Tuore diplomityö tarkastelee verkostomallinnuksen mahdollisuuksia
Juhani Kotilaisen A-Insinööreille tekemä diplomityö hyväksyttiin syyskuussa 2024. Suunnittelu- ja konsulttitalon prosessi- ja energiatekniikan yksikössä on tehty kaukolämmön tuotanto- ja verkostosuunnittelua lukuisille alan toimijoille vuosikymmenten ajan.
”Näen, että olemme pysyneet erinomaisesti kartalla alan kehitystrendeistä” Kotilainen kertoo. ”Kaukolämpöjärjestelmien lämpötilatasojen madaltaminen liittyy laajempiin päästövähennys- ja energiatehokkuustavoitteisiin, mikä luonnollisesti kiinnostaa kaukolämpöyhtiöitä.”
Kaukolämmön menoveden lämpötilan madaltaminen ei pienennä vain kustannuksia, vaan kasvattaa myös kaukolämpöjärjestelmän energiatehokkuutta.
”Yllätyin, kuinka monimutkainen yhtälö menoveden lämpötilan madaltaminen ja sen tarkka mallintaminen on”, Kotilainen paljastaa. ”Kaukolämpöjärjestelmän toiminta täytyy olla hyvin tiedossa, jotta mallinnus on luotettavaa. Onneksi sain työkavereilta tukea, sekä asiakkailta paljon laadukasta lähtötietodataa, jonka avulla verkostomalleista saatiin tehtyä erittäin tarkat.”
Tavoitteena pienemmät kustannukset ja päästöt
Työtä lähdettiin tekemään yhteistyössä Kangasalan Lämmön ja Lempäälän Lämmön kanssa. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää verkostomallinnuksen avulla menoveden lämpötilan madaltamisen vaikutuksia todellisissa kaukolämpöjärjestelmissä.
”Tutkimuksen alussa keskustelimme molempien lämpöyhtiöiden verkostojen toiminnasta ja tulevaisuuden kehityssuunnista”, Kotilainen avaa. ”Molemmista kaukolämpöjärjestelmistä tehtiin yksityiskohtaiset verkostomallit Fluidit Heat -mallinnusohjelmaan. Työssä tutkittiin menoveden maksimilämpötilan madaltamista nykyisestä 115 °C:sta 90 °C:seen, ja mitä seurauksia tällä oli verkostojen toimintaan. Lähtötiedot kerättiin molempien kaukolämpöjärjestelmien tuotannosta, verkostosta, asiakaskiinteistöistä, paineohjauksista ja ajojärjestyksistä.”
Verkostomallit muodostettiin hyödyntäen asiakkaiden energiamittareiden antamaa tuntikohtaista kulutusdataa, minkä avulla verkostomallinnus pystyttiin toteuttamaan hyvin tarkasti kokonaisen vuoden ajalta.
Lyhyellä tähtäimellä menoveden lämpötilan madaltamisen suurin hyöty on verkoston lämpöhäviöiden pienentyminen. Pitkällä tähtäimellä lämpötilatasojen madaltaminen mahdollistaa myös muutoksia kaukolämmöntuotantoon, sillä matalalämpöisiä hukkalämmönkohteita voidaan hyödyntää entistä enemmän. Kaukolämpöjärjestelmissä tuotanto, verkosto ja kulutus ovat kaikki mitoitettu toimimaan kuitenkin tietyillä lämpötilatasoilla. Menoveden lämpötilan madaltamisen seurauksena kuluttajien jäähtymä pienenee ja verkoston massavirta kasvaa, jotta samaan tehoon päästäisiin. Massavirran kasvun seurauksena verkoston painehäviöt kasvavat ja pumppauksen tarve kasvaa.
Eri verkostojen välillä tunnistettiin erilaisia rajoittavia tekijöitä: verkoston siirtokapasiteetti, pumppauksen kapasiteetti sekä asiakaskiinteistöjen vanhat lämmönvaihtimet.
Kotilaisen työssä tarkasteltiin menoveden lämpötilan madaltamisen lisäksi uusien hukkalämmönlähteiden ja sähkökattilan vaikutuksia. Sähkökattilalle katsottiin alustava sijainti verkoston keskikohdilta, sillä sen ajateltiin olevan painetasojen kannalta järkevin sijoituspaikka. Paikalla oli myös korkeajänniteliittymä. Verkostomallinnuksen avulla kävi kuitenkin ilmi, että suunnitellun sijainnin korkeusasema aiheutti merkittäviä hankaluuksia verkoston painetasoihin.
”Tämä on yksi esimerkki lukuisista asioista, joita verkostomallinnuksen avulla voidaan saada selville”, Kotilainen sanoo.
Löydökset hyödyttävät kaukolämpötoimijoita laajasti
Kaukolämpöjärjestelmien menoveden lämpötilaa on mahdollista madaltaa, mutta rajoittava tekijä vaihtelee verkostosta toiseen. Ensimmäisessä tutkitussa verkostossa menoveden lämpötilan madaltaminen ei tuottanut merkittäviä ongelmia putkiston painehäviöissä ja pumppauksessa. Rajoittava tekijä oli sen sijaan asiakaskiinteistöjen lämmönvaihtimet.
”Vanhat lämmönsiirtimet olivat tässä verkostossa rajoittava tekijä, sillä järjestelmän tasapainolle kriittinen asiakas voi määrittää tarvittavan menoveden lämpötilan koko kaukolämpöverkolle”, Kotilainen tiivistää. ”Toisessa verkostossa pumppauskapasiteetti oli äärirajoilla jo lähtötilanteessa. Menoveden lämpötilan madaltamista rajoitti verkoston pumppauskapasiteetti sekä putkiston kasvaneet painehäviöt.”
Työssä tehtiin lisäksi kannattavuuslaskelma menoveden lämpötilan madaltamisen tuomista säästöistä. Säästöä syntyy lämpöhäviöiden pienentymisen ja polttoaineen kulutuksen vähentymisen seurauksena, mutta kustannuksia syntyy pumppauksen kasvun aiheuttamasta sähkönkulutuksen lisäyksestä. Mikäli polttoaine on edullista ja kaukolämpöjärjestelmä sijaitsee kalliin sähköverkkoyhtiön alueella, pumppauksen sähkönkulutuksen kasvu vähentää kokonaissäästöä merkittävästi.
Tutkimustyö jatkuu väitöskirjatutkijana
Kotilainen jatkaa alan tutkimusta väitöskirjatutkijana. Jatkotutkimuksen aiheena on verkostomallinnuksen potentiaalin hyödyntäminen kaukolämpöjärjestelmien toiminnan tehostamiseksi. Keskeisinä teemoina ovat kaukolämpöjärjestelmien siirtymä kohti matalampia lämpötiloja, hukkalämpöjen ja hajautetun tuotannon kasvu, sekä sektori-integraatio sähköenergiajärjestelmän kanssa. Tutkimusta tehdään olemassa olevista kaukolämpöjärjestelmistä muodostetuilla verkostomalleilla, ja tuloksista pyritään tekemään alan yleisen kehityksen kannalta hyödyllisiä johtopäätöksiä.
Julkaistuun diplomityöhön voit tutustua täältä: Kaukolämpöjärjestelmän menoveden lämpötilan madaltaminen: Tarkastelu verkostomallinnuksen avulla – Trepo
Teksti: Justus Luokkanen
Kuvat: Juhani Kotilainen, A-Insinöörit