JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

Energy systems are undergoing a transformation from a centralized fossil-fuel-oriented supply chain into a decentralized energy system with renewable energy. Decentralization of the energy system is causing an increase in complexity, which is why proper energy device integration is important to ensure good performance in the whole system.

This thesis aims at providing scalable integration procedures for solar thermal and exhaust air heat pump systems. Synergy between district heating networks and the power system is also considered in exhaust air heat pump integration, as it exhibits a power-to-heat feature. Therefore, a lot of attention is also paid in this thesis to the power system. Aside from integration procedures, this thesis considers how communications should be arranged for the energy optimization system. Consideration is also given to the different goals that partners in the energy system may have, and how to balance them.

A requirement specification process was utilized to generate the integration procedures for the chosen energy devices. The purpose was to provide easily scalable procedures that the system designer could utilize as a foundation for any design work related to solar collector or heat pump integration. The purpose of the requirement specification is to work as a general guideline rather than providing a specific solution to the integration cases.

The requirements were drafted with the present district heating systems and power systems in mind. The heat received from these systems should primarily be used for self-consumption. The surplus heat generated should be fed into a district heating network whenever possible. Both types of energy device would benefit from lower district heating temperatures. With the current temperature levels, solar collectors can primarily supply heat to district heating networks during the summer periods. Exhaust air heat pumps can provide heat throughout the year. However, their efficiency would increase if the temperature levels in the district heating networks were lower. A total of 82 requirements were drafted in this Master’s thesis. Requirement specification process was well suited for this work as the aim was to compile general guidelines. However, a lot of responsibility remains with the system designer due to the nature of the requirement specification process. This is due to the fact that exact integration solutions are not included in the specification.

A centralized control strategy was selected because the amount of these kinds of devices in the district heating network is still low. A centralized control strategy is also easier to organize in this case, and the district heating company can directly control the energy assets in the system. Once the amount of energy devices in the system increases, alternative decentralized control strategies should be considered. It was also concluded that the district heating company should be the responsible party for aggregation regarding the district heating system.

Energialaitteiden integrointimenettelyt

Tiivistelmä

Energiajärjestelmät ovat muuttumassa keskitetystä fossiiliseen polttoaineeseen perustuvasta toimitusketjusta hajautetuksi, jonka tuotantomuotoina on uusiutuvia energialähteitä. Energiajärjestelmän hajauttaminen aiheuttaa sen monimutkaisuuden kasvamisen, minkä vuoksi energialaitteiden asianmukainen integrointi on tärkeää koko järjestelmän hyvän suorituskyvyn takaamiseksi.

Tämän diplomityön tavoitteena on tuottaa skaalautuvat integrointimenettelyt aurinkokeräimille sekä poistoilmalämpöpumpujärjestelmille. Energialaitteiden integrointia tutkitaan erityisesti kaukolämpöverkkojen näkökulmasta. Kaukolämpö- sekä sähköverkoilla on kuitenkin merkittävä synergia lämpöpumppujen muodossa. Tästä syystä myös sähköverkkoja tarkastellaan laajasti tässä työssä. Integrointimenettelyjen lisäksi tässä diplomityössä pohditaan, miten tiedonsiirto tulisi järjestää energiaoptimointijärjestelmään. Huomiota kiinnitetään myös erilaisiin tavoitteisiin, joita energiajärjestelmän kumppaneilla voi olla, ja miten ne tasapainotetaan.

Vaatimusmäärittelyprosessia käytettiin valituille energialaitteille integrointimenettelyjen tuottamiseen. Tarkoituksena oli tarjota helposti skaalautuvia menettelyjä, joita järjestelmäsuunnittelija voi hyödyntää perustana mille tahansa aurinkokeräimeen tai lämpöpumpun integrointiin liittyvälle suunnittelutyölle. Vaatimusmäärittelyn tarkoituksena on toimia yleisinä ohjeina sen sijaan, että integrointiin olisi tarjottava erityinen ratkaisu.

Vaatimukset laadittiin nykyiset kaukolämpö- ja sähköjärjestelmä lähtökohtina. Näihin kuuluvista laitteista saatua lämpöä tulisi käyttää ensisijaisesti itsekulutuksena. Muodostunut ylijäämälämpö tulisi syöttää kaukolämpöverkkoon aina kun se on mahdollista. Molemmat energialaitteet hyötyisivät matalammista lämpötiloista kaukolämpöverkossa. Nykyisillä lämpötilatasoilla aurinkokeräimet voivat ensisijaisesti toimittaa lämpöä kaukolämpöverkkoihin kesäkausina. Poistoilmalämpöpumput voivat tuottaa lämpöä ympäri vuoden. Niiden tehokkuus kuitenkin kasvaisi, jos kaukolämpöverkkojen lämpötilatasot olisivat matalampia. Yhteensä 82 vaatimusta laadittiin tässä diplomityössä. Vaatimusmäärittely soveltui hyvin tämänkaltaiseen työhön, jossa haettiin yleisiä suuntaviivoja. Paljon vastuuta jää kuitenkin järjestelmäsuunnittelijalle vaatimusmäärittelyn luonteen takia, sillä vaatimusmäärittely ei kerro tarkkaa integrointi ratkaisua.

Keskitetty ohjausstrategia valittiin, koska hajautettujen lämmöntuotantolaitteiden määrä kaukolämpöverkossa on vielä toistaiseksi pieni. Keskitetty ohjausstrategia on myös helpompi järjestää, ja kaukolämpöyhtiö voi suoraan ohjata järjestelmän energiavaroja. Kun järjestelmän energialaitteiden määrä kasvaa, olisi harkittava vaihtoehtoisia hajautettuja valvontastrategioita. Johtopäätöksenä työssä on myös, että kaukolämpöyhtiön tulisi olla vastuussa kaukolämpöjärjestelmän tasapainottamisessa.