Pientalojen ilmalämpöpumput sähköverkossa

Työssä tutkitaan ilmalämpöpumppujen kokonaisvaltaista vaikutusta sähköverkkoon. Tarkastelu aloitetaan lämpöpumppujen toiminnasta ja rakenteesta, josta jatketaan laitteen käytettävyyteen ja muiden lämmitysmenetelmien vertailuun. Sähköisten ominaisuuksien tarkastelussa pohditaan ilmalämpöpumppujen vaikutusta suomalaiseen sähköverkkoon muun muassa yleissähkötekniikan, taloudellisuuden ja energiatehokkuuden sekä häiriöiden kannalta. Tämä tutkielma rajoittuu pientaloihin, ja niihin asennettuihin ilma-ilmalämpöpumppuihin. Työn loppupäätelmänä on, että ilmalämpöpumppujen käytöstä ei juuri aiheudu vaikutuksia suomalaiseen sähköverkkoon. Suurimmat ilmalämpöpumppujen käytöstä syntyvät seuraukset kohdistuvat sähköverkkoyhtiöihin, joihin ilmalämpöpumput aiheuttavat taloudellisia menetyksiä. Suuret ja tulevaisuudessa kasvavat ilmalämpöpumppumäärät aiheuttavat sähköntuotantoon lisätehontarvetta huippukuorman aikaan. Toisaalta välitehoalueella tehontarve sekä energiankulutus pienenevät. Sähköverkoissa ei ole toistaiseksi havaittu ilmalämpöpumpuista johtuvia häiriöitä.

Lämpöpumppujen vaikutukset sähköverkkoliiketoiminnan kannalta

Energiatehokkuus sekä ilmastonmuutos ovat aiheuttaneet pyrkimyksen vähentää kokonaisenergiankulutuksia erilaisissa rakennuksissa. Lämmitysjärjestelmissä tämä on näkynyt voimakkaana lämpöpumppumäärien kasvuna. Lämpöpumput vaikuttavat erilaisissa rakennus- ja lämmitystyypeissä myös sähköenergiankulutukseen. Lämpöpumppujen käytöstä saadaan eniten hyötyä lämmityskustannuksiin sähkölämmitteisissä rakennuksissa. Seurauksena on, että tällaisen rakennuksen sähkönkulutus ja siten myös sähkölasku pienenevät. Toisaalta muihin kuin sähkölämmitteisiin rakennuksiin asennettu lämpöpumppu kasvattaa sähköenergiankulutusta. Lämpöpumppuihin integroitu jäähdytysominaisuus myös tavallisesti lisää sähkönkulutusta. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, kuinka lämpöpumput vaikuttavat sähköenergiankulutukseen. Vaikutuksia tutkitaan sähköverkkoyhtiöiden kannalta sähköenergian ja liikevaihdon osalta. Tarkastelussa käytetään neljää yleisintä lämpöpumpputyyppiä, ja niiden toimintaa verrataan eri rakennustyyppien lämmitysjärjestelmiin. Työssä käsitellään lämpöpumppujen toimintaa ja käytettävyyttä muiden lämmitysmenetelmien korvaajina tai lisänä. Tämän kirjallisen työn lisäksi on tehty laskentaohjelma, joka on perusteena työssä esitetyille tuloksille. Sen tarkoituksena on selvittää lämpöpumppujen vaikutukset sähköverkkoliiketoimintaan energiayhtiöissä. Vaikutukset yksittäiseen energiayhtiöön ovat eniten riippuvaisia lämpöpumppujen asennuskohteista, lämpöpumppujen toiminnasta ja lämpöpumpputyypistä. Kuluttajat tulevat määräämään vaikutusten suuruuden, koska lämpöpumppujen lukumäärällä ja käytöllä on sähköenergiankulutukseen huomattava merkitys. Vaikutus sähköenergiaan energiayhtiöiden kannalta voi yleisesti ottaen olla 2020-luvulle mentäessä merkittävä. Tutkittavassa verkkoyhtiössä vaikutuksen sähköenergiaan arvioidaan olevan 10 % luokkaa yhdeltä vuodelta verrattuna tämän päivän kokonaissähköenergiankulutukseen. Vaikutus verkkoliikevaihtoon on arviolta puolet pienempi. Tällaiset tulokset edellyttävät lämpöpumppumäärän moninkertaistumista nykyisestä, mikä on myös odotettavissa.

Vesistöjen hyödyntäminen rakennusten lämmityksessä ja jäähdytyksessä

Suomen kokonaisenergiankulutuksesta noin viidesosa kuluu rakennusten lämmitykseen. Ilmastosopimuksien ja tiukentuvien päästömääräyksien vuoksi rakennusten lämmitys- jajäähdytysenergian tuotantoa täytyisi saada energiatehokkaammaksi. Energian kulutuksen vähentäminen onnistuu muun muassa lisäämällä rakennusten omaenergian tuottoa, jota on esimerkiksi lämpöpumpuilla tapahtuva rakennusten lämmitys. Samalla päästöjen määrä pienenee. Rakennusten energiatehokkuusluvun määritys tulee muuttumaan energiamuotojen kertoimiin pohjautuvaksi kokonaisenergiatarkasteluksi. Tämä ohjaa rakennusten energiantuotantoa kaukolämmitykseen ja erilaisiin lämpöpumppuratkaisuihin perustuvaksi. Diplomityössä tutkitaan tapoja, joilla pystytään hyödyntämään vesistöjä rakennusten lämmitykseen ja jäähdytyksen ja saamaan samalla energiankulutusta ja päästöjä pienemmiksi. Lisäksi työssä selvitetään vesistöistä saatavan energian määrää ja käyttökohteita.

Pientalon energiatehokkuuden vaatimusten kiristymisen vaikutus lämmitysratkaisujen hiilidioksidipäästöihin

Tässä työssä tarkastellaan pientalojen kiristyvien energiatehokkuusvaatimusten vaikutusta lämmitysratkaisuista aiheutuviin hiilidioksipäästöihin. Kiristyvät vaatimukset tähtäävät tarvittavan lämmitysenergian ja hiilidioksidipäästöjen pienenemiseen mutta ne vaikuttavat myös lämmitystapojen keskinäiseen kilpailukykyyn. Koska hiilidioksidipäästöt lämmitystapojen kesken ovat erilaisia, ei päästöt pienene samassa suhteessa lämmitysenergian pienentymisen kanssa mikäli järjestelmä vaihdetaan suurempipäästöiseen lämmitystapaan. Kannattavuuden perusteella arvioidaan mitkä lämmitystavat yleistyvät tulevaisuudessa ja kuinka muutos vaikuttaa hiilidioksipäästöihin. Tarkasteltavina lämmitysmuotoina on maalämpöpumppulämmitys, öljylämmitys ja kaukolämpölämmitys. Tarkasteltavia lämmitysmuotoja verrataan investointikustannuksiltaan edullisimpiin sähkölämmitysmuotoihin. Työssä todettiin energiatehokkuuden vaatimusten kiristämisen kasvattavan sähkölämmitystapojen osuutta. Koska lämmityssähkön hiilidioksidipäästöt ovat korkeat, joissain tapauksissa hiilidioksipäästöt jopa kasvavat energiatehokkuuden parantuessa.

Uudisrakennusalueen lämmitysratkaisujen valinta – tulevaisuuden haasteet ja niihin vastaaminen

Matalaenergiarakentaminen asettaa uudenlaisia haasteita ja mahdollisuuksia lämpöenergian tuotannolle. Lämmitysjärjestelmien mitoitustehot eivät laske samassa suhteessa kuin lämmitysenergiankulutus, mikä suosii alhaisia investointeja muuttuvien kulujen kustannuksella. Työssä tutkittiin viittä vaihtoehtoista tapaa tuottaa kohdealueen rakennuskannan vuotuinen lämpöenergiantarve. Kohdealue koostui pääasiallisesti matalaenergiakerrostaloista. Neljä vaihtoehtoa perustui kaukolämpöön ja yksi matalaenergiaverkkoon varustettuna kiinteistökohtaisilla lämpöpumpuilla. Lähialueen jätevedenpuhdistamolle sijoitettu keskitetty lämpöpumppuratkaisu muodostui kokonaiskustannuksiltaan edullisimmaksi vaihtoehdoksi tuottaa kohdealueen rakennuskannan lämpöenergiantarve. Haketta polttoaineenaan käyttävä pien-CHPlaitos omasi vastaavasti pienimmän hiilijalanjäljen, mutta oli kustannusrakenteeltaan epäedullinen. Kohdealue ja vaihtoehtoiset lämmitysjärjestelmät mallinnettiin GaBi 4.3 elinkaarimallinnusohjelmistolla vaihtoehtojen hiilijalanjälkien selvittämiseksi.

Energiantuotantovaihtoehtojen vertailu, Jousenpuiston uusi asuinalue

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla paikallisia energiantuotantovaihtoehtoja eri-tyisesti lämmöntuotantoon painottuen. Tarkastelu sovitettiin uuden matalaenergiarakentamista vastaavan kerrostaloasuinalueen tarpeisiin. Näkökulmana olivat sekä taloudellisuus että hiilidioksidipäästöt. Yksityiskohtaisemman tarkastelun kohteena olivat maalämpö, alueellinen biolämpölaitos sekö alueellinen pien-CHP-laitos. Perusvaihtoehtona tutkittiin kaukolämpöä. Kaikkiin vaihtoehtoihin kuului myös kapasiteetiltaan rajoitettu jäähdytys. Tulosten mukaan kokonaistaloudellisin vaihtoehto oli maalämpö yhdistettynä kaukolämpöön. Tässä vaihtoehdossa peruslämpö tuotetaan maalämmöllä, mutta huippu-lämpöön sekä käyttöveden lämmitykseen käytetään kaukolämpöä. Ratkaisulla saadaan aikaan myös päästövähennyksiä kaukolämpöön verrattuna. Tulosten mukaan pienimmät päästöt olivat pien-CHP-biovoimalaitoksella. Toisaalta nykyisillä sähkön myyntihinnoilla pienimuotoinen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto ei pysty kilpailemaan kustannusrakenteensa puolesta muiden tutkittujen vaihtoehtojen kanssa.

Lämpöpumppujen käytön potentiaali Suomessa

Tämä kandidaatintyö käsittelee lämpöpumppuja, niiden toimintaa ja niiden käytön tulevaisuutta. Työ on rajattu asuintalojen lämmittämiseen ja erityisesti käsitellään erillisiä pientaloja. Työn tavoite on esitellä lämpöpumppujen toimintaperiaate ja tekniikka, eri lämpöpumpputyypit ja niiden lämmönlähteet sekä lämpöpumppujen käyttöä rajoittavia tekijöitä. Lisäksi esitellään Suomen lämmitystapojen jakauma sekä pohditaan siihen tulevia muutoksia. Tilastojen pohjalta tehdään lopulta arvioita lämpöpumppujen käytön tulevaisuuden kehityksestä.

Metsäenergian liiketoimintojen kehittäminen ja käytön kasvun vaikutukset Kaakkois-Suomessa

Kaakkois-Suomen alueella uusiutuvan energian käyttö ja erityisesti metsäenergian käyttö on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla. Tulevaisuudessa metsäenergia nähdään edelleen potenti-aalisimpana vaihtoehtona korvattaessa fossiilisia polttoaineita lämpö- ja voimalaitoskokoluo-kassa. Muita uusiutuvan energian vaihtoehtoja ovat mm. tuuli- ja aurinkovoima, biokaasu sekä erilaiset kiinteät ja nestemäiset polttoainejalosteet. Tulevaisuudessa alueella voi olla mahdollis-ta tuottaa niin kansalliseen kuin kansainväliseen vientiin esim. biopolttonesteitä, biokaasua ja biohiiltä. Tutkimushankkeen tavoitteena oli selvittää metsäenergia-alan alueelliset toimijat sekä metsä-energian soveltuvuus ja liiketoimintamahdollisuudet Kaakkois-Suomen alueen energian tuo-tannossa. Tutkimus koostui seuraavista osatehtävistä: metsäsektorin toimijakentän kartoitus, metsäenergian alueelliset liiketoimintamahdollisuudet, puuperäisten polttoainejalosteiden käyttö- ja liiketoimintamahdollisuudet, muiden uusiutuvien energialähteiden käyttömahdolli-suudet ja vaikutukset Kaakkois-Suomessa. Tutkimuksessa arvioitiin myös Kaakkois-Suomen metsäenergian hankinnan työllisyysvaikutuksia. Tutkimuksen ohjausryhmänä toimi Kaakkois-Suomen metsäenergianeuvottelukunta. Tutkimuksessa kyselytutkimuksella selvitettiin metsäenergian tuottajien ja käyttäjien mielipi-teitä ja kehittämiskohteita toimialalta. Kaakkois-Suomessa hyödynnettävistä uusiutuvista energialähteistä selvitettiin nykyinen käyttö sekä arvioitiin tulevaisuuden hyödyntämismah-dollisuuksia vuonna 2020. Nämä tulokset esitettiin Kaakkois-Suomen energiataseen avulla. Kaakkois-Suomessa uusiutuvista energialähteistä puupolttoaineilla on merkittävin rooli metsä-teollisuuden johdosta ja alueen metsäenergian käyttö voi kasvaa jopa 1,7 TWh:in, mikäli fos-siilisia energialähteitä korvataan edelleen voimalaitoksissa ja lämpökeskuksissa. Metsäenergian käytön kasvussa alueen kunnilla on merkittävä rooli. Viime vuosina erityisesti tuulivoiman tuotanto on kasvanut ja tulee kasvamaan edelleen. Samoin aurinkoenergian hyödyntäminen kiinteistökokoluokassa on lisääntynyt voimakkaasti. Lisäksi maakuntaan on suunnitteilla kiin-teiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoainejalosteiden tuotantolaitoksia. Toteutuessaan laitokset voivat lisätä metsäenergian käyttöä merkittävästi.

Asuinkerrostalon lämmöntuottojärjestelmän optimointi elinkaarikustannusten perusteella hyödynnettäessä lämpöpumpulla useita lämmönlähteitä

The basis of this thesis was to optimize heat pump that uses multiple heat sources to get competitive heating system for residential building when life cycle costs are considered. The objectives were to compile necessary information to calculate life cycle costs for heating system of residential building and start to compose of designing program for heat pump based heating systems. Examinations were made for the purchase energy need of residential building. Features of heat pump, considered refrigerant and potential heat sources were examined to find out heat production potential of heat pumps. Necessary information for life cycle cost calculation was also examined. Collected data was used in two case analyses to design selected heat production systems and calculate their life cycle costs. On the basis of case analyses heat pump based hybrid heat production systems are very competitive on life cycle cost comparison against district heating when residential building uses a lot of energy. New buildings use considerably less energy and achieved energy cost savings with heat pump systems may not be enough to cover the relatively high investment cost in reasonable time period compared to district heating system. The calculation method was found to require further development to at least include the cooling energy need of the building. Cooling demand will continue to grow in the future, which improves the heat pump based heat production systems competitiveness compared to other systems.

Working fluid selection and design of small-scale waste heat recovery systems based on organic Rankine cycles

Demand for the use of energy systems, entailing high efficiency as well as availability to harness renewable energy sources, is a key issue in order to tackling the threat of global warming and saving natural resources. Organic Rankine cycle (ORC) technology has been identified as one of the most promising technologies in recovering low-grade heat sources and in harnessing renewable energy sources that cannot be efficiently utilized by means of more conventional power systems. The ORC is based on the working principle of Rankine process, but an organic working fluid is adopted in the cycle instead of steam. This thesis presents numerical and experimental results of the study on the design of small-scale ORCs. Two main applications were selected for the thesis: waste heat re- covery from small-scale diesel engines concentrating on the utilization of the exhaust gas heat and waste heat recovery in large industrial-scale engine power plants considering the utilization of both the high and low temperature heat sources. The main objective of this work was to identify suitable working fluid candidates and to study the process and turbine design methods that can be applied when power plants based on the use of non-conventional working fluids are considered. The computational work included the use of thermodynamic analysis methods and turbine design methods that were based on the use of highly accurate fluid properties. In addition, the design and loss mechanisms in supersonic ORC turbines were studied by means of computational fluid dynamics. The results indicated that the design of ORC is highly influenced by the selection of the working fluid and cycle operational conditions. The results for the turbine designs in- dicated that the working fluid selection should not be based only on the thermodynamic analysis, but requires also considerations on the turbine design. The turbines tend to be fast rotating, entailing small blade heights at the turbine rotor inlet and highly supersonic flow in the turbine flow passages, especially when power systems with low power outputs are designed. The results indicated that the ORC is a potential solution in utilizing waste heat streams both at high and low temperatures and both in micro and larger scale appli- cations.

Kaksivaiheisen lämmöntalteenottoprosessin soveltuvuus poistoilmanvaihtoiseen kerrostaloon

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella perinteistä poistoilmanvaihtoa käyttävän kerrostalon lämmöntalteenottoa menetelmällä, joka yhdistää poistoilmalämpöpumpun ja maalämpöpumpun toiminnat. Nostamalla maalämpöpumpulle tulevan veden lämpötilaa saadaan nostettua järjestelmän COP-arvoa, jolla on suuri merkitys laitteen energiateknisen toiminnan kannalta. Laskelmat tehtiin Suomen rakennusmääräyskokoelman ohjeiden mukaisesti käyttämällä MX6- energiaohjelmaa sekä simuloimalla kylmäprosessia. Tulokset yhdistettiin taulukkolaskentaohjelmassa, ja näin saatiin teoreettinen säästölaskelma, joka perustuu arvioituun kuukausittaiseen energian keskikulutukseen, ts. taseeseen. Työssä todettiin, että poistoilmalämpöpumppu saattaisi kuluttaa poistoilman lämmöntalteenotossa liikaa sähköä, työssä tarkoitetulla tavalla. Kulutus olisi enemmän kuin maalämpöpumpun COP-arvon parantamisella saatava rahallinen hyöty. Koneellisen poistoilman välittämän energian tehokas käyttö on kuitenkin yksi mahdollisuus säästää maalämpöreikien poraamisessa, jos kerrostalossa harkittaisiin kokonaan maalämpöön siirtymistä.

Framework for Regional Heating Energy Efficiency Assessment

The aim of this project was to develop general framework for systematic assessment of energy efficiency of heating on regional level in Russia. The framework created during this project includes two main instruments, namely: general regional heating energy efficiency assessment model (REEMod) and general regional heating energy efficiency assessment criteria for housing areas (REECrit). Framework pays extreme attention to realization of energy saving, overall cost efficiency and comfortable indoor climate. Life-cycle ideology was applied during creation of the framework. Application of the framework can provide decision-making process with systematically collected and processed information on current state of areas energy efficiency. Such information will help decision makers to evaluate current situation of the whole energy chain, to compare different development scenarios and to identify the most efficient improvement methods, thus supporting realization of regions efficient energy management. Simultaneous pursuit of energy savings, cost efficiency and indoor air quality can contribute to development of sustainable community. Presented instruments should be continuously developed further as an iterative process based on knew experience, development of technology and overall understanding of energy efficiency issues.

Permanent magnet synchronous generator design solution for large directdrive wind turbines: Thermal behavior of the LC DD-PMSG

Wind is one of the most compelling forms of indirect solar energy. Available now, the conversion of wind power into electricity is and will continue to be an important element of energy self-sufficiency planning. This paper is one in a series intended to report on the development of a new type of generator for wind energy; a compact, high-power, direct-drive permanent magnet synchronous generator (DD-PMSG) that uses direct liquid cooling (LC) of the stator windings to manage Joule heating losses. The main param-eters of the subject LC DD-PMSG are 8 MW, 3.3 kV, and 11 Hz. The stator winding is cooled directly by deionized water, which flows through the continuous hollow conductor of each stator tooth-coil winding. The design of the machine is to a large degree subordinate to the use of these solid-copper tooth-coils. Both steady-state and timedependent temperature distributions for LC DD-PMSG were examined with calculations based on a lumpedparameter thermal model, which makes it possible to account for uneven heat loss distribution in the stator conductors and the conductor cooling system. Transient calculations reveal the copper winding temperature distribution for an example duty cycle during variable-speed wind turbine operation. The cooling performance of the liquid cooled tooth-coil design was predicted via finite element analysis. An instrumented cooling loop featuring a pair of LC tooth-coils embedded in a lamination stack was built and laboratory tested to verify the analytical model. Predicted and measured results were in agreement, confirming the predicted satisfactory operation of the LC DD-PMSG cooling technology approach as a whole.

Keskikokoisen maatilan biokaasu- ja aurinkosähköratkaisujen kannattavuus Etelä-Savossa

Tässä kandidaatintyössä perehdytään biokaasun syntyprosessiin ja sen hyödyntämismahdollisuuksiin, sekä vertaillaan biokaasun tuotannon määrää Suomessa ja Saksassa. Työssä tarkastellaan biokaasuvoimalan kannattavuutta keskikokoisen maatilan yhteydessä Etelä-Savossa ja käydään läpi biokaasuvoimalalle Suomessa myönnettäviä tukimuotoja. Tukimuotojen lisäksi käydään läpi erilaisia lupia ja hyväksyntöjä, joita maatilan yhteyteen rakennettava biokaasu-voimalaitos tarvitsee. Työn toisessa osassa käydään läpi aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksia, aurinkosähköjärjestelmän komponentteja, sekä perehdytään aurinkopaneelin toimintaperiaatteeseen. Tarkastellaan biokaasuvoimalan lisäksi myös aurinkovoimalan kannattavuutta maatilan yhteydessä ja vertaillaan biokaasu- ja aurinkovoimalan ominaisuuksia keskenään. Lisäksi vertaillaan aurinkosähkön tuotantoa Suomessa ja Saksassa. Työn tavoitteena on selvittää biokaasu- ja aurinkosähkövoimalan kannattavuus esimerkkimaatilalla. Biokaasulaitoksen hinta-arvio saatiin vastauksena tarjouspyyntöön ja aurinkosähköjärjestelmän hinta arvioitiin kotimaisten toimittajien aurinkosähköpakettien hintojen avulla. Biokaasuvoimalan sähköntuottoennuste sekä huolto- ja käyttökustannukset perustuvat kirjallisuudesta saatuihin arvoihin. Aurinkovoimalan sähköntuottoennuste ja paneelien suuntauksen vaikutusta tuotantoon laskettiin PVGIS:n laskurilla sekä HOMER-ohjelmistolla. Kannattavuuslaskelmien perusteella kumpikaan voimalaitostyyppi ei tutkituilla voimalaitosten suuruuksilla ole kannattava 20 tai edes 30 vuoden pitoajalla esimerkkimaatilalla nykyisellä sähkönhinnalla ja tukitasolla. Aurinkosähköjärjestelmälle saadaan kuitenkin 20 vuoden takaisinmaksuaika, jos se hankitaan ilman lainarahaa. Tällöin voidaan ajatella, että laitos on kannattava. Biokaasulaitoksen kannattavuutta parantaisivat tukien ja sähkön hinnan nousun ohella kaasun ja lämmön myyntimahdollisuudet, joita esimerkkimaatilalla ei ole. Aurinkovoimalan kannattavuutta parantaisivat puolestaan tukien ja korkeamman sähkön hinnan lisäksi paremmin paneelien tuotantoa seuraava kulutus, jolloin pienempi osuus sähköstä päätyisi myyntiin.

Teräsvalimon energia-analyysi

Teräksen valuprosessi kuluttaa runsaasti energiaa ja tuottaa merkittävästi lämpöä. Ylimääräinen lämpö on poistettava tuotantotiloista, sillä se sisältää yleensä myös paljon hiukkasia ja muita epäpuhtauksia. Lämmön talteenottaminen vähentää teräsvalimon energiankulutusta, mutta sen toteuttaminen ei ole ongelmatonta. Energia-analyysi selvittää yrityksen energian käytön ja tuotannon kehityksen sekä nykytilan. Analyysi pyrkii selvittämään kohteet, joissa energiaakuluu ja joissa sitä syntyy eniten. Tämä opinnäytetyö on sovellettu teollisuuden energia-analyysi, joka sisältää ehdotuksia energian käytöntehostamismahdollisuuksista ja säästömahdollisuuksista. Ehdotuksissa esitelläänviisi tärkeimmäksi katsottua ja kahdeksan muuta energiansäästökohdetta. Näiden lisäksi on annettu seitsemän ehdotusta muista tuotantoa ja energiansäästöä tukevista toimenpiteistä.