Using demand side management methods for smoothing the heat load profile of multi-storey residential buildings connected to district heating

Kaukolämmön epätasainen kysyntäprofiili kasvattaa lämmöntuotannon marginaalipäästöjä ja kustannuksia, mistä johtuen lämmöntuottajat pyrkivät tasaamaan verkoston kuormitusta. Alati kasvava määrä kaukolämpöyhtiöitä on muuttamassa hinnoittelumallejaan päämääränä luoda asiakkaille parempia kannustimia kaukolämmön tehonkäyttöprofiilin tasaamiseen. Tämän seurauksena kaukolämmön perusmaksu muuttuu mittausperusteiseksi ja tehonkäytön merkitys kiinteistön lämpölaskussa korostuu. Perusmaksu on ollut perinteisesti kiinteä laskennallinen arvo, jonka johdosta yksittäisellä kaukolämmön asiakaskiinteistöllä ei ole ollut kannustinta tarkkailla tai vähentää todellista kaukolämpötehon käyttöään. Muuttuvat hinnoittelumallit luovat uuden haasteen kiinteistöjen lämmityksenohjaukseen. Kustannusten rajaamiseksi on kiinteistötasolla löydettävä kysyntäjouston keinoja, joilla kiinteistön kaukolämpötehon profiilia on mahdollista tasata kulutushuippujen leikkauksen ja ajallisen siirron avulla. Asuinkerrostaloissa lämpimän veden käyttö ja siihen liittyvät aamu- ja iltahuiput muodostavat merkittävän osan vuorokausittaisesta kaukolämmön huipputehontarpeesta. Asuinrakennuksissa kysyntäjoustoa voidaan toteuttaa vähentämällä hetkellisesti huonetilojen lämmitystä, kun lämpimän veden käytössä ilmenee suuri tehontarve. Tämä voidaan tehdä kiinteistökohtaisesti lämmityksensäätimen toimintaa muuttamalla. Lopputuloksena kehitettiin kustannustehokas ohjausmenetelmä asuinrakennusten kaukolämpökuormaprofiilin tasaukseen, jossa patteriverkoston tehoa rajoitetaan automaattisesti, vedenkäytön ylittäessä dynaamisen raja-arvon (lkv-lainauskytkentä). Säädön toimivuutta testattiin Vantaalaisessa asuinkerrostalossa noin 3 kk:n empiirisen testijakson aikana. Menetelmällä saavutettiin testijaksolla 8-12 %:n tehonlasku Vantaan Energian käyttämään edellisen vuoden laskutustehosuoraan verrattuna. Testijakson kuukausittaiset huipputuntitehot laskivat 13-17 % ulkolämpötilaero huomioiden, ja normeerattu kaukolämpöenergian kulutus laski 5,3 %. Koejaksolla muutokset huonelämpötiloissa pysyivät ± 0,5 °C rajoissa ja huonelämpötilojen hajonnan havaittiin kaventuneen kuumimpien asuntojen osalta. Myöskään raportoidussa subjektiivisessa lämpöviihtyvyydessä ei tapahtunut laskua asukaskyselyn vastauksiin perustuen. Säätömenetelmälle tehtiin lisäksi kustannus-hyötyanalyysi. Testijaksolla saavutettujen säästöjen ja tiedossa olevien kustannusten perusteella koekohteessa säätömenetelmän takaisinmaksuaika on alle yksi vuosi ja kysyntäjoustosäädön investoinnin 10 vuoden jaksolle määritelty nettonykyarvo 13 636 euroa. Lopputulokset osoittavat, että asuinkerrostalon kaukolämmön kulutusprofiilia on mahdollista tasata kustannustehokkaasti laskematta asuinmukavuutta työssä kehitetyllä lämpimän käyttöveden lainauskytkentäohjauksella.Large variations within the daily heat load profile create unfavourable conditions for efficient heat generation in a district heating system. This is problematic since the peak load periods are associated with significantly higher marginal costs and emissions. Therefore, district heating providers have a clear incentive for smoothing the heat load profile of the network, by using demand side management tools. To this end, a pivotal shift is taking place in the pricing structure of district heating in Finland. The common characteristic of the new pricing schemes is to make a significant part of customers heating costs dependent on the maximum loads based on actual use, as opposed to the previous custom of using fixed dimensioning estimates. This sets a new challenge to develop novel ways for peak cutting and smoothing the heat load profiles of properties to limit heating costs. This thesis focuses on residential properties where water heating is the main driver behind the daily variation in the heating load. An automated and cost-effective method, to lower the peak heat load and to smooth the load profile of residential buildings, was developed and empirically tested over a period of approximately 3 months. The method (water heating load priority) lowers the total average heating load by limiting the amount of power for space heating when a peak is identified in the water heating load. This is achieved by connecting the existing heating controller into a SCADA-system and modifying its operation logic to carry out automated smoothing, based on a dynamic limit. By analysing the results from the empirical test, it was seen that a reduction of 8-12 % was achieved in the measured ‘billing load’ according to the new pricing method used in the Vantaa area. The highest monthly hourly peak loads were reduced by 13-17 %. Furthermore, total energy usage decreased by 5,3 %. A key criterion for rating a DSM-measure is that it should not lower the perceived quality of service related to heating. This was controlled by remotely readable temperature loggers and a survey regarding subjective thermal comfort. The survey results show that the DSM-method did not lower the perceived thermal comfort of the residents, while the variations in measured indoor temperatures where within ± 0,5 °C. Additionally, a cost-benefit analysis was conducted to inform about the financial viability of investing into the DSM-method. The estimated benefits are based on the actual saving in energy use and the costs reflect the necessary changes for the SCADA-system and its upkeep charges. Due to the low initial investment required, the private payback time is less than a year. The estimated net present value accruing from the investment would be 13 636 euros based on a 10-year investment horizon. Overall, the results indicate that heating load smoothing of residential buildings can be conducted efficiently and cost-effectively by using the water heating load priority DSM-method