påtalar att störningar och avbrott i fjärrvärmevärmeleveransen kan leda till allvarliga konsekvenser för individer och samhällsviktiga funktioner. Höga krav ställs på fjärrvärmesystemen som förväntas kunna leverera en trygg energiförsörjning till alla kunder, oavsett tid på dygnet. En viktig åtgärd för att öka leveranskvaliteten i fjärrvärmesystem är att säkerställa tillgängligheten på produktionsanläggningar.   Energibolaget Sandviken Energi AB (SEAB) arbetar aktivt med frågeställningar som rör leveranssäkerhet i fjärrvärmesystem. SEAB har genom energikonsultbolaget FVB Sverige AB anlitat en praktiserande student för att undersöka hur leveranssäkerheten i Sandvikens fjärrvärmenät kan öka med hjälp av två externa samt en mobil panncentral. I studien riktades fokuset på prioriterade kunder, leveranskvalitet samt risker i fjärrvärmesystemet.   Tillvägagångssättet i studien karaktäriseras av en simulering och optimeringsstrategi till vilket beräkningsverktyget NetSim använts. Simuleringarna baserades delvis på bedömda risker i fjärrvärmenätet, framtagna i intervjuer med nyckelpersoner inom SEAB. Utifrån riskbedömningen har sex olika driftscenarier konstruerats och simulerats i ett flertal olika temperaturfall. Scenarierna representerar driften av produktionsenheterna och innehåller bland annat ett basscenario då alla produktionsenheter i nätet fanns tillgängliga. I resterande scenarier simulerades konsekvenserna av driftstörningar i anläggningens olika produktionsenheter.   Resultaten från studien visade på en fullgod värmeleverans i alla temperaturfall i fyra av sex driftscenarier. I två av driftscenarierna var den tillförda värmeeffekten för låg för att tillgodose kundernas behov fullt ut. En av slutsatserna som drogs var att när huvudproduktionen i nätet ej fanns tillgänglig, räckte inte värmeeffekten i nätet till för att försörja alla kunder vid alla temperaturfall. / A large proportion of Sweden's homes and premises depend on district heating delivery. The Swedish Energy Agency points out that disruptions and interruptions in district heating supply can lead to serious consequences for individuals and socially important functions. An important measure to increase the delivery quality in district heating systems is to ensure the availability of production facilities.    Through the energy consulting company FVB Sverige AB, Sandviken Energi AB (SEAB) has hired a practicing student to investigate how delivery security in Sandvikens district heating network can increase with the help of two external and a mobile boiler plant. The study focused on prioritized customers, delivery quality and risks in the district heating system.    The approach in the study is characterized by a simulation and optimization strategy for which the calculation tool NetSim has been used. The simulations were partly based on assessed risks in the district heating network, developed in interviews with key people within SEAB. Based on the risk assessment, six different operating scenarios have been constructed and simulated in a number of different temperature cases. The scenarios represent the operation of the production units and contain, among other things, a base scenario when all production units in the network were available. In the remaining scenarios, the consequences of operational disruptions in the plant's various production units were simulated.    The results from the study showed a satisfactory heat delivery in all temperature cases in four of six operating scenarios. In two of the operating scenarios, the added heat output was too low to fully meet customers' needs. One of the conclusions drawn was that when the main production in the network was not available, the heat output in the network was not sufficient to supply all customers in all temperature cases.

Vid val utav uppvärmningssystem för ett småhus är det viktigt att väga in för ochnackdelar, eftersom alla system är bra på olika sätt. Vilket system kommer är mestlämpligt utifrån husets egenskaper och behov?I detta exmenserbete jämförs fjärrvärme, bergvärmepump och frånluftsvärmepump påett utvalt nyproducerat småhus. Resultatet ska baseras på systemets kostnad, livslängd,underhåll och miljöpåverkan.Resultatet har visat att för detta specifika småhus, har frånluftsvärmepumpen varitdominerande i de utförda kalkylerna. / When choosing a heating system for a house it is important to weigh in the different prosand cons, because every system is good in its own way. Which heating system may be ofinterest, depending on the conditions of the house and its requirements?This thesis will compare district heating, geothermal heating and exhaust air heating on aspecific brand new house. The result will base on the heating systems costs, lifetime,maintenance and environmental impact.The result has proven that for this particular house, the exhaust air heating pump hasbeen dominant in the calculations performed.

The integration of a solar thermal system into a district heating network can be a cost-effective solution, especially for new low-energy residential areas. Because of this, many new small solar district heating systems are built at the same time as the buildings, allowing for a more holistic approach to the design and construction. In doing so, it is possible to optimise the integration of the solar thermal system with respect to both cost and technical layout. This thesis presents studies that aim to investigate the most energy efficient distribution concept for successful implementation of solar district heating technology. An existing solar assisted district heating system is modelled in simulation software and the distribution system is varied in order to find out whether there is a more energy efficient option. Three system concepts are investigated: 1. A Hybrid system using a combination of high-temperature, conventional steel pipe primary culvert, intermediate substations containing solar buffer stores and a low-temperature, EPSPEX secondary culvert with DHW-circulation (so-called GRUDIS).2. A Conventional distribution system with steel pipes, higher operating temperatures and centralized solar buffer stores.3. An All GRUDIS system, using only EPSPEX distribution with DHW-circulation, lower operating temperatures and centralized solar buffer stores.A sensitivity analysis is performed by simulating the three different distribution system for various linear heat densities, with the added objective of detecting any range-bound limitations of the different distribution systems. Results indicate that both the hybrid and All GRUDIS distribution concept is preferable to conventional DH distribution regardless of the network heat density. The hybrid concept seems preferable in denser district heating networks, but results are inconclusive regarding the best concept for sparser networks. Preliminary economic considerations show that the initial investment costs may be reduced by changing from a Hybrid to an All GRUDIS distribution concept, although a more detailed analysis is needed to draw conclusions about the most economical solution.Keywords: District heating, solar thermal, simulation, renewable energy, 4DH. / <p>Licentiate thesis; Accession Number: crp.8240e9e6.fbe5.423b.98bd.d846b0eeb3ab; Publication Type: Thesis; Language: English</p>

District heating is considered an environmentally friendly, efficient and cost-effective way of providingheat to buildings but even so, the industry will be facing several challenges in the upcoming years. Acombination of higher operating costs, growing demand, competition from alternative heatingtechnologies, national and international climate and energy goals and the need for transparency towardscustomers places high requirements on many thermal energy suppliers. One path to try to meet many ofthe demands is to introduce heat load control in the shape of thermal inertia in buildings as a short-termthermal energy storage. Several pilot tests have been performed in the matter but no study regardinglarge scale implementation and effects on the network has been performed. Adding to this, severaldifferent thermal energy suppliers are developing similar technologies alongside each other but there iscurrently no documentation on different approaches on the matter.Stockholm Exergi, a thermal energy supplier in Stockholm, have just started a project regarding heatload control and wanted deeper understanding in the matter. The overall purpose of this thesis hastherefore been to evaluate how heat load control could be performed successfully by Stockholm Exergito continue to promote competitive and sustainable delivery of district heat. This was done throughanalysis of other heat load control projects which resulted in eight key performance indicators. Thesewere; revenue, costs, fuel mix, greenhouse gas emissions, customer satisfaction, energy demand,available capacity and peak load. The key performance indicators were used to evaluate one ongoingtest run of heat load control performed by Stockholm Exergi to determine the profitability of theapproach. The test consisted of a control period of three hours in four buildings. The base of the studyconsists of a literature study and interviews performed both internally and externally.From the data analysis it was concluded that the energy savings due to heat load control were between13-19% for the individual buildings. The average total energy saving compared the entire day was 15.8%and the average total energy saving during the control period was 57.3%. It could also be concluded thatthe average total available capacity for all four buildings due to heat load control was 410 kWhcorresponding to 20.34Wh/m2 floor area.With the current price agreements, it was found that customers could save 0.145% on their monthly billdue to this reduction. For Stockholm Exergi, cost savings took the shape of avoided fuel costs and thetotal average cost savings were during the control period 0.072% with heat pumps as marginalproduction. Due to lack of data it was not possible to calculate other costs. The avoided GHG emissionsdue to the reduction in generation was 3.4 kg CO2-equivalents. During the control, the indoortemperature was reduced by a maximum of 0.587⁰C but no residents in the test buildings complainedabout bad indoor conditions.It was concluded that the current method and process for heat load control at Stockholm Exergi showsimilar results as other heat load control projects. Even though it is too soon to know for certain, it wasalso found that it has the potential to be economically, socially and ecologically successful in large scale.The thesis also concluded a list of recommendations for the future development of the heat load controlproject within Stockholm Exergi that would contribute to increase the probability of a successfulimplementation.Lastly, it was found that Stockholm Exergi is in the forefront of the development of heat load controlon large scale and are therefore in a position of trial and error where caution is paramount. / Fjärrvärme anses vara ett miljövänligt, effektivt och ekonomiskt lönsamt sätt att tillhandahålla värmetill byggnader men fjärrvärmeindustrin kommer ändå att stå inför flera utmaningar under de kommandeåren. En kombination av högre driftskostnader, ökad efterfrågan, konkurrens från alternativauppvärmningstekniker, nationella och internationella klimat- och energimål samt behovet av öppenhetgentemot slutanvändarna ställer höga krav på många fjärrvärmeleverantörer. Ett sätt att försöka mötadessa krav är att införa värmelastkontroll i form av termisk tröghet i byggnader som en kortsiktigvärmeenergilagring i fjärrvärmenätet. Flera pilot tester har gjorts inom området men ingen studierörande storskalig implementering och effekter på nätverket har utförts. Vidare utvecklar flera olikafjärrvärmeleverantörer liknande tekniker parallellt med varandra, men det finns för närvarande ingendokumentation gällande de olika metoderna.Stockholm Exergi, en fjärrvärmeleverantör i Stockholm, har nyligen påbörjat ett projekt inomvärmelastkontroll och har önskat djupare förståelse inom ämnet. Det övergripande syftet med dennaavhandling har därför varit att utvärdera hur kontroll av värmelasten kan genomföras framgångsrikt avStockholms Exergi för att fortsätta främja konkurrenskraftig och hållbar leverans av fjärrvärme.Detta gjordes genom analys av andra projekt rörande värmelastkontroll vilket resulterade i åtta nyckeltal.Dessa var; vinster, kostnader, bränslemix, växthusgasutsläpp, kundnöjdhet, energibehov, tillgängligkapacitet och toppbelastning. Dessa användes för att utvärdera en pågående testkörning avvärmelastkontroll i Stockholms Exergis fjärrvärmenät för att bestämma lönsamheten med metoden.Testkörningen gjordes i fyra byggnader under en kontrollperiod på tre timmar. Avhandlingen hade singrund i en omfattande litteraturstudie och interna samt externa intervjuer.Från dataanalysen drogs slutsatsen att energibesparingen var mellan 13–19% för de enskildabyggnaderna. Den genomsnittliga totala energibesparingen jämfört hela dagen var 15,8% och dengenomsnittliga totala energibesparingen under kontrollperioden var 57,3%. Den genomsnittliga totalatillgängliga kapaciteten på grund av värmelastkontroll blev därigenom 410 kWh vilket motsvarade 20,34Wh/m2 golvyta.Med de nuvarande prisöverenskommelserna konstaterades det att kunderna kunde spara 0,145% på sinmånatliga faktura på grund av denna minskning. För Stockholm Exergi fanns kostnadsbesparingar iform av undvikna bränslekostnader för spetsproduktion. Den genomsnittliga besparingen för undviknabränslekostnader var under kontrollperioden 0,072% med värmepumpar som marginalproduktion. Ingaandra kostnader kunde beräknas på grund av begränsad data. De undvikna växthusgasutsläppen på grundav denna minskning var 3,4 kg CO2-ekvivalenter. Under kontrollen reducerades innertemperaturen somhögst med 0,587 °C men inga boende klagade över försämrade inomhusförhållanden.En slutsats var att den nuvarande metoden och processen för kontroll av värmelasten utförd avStockholms Exergi visar liknande resultat som andra projekt inom samma område. Det kunde ävenfastställas att det har god potential att vara ekonomiskt, socialt och ekologiskt framgångsrikt i stor skalai framtiden. Avhandlingen fastställde också en lista med rekommendationer för den framtidautvecklingen av värmelastkontroll inom Stockholms Exergi. Dessa rekommendationer ska bidra tillökad sannolikhet för en framgångsrik implementering.Slutligen konstaterades det att Stockholms Exergi ligger i spetsen för utvecklingen av värmelastkontrolli stor skala. Detta innebär att de är i en position där det gäller att försiktigt och långsamt prova sig fram.

Global carbon emissions are higher than ever before and in the last decade of 21st century, focus has shifted on reducing these emissions in various ways possible. Carbon capture, utilization and storage (CCUS) has been identified as one of the important ways to reduce carbon emissions and meet climate targets. For a long time, Sweden has promoted the use of biomass as fuel for heat and power generation which has enabled it to meet its climate targets earlier than projected. Now, major Swedish energy companies are looking into coupling exiting biomass fired heat and power plants with CCUS. This opens up the possibility of attaining negative emissions, also known as Bio Energy Carbon Capture and Storage (BECCS). With the right policy framework in place, BECCS can be a major boon and help Sweden attaining net zero carbon emissions. As a contribution in meeting net zero targets, this thesis is aimed to evaluate the installation of a carbon capture plant to abate flue gas emissions from District heating facility in Jordbro which is a ~70 MW (fuel) CHP plant running on biomass.  Among the available carbon capture technologies, Calcium oxide-based carbon capture has been expected to show great promise due to its lower environmental impacts and possibility to extract high quality energy when installed. Hence a concept system for integration calcium looping at Jordbro has been developed through the use of modeling tools like ASPEN. A techno economic assessment was needed to be performed to give conclusive results on the overall viability of the process. Further, key process indicators like energy penalty, plant footprint and cost of capture per tonne of CO2 were identified for making the final evaluation. Finally, through a strategic collaboration with SaltX, major process improvements were introduced and applied to the modeled process.  It was concluded that with the current average flowrates at Jordbro it was possible to capture 154,000 tonnes of CO2 annually. The required amount of energy input to the calciner is 48MW (7.29 MW/kg-CO2 captured) which is one of the major findings of this study. Even though a significant amount of heat is recovered, the main boiler is not capable of producing heat over 900 οC and additional biomass needs to be combusted, leading to an additional CO2 emission of about 125 000 tonnes annually. Considering an optimal integration, the energy penalties became 6.25 %.  However, the plant footprint increased substantially due to requirement for burning additional biomass in the regeneration reactor and addition of several auxiliary units that come along with calcium-based carbon capture. Further, the total capital investment for this project is 1,219 MSEK with reactor costs being most capital intensive. Assuming a plant life of 25 years, the cost of capture per tonne of CO2 (excluding the costs for carbon transport and storage) was evaluated at 988 SEK, which is 58% higher than the reference Mono-ethanol amine based chemical absorption case. The innovative improvements from SaltX substantially reduced the plant footprint but capture costs did not reduce since material transport costs proved to be the major bottleneck.  Upon comparison of this technology with the amine-based technology it was found that Calcium oxide-based carbon capture would need further research and improvements to be more viable than amine-based carbon capture. Integration of thermal energy storage and process intensification can be the possible paths for further improvement.

This study derives the levelized cost of heat (LCOH) for exemplary post-fossil district heating (DH) scenarios. The DH system of Leipzig in 2040 under the assumption of a completely climate-neutral heat supply is considered. Accordingly, four generation scenarios (GS) are proposed based on different energy carriers that are characterized as follows: (1) natural gas with carbon capture and storage, (2) hydrogen, (3) diversified mix of biomass, waste heat and solar, and (4) electricity. In addition, the scenarios’ robustness toward commodity prices is investigated using a sensitivity analysis. A modeling environment was used to optimize the hourly economic dispatch. Based on this, levelized costs are determined. For the reference case, the LCOH of the GS 1 and 2 exceeds the LCOH of GS 3 and 4. Furthermore, the results indicate that relying on singular energy carriers as opposed to diversified generation portfolios leads to less robust LCOH regarding price sensitivities.

The solution of the undergoing climate and energy crises requires a radical transformation of the energy system, in which sustainability, no carbon emissions and energy efficiency ought to play a paramount role.  This revolution should extend to all areas of the energy system, including the space heating and cooling sector, which accounts for a third of the European final energy demand and, in the European continent, it is still mostly supplied by fossil fuels. District heating is a simple but powerful technology that can contribute to tackle this challenge. As a network infrastructure, it is characterised by the flexibility of the heat production, allowing the incorporation of a wide range of heat sources over time. Furthermore, it enables the recycling of heat that would otherwise be wasted and the use of local heat sources in a more cost-effective manner. Moreover, its coupling with the electricity sector can facilitate the increase of intermittent electric renewable energy sources.  Nevertheless, at the moment, district heating only covers a tenth of the European space heating and cooling needs, albeit with significant differences among countries. In addition, the development of new district heating networks is capital intensive and can only be justified in those areas where the concentration of the heat demand is sufficiently high to deliver a lower cost to society than an individual alternative.  Therefore, it is crucial to assess the potential of district heating and to identify the target areas for in-depth investigations. This necessity demands easy and straightforward tools, which can provide a first order approximation of the construction cost of new networks.  One of these tools is the capital cost model developed by Persson &amp; Werner, which is based on, among others, the effective width parameter. This is an indicator of the required trench length in an area supplied by district heating and has been related to the building density.  This work has contributed to the understanding of the effective width parameter in a wide range of building densities, taking advantage of one of the largest district heating networks in Denmark, and provided new equations that relate it to various indicators of building density.  Furthermore, the average pipe diameter of district heating pipes has been linked to another crucial parameter in district heating technology, the linear heat density, extending prior work conducted by Persson and Werner.  In addition, Persson and Werner's model and the newly found empirical expressions have been validated in various Danish district heating networks, showing that the model provides relatively accurate results on an aggregate level and large areas but dismally fails in low-extension areas.  Finally, the model has been applied to the European Union showing that district heating networks could potentially supply a third of the heat demand in 2050. / Lösningen av de pågående klimat- och energikriserna kräver en radikal omvandling av energisystemet, där hållbarhet, inga koldioxidutsläpp och energieffektivitet bör spela en avgörande roll. Denna revolution bör sträcka sig till alla delar av energisystemet, inklusive sektorn för uppvärmning och kylning av byggnader, som står för en tredjedel av Europas slutliga energibehov och på den europeiska kontinenten fortfarande till största delen försörjs av fossila bränslen. Fjärrvärme är en enkel men kraftfull teknik som kan bidra till denna utmaning. Som nätverksinfrastruktur kännetecknas den av flexibilitet i värmeproduktionen, vilket möjliggör inkorporering av ett brett utbud av värmekällor över tid. Dessutom möjliggör det återvinning av värme som annars skulle gå till spillo och användning av lokala värmekällor på ett mer kostnadseffektivt sätt. Dessutom kan dess koppling till elsektorn underlätta ökningen av intermittenta elektriska förnybara energikällor. Detta till trots täcker fjärrvärme för närvarande bara en tiondel av det europeiska behovet av uppvärmning och kylning av byggnader, om än med betydande skillnader mellan länderna. Utbyggnaden av nya fjärrvärmenät är dessutom kapitalkrävande och kan endast motiveras i de områden där koncentrationen av värmebehovet är tillräckligt hög för att ge en lägre kostnad för samhället än ett individuellt alternativ. Därför är det avgörande att bedöma potentialen för fjärrvärme och att identifiera målområdena för fördjupade utredningar. Denna nödvändighet kräver enkla och okomplicerade verktyg, som kan ge en första ordningens uppskattning av investeringskostnader för nya nätverk. Ett av dessa verktyg är kapitalkostnadsmodellen utvecklad av Persson &amp; Werner, som bygger på bland annat parametern effektiv bredd. Detta är en indikator på den erforderliga dikeslängden i ett område som försörjs av fjärrvärme och har relaterats till byggnadstätheten. Detta arbete har bidragit till förståelsen av effektiv bredd-parametern i ett vitt spektrum av byggnadstätheter, vars studium drar fördel av ett av de största fjärrvärmenäten i Danmark, och har gett nya ekvationer som relaterar den till olika indikatorer på byggnadstäthet. Vidare har den genomsnittliga rördiametern för fjärrvärmerör kopplats till en annan avgörande parameter inom fjärrvärmetekniken, den linjära värmedensiteten, vilket utökar tidigare arbete utfört av Persson och Werner. Dessutom har Persson och Werners modell och de nyfunna empiriska uttrycken validerats i olika danska fjärrvärmenät, vilket visar att modellen ger relativt exakta resultat på aggregerad nivå och stora ytor men mindre så i lågutbyggnadsområden. Slutligen har modellen tillämpats på EU som visar att fjärrvärmenät potentiellt kan tillgodose en tredjedel av värmebehovet år 2050. / Quantification of synergies between Energy Efficiency first principle and renewable energy systems

The data centre industry is becoming more and more important due to the rapid increase of digitalisation in our society. However, data centres are large electricity consumers since electricity is needed for both the Information Technology (IT) equipment and the cooling systems, as a certain temperature must be maintained in the server rooms in order to guarantee service operations. Thus, it is important to make data centres less energy intensive and implement a circular economy approach in the sector. One possible way to implement circularity is to reuse the waste heat generated in data centres in district heating networks. However, the potential of using waste heat from low-temperature sources, such as data centres, is mainly unexploited; therefore, more studies are needed in order to inform such use. In particular, it is essential to understand how this potential could be assessed.  The main purpose of this study is to identify the barriers to more heat recovery utilisation and the opportunities that heat recovery contracts can bring from the perspective of key stakeholders linked to DCs’ systems operation and service use, such as DC operators, DH operators, and municipalities. The study also aims at understanding how municipalities can enhance a greater integration of waste heat from data centres in district heating systems. To reach the objectives, this study is constructed as an explorative case study on the use of excess heat from data centres in the Stockholm district heating system. Eight stakeholders belonging to those categories were interviewed and the data collected were analysed with a Strengths – Weaknesses – Opportunities and Threats (SWOT) analysis.   The study concludes that the main barriers preventing the implementation of heat recovery investments, in the explorative analysis for the Stockholm county, seem to be more business related than technical. For example, not having a clear business model in place. In terms of main opportunities, these are related to an improvement in sustainability, such as saving resources by replacing them with excess heat and exploiting an inevitable product instead of wasting it. Moreover, this study also concludes that municipalities can help find suitable places for data centres near the district heating grids both through initiatives like Stockholm Data Parks and city planning. / Datacenterbranschen blir allt viktigare på grund av den snabba ökningen av digitaliseringen i vårt samhälle. Datacenter är dock stora elkonsumenter eftersom el behövs både för IT-utrustningen och för kylsystemen, eftersom en viss temperatur måste hållas i serverrummen för att garantera serviceverksamheten. Det är därför viktigt att göra datacenter mindre energikrävande och införa en cirkulär ekonomi inom sektorn. Ett möjligt sätt att genomföra cirkulär ekonomi är att återanvända den spillvärme som genereras i datacentren i fjärrvärmenäten. Potentialen för att använda spillvärme från källor med låg temperatur, t.ex. datacenter, är dock i huvudsak outnyttjad, och därför behövs fler studier för att informera om sådan användning. I synnerhet är det viktigt att förstå hur denna potential kan bedömas.  Huvudsyftet med den här studien är att identifiera hindren för ett ökat utnyttjande av värmeåtervinning och de möjligheter som avtal om värmeåtervinning kan ge ur de viktigaste intressenternas perspektiv när det gäller drift av DC-system och användning av tjänster, t.ex. DC-operatörer, DH-operatörer och kommuner. Studien syftar också till att förstå hur kommunerna kan främja en ökad integrering av spillvärme från datacenter i fjärrvärmesystemen. För att nå målen är denna studie uppbyggd som en explorativ fallstudie om användningen av överskottsvärme från datacenter i Stockholms fjärrvärmesystem. Åtta intressenter som tillhörde dessa kategorier intervjuades och de insamlade uppgifterna analyserades med en SWOT-analys (Strengths - Weaknesses - Opportunities and Threats).  I studien dras slutsatsen att de främsta hindren för investeringar i värmeåtervinning, i den explorativa analysen för Stockholms län, verkar vara mer affärsrelaterade än tekniska. Till exempel att man inte har en tydlig affärsmodell på plats. När det gäller de viktigaste möjligheterna är dessa relaterade till en förbättring av hållbarheten, t.ex. att spara resurser genom att ersätta dem med överskottsvärme och utnyttja en oundviklig produkt i stället för att slösa bort den. I studien dras dessutom slutsatsen att kommunerna kan hjälpa till att hitta lämpliga platser för datacenter nära fjärrvärmenäten, både genom initiativ som Stockholm Data Parks och stadsplanering.

Buildings are currently controlled in a sub optimal way, using a WC controller that is dependent only on the external temperature. A rich amount of real-time data from installed sensors is available within the buildings and the network and can be used to counteract this. To better control the indoor temperature and the heat supply this degree-project develops a model and optimizer for control of the indoor temperature, where industry standard data streams are used as inputs. The model and optimizer can be implemented in a MPC which takes the future external temperature into consideration and enhances the ability to control the heat supply. There are two main reasons why enhanced control is interesting to look at, the economic aspects and the comfort of the occupancies. This degree project is focused on developing a general building model for the purpose of utilizing the building as an energy storage for peak-shaving.  The finalized model is a dynamic grey-box model developed using data from a multifamily building, Building A, located in Västerås Sweden. The training period is set to 408 hours, and the prediction horizon is set to 48 hours as a result of the verification. To demonstrate the utilization possibilities of using the building as a heat storage, an optimizer is constructed to evaluate a peak shaving control strategy. The control objective (Qsupply) is controlled by manipulating the indoor temperature (Tin) within a set interval. By setting a fixed interval for the indoor temperature within the comfort interval, the comfort is still maintained. For the peak shaving different flexibilities within the indoor temperature have been examined with a range from 22 +/- 0.25 degrees Celcius to 22 +/- 2.00 degrees Celcius.  The model is verified in 4 steps: prediction ability on the historic data, parametric verification on the time constant, simulation of heat supply separately from the historic data and model generality by implementing the model on a second multifamily building, Building B. The model has a RRMSE of 8% for Building A and 9% for Building B which is considered excellent.  Due to the lack of access to the real building, the developed model is not validated. Based on peak shaving and energy consumption, the preferred solution is 22+/- 1.25 degrees Celcius. But based on surveys about occupancies attitude toward flexibility in the indoor temperature and economical aspects, an indoor temperature of 22 +/- 0.50 degrees Celcius is considered the best choice with the maximum peak in the heat supplied decreased by 35% and the energy consumption is decreased by 10% compared to the historical case. We suggest allowing the customers to choose their preferred flexibility to ensure comfort.

With the Paris agreement calling to limit global warming to 2°C below pre-industrial levels, with further efforts to ensure it stays below 1.5°C, the Finnish government passed the Lakihiilen energiakäytön kieltämisestä (416/2019), i.e., Act of Prohibition of Coal Energy,which stipulates that the use of coal as a fuel for heat/electricity production to be bannedfrom 1 May 2029. This affects Helsinki’s energy industry and a key concern to this work is the Salmisaari Combined Heat and Power plant, which is set to be decommissioned. This plant currently generates heat and electricity by using wood pellets and coal to cater toaround 25-45% of the District Heating consumption of the city of Helsinki. To compensate for this decommissioning, there arises a need for more heat production,around 300-500MW of capacity. One alternative is the heat recovery of seawater by utilising the phase change heat of freezing. The present project investigates a technical feasibility study of a system to generate ice slurry, which is then used to extract heat fromseawater at ~0°C via a heat pump. The competitiveness of an ice-slurry based system to state-of-the-art water or ice-based storage is analysed as well. The proposed system is then modelled in Aspen Plus, and the pressure drop characteristics of the generated ice slurry are studied. Finally, a sensitivity analysis of the pressure ratio of the compressor on the performance of the system is studied. Based on prior works, level of commercialisation and technical feasibility, it was found that a vacuum ice generation method, in combination with heat pumps, is a viable solution to cater to the district heating demand of the city. Further, it is concluded that the pressure drop occurring during transport of the ice slurry is quite minimal – less than 0.5% of the total power consumed whilst producing 300MW of district heat. The COP of the system varies between 2.6-2.8 depending on the pressure ratio of the compressor and thus is energy efficient. Overall, the proposed solution seems to be promising and with further socio-techno-economic analysis, this could be the potential alternative to bridge the deficit. / Med Parisavtalet som kräver att den globala uppvärmningen ska begränsas till 2 °C under förindustriella nivåer, med ytterligare ansträngningar för att säkerställa att den håller sigunder 1,5 °C, antog den finska regeringen Laki hiilen energiakäytön kieltämisestä (416/2019), dvs. Förbud mot kolenergi, som föreskriver att användningen av kol som bränsle för värme-/elproduktion ska förbjudas från och med den 1 maj 2029. Detta påverkar Helsingfors energiindustri och en central fråga för detta arbete är Salmisaarikraftvärmeverk, som är planlagt på att avvecklas. Denna anläggning genererar för närvarande värme och elektricitet genom att använda träpellets och kol för att tillgodosecirka 25–45 % av Helsingfors stads fjärrvärmeförbrukning. För att kompensera för denna avveckling uppstår ett behov av mer värmeproduktion, cirka 300-500MW kapacitet. Ett alternativ är värmeåtervinning från havsvatten genom att utnyttja fasförändringsvärmen från frysning. Detta projekt skall undersöka genom en teknisk förstudie olika system för att generera isslurry (en blandning av is och vatten), som sedan används för att utvinna värme från havsvatten vid ~0°C med hjälp av en värmepump. Konkurrenskraften hos ett isslurrybaserat system jämfört mot toppmoderna vatten- eller isbaserad lagrings system analyseras också. Det föreslagna systemet modelleras sedan i Aspen Plus, och tryckfallsegenskaperna hos den genererade isslurryn studeras. Slutligengörs en känslighetsanalys av kompressorns tryckförhållande och dess påverkan på systemets prestanda. Baserat på tidigare arbeten, kommersialiseringsnivå och teknisk genomförbarhet fann denna rapport att genom en metod för att generera vakuumis, i kombination med värmepumpar att en hållbar lösning för att tillgodose stadens fjärrvärmebehov finns. Vidare dras slutsatsen att tryckfallet som inträffar under transport av isslurryn är minimalt- mindre än 0,5 % av den totala energiförbrukningen samtidigt som den producerar 300MW fjärrvärme. Systemets COP varierar mellan 2,6–2,8 beroende på kompressorns tryckförhållande och är därmed energieffektivt. Sammantaget verkar den föreslagna lösningen vara lovande och med ytterligare socio-teknoekonomisk analys kan detta vara ett potentiellt alternati för att brygga underskottet av fjärrvärme.