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.

Unidirectional quantum walks: Evolution and exit times

In this paper we focus our attention on a particle that follows a unidirectional quantum walk, an alternative version of the currently widespread discrete-time quantum walk on a line. Here the walker at each time step can either remain in place or move in a fixed direction, e.g., rightward or upward. While both formulations are essentially equivalent, the present approach leads us to consider discrete Fourier transforms, which eventually results in obtaining explicit expressions for the wave functions in terms of finite sums and allows the use of efficient algorithms based on the fast Fourier transform. The wave functions here obtained govern the probability of finding the particle at any given location but determine as well the exit-time probability of the walker from a fixed interval, which is also analyzed.

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.

New kernel functions and learning methods for text and data mining

Recent advances in machine learning methods enable increasingly the automatic construction of various types of computer assisted methods that have been difficult or laborious to program by human experts. The tasks for which this kind of tools are needed arise in many areas, here especially in the fields of bioinformatics and natural language processing. The machine learning methods may not work satisfactorily if they are not appropriately tailored to the task in question. However, their learning performance can often be improved by taking advantage of deeper insight of the application domain or the learning problem at hand. This thesis considers developing kernel-based learning algorithms incorporating this kind of prior knowledge of the task in question in an advantageous way. Moreover, computationally efficient algorithms for training the learning machines for specific tasks are presented. In the context of kernel-based learning methods, the incorporation of prior knowledge is often done by designing appropriate kernel functions. Another well-known way is to develop cost functions that fit to the task under consideration. For disambiguation tasks in natural language, we develop kernel functions that take account of the positional information and the mutual similarities of words. It is shown that the use of this information significantly improves the disambiguation performance of the learning machine. Further, we design a new cost function that is better suitable for the task of information retrieval and for more general ranking problems than the cost functions designed for regression and classification. We also consider other applications of the kernel-based learning algorithms such as text categorization, and pattern recognition in differential display. We develop computationally efficient algorithms for training the considered learning machines with the proposed kernel functions. We also design a fast cross-validation algorithm for regularized least-squares type of learning algorithm. Further, an efficient version of the regularized least-squares algorithm that can be used together with the new cost function for preference learning and ranking tasks is proposed. In summary, we demonstrate that the incorporation of prior knowledge is possible and beneficial, and novel advanced kernels and cost functions can be used in algorithms efficiently.

Learning Preferences with Kernel-Based Methods

Learning of preference relations has recently received significant attention in machine learning community. It is closely related to the classification and regression analysis and can be reduced to these tasks. However, preference learning involves prediction of ordering of the data points rather than prediction of a single numerical value as in case of regression or a class label as in case of classification. Therefore, studying preference relations within a separate framework facilitates not only better theoretical understanding of the problem, but also motivates development of the efficient algorithms for the task. Preference learning has many applications in domains such as information retrieval, bioinformatics, natural language processing, etc. For example, algorithms that learn to rank are frequently used in search engines for ordering documents retrieved by the query. Preference learning methods have been also applied to collaborative filtering problems for predicting individual customer choices from the vast amount of user generated feedback. In this thesis we propose several algorithms for learning preference relations. These algorithms stem from well founded and robust class of regularized least-squares methods and have many attractive computational properties. In order to improve the performance of our methods, we introduce several non-linear kernel functions. Thus, contribution of this thesis is twofold: kernel functions for structured data that are used to take advantage of various non-vectorial data representations and the preference learning algorithms that are suitable for different tasks, namely efficient learning of preference relations, learning with large amount of training data, and semi-supervised preference learning. Proposed kernel-based algorithms and kernels are applied to the parse ranking task in natural language processing, document ranking in information retrieval, and remote homology detection in bioinformatics domain. Training of kernel-based ranking algorithms can be infeasible when the size of the training set is large. This problem is addressed by proposing a preference learning algorithm whose computation complexity scales linearly with the number of training data points. We also introduce sparse approximation of the algorithm that can be efficiently trained with large amount of data. For situations when small amount of labeled data but a large amount of unlabeled data is available, we propose a co-regularized preference learning algorithm. To conclude, the methods presented in this thesis address not only the problem of the efficient training of the algorithms but also fast regularization parameter selection, multiple output prediction, and cross-validation. Furthermore, proposed algorithms lead to notably better performance in many preference learning tasks considered.

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 €.