Bostads- och servicesektorn står för ungefär 40 % av Sveriges. Total energianvändning. En stor andel går till att värma byggnader. Idag är det dominerande uppvärmningssystemet fjärrvärmen i flerbostadshus i Sverige. Från och med den 31 december 2020 ska alla nya byggnader i EU vara nära nollenergibyggnader.Därför ställs hårdare energikrav påbyggnaderna och uppsatsens författare ställer sig frågan om fjärrvärmen verkligen kommer att vara det mest lämpliga Uppvärmningssystemet i framtidens nya stadsdelar med låg energianvändning.

Luleå Energi handhaver drift och distribution av två olika fjärrvärmenät, ett i Råneå och ett i Luleå, innefattandes av diverse hetvattencentraler (HVC) och tryckstegringspumpar (TSP). I Råneås fjärrvärmenät levereras en framledningstemperatur på 100°C vid utomhustemperatur -30°C. I Luleås fjärrvärmenät levereras en framledningstemperatur på 115°C vid utomhustemperatur -30°C. Luleå Energi vill sänka framlednigstemperaturen i deras handhavande fjärrvärmenät och målet som strävas mot är framledningstemperatur 80°C vid utomhustemperatur -30°C. Detta bland annat i syfte att kunna tillvarata mer spillvärme från mer lågkvalitativa källor, öka elproduktionen vid kraftvärmeverk och minska de distributionsrelaterade värmeförlusterna. Sänkning av framledningstemperaturen i ett fjärrvärmenät kan dock leda till negativa differenstryck och undertryck i vissa områden i fjärrvärmenätet. Detta kan innebära cirkulationsproblem samt kokning av vattnet i rörledningarna vilket kan skada armatur i nätet. Ökad pumpning kan i vissa fall lösa problemen. Dock får inte maxtrycket 1600 kPa, som fjärrvärmenäten och dess rörledningar är dimensionerade för, överskridas. Detta projekt har, med hjälp av nätberäkningsprogrammet Netsim, undersökt hur en sänkning av framledningstemperaturen påverkar Råneås och Luleås fjärrvärmenät. Båda näten simulerades för olika framledningstemperaturer vid utomhustemperatur -30°C, med tillägg för utomhustemperatur -8°C i Luleås nät vilket ungefär är den lägsta utomhustemperatur då spetsanläggningar inte är i drift. Områden som riskerar låga differenstryck, hur pumpningarna påverkas samt vilka typer av rörledningar som bör prioriteras vid eventuell framtida uppdimensionering har identifierats. Även åtgärder för att få respektive nät att hantera sänkt framledningstemperatur har föreslagits. Områden som riskerar låga differenstryck i Råneås fjärrvärmenät identifieras till ett i södra Råneå (kring bland annat Skärsvägen, Gesällvägen och Garvarevägen) och ett i norra Råneå längs Sundsvägen ut mot Sundet. Råneås fjärrvärmenät bör kunna hantera en framledningstemperatur på 90°C vid utomhustemperatur -30°C som drift- och distributionsförhållandena ser ut idag, med förutsättning att pumpkapaciteten från HVC3 är tillräcklig. För att kunna sänka ytterligare till 80°C bör åtgärder vidtas. Förslagsvis uppgradera fjärrvärmecentraler och därmed förbättra avkylningen hos sex kunder med medelavkylning under 10°C samt därefter justera pumpningen från HVC3 för att precis hålla uppe trycknivåerna. Detta under förutsättning att pumpningen vid HVC3 kan hantera den ökade tryckstegrings- samt flödeskapaciteten från 0,31 MPa och 51 kg/s till 0,77 MPa och 96 kg/s vilket rapporteras från simuleringar i Netsim. Vid eventuell framtida uppdimensionering av rör i Råneås fjärrvärmenät bör fokus ligga på rörledningar längs huvudledningar i kärnan av nätet, distributionsledningar från huvudledning ut mot visst ytterområde samt vissa rörledningar inuti ett visst distributionsområde som mindre slut-distributionsledningar ut mot kund utgår ifrån. Detta kan grovt sammanställas till rörledningar med dimension inom spannet DN150 - DN54. Områden som riskerar låga differenstryck, utifrån simuleringsresultaten, i Luleås fjärrvärmenät har identifierats till ytterområden i Svartöstaden, Gültzaudden, Trollnäs, Lulsundet, Björkskatan, Öhemmanet, Gammelstad, Kyrkbyn och Sunderbyn. Luleås fjärrvärmenät kan inte hantera någon sänkning av framledningstemperatur över huvud taget enligt dagens drift- och distributionsförhållanden. Sänkt framledningstemperatur i Luleås fjärrvärmenät kräver åtgärder. Förslagsvis uppdimensionera rörledningar ut mot Bergnäset, Öhemmanet, Gammelstad, Sunderbyn och Kyrkbyn samt justera inställningarna för respektive pumpning i nätet för att precis hålla uppe trycknivåerna. Pumpningen på Lulekraft och HVC2 bör kunna hantera en ökad tryckstegrings- samt flödeskapaciteten från 0,72 MPa och 12·102 kg/s till 1,2 MPa och 16·102 kg/s. Pumpningen på HVC4 bör kunna hantera de ökad tryckstegrings- samt flödeskapaciteten från 0,73 MPa och 84 kg/s till 1,1 MPa och 11·101 kg/s. Pumpningen på HVC1 bör kunna hantera de ökad tryckstegrings- samt flödeskapaciteten från 0,63 MPa och 19·101 kg/s till 0,87 MPa och 26·101 kg/s. Pumpningen på HVC1 tryckstegringspump bör kunna hantera liknande flödeskapacitet som idag, men inte lika hög tryckstegringskapacitet. Pumpningen på HVC5 tryckstegringspump bör kunna hantera de ökad flödeskapaciteten från 15·101 kg/s till 20·101 kg/s, men inte lika hög tryckstegrinskapacitet. Pumparna på TSP1 fram- och returledning bör kunna hantera de ökad flödeskapacitet från 85 kg/s till 96 kg/s, men inte lika hög tryckstegringskapacitet. Pumpningen på TSP3 bör kunna hantera de ökad flödeskapacitet från 20·101 kg/s till 27·101 kg/s, men inte lika hög tryckstegringskapacitet. Kontinuerligt arbete bör fokuseras kring att uppgradera fjärrvärmecentraler, framförallt i Luleås fjärrvärmenät. Att förbättra kunders avkylning är till betydande hjälp i arbetet mot sänkt framledningstemperatur och alla pumpars tryckstegrings- och flödeskapaciteter kan då sänkas. Att pumpningen vid HVC5 tryckstegringspump påverkas mest vid förbättrad avkylning hos kunderna kan tyda på att flertalet kunder med dålig avkylning idag kan finnas i Gammelstad, Kyrkbyn och Sunderbyn, vilka är de områden som denna pumpning håller trycknivåer ut mot. Vid framtida uppdimensionering av rörledningar i Luleås fjärrvärmenät bör fokus ligga på distributionsledningar från huvudledning ut mot visst ytterområde samt rörledningar inuti ett visst distributionsområde som mindre slut-distributionsledningar ut mot kund utgår ifrån. Detta kan grovt sammanställas till rörledningar med dimension inom spannet DN125 - DN42.

Climate change and the increase of carbon dioxide in the atmosphere is an ongoing problem affecting the earth globally. To break this trend and revert the changes a continuous upgrade of the current energy system is needed, one way of doing this is by using models to simulate new systems. One of the areas that needs optimization is heat distribution systems and district heating. In this master thesis a model for simulation of district heating is built and tested for several case studies. This thesis is part of a larger research project which aims at integrating multiple models regarding mobility and energy systems to simulate a smaller society. The distribution system model was created using matrices to describe the connections within the system and then used to calculate mass flow, pressure drop, temperatures and heat losses. Results show that placement of new users in the grid heavily impact the mass flow and pressure drop throughout the system. Moreover, the result also shows that a reduction of the temperature requirement at one user has the possibility to drastically lower the temperature through the system and lower the heat losses significantly. Before further use of this model verification with commercialized software is strongly suggested.

In Gävle there exists a residential area called Lindbacka where some of the houses are supplied with heat from both district heating and exhaust air heat pump. Gävle Energi owns the district heating system in Gävle and are interested in evaluating the effects from a combined heating system. Based on that, the aim of this study has been to evaluate the impacts a combined system with both district heating and heat pump can have compared to if only one of the two is installed in a house. The thesis has studied these perspectives in an energy, environmental and economic analysis. The results from the energy analysis display that the heat losses in the district heating system relative to the amount of heat sold to customers are relatively large during the year, especially in the summer when the losses are larger than sold amount of energy. The results from the environmental analysis indicates that heat pumps have a larger climate impact during operation measured in tons of carbon dioxide equivalents compared to district heating. On the other hand, the economic analysis present heat pumps to be the cheapest heating option for a customer. The most expensive option for a customer is to install both an exhaust air heat pump and connect to the district heating system since this leads to double fixed and variable costs during the year. For Gävle Energi the economic analysis indicates that the investment cost of building the district heating system to Lindbacka was not profitable since the investment cost does not pay back in 30 years. Some of the houses in Lindbacka has been excluded in the thesis due to insufficient data. This will have an impact on the results in the thesis.

En av de mest debatterade frågorna i dagsläget är användningen av jordens resurser och hur dessa ska tas tillvara då efterfrågan ständigt ökar vilket medför ökad mängd klimatförändringar och växthusgaser. Idag beräknas byggnadssektorn stå för drygt en femtedel av Sveriges territoriella växthusgasutsläpp. Svenska byggnader står också för ungefär 30 % av Sveriges energianvändning, som går till el och uppvärmning. För att möta miljöproblemen som byggsektorn står inför styr boverkets byggregler utformning av byggnaderna och dess energisystem. Husbyggnadssektorn har dessutom ett flertal olika certifieringssystem som hjälper till med att göra miljömedvetna val. För att samla in data till arbetet har en fallstudie, litteraturstudie, livscykelanalys, simuleringsprogrammet IDA Indoor Climate Energi samt matematiska beräkningar genomförts. I fallstudien ingår en skolbyggnad, Strömsbro skola – Hus 10. Byggnaden byggdes år 2018 enligt Miljöbyggnad 3.0 dåvarande standard. Syftet är att granska och återbedöma byggnaden enligt manualen Miljöbyggnad 3.1 för nyproduktion. Sammantaget visar studien att det är svårare att uppfylla kraven i boverkets byggregler med fjärrvärme som uppvärmningssystem än en bergvärmepump. En byggnad vars uppvärmning kommer från fjärrvärme kräver mycket isolerade väggar för att uppnå ett högre betyg. Byggnader som är välisolerade har högre koldioxidutsläpp vid produktion men om byggnaden värms upp genom fjärrvärme blir utsläppen mindre sätt över byggnadens livstid. Fjärrvärmesystem reducerar utsläppet av växthusgaser med cirka 30% jämfört med bergvärmepump.

In today's society, it's becoming increasingly important to find methods which useenergy more efficiently. One established method is night time set-back. When usingnight time set-back the indoor temperature is lowered during the night. This result ina smaller temperature difference between indoors and outdoors, which in turnreduces heat losses. The method requiers that heat can be stored into and emittedfrom the building's frame. This thesis examines the effects of night time set-back on four different building types.The building types are: a concrete building from the 1960s, a concrete building fromthe 1960s with new windows and doors, a concrete building from the 2010s and awooden building from the 2020s. The thesis examines how the night time set-backaffect the heat demand, the heat power demand and the cost of heat. The results show that the night time set-back reduces the heat demand by 5-11 % forall building types that are examined. The daily average power reduces by 1-4 % for allbuilding types, which results in the cost of heating reduces by 3-7 %for all buildingtypes. The maximum power peak increases by 1-12 %. The set-up of the districitheating price model is critical for the economical outcomes. Since night time set-backcontributes to increased power peaks, new calculations for the economics can beneeded in the future if the price model change from daily power to maxiumum power(on hourly basis).

Fjärrvärmeledningar levereras i olika isoleringsserier, där ökat serienummer ger en tjockare isolering. För enkelrör, fjärrvärmeledning med ett medierör, finns det fyra olika serier, och för dubbelrör, fjärrvärmeledning med två medierör, finns tre olika serier. Med en tjockare isolering minskar värmeförlusterna i distributionsnätet, men investeringskostnaden för ledningarna ökar. Syftet med detta projekt har därför varit att utveckla och demonstrera en teknoekonomisk modell, i uppdrag åt Mälarenergi, som undersökte i vilken utsträckning som fjärrvärmeledningar ska isoleras i förhållande till kostnaden för värmeförluster och investeringskostnad för fjärrvärmeledningen. Målet var att genomföra en fallstudie på ledningar med dimension 150 mm, samt ta fram en allmän rekommendation där marginalkostnadens inverkan på den potentiella besparingen kontrollerades. Med marginalkostnaden menas kostnaden för värmeförluster i distributionsnätet av fjärrvärme. I fallstudien jämfördes olika fjärrvärmeledningar mot ett referensfall, för att identifiera ur en kostnadssynpunkt det bästa alternativet vid en nyinvestering. Detta utfördes genom att beräkna kostnaden för värmeförlusterna, med hjälp av marginalkostnaden, samt jämföra investeringskostnaderna för de olika fjärrvärmeledningarna. Genom att kontrollera skillnaden mellan detta identifierades då en potentiell besparing, eller förlust. I både fallstudien och allmän rekommendation användes enkelrör serie 1 som referens. Ur fallstudien syndes att alla typer av ledningar ger en besparing. Störst besparing ger dock dubbelrören, där dubbelrör serie 1 visar en besparing på 311 kSEK och dubbelrör serie 2 217 kSEK i jämförelse med enkelrör serie 1. Bland enkelrören visade kombinationen med serie 4 på framledning och serie 2 på returledning störst besparing, med 157 kSEK. Från fallstudien rekommenderades alltså dubbelrör serie 1. Det var inte det fall med minst värmeförluster, men förhållandet mellan investeringskostnaden och kostnaden för värmeförlusterna ledde till att dubbelrör serie 1 gjorde störst besparing vid DN150. I den allmänna rekommendationen undersöktes besparingar för samtliga dimensioner vid marginalkostnaderna 25, 50, 100 och 150 SEK/MWh. För marginalkostnaderna 25 och 50 SEK/MWh visade sig dubbelrör ge en större besparing än enkelrör för dimensionerna 25-150, medan för marginalkostnaderna 100 och 150 SEK/MWh sträckte det sig till dimension 200. Efter dimension 150 rekommenderades enkelrör serie 1 vid både marginalkostnaden 25 och 50 SEK/MWh. Detta eftersom ingen annan serie visade på besparing efter denna dimension. Dock så visade sig motsvarande dimension vara DN200 vid marginalkostnaden 100 SEK/MWh, och vid marginalkostnaden 150 SEK/MWh DN250. Detta ledde till att en högre isoleringsserie kunde rekommenderas i högre dimensioner för dessa marginalkostnader. Slutsatser från projektet var bland annat att det bästa alternativet för fjärrvärmeledningar i lägre dimensioner var dubbelrör. Utöver att ha en högre potentiell besparing i form av kostnad för värmeförluster, behöver inte installationskostnaden vara lika stor som den hos enkelrör. Detta eftersom endast en ledning behöver läggas, och inte två. Graven som ledningarna läggs i kan därför vara mindre. Ur den allmänna rekommendationen syndes det hur behovet av en högre isoleringsserie ökade med ökad marginalkostnad. Med en högre marginalkostnad blev värmeförlusterna dyrare, och det kan därför vara mer ekonomiskt hållbart att ha en dyrare investeringskostnad för att kunna sänka kostnaderna för värmeförlusterna. I Mälarenergis fall var dock marginalkostnaden låg, vilket berodde på förbränning av avfall. Detta ledde till att behovet av en hög isoleringsserie inte existerade för Mälarenergi. Marginalkostnaden visade sig även vara negativ under sommarmånaderna, vilket innebar att under dessa månader var det fördelaktigt att ha värmeförluster i distributionsnätet. / District heating pipes are produced in different insulation series, where an increased series number gives a thicker insulation. For single-pipes, district heating pipes with one medium pipe inside, there are four different series. For twin-pipes, district heating pipes with two medium pipes inside, there are three series. With a thicker insulation, the heating losses in the district heating network will decrease, but the investment cost will increase. Therefore, the purpose of this project was to develop and demonstrate a techno-economical model, on behalf of Mälarenergi, which examined how much a pipe should be insulated considering the cost of the heat losses, and the investment cost of the district heating pipes. The goal was to perform a case study on district heating pipes with a dimension of 150 mm, and to compile a general recommendation where the marginal costs impact on the potential savings was investigated. The marginal cost is the cost of the heat losses in the district heating network. In the case study, different district heating pipes was compared to a reference case to identify the best alternative to invest in, from an economical stand point. This was done by calculating the cost of the heat losses, dependent on the marginal cost, and to compare the investment costs for the different district heating pipes. By examining the difference between these, a potential saving or loss was identified.  In both the case study and the general recommendation, single-pipe series 1 was used as a reference case. From the case study, it was shown that all other types of pipes created a saving compared to single-pipe series 1. The biggest saving was from twin-pipe series 1, with 311 kSEK, followed by twin-pipe series 2, with 217 kSEK. Among the single-pipes, the combination of series 4 on the supply pipe with series 2 on the return pipe had the biggest saving with 157 kSEK. The recommended type of pipe in the case study was therefore twin-pipe series 1. It was not the case with the least amount of heat losses, but the relationship between the investment cost and the cost of the heat losses lead to twin-pipe series 1 being the case with the highest saving. In the general recommendation case, the savings for all dimensions was calculated at the marginal costs of 25, 50, 100 and 150 SEK/MWh. After dimension 150, single-pipe series 1 was recommended for the marginal costs of 25 and 50 SEK/MWh. This was because no other series showed a saving after this dimension. Although, the corresponding dimension was shown to be DN200 at the marginal cost of 100 SEK/MWh, and at 150 SEK/MWh DN250. This lead to the conclusion that a higher insulation series can be recommended in higher dimensions for these marginal costs. Conclusions from the project was that the best alternative in lower dimensions are twin-pipes. Not only because it showed a high potential saving regarding heat losses, but also because the installation cost of the pipe does not have to be as big as that of a single-pipe. This is because there is only one pipe that is installed in the ground, and not two. The pit in which the pipe is installed can therefore be smaller. From the general recommendation, it was shown that the need of a thicker insulation increased with an increased marginal cost. With a higher marginal cost, the cost of the heat losses was increasing, and it can therefore be more economical sustainable to have a more expensive investment cost in order to decrease the cost of the heat losses. However, in the case of Mälarenergi, the marginal cost was low because of incineration of municipal waste. This lead to the need of a higher insulation series in Mälarenergi's case was eliminated. The marginal cost has also shown to be negative during the summer months, which meant that during these months it was profitable to have heat losses in the district heating network.

In the south-east part of the district heating network in Luleå, LKAB:S facility for de-icing their trains transporting iron ore is situated. The de-icing is done by sprayning the trains with hot water. The hot water is stored and heated in a basin, heated by district heating. When the de-icing starts the temperature in the basin drops and to restore it more heat is supplied from the district heating network. This results in peaks in the heat demand which causes high flows in the district heating system. The pipes in the district heating system are under-dimensioned and the high flows thereby causes high pressure gradients and a low pressure difference in the district heating grid. The objective of this project is to even out the peaks in the heat demand from the de-icing facility in order to minimize the maximal flows and improve the pressure difference in the grid. This was done by developing a heating strategy for the facility, using the basin to store energy as hot water. The strategy resulted in lower maximal peaks, where the highest peak during the studied period was reduced from 2430 kW to 1560 kW. In order to improve the return temperature in the gridfrom the facility a new heat-exchanger was dimensioned. The impact of these changes on thedistrict heating grid in Luleå was examined by simulations of the grid in the simulation software Netsim. These simulations showed that the pressure difference at the de-icing facility increased from 50 kPa with the current system to 200 kPa with the proposed changes. An investment assesment was conducted with respect to the heat exchanger for LKAB. It shows that the yearly flow costs are reduced and that the investment would be repayed within one to three years.

Energy efficiency and reduced energy consumption are two highly discussed topics in the global environmental debate where Sweden as a country is at the forefront. High demands on streamlining energy usage exists where a goal is to by 2030 have a 50% more efficient energy use than in 2005. This study examined how waste heat could be recovered from an industrial process to reintroduce it into the building and thus reduce energy consumption. The process included a test room for large motors at ABB Machines in Västerås, where a fire pond near the building was used as cooling water for the motors' cooling systems during testing. The fire pond was located underground and only the outdoor climate controlled the temperature of the water in the pond. This meant that for large parts of the year the water was too hot to be used as cooling water and thus there was a need to reduce the temperature of the pond and at the same time utilize the heat that was in it. Mass balances were performed on the fire pond using test protocols. In this way, the group was able to calculate how much energy was available to be utilized and what system temperatures were possible. After analysis of previous studies, a system solution was developed where the incoming cold water that would become domestic hot water was used to cool the fire pond and at the same time preheat the cold water. Calculations were made to prove the economic and environmental benefits of the solution. The result showed a saving of 121.89 MWh/y in district heating consumption, which corresponded to a decrease of 3.1% of the total district heating consumption. In figures, this corresponded to a gross saving of 66,730 SEK/year. In addition, the solution reduced cold water consumption by 3200 . The study showed that economic and environmental savings could be made but that the system solution was difficult to generalize as the current problem was unique. The group discussed other solutions that would have been possible if other conditions had existed for the fire pond. Among these was, for example, a proposal to upgrade the heat in the fire pond with the help of heat pumps and use this for the building's radiator circuit or for the primary district heating line. Objections to these proposals were that energy needed to be added to power the heat pumps.

Energy efficiency of buildings is becoming more and more common as a step towards decreasing the amount of climate emissions in the world. In the Swedish city Gothenburg, there are many existing buildings that soon faces extensive renovations due to age and therefore they have a lot of potential to, at the same time, improve the energy efficiency. Some of the buildings uses district heating as heating system and therefore this project has included an investigation of how the energy efficiency of a building affects the delivery of the district heating. The project also included an investigation of how energy efficiency of existing buildings affects the planning of the future needs of district heating.By applying energy saving measures on a reference building that can represent all the buildings in an area can the maximal power use at the DVUT be forecasted. The energy savings impact on the building’s energy- and power signatures is also a part of the study. The result of the energy savings measures is then used in an example of Gothenburg´s urban development by applying the results of the reference building on an area called Heden.The project includes a study, a model in VIP-Energy, an economic analysis of the energy savings and the example of the urban development of Heden. The results shows that the suggested measures reduce the primary energy number by 47 % and that the maximal power use reduced by 50 %. For property owners the economic analysis showed that the measures were not enough profitable. On the other hand, did the result, by the example with Heden also showed that Göteborg Energi can profit by reducing the energy use in existing buildings because it reduces the future additional net power.