Flow temperature reduction in the development of a district heating network

Kaukolämpöverkoissa käytettyjen lämpötilatasojen on havaittu laskevan pitkällä aikavälillä. Automatisoidut mittaukset sekä tiedonsiirtotekniikan hyödyntämisen lisääntyminen ovat mahdollistaneet kaukolämpöverkkojen menolämpötilan säätämisen todellista tarvetta vastaavalle tasolle. Lämmitysjärjestelmien kehittyessä kaukolämpöverkolta vaadittavaa menolämpötilaa voidaan alentaa nykyisen suuntauksen mukaan kohti älykkäitä neljännen sukupolven kaukolämpöverkkoja, joissa matalat lämpötilatasot mahdollistavat kaksisuuntaisen asiakkuuden ja ylijäämälämpöjen hyödyntämisen lämpöpumppujen avulla. Tässä diplomityössä selvitettiin mahdollisuutta alentaa Mäntsälässä sijaitsevan aluelämpöverkon lämpötilatasoja matalalämpöverkon tasolle ja hyödyntää kaksisuuntaista kaukolämpökauppaa fossiilisen lämmöntuotannon korvaajana. Työssä laskettiin erilaisilla alennetuilla lämpötilatasoilla saatavia lämpöhäviövähennyksiä sekä vaihtoehtoisia lämmöntuotannon kustannuksia. Kaukolämpöverkon toimintaa simuloitiin verkostomallinnuksen avulla menolämpötilan alarajojen löytämiseksi. Simuloinnin tueksi ja tulosten todentamiseksi kuuteen verkon asiakaslaitteeseen asennettiin tuntikohtaisia arvoja tallentavat mittalaitteen, joiden antamaa dataa kyettiin vertaamaan simuloinnin antamiin tuloksiin. Simulointimalli osoitti, että aluelämpöverkossa on ylläpidetty tarpeettoman korkeita lämpötiloja erityisesti lämmityskaudella, mutta erittäin matalan lämpötiheyden vuoksi alueverkon menolämpötilaa ei kyetä laskemaan matalalämpöverkoksi luettavalle, alle 70 ℃ tasolle. Alimmillaan menolämpötila voisi laskea 75℃ lämpötilaan. Saatujen tulosten perusteella pelkillä käyttötoimenpiteillä keskimääräistä menolämpötilaa kyettäisiin alentamaan noin 9 ℃. Jo 5 ℃ menolämpötilan alentamisella tarkastellun verkon lämpöhäviöt pienenisivät noin 9 %. Tarkastelussa havaittiin, että suurin potentiaali lämpötilahäviöiden pienentämiseksi kyseisessä verkossa syntyy turhia kaukolämpöveden kierrätyksiä poistamalla. Kyseiset kierrätykset nostavat paluuveden lämpötilan lähelle verkon menolämpötilaa kasvattaen häviöitä merkittävästi. Jos verkon keskimääräiset meno- ja paluulämpötilat saataisiin laskettua kierrätykset poistamalla 75 ℃ ja 40 ℃ lämpötiloihin, verkon lämpöhäviöt pienenisivät 22,5 %. Verkon lämpötilan laskeminen lähelle asiakaslaitteiden mitoituslämpötiloja vaatii asiakasmittausten hyödyntämistä laskuttamisen lisäksi myös verkon lämpötilan ohjaamisessa, sillä lämpötilan alentaminen ei saa heikentää asiakkaiden lämmityslaitteiden toimintaa, mikä heijastuisi asiakkaan kokemaan asumismukavuuteen.Temperature levels of district heating networks have been decreasing over the long term. Automated measurements and increased information technology have it possible to adjust the flow temperature of a district heating network to a level that corresponds to the real need. As heating systems evolve the flow temperature required of the district heating network can be reduced towards low temperature fourth generation district heating. An intelligent 4GDH network would allow customers to sell their surplus heat to the network. This master’s thesis explored the possibility to lower temperature levels of a small district heating network in Mäntsälä to the levels of a low temperature network and utilizing bidirectional heat trading as a substitute for a fossil fuel heat generation. The work involved calculating heat loss reductions at various temperature levels and different cost of alternative heat production methods. The operation of district heating network was simulated with a network modelling software to find the lower level of the flow temperature. In order to verify the simulation results data loggers were installed to six customer substations to give hourly metering from different points of the network. The simulation model showed that unnecessarily high temperatures have been maintained in the district heating network especially during heating season. Due to remarkably low thermal density the flow temperature of the network cannot be lowered below 75 ℃ as a low temperature networks are considered to have temperature levels below 70 ℃. The obtained results show that the average flow temperature could be lowered by 9 ℃. With a 5 ℃ reduction of the average flow temperature the heat losses would reduce by 9 %. It was found that the greatest potential of for reducing heat losses is to eliminate unnecessary by-passes that increase the return water temperature close to flow temperature increasing the losses significantly. If the average flow and return temperatures could be lowered to 75 ℃ and 40 ℃ respectively by removing the by-passes the thermal losses would decrease by 22,5 %. Lowering the temperature near the operation points of customer substation requires constant metering and automated network temperature control since lowering the network temperature should not impair the customer’s sense of comfort