DOE-RAPORTTI 1 (16) Timo Kontu Pientalon lämmitysenergian optimointi vastepintamenetelmällä. DoE-raportti

Transkriptio

1 DOE-RAPORTTI 1 (16) Pientalon lämmitysenergian optimointi vastepintamenetelmällä DoE-raportti Tekijä: Timo Kontu

2 DOE-RAPORTTI 2 (16) SISÄLTÖ 1. YHTEENVETO VASTEMUUTTUJA LÄMMITYSJÄRJESTELMÄ MITTAUSSYSTEEMIN ANALYSOINTI Mittaussysteemin kuvaus PROSESSIN KUVAUS Alustava prosessin suorituskyky TODENNÄKÖISTEN X:N TUNNISTAMINEN KOESUUNNITTELU DOE suunnitelma DOE tulokset Konfirmaatiokoeajon tulokset Johtopäätökset PARANNUSTOIMENPITEET JOHTOPÄÄTÖKSET Saavutukset ja taloudelliset tulokset Opitut asiat ja suositukset Tulevaisuuden suunnitelmat Loppukommentit LIITTEET... 15

3 DOE-RAPORTTI 3 (16) 1. YHTEENVETO Pientaloon asennettiin vanhan puukattilalämmityksen rinnalle maalämpöpumppu helpottamaan arkea ja takaamaan talon lämmitys talvisin pidempien poissaolojaksojen aikana. Lämmitysenergian hinnan ja laitteiston tulevan käyttöiän optimoimiseksi laitteistolle suoritettiin optimointikoeajo vastepintamenetelmällä. Tavoitteena oli saada balanssiin laitteiston hyötysuhde (COP) ja kompressorin kestävyys. Laitteiston suorituskykyä oli jo aiemmin parannettu tehdasasetuksista muuttamalla käytettävissä olevia parametreja. Toisssijaisena tavoitteena oli päästä eroon jatkuvasta säätötarpeesta ja vaivasta parempien asetusten etsimiseksi. Kokeen muuttujiksi valittiin käytettävissä olleet kiertopumppujen nopeudensäädöt ja huonelämpötila-asetus. Koe suunniteltiin Minitabin vastepintakokeeksi, mutta analysoitiin myös 2-taso faktorikokeena samoilla koepisteillä covarianttien vaikutuksen huomioimiseksi. Kokeen tuloksena järjestelmän hyötysuhdetta saatiin nostettua n. 10% aiemmin hyväksi tasoksi todetusta. Lisäksi todettiin, että muutos hyötysuhteessa saatiin tehtyä ilman käynnistysmäärien lisääntymistä.

4 DOE-RAPORTTI 4 (16) 2. VASTEMUUTTUJA Ensimmäiseksi vastemuuttujaksi valittiin laitteiston laskennallinen hyötysuhde, joka tässä tapauksessa tarkoittaa maalämpöpumpun tuottaman lämmitysenergian suhdetta maalämpöpumppuun liittyvien kiertopumppujen, kompressorin ja ohjauselektroniikan energiankulutukseen. Hyötysuhteeseen ei ole otettu huomioon ulkoista sähköllä toimivaa lämpimän käyttöveden varaajaa eikä lattialämmityksen kiertopumppua sekoitusventtiileineen, koska kyseisten laitteiden energiankulutusta ei saada mitattua. Toiseksi vastemuuttujaksi valittiin kompressorin käynnistysmäärä vuorokaudessa. Käynnistysten määrä vaikuttaa kompressorin kestävyyteen ja kestävyyden kannalta on parempi, että kompressori käy harvemmin pitkiä jaksoja kuin usein lyhyitä.

5 DOE-RAPORTTI 5 (16) 3. LÄMMITYSJÄRJESTELMÄ Talo on 2006 rakennettu 1,5 kerroksinen 212m 2 pientalo. Lisäksi tontilla on 69m 2 kokoinen autotalli/varastotila. Rakennuksissa on vesikiertoinen lattialämmitys koko alalla. Autotalli/varastotilan lämpötila on astetta, talon lämpötila on astetta. Lämmitys hoidetaan autotallirakennuksen teknisessä tilassa olevalla maalämpöpumpulla, jolla varataan lämmitysvesi 2,4m 3 suuruiseen varaajaan. Varaajasta lämmitysvesi ajetaan shuntin läpi lattiakiertoon. Lämpimän käyttöveden esilämmitys suoritetaan varaajassa olevissa lämmityskierukoissa ja johdetaan talon teknisessä tilassa olevaan sähkövaraajaan n. 25 asteen lämpöisenä. Maalämpöpumpun rinnalla on myös puukattila, jolla lämmitysvesivaraaja voidaan lämmittää. Puukattila on satunnaisessa käytössä ja pääosin lämmitys suoritetaan maalämpöpumpulla. Maalämpöpumppuna järejestelmässä on vuoden 2013 Stiebel-Eltron WPF13, joka ottaa energiaa 274m syvyisestä kaivosta. Syvästä kaivosta johtuen maapiiriin on lisätty lisäpumppu sarjaan mlp:n oman maapiiripumpun kanssa. Maalämpöpumppu on ylimitoitettu lämmitettävien tilojen energiatarpeeseen, joten sähkövastukset on kytketty pois päältä normaalissa toiminnassa.

6 DOE-RAPORTTI 6 (16) 4. MITTAUSSYSTEEMIN ANALYSOINTI 4.1 Mittaussysteemin kuvaus Maalämpöpumppu sisältää energian kulutus- ja tuotantolaskurin. Valmistaja lupaa laskureille <5% eron todellisesta ja koska tässä kokeessa mittareiden luotettavuutta ei voitu testata, luotetaan mittareiden antamiin lukuihin tarkkoina arvoina. Käynnistysmäärät saatiin tutkimalla 1-wire-verkon historiatrendeistä pumpun käynnistykset koepisteittäin. Energioiden ja käynnistysmäärien arvot normitettiin vastaamaan vuorokauden mittaista jaksoa, koska koepisteiden kesto vaihteli 0,85-1,98 vuorokauden välillä.

7 DOE-RAPORTTI 7 (16) 5. PROSESSIN KUVAUS 5.1 Alustava prosessin suorituskyky Ennen koetta pumpun hyötysuhde 9kk ajalta oli n. 5,1. Jakso sisältää ajan vuoden 2014 tammikuun alusta syyskuun loppuun. Prosessin suorituskyky on jo tällä arvolla melko loistava, mutta aina voi tähdätä parempaan. Käynnistysten määrä arvioitiin n. 0-5 asteen ulkolämpötilassa olevan noin 6-7 kpl/vuorokausi. Suuresta lämmitysvesivaraajasta johtuen myös käynnistysmäärät ovat olleet hyvällä tasolla. Pelkona kuitenkin oli, että hyötysuhteen parantaminen saattaa lisätä käynnistysmääriä, koska pidemmillä käyntijaksoilla hyötysuhde heikkenee maapiirin lämpötilan laskiessa. 6. TODENNÄKÖISTEN X:N TUNNISTAMINEN Maalämpöpumpun muutettavat parametrit ovat rajalliset joten muuttujiksi valittiin lämmityskierron pumppu (maalämpöpumpun lämmitysvesipumppu), liuoskierron lisäpumppu ja huonelämpötila-asetus.

8 DOE-RAPORTTI 8 (16) 7. KOESUUNNITTELU 7.1 DOE suunnitelma Kokeen muuttujat ja muuttujien tasot on esitetty kuvassa 1. Kuva 1: Kokeen muuttujat, nykyiset tasot ja kokeen tasot. Koe suunniteltiin vastepintamenetelmällä, jolloin kolmella muuttujalla ilman blokkausta ja replikointeja koepisteiden määräksi tuli 20. Koe sisältää 6 keskipistettä, joista neljä suoritettiin koeajossa peräkkäin kokeen suorittamisen helpottamiseksi. Taulukossa 1 on esitetty koepisteet. Taulukko 1: Kokeen koepisteet Liuoskierron Lämmityskierron Huonelämpötila Koepiste lisäpumppu pumppu asetus , ,5 3 5, , , ,5 8 5, ,5 9 5, ,5 10 5, ,5 11 5, ,5 12 5, , , , ,5 50,505 22,5 15 1, ,5 16 5,5 99,495 22, DOE tulokset Lyhyiden koepisteiden vuoksi osa tuloksista on enemmän suuntaa-antavia kuin eksakteja arvoja hyötysuhteelle. Ne ovat kuitenkin todennäköisesti riittävän tarkkoja vasteiden optimoimiseksi ja lähtökohtaa parempien asetusten löytämiseksi. Koeajon tulokset on esitetty liitteessä 1.

9 DOE-RAPORTTI 9 (16) Tulosten analysoinnissa käytettiin ensin vastepintamenetelmän mukaista tapaa, koska koeajosuunnitelma oli sillä tehty. Optimitulokset on esitetty kuvassa 2. Kuvan 2 optimitulokset eivät kuitenkaan ole todellisuudessa käytännölliset, koska huonelämpötilaasetuksen laskeminen alle 22 asteen aiheuttaa heiluntaa talon sisälämpötilassa kiertoveden lämpötilan laskun takia ennen seuraavan lämmityssyklin alkua. Lisäksi kovemmilla pakkasilla liuoskierron lisäpumpun liian pieni asetus aiheuttaa piirin nopean jäähtymisen koska liuoksen virtaus on laminaarinen/heikosti turbulenttinen. Näiden syiden vuoksi kuvassa 3 on esitetty käytännön kannalta parempi kompromissiratkaisu. Kuva 2: Vastepintamenetelmän optimi koeajotulosten perusteella hyötysuhteelle ja käynnistysmäärille.

10 DOE-RAPORTTI 10 (16) Kuva 3: Kompromissiratkaisu hyötysuhteen ja käynnistysten arvoiksi. Kuvista 2 ja 3 poiketen, lämmityskierron pumpun vaikutus käynnistysten määrään on enemmänkin lineaarinen kuin kuvien kaltainen käyrä. Kuvassa 4 on esitetty vastepintamenetelmän päävaikutuskuvat.

11 DOE-RAPORTTI 11 (16) Main Effects Plot for Käynnistykset1/d Means Mean of Käynnistykset1/d Liuoskierron lisäpumppu Lämmityskierron pumppu Huonelämpötila asetus A gray background represents a term not in the model. Mean of Hyötysuhde 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 0 Liuoskierron lisäpumppu A gray background represents a term not in the model. 5 Kuva 4: Vastepintamenetelmän päävaikutuskuvat 10 Main Effects Plot for H yötysuhde Means Lämmityskierron pumppu Huonelämpötila asetus Koska lämmitysjärjestelmän toiminta on riippuvainen ulkolämpötilasta, valittiin ulkolämpötila ja lämpötilan muutoksen suuruus verrattuna edelliseen koepisteeseen koeajon covarianteiksi. Ongelma vastepintamenetelmän kanssa on se, että covariantteja ei voida käyttää à koe analysoitiin myös 2-taso faktorikokeena samoilla koepisteillä ja lisäksi covariantteja käyttäen. Analyysin perusteella ulkolämpötilan muutos edelliseen koepisteeseen ei ollut merkitsevä käytettäessä mallin pienennyksessä stepwise-menetelmää. Optimoinnissa covarianttina käytettiin siis vain ulkolämpötilaa. 2-taso faktorikoeanalyysin tulokset on esitetty kuvissa 5 ja 6. Päävaikutuskuvat on esitetty kuvassa 7.

12 DOE-RAPORTTI 12 (16) Kuva 5: Analyysin tarjoamat optimitulokset muuttujille Kuva 6: Reunaehtojen mukainen kompromissi optimiarvoista 2-taso faktorikokeen analyysissä

13 DOE-RAPORTTI 13 (16) Kuva 7: 2-taso faktorikokeen päävaikutustekijät 7.3 Konfirmaatiokoeajon tulokset 7.4 Johtopäätökset Konfirmaatiokoeajon tuloksista voidaan päätellä, että projekti oli onnistunut. Lämpötilan keskiarvo oli konfirmaatiojaksolla -0,37 astetta. Järjestelmän hyötysuhteeksi saatiiin 5,457 ja käynnistysmääräksi 6kpl/d. Konfirmaatiokoe sijoittui ajallisesti väliselle jaksolle. Molemmat analyysitavat antoivat suhteellisen hyvän tuloksen hyötysuhteen arvioimiseksi. Kumpikaan ei kuitenkaan saanut ennustettua oikein käynnistysmäärää, joiden määrä osui melko tarkalleen puoleen väliin ennustuksia. Kokeen tuloksena järjestelmän hyötysuhdetta saatiin nostettua n. 10% aiemmasta käynnistysmäärien lisääntymättä.

14 DOE-RAPORTTI 14 (16) 8. PARANNUSTOIMENPITEET Järjestelmän koeajoon sisällytettyjä parametreja muutettiin taulukon 2 mukaisesti. Taulukko 2: Parametrien muutokset Vanha arvo Uusi arvo Liuoskierron lisäpumppu 8 5 Lämmityskierron pumppu Huonelämpötila asetus 23 22,5 9. JOHTOPÄÄTÖKSET 9.1 Saavutukset ja taloudelliset tulokset Projektissa saavutettiin n. 10% hyötysuhteen parannus aiempaan verrattuna ja lisäksi kompressorin päivittäinen käynnistysmäärä saatiin pidettyä vakiona tai sitä saatiin jopa laskettua aiemmasta. Hyötysuhteen parantaminen näkyy ostetun sähkön säästönä, jolloin voidaan laskea, että lämmityskustannukset laskevat n. 10% koska rakennusten tarvitseman lämmitysenergian määrä ei muutu. Lisäksi käynnistysten määrän vähentäminen kasvattaa kompressorin käyttöikää ja siirtää näin laitteen vaatimia korvausinvestointeja kauemmas tulevaisuuteen. 9.2 Opitut asiat ja suositukset Suunnitelmallisten optimointikoeajojen suorittaminen pienissä järjestelmissä on helppoa ja niiden sovellettavuus on hyvä. Vaikka vastepintamenetelmä vaatiikin melko suuren määrän koepisteitä, voidaan koepisteiden kesto pitää suhteellisen lyhyenä, jolloin kokeen suorittamiseen tarvittava aika ei veny mahdottomaksi. Soveltamalla kurssilla opittuja asioita voidaan parantaa kokeen analysointitarkkuutta tai ainakin esittää vaihtoehtoisia arvioita lopputuloksesta. 9.3 Tulevaisuuden suunnitelmat Optimoinnin voisi suorittaa myös kattilan polton osalta, jolloin saataisiin parhaiten hyöty irti myös puun poltosta. Lisäksi kesän grilli/savustuskausi odottaa reseptien ja olosuhteiden optimointia. Kurssin oppeja tullaan siis hyödyntämään jatkossakin työn ohella myös vapaa-ajalla. 9.4 Loppukommentit Harrastuksen vuoksi tehtävät projektit ovat mukavia toteuttaa ja parasta on se, että hyöty jää omaan taskuun. Lisäksi aina oppii uutta kokeiden suunnittelusta ja analysoinnista. On hyvä huomata, että DoE periaatteet pätevät niin suurissa prosessiteollisuuden laitoksissa kuin myös kotikoneissa.

15 DOE-RAPORTTI 15 (16) 10. LIITTEET 1. Koeajon data