|
Samkjøring og integrering av varmesentraler
Bakgrunn
Utgangspunkt for forskningsarbeidet er ønsket om mer effektiv energi- og effektutnyttelse i eksisterende fyrhus.
Norge er i en situasjon hvor det i perioder forbrukes mer elektrisk energi enn det produseres. I St. meld. nr. 29 (1998-99) er det fastsatt nasjonale mål om reduksjon i bruk av elektrisitet direkte til oppvarmingsformål spesielt og reduksjon av energiforbruket generelt. Et av hovedsatsningsområdene for å nå målsettingene er økt bruk av vannbåren varme til oppvarmingsformål. Reduksjon av elektrisitetsforbruket anbefales gjennomført ved bedre tilrettelegging for bruk av vannbåren varme og dermed muligheter for bruk av alternative energikilder. I tillegg til satsning på bruk av alternative energikilder skal energiforbruket reduseres generelt gjennom satsning på mer teknologi for mer effektiv utnyttelse av energi i eksiterende og nye varmeanlegg. Myndighetene har i St. meld. nr 29 (1998-99) uttrykt et mål om å bruke 4 TWh mer vannbåren varme årlig basert på nye fornybare energikilder, varmepumper og spillvarme innen år 2010. For å nå målet om økt bruk av nye fornybare energikilder, varmepumper og spillvarme har staten gjennom Enova initiert ulike støtteprogram for brukere som har mulighet for omlegging av energibruken ved konvertering til biobrensel, varmepumper, fjernvarme, spillvarme etc. Felles for flere av energikildene som myndighetene ønsker en omlegging til er ofte at det kreves en omlegging til større energisentraler med for eksempel bruk av fjernvarme dersom omleggingen skal være lønnsom. Bygging av fjernvarme er kostbart og krever mange kunder for å være lønnsom. For mange småsamfunn og småkommuner vil en omlegging til fjernvarme ikke kunne la seg realisere som følge av ressurstilgang og markedsmessige forhold.
Tradisjonelt har vannbårene varmeanlegg i næringsbygg benyttet elektrisitet og olje som energibærere. Utgangspunkt for forskningsarbeidet er ønsket om mer effektiv energi- og effektutnyttelse i eksisterende fyrhus/energisentral hvor fjernvarme trolig ikke vil være et reelt alternativ. Gjennom mange år med relativt lave energipriser i Norge har kostnader forbundet med energi ikke vært særlig fokusert på blant byggeiere, forvaltere og leietakere. Lite fokus på energipriser og tradisjon i bransjen for å "ta i litt" i forbindelse med prosjekteringen har ofte medført at mange varmesentraler er overdimensjonert i forhold til de arealene som anleggene skal betjene. Feildimensjonerte varmeanlegg medfører lave virkningsgrader med resultat høyt energiforbruk og dermed høye driftskostnader, samt større miljøbelastning enn nødvendig. Etter tørråret 1996/97 har energipriser blitt en viktig del av hverdagen for byggeiere, -forvaltere og leietakere. For byggeiere og -forvalter går erfaringsmessig økningen i energiutgifter ofte ut over vedlikeholdsbudsjettene for byggene som igjen fører til en verdiforringelse av byggene. Lavere fokus på vedlikehold gjør i tillegg byggene mindre attraktive for potensielle leietakere. I tillegg er leietakere de senere årene blitt mer oppmerksomme på energikostnadene når de vurderer ulike lokaler opp mot hverandre. Lave utgifter til oppvarming er blitt et viktig konkurranseelement i markedet. For eiere og forvaltere av eksiterende bygg vil en forbedring eller optimalisering av bygningsmassen, de tekniske anleggene og/eller driften være den mest aktuelle måten for mer redusert energiforbruk og dermed reduserte energikostnader.
Ofte er det marginale investeringer som skal til før en varmesentral kan betjene et større energi- og effektbehov. Det er sannsynligvis et optimaliseringspotensial ved samkjøring og integrering av varmesentraler. En slik samkjøring krever sammenkobling av eksiterende varmeanlegg ved hjelp av rørføringer. Hver enkelt varmesentral blir da undersentraler eller delsentraler i det nye samkjørte varmeanlegget. Etter sammenkoblingen er sentralene integrert i et større system og de eksisterende varmesentralene samkjøres for på den måten å kunne velge den eller de kjelene som gir optimal effekt- og energiutnyttelse ut fra de styringskriterier som er valgt. For å illustrere prosjektideen nærmere, vises et eksempel med en tenkt gruppering bestående av 5 bygg. For enkelthets skyld, antas byggene å være identiske mht størrelse, driftstider, energi- og effektforbruk. Tabellen med tilhørende grafisk fremstilling illustrerer med tydelighet resultatet.
Tabell 1.1 Sammenstilling av effekt og energi for ”by-kvartalet”
| Bygg |
Pmaks. netto% |
Pinstall. vannbåren% |
100% av tiden |
90% av tiden |
| Eenergibehov% |
Eenergi disp.vannbår% |
Eenergibehov% |
Eenergi disp.vannbår% |
| 1 |
100 |
150 |
100 |
375 |
75 |
450 |
| 2 |
100 |
130 |
100 |
325 |
75 |
385 |
| 3 |
100 |
150 |
100 |
375 |
75 |
450 |
| 4 |
100 |
0 |
100 |
0 |
75 |
0 |
| 5 |
100 |
150 |
100 |
375 |
75 |
450 |
| Sum % |
500 |
580 |
500 |
1450 |
375 |
1735 |
| Overskudd/ reserve % |
|
80 |
|
950 |
|
1360 |
Eksemplet foran kan dokumenteres med målinger gjort på en gruppering av bygg i Narvik sentrum. Nedenfor vises grafisk fremstilt en av de målte ukene. Ukemiddeltemperaturen var –5,1oC.
Figur 1.4 Målinger gjort på en gruppering av bygg i Narvik sentrum, byggareal ca. 6000 m2. Ukemiddeltemperatur –5,1oC.
Det er tidligere utført studier av optimalisering av enkeltkomponenter i et varmeanlegg samt optimalisering av dimensjonering, utførelse og styring av enkeltstående varmesentraler. I tillegg til studier er det utviklet og satt i drift tekniske løsninger for automatisk valg av billigste energibærer i fyrhus med flere varmekilder. I forskningsarbeidet vil det fokuseres på samkjøring og integrering av varmesentraler i ulike bygg til et felles integrert anlegg som er drifts-, areal- og energimessig optimalt.
Målsetting
Forskningsarbeidet tar sikte på å utvikle en metode til hjelp i lønnsomhetsberegning ved integrering og samkjøring av eksisterende varmesentraler. Metoden skal ved hjelp av simulering gi svar på energi-, miljø- og kostnadsgevinster ved samkjøring av varmesentraler sett i forhold til enkeltdrift. Det skal utarbeides:
- matematiske modeller for enkeltkomponenter tilknyttet varmesentraler
- matematiske modeller av enkeltstående varmesentraler
- matematiske modeller av integrerte varmesystem
- optimaliseringsmetodikk med tanke på energi, miljø og kostnader
- simuleringsrutiner for verifisering av enkeltmodellenes gyldighet
Avgrensning
Tallfestede verdier på antatt besparelse i energi, effekt og kostnader vil ikke være prioritert oppgave. Det er planlagt registrering av forbruksdata fra et spesifikt kvartal i Narvik sentrum. Datamengden fra disse registreringene vil ikke være tilstrekkelig stort for konklusjoner vedrørende besparelser på generell basis. Registrerte data fra den eksisterende byggrupperingen vil benyttes i forbindelse med utvikling av modellen, eventuelt som grunnlag for en case som illustrasjon. I forbindelse med en eventuell case vil det ikke bli utført fysiske ombygginger av de eksisterende varmeanleggene hvor målinger er utført. Både den økonomiske og tidsmessige rammen i programmet er ikke tilstrekkelig til slikt arbeid. Integrering av varmesentraler vil medføre merkantile utfordringer for eiere av sentralene. Sentrale problemstillinger er hvem skal eie anlegget, hvem har ansvaret for driften, leveringssikkerhet og avregning av kostnader. Før en samkjøring finner sted må slike problemstillinger avklares. Problemstillingen rundt de forretningsmessige forholdene er ikke prioritert i forskningsarbeidet.
Forskningsmetodikk
Komponentbeskrivelse
For å kunne simulere energiforbruket og utarbeide optimaliseringsrutiner må det etableres matematiske beskrivelse av de fysiske anleggene. Dette innebærer at det med bakgrunn i beskrivelser av varmesentralers komponenter må utvikles matematiske modeller for enkeltkomponentene tilknyttet varmesentraler. Modellene må gjenspeile dynamikken til de virkelige komponentene på en tilstrekkelig god måte. Komponentmodellene bygges opp hver for seg i et komponentbibliotek for bruk i et integrert system med tanke på optimalisering og simulering. I tillegg til komponentenes fysiske oppførsel må ulike kostnadsfunksjoner for energi og effekt inkluderes i de matematiske modellene.
Optimalisering
Det er to aspekter ved optimalisering av varmesentraler:
1) Optimalisering før drift, dvs. sikre og tilrettelegge for bedre lønnsomhet under drift.
2) Optimalisering under drift – simultan optimalisering.
Med optimalisering før drift menes å tilrettelegge systemet slik at mest mulig optimal drift kan oppnås. Det innebærer valg av riktig systemløsning, valg av komponenter med høy virkningsgrad, avklaring hvordan eksisterende komponenter bør driftes for å oppnå god effektivitet osv. Når et godt grunnlag er etablert under pkt 1 åpner dette for å drifte anlegget på en mer optimal måte enn ved bare å foreta en optimalisering under drift. Optimalisering under drift innebærer at en ut fra gitte tilstandsstørrelser og andre data søker en rutine som beregner hvilke energikilder og hvilke varmeproduserende enheter som skal være i drift til enhver tid slik at lavest mulig kostnad oppnås. Dette vil fungere som en styringsrutine for sentralen på tilsvarende måte som en regulator. Denne oppgaven vil hovedsakelig konsentrere seg om pkt 2, Optimalisering under drift. Simultan optimalisering krever som nevnt en styringsrutine som er i stand til å beregne den mest gunstige kombinasjonen av energikilder og varmeproduserende enheter slik at kostnadene blir lavest mulig. Til dette kreves det at det utvikles matematiske modeller av de respektive energisentralene og det integrerte systemet. Den matematiske modellen vil også gi svar på hvilke størrelser som er nødvendig å måle, samt hvilke parametere som må finnes. Basert på de matematiske modellene må det utvikles en optimaliseringsmetodikk som beskriver framgangsmåten for valg av optimal løsning.
Simuleringsrutiner
Simuleringsrutiner for verifisering av enkeltmodellens gyldighet både enkeltstående og i et samlet system må utarbeides. Til arbeidet med verifisering av modellens gyldighet anvendes hensiktsmessig dataverktøy. Resultatene sammenstilles opp mot kjente verdier fra feltmålinger i forbindelse med en case eller vurderes kvalitativt opp mot verdier beregnet ut fra kjente termodynamiske prinsipper.
Forventede resultater
Arbeidet forventes å gi kunnskaper om modellering med tanke på dynamisk simulering av varmeanleggs oppførsel under ulike driftsforhold. Videre forventes det at de utviklede modellene, optimaliseringsrutinene og simuleringsrutinene skal kunne være til hjelp for byggeiere i avgjørelser vedrørende samkjøring og integrering av eksisterende varmeanlegg. Resultatet av forskningen vil være et bidrag i den nasjonale og internasjonale satsningen med reduksjon i bruk av elektrisk energi til oppvarming. Formidling av resultatene til fagmiljøene vil skje gjennom publisering i relevante internasjonale vitenskapelige tidsskrifter og proceedings fra internasjonale vitenskapelige konferanser. I tillegg forventes det at resultatene fra arbeidet vil ha et produktutviklingspotensial for en "standardisert" tilkoblingsenhet for sammenkobling av varmesentralene. Tilkoblingsenheten kan analogt sammenlignes med standardiserte shuntkoblinger for varmeanlegg.
|
