Low-temperature thermal grids with surplus heat utilization

Omtrent halvparten av bygningenes energibehov er knyttet til oppvarming og kjøling. Samtidig finnes det utallige spillvarmekilder i byene - for eksempel datasentre, store idrettsanlegg og kjøpesentre - som kunne benyttes til å forsyne varme til bygningene. Fjernvarme muliggjør økonomisk utnyttelse av slike energikilder som ellers ville bli kastet for å dekke bygningenes oppvarmingsbehov. Dagens fjernvarmenett anvender imidlertid et høyt temperaturnivå på distribusjon av varmen, som fører til høye distribusjonstap, og ineffektiv utnyttelse av spillvarme og fornybare varmekilder. Det er imidlertid krevende å senke distribusjonstemperaturen i hele fjernvarmenettet på grunn av eksisterende kunder med høye temperaturkrav. Overgangen til lavtemperatur-fjernvarme må derfor starte fra nye bygningsområder. Et lokalt varmenett som benytter flere varmekilder er et komplekst system. I LTTG + ble det brukt dynamisk modellering for å sammenlikne ulike systemløsninger for utvalgte områder i forhold til varmekilder og temperaturnivå, samt for utvikling av prediktive kontrollstrategier for å minimere topplastbehovene. Arbeidet ble gjennomført i tett samarbeid med fjernvarmeleverandører, offentlige aktører, eiendomsutviklere og forskningsmiljøer fra tre ulike kommuner: Trondheim, Gjøvik og Oslo. Prosjektet har fokusert på to planlagte bygningsområder: Leangen i Trondheim, med spillvarme tilgjengelig fra en ishall; og Furuset i Oslo, som planlegger å benytte overskuddsvarme fra fjernvarmenettet om sommeren, lagret under bakken i en stor brønnpark. For Leangen ble det lagt frem en løsning om et lavtemperaturnett som utnytter av spillvarme fra ishallen for romoppvarming og gråvann for tappevannoppvarming. Denne løsningen ble evaluert i detalj i en konseptutredning finansiert av Enova. For Furuset ble det utviklet en dynamisk modell for brønnparken i samarbeid med KSP prosjektet RockStore. Modellen er blitt brukt til å evaluere optimale driftsstrategier for ladning og utladning av varmen for å få mest ut av brønnparken. Dynamisk modellering ble også brukt til å utvikle prediktive reguleringsstrategier til kundesentralene i fjernvarmenett. Dagens kundesentraler er styrt med utetemperaturkompensering, dvs. at turtemperatur til radiatorene er basert på utetemperaturen. Simuleringsresultatene fra prosjektet viser at gjennom bruken av prediktive reguleringsstrategier er det mulig å flytte laster i et bygg til en lavlastperiode i nettet og samtidig oppnå en betydelig reduksjon i energi- og effektbehov, uten at den termiske komforten til beboerne blir påvirket.

Project outcomes include interdisciplinary collaboration in the national projects KPN RockStore and the FME ZEN; international collaboration in the IEA-funded project CASCADE - A comprehensive toolbox for integrating low-temperature sub-networks in existing DH networks; as well as a spin-off project for detailed evaluation of the suggested low-temperature thermal grid solution for Leangen in Trondheim. The main impacts are reduced primary energy demand and emissions from buildings' heat supply, obtained through increased utilization of waste heat in low-temperature thermal grids. Potential outcomes and effects include the uptake of control strategies for optimal shift of building heat loads for reduced peak heating, thus reduced emissions, and a novel grey water heat recovery solution for domestic hot water heating. Grey water is a stable heat source that is available everywhere, and a robust technology for recovering this heat has potential for wide-spread application.

District heating (DH) will play an important role in the future fossil-free energy systems by enabling economical utilization of energy sources that would otherwise be wasted to cover buildings' heating demands. A prerequisite for this is a reduction in the distribution temperature and a shift towards decentralized heat production. It is however impossible to lower the supply temperature in the entire DH network due to existing customers with high temperature demands. The transition to low-temperature DH must hence start from new building areas. The objective of the project LTTG+ is to develop new knowledge to design and operate cost-effective and flexible local low-temperature thermal grids (LTTGs) with surplus heat utilization and thermal energy storage (TES). A local heating grid that utilizes multiple heat sources and TES, exchanging heat with the primary DH grid, is a complex system. Modelling and simulation is needed to find the most optimal solutions regarding operation and design of the grid and its components. In LTTG+, dynamic modelling will be applied to study the heat flows between buildings, heat suppliers and storage for defined case areas in three cities in Norway: Oslo, Trondheim and Gjøvik. Covering the peak heating demands in a cost-efficient and environmentally manner is one of the major challenges for DH operators. A properly designed decision-support system may significantly improve the economics of operation, model predictive control (MPC) being often the preferred control strategy. In LTTG+, optimization-based predictive control strategies will be developed minimize the peak heating demands in the local grid as well as in the primary DH grid. LTTG+ will build national knowledge required for the transition to low-temperature DH, including knowledge for integration of surplus heat sources; optimal design, sizing and control of LTTGs; as well as interaction with local thermal grid and the primary DH network.