Kaukolämmön lämmönjakokeskusten luokittelu Esiselvitys

TUTKIMUSRAPORTTI Nro VTT R 05836 07 20.6.2007 A2 max: 91,2 C A1 max: 100,7 C 100,0 C 100 P1: 98,1 C 80 60 40 20 20,0 C Kaukolämmön lämmönjakokeskusten luokittelu Esiselvitys Kirjoittajat Krzysztof Klobut & Ari Laitinen Luottamuksellisuus julkinen

Raportin nimi Kaukolämmön lämmönjakokeskusten luokittelu Esiselvitys Asiakkaan nimi, yhteyshenkilö ja yhteystiedot Asiakkaan viite Energiateollisuus ry Veli Pekka Sirola, puh. 09 5305 2303, veli pekka.sirola@energia.fi Projektin nimi Projektin numero/lyhytnimi Kaukolämpökeskusten luokittelu esiselvitys 12463 PreDH luokitus Raportin laatija(t) Sivujen/liitesivujen lukumäärä Krzysztof Klobut, Ari Laitinen 30/ Avainsanat Raportin numero VTT R 05836 07 Tiivistelmä Tässä esiselvityksessä tuotettiin ehdotus kaukolämmön lämmönjakokeskusten energialuokituksen pohjaksi. Projektissa määriteltiin luokituksessa oleelliset indikaattorit: vuotuinen lämpöhäviö, vuotuinen sähköenergiankulutus, mitoitusteho, lämpimän käyttöveden tuottokyky, säätöjen toimivuus ja kaukolämpöveden jäähtymä. Projektissa mitattiin yhden omakotitalokokoluokan lämmönjakokeskuksen lämpöhäviöt. Lämpöhäviöiden määrittäminen kaukolämpöpuolen syöttötehon ja talopuolen lämpötehojen (lämmitys + käyttövesi) erotuksena ei anna luotettavaa tulosta mittauksen epävarmuuksien ja lämpöhäviötehon pienuuden vuoksi. Luotettavampana mutta työläämpänä tapana pidettiin lämpöhäviön määrittämistä pintalämpötilojen avulla. Tässä suhteessa parannusta todettiin voitavan saavuttaa lämpökamerakuvauksen ja lämmönjakokeskusten 3D suunnittelukuvien yhdistämisellä, mutta menetelmä vaatii jatkokehitystä. Tämän esiselvitysvaiheen jatkoksi ehdotetaan pilottiprojektin käynnistämistä. Pilottiprojektissa testattaisiin käytännössä ehdotetun järjestelmän toimivuutta suppeassa mittakaavassa ja valmisteltaisiin järjestelmän varsinaista käyttöönottoa. Luokitusjärjestelmä palvelee alaa teknisessä laadun ylläpidossa ja loppuasiakasta tasokkaan palvelun saamisessa. Luokittelun tuloksena kaukolämpötuotteiden energiatehokkuus ja palvelutaso tulevat läpinäkyviksi, minkä seurauksena vaativa asiakkuus lisääntyy kiinteistötoimialalla, mikä edistää kansallista ilmastostrategiaa parempien ja energiatehokkaampien laitteiden yleistyessä rakennuskannassamme. Luottamuksellisuus julkinen Espoo 20.6.2007 Allekirjoitukset Markku Virtanen, Teknologiapäällikkö Jari Shemeikka, Tiimivetäjä VTT:n yhteystiedot VTT, PL 1000, 02044 VTT, puh. vaihde 020 722 111 Jakelu (asiakkaat ja VTT) Tilaaja, VTT Krzysztof Klobut, Erikoistutkija VTT:n nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän raportin osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT:ltä saadun kirjallisen luvan perusteella.

1 (29) Alkusanat Tämän yhteisrahoitteisen projektin rahoittajina olivat Energiateollisuus ry (50 %) ja VTT (50 %). Projekti oli osa Energiateollisuus ry:n Kaukolämpötutkimusohjelmaa 2006. Projektin johtoryhmän muodostivat Mirja Tiitinen (Energiateollisuus ry), Pekka Takki (Helsingin Energia), Jukka Hyvärinen (Danfoss Oy), Krzysztof Klobut (VTT) ja Ari Laitinen (VTT). Mittaukset suorittivat VTT:n toimesta Ari Laitinen ja Petri Hakulinen sekä Jari Sorola Danfoss Oy:n toimesta. Lämpökamerakuvaukset suoritti Erkki Vähäsöyrinki VTT:stä. Kiitämme rahoittajien edustajia ja projektin johtoryhmää heidän panoksestaan projektin tavoitteiden saavuttamiseksi. Espoo 20.6.2007 Tekijät

2 (29) Sisällysluettelo 1 Johdanto 3 2 Projektin sisältö 6 2.1 Tehtävät 6 2.2 Indikaattorit 6 2.3 Lämpöhäviöiden laskenta 7 3 Lämpöhäviömittaukset 10 3.1 Lämpöhäviöiden mittaaminen 10 3.2 Mittaustulokset 15 3.2.1 Palvelutaso 15 3.2.2 Lämpöhäviötehon määrittäminen 16 3.2.3 Pintahäviöiden mittaaminen 18 3.2.4 Sähkötehot 19 3.2.5 Vuotuiset energiankulutukset 21 3.3 Lämpökamerakuvaus 22 3.3.1 Lämpökamerakuvaus laboratoriossa 22 3.3.2 Lämpökamerakuvaus kenttäolosuhteissa 23 3.4 Tanskalainen menetelmä 24 3.5 CEN menetelmä 26 4 Yhteenveto 28 Lähdeluettelo 29

3 (29) 1 Johdanto Energian säästö on nähty Euroopan ja laajemmin koko maailman tasolla yhdeksi merkittävimmistä keinoista, jolla voidaan paitsi säästää energiaa, niin myös vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja vähentää energiahuollon riippuvuutta tuontienergiasta (öljy, kaasu, hiili). Energiansäästö on asetettu korkealle EU tason ilmasto ja energiatehokkuusstrategioissa ja viime vuosina on tehty useita asiaan liittyviä merkittäviä toimenpiteitä: 2002 rakennusten energiatehokkuusdirektiivi 2004 CHP direktiivi 2005 Eco design direktiivi 2006 energiapalveludirektiivi Muita toimenpiteitä mm. o kattiloiden ja kylmälaitteiden energiatehokkuusvaatimukset o uunien, kylmälaitteiden ja ilmastoinnin jäähdytyslaitteiden energialuokitusvaatimukset o toimistolaitteiden energiamerkintä o energian ja sähkön verotukseen liittyvä direktiivi (2003) Kotitalouksissa käytettävien laitteiden energiamerkintää tullaan jatkossa energiansäästöstrategian mukaisesti tehostamaan. Mitä tehostustoimenpiteet ovat ja mitä laitteita ne tulevat koskemaan, ei ole vielä tiedossa. Seuraavina vuosina EU on tiedottanut ainakin seuraavista energiatehokkuuteen liittyvistä toimenpiteistä (http://www.euractiv.com/en/energy/energy efficiency eu action plan/article 143199 ): 2008: Commission to make several new proposals: o on energy savings from office and street lighting (to be adopted by 2008); o on incandescent lamps and lighting in private households (to be adopted by 2009); o binding requirements to install passive heating and cooling in buildings; o proposal for an international energy efficiency agreement; o revision of energy labelling of domestic appliances directive. 2009: Revision of energy performance of buildings directive Toistaiseksi energiatehokkuus tai energiamerkintävelvoitteet eivät ole koskeneet kaukolämmön lämmönjakokeskuksia eikä lämmönjakokeskuksia ole nimetty lähiajan toimenpidelistoilla, joten nyt on hyvä aika toimia vapaaehtoisuuden pohjalta ja valmistella hyvä pohja lämmönjakokeskusten energialuokitukselle, joka voidaan tulevaisuudessa myydä Euroopan laajuisesti käytettäväksi. Rakennusten lämmitysenergian tuottoon tarkoitetuista laitteista lämmityskattiloilla on hyötysuhde ja lämpöpumpuilla COP indikaattorit, jotka kaikista puutteistaan huolimatta mahdollistavat edes jonkinlaisen tuotteiden välisen vertailun ainakin, energiateknisellä tasolla. Viime vuonna otettiin Euroopassa käyttöön pumppuja koskeva energialuokitus, joka on tiettävästi ensimmäinen kaukolämmön lämmönjako keskuksissakin käytettäviä komponentteja koskeva kansainvälinen luokitus. Sen sijaan standardeihin pohjautuvaa energia tai muuta (laatu)merkintää koskien kokonaisia lämmönjakokeskuksia ei ole käytössä

4 (29) tai (vielä) suunnitteilla EU:ssa. Yhtenä syynä lienee alan standardien vähäisyys. Toisaalta, lämmönsiirtimiä koskevan perusstandardin vaatimukset koettiin vaativiksi tuotteille (jotkut valmistajat) ja todettiin haasteellisiksi myös testauslaboratorioille (Klobut 2003). Vuoteen 2001 loppuun asti oli Suomessa käytössä alan yhteistyönä toteuttama laatuseurantajärjestelmä, joka pohjautui Suomen kaukolämpöyhdistyksen SKY:n ylläpitämään laiterekisteriin. Tähän rekisteriin kirjattiin lämmitys ja LKV siirtimiä sekä säätölaitteita, jotka hyväksytysti olivat päässeet läpi suoritusvaatimustesteistä. Järjestelmä auttoi alan toimijoita hankkimaan vain listalla olevia laitteita ja näin automaattisesti varmistettiin vain tasokkaiden tuotteiden pääsy käyttöön. Jotkut laitetoimittajat kokivat testauskustannukset korkeiksi ja siksi laatujärjestelmän ylläpito silloisessa muodossa lopetettiin. Nyt, muutama vuosi sen jälkeen on todettu, että kiristyvä taloudellinen kilpailu ei liene riittävä varmistamaan kaukolämpöjärjestelmien kaikilta osin moitteetonta ja energiatehokasta toimintaa alan ehdottomasti maailman kärkimaassa. Markkinoillehan on nyt ollut pääsy myös (edullisille) tuontituotteille, joiden suoritusarvoista ei ole kokemusta ja joiden CE merkintä ei ole pakollista. Ruotsissa Matilda hankkeen puitteissa kehitetään standardointi konseptia, jonka pääajatuksena on, että lämmönjakokeskuksen kokoonpano ja rakenne on ennalta määrätty ja koostuu esitestatuista ja tehtaalla valmiiksi viritetyistä komponenteista (Ehrlen 2006). Näin toivotaan muutamasta määrätystä tyyppikeskuksesta toiminnallistakin laatutaetta. Suomessa tämä ajatus ei ole saanut laajempaa kannatusta enimmäkseen käyttökohteiden laajan kirjavuuden takia. Tanskassa on tuoreeltaan kehitetty uusi laskentatyökalu, joka on tarkoitettu kaukolämmön lämmönjakokeskuksen energialuokituksen apuvälineeksi (Christiansen 2006). Siinä arvioidaan keskuksen energiatehokkuutta mm. lämpöhäviöiden, paluulämpötilan ja sähkön kulutuksen perusteella. Tämä lähestymistapa vaikuttaa käyttökelpoiselta Suomessakin, jos sitä täydennetään vielä ainakin lämpimän käyttöveden tuottokykyä kuvaavalla indikaattorilla. Tällaisen koko lämmönjakokeskusta koskevan instrumentin puute tulikin esille keväällä 2005 päättyneessä rakennusten ns. energiadirektiivin implementointia pohjustavassa RET (Rakennusten energiatehokkuus) hankkeessa (Shemeikka 2005). Voidaan ennustaa, että muiden vastaavien tavoin tuleva merkintä: ohjaa kuluttajia valinnoissa, auttaa kiinteistönomistajia kiinnittämään huomiota energian käyttöön, motivoi laitevalmistajia tuotekehityksessä, ja todennäköisesti johtaa energiansäästöön. Varovasti arvioituna voisivat vuotuiset säästöt koko Suomen tasolla olla taulukossa 1 esitetyn mukaiset.

5 (29) Taulukko 1. Kaukolämmön lämmönjakokeskusten lämpöhäviöiden energiansäästöpotentiaali. Suomen kaukolämmitys vuodessa: (lähes puolet asuin ja palvelurakennuksista) TWh Milj. Milj.t CO2 30 1200 6.6 1% säästö 12 0.07 RET hankkeessa määritettiin rakennusten energialaskentaa varten pientalon kaukolämmön lämmönjakokeskuksen lämpöhäviöt laskennallisesti ja silloin päädyttiin vuositasolla lähes 900 kwh:n lämpöhäviöön (Kuva 1). Lämpöhäviöt, (kwh) 120 100 80 60 40 20 0 tammikuu helmikuu maaliskuu huhtikuu toukokuu KL meno LÄM meno LKV meno kesäkuu heinäkuu KL paluu LÄM paluu LKV kierto elokuu syyskuu lokakuu marraskuu joulukuu kwh LKV kierto 148 LKV meno 120 LÄM paluu 70 LÄM meno 82 KL paluu 77 KL meno 400 Yhteensä 896 Kuva 1. RET projektissa laskennallisesti määritetyt kaukolämmön lämmönjakokeskuksen lämpöhäviöt.

6 (29) 2 Projektin sisältö 2.1 Tehtävät Projekti jaettiin seuraaviin osatehtäviin: Suunnittelu määritettiin tarvittavat indikaattorit Yhteydenpito konsultoitiin hankkeen tuloksista ja energialuokituksen sisällöstä energialaitosten ja alan yritysten kanssa Mittaukset suoritettiin yhden omakotikokoluokan lämmönjakokeskuksella Esittely lähetettiin projektin tulokset kommentoitavaksi alan avaintekijöille ja kerättiin palautetta mm. workshopissa ja kaukolämpötarkastajien päivillä Rovaniemellä Jatkoehdotus laadittiin pilottivaiheen projektiehdotus Tässä raportissa on yhteenveto indikaattoreista ja suoritetuista mittauksista. Muu aineisto, esittelykalvot ja jatkohankkeen projektiehdotus on jaettu johtoryhmässä ja luovutettu rahoittajalle erikseen. 2.2 Indikaattorit Projektin aikana kävi ilmeiseksi, että lämmönjakokeskuksen luokittelussa tulee ottaa huomioon energiaindikaattoreiden lisäksi myös muita tekniseen toimivuuteen liittyviä ominaisuuksia. Luokittelussa tulisi ottaa kantaa ainakin seuraaviin indikaattoreihin: Palvelutaso o lämmitystehon riittävyys o lämpimän käyttöveden tuottokyky ja säädön hyvyys Lämpöhäviöt vuodessa Sähkönkulutus vuodessa Primääriveden jäähtymä ja ensiöpuolen painehäviö Seuraavassa kuvassa (Kuva 2) on esitetty tämän projektin yhteydessä mitatun lämmönjakokeskuksen lämpimän käyttöveden säädön käyttäytyminen porrasmaisessa käyttöveden juoksutuksen muutostilanteessa. Kuvasta käy ilmi, että säädön hetkellinen poikkeama asetusarvosta (+55 ºC) on merkittävä.

7 (29) Test 1 (kesätilanne) Virtaus, (L/s) 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 LKV virtaus Ensiövirtaus LKV lämpötila 80 70 60 50 40 30 20 10 Lämpötila, ( C) 0.00 0 5 10 15 20 25 30 Aika (min) 0 Kuva 2. Indikaattorit / LKV:n säädön hyvyys. 2.3 Lämpöhäviöiden laskenta Lämmönjakokeskuksen lämpötilatasot vaihtelevat, säätötavasta johtuen, ulkoilman lämpötilan mukaan koska sekä kaukolämmön tulolämpötila, että lämmitysjärjestelmän menolämpötila muuttuvat ulkolämpötilan funktiona. Lämpöhäviöihin vaikuttaa lisäksi käyttöveden juoksutus, jolla on vaikutusta paitsi käyttövesipuolen lämpöhäviöihin, niin myös kaukolämpöveden paluulämpötilaan. Käyttöveden juoksutuksen vaikutus lämpöhäviöihin on kuitenkin vuositasolla marginaalinen johtuen suhteellisen lyhyestä käyttöajasta. Oheisessa kuvassa (Kuva 3) on havainnollistettu mitoitustilanteessa vallitsevia teoreettisia lämpötilatasoja lämmönjakokeskuksen eri osissa. Lämpöhäviöiden laskemiseksi on tunnettava ulkolämpötilan pysyvyys vuoden ajalta, joka riippuu paikkakunnasta eli myös lämpöhäviöt riippuvat paikkakunnasta. Kuvan 4 esimerkissä on käytetty Jyväskylän vuoden 1979 säätä lämpöhäviöiden määrittämisessä.

8 (29) 115 o C 70 o C 50 o C n. 40 o C 5 o C n. 25 o C 45 o C n. 30 o C 40 o C Kuva 3. Lämmönjakokeskuksen lämpötilatasot mitoitustilanteessa. Lämpötila, ( C) 120 100 80 60 40 20 KL_meno LÄM_meno KL_paluu LÄM_paluu Vuosi 1979 Tammikuu 1979 0 0 35 25 15 5 5 15 25 Ulkolämpötila, ( C) 720 600 480 360 240 120 Pysyvyys, (h) T_ulko 10.0 C KL_meno 90.5 C KL_paluu 35.0 C LÄM_meno 49.7 C LÄM_paluu 32.1 C Tamm. 1979 28 h Vuosi 1979 132 h Kuva 4. Lämmitysjärjestelmän lämpötilatasot ja ulkoilman pysyvyys vuoden aikana Jyväskylässä 1979. Aiemmista (Klobut 2003) rivitalo / pienkerrostalokokoluokan (lämmityksen mitoitusteho 66 kw) kaukolämmön lämmönjakokeskuksissa käytetyn eristämättömän lämmönsiirtimen mittauksista määritettiin tätä selvitystä varten lämpöhäviöt eri olosuhteissa. Tässä yhteydessä

9 (29) oletettiin, että mitattujen primääri ja sekundaaripuolen tehojen erotus olisi lämpöhäviöiden indikaattori (Kuva 5). 0.400 Levysiirrin, max teho 66 kw Tehopoikkeama (prim sek), (kw) 0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 Mittaus_1 Mittaus_2 0.000 16.6 49.8 66.0 8.5 24.6 33.5 25 % 76 % 100 % 13 % 37 % 51 % 1 2 3 4 5 6 Teho (kw), kuormitusaste, mittauspiste Kuva 5. Esimerkki aiemmin tehdystä rivitalokokoluokan lämmönjakokeskuksen lämpöhäviömittauksesta. Kuvasta 5 havaitaan, että lämpöhäviö vaihtelee eri olosuhteissa hyvin kapeissa raameissa, vain 170 360 W, vaikka siirtimen kuormitus muuttuu laajasti alueella 8,5 66 kw. Mittaukset on tehty kahteen kertaan kussakin toimintapisteessä, ja mittausten toistettavuus on hyvä.

10 (29) 3 Lämpöhäviömittaukset 3.1 Lämpöhäviöiden mittaaminen Suoraviivaisin keino määrittää siirrinpaketin lämpöhäviöt on mitata ensiö ja toisiopiirien virtaamat ja meno ja tulolämpötilat, joiden perusteella voidaan laskea lämpötehot ja häviöteho. Kuten yllä kuvatussa yhden siirtimen tapauksessa, myös koko lämmönjakokeskuksessa, häviöteho on ensiö ja toisiotehon erotus. Φ Φ Φ Φ Φ in out, H out, LKV out loss = q v, in = q = Φ = Φ v, out, H = q out, H in ρ in c v, out, LKV Φ + Φ out p, in ρ ( T out, H ρ out, LKV m, in c out, LKV T p, out, H c p, in ) ( T m, out, H p, out, LKV ( T T p, out, H m, out, LKV ) T cold, w ) missä Φ in on ensiöpuolen lämpöteho, W q v,in on mitattu ensiöpuolen tilavuusvirtaus, m 3 /s in on veden tiheys ensiöpuolella, kg/m 3 c p,in T m,in T p,in on ensiöpuolen veden ominaislämpökapasiteetti, J/(kg K) on mitattu ensiöpuolen menolämpötila, K on mitattu ensiöpuolen paluulämpötila, K Φ out,h on lämmityspiirin lämpöteho, W q v,out,h on mitattu tilavuusvirtaus lämmityspiirissä, m 3 /s out,h on veden tiheys lämmityspiirissä, kg/m 3 c p,out,h T m,out,h T p,out,h Φ out,lkv on veden ominaislämpökapasiteetti lämmityspiirissä, J/(kg K) on mitattu lämmityspiirin menolämpötila, K on mitattu lämmityspiirin paluulämpötila, K on lämpimän käyttöveden tuottoteho, W q v,out,lkv on mitattu lämpimän käyttöveden tilavuusvirtaus, m 3 /s out,lkv on lämpimän käyttöveden tiheys, kg/m 3 c p,out,lkv T m,out,lkv T cold,w on lämpimän käyttöveden ominaislämpökapasiteetti, J/(kg K) on mitattu lämpimän käyttöveden menolämpötila, K on mitattu kylmän käyttöveden lämpötila, K Φ out Φ loss on toisiopuolen lämpöteho, W on laskettu lämpöhäviöteho, W

11 (29) Lämpöhäviön määrittämistä on havainnollistettu kuvassa (Kuva 6). φ LOSS 115 ºC 70 ºC φ IN φ OUT 45 ºC 40 ºC φ LOSS = φ IN φ OUT Kuva 6. Lämpöhäviöiden määrittäminen ensiö ja toisiopiirien lämpötehoista yhden siirtimen tapauksessa. Kaukolämmön lämmönjakokeskuksen lämpötilat ja siten myös lämpöhäviöt vaihtelevat ulkolämpötilan mukaan ohjaus ja säätöjärjestelmän kontrolloimina. Vuotuisen lämpöhäviöenergian määrittämiseksi tulisi mitata kutakin ulkolämpötilaa vastaavat häviötehot ja kertoa vastaavalla ulkolämpötilan tuntipysyvyydellä sekä summata näin saadut häviöenergiat koko vuoden osalta. Käytännön syistä tämä on mahdotonta liian suuren (=kalliin) työmäärän johdosta. Tästä syystä laboratoriossa tehtävien mittausten määrää pyrittiin minimoimaan siten, että valitut mittauspisteet mahdollisimman hyvin edustaisivat koko vuoden olosuhteita. Mittaussuunnitelmaa laadittaessa tarkasteltiin Helsingin ulkolämpötilojen pysyvyyskäyrää ja päädyttiin suorittamaan mittaukset viidessä eri tilanteessa: 1) kesäolosuhde, jolloin ei ole lämmitystarvetta, 2) mitoitustilanne talvella, jolloin selviää siirtimien mitoitusteho, 3) kolme pistettä välikausilta, jotka edustavat ulkolämpötilan pysyvyyksiltään suunnilleen yhtä suuria osuuksia. Pysyvyyskäyrätarkastelua ja verkostojen lämpötilatasoja on havainnollistettu seuraavissa kuvissa (Kuva 7, Kuva 8) Edellä esitetyllä tarkastelulla päädyttiin taulukossa (kuvan 8 yhteydessä) esitettyihin mittauspisteisiin.

12 (29) 5 osaa start ( C) 30.0 stop ( C) 1.5 avg ( C) 8.7 count (h) 2204 25 % start ( C) 1.4 stop ( C) 3.5 avg ( C) 1.0 count (h) 2153 25 % start ( C) 3.6 stop ( C) 12.0 avg ( C) 7.8 count (h) 1993 23 % start ( C) 12.1 stop ( C) 20.0 avg ( C) 15.4 count (h) 2113 24 % Kumulat. pysyvyys vuodessa, (h) 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 Helsinki 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % start ( C) 20.1 stop ( C) 28.5 avg ( C) 22.3 count (h) 297 3 % 0 0 % 30 20 10 0 10 20 30 Ulkolämpötila, ( C) Kuva 7. Helsingin ulkolämpötilan pysyvyyskäyrä ja valitut mittauspisteet. exchanger 70/40 Primary Secondary Secondary Outdoor inlet inlet outlet temp temp temp temp 20.0 70.0 20.0 20.0 19.0 70.0 21.1 20.4 14.0 70.0 26.5 22.6 13.0 70.0 27.6 23.0 12.0 70.0 28.7 23.5 11.0 71.2 29.8 23.9 10.0 72.4 30.9 24.3 8.0 74.7 33.0 25.2 7.8 75.0 33.3 25.3 7.0 75.9 34.1 25.7 6.0 77.1 35.2 26.1 5.0 78.3 36.3 26.5 4.0 79.5 37.4 27.0 3.0 80.7 38.5 27.4 2.0 81.8 39.6 27.8 1.0 83.0 40.7 28.3 0.0 84.2 41.7 28.7 1.0 85.4 42.8 29.1 2.0 86.6 43.9 29.6 3.0 87.8 45.0 30.0 4.0 88.9 46.1 30.4 5.0 90.1 47.2 30.9 6.0 91.3 48.3 31.3 7.0 92.5 49.3 31.7 8.0 93.7 50.4 32.2 8.7 94.5 51.2 32.5 10.0 96.1 52.6 33.0 11.0 97.2 53.7 33.5 12.0 98.4 54.8 33.9 13.0 99.6 55.9 34.3 17.0 104.3 60.2 36.1 20.0 107.9 63.5 37.4 26.0 115.0 70.0 40.0 Lämpötila, (C) 140 120 100 80 60 40 20 0 Primary inlet Secondary inlet Secondary outlet 30.0 20.0 10.0 0.0 10.0 20.0 Ulkolämpötila, (C) Kuva 8. Lämmitysverkostojen lämpötilatasot mittauksiin valituissa ulkolämpötilapisteissä. Mittaukset Kaukolämpöverkon suoritettiin (ensiöpiiri) 31.1. 2.2.2007 tulolämpötila Danfoss vastaa (LPM):n määräyksessä laboratoriossa, K1/2003 Leppävirralla. annettua ohjeellista Mittauksen tulolämpötilaa kohteena ja lämmitysverkoston oli LPM:n vakiotuote (toisiopiiri) mitoitusteholtaan lämpötilat omakotitalosuuruus luokassa perinteisen patteriverkoston (Kuva laskennallisia 9 ). arvoja.

13 (29) Kuva 9. Mittauksissa käytetty omakotitalon lämmönjakokeskus (LPM). Mittausohjelma sisälsi 5 mittauspistettä ja mittauksissa käytetty tallennusväli oli 10 sekuntia. Mitattavat suuret olivat: sisään ja ulos menevät vesivirtaukset ja virtausten lämpötilat ensiö ja toisio puolella paine erot ensiö ja toisiopuolella sähkön ottoteho pintalämpötilat valituista pisteistä VTT:n antureilla. LKV säädin asetettiin antamaan +55 ºC:ta käyttövettä. Maksimi lämpimän käyttöveden virtaus oli 0,3 L/s. LKV kiertovirtaamaksi asetettiin 20 % maksimivirtaamasta, eli 0,06 L/s. LKV kierto oli päällä jatkuvasti. Kiertovirtausta jäähdytettiin matkalla noin 5 astetta, eli se paalasi siirtimelle noin +50 ºC asteisena. Taulukko 2. Mittauksissa käytetyt lämpötilapisteet ja ajankohdat. Mittaukset suunniteltiin siten, että ne saatiin suoritettua kolmen päivän aikana. Mittausjärjestys Ensiö tulo Toisio tulo Toisio meno Ajankohta Piste 1 70.0 20.0 20.0 ke 31.1.07 ip (lämmityssiirrin kiinni) Piste 2 94.5 51.2 32.5 to 1.2.07 aamu Piste 3 115.0 70.0 40.0 to 1.2.07 ap + lämpökamera Piste 4 75.0 33.3 25.3 to 1.2.07 ip Piste 5 83.0 40.7 28.3 pe 2.2.07 aamu

14 (29) Kussakin mittauspisteessä (1 5) kuormitettiin LKV siirrintä muuttamalla lämpimän käyttöveden juoksutusta portaittain seuraavasti (kunkin portaan kesto n. 5 min.): 0 % 50 % 100 % 25 % 0 % Portaassa 0 % siirtimen läpi virtasi vain kiertovirtaus. Pisteessä 1 (kesäolosuhteet) on lämmityssiirrin kiinni ja lämmityspiirin pumppu pois päältä. Kun viimeinen LKV juoksutuksen porras 0 % oli ajettu, toistettiin se vielä kun pumppu oli päällä (tästä eteenpäin se oli päällä kaikissa muissakin mittauspisteissä). Taulukko 3. Lämpimän käyttöveden juoksutuksen ohjelma mittauspisteessä 1. LKV virtaama Suhteellinen Juoksutusaika Huomioita virtaama 0 l/s 0% 5 min. lämmityssiirrin kiinni ja pumppu OFF 0,150 l/s 50 % 5 min. lämmityssiirrin kiinni ja pumppu OFF 0,300 l/s 100 % 5 min. lämmityssiirrin kiinni ja pumppu OFF 0,075 l/s 25 % 5 min. lämmityssiirrin kiinni ja pumppu OFF 0 l/s 0 % 5 min. lämmityssiirrin kiinni ja pumppu OFF 0 l/s 0 % 5 min. lämmityssiirrin kiinni ja pumppu ON Taulukko 4. Lämpimän käyttöveden juoksutuksen ohjelma muissa mittauspisteissä. LKV virtaama Suhteellinen Juoksutusaika Huomioita virtaama 0 l/s 0 % 5 min. lämmityssiirrin auki ja pumppu ON 0,150 l/s 50 % 5 min. lämmityssiirrin auki ja pumppu ON 0,300 l/s 100 % 5 min. lämmityssiirrin auki ja pumppu ON 0,075 l/s 25 % 5 min. lämmityssiirrin auki ja pumppu ON 0 l/s 0 % 5 min. lämmityssiirrin auki ja pumppu ON Mittauksissa käytettiin sekä laboratorion (LPM) mittausjärjestelmän mittareita että VTT:n mittareita. Virtauspiirien lämpötilat mitattiin ensisijaisesti laboratorion (LPM) omilla mittareilla, jotka varmistettiin VTT:n omilla mittauksilla. Ensiö ja toisiopuolen paineet mitattiin laboratorion mittausjärjestelmällä. Siirrinpaketin pintalämpötilat mitattiin VTT:n antureilla (termoelementti) ja tietojenkeruujärjestelmällä. Virtaukset mitattiin osin LPM:n mittareilla ja osin VTT:n mittarein: FE5 (LPM) korvattiin VTT:n mittarilla lämmityspiiri (n. 0,17 l/s) FE1 (LPM) kaukolämmön ensiöpuoli FE3 (LPM) lämpimän veden juoksutus VTT:n mittari lkv kiertopiiri (virtaamaksi säädettiin 0,06 l/s kun juoksutus oli kiinni)

15 (29) Kuva 10. Omakotitalon lämmönjakokeskus (LPM) mittauksessa Leppävirran laboratoriossa. 3.2 Mittaustulokset 3.2.1 Palvelutaso Lämpöhäviömittausten sivutuotteena saatiin tietoa myös lämpimän käyttöveden säädön toiminnasta kun siirtimelle tehtiin käyttöveden porrasmaisia muutoksia. Oheisesta kuvasta (Kuva 11) käy ilmi, että kasvatettaessa käyttövesivirtaamaa porrasmaisesti, käyttöveden lämpötila laskee hetkellisesti jopa 15 ºC alle asetusarvon (+55 ºC). Pienennettäessä käyttövesivirtausta porrasmaisesti havaitaan päinvastainen ilmiö, käyttöveden lämpötila kohoaa hetkellisesti lähes 15 ºC korkeammaksi kuin asetusarvo. Mitatut hetkelliset poikkeamat ylittävät määräyksissä K1/2003 annetun maksimipoikkeaman ±10 Cº. Tällaiset hetkelliset muutokset saattaa esimerkiksi suihkussa olija kokea epämiellyttävinä ja jopa vaarallisina. Erääksi syyksi suuriin lämpötilaheilahteluihin arveltiin liian pientä kiertovesivirtaamaa, joka mittauksissa oli asetettu arvoon, joka vastasi 20 % mitoitusvirtaamasta eli määräyksissä K1/2003 annettua vähimmäisarvoa. Käyttövesitesti osoittaa, että lämmönjakokeskusten testaukselle on tarvetta ja jonkinlainen palvelutasoa kuvaava indeksi on syytä liittää luokitteluun.

16 (29) Test 1 (kesätilanne) Virtaus, (L/s) 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 LKV virtaus Ensiövirtaus LKV lämpötila 80 70 60 50 40 30 20 10 Lämpötila, ( C) 0.00 0 5 10 15 20 25 30 Aika (min) 0 Kuva 11. Lämpimän käyttöveden lämpötilan käyttäytyminen käyttöveden virtaaman askelmuutoksissa. 3.2.2 Lämpöhäviötehon määrittäminen Mittauksissa pyrittiin lämpöhäviöteho määrittämään ensisijaisesti mittaamalla lämmönjakokeskukseen syötetty ja ulostuleva lämpöteho ja laskemalla lämpöhäviö näiden erotuksena. Seuraavassa kuvassa on lämmityskauden mittauspisteessä 2 (ensiöpuolen tulolämpötila noin 95 ºC ja toisiopuolen menolämpötila noin 51 ºC) määritetyt tehot (Kuva 12). Tarkastelemalla mitattuja tehoja havaitaan, että mitatut syöttö ja ulostulotehot ovat mittaustarkkuuden rajoissa yhtä suuria ja häviötehon määrittäminen siten mahdotonta. Taulukossa 5 on esitetty vielä yhteenveto eri toimintaolosuhteissa määritetyistä häviöistä. Taulukon 5 tulokset vahvistavat sitä käsitystä, että lämpöhäviön suoraviivainen määrittäminen ei antanut luotettavia tuloksia.

17 (29) 80 60 Test 2 IN OUT LOSS Teho, (kw) 40 20 0 0 10 20 30 40 50 20 Aika (min) Kuva 12. Siirtimen tehot laskettuna ensiöpuolelta (in) ja toisiopuolelta (out) sekä niiden erotuksena laskettu häviöteho (loss). Taulukko 5. Eri toimintapisteissä laskettu häviöteho. KL meno Tase (in out) (W) 70.0 test 1 34 94.5 test 2 41 115.0 test 3 327 75.0 test 4 224 83.0 test 5 159

18 (29) 3.2.3 Pintahäviöiden mittaaminen Lämpöhäviöt voidaan määrittää kun tunnetaan kappaleen pintalämpötila, ympäristön lämpötila ja kappaleen pinta ala: Φ = α A ( T p Ty ) missä on lämpöhäviö, W on lämmönsiirtokerroin, W/m 2 K A on pinta ala, m 2 T p T y on pintalämpötila, K on ympäristön lämpötila, K Lämmönjakokeskuksen yhteydessä on haastavaa määrittää siirtimen ja siihen liittyvän putkiston ja putkistovarusteiden pinta alat sekä vastaavat pintalämpötilat. Haastavuuden aiheuttaa putkistovarusteiden (venttiilit, mittarit, yhteet, ym.) monimuotoisuus ja niiden epätasainen pintalämpötilajakauma. Mitatusta lämmönsiirtimestä määritettiin pinta alat mittanauhalla ja pintalämpötilat sekä ympäristön lämpötila termoelementeillä. Näin saatiin karkeasti arvioitua siirtimen pintahäviöt, jotka eri toimintaolosuhteille esitetty seuraavassa kuvassa (Kuva 13). Pintahäviöt 100 90 80 Teho, (W) 70 60 50 40 test 1 test 2 test 3 test 4 test 5 0 10 20 30 40 50 60 Aika (min) Kuva 13. Mitattujen pintalämpötilojen ja pinta alojen mukaan lasketut pintahäviöt eri toimintapisteissä.

19 (29) Mitatut pintahäviöt vaihtelivat eri olosuhteissa 50 90 W:n välillä. Odotetusti suurin pintahäviö mitattiin mitoitusolosuhteissa (test 3), mutta erot eri olosuhteiden välillä eivät olleet suuria. Käyttöveden juoksutus näkyy selvästi häviöitä pienentävänä vaikutuksena vain kahdessa mittauksessa (test 1 ja test 2). Käyttöveden juoksutus vaikuttaa lähinnä kaukolämpöpiirin paluuputken lämpöhäviöihin, kuten oheisesta kuvasta selvästi havaitaan (Kuva 14). Selvästi suurin lämpöhäviö on kaukolämmön menoputkesta, joka on myös kuumin komponentti. Kaukolämmön menoputken osuus koko lämpöhäviöstä on noin kolmannes eli yli 30 %. Kuvasta havaitaan, että joidenkin osien (kylmävesiputki, paisuntasäiliö) lämpöhäviö on negatiivinen. Tämä johtuu kyseisten osien ympäristön lämpötilaa alhaisemmasta lämpötilasta. Negatiivisia tehoja ei ole otettu huomioon laskettaessa kuvassa 13 esitettyjä pintahäviöitä. Teho, (W) 30 25 20 15 10 5 Pintahäviöt / test 2 Siirrinpaketti (eristetty) Paisuntasäiliö Kaukolämpö menoputki Kaukolämpö paluuputki Lämmitys menoputki Lämmitys paluuputki LKV menoputki LKV kiertoputki KV menoputki 0 5 0 10 20 30 40 50 60 10 Aika (min) Kuva 14. Pintalämpötilojen ja pinta alojen perusteella lasketut pintahäviöt komponenteittain testissä 2. 3.2.4 Sähkötehot Mitatun siirrinpaketin sähköteho muodostuu lämmityspiirin ja LKV kiertovesijohdon pumppujen ja automaatiojärjestelmän sähkötehontarpeesta. Kummatkin pumput olivat vakiokierrosnopeuspumppuja, joten niiden sähkötehot pysyivät jotakuinkin vakiona lämpötehomittausten aikana. Tämä käy ilmi myös mittaustuloksista (Kuva 15), joissa sähkötehot olivat molempien pumppujen ollessa käynnissä 130 160 W:n välissä.

20 (29) Kesäolosuhdemittauksessa (test 1) lämmityspiirin pumppu oli aluksi pysähdyksissä, ennen kuin se mittauksen loppuvaiheessa käynnistettiin. Muissa testauspisteissä havaittavat sähkötehon vaihtelut johtuvat pääasiassa ohjaus ja säätöjärjestelmän tehovaihteluista. Päällä ollessaan pumput olivat maksimiasennossaan: LKV kiertovesipumppu asennossa 3 ja lämmönjakoverkoston kiertopumppu asennossa 5. Sähköteho 180 160 140 Teho, (W) 120 100 80 60 test 1 test 2 test 3 test 4 test 5 0 10 20 30 40 50 60 Aika (min) Kuva 15. Siirrinpaketin (pumput ja säätölaitteet) mitattu kokonaissähköteho eri toimintapisteissä. Pumppujen sähkötehot mitattiin myös eri säätöasennoilla (Kuva 16). Mittaukset suoritettiin siten, että siirtimen ohjaus ja säätöyksikkö sammutettiin ja pumput asetettiin suurimmalle mahdolliselle teholle: lämmityspiirin pumppu asentoon 5 ja käyttöveden kiertopumppu asentoon 3. Tämän jälkeen ensin LKV piirin pumppu asetettiin portaittain pienempään asentoon (3 1) ja lopuksi sammutettiin. Sama tehtiin tämän jälkeen lämmityspiirin kiertovesipumpulle (5 1). Tuloksista (Kuva 16) laskettiin käyttöveden kiertopumpun tehoiksi eri asennoilla 75 W 51 W 38 W ja vastaavasti 5 asentoisen lämmityspiirin pumpun tehoiksi saatiin 61 W 57 W 46 W 41 W 33 W. Lämpötehomittauksissa pumput olivat maksimiteholla, jolloin kokonaissähkötehosta vähentämällä pumppujen teho saadaan automaatiojärjestelmän tehonkulutukseksi noin 5 25 W.

21 (29) 160 140 136 120 112 Sähköteho, (W) 100 80 60 40 99 61 57 46 41 33 20 0 P 1/3 P 1/2 P 1/1 P2/5 P2/4 P2/3 P2/2 P2/1 Pumpun asento Kuva 16. Pumppujen sähkötehot (säätöyksikkö sammutettu) pumppujen eri toimintaasennoilla. 3.2.5 Vuotuiset energiankulutukset Eri toimintapisteissä mitatuista pintahäviöistä ja sähkötehoista laskettiin pysyvyystietojen perusteella lämmönjakokeskuksen vuotuinen lämpöhäviö ja sähköenergiankulutus sekä lisäksi kaukolämpöveden keskimääräinen jäähtymä vuoden aikana. Laskennan tulokset on esitetty taulukossa 6. Taulukko 6. Mitattujen lämpöhäviöiden ja toimintapisteiden pysyvyyden perusteella lasketut vuotuiset lämpöhäviöt ja sähköenergiankulutukset. kesto pinta pinta Primäär. jäähtymä vuodessa häviöt häviöt sähkö sähkö (in out) KL meno (h) (W) (kwh) (W) (kwh) (deg) (deg h) 70.0 2409 test 1 66 159 77 186 29.6 71 266 94.5 2204 test 2 79 175 149 329 64.0 141 122 115.0 1 test 3 93 0 156 0 85.0 85 75.0 1993 test 4 59 118 144 286 39.5 78 770 83.0 2153 test 5 74 160 148 319 45.9 98 895 8760 YHT 612 1 121 390 139 44.5 Lämmönjakokeskuksen lämpöhäviöt vuositasolla ovat 612 kwh, joka vastaa suuruusluokaltaan nykyaikaisen energialuokitellun jääkaappi pakastimen ominaiskulutusta. Sähkönkulutukseltaan omakotitalon kaukolämmön lämmönjakokeskuksen on lähes kaksinkertainen lämpöhäviöihin verrattuna. Kokonaisenergiankulutukseltaan (lämpö+sähkö) lämmönjakokeskuksen häviöt ovat lähes 3 kertaa suuremmat kuin jääkaappi pakastimen kulutus.