Estudo de revestimentos ativos para o isolamento térmico de edifícios

Dissertação de mestrado em Sustentabilidade do Ambiente Construído

Solare Klimakälteerzeugung : Technologie, Erprobung und Simulation

Solar cooling, absorption chiller, latent heat storage, TRNSYS, simulation, ammonia, water

Thickening of phase change materials (PCM) to avoid segregation

Estudi elaborat a partir d’una estada a Çukurova University, Turquia, al juliol del 2006. L’emmagatzematge d’energia tèrmica ha atret interès en aplicacions tèrmiques com l’aigua calenta, la calefacció i l’aire condicionat. Aquests sistemes són útils per corregir la no coincidència entre la oferta i la demanda d’energia. Principalment hi ha dos tipus de sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica, emmagatzematge amb calor sensible i amb calor latent. L’emmagatzematge amb calor latent és particularment atractiu degut a la seva habilitat de donar una densitat d’emmagatzematge d’energia més alt i la seva característica d’emmagatzemar calor a una temperatura constant corresponent a la temperatura de transició de fase de la substància emmagatzemadora de calor. Les salts hidratades orgàniques tenen certes avantatges com a materials d’emmagatzematge de calor latent sobre els materials orgànics. En canvi, quan les salts hidratades s’utilitzen com a materials de canvi de fase (PCM) apareixen alguns problemes en les aplicacions d’emmagatzematge de calor latent. Aquests són el subrefredament de les salts hidratades quan es congelen degut a les seves dèbils propietats de nucleació, i la separació de fase que hi apareix degut a una fusió incongruent. En aquest estudi, s’estabilitza sal de Glauber (Na2SO4.10H2O) amb diferents concentracions de poliacrilamida i gelatina per prevenir la fusió incongruent. Per prevenir el subrefredament s’utilitza un agent nucleant amb una estructura cristal•lina semblant a la de la sal de Glauber. La capacitat d’emmagatzematge de calor de les mostres de PCM estabilitzades amb diferents concentracions de gels polimèrics es determinen amb DCS i amb el mètode T-history.

Generation of Simulated Daily Precipitation and Air and Soil Temperatures, January 2000

This paper describes a maximum likelihood method using historical weather data to estimate a parametric model of daily precipitation and maximum and minimum air temperatures. Parameter estimates are reported for Brookings, SD, and Boone, IA, to illustrate the procedure. The use of this parametric model to generate stochastic time series of daily weather is then summarized. A soil temperature model is described that determines daily average, maximum, and minimum soil temperatures based on air temperatures and precipitation, following a lagged process due to soil heat storage and other factors.

Kaukolämpöakun kannattavuus teollisuuden ja yhdyskunnan energian yhteistuotannossa

Työn tavoitteena oli selvittää UPM-Kymmenen Rauman voimalaitokselle soveltuvan kaukolämpöakun prosessikytkentä, optimaalinen koko ja investoinnin kannattavuus. Lisäksi ratkaistiin funktio, jolla voidaan määrittää optimaalinen kaukolämpöakun koko kaukolämpöverkon koon perusteella. Teoriaosassa käsiteltiin investointien ja lämmön varastoinnin perusteita käyttämällä hyväksi kirjallisuutta. Soveltavassa osassa tietoa kerättiin kirjallisuuden lisäksi asiantuntijoiden haastatteluilla. Teorian ja kannattavuuslaskelmien perusteella toteutettavaksi ratkaisuksi valittiin suorakytkentäinen paineistettu kaukolämpöakku. Valitun akun purkaus- ja latustehoiksi saatiin 40 MW, akun tilavuudeksi 1 700 m³, korkeudeksi 33 m ja halkaisijaksi 8 m. Investonnin sisäinen korko on 16,6 prosenttia. Kannattavuuslaskelmien ja herkkyystarkastelun perusteella investointi on kannattava. Kaukolämpöverkkoon rakennattavan akun optimaalinen koko voidaan määrittää funktiolla: y = -0,0102x² +9,6605x +68,395 , jossa y on akun tilavuus ja x verkon kaukolämpöenergian vuosittainen kulutus.

Vaasan kaukolämmön kehittämissuunnitelma

Tämän työn tarkoituksena on tarkastella tulevaisuuden kehitysnäkymien vaikutusta Vaasan kaukolämpötoimintaan. Komartekin Flowra 32 verkostolaskentaohjelman avulla tutkitaan kaukolämpöverkon siirtokykyä nykyisissä ja tulevaisuuden kuormitustilanteissa. Työn yhteydessä laaditaan kaukolämmityksen kasvuennuste seuraavalle kymmenelle vuodelle ja selvitetään mitoituslämpötilaa -29°C vastaava teho tilastollisen analyysin avulla. Lisäksi tutkitaan mahdollisia ratkaisuja huippu- ja varatehon tuottamiseksi. Tarkastelun kohteena on myös lämmön lyhytaikaisvarastoinnin kannattavuus energianhankintajärjestelmässä. Kaukolämpöverkon siirtokyky on tarkastelun perusteella kohtalaisen hyvä, mutta liittymistehojen kasvaessa paine-erot verkon häntäpäässä jäävät liian alhaisiksi. Paras ratkaisu paine-ero ongelmaan on rakentaa välipumppaamo Hovioikeudenpuistoon. Tarkastelun perusteella kaukolämmön varatehon lisätarve on kymmenen vuoden kuluttua noin 40 MW ja varatehoksi on kannattavinta rakentaa raskasta polttoöljyä käyttävä lämpökeskus. Lämmön lyhytaikaisvarastointi on nykyisillä energianhinnoilla kohtalaisen kannattavaa varsinkin, jos Kauppa- ja teollisuusministeriö myöntää hankkeelle täyden 30%:n investointiavustuksen.

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.

Kaukolämpöakun kannattavuus yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia Etelä-Savon Energialle soveltuvan kaukolämpöakun käyttömahdollisuuksia, optimaalista kokoa, sopivinta prosessikytkentää ja investoinnin kannattavuutta. Teoriaosassa käsitellään kirjallisuuden perusteella lämmönvarastoinnin teoriaa sekä investoinninkannattavuuslaskentaa. Soveltavassa osassa määritetään testivuoden sekä lyhytaikaissimuloinnin avulla yritykselle parhaiten sopiva akun tilavuus, kytkentä sekä investoinnin kannattavuus. Teorian ja kannattavuuslaskennan perusteella parhaaksi vaihtoehdoksi valittiin paineistamaton kaukolämpöakku, jonka vesitilavuus on 7 000 m3 ja lataus- ja purkuteho 30 MW. Investoinnin sisäiseksi korkokannaksi saatiin 19,6 %. Investointilaskennan ja herkkyystarkastelun perusteella kaukolämpöakku on kannattava.

Kaukolämpöverkon käytön optimointi

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää mahdollisuuksia Kotkan Energia Oy:n kaukolämpöverkon ja aivan erityisesti sen käytön kehittämiseen. Kaukolämmön optimaalinen toimittaminen on tasapainoilua kaukolämpöveden virtausten ja lämpötilojen välillä. Kaukolämpöverkon käyttöä voidaan parantaa laskemalla syötettävän kaukolämpöveden menolämpötilaa muu tuotanto ja asiakkaiden tarpeet huomioiden. Lämpötiloja laskiessa verkon oikein ajoitettu varaaminen muuttuu entistä tärkeämmäksi tekijäksi, koska sen avulla voidaan vähentää varatehon käyttöä. Alhaisempi menolämpötila laskee kaukolämpöverkon lämpöhäviöitä, mutta lisää kaukolämpöveden virtausta kuluttajien tehontarpeen pysyessä vakiona. Välipumppauksen käyttö sekä matalammat paine-erot laskevat pumppaushäviöitä, mutta työssä tehtyjen havaintojen perusteella selvästi suurin vaikutus kustannuksiin on lämpöhäviöillä. Laitoskäytöstä vastaavat operaattorit ohjaavat myös kaukolämpöverkon käyttöä, mikä tekee heidän toiminnastaan kriittisen tärkeää kaukolämpöverkon käytön optimoinnin kannalta. Kaukolämpöakku havaittiin myös kannattavaksi investoinniksi, joka samalla vähentäisi tuotannon riippuvuutta operaattorien päätöksistä.

Kaukolämpöliiketoiminnan kehittäminen Mäntsälän Sähkö osakeyhtiössä

Tämän diplomityön tarkoitus oli selvittää Mäntsälän Sähkö Oy:n kaukolämpöliiketoiminnan nykytila ja kehityskohteet. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Millaisilla toimenpiteillä varmistetaan kaukolämpöliiketoiminnan kannattavuus tulevaisuudessa? ja 2) Millaisia mahdollisuuksia älykäs kaukolämpö tuo kaukolämpöliiketoiminnalle? Tutkimus suoritettiin perehtymällä aiheen kirjallisuuteen ja uutisiin. Takaisinmaksuajan menetelmällä arvioitiin maakaasun korvaamisen kannattavuutta. Työn tuloksena voitiin todeta, että kaukolämmön hinnoittelua kannattaa kehittää kustannusvastaavampaan suuntaan. Nykyinen kaukolämmön energiankulutukseen painottuva hinnoittelu ei sovi uusille rakennuksille, jotka kuluttavat vähän energiaa. Yleistyvät hybridilämmitysjärjestelmät on otettava huomioon hinnoittelussa. Kaukolämmön kausihinnoittelu toisi etuja asiakkaalle, kaukolämpöyhtiölle sekä ympäristölle. Kaukolämmön kulutuksen tuntimittaus mahdollistaisi siirtymisen kaukolämpötehoon perustuvaan hinnoitteluun. Kaukolämmön hinta on ollut Mäntsälän Sähkö Oy:llä suhteellisen korkea. Korkea hinta johtuu enimmäkseen maakaasulla tuotetun kaukolämmön korkeista tuotantokustannuksista. Kaukolämmön tuotantoa voidaan kehittää kannattavammaksi, vaikka lämmöntalteenottolaitoksen oletettu lämmöntuotanto kattaa Mäntsälän lämmöntarpeesta noin puolet ja vähentää tuotantokustannuksia. Nykyisten maakaasukattiloiden käyttäminen pelletin pölypolttoon olisi teknisten muutoksien avulla mahdollista. Pölypolton kannattavuus riippuu erityisesti puupelletin ja maakaasun hintaerosta. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä voisi automaattisesti tasoittaa kaukolämmön kysyntää yhdessä lämpövaraston kanssa. Tällöin huippulämpölaitosten käyttö vähentyisi ja lämmöntuotannon kustannukset pienentyisivät. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä ja kaukolämpötehon tuntimittaus mahdollistaisivat myös kaksisuuntaisen kaukolämpökaupan.

The effects of thermal stress on glucoregulation during exercise in participants with Type 1 Diabetes Mellitus

Type 1 Diabetes Mellitus (T1DM) is an autoimmune disease that destroys pancreatic beta cells, affecting glucose homeostasis. In T1DM, glucoregulation and carbohydrate oxidation may be altered in different ambient temperatures; however, current literature has yet to explore these mechanisms. This study examines the effects of 30 minutes of exercise at 65% VO2max in 5ºC, 20ºC and 35ºC in individuals with T1DM. No significant differences were observed for blood glucose across the 3 conditions (p = 0.442), but significance was found for core temperature, heat storage, and sweat rate (p < 0.01). Blood glucose was also shown to vary greatly between individuals among conditions. The mechanisms behind the differences in blood glucose may be due to the lack of significant glucagon production among conditions. These findings suggest that T1DM individuals may exercise submaximally for 30 minutes in different ambient temperatures without significant differences in glucoregulation.

Implementation of a new urban energy budget scheme into MetUM. Part II: Validation against observations and model intercomparison

In the first part of this article, we introduced a new urban surface scheme, the Met Office – Reading Urban Surface Exchange Scheme (MORUSES), into the Met Office Unified Model (MetUM) and compared its impact on the surface fluxes with respect to the current urban scheme. In this second part, we aim to analyze further the reasons behind the differences. This analysis is conducted by a comparison of the performance of the two schemes against observations and against a third model, the Single Column Reading Urban model (SCRUM). The key differences between the three models lie in how each model incorporates the heat stored in the urban fabric and how the surface-energy balance is coupled to the underlying substrate. The comparison of the models with observations from Mexico City reveals that the performance of MORUSES is improved if roof insulation is included by minimizing the roof thickness. A comparison of MORUSES and SCRUM reveals that, once insulation is included within MORUSES, these two models perform equally well against the observations overall, but that there are differences in the details of the simulations at the roof and canyon level. These differences are attributed to the different representations of the heat-storage term, specifically differences in the dominant frequencies captured by the urban canopy and substrate, between the models. These results strongly suggest a need for an urban model intercomparison exercise. Copyright © 2010 Royal Meteorological Society and Crown Copyright

Nocturnal cooling below a forest canopy: Model and evaluation

Nocturnal cooling of air within a forest canopy and the resulting temperature profile may drive local thermally driven motions, such as drainage flows, which are believed to impact measurements of ecosystem–atmosphere exchange. To model such flows, it is necessary to accurately predict the rate of cooling. Cooling occurs primarily due to radiative heat loss. However, much of the radiative loss occurs at the surface of canopy elements (leaves, branches, and boles of trees), while radiative divergence in the canopy air space is small due to high transmissivity of air. Furthermore, sensible heat exchange between the canopy elements and the air space is slow relative to radiative fluxes. Therefore, canopy elements initially cool much more quickly than the canopy air space after the switch from radiative gain during the day to radiative loss during the night. Thus in modeling air cooling within a canopy, it is not appropriate to neglect the storage change of heat in the canopy elements or even to assume equal rates of cooling of the canopy air and canopy elements. Here a simple parameterization of radiatively driven cooling of air within the canopy is presented, which accounts implicitly for radiative cooling of the canopy volume, heat storage in the canopy elements, and heat transfer between the canopy elements and the air. Simulations using this parameterization are compared to temperature data from the Morgan–Monroe State Forest (IN, USA) FLUXNET site. While the model does not perfectly reproduce the measured rates of cooling, particularly near the top of the canopy, the simulated cooling rates are of the correct order of magnitude.

Recovery mechanisms of Arctic summer sea ice

We examine the recovery of Arctic sea ice from prescribed ice-free summer conditions in simulations of 21st century climate in an atmosphere–ocean general circulation model. We find that ice extent recovers typically within two years. The excess oceanic heat that had built up during the ice-free summer is rapidly returned to the atmosphere during the following autumn and winter, and then leaves the Arctic partly through increased longwave emission at the top of the atmosphere and partly through reduced atmospheric heat advection from lower latitudes. Oceanic heat transport does not contribute significantly to the loss of the excess heat. Our results suggest that anomalous loss of Arctic sea ice during a single summer is reversible, as the ice–albedo feedback is alleviated by large-scale recovery mechanisms. Hence, hysteretic threshold behavior (or a “tipping point”) is unlikely to occur during the decline of Arctic summer sea-ice cover in the 21st century.

Can polar lows be objectively identified and tracked in the ECMWF operational analysis and the ERA-Interim reanalysis?

Polar lows are maritime meso-cyclones associated with intense surface wind speeds and oceanic heat fluxes at high latitudes. The ability of the ERA-Interim (ERAI) reanalysis to represent polar lows in the North Atlantic is assessed by comparing ERAI and the ECMWF operational analysis for the period 2008-2011. First, the representation of a set of satellite observed polar lows over the Norwegian and Barents Seas in the operational analysis and ERAI is analysed. Then, the possibility of directly identifying and tracking the polar lows in the operational analysis and ERAI is explored using a tracking algorithm based on 850 hPa vorticity with objective identification criteria on cyclone dynamical intensity and atmospheric static stability. All but one of the satellite observed polar lows with a lifetime of at least 6 hours have an 850 hPa vorticity signature of a co-located mesocyclone in both the operational analysis and ERAI for most of their life cycles. However, the operational analysis has vorticity structures that better resemble the observed cloud patterns and stronger surface wind speed intensities compared to those in ERAI. By applying the objective identification criteria, about 55% of the satellite observed polar lows are identified and tracked in ERAI, while this fraction increases to about 70% in the operational analysis. Particularly in ERAI, the remaining observed polar lows are mainly not identified because they have too weak wind speed and vorticity intensity compared to the tested criteria. The implications of the tendency of ERAI to underestimate the polar low dynamical intensity for future studies of polar lows is discussed.