Assessment process for the implementation of 4th generation district heating
Salmi, Joona (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024060746871
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024060746871
Tiivistelmä
Thesis studies the benefits and limitations of the 4th generation district heating system. It provides an assessment tool to analyse the suitability of an area to implement 4th generation district heating network. The suitability depends on the occurring limitations and availability of the excess heat source. Assessment tool is tested in the form of a case study, which provide techno-economic analysis of the area suitability for studied solutions. Wider objective of the assessment tool process is to replicate the heating and cooling solutions, conducted in Response -project. Response -projects implementation in Turku was located in Tyyssija building at the Student village area.
With the assessment tool process, case study provides calculations of the network operational values, consumer devices and excess heat utilization. Case study -area is in the Turku Energia district heating network area and the calculation values used actual measuring data from the consumers. Case study analysed heat pump as an energy company’s owned device, for simplification.
Case study identified the benefit of the 4th generation district heating system is the more extensive and efficient use of excess heats. This directly increases the profitability of the total system. Challenge of the 4th generation district heating is the physical limitations it sets to the network and consumer devices. Consumer devices increase the return temperature to the district heating network if the supply temperature is decreased. Return temperature increase was founded more harmful to the heat pump efficiency than the supply temperature reduction benefits it. Occurring bottlenecks in the network limits the heat transfer capacity of the network if the supply temperature is decreased. Lower supply temperature did not significantly reduce the heat loss flow rate. System had relatively high investment costs and the heat pump solution in the system is found very vulnerable to price volatility. Diplomityö tutkii neljännen sukupolven kaukolämpöjärjestelmän hyötyjä ja rajoitteita. Sen tuloksena luodaan arviointityökalu neljännen sukupolven kaukolämmön alueellisen soveltuvuuden analysoimiseksi. Alueen soveltuvuuteen vaikuttavat syntyvät rajoitteet ja hukkalämpöjen saatavuus. Arviointityökalua testataan tapaustutkimuksessa, josta syntyy teknistaloudellinen analyysi alueen soveltuvuudesta valituin ratkaisuin. Arviointityökalun prosessin laajempana tavoitteena on monistaa Response -projektin lämmitys- ja jäähdytysratkaisut. Response -projektin osuus toteutettiin Turun Ylioppilaskylän alueella Tyyssija rakennuksessa.
Arviointityökalun prosessin avulla tapaustutkimuksen laskelmat sisältävät kaukolämpöverkon käyttöarvot, kuluttajalaitteet ja hukkalämmön hyödyntämisen. Tapaustutkimuksen kohde on Turku Energian kaukolämpöverkon alueella ja tutkimuksessa hyödynnetään todellista mittausdataa kuluttajilta. Yksinkertaistamiseksi tapaustutkimuksessa hukkalämpöjä hyödyntävä lämpöpumppu on energiayhtiön omistuksessa.
Tapaustutkimuksessa havaittiin, että neljännen sukupolven kaukolämmön hyötyinä on monipuolisempi ja tehokkaampi hukkalämpöjen hyödyntäminen. Tämä parantaa koko järjestelmän kannattavuutta. Haasteena neljännen sukupolven kaukolämmössä on kaukolämpöverkolle ja kuluttajalaitteille syntyvät fyysiset rajoitteet. Kuluttajalaitteilta palaavan kaukolämmön paluuveden lämpötila nousee, jos menoveden lämpötilaa lasketaan riittävästi. Paluuveden lämpötilan nousu todettiin lämpöpumpun hyötysuhteelle haitallisemmaksi kuin menoveden lämpötilan laskusta saatu hyöty. Kaukolämpöverkkoon muodostuvat pullonkaulat rajoittavat verkon lämmönsiirtokykyä, jos menoveden lämpötilaa lasketaan riittävästi. Menolämpötilan madaltaminen ei myöskään merkittävästi madaltanut lämpöhäviöiden määrää. Järjestelmällä on suhteellisen korkeat investointikustannukset ja sen huomattiin olevan erittäin herkkä hintavaihtelulle.
With the assessment tool process, case study provides calculations of the network operational values, consumer devices and excess heat utilization. Case study -area is in the Turku Energia district heating network area and the calculation values used actual measuring data from the consumers. Case study analysed heat pump as an energy company’s owned device, for simplification.
Case study identified the benefit of the 4th generation district heating system is the more extensive and efficient use of excess heats. This directly increases the profitability of the total system. Challenge of the 4th generation district heating is the physical limitations it sets to the network and consumer devices. Consumer devices increase the return temperature to the district heating network if the supply temperature is decreased. Return temperature increase was founded more harmful to the heat pump efficiency than the supply temperature reduction benefits it. Occurring bottlenecks in the network limits the heat transfer capacity of the network if the supply temperature is decreased. Lower supply temperature did not significantly reduce the heat loss flow rate. System had relatively high investment costs and the heat pump solution in the system is found very vulnerable to price volatility.
Arviointityökalun prosessin avulla tapaustutkimuksen laskelmat sisältävät kaukolämpöverkon käyttöarvot, kuluttajalaitteet ja hukkalämmön hyödyntämisen. Tapaustutkimuksen kohde on Turku Energian kaukolämpöverkon alueella ja tutkimuksessa hyödynnetään todellista mittausdataa kuluttajilta. Yksinkertaistamiseksi tapaustutkimuksessa hukkalämpöjä hyödyntävä lämpöpumppu on energiayhtiön omistuksessa.
Tapaustutkimuksessa havaittiin, että neljännen sukupolven kaukolämmön hyötyinä on monipuolisempi ja tehokkaampi hukkalämpöjen hyödyntäminen. Tämä parantaa koko järjestelmän kannattavuutta. Haasteena neljännen sukupolven kaukolämmössä on kaukolämpöverkolle ja kuluttajalaitteille syntyvät fyysiset rajoitteet. Kuluttajalaitteilta palaavan kaukolämmön paluuveden lämpötila nousee, jos menoveden lämpötilaa lasketaan riittävästi. Paluuveden lämpötilan nousu todettiin lämpöpumpun hyötysuhteelle haitallisemmaksi kuin menoveden lämpötilan laskusta saatu hyöty. Kaukolämpöverkkoon muodostuvat pullonkaulat rajoittavat verkon lämmönsiirtokykyä, jos menoveden lämpötilaa lasketaan riittävästi. Menolämpötilan madaltaminen ei myöskään merkittävästi madaltanut lämpöhäviöiden määrää. Järjestelmällä on suhteellisen korkeat investointikustannukset ja sen huomattiin olevan erittäin herkkä hintavaihtelulle.