Revision to the SUDAS Traffic Signal Design Guide, TR-546, 2009

Changes in technology have an impact on standard practice, materials, and equipment. The traffic signal industry is constantly producing more energy-efficient and durable equipment, better communications, and more sophisticated detection and monitoring capabilities. Accordingly, this project provides an update to the traffic signal content within the Statewide Urban Design and Specifications (SUDAS) Design Manual and Standard Specifications. This work was completed through a technical advisory committee with a variety of participants representing contractors, the Iowa Department of Transportation, cities, consultants, vendors, and university research and support staff.

Energiatehokkaiden tuotteiden myynti voimalaitoksiin

Tämän diplomityö käsittelee energiasäästömahdollisuuksia taajuusmuuttajien ja korkean hyötysuhteen moottoreiden avulla Suomen voimalaitoksissa. Energiatehokkuuden parantaminen voimalaitosten tuotantoprosessissa tarjoaa suuria myyntimahdollisuuksia ja on siten mielenkiintoinen tutkimuksen kohde. Työn tavoitteena on analysoida voimalaitostoimialaa Suomessa ja selvittäävoimalaitosten energiansäästöpotentiaalia suurimpien sähköä kuluttavien laitteiden osalta. Työn perusteella saadaan muodostettua kuva taajuusmuuttaja ja korkean hyötysuhteen moottorien markkinoista voimalaitoksiin. Työnalkuosassa keskitytään voimalaitostoimialan ja energiamarkkinoiden analyysiin. Analyysissä käydään läpi yleisimpien voimalaitosten toimintaperiaatteet ja energiatehokkaiden tuotteiden markkinakehitys sekä teollisuuden investointeihin liittyviä tekijöitä. Työn loppuosa käsittelee voimalaitosten suurimpien pumppujen ja puhaltimien energiansäästömahdollisuutta taajuusmuuttajien avulla. Työn tuloksena on muodostettu analyysi eri voimalaitostyyppien laittokannasta ja arvio energiasäästöstä sekä myyntipotentiaalista, jos laitteet muutetaan taajuusmuuttajakäytöiksi.

Pienten päivittäistavarakauppojen energiatalouden parantaminen

Työn tavoitteena oli löytää keinoja, joiden avulla kylmälaite- ja ilmanvaihtojärjestelmien toimintaa voitaisiin kehittää ja myymälöiden energiataloutta parantaa. Johtopäätökset sekä jatkotoimenpide-ehdotukset tehtiin koekohteista saatujen mittaustulosten sekä laskennallisten tavoitekulutusten perusteella. Tutkimus koski alle 400 m2 päivittäistavarakauppoja, joita Suomessa oli vuoden 2002 lopussa 3 011 kappaletta. Tutkimuksessa koekohteina toimineet kaksi Siwa-myymälää kuuluvat yli 450 Suomessa toimivan Siwan myymäläketjuun. Koekohteista saatujen tutkimustulosten pohjalta energiansäästötoimenpiteitä voidaan kohdistaa myös muihin Siwa-myymälöihin, jolloin energiansäästöt kasvavat huomattaviksi. Koekohteissa kylmälaitteiden osuus sähköenergiankulutuksesta oli merkittävin. Lämmönkulutuksissa suurten erojen syynä olivat koekohteiden erilaiset lauhdelämmöntalteenottojärjestelmät. Tehokkaalla lauhdelämmön talteenotolla onkin suuri merkitys myymälöiden energiatalouteen. Tulevaisuudessa elektronisten ohjausjärjestelmien käyttö tulee lisääntymään pienissä päivittäistavarakaupoissa. Ohjausjärjestelmällä saavutettavia etuja ovat energiankulutuksen minimointi, lämpötilojen tarkempi säätö- ja valvonta, lämpötilojen rekisteröinti ja kaukovalvonta. Muita myymälän energiatalouden kannalta tärkeitä tekijöitä ovat lauhdelämmön talteenotto, määräajoin tapahtuvat laitehuollot, kylmäntarpeen minimointi, energiatehokkaiden kylmäkalusteiden käyttö sekä kylmäkalusteet huomioiva myymäläsuunnittelu.

Soodakattilan energiatehokkuuden ja -taseen laskenta

Tämä diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oy:n Tervasaaren tehtaalle. Työn tavoitteena oli määrittää soodakattilan energiatase. Määritellyn taseen avulla voitiin tutkia kattilan energiatehokkuutta. Soodakattilan savukaasupuolen ja vesihöyrypiirin energiataseet mallinnettiin taulukkolaskentaohjelmaan. Lähtöarvojen selvittämiseksi suoritettiin yksi mittausjakso. Laskettujen savukaasupuolen ja vesihöyrypiirin tasetulosten ero oli vain 0,4 % hyödyksi saatavien lämpöenergioiden suhteen. Savukaasupuolen energiataseessa käytettiin polttoaineiden tehollisia lämpöarvoja. Lisäksi lipeän määritettyä tehollista lämpöarvoa korjattiin erillisellä kertoimella. Kattilan energiatehokkuuden tarkasteluun valittiin muuttujiksi poltettavan lipeän laatu ja lipeän kuiva-aine sekä nuohoushöyrymäärä ja ilmakerroin. Lasketuista tuloksista voitiin havaita, että siirryttäessä nykyisestä polttolipeän poltosta pelkään sulfaattipohjaisen lipeän polttoon, saavutetaan säästöjä 2,33…3,10 milj.€/a. Myös nuohoushöyrymäärän ja ilmakertoimen muutoksilla todettiin saavutettavan säästöjä.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

Model-based study of a chemical-looping combustion process

Chemical-looping combustion (CLC) is a novel combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. The technique typically employs a dual fluidized bed system where a metal oxide is used as a solid oxygen carrier that transfers the oxygen from combustion air to the fuel. The oxygen carrier is looping between the air reactor, where it is oxidized by the air, and the fuel reactor, where it is reduced by the fuel. Hence, air is not mixed with the fuel, and outgoing CO2 does not become diluted by the nitrogen, which gives a possibility to collect the CO2 from the flue gases after the water vapor is condensed. CLC is being proposed as a promising and energy efficient carbon capture technology, since it can achieve both an increase in power station efficiency simultaneously with low energy penalty from the carbon capture. The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel. This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation.

Energiansäästö kotitalouksien valaistuksessa Suomessa

Tässä työssä arvioidaan kotitalouksien energiansäästöpotentiaalia valaistuksen osalta Suomessa. Euroopan Unioni on ratifioinut päästövähennystavoitteen 20 % koskien kaikkia primäärienergiantuotantomuotoja. Päästövähennystavoite on tarkoitus toteuttaa vuoteen 2020 mennessä. Tässä kandidaatintyössä arvioidaan saavutettavissa olevaa energiansäästöpotentiaalia Suomessa kotitalouksissa laitesähkön osalta. Energiansäästöpotentiaalin arviointi perustuu hehkulampun korvaamismahdollisuuksien vertailuun. Valaistuksessa voidaan saavuttaa jopa 75 % sähkönsäästö, kun korvataan yksi 60 W hehkulamppu vastaavan valomäärän tuottavalla energiansäästölampulla. Kokonaisuudessa kotitalouksien valaistuksessa on tehostamispotentiaalia noin 60 %. Valaistuksen tehostamisella saavutetaan noin 1,5 TWh säästö Suomen kokonaissähkökulutuksessa. Saavutettavat säästöt voivat olla jopa suuremmatkin, jos käytetään lisäksi älykästä valonohjausta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että tehostamispotentiaalia on merkittävästi ja tehostaminen on yksittäiselle kotitaloudelle taloudellisesti kannattavaa. Energiansäästöpotentiaalin toteuttamisen vaikutuksia kansantalouteen ei ole arvioitu.

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.

Energiatehokkuuden parantaminen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa

Tämän diplomityön tarkoituksena on esitellä energiatehokkuutta koskevien lakien ja määräysten nykytilannetta ja selvittää niiden vaikutusta esimerkkikohteena olevan Lappeenrannan teknillisen yliopiston rakennusten energiatehokkuuteen sekä esittää keinoja, kuinka energiatehokkuutta voidaan parantaa. Energiatehokkuuden parantamiskeinojen löytämiseksi on selvitetty Lappeenrannan teknillisen yliopiston energiankäytön nykytilaa. Energiatehokkuuden parantamiseksi tehtävät toimenpiteet on jaettu potentiaalisiin ja lisäselvitystä vaativiin toimenpiteisiin seuraavalle viidelle vuodelle. Työssä esitellään esimerkkitarkasteluja mahdollisista toimenpiteistä ja arvioidaan investointeja vaativien toimenpiteiden kustannuksia, saavutettavia säästöjä ja investointien takaisinmaksuaikaa. Toimenpiteet on rajattu sellaisiin, jotka voidaan toteuttaa seuraavan viiden vuoden aikana

Kylmätilojen kuljetinkäyttöjen energiatehokkuus

We study how conveyor drives in refrigerating rooms affect total energy costs. Studied conveyor drives are different types of gear motor drives. Energy efficiencies of the conveyor drives are determined by using direct torque measurement and energy costs of the conveyor drives are approximated from these results. From the measurement results and the approximated total costs it can be seen how the energy efficiency of a conveyor drive has a considerable influence on the total costs, especially, with large operating hours. An energy efficient conveyor drive can minimize the total energy costs by reducing the energy consumption of the conveyor motor while cooling costs in refrigerated rooms are also reduced.

Phase voltage control and filtering in a converter-fed single-phase customer-end system of the LVDC distribution network

In recent years, the network vulnerability to natural hazards has been noticed. Moreover, operating on the limits of the network transmission capabilities have resulted in major outages during the past decade. One of the reasons for operating on these limits is that the network has become outdated. Therefore, new technical solutions are studied that could provide more reliable and more energy efficient power distributionand also a better profitability for the network owner. It is the development and price of power electronics that have made the DC distribution an attractive alternative again. In this doctoral thesis, one type of a low-voltage DC distribution system is investigated. Morespecifically, it is studied which current technological solutions, used at the customer-end, could provide better power quality for the customer when compared with the current system. To study the effect of a DC network on the customer-end power quality, a bipolar DC network model is derived. The model can also be used to identify the supply parameters when the V/kW ratio is approximately known. Although the model provides knowledge of the average behavior, it is shown that the instantaneous DC voltage ripple should be limited. The guidelines to choose an appropriate capacitance value for the capacitor located at the input DC terminals of the customer-end are given. Also the structure of the customer-end is considered. A comparison between the most common solutions is made based on their cost, energy efficiency, and reliability. In the comparison, special attention is paid to the passive filtering solutions since the filter is considered a crucial element when the lifetime expenses are determined. It is found out that the filter topology most commonly used today, namely the LC filter, does not provide economical advantage over the hybrid filter structure. Finally, some of the typical control system solutions are introduced and their shortcomings are presented. As a solution to the customer-end voltage regulation problem, an observer-based control scheme is proposed. It is shown how different control system structures affect the performance. The performance meeting the requirements is achieved by using only one output measurement, when operating in a rigid network. Similar performance can be achieved in a weak grid by DC voltage measurement. An additional improvement can be achieved when an adaptive gain scheduling-based control is introduced. As a conclusion, the final power quality is determined by a sum of various factors, and the thesis provides the guidelines for designing the system that improves the power quality experienced by the customer.

Pumppauksen energiansäästökartoitus teollisuuslaitoksessa

Tässä diplomityössä on suoritettu pumppauksen energiansäästökartoitus Nordkalkin Lappeenrannan teollisuuslaitoksessa. Tavoitteena on kuvata teollisuuslaitoksen nykyistä pumppauksen tarvetta sekä etsiä energiansäästökohteita. Työn valmistelussa on käytetty apuna energiankulutustiedoista koostettuja energiataseita sekä yrityksen valmistelemia pumppulistoja. Energiansäästökohteita haettaessa tässä tarkastelutyössä huomio on kohdistettu pumppujen säätötapoihin ja mahdollisuuksiin vähentää virtaamaa tai pumppujärjestelmän kokonaisnostokorkeutta. Pumppujärjestelmän toiminnan määrittämisessä on käytetty hyväksi tilavuusvirran ja sähkötehon mittauksia sekä teoreettista tarkastelua kokonaisnostokorkeuden ja pumpun toimintapisteen selvittämiseksi. Kaikkien tarkasteltavien pumppujen osalta on hyödynnetty laitevalmistajien tarjoamia tietoja. Pumppujen vuotuisen toiminnan arviointi on suoritettu tuotantotietojen sekä käyttöhenkilökunnan haastatteluilla kerätyn tiedon perusteella. Työn lopussa on esitetty tarkastelukohteiksi valittujen pumppujärjestelmien energiatehokkuuden parantamiseksi suositeltavia toimenpiteitä. Suositeltavien toimenpiteiden sisältäessä investointeja on niille laskettu nykyarvot sekä takaisinmaksuajat. Energiansäästökohteiksi valittujen pumppujärjestelmien yhteenlaskettu vuosittainen energiansäästö on 352 MWh/a (24640 €/a) investointikustannusten (hankintakustannukset) ollessa 12000 €.

Development of chemical looping combustion process

Chemical looping combustion (CLC) provides a promising technology to help cut carbon dioxide emissions. CLC is based on separated oxidation and reduction processes. Oxygen carrier, which is made from metal and supporting material, is in continuous recirculation between the air and fuel reactors. The CLC process does not require separation unit for carbon dioxide. The fuel reactor can produce an almost pure carbon dioxide feed which decrease costs of carbon capture and storage (CCS). The CLC method is one of the most promising ones for energy efficient carbon capture. A large amount of literature was examined for this study and from it the most promising methods and designs were chosen. These methods and designs were combined as reactor system design which was then sized during the making of this thesis. Sizing was done with a mathematical model that was further improved during the study.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Yliopistovalaistuksen energiatehokkuuden optimointi lamppuvalinnoilla

Tässä julkaisussa tarkastellaan valaistuksen energiatehokkuutta erityisesti lamppujen kannalta. Aluksi tutustutaan valaistukseen ja sen suunnitteluun teoriassa. Empiriaosuudessa esitellään energiatehokkaita lamppuja, joita voidaan käyttää yliopistovalaistuksessa. Lopuksi suositellaan näistä energiatehokkaimpia valaistuksen toteutukseen.