11.4.2016 HH ENE-C2001 Käytännön energiatekniikkaa (KET) Katri Valan lämpöpumppulaitos / tehtävänanto Sisällysluettelo 1 Yleistä... 1 2 Ennakkoperehtyminen ja siihen liittyviä tietolähteitä... 2 3 Raportin kirjoittamisohjeet... 2 4 Lämpöpumpun toimintaperiaate... 2 4.1 Kompressoritekniikkaan perustuvat lämpöpumput... 3 4.2 Katri Valan lämpöpumppulaitoksen ajotilanteet eri vuoden aikoina... 6 5 Tehtävät... 7 5.1 Pohdinta- ja tiedonhankintatehtävät... 7 5.2 Laskutatehtävät... 9 5.3 Muut tehtävät...11 1 Yleistä Tässä asiakirjassa määritellään Katri Valan lämpöpumppulaitoksen ryhmätyöhön liittyvät tehtävät. Vierailuun liittyvät käytännön asiat (aikataulut jne.) esitetään erillisessä ohjeessa. Kukin ryhmä palauttaa kirjallisen raportin, jonka ulkoasusta ja jäsentelystä annetaan erillinen ohje. Raportista annetaan ryhmälle yhteinen arvosana. Erikseen valitaan ryhmä tai ryhmät, jotka pitävät myös suullisen esityksen loppuseminaarissa.
2 Ennakkoperehtyminen ja siihen liittyviä tietolähteitä Ennakkoperehtyminen ennen vierailua: Perehdy tähän tehtävänantoon, Nopassa jaettavaan materiaalin sekä Helenin kotisivuihin, joilta löytyy tietoa Helenistä sekä Katri Valan lämpöpumppulaitoksesta. 3 Raportin kirjoittamisohjeet Tässä raportissa on esitetty luvussa 4 lyhyesti lämpöpumpun yleinen toimintaperiaate sekä karkeasti Katri Valan lämpöpumppulaitoksen pääasialliset ajotilanteet ei vuodenaikoina. Luvussa 5 on annettu joukko tehtäviä, jotka on jaettu pohdinta- ja tiedonhankintatehtäviin sekä laskutehtäviin. Loppuraporttiin tulee sisältyä myös osio (kohta muut tehtävät), jossa kerrotaan ryhmän työskentelystä. Työssä on tarkoitus vastata kaikkiin annettuihin tehtäviin vierailusta saadun tiedon perusteella sekä muista lähteistä (netti, kirjallisuus) haettavan tiedon avulla. Kaikkiin tehtäviin ei ole olemassa mitään yhtä oikeata vastausta, vaan vastaus riippuu siitä, minkälaista tietoa löydätte aiheeseen liittyen, ja minkälaisia johtopäätöksiä vedätte saamastanne vastauksesta. Loppuraportin pitää olla itsenäinen tieteellinen kirjoitus siinä mielessä, että lukijan pitää ymmärtää se, vaikka hän ei näkisikään alkuperäistä tehtävänantoa. Työssä pitää siis omin sanoin kertoa, mihin kysymyksiin työ pyrkii vastaamaan. Työssä on myös hyvä tuoda esiin mahdolliset tehtäviin liittyvät rajaukset ja oletukset. Nämä selviävät paremmin kunkin tehtävänannon yhteydessä. Loppuraportin selkeys ja johdonmukaisuus sekä vastausten perustelut ovat osa kriteeristöä, jolla työtä arvioidaan. 4 Lämpöpumpun toimintaperiaate Kun lämpöpumppu toimii jäähdytyslaitteena, pidetään sen avulla tietty kohde halutussa lämpötilassa, joka on alhaisempi kuin ympäristön lämpötila. Tyypillisiä jäähdytettäviä kohteita ovat mm. huonetilat, jääkaappi, pakastin ja auto. Mikäli kohdetta ei jäähdytettäisi, nousisi sen lämpötila tietyn ajan kuluessa samaksi kuin ympäristön lämpötila. Huonetila jäähdytetään tavallisesti siten, että huoneesta poistetaan poistoilmaa, ja tilalle tuodaan korvausilmaa, joka on jäähdytetty jäähdytyslaitteella. Termodynamiikan näkökulmasta huonetila ja jäähdytyslaite edustavat ns. avointa systeemiä, joka voi vaihtaa sekä ainetta että energiaa ympäristön kannalta. Tavalliseen kotipakastinlokeroon lämpö siirtyy hyvästä eristyksestä huolimatta seinämien läpi, ja pakastinlokeroon siirtynyt lämpö poistetaan pakastimen yhteydessä olevaan kylmäkoneeseen lokeron ja kylmäkoneen välissä olevan seinämän läpi. Termodynamiikan näkökulmasta pakastinlokero ja jäähdytyslaite edustavat ns. suljettua systeemiä, joka voi vaihtaa ympäristön kanssa energiaa muttei ainetta. Käytännössä pakastinlokero vaihtaa ympäristön kanssa myös ainetta, kun pakastinlokeron ovi tai kansi avataan, mutta tämä on yleensä hyvin lyhyt aika verrattuna pakastimen tyypilliseen käyttöaikaan.
Kun lämpöpumppu toimii lämmityslaitteena, pidetään tietty kohde halutussa lämpötilassa, joka on korkeampi kuin ympäristön lämpötila. Mikäli kohdetta ei jäähdytettäisi, laskisi sen lämpötila tietyn ajan kuluessa samaksi kuin ympäristön lämpötila. Tyypillisiä lämpöpumpulla lämmitettäviä kohteita ovat huoneilma ja lämmin käyttövesi. Teollisuudessa lämpöpumppuja käytetään tavallisesti erilaisten prosessivirtojen lämmittämiseen. Lämpöpumput voidaan jakaa kahteen pääryhmään, jotka ovat kompressorilla toimivat lämpöpumput ja absorptioon perustuvat lämpöpumput. Sähköllä toimivat jääkaapit ja pakastimet sekä ilmalämpöpumput edustavat kompressoritekniikkaan perustuvia lämpöpumppuja. Sen sijaan kaasujääkaappi edustaa absorptiotekniikkaan perustuvaa lämpöpumppua/jäähdytyslaitetta. Katri Valan puiston alla oleva lämpöpumppulaitos perustuu kompressoritekniikkaan. Tässä työssä ei perehdytä tarkemmin absorptiotekniikkaan perustuviin lämpöpumppuihin. 4.1 Kompressoritekniikkaan perustuvat lämpöpumput Kuvassa 1 on esitetty kompressorilla toimivan lämpöpumpun toimintaperiaate, päätoimilaitteet sekä mahdolliset toiminta-arvot, kun lämpöpumppua käytetään pelkästään kaukokylmän tekemiseen. Mikäli kuvan 1 lämpöpumppua käytettäisiin lämmön tekemiseen, olisi vesi lämmitettävä selvästi korkeampaan lämpötilaan kuin 25 o C käyttökohteen lämpötilatasosta riippuen. Esim. kaukolämmityksessä sopiva lämpötilataso voisi olla 80-90 o C. Lämpöpumpun sisällä kiertävää ainetta kutsutaan työaineeksi. Lämpöpumpuissa voidaan käyttää lukuisia erilaisia työaineita, esim. ammoniakkia. Kun työaine johdetaan höyrystimeen alkaa se höyrystä, jolloin lämpö siirtyy ympäristöstä höyrystimeen höyrystäen työainetta. Työaineenaineen höyrystymislämpötilan pitää tämän vuoksi olla alhaisempi kuin ympäristön lämpötilan. Höyrystyneen työaineen paine nostetaan kompressorilla niin korkeaan paineeseen, että sen lauhtumislämpötila (sama asia kuin höyrystymislämpötila) on korkeampi kuin ympäristön lämpötila. Lauhduttimessa työaine lauhtuu jälleen nesteeksi, minkä jälkeen se johdetaan paineenalennusventtiilin kautta höyrystimeen. Sovelluksesta riippuen työaineen lauhtumislämpötila voi olla huomattavastikin korkeampi kuin ympäristön lämpötila. Lämpöpumpun kiertoprosessin tilapisteiden muutos esitetään usein ns. h, log p-diagrammissa. Kuvassa 2 on esitetty esimerkki kuvan 1 kiertoprosessista h,log p-diagrammissa, kun työaineena on R22. Kuvasta 2 nähdään, että työaine on vahvasti tulistunutta komprimoinnin jälkeen (lämpötila n. 100 o C) ennen kuin se jäähtyy ja saavuttaa höyrynpainetta vastaavan lauhtumislämpötilan 40 o C.
Kuva 1. Kompressorilla toimiva lämpöpumppu. Lauhduttimen lämpötila 40 o C ja höyrystimen lämpötila -4 o C edustavat kyseisien työaineen lauhtumis- ja höyrystymislämpötilaa lauhduttimen ja höyrystimen paineissa.
Kuva 2. Esimerkki kompressorilla toimivasta lämpöpumpun kiertoprosessista h, log p- diagrammissa, kun työaineena toimii R22. Kompressorilla toimivan jäähdytyslaitteiston suorituskykyä arvioidaan yleensä tehokertoimella (tunnetaan myös COP-kertoimena, Coefficient Of Performance). Mikäli lämpöpumpun tehtävänä on jäähdyttää kohdetta, määritetään sen teho- tai kylmäkerroin seuraavasti (ks. kuvan 1 merkinnät): Qin K =, (1) P missä Oin on jäähdytettävästä virrasta lämpöpumppuun siirrettävä lämpöteho ja P kompressorin tarvitsema sähköteho. Mikäli lämpöpumpun tehtävänä on lämmittää kohdetta, määritellään teho- tai lämpökerroin kuvan 1 merkinnöillä seuraavasti: Q = out L P, (2) missä O out on lämmitettävään virtaan siirrettävä lämpöteho lämpöpumpusta ja P kompressorin tarvitsema sähköteho.
4.2 Katri Valan lämpöpumppulaitoksen ajotilanteet eri vuoden aikoina Katri Valan lämpöpumppulaitosta pyritään ensisijaisesti ajamaan siten, että laitos tuottaa sekä kaukokylmää että lämpöä. Työaineen höyrystämiseen tarvittava lämpö voidaan ottaa kaukojäähdytysasiakkaalta palaavasta vesivirrasta, Viikin jätevesipuhdistamolta mereen poistettavasta vesivirrasta tai molemmista (ks. kuva 3). Talvella kaukokylmän tuottaminen voi olla perustellumpaa ns. luonnon jäähdytyksellä, eli kylmän tuottaminen tehdään merivedellä, ja lämpö höyrystimeen otetaan pelkästään jätevesivirrasta (ks. kuva 4). Kuva 4. Katri Valan lämpöpumppulaitoksen ajotapa, kun lämpö höyrystämiseen otettaan kaukojäähdytyksen paluuvesivirrasta, jätevesivirrasta tai molemmista.
Kuva 5. Katri Valan lämpöpumppulaitoksen ajotapa, kun kaukojäähdytykseen käytetään merivettä, ja lämpö höyrystimeen otetaan jätevesivirrasta. 5 Tehtävät Lue tehtävät huolellisesti ennen vierailua, koska osa tehtävien vastauksista selviää vierailun aikana. Mikäli teille tulee kysymyksiä tehtävistä, niin ottakaa yhteyttä Henrik Holmbergiin (ks. yhteystiedot erillisohjeesta) 5.1 Pohdinta- ja tiedonhankintatehtävät 1. Kuinka suuri osuus Helsingin rakennuskannasta lämmitetään kaukolämmöllä? Millaisilla laitoksilla Helen tuottaa kaukolämmön asiakkaille? Mainitse kolmen suurimman laitoksen nimet sekä niiden kaukolämmön mitoitustehot. Mitä polttoaineita Helen käyttää tällä hetkellä kaukolämmön tuottamiseen? Voit myös mainita eri polttoaineiden osuudet, jos ne löytyvät. 2. Helenin kaukolämpöverkkoon on liitetty myös lämpöakkuja, joihin voidaan varastoida lämpöä. Miksi kaukolämpöverkkoon on liitetty lämpöakkuja? 3. Katri Valan lämpöpumppulaitos tuottaa sekä kaukokylmää että lämpöä. Ketkä ostavat laitoksella tuotettua kaukokylmää? Mikä on asiakkaalle toimitetun kaukokylmän tyypillinen lämpötilataso? Millä mahdollisilla muilla keinoilla asiakas voisi tuottaa tarvitsemansa kaukokylmän kuin ostamalla sen Heleniltä? 4. Kuvassa 6 on esitetty erään Helenin asiakkaan kaukolämmön ja kylmän kulutuksen tuntitehot vuoden ajalta. Miksi kaukokylmää tarvitaan sydäntalvellakin ja vastaavasti kaukolämpöä kesän kuumimmilla helteillä?
5. Minkä vuoksi Helen päätti rakentaa Katri Valan lämpöpumppulaitoksen, ja miksi juuri Katri Valan puiston alle? Pohtiko Helen mahdollisia muita sijoituspaikkoja lämpöpumppulaitokselleen? Yritä saada näihin kysymyksiin vastauksia erityisesti vierailun aikana. 6. Kuvaile sanallisesti ja kuvien avulla, miten Katri Valan lämpöpumppulaitos toimii. Tuo esim. esiin, mistä lämmönlähteistä lämpö prosessiin otetaan, millaisilla lämmönsiirtimillä lämpö siirretään prosessiin ja prosessista pois, kuinka monta lämpöpumppupiiriä laitoksessa on, mitkä ovat laitoksen kaukolämmön ja jäähdytyksen mitoitustehot, mikä on laitoksen työaine jne. Varaudu myös selittämään laitoksen toimintaperiaate asiantuntevasti muille opiskelijoille, kun työt esitetään kurssin lopussa näyttelykävelyn avulla. 7. Mitkä ovat olleet Helenin kokemukset lämpöpumppulaitoksen toiminnasta? Yritä saada tähän kysymykseen vastauksia erityisesti vierailun aikana. 8. Minkälaisia kompressoreita laitoksessa käytetään, ja millainen on niiden toimintaperiaate pääpiirteissään? Mitkä ovat kompressorin päämitat? Mikä on yhden kompressorin ottama sähköteho? Kuinka laitoksella varmistetaan, että työaineen paine on kompressorin jälkeen asetusarvossaan? Mitkä muut kompressorit olisivat mahdollisesti sopineet prosessiin? Varautukaa kysymään näitä asioita erityisesti vierailun aikana. Mikäli ette saa kaikkiin kysymyksiin vastauksia, niin ilmoittakaa raportissanne, että tietoa ei ollut saatavilla tai sitä ei löytynyt. Kuva 6. Helenin tuottaman kaukolämmön ja jäähdytyksen tuntitehot eräänä esimerkkivuotena. Mittauksessa käytetyn energiamittarin pienin mittalukema on 0,1MWh, minkä vuoksi tätä pienemmät lukemat pyöristyvät joko 0,1 tai 0 MWh:iin kulutuksen suuruudesta riippuen.
5.2 Laskutatehtävät Laskutehtävien ratkaisuissa tulee esittää laskennan välivaiheet ja käydä selvästi ilmi, miten lopulliseen vastaukseen on päädytty. 9. Kuvassa 7 on esitetty lämpöpumppulaitoksen erään ajotilanteen prosessiarvot. Määritä kuvan tietojen perusteella seuraavat asiat: a. Prosessin tilapisteiden (1-8) lämpötilat ( o C), paineet (bar) ja massavirrat (kg/s). b. Lämpöpumppulaitoksen lämpökerroin (ts. lämmöntuotannon tehokerroin). Etsi sopivista lähteistä tietoa lämpöpumppujen tyypillisiä lämpökertoimien arvoista ja vertaa Katri Valan laitoksen lämpökertoimen arvoa tyypillisiin arvoihin. Millaisia johtopäätöksiä Katri Valan lämpökertoimen arvosta voidaan vetää tyypillisiin arvoihin verrattuna? c. Lämpöpumppulaitoksen kylmäkerroin (ts. laitoksen kylmäntuotannon tehokerroin). Etsi sopivista lähteistä tietoa jäähdytyslaitteiden tyypillisiä kylmäkertoimien arvoista ja vertaa Katri Valan laitoksen kylmäkertoimen arvoa tyypillisiin arvoihin. Millaisia johtopäätöksiä Katri Valan kylmäkertoimen arvosta voidaan vetää tyypillisiin arvoihin verrattuna? d. Exergia-analyysin avulla voidaan määrittää lämpöpumpun teoreettinen maksimilämpökerroin. Tällöin lämpöpumppu toimii reversiibelisti, eli se ei generoi yhtään entropiaa. Käytännössä kaikki laitteet toimivat irreversiibelisti (ts. palautumattomasti), eli lämpökertoimen teoreettista maksimia ei voida saavuttaa. Lämpöteknisesti kaikki laitteet tulisi kuitenkin suunnitella siten, että ne generoisivat mahdollisimman vähän entropiaa. Kuvan 7 toiminta-arvoilla lämpökertoimen teoreettiseksi maksimiarvoksi saadaan 6,0. Yrittäkää mainita joitakin keinoja (yksikin riittää), joilla kohdassa b. lasketun lämpökertoimen arvoa saataisiin parannettua lähemmäs teoreettista maksimia (ts. entropian generointi pienenisi).
99,9 o C Kuva 7. Laitoksen erään ajotilanteen prosessiarvot 10. Käytännössä Katri Valan lämpöpumppulaitos tuottaa useimmissa ajotilanteissa sekä kaukokylmää että lämpöä, kuten kuvan 7 ajotilanteessa. Mikä voisi olla mielestäsi järkevä tapa määrittää laitoksen tehokeroin tällaisessa tilanteessa? Perustele vastauksesi ja laske tehokerroin esittämälläsi tavalla kuvan 7 prosessiarvoilla. 11. Kuinka monta tonnia hiilidioksidipäästöjä lämpöpumppulaitos tuottaa vuorokaudessa kuvan 7 prosessiarvoilla laskettuna, jos oletetaan, että komprimoinnin tarvitsema sähkö tuotetaan Vuosaaren voimalaitoksen B-yksikössä? Oletetaan lisäksi, että B-yksikköä käytetään ainoastaan sähköntuotantoon (ns. lauhdeajo), jolloin sen hyötysuhde (sähköteho jaettuna polttoaineteholla) on 53,5%:a. Kuinka paljon hiilidioksidipäästöjä syntyisi vuorokaudessa, jos päästökertoimena käytettäisiin maakaasun sijasta Suomen sähköntuotannon keskimääräistä päästökerrointa? Kummalla tavalla päästöt pitäisi mielestäsi laskea? Perustele vastauksesi. Hae CO2-päästöjen päästökertoimet sopivasta lähteestä, ja muista mainita lähde lopullisessa raportissa. 12. Tarkastellaan edelleen kuvan 7 ajotilannetta, jossa Katri Valan lämpöpumppulaitos tuottaa sekä lämpöä että kylmää. Vertaa laitoksen tuottamia hiilidioksidipäästöjä tilanteeseen, jossa kaukolämpö tuotettaisiin erillisellä lämpökattilalla ja kaukokylmä jäähdytyslaitoksessa, jonka kylmäkerroin olisi sama kuin Katri Valan laitoksen. Vertaa päästöjä seuraavissa laskentatilanteissa: A) Katri Valan lämpöpumppulaitoksen ja kaukojäähdytyslaitoksen käyttämän sähkön päästökertoimena käytetään Suomen sähköntuotannon keskimääräistä
päästökertoimen arvoa. Erillisen lämpökattilan polttoaineena käytetään maakaasua, ja kattilan hyötysuhde (lämpöteho jaettuna polttoaineteholla) on 0,9. B) Katri Valan lämpöpumppulaitoksen käyttämä sähkö tuotetaan hiililauhdevoimalaitoksessa, jonka hyötysuhde (sähköteho jaettuna polttoaineteholla) on 0,4, ja kaikki lämpöpumppulaitoksen päästöt muodostuvat hiilen poltosta (tyypillisesti ns. marginaalituotantomuoto sähkölle). Erillisen kaukojäähdytyslaitoksen käyttämän sähkön päästökertoimena käytetään edelleen Suomen sähköntuotannon keskimääräistä päästökertoimen arvoa, ja erillisen lämpökattilan polttoaineena käytetään maakaasua. Lämpökattilan hyötysuhde on edelleen 0,9. C) Mitä johtopäätöksiä voit tehdä A- ja B-kohdan tuloksista? 5.3 Muut tehtävät Vastatkaa loppuraportissanne vielä seuraaviin kysymyksiin koskien ryhmätyöskentelyä. Kuka ryhmässä teki mitäkin ja miten ryhmän työskentely onnistui kokonaisuudessaan? Mikä ryhmätyöskentelyssä meni hyvin ja mitä tekisitte toisin?