Aurinkoenergian hyödyntäminen olemassa olevassa pientalossa

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia aurinkoenergian hyödyntämistä olemassa olevassa pientalossa. Työssä tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen kannattavuutta vaihtoehtoisten lämmitysjärjestelmien osana sekä aurinkosähkön tuotantoa rakennuksen sähköenergian kulutukseen. Lisäksi tarkastellaan, missä määrin aurinkoenergian käyttö vähentää rakennuksen hiilidioksidipäästöjä. Suomi on asettanut itselleen kunnianhimoisen tavoitteen pienentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta vuoteen 2050 mennessä. Olemme myös sitoutuneet EU:n uusiutuvan energiankäytön lisäämistavoitteisiin. Normiohjauksen avulla voidaan huolehtia uudisrakennustuotannon energiatehokkuudesta, mutta olemassa olevaan rakennuskantaan on löydettävä muita kustannustehokkaita keinoja vähentää ostoenergian kulutusta ja lisätä uudistuvan energian osuutta energiankulutuksesta. Suomalaiselle asuntorakennuskannalle on tyypillistä pientalovaltaisuus sekä asuntokannan hidas uusiutuvuus. Tämä osaltaan lisää haastetta kansallisten sekä kansainvälisten tavoitteiden saavuttamisessa. Aurinkoenergian hyödyntämisen kannattavuutta tarkastellaan aurinkoenergiahankkeen rajakustannuksen avulla. Laitteen tekninen käyttöikä ja ostoenergian hintakehitys ovat arvioituja. Näin tarkastellen öljylämmitys ja suora sähkölämmitys saavat suurimman hyödyn aurinkoenergiasta, kun sillä tuotetaan lämmintä käyttövettä.

Prosessihöyryn tuotannon kustannusoptimointi

Tässä työssä on tutkittu prosessihöyryn tuotantokustannusten optimointia Neste Oil Oy:n Naantalin jalostamolla. Työssä on keskitytty ennen kaikkea prosessi-höyryn tuotantoon öljynjalostamolla. Tavoitteena oli luoda yksinkertainen työkalu, jonka avulla voidaan vertailla höyryntuotantokustannuksia jalostamon tuotan-toyksiköissä. Samalla oli tarkoituksena kartoittaa höyryn tuotantomahdollisuudet yksiköissä. Työn tuloksena tehty Excel-pohjainen laskentataulukko on esitelty tässä työssä. Ohjelman tarkkuutta on mahdollista parantaa prosessikoeajojen avul-la. Jo nykyisellä laskentatarkkuudella ohjelma täyttää kuitenkin asetetut tavoitteet eli antaa mahdollisuuden vertailla helposti ja havainnollisesti tuotantokustannuksia yksiköiden välillä. Oman höyryntuotannon lisäksi Naantalin jalostamo ostaa höyryä viereiseltä Fortumin Naantalin voimalaitokselta. Ostohöyryn hinta on las-kettu työkalussa mukaan vertailuun. Työn perusteella ostohöyry on Naantalin ja-lostamon tapauksessa selkeästi omatuotantoa edullisempi vaihtoehto. Ero kustan-nuksissa syntyy käytettävästä polttoaineesta, joka jalostamon tapauksessa on ja-lostamo- eli polttokaasu. Nykyisen tasoisella raakaöljyn hinnalla tilanne säilynee tällaisena tulevaisuudessakin. Jalostamolta löytyi myös kohteita, joissa energiatehokkuutta on mahdollista kehit-tää nykyisen höyryverkon ulkopuolella. Esimerkkeinä tällaisista kohteista tässä työssä on tarkasteltu toisen jätelämpökattilan rakentamista nykyisen toiminnassa olevan rinnalle, sekä höyryturbiinien asentamista paineenalennuslinjoihin. Näistä hankkeista jätelämpökattila osoittautui erittäin suositeltavaksi investoinniksi.

Helsingin kaupungin tilakeskuksen kiinteistökannan energiatehokkuusnäkökohtien toteutumisen kehittäminen investointihankkeissa

Työssä tutkitaan Helsingin kaupungin tilakeskuksen kiinteistöjen energiatehokkuusnäkö-kohtien toteutumista ja niiden kehittämistä. Työn tavoite on tunnistaa kiinteistöjen energia-tehokkuuskriteeristö, jonka avulla energiatehokkuus voidaan ottaa järjestelmällisesti ja yh-denmukaisesti huomioon tilakeskuksen investointihankkeissa. Kriteerit tunnistetaan tila-keskuksen henkilöstön ja yhteistyökumppaneiden haastattelujen sekä lähdekirjallisuuden avulla. Tutkimus osoittaa, että kriteeristössä on huomioitava myös hankkeiden vastuurajat, sillä hiljattain tehdyn organisaatiomuutoksen vuoksi vastuurajoissa on epäselvyyttä, mikä vai-kuttaa haitallisesti tilakeskuksen toiminnan ja etenkin energiatehokkuuden kehittämiseen. Työssä esiteltyä kriteeristöä täytyy pyrkiä käyttämään tilakeskuksen hankkeiden osana jat-kossa. Työssä esitetään tilakeskuksen kannalta merkittävät kriteerit.

Sähköajoneuvon sähkökäytön ja mekaniikan reaaliaikaisen yhdistelmäsimulaation toteuttaminen virtuaaliympäristössä

Esitetyn tutkimuksen tavoite on selvittää yksinkertaisen sähköajoneuvosimulaation avulla sähkökäyttösimulaation ja mekaniikkasimulaation välisen ohjelmallisen rajapinnan toimivuutta ja samalla toteuttaa LUT Energian hybridilaboratorion ensimmäinen rajapintaa hyödyntävä sähkökäytön ja mekaniikan yhdistelmäsimulaatio. Tutkimus on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston hybridikäyttötutkimusta, jossa muun muassa virtuaalisimuloinnin ja in-loop –simulaatioiden avulla tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisoinnin vaikutuksia esimerkiksi niiden suorituskykyyn, energiatehokkuuteen ja käytettävyyteen. Tulokset osoittavat mainitun rajapinnan toimivuuden, mikä mahdollistaa tutkimuksen etenemisen. Lisäksi raportti selvittää virtuaalisimuloinnin keskeisiä käsitteitä (virtual prototyping, hardware-in-the-loop sekä human-in-the-loop –simulointi).

Energiatehokkuuden parantaminen Lappeenrannan seudun opiskelija-asuntosäätiön rakennuksissa

Jatkuvasti nouseva energian hinta ja kiristyneet energiatehokkuusmääräykset asettavat opiskelijoille vuokra-asuntoja tuottaville palveluntarjoajille uusia haasteita. Opiskelijoiden tulotaso ei seuraa energian nopeaa hinnannousua ja jotta pystytään säilyttämään opiskelija-asuntojen hinta riittävän alhaisena, on kiinnitettävä enemmän huomiota energiankulutukseen. Tämä diplomityö antaa vahvan alkusysäyksen Lappeenrannan seudun opiskelija-asuntosäätiön (LOAS) energiate-hokkuustyölle ja tavoitteena on tehdä tehokkaasta energiankäytöstä jatkuvaa joka-päiväistä toimintaa. Energiatehokkuustyöhön ryhdyttiin tutustumalla valittujen vertailuyhteisöjen energiatehokkuustoimintaan ja energiatehokkuuteen Suomen rakennuskannassa. Tilastollisesta tarkastelusta siirryttiin tutkimaan LOAS:n kiinteistökannan nykytilaa asuinrakennuksille suunnitellun energiakatselmusmallin avulla. Tehtyjen ha-vaintojen pohjalta toteutettiin erilaisten energiansäästötoimenpiteiden vaikutta-vuuskokeiluja yksittäisissä asuntokohteissa. Saatujen tulosten pohjalta määriteltiin toimenpiteet energiatehokkuustoiminnan jatkamiselle ja parhaiden toimenpiteiden laajentamisesta koskemaan koko LOAS:n rakennuskantaa. Työssä luotiin suositukset myös LOAS:n tuleville laajemmille asuntokohteiden perusparannuksille, joilla energiatehokkuuden tasoa saadaan taloudellisesti kannattavalla tavalla merkittävästi parannettua. Työn kuluessa saatiin aikaiseksi energiatehokkuuden parantamisen kannalta merkittäviä tuloksia. Tehtyjen toimenpiteiden kokonaisvaltaisen käyttöönoton jälkeen LOAS:n energiatehokkuus on valtakunnallista huipputasoa opiskelija-asumista tarjoavien yhteisöjen vuosittaisessa vertailussa.

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Spectral Radiative Properties of Combustion Gases in Oxy/Air-Fired Combustion Systems

Energy efficiency is one of the major objectives which should be achieved in order to implement the limited energy resources of the world in a sustainable way. Since radiative heat transfer is the dominant heat transfer mechanism in most of fossil fuel combustion systems, more accurate insight and models may cause improvement in the energy efficiency of the new designed combustion systems. The radiative properties of combustion gases are highly wavelength dependent. Better models for calculating the radiative properties of combustion gases are highly required in the modeling of large scale industrial combustion systems. With detailed knowledge of spectral radiative properties of gases, the modeling of combustion processes in the different applications can be more accurate. In order to propose a new method for effective non gray modeling of radiative heat transfer in combustion systems, different models for the spectral properties of gases including SNBM, EWBM, and WSGGM have been studied in this research. Using this detailed analysis of different approaches, the thesis presents new methods for gray and non gray radiative heat transfer modeling in homogeneous and inhomogeneous H2O–CO2 mixtures at atmospheric pressure. The proposed method is able to support the modeling of a wide range of combustion systems including the oxy-fired combustion scenario. The new methods are based on implementing some pre-obtained correlations for the total emissivity and band absorption coefficient of H2O–CO2 mixtures in different temperatures, gas compositions, and optical path lengths. They can be easily used within any commercial CFD software for radiative heat transfer modeling resulting in more accurate, simple, and fast calculations. The new methods were successfully used in CFD modeling by applying them to industrial scale backpass channel under oxy-fired conditions. The developed approaches are more accurate compared with other methods; moreover, they can provide complete explanation and detailed analysis of the radiation heat transfer in different systems under different combustion conditions. The methods were verified by applying them to some benchmarks, and they showed a good level of accuracy and computational speed compared to other methods. Furthermore, the implementation of the suggested banded approach in CFD software is very easy and straightforward.

Pellettilämmityksen kannattavuus

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin pellettilämmityksen kannattavuutta uudisrakentamisen pientalokiinteistöissä vertailemalla sen energiatehokkuutta, hyötyjä ja haittoja, sekä taloudellista kannattavuutta verrattuna muihin uudisrakentamisessa yleisesti käytössä oleviin lämmitysmuotoihin. Työn tavoitteena on arvioida pellettilämmityksen kokonaiskustannuksia, mahdollisesti saavutettavaa säästöä suhteessa muihin lämmitysmuotoihin sekä polttoaineen hintaa ja saatavuutta. Pellettilämmitystä tarkastellaan vuoden 2012 Suomessa voimassa olevien rakennusmääräysten mukaisesti uudisrakennettavassa pientalosovelluksessa. Lämmitystapavertailusta esitetään vertailevia laskelmia ja taulukoita sekä herkkyysanalyysi, joiden avulla arvioidaan vuosittaisia kustannuksia sekä saavutettavaa säästöä eri lämmitysjärjestelmien kesken tietyn pitoajanjakson aikana.

Dynaamisen lämmönsiirtomallin kehittäminen

Dynaamisia simulointimalleja tarvitaan, jotta voidaan tarkastella järjestelmän käyttäytymistä ajan funktiona. Simulointimallilla voidaan simuloida järjestelmän lähtö erilaisilla herätteillä. Mallin avulla saadaan myös tarkempi käsitys järjestelmästä ja sen osa-alueista, koska simulointimallista voidaan tarkastella sellaisia asioita, jotka voivat olla oikeasta järjestelmästä vaikeasti mitattavia. Tässä työssä kehitetään LUT Energian hyötysuhdemittapaikan keskikokoista kalorimetriä approksimoiva dynaaminen lämmönsiirtomalli käyttäen Matlab® Simulink -ohjelmistoa. Kehitetyn lämmönsiirtomallin tarkkuutta arvioidaan todellisella järjestelmällä tehdyillä mittauksilla. Työssä käytetään karkeita approksimaatioita, jotka tulee korvata tarkemmilla matemaattisilla malleilla jatkokehitystä varten. Työssä kehitetty dynaaminen lämmönsiirtomalli approksimoi todellisen järjestelmän vastetta lämmitysvaiheessa keskimääräisenvirheen ±0,19 °C tarkkuudella.

Alueellinen energiatehokkuusmalli

Energian kulutus ja siitä aiheutuvat haittavaikutukset lisääntyvät globaalisti, minkä johdosta tarve uusille toimintamalleille ja ajatustavoille on merkittävä. Yksi mahdollisuus vastata energian kulutuksen kasvuun on lisätä energiatehokkuutta. Energiatehokkuudella voidaan vähentää energian käytöstä aiheutuvia päästöjä kustannustehokkaasti. Tässä työssä tarkastellaan energiatehokkuutta ja sen lisäämistä alueellisella tasolla. Työssä käsitellään menetelmiä ja keinoja alueellisen energiatehokkuuden lisäämiseksi esimerkiksi kaupungeissa ja yhteisöissä. Työssä esitetään alueellisen energiatehokkuuden arviointimalli, jolla voidaan määrittää alueellisen energiatehokkuuden toteutumista ja energiaratkaisujen kannattavuutta ympäristön kannalta. Malli sisältää matemaattisesti määritettäviä tunnuslukuja, jotka kuvaavat ympäristövaikutuksia. Mallia sovelletaan Lohjan alue-tarkasteluun, jossa mallin pohjalta esitetään vaihtoehtoja energiatehokkuuden lisäämiseksi. Voidaan todeta, että arviointimalli on käyttökelpoinen ja sillä voidaan havainnol-listaa alueellista energian käyttöä ja sen energiatehokkuutta. On kuitenkin huomattava, että malli huomioi lähinnä vain ympäristövaikutuksia ja sisältää virheläh-teitä johtuen esimerkiksi käytettävissä olevan tiedon määrästä.

Pumping system optimization tool

Pumping systems account for over 20 % of all electricity consumption in European industry. Optimization and correct design of such systems is important and there is a reasonable amount of unrealized energy saving potential in old pumping systems. The energy efficiency and therefore also the energy consumption of a pumping system heavily depends on the correct dimensioning and selection of devices. In this work, a graphical optimization tool for pumping systems is developed in Matlab programming language. The tool selects optimal pump, electrical motor and frequency converter for existing pumping process and calculates the life cycle costs of the whole system. The tool could be used as an aid when choosing the machinery and to analyze the energy consumption of existing systems. Results given by the tool are compared to the results of laboratory tests. The selection of pump and motor works reasonably well, but the frequency converter selection still needs development

Barriers of ESCO Service Business in Finland

The purpose of this study is to determine what are the key barriers hampering ESCO service business success in Finland. Research approach for this study is qualitative. Data was collected using Delphi method with two questionnaire rounds. Internet based tool was applied in carrying out questionnaires. Respondents of the questionnaires were ESCO service experts and researchers, and people working for ESCO service providers. Characteristics of ESCO service and ESCO project implementation are analyzed by using transaction costs theory of service business. In terms of ESCO service in Finland, uncertainty and asset specificity are relevant dimensions of TCE. General uncertainty in world’s economy hinders demand for ESCO service, and asset specificity of ESCO contracts induces slight problems for project financiers. Also bounded rationalism and opportunism are present in Finnish ESCO business. The most significant barriers of success of ESCO service in Finland are problems in legislative and political frameworks, and in customers’ investment processes. ESCO service providers should move more strongly towards service dominant business logic and improve understanding of customer needs. Political barriers are unsuitable procurement processes, unclear and unpredictable laws, and lack of compelling factors in subsidy system. Investment process hurdles are caused by customers’ lack of interest to change course of action. These are things in which ESCOs can have influence in.

Energiatehokkuusliiketoiminnan syntyminen ja sen kehittäminen sähköyhtiössä – Case Yritys X

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten energia-alan toimialamuutos on vaikuttanut energiatehokkuusliiketoiminnan syntymiseen, mitä eri maiden energiayhtiöiden energiatehokkuusliiketoimintaan sisältyy ja onko energiatehokkuustuotteiden ja -palveluiden myynnissä maidenvälisiä eroja. Lisäksi tutkimuksessa pyritään selvittämään, onko ulkomaiden tuote- ja palvelukonsepteissa sellaisia eroavaisuuksia, joita voitaisiin käyttää case-yrityksen liiketoiminnassa hyödyksi. Tutkimuksessa kuvaillaan ilmiötä, jossa toimialamuutos on saanut energiayhtiöt kehittämään uuden energiatehokkuustuotteiden liiketoiminnan. Työssä selvitetään, onko energiatehokkuustuotteiden ala samanlainen Suomessa kuin ulkomaillakin ja löytyykö eri maista erilaisia käytäntöjä sekä tuote- ja palvelukonsepteja, joita Yritys X voisi tutkia ja aloittaa tuotteistamaan omaa tuotevalikoimaansa varten.

Tooth-Coil Permanent Magnet Synchronous Machine Design for Special Applications

This doctoral thesis presents a study on the design of tooth-coil permanent magnet synchronous machines. The electromagnetic properties of concentrated non-overlapping winding permanent magnet synchronous machines, or simply tooth-coil permanent magnet synchronous machines (TC-PMSMs), are studied in details. It is shown that current linkage harmonics play the deterministic role in the behavior of this type of machines. Important contributions are presented as regards of calculation of parameters of TC-PMSMs,particularly the estimation of inductances. The current linkage harmonics essentially define the air-gap harmonic leakage inductance, rotor losses and localized temporal inductance variation. It is proven by FEM analysis that inductance variation caused by the local temporal harmonic saturation results in considerable torque ripple, and can influence on sensorless control capabilities. Example case studies an integrated application of TC-IPMSMs in hybrid off-highway working vehicles. A methodology for increasing the efficiency of working vehicles is introduced. It comprises several approaches – hybridization, working operations optimization, component optimization and integration. As a result of component optimization and integration, a novel integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) for off-highway working vehicles is designed. The IEHEC can considerably increase the operational efficiency of a hybrid working vehicle. The energy converter consists of an axial-piston hydraulic machine and an integrated TCIPMSM being built on the same shaft. The compact assembly of the electrical and hydraulic machines enhances the ability to find applications for such a device in the mobile environment of working vehicles.Usage of hydraulic fluid, typically used in working actuators, enables direct-immersion oil cooling of designed electrical machine, and further increases the torque- and power- densities of the whole device.

Käyttövesivaraajan ekosuunnitteluvaatimusten merkityksen arvioiminen rakennusten energianhallinnassa

Työn lähtökohtana ovat veden lämmittimiä koskeva ekosuunnittelulainsäädäntö ja sen vaatiman testausjärjestelmän laatiminen. Työn tavoitteena on arvioida ekosuunnittelulainsäädännön vaikutusta varaajan toimintaan osana rakennusten energianhallintaa. Työssä laaditaan käyttövesivaraajalle tuoteryhmäkohtaisen ekosuunnittelulainsäädännön mukainen mittausjärjestelmä energiatehokkuuden, lämpimän veden saannon, vuosittaisen sähkönkulutuksen sekä energiamerkinnän määrittämiseksi. Lisäksi tarkastellaan ekosuunnittelulainsäädännön tarkoituksenmukaisuutta, selvitetään varaajan toimintaperiaatteet sekä keinoja käyttöveden tarvitseman energian vähentämiseksi. Testattu käyttövesivaraaja täyttää ekosuunnitteluvaatimukset. Lämmitysenergian vähentäminen käyttövesivaraajan toimintaa tehostamalla on kuitenkin vaikeaa. Hybridijärjestelmien hyödyntäminen sähkölämmityksen ohella muita energianlähteitä ja esim. käyttöveden lämmöntalteenottoa käyttäen on toimivin keino vähentää käyttöveden energiankulutusta sekä parantaa varaajan energiatehokkuutta. Lämpimän käyttöveden energiankulutuksen osuus rakennuksen energiankulutuksesta kasvaa lainsäädännön pakottamana rakennusten kokonaisenergiankäytön vähentyessä. Ekosuunnittelulainsäädännön suora merkitys rakennusten energianhallintaan on Suomessa vähäistä nykyisen energiatehokkuustason ollessa suhteellisen korkea, jolloin käyttöveden tarvitseman energian vähentämiskeinoina on hyödynnettävä vaihtoehtoisia ratkaisuja.

Talousveden tuotannon ja jakelun tietohuollon kehittäminen julkisomisteisessa vesilaitoksessa

Vesilaitokset kuluttavat merkittäviä määriä energiaa, johon on alettu kiinnittää huomiota viime vuosina. Energiatehokkuuden edistämisen hidasteeksi on noussut puutteellinen tietohuolto sekä vesilaitosten yhteisten tunnuslukujen ja kriteerien puuttuminen. Diplomityön tavoitteena on selvittää tietohuollon ongelmia Tampereen Vedellä. Työn tavoitteena on myös tutkia veden tuotannon ja jakelun energiatehokkaiden ohjaustapojen löytämistä tietohuollon ja tunnuslukujen avulla. Työssä käytetyt metodologiat ovat Tampereen Veden työntekijöiden haastattelut, prototyypin analysointi sekä vedenottamoiden ominaisenergiaan liittyvien mittauspisteiden läpikäynti. Diplomityön tuloksena saatiin laaja kuva Tampereen Veden tietohuoltoon liittyvistä ongelmista. Merkittävimmät tietohuollon haasteet liittyvät työntekijöihin, järjestelmiin sekä mittauspisteiden puuttumiseen. Mittauspisteet ja niiden tallentuminen ovat edellytys tunnuslukujen luomiselle. Tunnuslukuja voidaan hyödyntää energiatehokkaiden ohjaustapojen löytämiseksi, mutta vesilaitosten yhteiset kriteerit tunnusluvuille puuttuvat. Energiatehokkuustunnuslukuja on tarve tutkia lisää ja kehittää yhteistyötä vesilaitosten välillä tunnuslukujen luomiseksi sekä vertailutietojen saamiseksi.