Rakennuksen lämmitys aurinkolämmöllä

Tässä työssä tutkittiin aurinkolämmön käytön mahdollisuuksia rakennuksen lämmittämiseen suomessa. Aurinkolämmön energia voidaan kerätä talteen aurinkokeräimellä. Aurinkokeräintyypit jaetaan kiertoaineen ja rakenteen mukaan eri ryhmiin. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan tasokeräimiä ja tyhjiöputkikeräimiä, joiden kiertoaineena toimii vesi tai ilma. Keräinten hyötysuhteet ja saatava lämmitystehot lasketaan samalla tavalla, kiertoaineesta tai keräintyypistä riippumatta. Tarvittava lämmitysteho lasketaan sääalueella I sijaitsevan 150 m2 pohjapinta-alallisella kuvitteellisella rakennuksella. Rakennukselle luodaan kolme eri eristysvaihtoehtoa. Lämmitysjärjestelmänrakenne valitaan kiertoaineen mukaan. Aurinkolämmön hyötylaskenta tehdään 10 m2 keräimen tuottamalla teholla ja 1.2.2012 päivän sähkönhinnoilla.

Uusien energianormien vaikutus pientalojen rakenteisiin ympäristön kannalta

Tehokkaimpia keinoja vähentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta ja lämmityksen aiheuttavia hiilidioksidi- ja happamoitavia päästöjä on tiukentaa rakentamismääräysten lämmöneristysvaatimuksia. Hyvin lämmöneristetyissä, tiiveissä ja ilmanvaihdoltaan optimoiduissa taloissa on pienet lämpöhäviöt. Näin ympäristöä kuormittava vaikutus saadaan paljon vähemmäksi kuin nykynormien mukaisissa asuinrakennuksissa. Johtumislämpöhäviö pienenee suoraan eristekerroksia paksuntamalla ja siihen on helpointa vaikuttaa. Mitä suurempiin eristepaksuuksiin mennään sen suuremmaksi tulee konvektion osuus kokonaislämpöhäviöstä. Tulevaisuudessa parempia ratkaisuja haetaan erityisesti konvektiosta ja säteilystä aiheutuvien lämpöhäviöiden pienentämiseksi. Eristeen osastointi ilmanpitävillä, vesihöyryä diffuusisesti läpäisevillä pystysuuntaisilla konvektiokatkoilla vähentää tehokkaasti paksun seinäeristeen kuljettumis-ilmavirtauksia. Katkoina käytetään erilaisia kalvoja ja rakennuspapereita, joilla on pieni emissiviteetti. Katkojen merkitys kasvaa, kun mennään uusien normien mukaisiin eristepaksuuksiin. Lämmöneriste voidaan toteuttaa myös kokoamalla ohuita kalvoja paketiksi, jotka jakavat ilmatilan ja siis eristeelle varatun paksuuden suljettuihin ilmaväleihin. Kun kalvoiksi valitaan pieniemissiviteettisiä pintoja, saadaan säteilylämmönsiirto lähes eliminoiduksi. Tällaisen ilmatilan lämmönjohtumisluku lähestyy paikallaan pysyvän ilman lämmönjohtumislukua, l = 0,025 W/Km, eli tällä rakennesysteemillä on mahdollista toteuttaa ohuempia rakenteita kuin perinteisillä eristeillä. Hygroskooppisen massan käyttö sisäilman kosteutta tasaavana rakenteena voi olla tulevaisuutta. Kehitystyö tuottaa uusia, kosteusteknisesti toimivia sovelluksia. Toisaalta palomääräykset tulevat kehitystyötä vastaan. Hygroskooppinen pintamateriaali on kevyt (pieni tiheys) ja paloteknisesti arka. Suoraa sähkölämmitystä ei voida pitää ympäristöystävällisenä. Sen jalostusketju on pitkä ja monivaiheinen. Millä peruspolttoaineella sähköä tuotetaan, vaikuttaa asiaan luonnollisestikin. Suoraa sähkölämmitystä voidaan suositella vain yksinäisen ihmisen taloudessa lämmitysmuotona taloudellisista syistä. Halvan polttoaineen säästöllä ei voida maksaa suuria laiteinvestointeja. Aurinkoenergian hyvä hyödyntäminen edellyttää hyvää säätöä, joka kytkee lämmityksen pois päältä silloin, kun aurinko lämmittää. Auringon hetkelliset säteilytehot ovat suuria verrattuna rakenteen lämpöhäviöihin ja huonetilojen lämmöntarpeeseen. Ratkaisu aurinkoenergian hetkellisyyteen ja paikallisuuteen on energian siirtäminen lämmöntarpeen mukaan rakennuksen eri osiin ja sen varastoiminen päivätasolla. Kun varastoivasta massasta ei ole suoraa yhteyttä ulos, voidaan kerääjäeristeeltä saatu lämpö käyttää häviöttömästi huonetilojen lämmittämiseen. Vaikka lämmitysenergian käytössä päästään 30 % vähennyksiin uudisrakennusten osalta, ei kokonaisenergian käyttö merkittävästi pienene, jos taloussähkön kulutus pysyy vakiona. Sama pätee myös CO2 -päästöihin. Saavutettava etu lämmitys-energian kulutuksessa voidaan hukata yhä suurenevaksi taloussähkön käytöksi, mikä olisi erityisen huono asia ympäristön kannalta.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Lämpölaajenemislaitteiston modernisointi

Insinöörityön lähtökohtana oli suunnitella ja kehittää fysiikan laboratoriotyökurssilla käytettävää mittalaitetta, jolla tutkitaan lämpölaajenemisilmiötä. Vanhassa laitteessa on kolme eri materiaalista valmistettua ympäristöstä lämpöeristettyä putkea. Putkia lämmitetään vesijohtovedellä. Aluksi putkien läpi johdetaan mahdollisimman kylmää vettä ja sen jälkeen mahdollisimman kuumaa. Lämpötilaero mitataan termojännitteen avulla ja lämpölaajeneminen mittakellon avulla. Tällä menetelmällä putkia on mahdollista lämmittää maksimissaan n. 40-50 °C. Putket ovat aivan liian lyhyitä, joten niiden lämpölaajeminen jää maksimissaan alle 1 mm:n. Lämpölaajeneminen on siis koemateriaaleilla vähäistä ja mit-tausvirheiden vaikutus suhteellisen suuri. Lisäksi mittakellon kiinnitysmekanismi mahdol-listaa mittakellon rikkoutumisen. Työn lähtökohtana oli se, että opiskelijoiden tekemät putkien lämpötilakertoimien määritykset epäonnistuivat liian usein. Lämpölaajenemislaitetta kehitettiin muuttamalla putkien lämmitys sähkövastuksella tapahtuvaksi. Näin mahdollistui jopa 150 °C:n lämpötilaeron saavuttaminen. Laitesuunnittelussa 710 mm putki korvattiin 1090 mm putkella ja mittakellon kiinnitysmekanismi uusittiin. Lisäksi huomattiin että putkea ei tarvitse lämpöeristää.

Sahan lämmöntuotannon ohjaus

Sahalaitoksilla käytetään lämpöenergiaa sahatavaran kuivauksessa. Lämpö tuotetaan pääasiassa polttamalla sivutuotteita, kuten kuorta ja purua. Hyvän kuivauslaadun saavuttamiseksi kuivausilman lämpötilan ja kosteuden on oltava oikean suuruiset. Epäsuotuisat kuivausolosuhteet hidastavat kuivumista tai aiheuttavat kuivausvikoja. Työssä käsiteltävänä sahalla lämpö tuotetaan kahdella sivutuotteita polttavalla kuorikattilalla sekä tarvittaessa raskasöljykattilalla. Raskasöljykattilalla tuotetaan myös kuivaamojen kostutushöyry. Automatiikkaa kehittämällä lämmöntuotanto saatiin reagoimaan paremmin vaihtelevaan lämmöntarpeeseen. Hyvin toimivan lämmöntuo¬tantojärjestelmän ansiosta kuivausolosuhteet ovat säilyneet entistä vakaampina. Matalapaineista höyryä johdetaan osaan sahan kuivaamoista. Höyrytys parantaa kuivauslaatua ja mahdollistaa nopeamman kuivauksen. Kuivaamot höyrytetään kuormanvaihdon jälkeen, jotta ilmankosteus nousee nopeasti tavoitetasolle. Lämmitys-vaiheen jälkeen höyrykostutusta ei tulisi käyttää ennen seuraavaa kuormanvaihtoa. Kehittämällä kuivaamoautomatiikkaa höyryn käyttö saatiin aikaisempaa kustannustehokkaammaksi. Muutoksien avulla polttoainekustannukset ovat pienentyneet.

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.

Lämpöpumppujärjestelmät integroidussa kylmä- ja lämpötehon tuotossa

Tässä työssä tutkittiin lämpöpumppujärjestelmiä, joilla tuotetaan samaan aikaan kylmä- ja lämpötehoa. Höyryn puristus lämpöpumppu on yleisimmin käytetty lämpöpumpputyyppi ja sen pääkomponentit ovat kompressori, lauhdutin, paisuntaventtiili ja höyrystin. Lämpöpumppu tuottaa samaan aikaan kylmätehoa höyrystimellä ja lämpötehoa lauhduttimella. Lämpöpumpun toiminta-arvoihin vaikuttaa valittujen lämpötilatasojen lisäksi voimakkaasti valitun kiertoaineen termodynaamiset ominaisuudet sekä kompressorin painesuhteeseen verrannollinen isentrooppihyötysuhde. Uusissa lämpöpumpuissa käytetään HFC yhdisteitä sekä sekoituksia kiertoaineina, mutta myös luonnolliset aineet, kuten ammoniakki, ovat lupaavia korvikkeita CFC yhdisteille. Sopivia sovelluskohteita kylmä- ja lämpötehon yhteistuotannolle ovat kauppa- ja asuinrakennukset, hotellit, toimistot, elintarviketeollisuus ja -myymälät sekä vierekkäiset jää- ja uimahallit ja hiihtoputket. Kylmä- ja lämpötehon yhteistuotannolla voitaisiin saavuttaa merkittäviä säästöjä ja päästövähennyksiä. Esimerkiksi jäähallien kylmäkoneiden lauhdelämmön hyödyntämisessä olisi Suomessa potentiaalia 6-10 miljoonan euron vuotuisiin säästöihin. Kylmä- ja lämpötehon yhteistuotanto voidaan toteuttaa hyödyntämällä kylmäkoneen lauhdelämpöä toisella lämpöpumpulla. Toinen vaihtoehto on käyttää eri tilojen samanaikaiseen lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen HPS lämpöpumppua tai moniyksikköistä lämpöpumppua.

Etelä- ja Pohjois-Savon maakuntien kasvihuonekaasutaseet 2010

Kasvihuonekaasutaselaskennassa selvitettiin Etelä- ja Pohjois-Savon maakuntien kasvihuonekaasupäästöjen ja nielujen suuruudet vuodelta 2010. Päästölaskenta suoritettiin Etelä- ja Pohjois-Savon alueilta kunta- ja maakuntakohtaisesti kuntaliiton Kasvener-ohjelmalla. Etelä-Savon kulutusperäiset kasvihuonekaasupäästöt olivat vuonna 2010 yhteensä 1492 tuhatta tonnia (kt) CO2-ekv, joka oli noin 2% koko Suomen kasvihuone-kaasupäästöistä. Asukasta kohti laskettuna päästöt olivat 9,6 t CO2-ekv. Maankäyttösektorin nettonielu oli 1300 kt CO2-ekv vuonna 2010. Päästöt olivat siten 192 kt CO2-ekv suuremmat kuin nieluvaikutukset. Pohjois-Savon kulutusperäiset kasvihuonekaasupäästöt olivat vuonna 2010 yhteensä 3148 kt CO2-ekv. Asukasta kohden päästö oli 12,7 t CO2-ekv. Koko Suomen vuoden 2010 päästöistä Pohjois-Savon osuus oli 4%. Pohjois-Savon maankäyttösektorin nettonielu oli 2600 kt CO2-ekv vuonna 2010. Yhteen laskettuna päästöt olivat 548 kt CO2-ekv suuremmat kuin nieluvaikutukset. Suomen vuoden 2010 laskennassa kulutusperusteiset kasvihuonekaasujen kokonaispäästöt olivat 74600 kt CO2-ekv, joka oli 13,9 tonnia CO2-ekv asukasta kohden. Etelä-Savossa suurimmat kasvihuonepäästöjä tuottavat sektorit vuonna 2010 olivat liikenne (tie-, laiva, lento- ja raideliikenne) ja rakennusten lämmitys. Molempien sektoreiden osuudet olivat 30% maakunnan kasvihuonekaasupäästöistä. Muun sähkönkäyttösektorin osuus oli 19%, joka sisältää mm. teollisuuden ja kotitalouksien sähkönkulutuksen lukuun ottamatta kotitalouksien sähkölämmitystä. Maatalouden osuus päästöistä oli 13% sisältäen sekä karjankasvatuksen että peltoviljelyn päästöt. Muiden polttoaineiden osuus oli 6%, joka sisältää teollisuuden käyttämien polttoaineiden ja työkoneiden polttoaineiden käytöstä syntyvät kasvihuonekaasupäästöt. Jätehuollon osuus oli 1%. Teollisuuden prosessiperäisiä päästöjä syntyi vain hyvin vähäisiä määriä poltetun kalkin tuotannosta Kerimäellä. Pohjois-Savossa suurin kasvihuonepäästöjä tuottava sektori vuonna 2010 oli rakennusten lämmitys, joka tuotti 29% alueen kasvihuonekaasupäästöistä. Muun sähkönkäyttösektorin osuus oli 22%, mikä sisältää mm. teollisuuden ja kotitalouksien sähkönkulutuksen lukuun ottamatta kotitalouksien sähkölämmitystä. Muiden polttoaineiden osuus oli 13%, joka sisältää teollisuusprosessien käyttämien polttoaineiden ja työkoneiden polttoaineiden käytöstä syntyvät kasvihuonekaasupäästöt. Liikenteen (tie-, laiva, lento- ja raideliikenne) päästöt olivat 19% ja maatalouden osuus sisältäen sekä karjankasvatuksen että peltoviljelyn päästöt oli 15%. Teollisuuden prosessiperäisiä päästöjä (N2O) syntyi Siilinjärvellä typpihapon tuotannossa. Prosessiperäisten päästöjen ja jätehuollon osuus kokonaispäästöistä oli molemmista 1%.

Polttoaineiden säästö lämmityksessä

15 x 21 cm

Bränslebesparing vid eldning

14 x 20 cm

Ohjeita keskuslämmityskattiloiden lämmityksessä ja hoidossa

13 x 20 cm

Anvisningar för eldning och skötsel av centralvärmepannor

14 x 21 cm

Jätteet polttopuun korvikkeeksi

14 x 21 cm