Optimization of demand response control strategies in Finnish city-owned buildings
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-06-12
Department
Major/Subject
Energiatekniikka
Mcode
K3007
Degree programme
Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
97+9
Series
Abstract
The entire energy business from producers to energy end-users is currently undergoing major reforms due to more and more ambitious targets for climate change mitigation measures and energy efficiency of buildings stemming from various international agreements and dwindling of conventional fossil fuel resources. Both supply and demand side measures are required to tackle the issues at hand and much work has already been done in regards to developing and increasing renewable energy generation and demand side energy efficiency. Demand response is a more novel demand side action which targets reducing energy demand during peak demand hours, which in turn can reduce the need for expensive peak production and contribute to increasing the stability of the grid when system reliability is jeopardized. In practice, demand response means that energy use is changed from its typical patterns when it is beneficial from the relevant parties’ point of view. This thesis investigates heat load reduction potential for demand response purposes in typical Finnish city-owned district heated buildings. The potential is analyzed for three different types of buildings individually (office, school and apartment building) and on a city scale for a certain city located in southern Finland by creating building energy models for example buildings in the simulation software IDA ICE and optimizing demand response control strategies in the optimization software MOBO. MOBO is used to determine an optimal combination of controls for these strategies in terms of maximum direct cost saving potential resulting from reduced energy consumption. The optimizations are conducted for a few different example days in winter and in spring, and for a single three-hour-long demand response event on these days. Furthermore, the district heat producer’s point of view is regarded by using hourly marginal cost based district heat pricing as one of the minimized objectives in the optimizations. Hourly heat production costs and marginal costs before and after demand response implementation are calculated for the studied city in a previously developed MATLAB simulation model. The results of the simulations and optimizations indicate that heat load reduction potential for demand response in individual buildings is 50-80% for a single demand response event during the day and depending on the building type. On a city-scale, the achieved heat load reduction is 59 MW or 60-70% of the original heat demand at most, which accounts for approximately 10% of the heat demand of the entire city at the time.Energiateollisuus ja energiajärjestelmät tuottajista loppukäyttäjiin ovat tällä hetkellä keskellä merkittävää uusiutumista ja suuria muutoksia johtuen yhä kunnianhimoisemmista kansainvälisistä ilmastotavoitteista ja jatkuvasti tiukkenevista kansallisista energiatehokkuusmääräyksistä. Muutokset koskevat sekä tuottajia että kuluttajia, ja paljon työtä on jo tehty liittyen uusiutuvien energiamuotojen kehittämiseen ja käytön lisäämiseen sekä kuluttajapuolenkin energiatehokkuuteen. Kysyntäjousto on eräs vähemmän yleistynyt kuluttajapuolen toimintamalli, jolla pyritään vähentämään energiankulutusta kulutuspiikkien aikana, jolloin myös kalliin huipputuotannon tarve vähenee, ja parantamaan tarvittaessa systeemin tasapainoa sen ollessa uhattuna. Käytännössä kysyntäjousto tarkoittaa energiankäytön hetkellistä muuttamista normaalitilanteesta sen ollessa kysyntäjoustoon osallistuvien osapuolten kannalta edullista. Tässä diplomityössä tutkitaan kaukolämmön kysyntäjoustopotentiaalia lämmitystehon pienentämisen kannalta tyypillisissä Suomen kaupunkien omistamissa kiinteistöissä. Potentiaalia tutkitaan kolmessa erilaisessa rakennuksessa (toimisto, asuinkerrostalo ja koulu) yksitellen sekä koko kaupungin tasolla eräässä Etelä-Suomen kaupungissa. Esimerkkirakennuksista luodaan energiasimulointimallit IDA ICE – ohjelmalla, jonka jälkeen MOBO-optimointityökalulla määritetään erilaisista talotekniikkaohjauksista koostuva optimaalinen kysyntäjoustokombinaatio, jolla voidaan saavuttaa suurimmat energiankäytön vähenemisestä johtuvat kustannussäästöt kiinteistönomistajan sekä kaukolämpöyhtiön kannalta. Optimointitapaukset tehdään esimerkinomaisille talvi- ja kevätpäiville, joina kumpanakin toteutetaan yksi kolmen tunnin pituinen kysyntäjoustojakso aamupäivän aikana. Kaukolämmön tuottajan näkökulmaa pyritään tuomaan esille käyttämällä yhtenä optimoitavan tekijänä kaukolämmön kuluttajahintana käytettäviä lämmöntuotannon tuntikohtaisia marginaalikustannuksia. Tuntikohtaiset tuotantokustannukset ja marginaalikustannukset ilman kysyntäjoustoa ja sen kanssa määritetään MATLAB simulointimallia hyväksi käyttäen. Simulointien ja optimointien tulosten perusteella kaikilla kolmella rakennustyypillä on selvää tehonleikkauspotentiaalia kysyntäjoustotarpeisiin. Yksittäisille rakennuksille tehon alenema yksittäisen kysyntäjouston aikana on 50-80% alkuperäisestä kaukolämpötehosta. Koko kaupungin tasolle skaalattuna tämä tarkoittaa yhteensä maksimissaan 59 MW:n kaukolämpötehon leikkausta, joka on 60-70% alkuperäisestä näiden rakennustyyppien koko kaupungin omistaman rakennusmassan tehosta ja yhteensä noin 10% koko kaupungin kyseisen hetken kaukolämmön tarpeesta.Description
Supervisor
Syri, SannaThesis advisor
Ihasalo, HeikkiKeywords
demand response, district heating, building energy simulation, optimization, marginal cost of heat production, demand response strategies