Understanding behaviour of District heating systems Integrating Distributed sources

Fremtidens fjernvarme- og kjølesystemer vil baseres på fornybar energi fra sol, spillvarme og geotermisk energi. Dette vil innebære at mange forskjellige systemer kan bli tilgjengelige for å levere varme til det sentrale systemet. Et slikt system kalles distribuert siden det ikke er én felles sentral, og heller ikke en felles eier. I denne nye situasjonen vil en bygning være i stand til å opptre som både bruker og leverandører på en og samme tid, eller såkalt «prosumer». Nåværende teoretiske bakgrunner og metoder for energisystemer er basert på antakelsen om sentralisering av kildene. De gjeldende teorier tar ikke høyde for toveisstrømmer og integrert styring mellom sentraliserte og distribuerte systemer. I tillegg er det slik at i et vannbasert energisystem har sentralen et naturlig monopol. Derfor er det enda mer vanskelig å integrere disse nye distribuerte kildene i systemet. Derfor var målet med dette prosjektet å utvikle modeller for å forklare grensesnitt mellom energiforsyning og behov i et fjernvarmesystem som integrerer distribuerte kilder. Forbedring i grensesnittene vil muliggjøre enkel kontroll og integrasjon av fornybare energikilder og spillvarme inn i fremtidens energisystemer. Begrepet forbedret grensesnitt kan forklares via «harde» og «myke» problemstillinger som dekker følgende: -«Harde» problemstillinger er relaterte til nettstrukturer for fjernvarme, tekniske krav til abonnentsentraler og bygninger, og tilkoblingsprinsipper for desentraliserte energikilder. -«Myke» problemstillinger er relaterte til teknisk og økonomisk modellering av distribusjonssystemet, optimalisering mellom forsyning og behov, nye og integrerte styringskonsepter, utfordringer ved endring fra eksisterende fjernvarmenett til lavtemperaturnett, og nye pris- og forretningsmodeller. Tre ulike metoder har vært benyttet for modellering av fjernvarmenett: 1) lineær tilnærming, 2) metodikk basert på momentum og energilikninger og 3) dynamiske modeller i Modelica. Den første metoden har vært brukt på et syntetisk nett for vareforsyning til lavenergi-bygninger. Den andre og den tredje metoden var brukt for å modellere fjernvarmenett på Gløshaugen campus ved NTNU i Trondheim. Analyse av de distribuerte varmekildene fokuserer på bedre utnyttelse av lokalt tilgjengelige varmekilder, ved å implementere kort- og langtids termiske lagring. Resultatene tyder på at minskning av returtemperaturen er kritisk viktig på veien til å inkludere mer fornybare energikilder. Resultatene av temperaturreguleringsstrategier for bygningsvarmesystem indikerer at det er stort potensiale for bedre styring av bygningstemperaturen. Innenfor dette prosjektet ble modellprediktiv styring (MPC) vurdert for systemstyringen på bygningsnivå og på fjernvarmenivå. MPC er en avansert kontrollmetode som brukes til å kontrollere en prosess mens den tilfredsstiller et sett med begrensninger. I løpet av prosjektet er det utført omfattende analyser for å undersøke hvordan spillvarme fra distribuerte kilder kan brukes. Analysen av trykk- og temperaturnivå viser at koblingsprinsippet av de distribuerte kildene kan ha stor påvirkning på mengden av nyttig spillvarme. Eksempelvis vil koblingsprinsippet for spillvarme fra et datasenter til returledningen indusere høyere varmetap og høyere returtemperatur. I analysen kom vi frem til at å koble spillvarmen til turledning er en bedre løsning, fordi det hjalp til med å unngå større trykkdifferanser i systemet. Videre viste den dynamiske analysen av fjernvarmesystemet at kort- og langtidslagring kan bidra til bedre utnyttelse av spillvarmen og redusere unødvendige høye topper. Likevel, når man tar hensyn til investering, ser vi at den beste måten å utnytte spillvarmen på er med kortvarige termisk lagring. Innenfor dette prosjektet ble et lite fjernvarmenett ved NTNU universitetscampus analysert. Datasenter som såkalt prosumer ble observert, fordi senteret både bruker og leverer varme på en og samme tid. Resultatene viser at et datasenter kan være en pålitelig varmeleverandør. Bruk av en kortsiktig termisk lagring som varmtvannstank kan bidra til å forbedre både økonomiske og energiytelser for slike systemer. Prismodeller i fjernvarme vil alltid påvirke beslutningen om størrelsen på det kortsiktige varmtvannstanken. Til slutt, uavhengig av prisene, er det verdt å utnytte den kortsiktige vannlagringen daglig. Til slutt ble det utviklet MPC-kontrollere for å optimalisere bygningskontroll og for hele fjernvarmenettet ved NTNU campus. Resultatene viste at introduksjonen av feilmodellen for MPC var i stand til å adressere usikkerheten i værmeldingsprognoser og dermed oppnå nesten hele det teoretiske potensialet til MPC når det gjelder oppvarmingskostnadsbesparelser og innetemperaturkontroll. Til slutt, da MPC ble benyttet for hele fjernvarmenettet, gjorde MPC en optimalisert avveining mellom varme- og elektrisitetsbruken for å oppnå den beste økonomiske ytelsen til varmeforbrukeren.

Internationally, we have joined one project under International Energy Agency within the District heating and cooling program, TS2 - Implementation of Low-Temperature District Heating Systems. Throughout the project, we have established a strong collaboration with the research institute Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, and Professor Gongsheng Huang from City University of Hong Kong, Hong Kong. These resulted in many high-quality publications. Within this project, we participated at one industrial workshop to present our results. Finally, Professor Natasa Nord was invited to the keynote speaker at two conferences, Applied Energy in Sweden (hold on-line) and Thermal power plants in Serbia (hold on-line). Based on our work in the UnDID project, Professor Natasa Nord is involved in an internally funded project by Faculty of Engineering at NTNU with the focus are sustainability, Optimal Utilization of Resources towards Neutral Climate Built Environments in Europe by 2030-2050 (LIFELINE-2050). The focus of this project is to achieve resource efficient and climate neutral built environment with the NTNU campus as a case. Within this project, Professor Natasa Nord will be a work package leader and a PhD supervisor.

Use of renewable energies and waste energy is highly necessary and required by national and international regulations. Future district heating and cooling systems will be based on completely renewable energies from solar, waste heat, and geothermal energy. This will imply that many distributed systems have to be available to deliver their heat to the central system. In this new situation, a building will be able to be user and supplier at the same time. Current theoretical background and methods for the energy system analysis are based on the centralized assumption that there are lots of demands but only one supply to fulfill all the demands. The current theories do not consider bidirectional flows and integrated management between centralized and distributed supply and demand. In addition, in a water-based energy system, there is a natural monopoly of the main system. Therefore, it is even more difficult for these new distributed sources to be integrated to the system. One of the main reasons why this research topic is still new and not well developed is that income and cost models for sharing the benefit of energy efficiency at supply and demand side are not common and do not support fully environmental friendliness that is an ultimate goal. Therefore, the aim of this project is to develop models to explain interfaces between the energy supply and demand in a district heating integrating distributed sources. To develop fundamental models for this problem, the scientific methods combining physical models, modeling, building energy simulations, measurements, statistical methods, process simulation, optimization, and control theory will be implemented. Current design, control, energy planning methods, and fundamental background have not been treated this new situation with the distributed heat sources. Hence consultants, building operators, property owners, district heating companies, and energy planners have a huge knowledge need.