Ekonomisk driftoptimering av det termiska energisystemet på Karlstad centralsjukhus : Framtida driftrekommendationer baserat på linjärprogrammering

Sammanfattning: Studien använder linjärprogrammering för att optimera driften av det termiska energisystemet på Karlstad centralsjukhus ur ett ekonomiskt perspektiv. Bakgrunden till studien är de höga elpriser som rådde under slutet av 2021 samt att det i dagsläget finns kunskapsluckor angående hur systemet bör köras optimalt. Studien baseras på driftdata från 2021. Energisystemet som optimeras är uppbyggt av kylvärmepumpar, bergvärmepumpar, kylmaskiner, frikyla, fjärrvärme och marklager. Ett förhållande för hur många kWh termisk energi som produceras per tillförd kWh el tas fram för samtliga komponenter, vilket sedan används för att modellera energisystemet. Optimering av systemet ger vilka komponenter som skall användas vid olika tidpunkter för att uppfylla ett bestämt värmebehov och kylbehov. Resultatet i form av optimal drift under 2021 analyseras och används för att ta fram driftrekommendationer för energisystemet i framtiden. En metod för att teoretiskt begränsa marklagrets kapacitet vid optimering presenteras. Metodenanvänder nettoenergi till marklagret över en specifik tidsperiod för att approximera temperaturen på brinevätskan ut ur marklagret. Genom att sätta temperaturbegränsningar på brinevätskan kan därigenom nettoenergin till marklagret begränsas. Baserat på data från 2021 tillåts nettoenergin till marklagretvariera mellan -14 700 kWh och 12 500 kWh per 24 timmar. Resultaten visar att det under vintern är fördelaktigt att primärt använda bergvärmepumparna A-D i kombination med frikyla. Sekundärt används kylvärmepumparna E-F. Skillnaden mellan primär och sekundär systemlösning är liten och de båda kan ses som relativt likvärdiga. Fjärrvärme används enbart som sista alternativ under vintern. Energikällan för bergvärmepumparna bör variera mellan Klarälven och marklager med avsikt att utnyttja marklagrets kapacitet optimalt. Vår och höst fallet är till stora delar likvärdigt med vinterfallet med undantaget att det innehåller fler variationer till följd av förändringar i omgivande förutsättningar. Under sommaren bör enbart fjärrvärme användas för att tillgodose värmebehovet. Frikyla och kylmaskinerna 2-3 används för att tillgodose kylbehovet. Frikyla reserveras till att användas under de tidpunkter då kylbehovet är som högst. Effektavgiften för fjärrvärme står för 25,7 % av total driftkostnad i optimalt driftfall. För att minska kostnaderna anses det därför viktigt att kapa effekttopparna för fjärrvärme. Studien undersöker eventuella fördelar med att koppla frikyle-värmeväxlaren mot Klarälven med avsikt att kunna utnyttja den mer än vad som görs i dagsläget. Systemlösningen ger ingen signifikant minskning av driftkostnader vid simulering av ett års drift. Det kan dock vara fördelaktigt att koppla frikyla mot Klarälven ur perspektivet att kunna justera nettoenergin till marklagret för att förhindra långsiktiga temperaturförändringar i berggrunden. Årlig driftkostnad kan minskas genom att öka maxkapaciteten för värmepumparna. En ökning avbergvärmepumparnas kapacitet motsvarande en komponent minskar total årlig kostnad med 4,6 %. En ökning av kylvärmepumparnas kapacitet motsvarande en komponent minskar total årlig kostnad med 1,5 %. Att öka maxkapaciteten för övriga komponenter ger ingen signifikant förändring av årlig driftkostnad. Förbättring av studien innebär att basera modellen på bättre indata samt ta hänsyn till fler detaljer i systemet. Vidare studier bör fokusera på att tillämpa resultaten för att verifiera dem i verkligheten samt göra investeringskalkyler över att utöka kapaciteten för värmepumparna.