Miten älykäs energiajärjestelmä voi auttaa tuuli- ja aurinkovoiman lisääntymisen haasteissa?

Transkriptio

1 Miten älykäs energiajärjestelmä voi auttaa tuuli- ja aurinkovoiman lisääntymisen haasteissa? Professori Sanna Syri Energiatekniikka ja energiatalous Aalto-yliopisto

2 Kysyntäjousto ja varastointi lämmitys Tuuli- ja ydinvoima lisääntyvät, joustavaa kapasiteettia on poistunut kannattavuusongelmien vuoksi. Pohjoisissa oloissa kannattaa hyödyntää lämpöä energiavarastona: lämpöä tarvitaan paljon suurimman osan vuodesta ja varastoinnin aikajänne on tunteja tai pidempään. Hinta on suuruusluokkaa prosentin sähkön varastoinnin kustannuksista. Sähköä kannattaa halpoina tunteina varastoida lämmöksi. Lämpöpumput ja lämpövarastot yleistyvät kaukolämpöjärjestelmissä. Tässä esityksessä keskityn esittelemään Aallossa tehtyä tutkimusta lämmityksen älykkään jouston mahdollisuuksista. 2

3 REINO projekti : rakennusten esineiden internet ja älykäs kysyntäjousto osana kestäviä energiajärjestelmiä Partnereina ja rahoittajina Business Finland, Energiateollisuus ry, Fidelix, Fourdeg, Granlund, Residentia, SRV, Aalto-yliopistokiinteistöt. Hankkeen vetäjät Sanna Syri and prof. Risto Kosonen, LVItekniikka. Miten rakennusten lämmityksen älykästä kysyntäjoustoa voidaan toteuttaa ja mitä hyötyä sillä saadaan? Työpaketit myös lainsäädännön muutostarpeista kysyntäjouston mahdollistamiseksi (prof. Ari Ekroos, Aalto) ja kyberturvallisuudesta (prof. Kary Främling, Aalto). 3

4 REINO projekti : rakennusten esineiden internet ja älykäs kysyntäjousto osana kestäviä energiajärjestelmiä Kehitystyö ja testit Otaniemessä lämmityksen älykkäästä kysyntäjoustosta: Fourdeg, Fidelix, Granlund & Aalto Kokeiltiin erilaisia jouston algoritmejä, mm. Dréau, & Heiselberg [1] ja Behrang & Sirén [2]: rakennusta voidaan ladata halvan energian aikana ja kalliin energian käyttöä pyritään vähentämään. Miten rakennuksen käyttäjä kokee viihtyvyyden kysyntäjouston myötä? => Laajat käyttäjätestit Aallon toimistoissa ja opetustiloissa [1] Dréau, J. L. & Heiselberg, P. (2016) Energy flexibility of residential buildings using short term heat storage in the thermal mass. Energy p [2] Alimohammadisagvand, B., Jokisalo, J. and Sirén, K. (2018) Comparison of four rule-based demand response control algorithms in an electrically and heat pump-heated residential building. 4 Applied Energy. 209, p

5 Esimerkki huonekohtaisesta ohjauksesta osana varausjärjestelmää Aalto-yliopistokiinteistöt Jukka Kopra. Smart room systems for retrofitted educational buildings. Diplomityö, Aalto-yliopisto

6 Tuloksia Otakaari 1, maaliskuu - Säätömahdollisuudesta huolimatta usein toivottiin lisää lämpöä ja lisää ilmanvaihtoa. Jukka Kopra. Smart room systems for retrofitted educational buildings. Diplomityö, Aalto-yliopisto 2018.

7 Kaukolämmön kysyntäjousto kaukolämpöyhtiöltä saatavan signaalin perusteella ja käyttäjätyytyväisyystutkimus, Otakaari 4 Kehitystyö ja käyttäjien tyytyväisyyskyselyt Fourdeg Kaukolämpöyhtiöltä (Fortum) saatiin verkon kustannustilannetta kuvaava signaali, joka muutettiin ohjaussignaaliksi (-1, 0, 1) Kahden viikon testijaksot, jolloin yksi viikko lumejakso ja toisena viikkona lämmitystä ohjattiin Millaisia vaikutuksia tilojen lämmityksen kysyntäjoustolla on tutkittavan rakennuksen sisäilman lämpö- ja kosteusolosuhteisiin patterikohtaisen lämmitysenergian kulutukseen lämmitysenergiakustannuksiin henkilökunnan kokemaan lämpöviihtyvyyteen 7

8 Esimerkkejä ohjauksesta, Otakaari 4 Vaikutus huonelämpötilaan on paljon pienempi kuin hetkelliset tehomuutokset. Kysyntäjousto ei vaikuta suhteelliseen kosteuteen (suomalaisissa toimistorakennuksissa muutenkin alhainen kosteustaso) Specific Power [W/m2] Valve Position [%] Set-Point [ºC] :00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 18 Mittausjakson suurimpia asetusarvon muutoksia (oranssi) Mitattu huonelämpötila (sininen) Venttiilin karan asento (vihreä) Asetusarvo, jossa kysyntäjoustokäsky (musta) Radiaattorin teho (punainen) Karan asento(sininen) Lähde: Fourdeg oy. 8

9 Kaukolämmön kysyntäjousto kaukolämpöyhtiöltä saatavan signaalin perusteella ja käyttäjätyytyväisyys, Otakaari 4 Useita kahden hengen huoneita Käyttäjät täyttivät päivittäin nopean nettikyselyn Tyytyväisyys olosuhteisiin riippuu paljon käyttäjän fysiologiasta Vanha rakennus: kulmahuoneet ovat kylmimpiä => Huonekohtaisella ohjauksella saadaan eniten joustoa koko kerroksen tasolla ja pidettyä olosuhteet riittävällä tasolla. Jo pieni asetusarvon muutos lisää paikallista tyytymättömyyttä, mitä ei ole mitattavissa huoneantureilla. => käyttäjän säätömahdollisuus tärkeä. Tyytyväinen Liian Tyytyväinen kuuma Tyytyväinen Liian Lämpötila kuuma vaihteli Tyytyväinen Erittäin Lämpötila tyytyväinen vaihteli 9

10 Olosuhteita seurattiin myös 24/7

11 Nuken anturit ja muut mittalaitteet

12 Tuloksia Reiska-mittauksista Veto on keskeisempi viihtyvyyteen vaikuttava tekijä kuin lämpötila. Ikkunan laatu määrittää millä ulkolämpötilalla ikkunan alla oleva lämmitys tarvitaan vedontunteen estämiseksi. Ikkunan sisäpinnan lämpötila 15 C on rajana.

13 Euroopan paras ja maailman toiseksi paras LVI-tekniikan opinnäytetyö 2017 Kristian Martin: Demand response of heating and ventilation within educational office buildings. Työn tavoitteena oli tutkia ja vertailla keskitetyn ja hajautetun kysyntäjouston toimintaa vanhassa kaukolämmitetyssä toimistorakennuksessa kiinteistön omistajan ja käyttäjän näkökulmasta. Työ toteutettiin simulointitutkimuksena käyttäen IDA-ICE ohjelmaa. Tulosten perusteella rakennustason keskitetyllä lämmityksen kysyntäjoustoohjauksella voidaan vähentää kiinteistön vuotuisia lämmityskustannuksia 1-2% ja hajautetulla huonetason ohjauksella vastaavasti noin 6%. (Otakaari 4). Hajautettu huonetason kysyntäjousto-ohjaus on selvästi lupaavampi lähestymistapa. Lähde: The REHVA European HVAC Journal, 55 (6) 2018

14 Euroopan paras ja maailman toiseksi paras LVI-tekniikan opinnäytetyö 2017 Työssä arvioitiin myös mahdollisuuksia pienentää sopimustehoa. Sopimustehoa voitaisiin pienentää jopa 35%, jos sallitaan lämpötilan lasku yksittäisinä päivinä.

15 Lainsäädäntö- työpaketti

16 Tuloksia Vanhoissa rakennuksissa perusasioita voi olla pielessä: säätökäyrät, tulo- ja poistoilman epätasapaino jne. Nämä voivat olla käyttäjien epämukavuuden perussyy sekä aiheuttaa ylimääräistä energiankulutusta. Reino-hankkeen yksityiskohtaisissa simuloinneissa saatiin arvioitua teoreettiset säästöt kysyntäjoustolla (Otakaari 1): Lämmityskustannusten säästön maksimointi: -4.8% verrattuna perustilanteeseen Jouston maksimointi -4.3% perustilanteesta, (toteutettu siten että käyttäjätyytyväisyys säilyy paremmin) Molemmissa säilyvät hyväksyttävät huoneolot, lämmityskulut pienenevät ja joko sama tai suurempi kysynnän joustokyky. Säästöt on laskettu yksinkertaisen kaupunkitason kaukolämpömallin avulla. Säästöt voivat olla suurempiakin jos vältetään kalliita huippukattiloita. Laajassa kysyntäjoustossa on huomioitava kokonaisuus (vaiheistetut joustot). Lähde simulointeihin: Aleksi Mäki, Diplomityö 2018.

17 Pohdintaa Kysyntäjousto on tärkeä elementti tulevaisuuden energiajärjestelmissä. Kysyntäjousto ja rakennusten oikeat säädöt voivat tuoda sekä merkittäviä säästöjä että merkittävää joustoa tukemaan koko energiajärjestelmää. On kuitenkin tärkeää ymmärtää kokonaisuuden ja sen osien suuruusluokat. Kysyntäjousto ja hukkalämmöt eivät yksinään takaa riittävää siirtymää päästöttömään lämmityssektoriin.

18 Lisätietoa Kristian Martin. Demand response of heating and ventilation within educational office buildings, Aleksi Mäki. Demand response of space heating using model predictive control in an office building Jukka Kopra. Smart room systems for retrofitted educational buildings Martin, K., Jokisalo, J., Kosonen, R., Alimohammadisagvand, B. Demand response of space heating and ventilation impact on indoor environmental quality. ROOMVENT&VENTILATION June 2-5, Espoo, Finland Kosonen R. Rakennusten älykäs energiajärjestelmä: IoT:n ja kysyntäjouston hyödyntäminen lämmityksen ohjauksessa. Global District Energy Days September Helsinki, Finland. Kosonen R, Jokisalo J, Mistra A, Kopra J and Kilpeläinen S. Room systems as a service platform for smart buildings. World Summit on Digital Built Environment WDBE September 11-12, Helsinki Finland. Mishra A, Jokisalo J, Kosonen R and Virtanen M. A multi-level, multi-sensor paradigm for occupant comfort in smart buildings. World Summit on Digital Built Environment WDBE September 11-12, Helsinki Finland.