En grundig introduksjon til fjernvarme

En grundig introduksjon til fjernvarme

Fjernvarme er en ekstremt fleksibel teknologi som kan utnytte energi fra en lang rekke energikilder, slik som spillvarme fra industri, spillvarme fra avfallsforbrenning, varmepumper, geotermisk, bioenergi, fornybar energi, konvensjonelle kjeler og ikke minst, bruk av kraftvarme (kombinert varme og kraft - CHP)

Fjernvarme gir samfunnet en unik mulighet til å spare energikostnader og redusere miljøforurensning. Ved avfallsforbrenning får kommunene mulighet til å konvertere avfall til energi og de enkelte bygningene som er tilkoblet fjernvarmeanlegget kan spare drift-, vedlikehold- og energikostnader samtidig som de er sikret en stabil varmeforsyning. 

Grunnleggende om fjernvarme

Fjernvarme er en samlebetegnelsen på et energioverføringssystem som forsyner en bydel eller flere bygg med energi til varmt tappevann og oppvarming. Et fjernvarmeanlegg fungerer i praksis som et sentralvarmeanlegg hvor vann distribueres gjennom et rørnett og overfører varme til alt fra romoppvarming, varmtvannsproduksjon og prosessoppvarming.

Fjernvarmesystemer er ofte komplekse anlegg som dekker store områder og involverer mange
stasjoner og tusenvis av forbrukere. Et system kan omfatte mer enn èn varmesentral og kan for eksempel utnytte varmen fra et varme- og kraftverk (CHP), noe som vil genererer elektrisitet og varme med større effektivitet enn et separat anlegg vil kunne gjøre. Ofte er det også installert en rekke mindre varmeproduserende enheter i nettet som har til hensikt å dekke spisslast og beredskap.

Komponenter

Et fjernvarmesystem har tre hovedelementer: energikildene, distribusjonssystemet og kundegrensesnittene.
I store systemer er distribusjonssystemet separert i et hovednett som transporterer
store mengder varmeenergi over lange avstander, og et dedikert distribusjonssystem som betjener
hver bygning som er koblet til systemet. Et hovednett kan betjene en hel region og dekke
flere distribusjonssystemer i forskjellige byer.

Energikilder

Det finnes en rekke ulike energikilder som kan brukes som grunnlast til fjernvarmeproduksjon, og hvert fjernvarmesystem er spesialtilpasset hvilke energikilder som er tilkoblet. Dette er viktig for å sikre det mest kostnadseffektive anlegget, uansett hvilken energikilde som benyttes.  

Energikilder, slik som varmekjeler basert på olje eller gass, benyttes som oftest kun til kortvarige toppbelastninger, men kan også være tilgjengelig som beredskapskapasitet. 

Av energikilder finner vi:

• Spillvarme fra avfallsforbrenning
• Industriell spillvarme
• Varmepumper
• Bioenergi
• Geotermisk
• Konvensjonelle kjeler og kraftvarme (olje, bio, kull og gass)
• Kraftvarme (Kombinert varme og kraft - CHP)

En lav temperatur på returvannet muliggjør effektiv bruk av lavtemperatur energikilder, slik som varmepumper. Dette fordi lavtemperatur returvann er i stand til å absorbere mer termisk energi fra disse kildene. Av denne grunn ønsker fjernvarmeleverandørene at temperaturnivået på forbrukerinstallasjoner skal være så lav som mulig.

Temperaturnivået på fjernvarmevannet er imidlertid avhengig av spesifikke retningslinjer og prinsipper, som varierer fra land til land. Nivået på returtemperaturer fra forbrukerinstallasjoner kan variere så mye som fra 30°C til 80°C. Bruken av høye returtemperaturer utelukker imidlertid mange av de lave energikildene som ellers kunne vært tilgjengelige.

Kraftvarme

Kraftvarme, eller CHP, er begrepet som benyttes når elektrisitet og varme produseres samtidig ved forbrenning av en energikilde. Anlegget i Longearbyen benytter kull og er et kjent eksempel i Norge. Av andre eksempler har vi Klemetsrudanlegget i Oslo som benytter overskuddsvarmen fra avfallsforbrenningsanlegget til både strøm og varme. 
Effektiviteten til ethvert termisk kraftverk avhenger av temperaturnivået til kjølevannet og temperaturnivået på fjernvarmevannet er derfor svært viktig når det kommer til bruk av kraftvarme. Ved kombinert varme- og kraftproduksjon fungerer fjernvarmevannet som kjølevannet til anlegget. For å holde den totale effektiviteten til anlegget så høy som mulig, bør returvannstemperaturen til fjernvarmesystemet derfor være så lav som mulig.

Fjernvarmedistribusjon 

Fjernvarme kan enten kobles direkte til de individuelle distribusjonssystemene eller indirekte via en varmeveksler. I Norge er det vanligste å benytte den indirekte metoden siden direkte tilkobling ville krevd samme trykk i alle bygninger fjernvarmen er tilkoblet. Vi beskriver derfor bare indirekte tilkobling i denne artikkelen. 

Indirekte tilkobling gjør at primærsiden (varmesentralen og distribusjonssystemet) kan drives som et separat system med forskjellige temperaturer og trykk enn hva som er nødvendig på sekundærsiden (kundegrensesnittet), noe som gir mer designfleksibilitet for begge systemene. 
Varmesentralen vil operere ved høyere temperaturer for å unngå for stor størrelse på
varmevekslingsutstyret, og dermed redusere plassbehov og kostnader for fjernvarmeleverandøren.

Fjernvarmevann distribueres fra varmekilden til kundens grensesnitt og returneres
etter at varme er hentet ut. 

Pumper i distribusjonsnettet

Pumper i distribusjonsnettet må overvinne strømningsmotstanden i tur- og returrøret og også trykkforskjellen i kundeinstallasjonen som er lengst fra leveringspunktet. Bruken av frekvensomformere for å kontrollere pumpene sikrer at strømforbruket minimeres.

Indirekte fjernvarmesystemer operer som nevnt ved høye temperaturer og jo større temperaturforskjell mellom tilførsel og retur, desto lavere strømningshastighet kreves. Fjernvarmeleverandøren vil søke å sikre at returvannstemperaturen er så lav som mulig slik at behovet for pumping minimeres.

Varmeregulering

Det er vanlig å benytte en turvanntemperatur under 120°C. Fjernvarmeleverandørene justerer temperaturen med årstidene og ved å redusere vanntemperaturen når varmebehovet avtar, reduseres energitapene fra rørsystemet og energieffektiviteten ved bruk av lavtemperaturkilder kan økes.

Bortsett fra denne reguleringen over årstidene, arbeider mange fjernvarmeleverandører også for å redusere det generelle temperaturnivået på primærsiden. Dette er ofte mulig på grunn av en pågående forbedring av bygningsstandarden på sekundærsiden (forbedret isolasjon, doble vinduer, bedre klimakontroll, SD-anlegg med individuelle målinger etc.) og bidrar til en generell reduksjon av energiforbruket og energibehovet.

Varmetap i moderne fjernvarmedistribusjon avhenger av en rekke faktorer som lengde på rørsystemet i forhold til varmebelastning, standard på isolasjonen benyttet og selvfølgelig temperaturnivå på vannet. 

Studier har vist at ved å redusere den normale driftstemperaturen og ved å redusere effekten av trykksvingninger, kan levetiden til rørverket i fjernvarmeanlegget øke dramatisk.

Rørsystemet

Fjernvarme har tradisjonelt blitt lagt i lange strekk. Det finnes imidlertid alternativer til de rette rørsystemene.  Rør med en korrugert struktur gir, på grunn av sin utforming, en høy grad av fleksibilitet som gjør at de kan kveiles og installeres i buede posisjoner. Dette igjen gjør at de i noen tilfeller kan installeres i lengder på flere hundre meter uten behov for en skjøt og dermed gi rask installasjonstid, lavere installasjonskostnader og lavere vedlikeholdskostnader.

Mange rørsystemer inkluderer også (innenfor skumisolasjonen) et deteksjonssystem som hele tiden overvåker for tilstedeværelse av fuktighet. Signalledninger inne i skummet vil videresende et signal til en overvåkingsenhet som vil indikere posisjonen til en mulig lekkasje. Overvåkingssystemet gir en tidlig advarsel til fjernvarmeoperatøren slik at de kan utføre utbedringer. Ukontrollerte rørledninger kan raskt forringes, noe som krever strakstiltak og potensielt varmetap til kundene.

Driftsprinsipper

I utgangspunktet kan fjernvarmesystemer styres av to forskjellige prinsipper. Enten holdes temperaturen
konstant mens mengden varieres for å møte skiftende varmebehov, eller så er mengden fast og
temperaturen varierer. Vanligvis benyttes det forskjellige kombinasjoner av de to systemene.

Variasjon i vannmengde responderer mye raskere på endringer i etterspørselen enn hva endringer i temperaturen gjør. Derfor er pumper med variabel hastighet viktige elementer i moderne fjernvarmesystemer.

Operatørsiden

Hos fjernvarmeleverandøren overvåkes fjernvarmesystem av et sentralisert kontroll- og overvåkingssystem. Kontinuerlig overvåking av sentrale temperatur- og trykkelementer i systemet sikrer at systemet hele tiden kan svarer på etterspørselen fra kundene. I utvalgte punkter i nettverket er trykk- og temperaturmålere installert for å gi de avgjørende inndataene for kontrollsentralen. Det er heller ikke uvanlig å installere slike
sendere i kundenes tekniske rom (spesielt de som er ytterst i distribusjonssystemet) slik at fjernvarmeleverandøren får et mest mulig nøyaktig bilde av leveringsforholdene.

Kundegrensesnittet

Bygningssystemer kan kobles direkte eller indirekte til fjernvarmesystemet. Ved direkte tilkobling distribueres fjernvarmevannet direkte til terminalutstyr som radiatorer og varmeaggregater i bygningen for å gi avgi varme.

En indirekte tilkobling innebærer at det er installert en kundesentral (energioverføringsstasjon) hos fjernvarmekunden som benytter en varmeveksler for å overføre energien fra primærsiden til sekundærsiden. Kundesentralen kan sammenlignes med et sikringsskap for elektrisitet. Her tilkobles fjernvarmenettet, her fordeles energien rundt i bygget, og her måles den energimengde som forbrukes og faktureres for.
Kundesentralen inkluderer komponenter som varmeveksler, kontrollutstyr og energimåler. 

Kundens interne distribusjonssystem består av et vannbasert oppvarmingssystem som fordeler varmen rundt i bygget via varmeavgivere, slik som:

• Radiatorer
• Gulvvarme
• Ventilasjonsanlegg 

Varmeveksler

En varmeveksler er en innretning som muliggjør varmeoverføring mellom to væsker med forskjellige temperaturer.  Varmeoverføringen skjer ved at væskestrømmen fra primærsiden ledes gjennom ett eller flere parallelle rør som møter den motgående væskestrømmen fra sekundærsiden. Slik overføres varmen fra fjernvarmen til bygningens distribusjonssystem.

Viktigheten av en korrekt bestemmelse av varmebehovet til en bygning understrekes, fordi en riktig dimensjonering av varmeveksleren påvirker driften av systemet.

Vannkvalitet i kundens varmeanlegg

Kundens vannbaserte oppvarmingssystem sirkulerer varmen rundt i bygget og skal avgi varmen fra fjernvarmen så effektivt som mulig. Er kvaliteten på dette vannet dårlig kan det fort oppstå problemer i denne prosessen. 

I alle lukkede varme- og kjøleanlegg er vannbehandling avgjørende for å unngå korrosjon og beleggdannelse. Disse problemene kan resultere i økt energiforbruk, driftsproblemer, redusert funksjonalitet og redusert levetid på rør og komponenter. Konsekvensene av manglende vannbehandling kan i noen tilfeller gi svært alvorlige følger.

For å minimere risikoen for korrosjon i lukkede energianlegg er det en rekke hensyn som bør tas allerede ved prosjektering. Dette inkluderer:

• Materialvalg
• Vannhastighet
• Mulighet for å fjerne luft ved igangsettelse og i driftsfase
• Rengjøring av anlegg før igangsettelse
• Valg av vannbehandlingsprogram
• Service og ettersyn

Se Kompas introduksjon til vannbehandlingskontroll

I vår Introduksjon til vannbehandlingskontroll får du svar på alle tekniske og praktiske spørsmål rundt vannbehandlingskontroll og hvordan du kan sikre anlegget ditt gjennom hele anleggets levetid.

Luft

Luft inneholder oksygen som er en drivende faktor for korrosjon. Dersom vannet inneholder mye luft vil oksygen i vannet reagere med stålet i rørene det sirkulerer i. En slik rustprosess tar kun få timer og problemet kan derfor vokse seg stort på svært kort tid. 

Inntaksvannet i Norge inneholder eksempelvis ca 11% luft per liter vann, og dersom systemet ofte etterfylles med ubehandlet vann rett fra springen vil systemet raskt akkumulere mye luft. Åpne luftepotter og dårlige ekspansjonskar kan være andre årsaker til luft i anlegget.

Oksygenrikt vann kan også gi grobunn for bakterier som forårsaker bakteriell korrosjon og dannelse av isolerende organiske belegg.

Korrosjon

Korrosjon kan enkelt forklares som tap av metall fra en komponent grunnet elektrokjemiske reaksjoner mellom metallet og miljøet det er omringet av. Den drivende kraften bak prosessen er energien som frigjøres ved oksidasjon av metallet.

I et lukket energianlegg forekommer generell korrosjon når et metall utsettes for et miljø bestående av vann og oksygen, men det finnes også flere andre korrosjonsprosesser. I vann med lite oksygen kan det for eksempel fortsatt foregå korrosjonsprosesser. Med riktig vannbehandling kan vi imidlertid redusere hastigheten på korrosjonsprosessene til kontrollerbare nivåer. 

Faktorer som påvirker korrosjonsnivået i vannet er:

• Luftinnholdet
• Hastighet på vannstrømmen
• Partikkelinnhold
• Biologisk aktivitet
• Konduktivitet
• Trykk
• pH

Korrosjonsprosesser som foregår i vann med høyt oksygennivå vil gi rust som ofte er brunfarget. Lavt oksygennivå vil danne magnetitt, som ser ut som svart støv og er svært magnetisk. 

Belegg og sedimentering

Det finnes ulike typer belegg, og de vanligste i varme- og kjøleanlegg er korrosjonsbelegg, kalk og biofilm. Korrosjonsbelegg er det vanligste og bygges opp av partikler som dannes når det oppstår korrosjonsreaksjoner mellom vann og metall. Dersom partiklene ikke fjernes fra vannstrømmen vil de over tid sedimentere og danne et isolerende belegg som reduserer energioverføringen. I tillegg kan beleggdannelse forårsake redusert vanngjennomstrømning, tette ventiler og generell ustabil drift og redusert levetid på anlegget.

Implementering av et vannbehandlingsprogram er derfor avgjørende for å minimere risikoen for beleggdannelse. Riktig vannbehandling bidrar til å forhindre korrosjon, og dermed de påfølgende problemene med partikkel- og beleggdannelse. Et korrekt vannbehandlingsprogram inkluderer også systemer for å fjerne partikler fra væskestrømmen før de sedimenterer og danner belegg

Fjernvarme til varmtvann

I et indirekte fjernvarmeforhold genereres varmtvann til husholdningsbruk ved bruk av en varmeveksler eller en lagertank for varmtvann. Bruk av varmevekslere reduserer ikke bare kostnadene, men minimerer også plassbehov og energitap (fra varmtvannstanker).

Metoden for generering av varmtvann til husholdningsbruk er felles for begge systemene ved at
det brukes en varmeveksler eller en lagertank til å akkumulere varmtvann som senere blir benyttet.

Via varmeveksler

Varmtvann som genereres via varmevekslere gjør at varmtvann kan produseres øyeblikkelig og konstant. Dette gir ubegrensede mengder varmtvann til bygningen. 

Varmeveksleren er montert i grensesnittet mellom primær- og sekundærsystemet og sikrer at hydraulisk separasjon opprettholdes til enhver tid.

Det finnes flere typer varmevekslere designet spesielt for bruk med fjernvarmesystemer.

Platevarmevekslere har generelt en kostnadsfordel og krever mindre plass sammenlignet med de fleste standard skall- og rørvekslere. De krever betydelig mindre overflate, for de samme driftsforholdene, enn skall- og rørenheter fordi de har mye høyere varmeoverføringshastigheter. Med platevekslere er varmetapet mellom primærsiden og sekundærsiden lavere,
vanligvis 1-2°C, sammenlignet med 6-7°C for de fleste skall- og rørvekslere. Av denne grunn favoriserer fjernvarmeleverandørene ofte platetypen.

Via varmtvannstank

Det er ikke vanlig å designe nye systemer med varmtvannstanker i dag, men det var mer benyttet tidligere, og flere distribusjonssystemer som er konvertert fra andre energikilder kan fortsatt ha denne innretningen. 

Ulempene med varmtvannstanker er mange og i tillegg til å være plasskrevende så bruker de også mye energi, da varmetapet er stort. Det finnes også utfordringer i forhold til bakterievekst i disse tankene da de lagrer store mengder vann på rundt 60 grader C eller lavere. 

Se Kompas introduksjon til legionellakontroll

I vår Introduksjon til legionellakontroll får du svar på alle tekniske og praktiske spørsmål rundt legionellahåndtering og hvilke problemer som kan oppstå. 

 

Byggdriftskostnader

Fjernvarme er en praktisk måte å varme opp en bygning på fordi den eliminerer behovet for å drive og vedlikeholde en lokal energikilde. Dette kan gi besparelser i personal-, administrasjons-, strøm- og forsyningskostnader. I større bygg kan personalbesparelsen være betydelig.

Dersom det installeres utstyr for fjernavlesning av varmemålere og annet måleutstyr, vil fjernvarmeoperatøren eller andre servicebedrifter kunne overvåke bygningsforhold og på denne måten eventuelt overta hele ansvaret for varmeforsyningen og dens drift.

Påliteligheten til fjernvarme

Fjernvarmeanlegg bygges med stand-by varmekapasitet for å sikre at varme alltid er tilgjengelig på sentralanlegget. Større distribusjonssystemer er ofte designet med flere sløyfer eller med annen backup for å gi ekstra pålitelighet i distribusjonen. Fjernvarmeoperatøren er som regel tilstrekkelig ressurser tilgjengelig til å sette i identifisere og utbedre eventuelle feil på nettet.

Under normale omstendigheter vil derfor fjernvarmekunder kunne forvente at foreløpig eller en endelig reparasjon bli utført på kort tid. På denne måten er påliteligheten gitt av et riktig utformet, konstruert, drevet og vedlikeholdt fjernvarmesystem større enn de fleste bygninger kan oppnå på egen hånd.

Energieffektivitet

Påkobling til et fjernvarmenett kan gi betydelige energibesparelser for bygget. Brukeren betaler kun for varmen som faktisk brukes. En annen fordel  er at varmtvann til husholdningsbruk kan genereres øyeblikkelig gjennom en dedikert varmeveksler, noe som sparer varmetapene som oppstår ved lagring av varmtvann og eliminerer tidsforsinkelsen i regenerering.

Fjernvarme medfører også en betydelig miljøgevinst ved at den kan erstatte tradisjonelle energikilder som kull, olje og gass til oppvarming. Moderne fjernvarmesystemer er normalt basert på bruk av så mye av varmen fra energikilden som mulig og ved å kombinere fjernvarme med elektrisitetsproduksjon, reduseres også mengden varme som går til spille sammenlignet med separat produksjon av elektrisitet og varme.