Lappeenannan teknillinen yliopito Teknillinen tiedekunta, Enegiatekniikka Kaukolämpöjohtojen optimaalien eitypakuuden takatelu Rapotti 4.9.009 Lappeenannan teknillinen yliopito Teknillinen tiedekunta. Enegiatekniikan oato PL 0 53851 LAPPEENRANTA
3 Tiivitelmä Kaukolämpövekkojen akentamiea tehtävät atkaiut ovat hyvin pitkävaikutteiia. Johtojen elinikä on ooittautunut huomattavati aikaiempia oletukia pitemmäki. Elinikä on nyt pitempi kuin taloudelliia lakelmia käytetty avio niitä akennettaea. Toiaalta kaukolämpöyhtiöiden taloudellinen ympäitö on muuttunut. Invetointien tuottovaatimuket ovat tiukentuneet kilpailun kiityeä. Tuotetun ähkön ja kaukolämmön hinta on nouut yleien ähkön hinnan noutea CO -kaupan atuea kuvaan mukaan. Kaukolämpöjohtojen eitypakuuden mitoitu peutuu tiettyjen vakiokokojen käyttöön johtoelementtien valmitukea. Vakiokoot on pyitty valitemaan iten, että niitä käyttämällä päätään kokonaiuuden kannalta taloudelliimpaan tulokeen. Valintaan vaikuttavat taloudelliet lakentapaametit, johtomateiaalien ja muiden akenneoien kutannuket, enegian hintauhteet (mm. tuotantotapa) ekä takatelujakon pituu. Täkeä uunnitteluun vaikuttava tekijä on myö vekotoa käytettävät lämpötilataot, joita on pyitty jatkuvati alentamaan amalla kun äätökäyiin on tehty muitakin tämennykiä. Kaikkien näiden paametien kohdalla on tapahtunut muutokia vuoien vaella. Myö tieto ei tekijöiden kehitytendeitä on tämentynyt aatujen kokemuten peuteella. Nykyiin nähdään myö aikaiempaa täkeämmäki ottaa huomioon koko elinkaaen aikaiet vaikutuket kutannukiin ja ympäitövaikutukiin. Eitypakuuden mitoitukeen vaikuttavat taloudelliten tekijöiden liäki myö tekniet tekijät, kuten lujuu ja joutavuu ekä aennutekniikka. Tutkimuken takoitukena oli päivittää eieitettyjen kaukolämpöjohtojen eitepakuuden mitoituken optimointiin vaikuttavat tekijät ja kehittää lakentamalli. Lakentamalliki laadittiin helppokäyttöinen lakentaohjelma, jolla ei eitypakuukien kutannukia voidaan vetailla toiiina. Gaafiten tuloteiden avulla voidaan vetailla lopputuloken hekkyyttä ei paametien uhteen. Lakentaohjelma toteutettiin Window-ympäitöön oveltuvati Excel-taulukkolakentaohjelmalla. Ohjelma laadittiin avoimeki iten, että en tautalla olevia tilatotietoja ja paameteja voidaan päivittää ja muuttaa hekkyytakatelujen tekemieki. Tehdyillä malleilla voidaan helpoti takatella ei oatekijöiden vaikututa ja apotoida aadut tuloket putkidimenioittain. Lämpöhäviölakenta ei akennetyypeille peutuu kijalliuudeta tuttuihin yhtälöihin. Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviöiden lakentaan on eitetty lukuiia analyyttiia atkaiuja. Tää apotia on viimeaikaien IEA-apotin mukaieti eitetty lämpöhäviöt uotalaien Chalmein teknillien yliopiton eittämän lakentamenetelmän mukaieti. Johto-oien kutannuket ja kutannuten iippuvuudet eitypakuudeta elvitettiin yhteityöä johtojen valmitajien ja uakoitijoiden kana (kutannutao 008). Rakennukutannukita on malliin päivitetty kekimäääiiä kutannukia. Riippuen paikkakunnata ja akentamien yleiitä eunaehdoita vainkin maaakennu- ja putkiaennukutannuket aattavat vaihdella kovatikin. Tehdyn kyelyn peuteella ooittautui, että eiteen hinta/tilavuu on vakio vain uuempien putkikokojen oalta. Kutannutao vakiintuu N 100 -putkikoota ylöpäin. Optimikokoa lakettaea onkin yytä aina takatella kiittieti ite johtojen hankintahintaa.
4 Mallin tuloket iippuvat voimakkaati valituita invetointien ja lämmön hinnoita, joten yleipätevää atkaiua uomalaiiin olouhteiiin ei ole yitetty eittää. Mekittävimmät optimiin vaikuttavat tekijät ovat lämpöhäviökutannu ja eitemateiaalikutannu. Maaakennutyön mekity on vähäinen ja uojakuoen kutannuvaikutu lähe olematon. Optimialue on vain laakea. Tämän apotin alkupeäien veion laati Lappeenannan teknillien yliopiton Enegiatekniikan laitoken pofeoi Lae Kokelainen ja yliaitentti Vea Meuonen. Kommentteja ja muutoehdotukia apottiin antoi Veli-Pekka Siola Enegiateolliuu y. Kommenttien peuteella laadittiin apotin lopullinen veio. Rapotin viimeitelytä vatai Uuiutuvien enegiajäjetelmien pofeoi Ea Vakkilainen.
5 Abtact When ditict heating netwok ae built the deciion made ae vey long-lating. Technical lifetime fo ditict heating netwok ha poved much longe than ealie aumed. And the lifetime ha been longe than in the financial calculation ued in building them. On the othe hand, fo the ditict heating companie, the economic envionment ha changed o that the etun-on-invetment equiement ae getting tighte, which might mean hote utilizable technical lifetime. The pice of poduced electicity and ditict heat ha inceaed with CO tading. Selection of inulation thicknee of ditict heating pipe i baed on ue of cetain fixed ized duing manufactuing. Thee tandad ized have been elected o that optimum economic ae achieved. Choice of thee tandad ized i affected by vaiou economical calculation paamete uch a cot of pipe mateial and pat, pice of enegy (epecially poduction method) and the length of utilization peiod. Anothe impotant paamete i alo the tempeatue level ued. Thee ha been continuou deceae of thee tempeatue at the ame time one ha tied to change thei contol. All thee paamete have been changing duing the pat yea. Alo the knowledge of tend on how thee paamete change ha impoved though expeience. Cuently it i thought pope to account all cot and envionmental effect duing the lifetime. Optimum inulation thickne i affected not only by the economical paamete uch a tength and elaticity a well a eection method. The tudy wa deigned to collect and update optimization facto fo dimenioning inulation thicknee of peinulated ditict heating pipe and ceate calculation model. The calculation model wa dawn up on a ue-fiendly calculation pogam. It can eaily be ued to compae diffeent inulation thicknee to each othe. With gaphical output enitivity of diffeent paamete can be compaed. Calculation method wa made to Window envionment by uing Excel peadheet calculation. The pogam wa dawn up open o that the undelying data and paamete can be updated and changed. With the model it i eay to examine the vaiou paamete that affect the deign outcome and epot the eult by nominal diamete. Heat lo calculation of diffeent deign pipe inulation type wa baed on liteatue and familia equation. Thee ae eveal analytical olution to calculate ditict heating pipe heat loe. In thi epot the calculation ae baed on the method decibed by Chalme Univeity of Technology a wa done in the ecent epot of IEA. Management of cot and cot inulation dependencie wee conducted fo each thickne of pipe in coopeation with manufactue and contacto (cot bae 008). Fom contuction cot aveage value have been elected a bae in the model. epending on locality and geneal contuction cot epecially eath emoving and pipe eection cot can change ignificantly. The cot inquiie made howed that the cot of inulation/volume i not contant except fo lage nominal diamete. The cot ae faily table fom N 100 upwad. When electing optimal ize it i uggeted to look citically the actual puchae cot of the whole pipe. Reult of the model change quite a bit depending on the choen invetment and heat cot. Theefoe univeal olution to Finnih condition ha not been attempted. The tonget effect of optimum i fom paamete uch a heat lo cot and inulation cot. The cot of eath emoval and potective jacket ha negligible effect on optimum. The optimum inulation thickne egion i quite hallow.
6
7 SISÄLLYSLUETTELO 1 ONGELMAN KUVAUS... 11 1.1 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET... 11 1. TOTEUTUS, VAIHEET JA TOIMENPITEET... 11 LÄMPÖHÄVIÖN MÄÄRITTÄMINEN... 13.1 LÄMPÖHÄVIÖT KIINNIVAAHOTETTU YKSIPUTKIELEMENTTI MPUK... 14. LÄMPÖHÄVIÖT KAKSIPUTKIELEMENTTI MPUK... 15 3 KUSTANNUKSET... 17 3.1 LÄMPÖHÄVIÖKUSTANNUS... 17 3.1.1 Lämpöhäviöenegia... 17 3.1. Häviöenegian hinta CHP-jäjetelmiä... 17 3. MATERIAALIKUSTANNUKSET... 17 3.3 INVESTOINTIKUSTANNUKSEN LASKENTA... 18 3.4 MATERIAALIEN INVESTOINTIKUSTANNUSTEN PERIAATTEELLINEN TARKASTELU... 19 3.4.1 Eiteen invetointikutannu... 19 3.4. Kuoimateiaalin kutannu... 0 3.4.3 Maaakennutyöt... 0 3.4.4 Kokonaikutannuket... 0 4 ERISTYSPAKSUUEN OPTIMOINNIN LASKENTAOHJELMAT... 1 4.1 ESIMERKKILASKENTA MPUK... 4.1.1 Yleitiedot... 4.1. Tekniet tiedot... 4.1.3 Rakennukutannu... 3 4.1.4 Yhteenveto invetointikutannuket... 4 4.1.5 Yhteenveto lämpöhäviöt...4 4.1.6 Yhteenveto vuoikutannuket... 5 4.1.7 Tulotu välilehti... 5 4. ESIMERKKILASKENTA MPUK... 5 4..1 Yleitiedot... 6 4.. Tekniet tiedot... 6 4..3 Rakennukutannu... 7 4..4 Yhteenveto invetointikutannuket... 7 4..5 Yhteenveto lämpöhäviöt...8 4..6 Yhteenveto vuoikutannuket... 8 4..7 Tulotu välilehti... 9 5 HERKKYYSTARKASTELUT... 30 5.1 MPUK... 30 5.1.1 Hekkyytakatelu 1... 30 5.1. Hekkyytakatelu... 31 5. MPUK... 3 5..1 Hekkyytakatelu 1... 3 5.. Hekkyytakatelu... 33 6 YHTEENVETO... 35 6.1 MPUK... 35 6. MPUK... 35 LIITTEET
8
9 KÄYTETYT SYMBOLIT a putkien välinen etäiyy MPUK-akenteella (m) a,n i t /d t ά g h h a H on annuiteettikeoin (1/a) puolet vitauputkien kekipiteiden etäiyydetä eiteen ulkohalkaiija (m) uojakuoen ulkohalkaiija (m) vitauputken ulkohalkaiija (m) lämmöniitokeoin maanpinnalla, (yleenä 1 15 W/(m, o C)) lämmöniitokeoin ympäitöön putkien välinen lämmöniitokeoin putken upotuyvyy (m) (huom! lakentaohjelmia H = peittoyvyy, jolloin upotuyvyy = H /) i nimellikokokanta (1/a) j inflaationopeu (1/a) K c alkuinvetoinnin uuuu ( ) K E K K K M K Q k c k Q k Qm k Qp n Q t R g R i R m t a Eitemateiaalikutannu Suojakuoikutannu Maaakennutyön kutannu lämpöhäviötä aiheutuva vuotuinen kutannu ( /m,a) invetoinnita aiheutuva vuoikutannu ( /a), lämpöhäviöenegian hinta ( /kwh) lämpöhäviöenegian hinta menojohdota lämpöhäviöenegian hinta paluujohdota invetoinnin pitoaika (a) vuotuinen lämpöhäviöenegia (kwh/m,a) eaalikokokanta (1/a) uojakuoen ulkohalkaiija (m) vitauputken ulkohalkaiija (m) maapeän lämpövatu/pituu (m o C/W) eiteen ja vaipan lämpövatu/pituu (m o C/W) putkien kekinäien vaikutuken huomioiva lämpövatu/pituu (m o C/W) lämpöhäviön vuotuinen käyttöaika (h/a) T 0 ulkoilman lämpötila ( o C) T m menolämpötila ( o C) T p paluulämpötila ( o C)
10 W jätekutannu takatelujakon lopua ( ) w on mateiaalieta invetoinnita aiheutuva jäte- tai poitokutannu uhteea alkuinvetointiin (-) Keikkalaiet kijaimet Φ m menoputken lämpöhäviö (W/m) Φ p paluuputken lämpöhäviö (W/m) Φ lämpöhäviö ympäitöön (W/m) Φ a putkien välinen lämpövita (W/m) λ g maapeän lämmönjohtavuu (W/m o C) λ C eiteen ja vaipan lämmönjohtavuu (W/m o C)
11 1 ONGELMAN KUVAUS Kaukolämpövekkojen akentamiea tehtävät atkaiut ovat hyvin pitkävaikutteiia. Johtojen elinikä on ooittautunut huomattavati aikaiempia oletukia pitemmäki, ja pitemmäki kuin taloudelliia lakelmia käytetyt aviot. Toiaalta kaukolämpöyhtiöiden taloudellinen ympäitö on muuttunut iten, että invetointien tuottovaatimuken ovat tiukentuneet kilpailun kiityeä, mikä johtaa takateluvälin lyhenemieen. Kaukolämpöjohtojen eitypakuuden mitoitu peutuu tiettyjen vakiokokojen käyttöön johtoelementtien valmitukea. Vakiokoot on pyitty valitemaan iten, että niitä käyttämällä päätään kokonaiuuden kannalta taloudelliimpaan tulokeen. Valintaan vaikuttavat taloudelliet lakentapaametit, johtomateiaalien ja muiden akenneoien kutannuket, enegian hintauhteet (mm. tuotantotapa) ekä takatelujakon pituu. Täkeä uunnitteluun vaikuttava tekijä on myö vekotoa käytettävät lämpötilataot, joita on pyitty jatkuvati alentamaan amalla kun äätökäyiin on tehty muitakin tämennykiä. Kaikkien näiden paametien kohdalla on tapahtunut muutokia vuoien vaella. Myö tieto ei tekijöiden kehitytendeitä on tämentynyt aatujen kokemuten peuteella. Nykyiin nähdään myö aikaiempaa täkeämmäki ottaa huomioon koko elinkaaen aikaiet vaikutuket kutannukiin ja ympäitövaikutukiin. Eitypakuuden mitoitukeen vaikuttavat taloudelliten tekijöiden liäki myö tekniet tekijät, kuten lujuu ja joutavuu, ekä aennutekniikka ja en uhteen tapahtunut kehity. Eitypakuuden optimointi peutuu lämpöhäviöiden lakentamalliin, jolla lakennallieti avioidaan lämpövita maapeään ja johdota toieen. Myö lakennan oalta on käytettäviä aikaiempaa takempaa kokemupeäitä tietoa ja kehittyneempiä lakentamalleja. Takempien valintojen tekemieki on tapeen ylläpitää ja päivittää uunnitteluun vaikuttavaa tietoa ja lakentamenetelmiä. Optimointilakelmia voidaan takatella ei tekijöiden muutoten vaikutukia lopputulokiin. 1.1 Tutkimuken tavoitteet Tutkimuken takoitukena oli keätä ja päivittää eieitettyjen kaukolämpöjohtojen eitepakuuden mitoituken optimointiin vaikuttavat tekijät ja lakentamallit. Mitoituken optimointilakentaan eitetään lakentamalli, jolla voidaan tutkia ei paametien vaikututa mitoitutulokeen. Tehdyillä mallilla voidaan helpoti takatella ei oatekijöiden vaikututa ja apotoida aadut tuloket putkidimenioittain. 1. Toteutu, vaiheet ja toimenpiteet a) Lämpöhäviöiden eittäminen Eitetään lämpöhäviölakenta ei akennetyypeille. Lämpöhäviölakenta peutuu kijalliuudeta tuttuihin yhtälöihin.
1 b) Kutannuelvity Johto-oien kutannuket ja kutannuten iippuvuudet eitypakuudeta elvitettiin yhteityöä johtojen valmitajien ja uakoitijoiden kana (kutannutao 008). c) Lakentamallin kehittäminen Lakentamallia laadittiin helppokäyttöinen lakentaohjelma, jolla ei eitypakuukien kutannukia voidaan vetailla toiiina. Gaafiten tuloteiden avulla voidaan vetailla lopputuloken hekkyyttä ei paametien uhteen. Lakentamalli toteutettiin Window -ympäitöön oveltuvati Exceltaulukkolakentaohjelmalla. Ohjelma laadittiin avoimeki iten, että en tautalla olevia tilatotietoja ja paameteja voidaan päivittää ja muuttaa hekkyytakatelujen tekemieki.
13 LÄMPÖHÄVIÖN MÄÄRITTÄMINEN Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviöiden lakentaan on eitetty lukuiia analyyttiia atkaiuja. Tää apotia on viimeaikaien IEA apotin 1 mukaieti eitetty lämpöhäviöt uotalaien Chalmein teknillien yliopiton eittämän lakentamenetelmän mukaieti. T 0 H λ G λ c t λ c T m T p Kuva 1. Maahan upotettujen ykiputkiten kaukolämpöjohtojen lämpöhäviöiden määittäminen Takatellaan lämpöhäviön määittämitä ei komponenttien pohjalta, kuvan 1 mukaieti. Kokonailämpöhäviö pe pituuykikkö Φ m on menoputken lämpöhäviön pe pituuykikkö Φ m ja paluuputken lämpöhäviön pe pituuykikkö Φ p umma. Θ = Θ Θ (1) ' tot ' m ' p Toiaalta voidaan lämpöhäviöiden ajatella kootuvan putketa ympäitöön iityvätä komponentita Φ ja putkien välietä komponentita Φ a. Lämpöhäviöt voidaan illoin määitellä uudelleen Θ = Θ Θ () ' m ' p ' ', a Θ = Θ Θ (3), a Lämpöhäviö ympäitöön voidaan tällöin määitellä lämmöniitoketoimen h avulla Tm T ' p Θ = T0 πλgh (4) 1 Schmitt, Fiede, Hoffmann, Heinz-Wene and Göhle, Toten, 005, Stategie to manage heat loe - Technique and Economy. Intenational Enegy Agency Pogam of eeach, evelopment and emontation of itict Heating, 11p. Jafelt, U. Jämföele mellan dubbel- och enkelö, Ackumuleade vämefölute och miljöbelatning unde 5 å difttid FOU 00:79, Svenka Fjävämefoeningen Sevice AB, Stockholm, Sweden 00
14 miä T m on menolämpötila ( o C) T p on paluulämpötila ( o C) T 0 on ulkoilman lämpötila ( o C) Lämpövita putkien välillä voidaan määitellä lämmöniitoketoimen h a avulla a G p m a h T T πλ ' = Θ (5).1 Lämpöhäviöt kiinnivaahdotettu ykiputkielementti MPUK Kuva. Kaukolämpöjohdon peiaatekuva, ykiputkiakenne Kokonailämpöhäviö pe pituuykikkö Φ m on menoputken lämpöhäviön pe pituuykikkö Φ m ja paluuputken lämpöhäviön pe pituuykikkö Φ p umma. ' ' ' p m tot Θ = Θ Θ (1) Lämmöniitoketoimet h ja ha, joia huomioidaan maapeän lämpövatu R g, eiteen ja vaipan lämpövatu R i ja putkien kekinäien vaikutuken huomioiva lämpövatu R m, voidaan määätä putkien upotuyvyyden H ja putkien kekipiteiden etäiyyden avulla ( ) 1 1 4 1 ln ln 1 = H H H H h β β β (6)
15 1 H 4( ) ln ln H 1 H H = β (7) ha 1 β 1 β joa apuuue β on määitelty euaavati λ G β = ln (8) λc t. Lämpöhäviöt kakiputkielementti MPUK Kakiputkielementin akennepeiaate on eitetty kuvaa 3. Kuva 3. Kakiputkielementin peiaatekuva Lämpövatuten lakenta tapahtuu amoin peiaattein kuin edellä ykiputkiakenteellekin. T 0 λ G H λ c t T m T p Kuva 4. Kakiputkielementin lämpöhäviöiden määittäminen
16 Kokonailämpöhäviö on ii: ' ' ' p m tot Θ = Θ Θ (1) Toiaalta voidaan lämpöhäviöiden ajatella kootuvan putketa ympäitöön iityvätä komponentita Φ ja putkien välietä komponentita Φ a. Lämpöhäviöt voidaan illoin määitellä kuten edellä lämmöniitoketoimien h ja h a avulla. Lämmöniitoketoimet h ja h a, joia huomioidaan maapeän lämpövatu R g, eiteen ja vaipan lämpövatu R i ja putkien kekinäien vaikutuken huomioiva lämpövatu R m, voidaan määätä putkien upotuyvyyden H ja vitauputkien kekipiteiden etäiyyden avulla ( ) ( ) ( ) = 4 4 4 4 3 4 4 4 1 ln ln ln 1 H h t t t t G C δ δ δ λ λ (9) ( ) ( ) 4 4 4 4 4 4 1 4 ln ln 1 = H H H h t t t t t t t a γ δ γ δ γ δ (10) joa apuuuet σ ja γ on määitelty euaavati: G C G C λ λ λ λ δ = (11) ( ) 1 1 = H δ δ γ (1)
17 3 KUSTANNUKSET 3.1 Lämpöhäviökutannu Lämpöhäviötä aiheutuva kutannu voidaan lakea euaavati. 3.1.1 Lämpöhäviöenegia Lämpöhäviöenegia on ' ' ( Θ m Θ p ) t a Q = (13) joa Q on vuotuinen lämpöhäviöenegia [kwh/m,a] t a on lämpöhäviön vuotuinen käyttöaika [h/a] Lämpöhäviötä aiheutuva vuotuinen kutannu [ /m,a] on K Q ' ' ( Θ m k Qm Θ p k Qp ) t a = (14) joa k Qm on lämpöhäviöenegian hinta menojohdota ja k Qp on lämpöhäviöenegian hinta paluujohdota. Jo meno- ja paluujohdota tapahtuvat lämpöhäviöenegiat ovat amanhintaiia, voidaan ykinketaiuuden vuoki kijoittaa: K Q ' ' ( Θm Θ p ) kqta = (15) joa k Q on lämpöhäviöenegian hinta [ /kwh]. 3.1. Häviöenegian hinta CHP-jäjetelmiä Yhteituotantolaitokia häviöenegian hintana käytetään oveltuvalla menetelmällä, eim. hyödynjakomenetelmällä lakettua lämmön hintaa. 3. Mateiaalikutannuket Mateiaalikutannukia ovat: Eitemateiaalikutannu Kuoimateiaalikutannu Maaakennukutannuket Kutannuket ovat luonteeltaan pitkävaikutteiia pääomakutannukia. Liäki voidaan olettaa, että käyttöiän lopua mateiaalin hävittämietä aiheutuu jätekutannu, joka on veannollinen invetointiin. Jätekutannuta ei lakelmia kuitenkaan ole huomioitu.
18 3.3 Invetointikutannuken lakenta Oletetaan invetoinnin tapahtuvan takatelujakon alkuhetkellä. Alkuinvetoinnin uuuu on K c. Liäki mateiaalin poitota takatelujakon lopua aiheutuu jätekutannu W, jonka uuuu on W = wk c. Pitkävaikutteieta ketainvetoinnita K c aiheutuva vuoittainen pääomakutannu on k n C = a, nkc 1 w(1 ) ) = a, n ( K (16) C joa k c on invetoinnita aiheutuva vuoikutannu [ /a], a,n on annuiteettikeoin [1/a] eaalikokokannalle, kun i on nimellikokokanta [1/a] ja j on inflaationopeu [1/a], w on mateiaalieta invetoinnita aiheutuva jäte- tai poitokutannu uhteea alkuinvetointiin Annuiteettikeoin laketaan yhtälöllä n (1 ) a, n = (17) n (1 ) 1 joa on eaalikokokanta [1/a] n on invetoinnin pitoaika [a] 5.0 0.50 0.0 0.00 Reaalikoko [1/a] 15.0 10.0 5.0 0.0 0 4 6 8 10 1 14 16 18 0 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 Annuiteettikeoin [1/a] 0.150 0.100 0.050 10 1 14 17 0 5 30 35 40 45 50-5.0-10.0 0.000 0 4 6 8 10 1 14 16 18 0 Nimellikokokanta [1/a] Reaalikokokanta [1/a] a) b) Kuva 5. a) Reaalikokokanta ei inflaationopeukilla ja b) Annuiteettikeoin pitoajata ja eaalikokokannata iippuen
19 3.4 Mateiaalien invetointikutannuten peiaatteellinen takatelu Oletetaan, että mateiaalikutannuket voidaan muuntaa muotoon, joa ne ovat iippuvaiia tilavuudeta. Mekitään kutannuoien ajakutannukia euaavati: 1. Eitemateiaalin kutannu g E = ΔK E / ΔV E [ /m 3 ]. Kuoimateiaalin kutannu g K = ΔK K / ΔV K [ /m 3 ] 3. Maanakennutyön hinta g M = ΔK M / ΔV M [ /m 3 ] Kutannuten oalta ei aboluuttinen kutannuken avo ole niin mekittävää kuin tilavuuden muutoketa (eitepakuuden muutoketa) aiheutuva kutannuten uhteellinen muuto. 3.4.1 Eiteen invetointikutannu Eiteen tilavuu putkipituutta kohti on V E ( ) = π (18) t Eiteen hinta putkipituutta kohti on K E E E E ( ) = g V = g π (19) t Tehdyn kyelyn peuteella ooittautui, että eiteen hinta/tilavuu on vakio vain uuempien putkikokojen oalta. Kuvan 6 mukaieti kutannutao vakiintuu putkikoota N 100 ylöpäin. Kuva 6. Ykiputkiakenteen kokonaikutannuket eiteen tilavuutta kohti Koka pienillä johdoilla eiteen ominaihinta vaihtelee voimakkaati, on niiden oalta käytettävä vetailuavona todellita johdon kokonaikutannuta. Lakentaohjelmia tämä on toteutettu kaikia dimenioia.
0 3.4. Kuoimateiaalin kutannu Kuoimateiaalin kutannukeki aadaan vataavati: K K K K K ( ) = g V = g π (0) 3.4.3 Maaakennutyöt k t Maaakennutöiden oalta tilavuuden muuto aiheutuu lähinnä kaivannon leveyden muutoketa eitypakuuden muuttuea. Eitypakuuden muuttuea -mitta muuttuu niin, että kaivannon levey B on veannollinen eitypakuuteen, jolloin vataavati 3.4.4 Kokonaikutannuket Kokonaiinvetointikutannuket ovat: K Kok = K E K K K M (1) Näitä aadaan yhditettynä lämpöhäviökutannukiin euaavan kuvan mukaiet kokonaikutannuket: Kuva 7. Peiaatteellinen kuva eitypakuuden optimoinnita Kuvata 7 nähdään ei tekijöiden uuuuluokat optimoinnia kekikokoiella johdolla. Mekittävimmät tekijät ovat lämpöhäviökutannu ja eitemateiaalikutannu. Maaakennutyön mekity on vähäinen ja uojakuoen kutannuvaikutu lähe olematon. Optimialue on vain laakea.
1 4 ERISTYSPAKSUUEN OPTIMOINNIN LASKENTAOHJELMAT Kiinnivaahdotettujen kaukolämpöjohtojen eitypakuuden optimointia vaten on tehty kaki lakentaohjelmaa: MPUK lakenta (ykiputkiakenteen lakentaa vaten) ja MPUK lakenta (kakiputkiakenteen lakentaa vaten). Ohjelmat on toteutettu Excel-taulukkolakennan pohjalle. Ohjelma näyttää välilehdillä lähtötiedot, lakennan kulkua ekä tulokia numeeieti ja gaafieti. Ohjelman käyttäjä pääee muuttamaan lakennan lähtötietoja. Lähtötiedot annetaan niihin uutuihin, joiden tautat ovat tummennettuja. Muut tietokentät on uojattu niin, ettei käyttäjä vahingoia voi muuttaa lakentakaavoja. Suojauken voi tavittaea pukaa ilman alaanaa. Lakennaa on pohjana pojektin aikana keättyjä kutannutietoja. Ohjelmiin eitäytetyt kutannutiedot vataavat vuoden 008 uuuuluokkataoa Suomea, ja putkien mittatiedot vataavat tandadeja SFS-EN 53:009 ja SFS-EN 15698-1:009. Tulotuivulle mallit tulotavat lakennan lähtötiedot ekä tulokena aatavat johtojen lämpöhäviöt ja kokonaikutannuket ei eitypakuukilla, jotka on toteutettu muuttamalla uojakuoen halkaiijaa tandadinmukaiia vakiodimenioita käyttämällä. Lakentaohjelmat toimivat amalla tavoin ja niiden antamat tuloket ovat vetailukelpoiia, jo käytetään amoja lakentapaameteja. Kohdia 4.1 ja 4. on eitetty eimekkilakentana optimointitakatelujen peutapauket MPUK- ja MPUK-akenteille lähtö- ja tulotietoineen ja kohdaa 5 näille hekkyytakatelut.
4.1 Eimekkilakenta MPUK Eimekkilakelmana on eitetty yhteituotantoon (lämmön hinta 5 /MWh) pohjautuva peutapau kohdia 4.1.1 ja 4.1. eitetyillä lähtötiedoilla. Kohdaa 5 on tälle eitetty kaki ääipään hekkyytakatelua, toinen invetoinnin mekitytä painottava ja toinen lämpöhäviökutannukia painottava. 4.1.1 Yleitiedot Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviölakenta MPUK Lakentatapau: Tekijä: Peutapau (yhteituotanto) NN Päiväy: 1.9.009 Kutannutekijät Vuotuinen käyttöaika 8760 h/a Kokokanta 6.0 % /a Inflaatio.0 % /a > Reaalikokokanta 3.9 % /a Pitoaika 50 a Lämmön hinta 5 /MWh Lämmön hinnan nouuvauhti 3.5 % /a o > Kekihinta takatelujakolle 51.84 /MWh Yleitiedot ivulle täytetään lakennan peutiedot. Yleenä oletetaan, että johto on käytöä ympäi vuoden. Tyypillitä kaukolämpöinvetoinneille on e, että eaalikokokanta ei ole kovin kokea. Pitoaikana tulii käyttää johdon teknitä käyttöikää. Lämmön nykyhinta on mekittävin tulokiin vaikuttava tekijä. 4.1. Tekniet tiedot Lämmöniito-ominaiuudet Eiteen lämmönjohtavuu Kuoen lämmönjohtavuu Maapeän lämmönjohtavuu Maan pinnan lämmöniitokeoin 0.09 W/mK 0.43 W/mK 1.5 W/mK 1.0 W/mK Lämpötilat Menolämpötila 85 Paluulämpötila 45 Maapeän lämpötila 6 o C o C o C Mitat Peittoyvyy, H Putkien välinen etäiyy, a 600 mm 150 tai 00 mm
3 Tekniet tiedot -välilehdellä yötetään putkiton yleiiä tekniiä ominaiuukia. Lämmöniito-ominaiuudet eivät yleenä vaihtele paljoa oletuavoita. Putkiton lämpötilat iippuvat paikkakunnata amoin kuin maapeän lämpötila. Peittoyvyy ja putkien välinen etäiyy iippuvat aennutavata. 4.1.3 Rakennukutannu Kullekin eitypakuudelle on oma invetointikutannutaulukko. MPUK 3 Suojakuoi Johto Ulkohalkaiija Seinämänpakuu Mateiaalikut. Maaak. putkia. Yhteenä N, mm t, mm /m /m /m 0 15 3 33 89 1 5 15 3 35 90 15 3 140 3 37 100 137 40 140 3 41 103 144 50 160 3 46 108 154 65 180 3, 53 11 165 80 00 3,6 61 11 18 100 50 3,9 7 131 03 15 80 4,1 84 140 4 150 315 4,5 100 147 47 00 400 5, 15 163 88 50 450 5,6 185 178 363 300 500 6,6 50 00 450 400 630 7, 360 40 600 500 710 7,9 460 90 750 600 800 8,7 590 370 960 700 800 900 1000 100 Rakennukutannukita on malliin päivitetty kekimäääiiä kutannukia. Riippuen paikkakunnata ja akentamien yleiitä eunaehdoita vainkin kutannuaake Maaakennuputkiaennu aattaa vaihdella kovatikin.
4 4.1.4 Yhteenveto invetointikutannuket Johtojen akentamikutannuket 100 1000 800 Euo/m 600 400 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 00 0 0 100 00 300 400 500 600 N Lehdellä akennukutannuket eitetään yhteenvedot invetointikutannukita ei uojakuoilla (eitypakuukilla). Käyttäjä ei voi uoaan muuttaa näitä välitulokia, vaan muutoket pitää tehdä kunkin putkivaihtoehdon akennukutannuivulla. 4.1.5 Yhteenveto lämpöhäviöt Johtojen lämpöhäviöt 10 100 Lämpöhäviö W/m 80 60 40 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 0 0 0 100 00 300 400 500 600 N
5 Lehdellä Tulotu eitetään muiden tuloten ohella yhteenvedot lämpöhäviöitä ei uojakuoilla (eitypakuukilla). Käyttäjä ei voi uoaan muuttaa näitä tulokia, vaan muutoket pitää tehdä kunkin putkivaihtoehdon akennukutannuivulla tai muilla yöttöivuilla. 4.1.6 Yhteenveto vuoikutannuket Johtojen vuoikutannuket 100,00 90,00 80,00 70,00 Euo/m,a 60,00 50,00 40,00 30,00 0,00 10,00 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 0,00 0 100 00 300 400 500 600 700 800 N Lehdellä Tuloket eitetään yhteenvedot vuoikutannukita (invetointilämpöhäviö) ei uojakuoilla (eitypakuukilla). Käyttäjä ei voi uoaan muuttaa näitä tulokia, vaan muutoket pitää tehdä kunkin putkivaihtoehdon akennukutannuivulla tai muilla yöttöivuilla. 4.1.7 Tulotu välilehti Käyttäjä aa helpoti tulotettavan yhteenvedon lähtötiedoita ja tulokita menemällä Tulotu välilehdelle. Välilehdellä eitetään kaikki em. tiedot ekä lämpöhäviötiedot. Tällä ivulla olevat taulukot ja kuvat on mitoitettu niin, että niiden pitäii tulotua A4 papeille vaakauoa-muotoon. 4. Eimekkilakenta MPUK Eimekkilakelmana MPUK-akenteelle on eitetty eillituotantoon (lämmön hinta 40 /MWh) pohjautuva peutapau kohdia 4.4.1 ja 4.4. eitetyillä lähtötiedoilla.. Kohdaa 5 on tälle eitetty kaki ääipään hekkyytakatelua, toinen invetoinnin mekitytä painottava ja toinen lämpöhäviökutannukia painottava.
6 4..1 Yleitiedot Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviölakenta MPUK Lakentatapau: Tekijä: Peutapau (eillituotanto) NN Päiväy: 1.9.009 Kutannutekijät Vuotuinen käyttöaika 8760 h/a Kokokanta 6.0 % /a Inflaatio.0 % /a > Reaalikokokanta 3.9 % /a Pitoaika 50 a Lämmön hinta 40 /MWh Lämmön hinnan nouuvauhti 3.5 % /a o > Kekihinta takatelujakolle 8,95 /MWh Yleitiedot ivulle täytetään lakennan peutiedot. Yleenä oletetaan, että johto on käytöä ympäi vuoden. Tyypillitä kaukolämpöinvetoinneille on e, että eaalikokokanta ei ole kovin kokea. Pitoaikana tulii käyttää johdon teknitä käyttöikää. Lämmön nykyhinta on mekittävin tulokiin vaikuttava tekijä. 4.. Tekniet tiedot Lämmöniito-ominaiuudet Eiteen lämmönjohtavuu Kuoen lämmönjohtavuu Maapeän lämmönjohtavuu Maan pinnan lämmöniitokeoin 0.09 W/mK 0.43 W/mK 1.5 W/mK 1.0 W/mK Lämpötilat Menolämpötila 85 Paluulämpötila 45 Maapeän lämpötila 6 o C o C o C Mitat Peittoyvyy, H 600 mm Tekniet tiedot -välilehdellä yötetään putkiton yleiiä tekniiä ominaiuukia. Lämmöniito-ominaiuudet eivät yleenä vaihtele paljoa oletuavoita. Putkiton lämpötilat iippuvat paikkakunnata amoin kuin maapeän lämpötila. Peittoyvyy ja putkien välinen etäiyy iippuvat aennutavata.
7 4..3 Rakennukutannu Kullekin eitypakuudelle on oma invetointikutannutaulukko. MPUK Suojakuoi Johto Ulkohalkaiija Seinämänpakuu Mateiaalikut. Maaak. putkia. Yhteenä N, mm t, mm /m /m /m 0 15 3 6 84 110 5 140 3 9 87 116 3 180 3 33 94 17 40 180 3 36 96 13 50 00 3, 4 101 143 65 50 3,6 50 110 160 80 80 3,9 58 115 173 100 355 4,5 73 15 198 15 400 4,8 88 135 3 150 450 5, 110 150 60 00 560 6 150 175 35 Rakennukutannukita on malliin päivitetty kekimäääiiä kutannukia. Riippuen paikkakunnata ja akentamien yleiitä eunaehdoita vainkin kutannuaake Maaakennuputkiaennu aattaa vaihdella kovatikin. 4..4 Yhteenveto invetointikutannuket Johtojen akentamikutannuket 450 400 350 Euo/m 300 50 00 150 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 100 50 0 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 10 130 140 150 160 170 180 190 00 N Lehdellä akennukutannuket eitetään yhteenvedot invetointikutannukita ei uojakuoilla (eitypakuukilla). Käyttäjä ei voi uoaan muuttaa näitä välitulokia, vaan muutoket pitää tehdä kunkin putkivaihtoehdon akennukutannuivulla.
8 4..5 Yhteenveto lämpöhäviöt 50 Johtojen lämpöhäviöt 45 40 35 Lämpöhäviö W/m 30 5 0 15 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 10 5 0 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 10 130 140 150 160 170 180 190 00 N Lehdellä Tulotu eitetään muiden tuloten ohella yhteenvedot lämpöhäviöitä ei uojakuoilla (eitypakuukilla). Käyttäjä ei voi uoaan muuttaa näitä tulokia, vaan muutoket pitää tehdä kunkin putkivaihtoehdon akennukutannuivulla tai muilla yöttöivuilla. 4..6 Yhteenveto vuoikutannuket Johtojen vuoikutannuket 50,00 45,00 40,00 35,00 Euo/m,a 30,00 5,00 0,00 15,00 10,00 5,00 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 0,00 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 10 130 140 150 160 170 180 190 00 N
9 Lehdellä Tuloket eitetään yhteenvedot vuoikutannukita (invetointilämpöhäviö) ei uojakuoilla (eitypakuukilla). Käyttäjä ei voi uoaan muuttaa näitä tulokia, vaan muutoket pitää tehdä kunkin putkivaihtoehdon akennukutannuivulla tai muilla yöttöivuilla. 4..7 Tulotu välilehti Käyttäjä aa helpoti tulotettavan yhteenvedon lähtötiedoita ja tulokita menemällä Tulotu välilehdelle. Välilehdellä eitetään kaikki em. tiedot ekä lämpöhäviötiedot. Tällä ivulla olevat taulukot ja kuvat on mitoitettu niin, että niiden pitäii tulotua A4 papeille vaakauoa-muotoon.
30 5 HERKKYYSTARKASTELUT 5.1 MPUK Seuaavaa on eitetty kaki ääipään hekkyytakatelua, toinen invetoinnin mekitytä painottava ja toinen lämpöhäviökutannukia painottava. 5.1.1 Hekkyytakatelu 1 Tää hekkyytakatelua ueita lähtötietoja on muutettu peutapauketa amanuuntaieti niin, että invetointikutannuten mekity kootuu voimakkaati. Taloudelliten lähtötietojen muutoken liäki eiteen lämmönjohtavuuavoa on paannettu (0,09 0,06 W/mK). Yleitiedot Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviölakenta MPUK Lakentatapau: Tekijä: Hekkyytakatelu 1 (invetointipainotu) NN Päiväy: 1.9.009 Kutannutekijät Vuotuinen käyttöaika 8760 h/a Kokokanta 8,0 % /a Inflaatio,0 % /a > Reaalikokokanta 5,9 % /a Pitoaika 0 a Lämmön hinta 5 /MWh Lämmön hinnan nouuvauhti,0 % /a o > Kekihinta takatelujakolle 9,85 /MWh
31 Yhteenveto vuoikutannuket Johtojen kokonaikutannu 10,0 100,0 Euo/m,a 80,0 60,0 40,0 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 0,0 0,0 0 100 00 300 400 500 600 N 5.1. Hekkyytakatelu Tää hekkyytakatelua ueita lähtötietoja on muutettu peutapauketa amanuuntaieti niin, että lämpöhäviökutannuten mekity kootuu voimakkaati. Taloudelliten lähtötietojen muutoken liäki eiteen lämmönjohtavuuavoa on huononnettu (0,09 0,03 W/mK). Yleitiedot Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviölakenta MPUK Lakentatapau: Tekijä: Hekkyytakatelu (lämpöhäviöpainotu) NN Päiväy: 1.9.009 Kutannutekijät Vuotuinen käyttöaika 8760 h/a Kokokanta 4,0 % /a Inflaatio,0 % /a > Reaalikokokanta,0 % /a Pitoaika 75 a Lämmön hinta 40 /MWh Lämmön hinnan nouuvauhti 5,0 % /a o > Kekihinta takatelujakolle 84,47 /MWh
3 Yhteenveto vuoikutannuket Johtojen kokonaikutannu 350,0 300,0 Euo/m,a 50,0 00,0 150,0 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 100,0 50,0 0,0 0 100 00 300 400 500 600 N 5. MPUK Seuaavaa on eitetty kaki ääipään hekkyytakatelua, toinen invetoinnin mekitytä painottava ja toinen lämpöhäviökutannukia painottava. 5..1 Hekkyytakatelu 1 Tää hekkyytakatelua ueita lähtötietoja on muutettu peutapauketa amanuuntaieti niin, että invetointikutannuten mekity kootuu voimakkaati. Taloudelliten lähtötietojen muutoken liäki eiteen lämmönjohtavuuavoa on paannettu (0,09 0,06 W/mK).
33 Yleitiedot Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviölakenta MPUK Lakentatapau: Tekijä: Hekkyytakatelu 1 (invetointipainotu) NN Päiväy: 1.9.009 Kutannutekijät Vuotuinen käyttöaika 8760 h/a Kokokanta 8,0 % /a Inflaatio,0 % /a > Reaalikokokanta 5,9 % /a Pitoaika 0 a Lämmön hinta 5 /MWh Lämmön hinnan nouuvauhti,0 % /a o > Kekihinta takatelujakolle 9,85 /MWh Yhteenveto vuoikutannuket 80 Johtojen vuoikutannuket 70 Kutannu Euo/m,a 60 50 40 30 0 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 10 0 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 10 130 140 150 160 170 180 190 00 N 5.. Hekkyytakatelu Tää hekkyytakatelua ueita lähtötietoja on muutettu peutapauketa amanuuntaieti niin, että lämpöhäviökutannuten mekity kootuu voimakkaati. Taloudelliten lähtötietojen muutoken liäki eiteen lämmönjohtavuuavoa on huononnettu (0,09 0,03 W/mK).
34 Yleitiedot Kaukolämpöjohtojen lämpöhäviölakenta MPUK Lakentatapau: Tekijä: Hekkyytakatelu (lämpöhäviöpainotu) NN Päiväy: 1.9.009 Kutannutekijät Vuotuinen käyttöaika 8760 h/a Kokokanta 4,0 % /a Inflaatio,0 % /a > Reaalikokokanta,0 % /a Pitoaika 75 a Lämmön hinta 40 /MWh Lämmön hinnan nouuvauhti 5,0 % /a o > Kekihinta takatelujakolle 84,47 /MWh Yhteenveto vuoikutannuket 80 Johtojen vuoikutannuket 70 Kutannu Euo/m,a 60 50 40 30 0 MPUK1 MPUK MPUK3 MPUK4 10 0 0 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 10 130 140 150 160 170 180 190 00 N
35 6 YHTEENVETO Optimaalieta eitypakuudeta voidaan tämän takatelun pohjalta tehdä euaavanlaiia päätelmiä. 6.1 MPUK Peutapaukea tää eitetyillä lähtöavoilla MPUK-akenteella nykyitä yhtä uojakuoidimeniota pakumpi eity on aavituken nykyiin käytettävää uoiteltua eitypakuutta (MPUK 3) taloudelliempi. Invetointikutannukia ykipuolieti painottavaa hekkyytakatelua ei eitypakuukilla on vuoikutannukia vain vähän eoa pieniä johdoia N 100 ati, iommia johdoia nykyinen ja yhtä uojakuoikokoa pienempi eitypakuu ooittautuvat uunnilleen amalla vuoikutannutaolla optimaaliimmiki. Lämpöhäviökutannukia vahvati painottavaa hekkyytakatelua nykyitä pakumpi eity ooittautuu elväti taloudelliimmaki. 6. MPUK Peutapaukea tää eitetyillä lähtöavoilla MPUK-akenteella jopa kahta uojakuoidimeniota nykyitä (MPUK ) pakumpi eity tulee taloudelliimmaki. Invetointikutannukia ykipuolieti painottavaa hekkyytakatelua ei eitypakuukilla on vuoikutannukia vain vähän eoa, mutta nykyinen eitypakuu ooittautuu optimaaliimmiki. Lämpöhäviökutannukia vahvati painottavaa hekkyytakatelua kaki uojakuoikokoa nykyitä pakumpi eity ooittautuu elväti taloudelliimmaki.
36 LIITTEET Tutkimukea laaditut kaki excel-lakentaohjelmaa ovat tapaukohtaiiin takateluihin Enegiateolliuu y:n jäenyityten vapaati käytettäviä ET:n ektanetiä.