ENERGINET.DK LIVØ FØRSTE IMPLEMENTERING AF ENERGIFORSYNINGS- LØSNINGER ADRESSE COWI A/S Parallelvej 2 2800 Kongens Lyngby TLF +45 56 40 00 00 FAX +45 56 40 99 99 WWW cowi.dk AKTIVITET 2 DIMENSIONERING AF FJERNVARMENET INDHOLD 1 Introduktion 2 2 Antagelser 2 2.1 Brugerunits 2 2.2 Dimensionsgivende behov 3 2.3 Ledningskatalog 3 2.4 Øvrige antagelser 4 2.5 Generel metode 5 3 Dimensionering og prisoverslag 5 3.1 Ledninger 5 3.2 Gennemstrømsvekslere + tilslutning i husene 7 4 Scenariebeskrivelse 8 4.1 Analyseresultater 8 5 Konklusion 9 PROJEKTNR. A031122-002 DOKUMENTNR. 01 VERSION 01 UDGIVELSESDATO 19. juni 2013 UDARBEJDET KONTROLLERET GODKENDT AAGN / HELA TEP HELA
2/11 FJERNVARMENET PÅ LIVØ 1 Introduktion Fjernvarmesystemet er et vigtigt omdrejningspunkt for det nye VE-system på Livø, idet både biogasanlægget og biodiselgeneratoren er kraftvarmeløsninger. Det nuværende fjernvarmesystem er utidssvarende og nærmest ubrugeligt grundet meget store varmetab i nettet. Fjernvarmesystemet har et varmelager, så kraftvarmeenhederne kan køre uafhængigt af det øjeblikkelige varmebehov og dermed give fleksibilitet i forhold til elproduktionen. Dette notat beskriver, hvorledes det nye fjernvarmesystem er dimensioneret ved en hydraulisk beregning, og hvilke alternative scenarier der er analyseret. Dimensioneringen bærer præg af, at der er meget stor usikkerhed omkring det faktiske behov for varmt brugsvand i en maksimumbelastningssituation (sommer). 2 Antagelser I de følgende afsnit fremgår, hvilke antagelser der er gjort i forbindelse med dimensionering af fjernvarmesystemet. 2.1 Brugerunits Valg af brugerunits i de enkelte huse er af meget stor betydning for dimensioneringen af ledningsnettet. Der er i den forbindelse overvejet to alternative løsningsmuligheder: Alternativ 1, brugerunits med varmtvandsbeholdere - en løsning, der lokalt i de enkelte boliger kræver meget plads til varmtvandsbeholdere. Den maksimale belastning i ledningsnettet er relativt lav, da genopladning af beholdere foretages over tid. En beholderløsning vil af hensyn til bakteriedannelser kræve en minimumtemperatur på ca. 60 grader i beholderen. Alternativ 2, brugerunits med varmevekslere - en løsning, der lokalt ikke kræver så meget plads. Den maksimale belastning i ledningsnettet er relativt høj, da ledningsnettet skal dimensioneres til de få situationer om året, hvor der faktisk opstår en maksimal belastning. I forhold til alternativ 1 vil der være et større varmetab fra ledningsnettet, men til gengæld vil vekslerne have et mindre varmetab end beholderne (varmetab fra beholdere har ingen værdi i sommerperioden). Det er vurderet, at flere bygninger ikke har plads til en beholderløsning, hvorfor der er arbejdet videre med alternativ 2, brugerunits med varmevekslere til brugsvandet. Vand til opvarmning fødes direkte.
FJERNVARMENET PÅ LIVØ 3/11 2.2 Dimensionsgivende behov I en vekslerløsning er varmtvandsforbruget dimensionsgivende, dvs. en sommersituation med maksimalt brugsvandsbehov. Hvor mange tappesteder og brusere der benyttes på en gang, er meget svært at vurdere, hvorfor der på nuværende tidspunkt er foretaget et konservativt skøn. Der antages, at hver bruser har en på 14 kw, og hver vask har en på 12 kw. I den dimensionerende situation er alle brusere i drift, samtidig med at 50% af alle vaske benyttes. Det giver følgende dimensionerende er til fjernvarmeledningsnettet: Tabel 2.1 Dimensionerende er til fjernvarmeledningsnet. Bygning Bruser Vask Areal bruser Vask Dim. [stk] [stk] [m2] [kw] [kw] [kw] Avlsgården* 3 8 328 42 48 90 Gartnerbo* 2 6 205 28 36 64 Cafeteria 0 2 166 0 12 12 Cellebygning 1 4 80 14 24 38 Elværk 1 1 205 14 6 20 Munkebo 3 15 309 42 90 132 Køkken 2 9 307 28 54 82 Købmand* 1 3 263 14 18 32 Pavillon 3 4 8 491 56 48 104 Pavillon 2 3 10 310 42 60 102 Pavillon 4 4 8 453 56 48 104 Pavillon 1 5 10 437 70 60 130 Kirken 0 3 155 0 18 18 Nonnebo* 3 5 212 42 30 72 Skolen 5 3 315 70 18 88 Brusehus Camping 5 11 40 70 66 136 *helårsboliger Den dimensionerende svarer også til den, som brugsvandsvekslere i de enkelte bygninger skal forsynes med. Det er antaget, at helårsbygningerne forsynes med brugsvandprioritet på vekslerne, dvs. at når der er behov for brugsvand, vil varmeforsyningen kortvarigt afbrydes. Varmeforsyning sker direkte, dvs. uden veksler. Data i Tabel 2.1 er baseret på, at nogle bygningsnavne indeholder flere bygninger. Avlsgården er inklusive alle brusere og vaske i gårdkompleks, hovedbygning og Tidemandsminde. Elværk og varmeværk er inklusive alle brusere og vaske i bruttoareal. Munkebo er inklusive hovedbygning og udbygning. Pavillon 3 er inklusive hovedbygning og anneks. Pavillon 4 er inklusive hovedbygning og anneks. Skolen er inklusive lejligheder og bruserbygning. 2.3 Ledningskatalog Følgende ledningskatalog er benyttet til design af ledningsnet:
4/11 FJERNVARMENET PÅ LIVØ Tabel 2.2 Type Ledningskatalog Indre diameter [mm] Frem - Varmeta bskoef* [W/m/K] Retur - Varmeta bskoef* [W/m/K] Ruhed [mm] Anlægspris* * [DKK/ m tracé] Alx 14/14-110 10,0 0,06 0,00 0,02 2000 Alx 16/16-110 11,6 0,07 0,00 0,02 2000 Alx 20/20-110 15,0 0,08 0,00 0,02 2000 Alx 26/26-125 20,0 0,09 0,00 0,02 2000 Alx 32/32-125 26,0 0,11 0,00 0,02 2500 Tws-DN32 37,2 0,12 0,00 0,10 2500 Tws-DN40 43,1 0,14 0,00 0,10 3000 Tws-DN50 54,5 0,14 0,00 0,10 3000 Tws-DN65 70,3 0,17 0,00 0,10 3500 Tws-DN80 82,5 0,18 0,00 0,10 3500 *Vartabskoefficenter baseret på et temperatursæt på 55/25 C og Jord 8 C **priser er et estimat da der ikke findes lign. ø-referencer For nye Alu-pex rør (Alx) og kobberrør (Aq) angives den indvendige ruhed typisk helt ned til 0,01 mm. Ovennævnte større ruhed benyttes som et gennemsnitstal, der forventes efter en årrækkes drift af ledningerne. For nye stålrør angives den indvendige ruhed typisk helt ned til 0,03 mm. Ovennævnte større ruhed benyttes som et gennemsnitstal, der forventes efter en årrækkes drift af ledningerne. Der antages, at rørsystemet samles med krympemuffer, og at der etableres et lækagealarmsystem. Der er i løbet af projektplanlægningen vurderet at benytte et såkaldt tre-rørssystem. Her skal det tredje rør "kun" benyttes om sommeren, hvor der er høj belastning. Teknologien er dog ikke standard, og indkøb af specielle rør og komponenter er ikke vurderet at være egnet til anlægsbudget for dette projekt. 2.4 Øvrige antagelser Følgende øvrige antagelser er gjort: Der er antaget en afkøling på 35 C i den dimensionerede situation, dvs. en fremløbstemperatur på 65 C og en returtemperatur på 30 C. Holdetryk på 1,0 barg. Maksimum tryk på 6,0 barg (det skal bekræftes, at de nuværende varmeanlæg i bygninger kan holde til 6,0 barg). Maksimum hastighed i rør: 2,0 m/s. Minimum differenstryk: 0,5 bar.
FJERNVARMENET PÅ LIVØ 5/11 Varmetab i ledningsnet regnes for konstant over hele året (8760 timer). Samlet varmeforbrug er antaget til ca. 440.000 kwh/år ekskl. nettab (til beregning af procentuelle varmetab). Forbruget er taget ud fra det nuværende kendte forbrug samt den forventede tilvækst i forbruget i dele af bygningerne på 30 % jf. det tidligere projekt. Der antages, at der i hver veksler laves et bypass, således at der ikke opstår ventetid på varmt brugsvand. Dette bypass skal kunne lukkes om vinteren, såfremt det bliver nødvendigt. 2.5 Generel metode Ovenfor nævnte antagelser implementeres i en stationær hydraulisk model. Herefter dimensioneres ledningerne til det mindst mulige under forudsætning af, at trykniveau ikke overstiger 6 barg, og at hastighederne ikke overstiger 2,0 m/s. Systemet på 6 barg skal trykprøves til 1,5 gange designtryk. Dette betyder, at der er en sikkerhedsmargin indbygget i systemet ud over de 6 barg på en faktor 1,5. Desuden er der tale om en peak situation, der meget sjældent opstår (1-2 gange om året). Derfor designes ledningsnettet så småt, at der ved en maksimum hydraulisk belastning opnås et trykniveau marginalt under 6 barg. Der er antaget et holdetryk på 1,0 barg, hvilket giver et "spillerum" på 4 bar op til trykgrænsen på 6 barg. Der skal understreges, at beregningerne er teoretiske, da såvel varmtvandsforbrug som varmetabskoefficienter og afkølinger hos forbrugerne er baseret på teoretiske værdier i højere grad end målte værdier. 3 Dimensionering og prisoverslag 3.1 Ledninger Ledningsnettet er dimensioneret til at kunne forsynes fra såvel den nuværende central (Elværk) samt det kommende biogasanlæg ved Avlsgården. Dette betyder, at fjernvarmenettet kan etableres før og uafhængigt af etableringen af det nye biogasanlæg ved Avlsgården. Det skal dog understreges, at fjernvarmenettet til tider vil efterspørge store mængder varme, hvorfor det er vigtigt, at såvel produktionsenhed som akkumuleringstank kan føde ind i nettet samtidig. Tracé fremgår i Figur 3.1. Samlet tracélængde er 925 m.
6/11 FJERNVARMENET PÅ LIVØ Figur 3.1 Kort med ledningstracé for nyt fjernvarmenet Tracé for det nye fjernvarmenet er stort set identisk med det eksisterende fjernvarmenet. Dog vil det være dyrt (ekstra udgift) at fjerne det eksisterende fjernvarmenet, hvorfor det antages, at tracé placeres parallelt. Der vil være behov for følgende mængder fjernvarmerør: Tabel 3.1 Resulterende ledningslængder og estimerede anlægspriser Type Længde (m) Anlægspris * [DKK/m tracé] Anlægspris * [DKK] Alx 26/26-125 31 2.000 62.000 Alx 32/32-125 56 2.500 140.000 Tws-DN32 160 2.500 400.000 Tws-DN40 74 3.000 222.000 Tws-DN50 68 3.000 204.000 Tws-DN65 245 3.500 857.500 Tws-DN80 290 3.500 1.015.000 Total 924 2.900.500 *priser er et estimat da der ikke findes lign. ø-referencer
FJERNVARMENET PÅ LIVØ 7/11 Det er antaget, at det eksisterende net ikke kan genanvendes, da det er fra 1982. Såfremt det viser sig at være i god stand (hovednet), kan dele eventuelt genanvendes, og ledningsomkostningerne reduceres. Dette kræver dog, at en fjernvarmerørekspert laver et on-site besøg og udfører en opskæring af eksisterende rørisolering for test af tilstand. I den dimensionsgivende situation vil der opstå et maksimalt trykniveau på 4,9 barg og en maksimum hastighed på 1,96 m/s i en ledning nær "køkken". Figur 3.2 Højeste ledningsbelastning - 1,96 m/s. 3.2 Gennemstrømsvekslere + tilslutning i husene I forbindelse med etablering af det nye varmesystem er der designet et ledningsnet med designtrykniveau på 6 bar. Der er også antaget, at der skal installeres veksler til såvel rumvarme som brugsvand. Rumvarmen forsynes også via veksler, da der er usikkerhed om, hvorvidt de nuværende radiatorer i husene m.m. kan holde til 6 bar. Vekslere til rumvarme kan eventuelt spares væk, hvis husene vurderes at kunne trykbære op til 6 bar (denne vurdering foretages af VVS). Prisreduktion på en unit uden veksler til rumopvarmning er ca. 10% i forhold til priserne i tabellen herunder. Under alle omstændigheder skal eksisterende anlæg skiftes, og der skal som minimum etableres vekslere til brugsvandet. Budget for levering, afmontering af gamle anlæg og montering af nye er angivet i tabellen herunder.
8/11 FJERNVARMENET PÅ LIVØ Tabel 3.2 Resulterende vekslerstørrelser og estimerede anlægspriser Bygning bruser Vask Dim. Pris veksler Pris montage Samlet pris [kw] [kw] [kw] [kr.] [kr.] [kr.] Avlsgården* 42 48 90 20.000 20.000 40.000 Gartnerbo* 28 36 64 20.000 20.000 40.000 Cafeteria 0 12 12 14.000 11.000 25.000 Cellebygning 14 24 38 14.000 11.000 25.000 Elværk 14 6 20 14.000 11.000 25.000 Munkebo 42 90 132 40.000 40.000 80.000 Køkken 28 54 82 20.000 20.000 40.000 Købmand* 14 18 32 14.000 11.000 25.000 Pavillon 3 56 48 104 40.000 40.000 80.000 Pavillon 2 42 60 102 40.000 40.000 80.000 Pavillon 4 56 48 104 40.000 40.000 80.000 Pavillon 1 70 60 130 40.000 40.000 80.000 Kirken 0 18 18 14.000 11.000 25.000 Nonnebo* 42 30 72 40.000 40.000 80.000 Skolen 70 18 88 20.000 20.000 40.000 Brusehus Camping 70 66 136 40.000 40.000 80.000 *helårsboliger 430.000 415.000 845.000 4 Scenariebeskrivelse I dag kører fjernvarmenettet med meget lave temperaturer om vinteren, da det kun har til formål at holde boligerne frostfrie. Dvs. at der benyttes en fremløbstemperatur på ca. 15 grader. Fremadrettet er det formålet, at flere af helårsboligerne skal varmeforsynes fra fjernvarmenettet, hvorfor der er behov for en vinterdrift med højere fremløbstemperatur. Følgende scenarier er analyseret: Scenarie 1: 65 C i fremløb i hele ledningsnettet året rundt. Scenarie 2: 65 C i fremløb i hele ledningsnettet om sommeren og "kun" i den nordlige del om vinteren. Den sydlige del forsynes med en fremløbstemperatur på 15 grader om vinteren. 4.1 Analyseresultater Tabel 4.1 Analyseinput og resultater Scenario Maks. [kw] Central + aku [kw] Varmetab Varmetab [kw] [kwh] Scenarie 1 - Sommer 1224 1232 8 35.040 Scenarie 1 - Vinter 52 60 8 35.040 Scenarie 2 - Sommer 1224 1232 8 35.040 Scenarie 2 - Vinter 52 60 6 26.280 Som det fremgår af Tabel 4.1, er den resulterende om sommeren meget stor, da der er antaget, at alle brusere benyttes, samtidigt med at 50% af håndvaskene benyttes. Dette er en stor samtidighed. Dog vurderes en mindre samtidighed med f.eks. 50% brusere i drift og 50% håndvaske i drift ikke have den store betydning
FJERNVARMENET PÅ LIVØ 9/11 for hverken varmetab eller investering i fjernvarmenet. Varmetabet fra ledningerne i disse størrelser er stort set identiske, og det samme gælder anlægspriserne. Scenarie 1 har et samlet varmetab på ca.70.000 kwh af et samlet behov på ca. (440.000 + 70.000) kwh = 510.000 kwh svarende til cirka 14%. Scenarie 2 har et samlet varmetab på ca. 61.000 kwh af et samlet behov på ca. (440.000 + 61.000) kwh = 501.000 kwh svarende til cirka 12%. Scenarie 2 vil kræve en investering i et blandesløjfearrangement, hvilket dog ikke vurderes rentabelt, når forskellen i varmetab er begrænset til 2% i forhold til scenarie 1. 5 Konklusion I dette notat er foretaget en dimensionering af et nyt fjernvarmenet på Livø samt en beregning af nettab i to forskellige scenarier mht. fremløbstemperaturer, hhv. vinter og sommerdrift. Beregningerne viser, at nettabet kan reduceres til kun at udgøre 12-14 %, hvilket er markant lavere end det nuværende nettab i fjernvarmenettet, som i forprojektet blev vurderet til cirka 50 %. En udskiftning af fjernvarmenettet er særlig vigtigt, når de vedvarende energiproduktionsteknologier i form af biogasanlægget og solcellerne kobles på energiforsyningen. Biogasanlægget producerer mindre fjernvarme (relativt i forhold til el) end dieselgeneratorerne, blandt andet fordi det forbruger en del af varmen selv. For solcellerne gælder det, at de slet ikke producerer varme bortset fra, at overskudsproduktion fra solcellerne, når det forekommer, vil blive konverteret til varme i en elkedel. Der vil derfor ske en betydelig nedgang i varmeproduktionen, når VEteknologierne kobles på energiforsyningen. For helt eller delvist at undgå, at der skal kompenseres for denne nedgang i form af øget varmeproduktion på trækedlen og oliekedlen, bør der inden VE-teknologierne kobles på foretages en udskiftning af fjernvarmenettet. Det er vurderet, at omkostningen til etablering af fjernvarmenettet vil være knap 4 mio. kr., heraf knap 3 mio. kr. til ledninger og knap 1 mio. kr. til vekslere. Det vil eventuelt være muligt, at reducere ledningsomkostningerne ved at genbruge dele af det eksisterende hovednet (den nyeste del som er fra 1982). For at få klarhed over dette kræves det, at en fjernvarmerørekspert laver et on-site besøg og udfører en opgravning samt opskæring af eksisterende rørisolering for test af tilstand. De næste faser mht. etablering af fjernvarmenettet er således: Eventuel test (i form af opgravning samt opskæring) af det nuværende fjernvarmenets tilstand (den ny del) Udbud af nyt fjernvarmenet
10/11 FJERNVARMENET PÅ LIVØ Implementering af nyt fjernvarmenet (fjernvarmenettet bør implementeres inden at VE-teknologierne i form af biogasanlæg samt solceller kobles på).
FJERNVARMENET PÅ LIVØ 11/11 Bilag A Rørtracé og dimensioner Pipe Type Color code ø26-26/140 ø33-33/160 ø42-42/180 ø48-48/180 ø60-60/225 ø76-76/250 ø88-88/280