<p><strong></strong>The aim of this Project is to study the influence of high return temperatures in district heating on the costs for heat and power production in a CHP plant.When the temperatures of the water coming back to the heating plant are so high, the overall performance of heat and power production is decreased and, consequently, also the production costs. Along the project, the influence of this temperature on the different parts of a CHP plant are analysed as well as the economical impact it has. At the same time, some general impacts on the entire network are mentioned.</p><p> </p><p>A real network is used in this project, and it is the net of district heating in Gävle (Sweden), and the most of the study is focus in its bigger combined heat and power production plant (CHP), called Johannes.</p>

The aim of this Project is to study the influence of high return temperatures in district heating on the costs for heat and power production in a CHP plant.When the temperatures of the water coming back to the heating plant are so high, the overall performance of heat and power production is decreased and, consequently, also the production costs. Along the project, the influence of this temperature on the different parts of a CHP plant are analysed as well as the economical impact it has. At the same time, some general impacts on the entire network are mentioned.   A real network is used in this project, and it is the net of district heating in Gävle (Sweden), and the most of the study is focus in its bigger combined heat and power production plant (CHP), called Johannes.

District heating is a spread technology where buildings and industries are supplied with heatand hot tap water. This technology is used in 285 out of Sweden’s 290 municipalities. GöteborgEnergi has a theoretical possibility to lower their return temperature from 38 ◦C to 30 ◦C. This change corresponds to economic savings at 54 millions [kr/year] in production costs, anddecreased carbon dioxide emissions at 3 390 [ton CO2e/ year]. Ineffective heat exchangers indistrict heating centrals is one of the reasons why the return temperature is high in the districtheating grid, though the goal is to have the lowest return temperature as possible.To identify which district heating centrals that are ineffective has the Överkonsumstionsmetodenbeen applied. Through reinvestments of new heat exchangers in district heating centrals with ahigh return temperature, the company could lower the return temperature. Reinvesting in 247profitable apartment building centrals would lower the nets average return temperature with 0,44◦C, a saving in production costs of 2,84 [Mkr/year] and decreased carbon dioxide emissions of189 [ton CO2e/year]. However, calculations show that it is only profitable at 22% to reinvest innew heat exchangers at apartment buildings. The reinvestments tend to be profitable when thereturn temperature and heat use is high. A table has also been developed to determine when it isprofitable to do this reinvestment, dependent on return temperate, delivered heat and installedefficiency for the specific district heat central. / Fjärrvärme är en utbredd teknik där byggnader och industrier förses med värme och varmttappvarmvatten. I Sverige används tekniken i 285 av 290 kommuner. Göteborg Energi har enteoretisk möjlighet att sänka sin returtemperatur från 38 ◦C till 30 ◦C, vilket motsvarar en ekonomiskbesparing om 54 [Mkr/år] i produktionskostnader och en koldioxidutsläpps minskningmed 3 390 [ton CO2e/år]. Ineffektiva värmeväxlare i fjärrvärmecentralerna är en utav anledningarnatill varför returtemperaturen är hög i fjärrvärmenätet, målet är dock att ha lägsta möjligareturtemperatur. För att identifiera vilka fjärrvärmecentraler som är ineffektiva har Överkonsumtionsmetodentillämpats. Genom reinvestering av nya värmeväxlare i fjärrvärmecentraler med hög returtemperatur,hade företaget kunnat sänka sin returtemperatur. Reinvestering av de 247 lönsammafjärrvärmecentralerna i flerbostadshus hade givit en förändring på fjärrvärmenätets genomsnittligareturtemperatur om 0,44 ◦C, en produktionskostnadsbesparing om 2,84 [Mkr/år] samt ettminskat koldioxidutsläpp om 189 [ton CO2e/år]. Dock visar beräkningar att det enbart är lönsamtvid 22% att reinvestera i nya värmeväxlare vid fjärrvärmecentraler i flerbostadshus. Exempelvistenderar lönsamheten för reinvestering av värmeväxlare att öka vid fjärrvärmecentraler med högreturtemperatur och stor värmemängd. Det har även tagits fram en tabell för att kunna avgöranär det är lönsamt att göra reinvesteringen, beroende på returtemperatur, värmemängd samtdimensionerad effekt för den specifika fjärrvärmecentralen.

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.