Kaksivaiheisen lämmöntalteenottoprosessin soveltuvuus poistoilmanvaihtoiseen kerrostaloon

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella perinteistä poistoilmanvaihtoa käyttävän kerrostalon lämmöntalteenottoa menetelmällä, joka yhdistää poistoilmalämpöpumpun ja maalämpöpumpun toiminnat. Nostamalla maalämpöpumpulle tulevan veden lämpötilaa saadaan nostettua järjestelmän COP-arvoa, jolla on suuri merkitys laitteen energiateknisen toiminnan kannalta. Laskelmat tehtiin Suomen rakennusmääräyskokoelman ohjeiden mukaisesti käyttämällä MX6- energiaohjelmaa sekä simuloimalla kylmäprosessia. Tulokset yhdistettiin taulukkolaskentaohjelmassa, ja näin saatiin teoreettinen säästölaskelma, joka perustuu arvioituun kuukausittaiseen energian keskikulutukseen, ts. taseeseen. Työssä todettiin, että poistoilmalämpöpumppu saattaisi kuluttaa poistoilman lämmöntalteenotossa liikaa sähköä, työssä tarkoitetulla tavalla. Kulutus olisi enemmän kuin maalämpöpumpun COP-arvon parantamisella saatava rahallinen hyöty. Koneellisen poistoilman välittämän energian tehokas käyttö on kuitenkin yksi mahdollisuus säästää maalämpöreikien poraamisessa, jos kerrostalossa harkittaisiin kokonaan maalämpöön siirtymistä.

Viilun kuivauksen energiatehokkuuden parantaminen

Tämän työn tavoitteena on parantaa viilun kuivauksen energiatehokkuutta. Työssä käsitellään puun rakennetta kuivauksen kannalta, kuivumiseen liittyviä lämmönja massansiirron ilmiöitä ja nykyisiä viilun kuivaus koneita. Viilun kuivaamisen energiansäästö mahdollisuuksissa keskitytään pääasiassa kuivaajan lämmön talteenottoon ja kiertopuhaltimien sähkötehon pienentämiseen. Työn tulosten perusteella viilun kuivauksen energiatehokkuutta voidaan parantaa huomattavasti.

Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Foreign Direct Investment, Clean Development Mechanism, and Environmental Management: A case of Sub-Saharan Africa

This doctoral dissertation explores the contribution of environmental management practices, the so-called clean development mechanism (CDM) projects, and foreign direct investment (FDI) in achieving sustainable development in developing countries, particularly in Sub- Saharan Africa. Because the climate change caused by greenhouse gas emissions is one of the most serious global environmental challenges, the main focus is on the causal links between carbon dioxide (CO2) emissions, energy consumption, and economic development in Sub-Saharan Africa. In addition, the dissertation investigates the factors that have affected the distribution of CDM projects in developing countries and the relationships between FDI and other macroeconomic variables of interest. The main contribution of the dissertation is empirical. One of the publications uses crosssectional data and Tobit and Poisson regressions. Three of the studies use time-series data and vector autoregressive and vector error correction models, while two publications use panel data and panel data estimation methods. One of the publications uses thus both timeseries and panel data. The concept of Granger causality is utilized in four of the publications. The results indicate that there are significant differences in the Granger causality relationships between CO2 emissions, energy consumption, economic growth, and FDI in different countries. It appears also that the causality relationships change over time. Furthermore, the results support the environmental Kuznets curve hypothesis but only for some of the countries. As to CDM activities, past emission levels, institutional quality, and the size of the host country appear to be among the significant determinants of the distribution of CDM projects. FDI and exports are also found to be significant determinants of economic growth.

Sähkön laadun tutkimus hypermarketin pysäköintihallin valaistustekniikkamuutoksessa

Talotekniikan alalla valaistusmuutoksissa LED-valaistus on nykypäivää. Valaistuksen käyttöominaisuudet ja hyödyt tekevät siitä perustellun valinnan myös suurissa kohteissa. Näistä laajemmista valaistuksen muutoksista ja niiden vaikutuksista sähkön laatuun ei ole yleisesti mittaustietoa. Tämä tutkimus perustui sähkön laadun käytännön mittauksiin valaistusmuutoksessa, jossa elohopeahöyrylampuilla toteutettu valaistus vaihdettiin LED-valaistukseen hypermarketin pysäköintihallissa. Valaistusjärjestelmän muutoksen vaikutusta sähkön laatuun tutkittiin vertailemalla mittaustuloksia vanhan ja uuden järjestelmän välillä. Tutkimuksen tarkoituksena oli osoittaa miten LED-valaistukseen siirtyminen vaikuttaa sähkön laatuun valitussa tutkimuskohteessa. Tutkimuksessa tuotettu tieto on hyödynnettävissä vastaavissa kohteissa LED-valaistukseen siirryttäessä sekä valaistuksen käyttöönoton suunnittelussa ja toteuttamisessa. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää myös kustannusten arvioimisessa valaistavan tilan sähkönkulutuksen osalta. Tutkimus toteutettiin käyttämällä triangulaatiomenetelmää eli teemahaastattelulla, kirjallisuuskatsauksella ja käytännön mittauksilla. Näiden menetelmien tulokset tukivat tutkimukselle asetettuja hypoteeseja. Valitulla tutkimusmenetelmällä saatiin selville, että LED-valaistukseen siirtymisellä ei ollut heikentäviä vaikutuksia sähkön laatuun tutkitun kohteen valaistusjärjestelmässä. Toisaalta positiivisina vaikutuksina huomioitiin muun muassa merkittävä energian säästö, virran harmonisten häiriöiden väheneminen sekä kokonaistehokertoimen parantuminen.

Cost Reduction of Permanent Magnet Synchronous Machines

Electrical machine drives are the most electrical energy-consuming systems worldwide. The largest proportion of drives is found in industrial applications. There are, however many other applications that are also based on the use of electrical machines, because they have a relatively high efficiency, a low noise level, and do not produce local pollution. Electrical machines can be classified into several categories. One of the most commonly used electrical machine types (especially in the industry) is induction motors, also known as asynchronous machines. They have a mature production process and a robust rotor construction. However, in the world pursuing higher energy efficiency with reasonable investments not every application receives the advantage of using this type of motor drives. The main drawback of induction motors is the fact that they need slipcaused and thus loss-generating current in the rotor, and additional stator current for magnetic field production along with the torque-producing current. This can reduce the electric motor drive efficiency, especially in low-speed, low-power applications. Often, when high torque density is required together with low losses, it is desirable to apply permanent magnet technology, because in this case there is no need to use current to produce the basic excitation of the machine. This promotes the effectiveness of copper use in the stator, and further, there is no rotor current in these machines. Again, if permanent magnets with a high remanent flux density are used, the air gap flux density can be higher than in conventional induction motors. These advantages have raised the popularity of PMSMs in some challenging applications, such as hybrid electric vehicles (HEV), wind turbines, and home appliances. Usually, a correctly designed PMSM has a higher efficiency and consequently lower losses than its induction machine counterparts. Therefore, the use of these electrical machines reduces the energy consumption of the whole system to some extent, which can provide good motivation to apply permanent magnet technology to electrical machines. However, the cost of high performance rare earth permanent magnets in these machines may not be affordable in many industrial applications, because the tight competition between the manufacturers dictates the rules of low-cost and highly robust solutions, where asynchronous machines seem to be more feasible at the moment. Two main electromagnetic components of an electrical machine are the stator and the rotor. In the case of a conventional radial flux PMSM, the stator contains magnetic circuit lamination and stator winding, and the rotor consists of rotor steel (laminated or solid) and permanent magnets. The lamination itself does not significantly influence the total cost of the machine, even though it can considerably increase the construction complexity, as it requires a special assembly arrangement. However, thin metal sheet processing methods are very effective and economically feasible. Therefore, the cost of the machine is mainly affected by the stator winding and the permanent magnets. The work proposed in this doctoral dissertation comprises a description and analysis of two approaches of PMSM cost reduction: one on the rotor side and the other on the stator side. The first approach on the rotor side includes the use of low-cost and abundant ferrite magnets together with a tooth-coil winding topology and an outer rotor construction. The second approach on the stator side exploits the use of a modular stator structure instead of a monolithic one. PMSMs with the proposed structures were thoroughly analysed by finite element method based tools (FEM). It was found out that by implementing the described principles, some favourable characteristics of the machine (mainly concerning the machine size) will inevitable be compromised. However, the main target of the proposed approaches is not to compete with conventional rare earth PMSMs, but to reduce the price at which they can be implemented in industrial applications, keeping their dimensions at the same level or lower than those of a typical electrical machine used in the industry at the moment. The measurement results of the prototypes show that the main performance characteristics of these machines are at an acceptable level. It is shown that with certain specific actions it is possible to achieve a desirable efficiency level of the machine with the proposed cost reduction methods.

Analysis of heart rate control to assess thermal sensitivity responses in Brazilian toads

In anurans, changes in ambient temperature influence body temperature and, therefore, energy consumption. These changes ultimately affect energy supply and, consequently, heart rate (HR). Typically, anurans living in different thermal environments have different thermal sensitivities, and these cannot be distinguished by changes in HR. We hypothesized that Rhinella jimi (a toad from a xeric environment that lives in a wide range of temperatures) would have a lower thermal sensitivity regarding cardiac control than R. icterica (originally from a tropical forest environment with a more restricted range of ambient temperatures). Thermal sensitivity was assessed by comparing animals housed at 15° and 25°C. Cardiac control was estimated by heart rate variability (HRV) and heart rate complexity (HRC). Differences in HRV between the two temperatures were not significant (P=0.214 for R. icterica and P=0.328 for R. jimi), whereas HRC differences were. All specimens but one R. jimi had a lower HRC at 15°C (all P<0.01). These results indicate that R. jimi has a lower thermal sensitivity and that cardiac control is not completely dependent on the thermal environment because HRC was not consistently different between temperatures in all R. jimi specimens. This result indicates a lack of evolutive trade-offs among temperatures given that heart rate control at 25°C is potentially not a constraint to heart rate control at 15°C.

SEPARATION OF SATURED AND UNSATURATED FATTY ACIDS FROM PALM FATTY ACIDS DISTILLATES IN CONTINUOUS MULTISTAGE COUNTERCURRENT COLUMNS WITH SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE AS SOLVENT: A PROCESS DESIGN METHODOLOGY

In this work the separation of multicomponent mixtures in counter-current columns with supercritical carbon dioxide has been investigated using a process design methodology. First the separation task must be defined, then phase equilibria experiments are carried out, and the data obtained are correlated with thermodynamic models or empirical functions. Mutual solubilities, Ki-values, and separation factors aij are determined. Based on this data possible operating conditions for further extraction experiments can be determined. Separation analysis using graphical methods are performed to optimize the process parameters. Hydrodynamic experiments are carried out to determine the flow capacity diagram. Extraction experiments in laboratory scale are planned and carried out in order to determine HETP values, to validate the simulation results, and to provide new materials for additional phase equilibria experiments, needed to determine the dependence of separation factors on concetration. Numerical simulation of the separation process and auxiliary systems is carried out to optimize the number of stages, solvent-to-feed ratio, product purity, yield, and energy consumption. Scale-up and cost analysis close the process design. The separation of palmitic acid and (oleic+linoleic) acids from PFAD-Palm Fatty Acids Distillates was used as a case study.

Implementing Green IT approach for transferring Big Data over Parallel Data Link

The whole research of the current Master Thesis project is related to Big Data transfer over Parallel Data Link and my main objective is to assist the Saint-Petersburg National Research University ITMO research team to accomplish this project and apply Green IT methods for the data transfer system. The goal of the team is to transfer Big Data by using parallel data links with SDN Openflow approach. My task as a team member was to compare existing data transfer applications in case to verify which results the highest data transfer speed in which occasions and explain the reasons. In the context of this thesis work a comparison between 5 different utilities was done, which including Fast Data Transfer (FDT), BBCP, BBFTP, GridFTP, and FTS3. A number of scripts where developed which consist of creating random binary data to be incompressible to have fair comparison between utilities, execute the Utilities with specified parameters, create log files, results, system parameters, and plot graphs to compare the results. Transferring such an enormous variety of data can take a long time, and hence, the necessity appears to reduce the energy consumption to make them greener. In the context of Green IT approach, our team used Cloud Computing infrastructure called OpenStack. It’s more efficient to allocated specific amount of hardware resources to test different scenarios rather than using the whole resources from our testbed. Testing our implementation with OpenStack infrastructure results that the virtual channel does not consist of any traffic and we can achieve the highest possible throughput. After receiving the final results we are in place to identify which utilities produce faster data transfer in different scenarios with specific TCP parameters and we can use them in real network data links.

Benchmark of routing protocols regarding green considerations

In Mobile Ad-hoc Networks (MANET) the participating nodes have several roles such as sender, receiver and router. Hence there is a lot of energy consumed by the nodes for the normal working of the network since each node has many different roles. Also in MANET the nodes keep moving constantly and this in turn consumes a lot of energy. Since battery capacity of these nodes is limited it fails to fulfil the high demand of energy. The scarcity of energy makes the energy conservation in mobile ad-hoc networks an important concern. There is several research carried out on the energy consumption of mobile ad-hoc networks these days. Some of this research suggests sleep mode, transmission power control, load balancing etc. In this thesis, we are comparing various proposed energy efficient models for some of the ad-hoc protocols. We compare different energy efficient models for Optimised Linked State Algorithm (OLSR) and Ad-hoc On Demand Distance Vector (AODV). The routing protocols are compared for different parameters such as average remaining energy, number of nodes alive, payload data received and performance with different mobility speed. The simulation results helps in benchmarking the various energy efficient routing models for OLSR and AODV protocols. The benchmarking of the routing protocols can be based on many factors but this thesis concentrates on benchmarking the MANET routing protocols mainly based on the energy efficiency and increased network lifetime.

Load balancing in P2P smartphone based distributed IoT systems

With the new age of Internet of Things (IoT), object of everyday such as mobile smart devices start to be equipped with cheap sensors and low energy wireless communication capability. Nowadays mobile smart devices (phones, tablets) have become an ubiquitous device with everyone having access to at least one device. There is an opportunity to build innovative applications and services by exploiting these devices’ untapped rechargeable energy, sensing and processing capabilities. In this thesis, we propose, develop, implement and evaluate LoadIoT a peer-to-peer load balancing scheme that can distribute tasks among plethora of mobile smart devices in the IoT world. We develop and demonstrate an android-based proof of concept load-balancing application. We also present a model of the system which is used to validate the efficiency of the load balancing approach under varying application scenarios. Load balancing concepts can be apply to IoT scenario linked to smart devices. It is able to reduce the traffic send to the Cloud and the energy consumption of the devices. The data acquired from the experimental outcomes enable us to determine the feasibility and cost-effectiveness of a load balanced P2P smart phone-based applications.

Forced-air, vacuum, and hydro precooling of cauliflower (Brassica oleracea L. var. botrytis cv. Freemont): part I. determination of precooling parameters

The aim of the present study was to precool cauliflower using forced-air, vacuum and high and low flow hydro cooling methods. The weight of the precooled cauliflower heads (5000±5 g) was measured before they were placed in standard plastic crates. Cauliflower heads, whose initial temperature was 23.5 ± 0.5 ºC, were cooled until the temperature reached at 1 ºC. During the precooling process, time-dependent temperature and energy consumption were measured, and during vacuum precooling, the decreasing pressure values were recorded, and a curve of time-dependent pressure decrease (vacuum) was built. The most suitable cooling method to precool cauliflower in terms of cooling time and energy consumption was vacuum, followed by the high and low flow hydro and forced-air precooling methods, respectively. The highest weight loss was observed in the vacuum precooling method, followed by the forced-air method. However, there was an increase in the weight of the cauliflower heads in the high and low flow hydro precooling method. The best colour and hardness values were found in the vacuum precooling method. Among all methods tested, the most suitable method to precool cauliflower in terms of cooling and quality parameters was the vacuum precooling method.

Suomen energiajärjestelmä

Suomen energialähteiden käyttö on pysynyt likimain samana viime vuosikymmenen aikana. Uusiutuvien energialähteiden käyttö (tuulivoima, aurinkovoima, biopolttoaineet) on lisääntynyt ja fossiilisten energialähteiden käyttö vähentynyt. Energian kokonaiskulutus ja lämmönkulutus on vuosikymmenen aikana laskenut hieman ja sähkönkulutus on lisääntynyt lisääntyvän infrastruktuurin myötä. Suomen kantaverkko ei ole vuosikymmenen aikana kokenut suuria muutoksia. Suomi kuuluu osana pohjoismaiden yhteisiä sähkömarkkinoita, joissa vallitsee vapaa kilpailu. Suomen energiajärjestelmän sähköntuotto on tällä hetkellä varsin tuontipainotteinen ja Suomi ei ole pystynyt vuosikymmenen aikana vastaamaan sähkön kysyntään, mikä tarkoittaa sähkön tuonnin lisääntymistä. Lämmöntuotanto ja -kulutus ovat pysyneet vuosikymmenen aikana likimain ennallaan. Lähitulevaisuudessa Suomen energiaomavaraisuus nousee ja Suomi voi jopa vuonna 2050 olla jo sähkön nettoviejä ja myös energiajärjestelmän aiheuttamat kokonaispäästöjä alenevat radikaalisti. Liikenne sähköistyy ja älykkäät sähköverkot tekevät tuloaan. Tässä työssä tutustutaan Suomen nykyiseen energiajärjestelmään, tehdään katsaus tulevaisuuteen ja vertaillaan Suomen energiajärjestelmää kansainvälisesti.

Sinfoniaorkesterin hiilijalanjälki. Case: Sinfonia Lahti

Diplomityön tavoitteena on selvittää sinfoniaorkesterin toiminnan merkittävimmät kasvihuonekaasupäästölähteet sekä kuinka kasvihuonekaasupäästöjä voidaan vähentää ja/tai kompensoida niin, että voidaan saavuttaa hiilineutraalius. Tavoitteena on myös tutkia sinfoniaorkesterin vaikutusmahdollisuudet sen sidosryhmiin. Tuloksia tarkastellaan myös globaalissa mittakaavassa, jolloin nähdään millainen vaikutus sinfoniaorkestereiden hiilineutraaliudella olisi ilmastonmuutoksen hillinnässä. Diplomityössä esitetään ensin hiilijalanjälkilaskentaa ja musiikkiteollisuutta yleisesti, jonka jälkeen selvitetään case-tutkimuksena Sinfonia Lahden hiilijalanjälki. Hiilijalanjälkilaskenta perustuu Sinfonia Lahden antamiin tietoihin, minkä lisäksi hyödynnetään diplomityön yhteydessä tehtyjen kyselyjen tuloksia. Kyselyjen tarkoituksena on selvittää sekä Sinfonia Lahden henkilöstön että yleisön matkustustottumuksia. Sinfonia Lahden henkilöstölle järjestettiin myös workshop, jossa tutustuttiin tarkemmin ilmastonmuutokseen. Hiilineutraalius saavutetaan selvittämällä toiminnasta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt. Tämän jälkeen toimintaa muutetaan vähäpäästöisemmäksi ja lopuksi jäljelle jäävät kasvihuonekaasupäästöt kompensoidaan. Vaikka Sinfonia Lahden merkittävimmät kasvihuonekaasupäästölähteet ovat liikenne sekä energiankulutus, päästövähennyksiä tulee tehdä pysyvästi kaikista mahdollisista toiminnoista. Erityisen tärkeää on saada sidosryhmät osallistumaan sinfoniaorkesterin asettamiin vähennystavoitteisiin. Kompensoinnilla on merkittävä rooli hiilineutraaliuden saavuttamisessa. Tällä hetkellä maailman sinfoniaorkesterit eivät aktiivisesti pyri hiilineutraaliin toimintaan.