A combined infrared/heat pump drying technology applied to a rotary dryer

Selostus: Yrttien ja vihannesten infrapunakuivaus rumpukuivurissa

Benefits of gas driven ground source heat pump systems

This thesis studies energy efficiencies and technical properties of gas driven ground source heat pumps and pump systems. The research focuses on two technologies: gas engine driven compressor heat pump and thermally driven gas absorption heat pump. System consist of a gas driven compressor or absorption ground source heat pump and a gas condensing boiler, which covers peak load. The reference system is a standard electrically powered compressor heat pump with electric heating elements for peak load. The systems are compared through primary energy ratios. Coefficient of performances of different heat pump technologies are also compared. At heat pump level, gas driven heat pumps are having lower coefficient of performances as compared with corresponding electric driven heat pump. However, gas heat pumps are competitive when primary energy ratios, where electricity production losses are counted in, are compared. Technically, gas heat pumps can potentially achieve a slightly higher temperatures with greater total energy efficiency as compared to the electric driven heat pump. The primary energy ratios of gas heat pump systems in relation to EHP-system improves when the share of peak load increases. Electric heat pump system's overall energy efficiency is heavily dependent on the electricity production efficiency. Economy as well as CO2-emissions were not examined in this thesis, which however, would be good topics for further study.

Huoneistokohtaisen ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenoton ja äänenvaimentimien kehitys

Tämän työn tavoitteena oli selvittää erään ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenottokennon vuosihyötysuhde japohtia voitaisiinko ilmastointikoneen energiatehokkuutta parantaa käyttämällä nykyisen ristivirtalämmönsiirtimen tilalla vastavirtalämmönsiirrintä tai poistoilmalämpöpumppua. Lisäksi tavoitteena oli mitata kahden ilmanvaihtokoneeseen liitettävän äänenvaimentimen vaimennuskyky ja pyrkiä parantamaan näiden vaimennusta. Työn teoriaosassa käsitellään yleisellä tasolla eri ilmanvaihtotapojen ja lämmöntalteenottomenetelmien toimintaperiaatteita ja soveltuvuuksiaeri tilanteisiin. Työn kokeellisessa osassa mitataan ilmanvaihtokoneen lämmöntalteenoton toiminta eri sääolosuhteissa ja lasketaan tulosten perusteella laitteelle lämpötila- ja entalpiavuosihyötysuhteet. Äänenvaimentimesta rakennetaan kaksi kehitysversiota, joiden mittaustuloksia verrataan alkuperäisen vaimentimen vaimennuskykyyn. Lämmöntalteenottoja vertailtaessa havaittiin, että suositeltavin kehitysvaihtoehto olisi vastavirtalämmönsiirtimeen siirtyminen sen yksinkertaisen rakenteen ja hyvän hyötysuhteen ansiosta.Äänenvaimentimien rakenteessa kannattaa mittausten ja pohdinnan perusteella siirtyä seinämillä jaettuun vaimentimeen.

Levylämmönsiirtimen mitoitus ja optimointi erityisesti lämpöpumpuissa

Työn tavoitteena on laatia käsikirjamainen läpileikkaus levylämmönsiirtimen rakenteesta ja käytöstä lämpöpumppulaitteistoissa. Kylmäprosessin tarkastelun lisäksi on eri lähteistä haettu yhtälöitä lämmönsiirron ja painehäviönlaskentaan. Lähdeaineistona on käytetty lämmönsiirron oppikirjoja, joiden lisäksi on käyty läpi suuri joukko tieteellisen tutkimuksen julkaisemia tutkimusraportteja levylämmönsiirtimen mitoituksesta erilaisissa käyttökohteissa. Oppikirjoissa ei ole esitetty varsinaisesti levylämmönsiirtimen laskentamenetelmiä, vaan niissä esitetään lämmönsiirron perusyhtälöt. Varsinainen lämmönsiirtolevyprofiilin laskentaan perustuva lähdeaineisto on löytynyt lämmönsiirtoon erikoistuneista julkaisuista. Lämmönsiirto tapahtuu aina kuumemmasta kylmempään tilaan. Lämmönsiirto eri virtausaineiden välillä toteutetaan lämmönsiirtimien avulla. Lämmönsiirrintyyppejä on olemassa lukuisia, joista yksi yleisesti käytetty tyyppi on levylämmönsiirrin. Tässä konstruktiossa on mahdutettu paljon lämmönsiirtopintaa ulkomitoiltaan pieneen tilaan. Tämä siirrintyyppi on eduksi silloin, kun virtaavat aineet ovat puhtaita ja niillä ei ole likaavaa vaikutusta lämmönsiirtopinnoille. Lämpöpumpulla tarkoitetaan laitetta, jolla voidaan käyttää hyödyksi lämmönlähteen matalaa lämpötilatasoa nostamalla lämpötilatasoa kompressorin puristustyön avulla korkeampaan lämpötilatasoon. Lämpöpumppulaitteiston toiminta perustuu kylmäprosessin toimintaan. Kylmäprosessin läpikäynti auttaa lukijaa hahmottamaan, millainen prosessi on kysymyksessä ja mitä komponentteja liittyy kylmäprosessiin. Tässä diplomityössä esitetyt yhtälöt antavat suuntaa, millä tavalla levylämmönsiirtimien ominaisuuksia voidaan laskea ja mitkä tekijät vaikuttavat siirtimien mitoittamiseen. Tarkemmat vaihdinkohtaiset laskentakorrelaatiot muotoutuvat vasta sitten, kun valmis tuote on testattu laboratorio-olosuhteissa ja siitä on saatu lämpötila-, virtaus- ja painesuhteet selville. Tämän jälkeen voidaan mittaustuloksiin perustuen rakentaa matemaattinen malli, jolla laskennallisesti määritelläänvaihtimien ominaisuudet. Lisäksi on esitetty yleisiä tapoja, joilla voidaan määritellä lämmönsiirtimien lämpöpintoja.

On the Reversed Brayton Cycle with High Speed Machinery

This work was carried out in the laboratory of Fluid Dynamics, at Lappeenranta University of Technology during the years 1991-1996. The research was a part of larger high speed technology development research. First, there was the idea of making high speed machinery applications with the Brayton cycle. There was a clear need to deepen theknowledge of the cycle itself and to make a new approach in the field of the research. Also, the removal of water from the humid air seemed very interesting. The goal of this work was to study methods of designing high speed machinery to the reversed Brayton cycle, from theoretical principles to practical applications. The reversed Brayton cycle can be employed as an air dryer, a heat pump or a refrigerating machine. In this research the use of humid air as a working fluid has an environmental advantage, as well. A new calculation method for the Braytoncycle is developed. In this method especially the expansion process in the turbine is important because of the condensation of the water vapour in the humid air. This physical phenomena can have significant effects on the level of performance of the application. Also, the influence of calculating the process with actual, achievable process equipment efficiencies is essential for the development of the future machinery. The above theoretical calculations are confirmed with two different laboratory prototypes. The high speed machinery concept allows one to build an application with only one rotating shaft including all the major parts: the high speed motor, the compressor and the turbine wheel. The use of oil free bearings and high rotational speed outlines give several advantages compared to conventional machineries: light weight, compact structure, safe operation andhigher efficiency at a large operational region. There are always problems whentheory is applied to practice. The calibrations of pressure, temperature and humidity probes were made with care but still measurable errors were not negligible. Several different separators were examined and in all cases the content of the separated water was not exact. Due to the compact sizes and structures of the prototypes, the process measurement was slightly difficult. The experimental results agree well with the theoretical calculations. These experiments prove the operation of the process and lay a ground for the further development. The results of this work give very promising possibilities for the design of new, commercially competitive applications that use high speed machinery and the reversed Brayton cycle.

Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

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.

Lämpöpumppujärjestelmät integroidussa kylmä- ja lämpötehon tuotossa

Tässä työssä tutkittiin lämpöpumppujärjestelmiä, joilla tuotetaan samaan aikaan kylmä- ja lämpötehoa. Höyryn puristus lämpöpumppu on yleisimmin käytetty lämpöpumpputyyppi ja sen pääkomponentit ovat kompressori, lauhdutin, paisuntaventtiili ja höyrystin. Lämpöpumppu tuottaa samaan aikaan kylmätehoa höyrystimellä ja lämpötehoa lauhduttimella. Lämpöpumpun toiminta-arvoihin vaikuttaa valittujen lämpötilatasojen lisäksi voimakkaasti valitun kiertoaineen termodynaamiset ominaisuudet sekä kompressorin painesuhteeseen verrannollinen isentrooppihyötysuhde. Uusissa lämpöpumpuissa käytetään HFC yhdisteitä sekä sekoituksia kiertoaineina, mutta myös luonnolliset aineet, kuten ammoniakki, ovat lupaavia korvikkeita CFC yhdisteille. Sopivia sovelluskohteita kylmä- ja lämpötehon yhteistuotannolle ovat kauppa- ja asuinrakennukset, hotellit, toimistot, elintarviketeollisuus ja -myymälät sekä vierekkäiset jää- ja uimahallit ja hiihtoputket. Kylmä- ja lämpötehon yhteistuotannolla voitaisiin saavuttaa merkittäviä säästöjä ja päästövähennyksiä. Esimerkiksi jäähallien kylmäkoneiden lauhdelämmön hyödyntämisessä olisi Suomessa potentiaalia 6-10 miljoonan euron vuotuisiin säästöihin. Kylmä- ja lämpötehon yhteistuotanto voidaan toteuttaa hyödyntämällä kylmäkoneen lauhdelämpöä toisella lämpöpumpulla. Toinen vaihtoehto on käyttää eri tilojen samanaikaiseen lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen HPS lämpöpumppua tai moniyksikköistä lämpöpumppua.

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.

Matalalämpötilaisen hukkalämmön hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa

Työ käsittelee tekniikoita, joilla voidaan hyödyntää matalalämpötilaisia hukkalämpöjä kaukolämmöntuotannossa. Työ esittelee lämpöpumpputekniikkaa, jolla hukkalämmön lähteestä tulevaa lämpöä voidaan lämpötilaltaan nostaa kaukolämpöverkon tarpeita vastaavaksi. Työssä käsitellään lämpöpumppujen kylmäaineita ja niiden soveltuvuutta eri lämpötila-alueisiin. Lisäksi käsitellään hyödyntämisen taloudellisuutta ja ympäristövaikutuksia. Taloudellisuudessa käsitellään investointi- ja käyttökustannukset ja pohditaan niiden pohjalta tuotteiden kaukolämpö- ja kaukokylmähinnoittelua asiakkaille. Työ myös tarkastelee hankkeen kokonaiskannattavuutta Mäntsälän Sähkölle. Kannattavuuslaskelmissa toteutetaan herkkyystarkastelu suurimpien muuttujien osalta. Työ tarkastelee yhdistetyn kylmän- ja lämmöntuotannon soveltuvuutta Mäntsälän keskustan kaukolämpöverkon ja Kapulin kaukolämpöverkon alueelle. Soveltuvuutta tarkastellaan Suomessa ja maailmalla toteutettujen referenssien pohjalta.