Solar District Heating: A Techno-Economic Analysis for a New and an Existing District Heating System
Doctoral thesis, 2025
The integration of a solar thermal system into a district heating network can be a cost-effective solution, especially for new low-energy residential areas. Because of this, several new small solar district heating systems are built at the same time as the buildings, allowing for a more holistic approach to the design and construction. In doing so, it is possible to optimise the integration of the solar thermal system with respect to both cost and technical layout. When integrating solar into an existing district heating network, the premise for the technical layout is largely set, so the optimisation is limited in scope and is weighed more towards cost aspects, although no less relevant.
This thesis presents studies that aim to investigate the most cost-effective distribution concept for successful implementation of solar heating technology in a new district heating system. A solar district heating system that was built anew and at the same time as the buildings, was modelled in simulation software and the distribution system was varied in order to find out whether there was a more cost and energy efficient option. Three system concepts were investigated: a Hybrid system using a combination of high temperature steel pipes and low temperature plastic pipes and a combination of centralised/decentralised solar heat, a Conventional system using high temperature steel pipes only and centralised solar heat and an All GRUDIS system, using only low temperature plastic pipes and centralised solar heat. Results indicate that when building a new solar district heating system, both a hybrid and All GRUDIS distribution concept is preferable to conventional DH distribution regardless of the network heat density, and although they perform similarly energetically, the latter is economically the best option.
This thesis also present studies that aim to investigate whether or not solar heating can be cost-effective when added to an existing district heating system. A conventional boiler-only district heating system was modelled in simulation software with a real load profile to find out whether it can be cost-competitive with a system where solar heating was added together with a boiler replacement (re-powering) or by itself (retro-fit), for different economic boundary conditions. Results showed that solar heating was cost-competitive and could yield lower heat costs than the conventional system, except when solar thermal system size was small, fuel costs were low and capital discount (interest) rates were high. This was valid both when re-powering and retro-fitting, although the latter resulted in much lower unit heat costs than the former.
This thesis presents studies that aim to investigate the most cost-effective distribution concept for successful implementation of solar heating technology in a new district heating system. A solar district heating system that was built anew and at the same time as the buildings, was modelled in simulation software and the distribution system was varied in order to find out whether there was a more cost and energy efficient option. Three system concepts were investigated: a Hybrid system using a combination of high temperature steel pipes and low temperature plastic pipes and a combination of centralised/decentralised solar heat, a Conventional system using high temperature steel pipes only and centralised solar heat and an All GRUDIS system, using only low temperature plastic pipes and centralised solar heat. Results indicate that when building a new solar district heating system, both a hybrid and All GRUDIS distribution concept is preferable to conventional DH distribution regardless of the network heat density, and although they perform similarly energetically, the latter is economically the best option.
This thesis also present studies that aim to investigate whether or not solar heating can be cost-effective when added to an existing district heating system. A conventional boiler-only district heating system was modelled in simulation software with a real load profile to find out whether it can be cost-competitive with a system where solar heating was added together with a boiler replacement (re-powering) or by itself (retro-fit), for different economic boundary conditions. Results showed that solar heating was cost-competitive and could yield lower heat costs than the conventional system, except when solar thermal system size was small, fuel costs were low and capital discount (interest) rates were high. This was valid both when re-powering and retro-fitting, although the latter resulted in much lower unit heat costs than the former.
GRUDIS
District heating
solar thermal
PEX
4DH.
ACE SB-S393
Opponent: Professor Ulrike Jordan, Kassel University, Fermany
Author
Martin Andersen
Chalmers, Architecture and Civil Engineering, Building Services Engineering
Integreringen av ett solvärmesystem i ett fjärrvärmenät kan vara en kostnadseffektiv lösning, särskilt för nya bostadsområden med låg energiförbrukning. På grund av detta byggs flera nya små soldrivna fjärrvärmesystem samtidigt som byggnaderna, vilket möjliggör ett mer holistiskt tillvägagångssätt för design och konstruktion. På så sätt är det möjligt att optimera integrationen av solvärmesystemet med avseende på både kostnad och teknisk layout. När man integrerar solenergi i ett befintligt fjärrvärmenät är förutsättningen för den tekniska layouten till stor del satt, så optimeringen är begränsad i omfattning och väger mer mot kostnadsaspekter, även om den inte är mindre relevant.
Denna avhandling presenterar studier som syftar till att undersöka det mest kostnadseffektiva distributionskonceptet för framgångsrik implementering av solvärmeteknik i ett nytt fjärrvärmesystem. Ett soldrivet fjärrvärmesystem som nybyggdes samtidigt som byggnaderna, blev modellerat i simuleringsprogram och distributionssystemet varierades för att ta reda på om det fanns ett mer kostnads- och energieffektivt alternativ. Tre systemkoncept undersöktes: ett hybridsystem som använder en kombination av högtemperatur stålrör och lågtemperatur plaströr och en kombination av centraliserad/decentraliserad solvärme, ett konventionellt system som endast använder högtemperatur stålrör och centraliserad solvärme och ett GRUDIS-system, som endast använder lågtemperatur plaströr och centraliserad solvärme. Resultaten indikerar att när man bygger ett nytt solvärmesystem är både ett hybrid- och GRUDIS distributionskoncept att föredra framför konventionell fjärrvärmedistribution oavsett nätverkets värmetäthet, och även om de presterar lika energimässigt är det senare det ekonomiskt bästa alternativet.
I denna avhandling presenteras även studier som syftar till att undersöka om solvärme kan vara kostnadseffektivt när den adderas till ett befintligt fjärrvärmesystem. Ett konventionellt fjärrvärmesystem med enbart panna modellerades i simuleringsprogramvara med en verklig belastningsprofil för att ta reda på om det kan vara kostnadseffektivt med ett system där solvärme tillsattes tillsammans med ett byte av panna (re-powering) eller för sig själv (retro-fit), för olika ekonomiska randvillkor. Resultaten visade att solvärme var kostnadsmässigt konkurrenskraftigt och kunde ge lägre värmekostnader än det konventionella systemet, förutom när solvärmesystemet var litet, bränslekostnaderna låga och/eller kapitaldiskonteringsräntorna var höga. Detta gällde både vid re-powering och eftermontering
Denna avhandling presenterar studier som syftar till att undersöka det mest kostnadseffektiva distributionskonceptet för framgångsrik implementering av solvärmeteknik i ett nytt fjärrvärmesystem. Ett soldrivet fjärrvärmesystem som nybyggdes samtidigt som byggnaderna, blev modellerat i simuleringsprogram och distributionssystemet varierades för att ta reda på om det fanns ett mer kostnads- och energieffektivt alternativ. Tre systemkoncept undersöktes: ett hybridsystem som använder en kombination av högtemperatur stålrör och lågtemperatur plaströr och en kombination av centraliserad/decentraliserad solvärme, ett konventionellt system som endast använder högtemperatur stålrör och centraliserad solvärme och ett GRUDIS-system, som endast använder lågtemperatur plaströr och centraliserad solvärme. Resultaten indikerar att när man bygger ett nytt solvärmesystem är både ett hybrid- och GRUDIS distributionskoncept att föredra framför konventionell fjärrvärmedistribution oavsett nätverkets värmetäthet, och även om de presterar lika energimässigt är det senare det ekonomiskt bästa alternativet.
I denna avhandling presenteras även studier som syftar till att undersöka om solvärme kan vara kostnadseffektivt när den adderas till ett befintligt fjärrvärmesystem. Ett konventionellt fjärrvärmesystem med enbart panna modellerades i simuleringsprogramvara med en verklig belastningsprofil för att ta reda på om det kan vara kostnadseffektivt med ett system där solvärme tillsattes tillsammans med ett byte av panna (re-powering) eller för sig själv (retro-fit), för olika ekonomiska randvillkor. Resultaten visade att solvärme var kostnadsmässigt konkurrenskraftigt och kunde ge lägre värmekostnader än det konventionella systemet, förutom när solvärmesystemet var litet, bränslekostnaderna låga och/eller kapitaldiskonteringsräntorna var höga. Detta gällde både vid re-powering och eftermontering
Subject Categories (SSIF 2025)
Other Environmental Engineering
Energy Engineering
Energy Systems
Areas of Advance
Energy
ISBN
978-91-8103-244-4
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5702
Publisher
Chalmers
ACE SB-S393
Opponent: Professor Ulrike Jordan, Kassel University, Fermany