Life cycle costs in heating, ventilation and air-conditioning systems with drive

Energy consumption and energy efficiency have become an issue. Energy consumption is rising all over the world and because of that, and the climate change, energy is becoming more and more expensive. Buildings are major consumers of energy, and inside the buildings the major consumers are heating, ventilation and air-conditioning systems. They usually run at constant speed without efficient control. In most cases HVAC equipment is also oversized. Traditionally heating, ventilation and air-conditioning systems have been sized to meet conditions that rarely occur. The theory part in this thesis represents the basics of life cycle costs and calculations for the whole life cycle of a system. It also represents HVAC systems, equipment, systems controls and ways to save energy in these systems. The empirical part of this thesis represents life cycle cost calculations for HVAC systems. With these calculations it is possible to compute costs for the whole life cycle for the wanted variables. Life cycle costs make it possible to compare which variable causes most of the costs from the whole life point of view. Life cycle costs were studied through two real life cases which were focused on two different kinds of HVAC systems. In both of these cases the renovations were already made, so that the comparison between the old and the new, now existing system would be easier. The study indicates that energy can be saved in HVAC systems by using variable speed drive as a control method.

Study of a vapor-compression air-conditioning system for jetliners

Most modern passenger aeroplanes use air cycle cooling. A high-speed air cycle is a reliable and light option, but not very efficient. This thesis presents research work done to design a novel vapour cooling cycle for aeroplanes. Due to advancements in high-speed permanent magnet motors, the vapour cycle is seen as a competitive option for the air cycle in aeroplanes. The aerospace industry places tighter demands on the weight, reliability and environmental effects of the machinery than those met by conventional chillers, and thus modifications to conventional design are needed. The thesis is divided into four parts: the initial screening of the working fluid, 1-D design and performance values of the compressor, 1-D off-design value predictions of the compressor and the 3-D design of the compressor. The R245fa was selected as the working fluid based the study. The off-design range of the compressor was predicted to be wide and suitable for the application. The air-conditioning system developed is considerably smaller than previous designs using centrifugal compressors.

Ilmanvaihtokoneen ohjauksen taloudellisuusvaikutukset

Tämän insinöörityön tarkoituksena oli luoda Insinööritoimisto Olof Granlund Oy:lle malliprojekti ilmanvaihtokoneen ohjauksen mahdollisesta sähköenergian säästöpotentiaalista. Insinöörityötä voidaan myöhemmin käyttää referenssinä tarjottaessa yrityksen palvelua asiakkaille energiakatselmointityössä kiinteistöihin, joissa on suuria ilmanvaihtokone-yksiköitä. Ensin työssä esitellään käytössä olevat, tutkittavat ilmanvaihtokoneet ja niiden toiminta. Sitten selvitetään ilmanvaihtolaitteiden ja niiden ohjauksen eri osien toiminta, sekä ohjausinformaatio, joka välittyy eri laitteiden välillä. Seuraavaksi työssä tutkitaan rakennusautomaation osuutta, sen hyötyä ja rakennetta kiinteistössä. Tämän jälkeen selvitetään hankkeen viranomaismääräykset. Sitten selvitetään, mistä koostuvat kustannukset ilmanvaihtokoneen ohjauksen uusimisessa. Lopuksi vielä tutkitaan, kuinka pitkä on tehtävän investoinnin takaisinmaksuaika, sekä mitkä ovat saneerauksen hiilidioksidi-päästövaikutukset. insinöörityön Lopputuloksena syntyi yrityksen sisäinen kansio. Kansion esimerkkilaskelmia ja laskentamenetelmiä on tarkoitus käyttää jatkossa referenssinä kiinteistönpito-osastolla sähkö- ja lvi-ryhmissä, niiden henkilöiden käytössä, jotka ovat tekemisissä energiakatselmointien kanssa.

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.

Puhdastilojen suunnitteluprosessi ja teknisten järjestelmien validointi

Puhdastilojen suunnittelussa pyritään saamaan hallittu ja valvottu ilmanpuhtaus luokiteltuun tilaan.Luokittelu tapahtuu puhdastilastandardeilla, lisäksi lääkevalmisteita valmistettavassa tilassa GMP -säädösten mukaisin luokituksin. Puhdastilastandardi ISO 14644 käsittää seitsemän osaa, jossa on käsitelty puhdastilaa koskevia määräyksiä suunnittelusta käyttöön ja testaukseen. GMP-säädökset sisältävät yhdeksän kappaletta, joista kappale 3: 'Tilat ja laitteet' on keskeinen osa lääkeainevalmistuksen puhdastilasuunnittelua. Puhtaan ilman aikaansaamiseksi puhdastilaan merkittävimmät roolit ovat ilmanvaihdolla, puhdastilarakenteilla ja rakennusautomaatiolla. Ilma voidaan tuoda tilaan kolmella eri periaatteella. Ilmaa tuodaan tilaan yhdensuuntaisesti, turbulenttisesti tai sekavirtauksena HEPA -suodattimien kautta, joilla varmistetaan epäpuhtauksien korkea suodatusaste. Ilmapoistetaan rei'itettyjen, korotettujen lattioiden kautta tai tilan alaosassa olevien poistoilmasäleikköjen kautta, josta se johdetaan noin 75-90%:sti kierrätettynä takaisin tilaan. Lääketeollisuudessa rei'itettyjä, korotettuja lattioita eivoida käyttää kontaminaatiovaaran, vuoksi. Tilaan suunniteltuja olosuhteita ylläpidetään rakennusautomaation avulla ja monitorointijärjestelmällä valvotaan tilassa olevan ilman laatua. Kaikki GMP-luokituksen mukaiset puhdastilat tulee validoida. Validointiin kuuluu teknisten järjestelmien kvalifiointi ja koko prosessin validointi. Teknisten järjestel-mien kvalifiointi käsittää suunnitelmien tarkastuksen (DQ), asennus - ja käyttöönotto tarkastukset (IQ), toiminnan testauksen (OQ) ja suorituksen testauksen (PQ). Kvali-fiointi kuuluu yhtenä osa-alueena validointiin. Prosessin validointi on osa yrityksen laadunvarmistusta. Validoinnilla hankitaan dokumentoidut todisteet siitä, että tila tai prosessi todella täyttää annetut vaatimukset. Tässä työssä laadittiin esimerkinomainen kvalifiointisuunnitelma puhdastilan tekni-sille järjestelmille. Suunnitelma sisältää asennus- ja käyttöönoton mukaiset tarkastukset (IQ)ja toiminnan aikaiset testaukset (OQ).

Ilmavirtausten laskennallinen mallinnus

Diplomityössä tutkitaan kolmea erilaista virtausongelmaa CFD-mallinnuksella. Yhteistä näille ongelmille on virtaavana aineena oleva ilma. Lisäksi tapausten perinteinen mittaus on erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Ensimmäinen tutkimusongelma on tarrapaperirainan kuivain, jonka tuotantomäärä halutaan nostaa kaksinkertaiseksi. Tämä vaatii kuivatustehon kaksinkertaistamista, koska rainan viipymäaika kuivausalueella puolittuu. Laskentayhtälöillä ja CFD-mallinnuksella tutkitaan puhallussuihkun nopeuden ja lämpötilan muutoksien vaikutusta rainan pinnan lämmön- ja massansiirtokertoimiin. Tuloksena saadaan varioitujen suureiden sekä massan- ja lämmönsiirtokertoimien välille riippuvuuskäyrät, joiden perusteella kuivain voidaan säätää parhaallamahdollisella tavalla. Toinen ongelma käsittelee suunnitteilla olevan kuparikonvertterin sekundaarihuuvan sieppausasteen optimointia. Ilman parannustoimenpiteitä käännetyn konvertterin päästöistä suurin osa karkaa ohi sekundaarihuuvan. Tilannetta tutkitaan konvertterissa syntyvän konvektiivisen nostevirtauksen eli päästöpluumin sekä erilaisten puhallussuihkuratkaisujen CFD-mallinnuksella. Tuloksena saadaan puhallussuihkuilla päästöpluumia poikkeuttava ilmaverho. Suurin osa nousevasta päästöpluumista indusoituu ilmaverhoon ja kulkeutuu poistokanavaan. Kolmas tutkittava kohde on suunnitteilla oleva kuparielektrolyysihalli, jossa ilmanvaihtoperiaatteena on luonnollinen ilmanvaihto ja mekaaninen happosumun keräysjärjestelmä. Ilmanvaihtosysteemin tehokkuus ja sisäilman virtaukset halutaan selvittää ennen hallin rakentamista. CFD-mallinnuksella ja laskentayhtälöillä tutkitaan lämpötila- ja virtauskentät sekä hallin läpi virtaava ilmamäärä ja ilmanvaihtoaste. Tulo- ja poistoilma-aukkojen mitoitukseen ja sijoitukseen liittyvät suunnitteluarvot varmennetaan sekä löydetään ilmanvaihdon ongelmakohdat. Ongelmakohtia tutkitaan ja niille esitetään parannusehdotukset.

Jäähdytysjärjestelmän vaikutus kiinteistön elinkaaren aikaisiin tuottoihin

Ilmastoinnin jäähdytys yleistyy toimisto- ja hotellikiinteistöissä jatkuvasti. Perinteinen tapa tuottaa jäähdytysenergia on kiinteistökohtainen vedenjäähdytysjärjestelmä. Helsingissä on ollut vuodesta 2000 lähtien mahdollista liittyä Helsingin energian kaukojäähdytysverkostoon. Jäähdytysjärjestelmien ominaisuudet poikkeavat toisistaan ja niistä aiheutuu kiinteistönomistajalle erilaisia kustannuksia. Kiinteistöstä saataviin tuottoihin vaikuttaa kustannusten lisäksi vuokralaisen tyytyväisyys. Tämän vuoksi työssä selvitettiin vuokralaisen tarpeet jäähdytysjärjestelmälle haastattelemalla vuokralaisen edustajia. Tässä diplomityössä vertaillaan kaukojäähdytyksen ja kiinteistökohtaisen jäähdytysjärjestelmän kustannuksia, sekä vaikutuksia kiinteistön elinkaarituottoihin kiinteistönomistajan näkökulmasta. Kerättyjen kustannusten perusteella suoritetaan elinkaarikustannuslaskenta GaBi-ohjelmalla. Vuokralaisen tarpeista jäähdytysjärjestelmälle tunnistetaan olennaisiksi toimintavarmuus, ympäristöystävällisyys sekä hiljainen äänitaso. Nämä ovat lisäarvotekijöitä, joille työssä määritetään painoarvo ja jotka huomioidaan laskennassa. Diplomityö osoitti kaukojäähdytyksen kannattavaksi vaihtoehdoksi kiinteistökohtaiselle järjestelmälle, kun huomioidaan hankinta- ja käyttökustannusten lisäksi asennustöiden, käyttöönoton, huollon ja kunnossapidon sekä loppusijoituksen kustannukset. Myös valikoituneet lisäarvotekijät puoltavat kaukojäähdytystä ja niiden kompensointi lisää kiinteistökohtaisen järjestelmän kustannuksia.

Ilmastointikojeen uuden rakenneratkaisun markkinaselvitys

Työssä selvitetään korjaus- ja uudisrakentamista Suomessa sekä ilmastointikojeen valintaan vaikuttavia tekijöitä. Korjausrakentamisen osuus on kasvamassa ja tilan puute on korjausrakentamisessa usein ongelma. Lähtökohtana on tilaavan tahon idea uudesta ilmastointikojeesta, jonka rakenne soveltuu erityisesti korjausrakentamiseen. Tutkimuksessa halutaan selvittää ilmastointikojeen markkinaympäristöä ja uuden kojeen rakenneratkaisu. Tarkoitus on selvittää idean jatkokehitysmahdollisuus ja mielenkiinto asiakasympäristössä. Tietoja IV-kojeen rakenneratkaisuun ja korjausrakentamisen ongelmiin hankittiin empiirisellä kyselytutkimuksella. Kyselytutkimus koostui joukosta väittämiä. Kyselytutkimus suunnattiin rakennuttajille, urakoitsijoille ja iv-suunnittelijoille, joista suunnittelijoiden osuus on merkittävin. Tutkimus toteutettiin sähköpostikyselynä ja haastatteluina. Kaikkiaan saatiin 124 analysoitavaa vastausta. Tutkimuksessa kävi selville, että uudelle rakenneratkaisulle on kysyntää. Vastaajat olivat erityisen kiinnostuneita kojeesta, joka saastaa tilaa ja on helppo asentaa. Työ tuotti selvityksen yrityksen tuotekehitysprojektin paatoksenteon tueksi perustuen kyselytutkimuksen vastauksiin.

Laivan ilmastointijärjestelmän perussuunnittelu ja mitoitus

Diplomityön tavoitteena on tarkastella risteilyaluksen ilmastointijärjestelmän suunnittelua ilmamäärien mitoituksen kannalta esisuunnitteluvaiheessa ja lopullisia laskelmia tehtäessä. Teoriaosassa tutustutaan hyvän sisäilmaston tekijöihin ja tarkastellaan ilmankäsittelyä laivoissa yleensä. Tilakohtaisia mitoituksia varten työssä esitellään perusteita, joita suunnittelijan on tunnettava ja huomioitava. Työn tuloksena esitellään laskentaohjelma, joka luo pohjaa tarkempaan ilmamäärälaskentaan standardin ISO 7547 mukaisesti. Ohjelman avulla ilmastoitavaan tilaan saadaan raitisilmamäärään, ilmanvaihtokertoimeen tai lämpökuormiin perustuva ilmamäärä. Esisuunnitteluvaiheessa alustavia ilmamäärälaskelmia tarvitaan tilavarausten riittävyyden tarkasteluun sekä tarjouskeskustelujen aloittamiseen toimittajien kanssa. Ilmamäärän arviointi perustuu vertailulaivoista määritettyihin eri tilatyyppien ja tilojen keskimääräisiin ilmanvaihtokertoimiin. Tilatyyppeihin perustuvilla kertoimilla saadaan tietokoneen avulla nopeasti karkea kuva ilmamäärien suuruusluokasta, tilabudjetin nimityksiin perustuvalla menetelmällä saadaan tarkempia arvioita ilmamääristä.

Tuotekustannusmallin kehittäminen talotekniikkaelementtitehtaassa

Työn tavoitteena on talotekniikkaelementtitehtaan tuotekustannusmallin kehittäminen. Yritys tarvitsee tuotekohtaista kustannustietoa erityisesti varaston arvon määrittämiseen ja kustannusperusteiseen hinnoitteluun. Tuotekustannusmallin kehittäminen edellyttää nykyisen tuotekustannusmallin sisältämien virheiden ja puutteiden korjaamista. Työssä käydään läpi kaikki tuotekustannusmalliin tehdyt muutokset tuotantovaihekohtaisesti. Uusi tuotekustannusmalli perustuu lähinnä lisäys- ja standardikustannuslaskentaan. Malli laskee tuote- ja tilauskohtaisen minimiomakustannusarvon. Uusi tuotekustannusmalli kohdistaa tuotteille aiheuttamisperiaatteen mukaisesti monia sellaisia kustannuksia, jotka aikaisemmin on jätetty kokonaan kohdistamatta. Eristettyjen ilmanvaihtokanavien sekä vesi- ja lämpöjohtojen kustannusten havaittiin olevan aiemmin luultua matalammat. Elementtien runkojen kustannukset puolestaan nousivat uudessa mallissa. Työn aikana laadittiin myös taulukkolaskentasovellus, jonka avulla voidaan laskea tilaukseen sisältyvien elementtien hankintameno ja kustannusperusteinen hinta.

House heating in Finland and Russia

Achievement of house heating efficiency is one of key questions in building construction field. Finland and nothern part of Russia have similar climate conditions that gives a reason for comparation of their house heating approaches. In this work main questions concerned to house heating energy efficiency are studied, building norms and standards of Russia and Finland are studied and compared from heat storage efficiency point of view, review of statistics is done, some different factors influencing house heating energy efficiency are derived.

Toimintajärjestelmä LVI-urakointiin

Tässä työssä suunniteltiin toimintajärjestelmän rakentamista pieneen Lappeenrantalaiseen ilmastointiasennus yritykseen. Toimintajärjestelmän laatujärjestelmä suunniteltiin toteutettavaksi ISO 9000- standardin muotoon. ISO 9000- standardin yleiskielellä selitetyt asiat käännettiin yrityksen tarpeita vastaavaksi. Työ tehtiin Ilmastointiasennus Partanen Oy:n tarpeisiin ja työ rajattiin toimintajärjestelmän suunnitteluksi. Tämän työn pohjalta tullaan rakentamaan varsinainen toimintajärjestelmä lähitulevaisuudessa. Työn alustana käytetty ISO 9000- standardi mahdollistaa myös laatujärjestelmän standardisoinnin.

Tritiumin kulkeutumisreitit ja tritiuminventaari Loviisan voimalaitoksella

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää Loviisan voimalaitoksen vesijärjestelmien tritiuminventaari sekä tritiumin kulkeutuminen eri järjestelmissä. Kulkeutumisreittien kartoittamisessa keskityttiin erityisesti kaasujenkäsittely- ja ilmastointiprosesseihin, ilmapäästöjen lähteen selvittämiseksi. Työssä perehdyttiin tritiumin tuottoon ja päästöihin Loviisan VVER- tyyppisessä ydinvoimalaitoksessa. Lisäksi esiteltiin selvitystä varten tarkasteltavat voimalaitoksen vesiilmastointi- ja kaasujenkäsittelyjärjestelmät. Työssä esiteltiin myös tritiumpäästöjä sekä tritiumin mittausmenetelmiä Loviisan voimalaitoksella. Tritiuminventaarin selvittämiseksi otettiin vesinäytteitä niiden järjestelmien säiliöistä, joiden oli tunnistettu sisältävän tritiumpitoisia vesiä. Tritiumin kulkeutumisreittien selvittämiseksi vesinäytteiden lisäksi otettiin ilmasta ja eri järjestelmistä näytteitä tritiumkerääjillä. Tehtyjen mittausten perusteella määritettiin Loviisan voimalaitoksen tritiuminventaari. Tarkasteltujen järjestelmien sisältämä tritiuminventaari on alle puolet normaalista vuotuisesta tritiumvesipäästöstä eikä sen vuoksi aiheuta toimenpiteitä käytöstä poistoa ajatellen. Ilmapäästöjen tritiumin kulkeutumisreittien määrityksessä tunnistettiin pääreiteiksi TL-ilmastoinnit. Kaasujenkäsittelyjärjestelmien osuus ilmapäästöjen tritiumista oli huomattavasti pienempi.

The energy efficiency of chilled beam systems in an office building at different climates

Besides the sustaining of healthy and comfortable indoor climate, the air conditioning system should also achieve for energy efficiency. The target indoor climate can be ob-tained with different systems; this study focuses on comparing the energy efficiency of different air conditioning room unit systems in different climates. The calculations are made with dynamic energy simulation software IDA ICE by comparing the indoor cli-mate and energy consumption of an office building with different systems in different climates. The aim of the study is to compare the energy efficiency of chilled beam systems to other common systems: variable air volume, fan coil and radiant ceiling systems. Besides the annual energy consumption also the sustainability of target indoor climate is compared between the simulations. Another aim is to provide conclusions to be used in the product development of the chilled beam systems’ energy efficiency. The adaptable chilled beam system and the radiant ceiling system prove to be energy efficient independent of the climate. The challenge of reliable comparison is that other systems are not able to reach the target indoor climate as well as the others. The complex calculation environment of the simulation software, made assumptions and excluding of the financial aspects complicate comparing the big picture. The results show that the development of the chilled beam systems should concentrate on energy efficient night heating, flexible demand based ventilation and capacity control and possibilities on integrating the best practices with other systems. 

Value Proposition Enhancement in Retailers of the HVAC Industry

This case study explored value proposition and relationship marketing de-terminants in the HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) indus-try. Concretely, the case involved Purmo, a prominent brand and market leader radiator manufacturer, its relationship marketing practices with the retailers of their product (radiator installers) and the value proposition which is being used to reach the end-user. In the field work, five heating experts/entrepreneurs in the installation business were interviewed and asked about their opinion on Purmo and the end-user’s needs. The findings suggest that while installers appreciate Purmo as a supplier and respect it as a company, the loyalty that they have towards it has no repercussions on their product advocacy to ultimate consumers. Installers proved to be attracted to standard model radiators and to be apathetic to the benefits that more advanced models can provide. The reasons for this behavior were found to be their preference for products with better availa-bility and their reluctance to interfere with the customers’ decision making processes.