Uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet Liikuntakeskus Pajulahdessa

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Liikuntakeskus Pajulahden ja Nastolan Energiasäätiön yhteisprojektina. Työn tarkoituksena on tutkia aurinkosähköjärjestelmien taloudellista kannattavuutta ostosähkön korvaamisessa Liikuntakeskus Pajulahden kiinteistössä. Työssä tehdään laskelmat aurinkopaneelien tuotoista, tuotetun sähkön hinnasta, investointien takaisinmaksuajoista sekä tuotetun aurinkosähkön synnyttämistä hiilidioksidipäästövähenemistä. Lisäksi tarkastellaan energiaveron vaikutusta pientuotantolaitoksen kannattavuuteen. Tämän hetkisillä aurinkosähköjärjestelmien hinnoilla pystytään tuottamaan puhdasta, ympäristöystävällistä sähköä kilpailukykyiseen hintaan. Työssä tehdään yleiskatsaus myös muiden uusiutuviin energialähteisiin perustuvien tuotantomenetelmien käyttömahdollisuuksista. Yhtenä erityistarkastelunkohteena on Pajulahden monitoimihalliin vuonna 2008 suunniteltu vesistöä lämmönlähteenä käyttävä lämpöpumppujärjestelmä, jonka toteutukseen ei saatu tarvittavia lupia. Tarkastelussa tutkitaan myös aiemmin Suomessa toteutettuja vastaavia hankkeita ja niiden lupien saantia. Lisäksi on haettu tosiasioihin perustuvia argumentteja keskusteluun vesistölämmön hyödyntämisestä. Tarkastelun kohteena oleva vesistölämpöhanke voidaan todeta olevan erittäin kannattava, taloudellisesti sekä ympäristöllisesti. Tutkimuksen pohjalta Nastolan Energiasäätiölle tuotetaan havainnollinen ja selkeä aineisto aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksista Nastolan kunnassa.

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.

Concentration of hydrogen peroxide and improving its energy efficiency

Distillation is a unit operation of process industry, which is used to separate a liquid mixture into two or more products and to concentrate liquid mixtures. A drawback of the distillation is its high energy consumption. An increase in energy and raw material prices has led to seeking ways to improve the energy efficiency of distillation. In this Master's Thesis, these ways are studied in connection with the concentration of hydrogen peroxide at the Solvay Voikkaa Plant. The aim of this thesis is to improve the energy efficiency of the concentration of the Voikkaa Plant. The work includes a review of hydrogen peroxide and its manufacturing. In addition, the fundamentals of distillation and its energy efficiency are reviewed. An energy analysis of the concentration unit of Solvay Voikkaa Plant is presented in the process development study part. It consists of the current and past information of energy and utility consumptions, balances, and costs. After that, the potential ways to improve the energy efficiency of the distillation unit at the factory are considered and their feasibility is evaluated technically and economically. Finally, proposals to improve the energy efficiency are suggested. Advanced process control, heat integration and energy efficient equipment are the most potential ways to carry out the energy efficient improvements of the concentration at the Solvay Voikkaa factory. Optimization of the reflux flow and the temperatures of the overhead condensers can offer immediate savings in the energy and utility costs without investments. Replacing the steam ejector system with a vacuum pump would result in savings of tens of thousands of euros per year. The heat pump solutions, such as utilizing a mechanical vapor recompression or thermal vapor recompression, are not feasible due to the high investment costs and long pay back times.

Alueellisen lämmitysjärjestelmän valinta hankesuunnitteluvaiheessa

Työn lähtökohtana oli tarkastella hankesuunnitteluvaiheen lämmitysjärjestelmän valintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Työssä käytettiin Case-tarkasteluna Espoon Finnoon aluetta. Rakennusosakeyhtiö Hartela voitti Espoon Finnoon ensimmäisen (Finnoo I) asemakaava-alueen suunnittelu ja toteuttamisen ideakilpailun vuoden 2012 lopussa. Finnoo I alueelle rakennettaan noin 155 000 kerrosmetriä eli huoneistot noin 4000 asukkaalle. Alueen ra-kennukset suunnitellaan energiatehokkaaksi, sekä lämmityksessä ja sähkössä on tarkoitus käyttää uusiutuvaa energiaa. Työssä käsiteltiin alueellista lämmitysjärjestelmää ja sen vaihtoehtoetoja. Työssä tutkittiin myös aurinkosähkön käytön mahdollisuutta alueella. Ensin työssä mitoitettiin rakennusten energiankulutuksen muodostuminen alustavien suunnitelmien ja arvioitujen ominaiskulu-tusten avulla. Sen jälkeen käytiin läpi mahdolliset lämmitysjärjestelmät, joita alueella voi-daan käyttää ja arvioitiin niiden aiheuttamat elinkaarikustannukset koko laskenta-ajan jak-solla. Elinkaarilaskentaan valittiin viisi toteutuskelpoisinta järjestelmää ja niistä laskettiin elinkaarikustannukset. Lisäksi laskettiin järjestelmien hiilidioksidipäästöt vuosittain. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti yhtä ainoata parasta lämmi-tysjärjestelmää alueelle ei ole, vaan kaukolämpöä, maalämpöä ja hybridijärjestelmiä tulisi käyttää alueella sekaisin. Lisäksi alue on mahdollista rakentaa niin, että alue käyttäisi nolla-lämpöalueen periaatetta, niin että rakennukset, jotka tuottavat lämpöä liikaa myisivät ne sitä rakennuksille jotka tarvitsevat sitä. Aurinkosähkön potentiaali alueella on hyvä ja sitä käyttämällä voidaan rakennusten E-lukua ja hiilidioksidipäästöjä laskea.

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.

Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttö pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteis-käyttöä pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa. Tarkoituksena on tuottaa päivittäin tarvittava lämmin käyttövesi maalämpöpumpulla, jonka tarvitsema sähkö tuotetaan aurin-kosähköjärjestelmän avulla keskimäärin kello 12–15. Aurinkosähköjärjestelmän tuotto simuloidaan kuvitteelliselle Lappeenrannassa sijaitsevalle omakotitalolle Homer-ohjelmistolla. Maalämpöpumpun koko pidetään vakiona ja vertai-lussa on 4, 5 ja 6 kW:n kokoiset aurinkosähköjärjestelmät. Yli 5 kW:n aurinkosähköjärjestelmällä saadaan katettua talon peruskuorman lisäksi, myös maalämpöpumpun tarvitsema teho kyseisenä ajanjaksona. 4 kW:n aurinkosähköjärjestel-mällä ja maalämpöpumpulla saadaan tuotettua päivässä riittävästi energiaa neljän henkilön tarvitsemaan käyttöveteen, mutta tällöin maalämpöpumppua täytyy käyttää pidempi ajan-jakso, jos lämmitykseen halutaan käyttää vain tuotettua aurinkosähköä.

Opistorakennusten energiatehokkuuden parantaminen

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää Kymenlaakson Opiston energiatehokkuuden parantamista ja tutkia onko olemassa selvästi taloudellisempi sekä ekologisempi tapa kattaa Opiston lämmitystarve verrattuna nykyisin käytössä olevaan kaukolämpöön. Työn teoriaosuudessa tehdään katsaus rakennusten energiatehokkuuteen vaikuttaviin seikkoihin, lähienergian tuotantoon ja energiatehokkuuden parantamiseen liittyvään lainsäädäntöön ja säädöksiin. Useasta rakennuksesta koostuva kansanopisto tarjoaa mielenkiintoisen pohjan selvitystyölle ja suuri lämmitystehontarve yhdistettynä monille saneerauskohteille tyypillisiin ahtaisiin teknisiin tiloihin asettaa rajoituksia lämmitysjärjestelmän suunnittelulle. Soveltavassa osuudessa määritellään reunaehdot mahdolliselle kaukolämmön korvaavalle lämmitysratkaisulle. Tutkitaan vesistölämmön hyödyntämisen mahdollisuutta ja lasketaan aurinkosähkön ja -lämmön tuotantopotentiaalia. Maalämpöjärjestelmän mitoituksessa ja taloudellisessa vertailussa käytettiin apuna maalämpöjärjestelmiä toimittavia yrityksiä. Työssä saatujen tulosten perusteella maalämpöjärjestelmä on taloudellisesti kannattava isossa kohteessa, tosin järjestelmän asennukseen liittyy ahtaiden tilojen johdosta ongelmia. Maalämpö on myös selvästi ekologisempi, kuin nykyisin käytössä oleva kaukolämpö. Aurinkosähkön tuotannolle on Kymenlaakson Opistolla hyvä potentiaali ja sähkön tuotanto kohtaa hyvin sähkön käytön.

Virtaavan veden hyödyntäminen keskitetyssä lämmöntuotannossa

Tässä työssä tutkittiin uudenlaista kaukolämmön tuotantotapaa, joka perustuu lämmöntal-teenottoon jokivedestä lämpöpumpuilla. Tutkimuksessa luotiin kokonaiskuva uudenlaisen lämmöntuotannon toiminnasta, sekä selvitettiin tuotannon soveltumista Suomeen. Tuotan-non kattavuus selvitettiin laskennan avulla käymällä läpi kaikki kaukolämpöä myyvien yri-tysten kaukolämpöverkot. Verkoston kulutustietoihin yhdisteltiin jokien virtaamatietoja. Laskenta tehtiin taulukkolaskentaohjelmalla ja kohteita oli yhteensä 184. Työssä tutkittiin myös laitoksen ympäristövaikutuksia lämpövaraston, jokiekosysteemin ja hiilidioksidipäästöjen osalta. Merkittävimmät vaikutukset tulisivat Suomen ilmastossa suu-riksi muodostuvien lämpövarastojen rakentamisesta. Jokiekosysteemin kannalta laitoksen toiminnan vaikutukset osoittautuivat pääasiassa positiivisiksi. Hiilidioksidipäästöjen lasken-nassa laitos oletettiin täysin päästöttömäksi, koska sähköverkkoa tarkasteltiin vuoden 2050 näkökulmasta, jolloin sähköntuotannon oletettiin olevan päästötöntä. Laskennasta selvisi, että laitoksilla pystyttäisiin kattamaan 22,7 % kaukolämmityksen tar-peesta. Tämä tarkoittaisi noin 1,6 milj. tonnin hiilidioksidipäästöjen välttämistä vuositasolla. Laitostyypin todettiin soveltuvan paremmin vain kesänaikaisen lämmöntarpeen kattami-seen. Talviaikainen lämmöntarve olisi parempi kattaa jollakin muulla ratkaisulla.

DFMA- Analysis and Aspects of Applying Internet Based Collaborative Design for Axial Eccentric Oil-Pump Design

The integrated system of design for manufacturing and assembly (DFMA) and internet based collaborative design are presented to support product design, manufacturing process, and assembly planning for axial eccentric oil-pump design. The presented system manages and schedules group oriented collaborative activities. The design guidelines of internet based collaborative design & DFMA are expressed. The components and the manufacturing stages of axial eccentric oil-pump are expressed in detail. The file formats of the presented system include the data types of collaborative design of the product, assembly design, assembly planning and assembly system design. Product design and assembly planning can be operated synchronously and intelligently and they are integrated under the condition of internet based collaborative design and DFMA. The technologies of collaborative modelling, collaborative manufacturing, and internet based collaborative assembly for the specific pump construction are developed. A seven-security level is presented to ensure the security of the internet based collaborative design system.

Product Standardization of Shell and Tube Heat Exchangers

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, kuinka kohdeyrityksessä nykyhetkellä pitkältiräätälöitynä tuotetut putkilämmönvaihtimet voitaisiin standardisoida, jotta pystyttäisiin kohdistamaan resursseja oikein ja parantamaan siten yrityksen taloudellista suorituskykyä. Tutkimuksen edetessä määräävimmäksi tekijäksi työn tuloksia ajatellen nousi taloudellinen standardisointiaste, jonka perusteeksi kohdeyrityksen putkilämmönvaihtimissa valittiin standardisoitu suunnitteluohjeisto. Suunnitteluohjeiston lisäksi tuotestandardiin liitettiin ehdotus toimintapojen automatisoimisesta parametrisen valintataulukon sekä sähköisen manuaalin avulla. Työssä tuotestandardisointia tarkastellaan rationalisointi-investointina ja sen kannattavuutta on tarkasteltu investointilaskelmien sekä herkkyys analyysin avulla. Alkuarvot investointilaskelmissa perustuvat työssä yhdelle putkilämmönvaihtimelletoteutettuun tuotestandardisointitapaan, jos tätä tapaa käytettäisiin jatkossa kaikkiin kyseisen yksikön putkilämmönvaihtimiin.

Simulation of Boundary Layers and Heat Transfer in the Entrance Region of Pipes

The study of fluid flow in pipes is one of the main topic of interest for engineers in industries. In this thesis, an effort is made to study the boundary layers formed near the wall of the pipe and how it behaves as a resistance to heat transfer. Before few decades, the scientists used to derive the analytical and empirical results by hand as there were limited means available to solve the complex fluid flow phenomena. Due to the increase in technology, now it has been practically possible to understand and analyze the actual fluid flow in any type of geometry. Several methodologies have been used in the past to analyze the boundary layer equations and to derive the expression for heat transfer. An integral relation approach is used for the analytical solution of the boundary layer equations and is compared with the FLUENT simulations for the laminar case. Law of the wall approach is used to derive the empirical correlation between dimensionless numbers and is then compared with the results from FLUENT for the turbulent case. In this thesis, different approaches like analytical, empirical and numerical are compared for the same set of fluid flow equations.

Flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors

The studies of flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors are beneficial to estimate and evaluate the ability of microchannel reactors to be operated for a given process reaction such as Fischer-Tropsch synthesis. The flow phenomena, for example, the flow regimes and flow patterns in microchannel reactors for both single phase and multiphase flow are affected by the configuration of the flow channel. The reviews of the previous works about the analysis of related parameters that affect the flow phenomena are shown in this report. In order to predict the phenomena of Fischer-Tropsch synthesis in microchannel reactors, the 3-dimensional computational fluid dynamic simulation with commercial software package FLUENT was done to study the flow phenomena and heat transfer for gas phase Fischer-Tropsch products flow in rectangular microchannel with hydraulic diameter 500 ¿m and length 15 cm. Numerical solution with slip boundary condition was used in the simulation and the flowphenomena and heat transfer were determined.

Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

Numerical and ExperimentalModelling of Gas Flow and Heat Transfer in the Air Gap of An Electric Machine

This work deals with the cooling of high-speed electric machines, such as motors and generators, through an air gap. It consists of numerical and experimental modelling of gas flow and heat transfer in an annular channel. Velocity and temperature profiles are modelled in the air gap of a high-speed testmachine. Local and mean heat transfer coefficients and total friction coefficients are attained for a smooth rotor-stator combination at a large velocity range. The aim is to solve the heat transfer numerically and experimentally. The FINFLO software, developed at Helsinki University of Technology, has been used in the flow solution, and the commercial IGG and Field view programs for the grid generation and post processing. The annular channel is discretized as a sector mesh. Calculation is performed with constant mass flow rate on six rotational speeds. The effect of turbulence is calculated using three turbulence models. The friction coefficient and velocity factor are attained via total friction power. The first part of experimental section consists of finding the proper sensors and calibrating them in a straight pipe. After preliminary tests, a RdF-sensor is glued on the walls of stator and rotor surfaces. Telemetry is needed to be able to measure the heat transfer coefficients at the rotor. The mean heat transfer coefficients are measured in a test machine on four cooling air mass flow rates at a wide Couette Reynolds number range. The calculated values concerning the friction and heat transfer coefficients are compared with measured and semi-empirical data. Heat is transferred from the hotter stator and rotor surfaces to the coolerair flow in the air gap, not from the rotor to the stator via the air gap, althought the stator temperature is lower than the rotor temperature. The calculatedfriction coefficients fits well with the semi-empirical equations and precedingmeasurements. On constant mass flow rate the rotor heat transfer coefficient attains a saturation point at a higher rotational speed, while the heat transfer coefficient of the stator grows uniformly. The magnitudes of the heat transfer coefficients are almost constant with different turbulence models. The calibrationof sensors in a straight pipe is only an advisory step in the selection process. Telemetry is tested in the pipe conditions and compared to the same measurements with a plain sensor. The magnitudes of the measured data and the data from the semi-empirical equation are higher for the heat transfer coefficients than thenumerical data considered on the velocity range. Friction and heat transfer coefficients are presented in a large velocity range in the report. The goals are reached acceptably using numerical and experimental research. The next challenge is to achieve results for grooved stator-rotor combinations. The work contains also results for an air gap with a grooved stator with 36 slots. The velocity field by the numerical method does not match in every respect the estimated flow mode. The absence of secondary Taylor vortices is evident when using time averagednumerical simulation.