RAPORTTI 25.2.2008 TUULETTUVAN KAUKOLÄMPÖJOHDON VUODONVALVONTAJÄRJESTELMÄ Fimator Oy Pekka Torri
2 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ 3 1 JOHDANTO 4 1.1 Tausta 4 1.2 Tavoitteet 4 2 TUULETTUVA KAUKOLÄMPÖJOHTO 5 2.1 Tuulettuvan kaukolämpöjohdon rakenne 5 2.2 Johtopituudet ja kaukolämpökaivojen lukumäärät 5 2.3 Olosuhteet kaukolämpökaivossa 6 3 KAUKOLÄMPÖKAIVOJEN VALVONTA 8 3.1 Vuodon synty ja sen havaitseminen 8 3.2 Vuotojen määrä 8 3.3 Valvontajärjestelyt kaukolämpöyrityksissä 9 4 HÄLYTINLAITTEEN VAATIMUKSIA 9 4.1 Laitteen mitta-anturit 9 4.2 Laitteen huoltoväli 10 4.3 Laitteen kotelointi 10 4.4 Laitteen laatu ja hinta 10 5 VUODONVALVONTAJÄRJESTELMÄN RATKAISUJA 10 5.1 Valmiit sovellukset 10 5.2 Rakennusten kosteusvahdit 11 5.3 Kaukolämpökaivon kaapelointi 11 5.4 Kaukolämpökanavan johdotus 12 5.5 Langaton vaihtoehto 12 6 PITKÄKESTOISET VIRTALÄHTEET 12 7 EHDOTUS VUODONVALVONTAJÄRJESTELMÄKSI 14 7.1 Yleiskuvaus 14 7.2 Järjestelmän kustannusarvio 15 8 LOPPUARVIO 16 8.1 Arvio vuodonvalvontajärjestelmän toteutus- 16 mahdollisuudesta LIITTEET 1 Lausunto laitteen toimivuudesta, Tietomyrsky Oy 2 Lausunto laitteen toimivuudesta, LTY:n elektroniikan suunnittelukeskus 3 Tuloksia kaukolämpökaivojen lämpötila- ja kosteusmittauksista
3 TIIVISTELMÄ TUULETTUVAN KAUKOLÄMPÖJOHDON VUODONVALVONTA- JÄRJESTELMÄ Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, olisiko mahdollista hankkia tai rakentaa tuulettuvalle kaukolämpöjohdolle soveltuva automaattinen vuodonvalvontajärjestelmä, ja paljonko järjestelmä tulisi maksamaan. Tuulettuva johtorakenne on lähes kokonaan väistynyt kiinnivaahdotetun rakenteen tieltä, mutta sen on todettu kestävän hyvin siellä, missä kaukolämpöputket pysyvät kuivina. Automaattisesta vuodonvalvontajärjestelmästä olisi hyötyä, jos tuulettuvan kaukolämpöjohdon mahdollinen kosteus ja sen seurauksena syntyvät putkivuodot tulisivat nykyistä nopeammin kunnossapidon tietoon. Myös kaukolämpökaivojen tarkastusten fyysistä työtä voidaan vähentää kaukovalvonnan avulla. Markkinoilta ei löydy valmiita ratkaisuja tähän tarkoitukseen. Vuodonvalvontajärjestelmä olisi mahdollista toteuttaa varustamalla kaukolämpökaivot langattomilla yhteyksillä. Hälyttimen yhtäjaksoinen toiminta-aika kaukolämpökaivossa voisi olla yli kaksi vuotta. Investointikustannukset yhtä kaivoa kohden olisivat suuruusluokkaa 500 euroa. Sadan kaivon järjestelmä tulisi maksamaan siten noin 50 000 euroa ja sillä voitaisiin valvoa noin 20 kilometrin kaukolämpöjohtopituus. ABSTRACT LEAK CONTROL SYSTEM OF A VENTILATED DISTRICT HEATING PIPE The aim of this work was to examine the possibility of acquiring or building an automatic leak control system suitable for a ventilated district heating pipe and to estimate the costs of the system. A ventilated pipe construction has almost entirely been replaced by preinsulated pipe systems, but it is found to endure well where the district heating pipes stay dry. An automatic leak control system would help the maintenance to faster detect possible moisture in a ventilated district heating pipe and pipe leaks resulting from it, than is the case now. Also the physical work of inspecting district heating wells can be reduced with the help of remote monitoring. On the market there are no ready-made solutions for this purpose. The leak control system would be possible to implement by equipping district heating wells with wireless connections. The continuous operating time of the device could be over two years. The costs of investment per well would amount to 500. A system of 100 wells would thus cost about 50 000 and it could be used for monitoring a district heating pipe length of about 20 kilometres.
4 1 JOHDANTO 1.1 Tausta Tuulettuvia kaukolämpöjohtoja rakennettiin Suomessa kaukolämmityksen alkuvaiheessa 1950-luvulta aina 1980 luvulle asti. Tuulettuva järjestelmä on vielä laajasti käytössä kaukolämpöverkoissa, yleensä tärkeiden runkojohtojen vallitsevana rakenteena. Järjestelmää ei enää rakenneta lisää, koska kiinnivaahdotettu johtotyyppi on vallannut markkinat. Tuulettuvan kanavarakenteen heikkous on siinä, ettei ulkopuolisen veden tukeutumista rakenteisiin kyetä täysin estämään, mistä johtuen järjestelmän kaivojen tarkkailu ja vesien pumppaukset sitovat henkilöresursseja. Tuulettuvan johtorakenteen on todettu kestävän hyvin siellä, missä kaukolämmön virtausputket pysyvät kuivina. Suurella osalla tuulettuvia kaukolämpöjohtoja on käyttöikää todennäköisesti jäljellä vielä useita vuosikymmeniä. Johdon peruskorjausta siirretään yleensä, kunnes kanavan kosteudesta ja putkivuodoista saadaan riittävästi näyttöjä. Tuulettuviin kaukolämpöjohtorakenteisiin ei ole ollut saatavilla valmiita automaattisia kosteudenvalvontajärjestelmiä, toisin kuin kiinnivaahdotettuihin johtoihin, joihin on hankittavissa valmistusvaiheessa valvontalangat. 1.2 Tavoitteet Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, olisiko mahdollista hankkia tai rakentaa tuulettuvalle kaukolämpöjohdolle soveltuva kaukolämpökaivojen kaukovalvontaan perustuva vuodonvalvontajärjestelmä, ja paljonko järjestelmä tulisi maksamaan. Tuulettuvan kaukolämpöjohdon kunnonvalvonnassa voitaisiin siirtyä kaukovalvontaan ainakin tärkeimmissä kohteissa. Kun kosteus ja vuodot havaitaan ajoissa, johtoja voidaan turvallisesti käyttää pitempään ennen peruskorjausta. Kaukovalvonnan avulla saadaan enemmän aikaa kaukolämpöjohdon vuodon korjaukseen, ja korjaus voidaan usein siirtää mahdollisimman haitattomaan ajankohtaan. Kaukovalvonnan avulla voidaan myös vähentää kaukolämpökaivojen fyysisesti raskaita perioditarkastuksia.
5 2 TUULETTUVA KAUKOLÄMPÖJOHTO 2.1 Tuulettuvan kaukolämpöjohdon rakenne Tuulettuva kaukolämpöjohto on rakennettu niin, että kanavarakenteen kosteus poistuu tuuletuksen mukana ulos. Järjestelmään kuuluvat oleellisena osana kaukolämpökaivot, eli tyhjennys- ja ilmanpoistokaivot, jotka tavallisesti toimivat myös haaroitus- ja venttiilikaivoina. Vaikka tuulettuva kanavarakenne on rakennettu mahdollisimman vesitiiviiksi, ulkopuolista vesipainetta se ei kestä. Ulkopuolinen vesi pääsee helposti kanavan sisään vettä läpäisevän betonin tai vuotavien elementtisaumojen lävitse, ja se kertyy kalteviksi rakennettuja kanavia pitkin verkon tyhjennyskaivoihin. Kaivoja pitää tarkkailla jatkuvasti. Vesi poistetaan kaivoista joko pumppaamalla tai viemäröinneillä. Ulkopuolisen vesipaineen syntyminen on pyritty estämään salaojituksella tai muulla järjestelyllä, niin että teräksiset kaukolämmön virtausputket pysyvät kuivina. Kuivat putket eivät ole alttiina korroosiolle, joten niille voidaan taata pitkä käyttöikä. Kuva 1. Tuulettuva kaukolämpökanavarakenne Emv (betonikanava) Fig. 1. The construction of ventilated district heating duct (concrete duct) 2.2 Johtopituudet ja kaukolämpökaivojen lukumäärät Energiateollisuus ry:n kaukolämmön vuositilaston mukaan Suomen kaukolämpöjohtojen kokonaispituus vuonna 2006 oli noin 10 500 kilometriä. Viimeisin johtotilasto on vuodelta 2002, josta ilmenee että tuulettuvan johtotyypin osuus oli 2 050 kilometriä. Peruskorjaus pienentää tuulettuvan rakenteen määrää, mutta voidaan olettaa, että johdon kokonaispituus on nykyisin edelleen noin 2 000 kilometriä, joten tuulettuvan rakenteen osuus nykyisestä johtopituudesta on noin 20 prosenttia. Tuulettuvat kaukolämpöjohdot jakaantuvat rakenteeltaan kahteen päätyyppiin. Puolet eli noin 1 000 kilometriä on betonikanavarakennetta, esimerkiksi kokoelementti-tyyppejä Emv tai Epu, ja toinen puoli on pienempikokoista muovisuojakuorirakennetta, esimerkiksi tyyppiä Mpul.
6 Kaukolämpökaivojen lukumääriä ei ole tilastoitu. Voidaan arvioida, että betonikanavassa kaivoja on keskimäärin 200 metrin välein, joten tuhannen kilometrin betonikanavapituudella kaivojen määrä olisi suuruusluokkaa 5 000 kappaletta. Muovisuojakuorikanavassa kaivoja on keskimäärin arviolta 100 metrin välein, eli niitä olisi noin10 000 kappaletta. Kaivojen kokonaismäärän suuruusluokaksi voidaan arvioida yhteensä 15 000 kappaletta. Osalle niistä saattaisi kaukovalvonta tulla kyseeseen. Kaukolämpökaivojen lukumäärä on hitaasti vähenemässä peruskorjausten seurauksena. Näissä luvuissa ei ole mukana kiinnivaahdotetun johtorakenteen maaventtiilikaivoja. 2.3 Olosuhteet kaukolämpökaivossa Tätä tutkimusta varten mitattiin kaukolämpökaivojen sisäilman lämpötiloja ja suhteellisia kosteuksia Kouvolassa Vari Oy:n kaukolämpöverkossa. Mittauksen aikana kaukolämpökaivon kansi oli kiinni, mittausajan pituus oli noin yksi vuorokausi. Virtausputkien lämpötilat ja vuodenaika vaikuttavat kaivossa vallitseviin olosuhteisiin. Mittauksissa vahvistui että kaukolämpökaivoissa olosuhteet ovat jokseenkin vakaat ympäri vuoden. Talvella kaivojen lämpötilat ja kosteudet alenevat, koska silloin kuumempia virtausputkien lämpötiloja vastaa kaivon kylmempi ympäristö, sekä paremmin toimiva kanaalin painovoimainen tuuletus. Myös putkien lämpöeristeiden kunto vaikuttaa, yleensä virtausputket ovat kaivoissa kosteusvaurioiden minimoimiseksi osittain tai kokonaan ilman lämpöeristeitä. Kaukolämpövuoto tai ulkopuolinen vesi muuttaa kaivosta mitattavia arvoja, joten poikkeamat kaivotiedoissa on mahdollista havainnoida myös kaukovalvontajärjestelmässä. Mittaustulosten mukaan ulkolämpötilassa +10 o C normaalityyppisten kaukolämpökaivojen lämpötilat vaihtelivat välillä 29 38 o C ja suhteelliset kosteudet välillä 46 58 %. Kaukolämmön menoputken lämpötila oli tuolloin 78 o C ja paluuputki 42 o C. Mittaukset toistettiin samoissa kaivoissa kylmemmällä säällä, kun ulkolämpötila oli noin 6 o C. Menoputken lämpötila oli nyt 91 o C ja paluuputki 47 o C. Kaivojen lämpötilat vaihtelivat nyt välillä 26 37 o C ja kosteudet välillä 25 48 %. Havaitaan, että vaikka menoputken lämpötila nousee kylmemmällä säällä, kaivojen lämpötilat pysyivät lähes samoina tai alenivat, suhteelliset kosteudet alenivat selvästi. [Liite 3]. Kaivojen pohjat ja seinien alaosat ovat tyypillisesti vähintäänkin kosteat ympäri vuoden. Sillä, onko kaivon pohjalla vain kosteutta tai suoranaisesti vettä, ei ole juurikaan merkitystä olosuhteisiin, kun tuuletus on kunnossa. Jos ulkopuolinen vesi ei ole kosketuksissa virtausputkiin tai eristeisiin, niin tilanne on tuuletetussa kaivossa verrattain hyvä. Mittauksissa tutkittiin myös todellista vuototilannetta, missä kaukolämpövettä tuli DN 50 Mpul-menojohdosta tyhjennyskaivoon. Kaukolämmön menovesi oli noin 85 o C. Kun kaukolämpöjohdossa on vuoto, niin lähin kaukolämpökaivo täyttyy höyrystä läpinäkymättömäksi, niin kuin tässäkin tapauksessa. Vuotokaivossa mitattiin suhteelliseksi kosteudeksi 98 % ja lämpötilaksi 31,5 o C. Kaivon matala lämpötila johtui siitä, että kaukolämpövuoto sijaitsi noin 40 metrin päässä kaivosta ja vuoto oli
7 verrattain pieni. Vuoto oli havaittu heti syksyn ensimmäisenä pakkasaamuna kaivon tuuletusputken höyryämisenä. Kesällä höyryä ei havaita. Eräässä ilmanpoistokaivossa tuuletusputki höyryili, kun ulkoilma oli 2 o C. Kaivo oli vesimärkä, ja sen suhteelliseksi kosteudeksi mitattiin 83,5 % lämpötilaksi 19,5 o C. Virtausputket olivat hyvin lämpöeristettyjä. Kaivo sijaitsee DN 400 Epubetonikanavassa, mäen harjanteella ja on tyyppiä sivuun vedetty, maan päältä hoidettava ja viemäröity. Viileässä kaukolämpökaivossa suhteellinen kosteus nousee suureksi, varsinkin jos kannen runsas kondenssivesi pitää kaivon märkänä, niin kuin tässä kohteessa tapahtuu. Vaikka kaivo oli aivan märkä, suhteellinen kosteus jäi kuitenkin reilusti alle sadan prosentin, toisin kuin todellisessa vuotokaivossa. Kaivon korkea lämpötila saattaa rajoittaa sinne sijoitettavan elektronisen mittalaitteen käyttöä, koska niillä korkein jatkuva sallittu käyttölämpötila on yleensä 75 o C. Tehtyjen mittausten mukaan voidaan arvioida, että normaalisti kaivon lämpötila ei nouse yli 75 o C, vaikka kaukolämmön menoputken lämpötila on talvella maksimissaan 115 o C. Vesitiiviisti koteloitu elektroninen mittalaite kestää hyvin kaukolämpökaivon normaalit olosuhteet. Mahdollisen vuototilanteen seurauksena lämpötila saattaa nousta yli sallitun, mutta elektroniikka on sitä ennen ehtinyt jo hälyttää. Kuvassa 2. on tyypillinen tuuletetun kaukolämpöjohdon kaukolämpökaivo, DN 250 Emv. Kaivon ikä on 27 vuotta, kunto on tyydyttävä. Vaikka kaivon pohjalla oli mittaustilanteessa noin 10 cm vettä, mitattu suhteellinen kosteus oli vain 50,5 % (talvella 37,0 %). Kaivo on viemäröity, poisto ei lähde aivan kaivon pohjalta. Kuva 2. Tyypillinen kaukolämpökaivo, DN 250 Emv (betonikanava) Fig. 2. Typical district heating well, DN 250 Emv (concrete duct)
8 3 KAUKOLÄMPÖKAIVOJEN VALVONTA 3.1 Vuodon synty ja sen havaitseminen Ulkopuolinen kosteus on ylivoimaisesti merkittävin syy kaukolämpövuotoihin. Mekaaniset syyt ovat verrattain harvinaisia. Kosteus synnyttää teräksen pintaan happikorroosiota. Tyypillisesti happikorroosio aiheuttaa teräväreunaisen kuoppakorroosion, mikä tuhoaa teräksen suhteellisen nopeasti. Korroosionopeus kasvaa lämpötilan noustessa, mikä seikka merkittävästi heikentää paluuputkea kuumemman menoputken korroosionkestävyyttä. Jos kanavan kosteus on runsasta, tuuletus ja putkien lämpö eivät ehdi kuivattaa riittävästi virtausputkien lämpöeristeitä ja ne pysyvät märkinä teräksen pintaan asti. Villaeriste vettyy ja uretaanieriste pysyy myös märkänä. Vuodon alussa on yleensä tihkuvaihe, mitä joskus on vaikea silmämääräisesti havaita. Virtausputki ei aina ole näkyvissä ja vähäinen vuotovesi haihtuu näkymättömiin. Vuotohöyry sekoittuu ulkopuolisen kosteuden aiheuttamaan höyryyn. Talviaikana vuoto voidaan löytää kun kaukolämpökaivon tuuletusputki höyryää normaalia enemmän. Lämpimällä ilmalla höyryä ei havaita. Korroosio heikentää virtausputkia, jolloin ne ovat alttiina verkon paineiskuille. Heikkorakenteiseen putkeen jo pienikin verkon paineisku voi tehdä muutaman neliösentin reiän ja aiheuttaa siten suurvuodon, ehkä ilman tihkuvaihetta. Vuoto näkyy heti kaukolämpöverkon lisävesimäärän lisääntymisenä, mutta tarkkaa vuotopaikkaa pitää usein etsiä kaukolämpökaivoja availemalla, sekä muilla erilaisilla etsintämenetelmillä, kuten kuuntelulaitteilla ja lämpökuvauksilla. Vuoto varmistuu lopullisesti, kun tehdään havainto kaukolämpövedestä kaukolämpökaivossa. Jos putkivuoto on pieni, tai se alkaa suhteellisen etäällä kaivosta, kuuma kaukolämpövesi jäähtyy matkalla ja vuoto ilmenee vain veden tulona kaivoon. Kaukolämpövesi on yleensä värjätty vihreäksi niin, että sen voidaan tunnistaa ja erottaa ulkopuolisesta vedestä. Kaukolämpökanavan ylimääräinen kosteus voidaan mitata kaukolämpökaivoon asennettavalla sähköisellä suhteellisen kosteuden anturilla. Voidaan olettaa, että jos kaukolämpökaivossa suhteellinen kosteus on jatkuvasti yli 95 %, kaivon vaikutusalueella on joko kaukolämpövuoto, tai kaukolämmön kuumat virtausputket ovat jojossakin kohtaa vedessä. Ulkopinnaltaan jatkuvasti märkään kaukolämmön virtausputkeen vuoto ilmaantuu vuoden tai kahden kuluessa varmasti. 3.2 Vuotojen määrä Kokemusten mukaan kaukolämpövuotoja esiintyy keskimäärin alle kerran vuodessa kymmentä johtokilometriä kohti. Tuulettuvalle rakenteelle oli ominaista, että suurimmat viat tulivat esiin muutaman vuoden kuluessa verkon rakentamisesta, minkä jälkeen tilanne on yleensä vakiintunut. Vikoihin vaikuttavat paikalliset olosuhteet, kuten maan painumiset, joiden merkitystä pitää seurata.
9 Jo keskisuuressa kaupungissa tuulettuvaa kaukolämpöjohtopituus voi olla suuruusluokkaa 100 kilometriä ja korjattavia vuotoja 5-10 kappaletta vuodessa. Vuodot saattavat aiheuttaa lämmöntoimitushäiriöitä suurelle määrälle asiakkaita. 3.3 Valvontajärjestelyt kaukolämpöyrityksissä Kaukolämpöverkon kuntoa valvotaan manuaalisesti tehtävillä kaukolämpökaivojen kiertävillä tarkastuksilla. Kaivoille on kunnossapito-ohjelmassa yleensä laadittu kokemukseen perustuva, esimerkiksi viikoittainen tai kuukausittainen tarkastusaikataulu, joka määräytyy kaivon kunnon, vuodenajan tai pumppaustiheyden mukaan. Kaivojen valvonta on pääsääntöisesti kaukolämpöyrityksen oman henkilökunnan vastuulla. Huoltohenkilökunnan määrä vaihtelee, tyypillisesti se voi olla tuulettuvalle kanavarakenteella yksi työpari noin 300:aa kaukolämpökaivoa kohti. Silmämääräisissä tarkastuksissa etsitään ulkopuolisen veden tai kosteuden esiintymisiä, kuin myös mahdollisia putkivuotoja. Jo yhdessä keskisuuressa kaupungissa tarkkailtavia kaukolämpökaivoja voi olla useita satoja. Raskaiden kaivonkansien avaamiset ovat fyysisesti raskasta työtä. Kaukovalvonnan avulla kaukolämpökaivot olisivat nykyistä paremmin hallittavissa. Kaukovalvonta myös vapauttaa työvoimaa toisiin tehtäviin ja sen avulla voitaisiin johtojen elinikää pidentää turvallisesti. Jo yhden kaivovälin peruskorjauksen siirto yhdellä vuodella tuo mittavat kustannussäästöt. 4 HÄLYTINLAITTEEN VAATIMUKSIA 4.1 Laitteen mitta-anturit Kaukolämpökanavan valvonta voi tapahtua valvomalla jatkuvasti kaukolämpökaivojen vesitilannetta, sisäilman lämpötilaa ja suhteellista kosteutta kaivoon asennettavilla mitta-antureilla. Kaivoihin tulevien mitta-antureiden valintaan ja sijoituksiin pitäisi kiinnittää huomiota, jotta saataisiin luotettavia mittaustuloksia oikeista kohteista. Esimerkiksi viemäröityyn kaivoon vesi ei kerry, sen sijaan siellä pitäisi tunnistaa ylimääräinen veden virtaus. Kaukolämpökaivossa esimerkiksi seuraavat normaalista poikkeavat seikat voisivat olla hälyttäviä: - ulkopuolinen vesi on jo lähes kosketuksissa kaukolämpöputkiin - vettä virtaa kaukolämpökanavasta kaivoon - lämpötila kaivon pohjalla on suurempi kuin ylhäällä kaivossa - kaivon lattian lämpötila on yli hälytysarvon - kaivon kosteus on lähellä sataa prosenttia
10 4.2 Laitteen huoltoväli Automaattisen valvontajärjestelmän on tarkoitus osaltaan helpottaa fyysistä työtä, siksi kaukolämpökaivoon asennettavan järjestelmän päätelaitteen huoltovälin tulee olla mahdollisimman pitkä, vähintään kaksi vuotta. 4.3 Laitteen kotelointi Kaukolämpökaivoon voidaan sijoittaa elektroninen mittalaite, jos se koteloidaan vesitiiviiseen rasiaan. Mittausten mukaan kaivon sisälämpötila on normaalisti alle +75 o C. 4.4 Laitteen laatu ja hinta Kaukolämpökaivossa olosuhteet ovat melko vaativat. On tärkeätä, että laite on pitkäikäinen ja luotettava, haamuhälytyksiä järjestelmästä ei hyväksytä. Järjestelmän hinnan pitää olla kohtuullinen, yläarvona voidaan pitää noin 500 euroa kaivoa kohti. 5 RATKAISUJA VUODONVALVONTAJÄRJESTELMÄKSI 5.1 Valmiit sovellukset Tämän tutkimuksen yhteydessä selvitettiin löytyykö markkinoilta kaukolämpökaivoihin soveltuvia hälytinlaitteita. Tuloksena oli että johdottomassa kaukolämpökaivossa vaatimuksen mukaisia yli kaksi vuotta huoltamatta kestäviä valvontalaitteita ei löytynyt. Valmiiksi johdotettuihin venttiilikaivoihin hälytinlaitteita löytyisi. Pieneen osaan kaukolämmön venttiilikaivoista on vedetty verkkovirta- ja ohjausjohdot kaukokäyttöjä varten. Niissä on yleensä myös automaattinen tyhjennyspumppaus. Pääosin johdotettujen kaivojen vesivalvonnasta on tehty selvitys: tutkintotyö Otto-Eerik Jalonen, Kaukolämmön venttiilikaivon vesivalvonta, Tampereen AMK / Helsingin Energia 2006. Paikallisesti kaivoihin on asennettu muun muassa vesitunnistimia, joista voidaan kaivon kantta avaamatta sähköisesti tutkia, onko kaivossa vettä. Saksassa on vuonna 1994 patentoitu kaukolämpökaivoon asennettava langallinen vuotovahti. Sen toiminta perustuu pelkän lämpötilan jatkuvaan mittaamiseen kaivon kolmessa mittapisteessä; kaivon pohjalla, keskellä ja yläosassa. Lämpötilamuutokset ja muutosnopeudet analysoidaan laitteen elektronisessa laskimessa ja lähetetään viestijohtoa pitkin keskusvalvomoon. Patenttiselostuksen mukaan laite pystyy kaivoja tarkkailemalla valvomaan koko kanavarakenteen pituuden, ja kykenee erottamaan onko kaivon lämpötilan muutos aiheutunut putkivuodosta vai ulkopuolisesta vedestä. Laitteeseen tarvitaan johdotus, mikä estää sen käytön jälkiasennuksena johdottomaan kaivoon.
11 5.2 Kaukolämpökaivon kaapelointi Kaivojen valvonnan automatisoinnille on ollut esteenä se, ettei niissä yleensä ole tavallisen hälytinlaitteen tarvitsemia johdotuksia virransyöttöä ja viestiyhteyksiä varten. Kaapeloinnit jälkikäteen tulisivat liian kalliiksi saatavaan hyötyyn nähden. 5.3 Kaukolämpökanavan johdotus Jos koko kaukolämpökanavan pituudelta voitaisiin jälkikäteen vetää johdotus, se voisi toimia kosteuden valvontalankana, sekä viesti- ja virtakaapelina. Tämän tutkimuksen yhteydessä selvitettiin viemäreiden TV-kuvauksissa käytettävän kuvausrobotin käyttöä mahdollisen kaukolämpökanavan johdotustyön työkaluna. Pienimmät kuvausrobotit mahtuvat 100 mm halkaisijaltaan olevaan viemäriputkeen ja voivat edetä noin 200 metrin matkan. Suoria kustannuksia TV-robotista syntyy noin 100 /tunti. Näillä edellytyksillä se ehkä soveltuisi betonisen kanavarakenteen pohjalle kaivosta kaivoon vedettävän johdon vetolangan asennustyökaluksi. Kuva 3. Kaukolämpökanavan TV-kuvauksissa käytettävä robotti Fig. 3. TV camera and robot for internal monitoring of district heating duct Kokeilutyömaalla TV-robotin kuljettaja kuitenkin totesi tilanteen hankalaksi. Matka kaivosta kaivoon oli noin 190 metriä ja matkalla oli myös 90 asteen kulma. Robotilla on hyvin pieni maavara ja se vaatii kulkeakseen melko sileän ja puhtaan pinnan. Jo 20 mm:n betonipala tai kulma voi estää robotin etenemisen. Robottia ei uskallettu laittaa kanavaan, koska robotin ehkä jumiutuessa jouduttaisiin avaamaan kadun alla oleva kanavan kansi. Kokeilun tuloksena oli, että yleensä kaukolämpökanavien johdotus jälkikäteen ei onnistu. Muovisuojakuorijohtotyypin Mpul johdotus jälkikäteen on myöskin käytännössä mahdotonta.
12 5.4 Rakennusten kosteusvahdit Kosteusvahti on yleensä liitetty kiinteistön palo- tai murtohälytysjärjestelmään. Laitteista on monia sovelluksia, useissa niissä on GSM-liityntämahdollisuus. Rakennusten kosteusvahdeissa on säännönmukaisesti verkkovirtakäyttö ja rakenteeseen sisältyvät vara-akut mahdollisia virtakatkoksia varten. Virrankulutukset ovat sen verran suuria, että markkinoilta löytyvät kosteusvahdit eivät toimi vaadittavaa yli kahta vuotta kaivohälyttimenä kaukolämpökaivossa. 5.5 Langaton vaihtoehto Tiedonsiirto kaukolämpökaivosta voi tapahtua langattomasti. WLAN-verkko on käyttökustannuksiltaan miltei ilmainen, mutta se vaatii antennit, joiden on oltava lähes näköyhteydessä toisiinsa. Kaukolämpökaivot sijaitsevat pääosin katualueilla, jolloin maan päälle ei voida rakentaa mitään mahdollisesti ilkivallan kohteeksi joutuvia rakenteita. Lyhyen kantaman radioverkot, kuten WLAN, soveltuvat huonosti kaukolämpökaivojen tiedonsiirtoon. GSM-verkot toimivat taajama-alueilla melko kattavasti. Tässä tutkimuksessa testattiin GSM-matkapuhelimen yhteyden säilyvyyttä kaukolämpökaivossa, kun kaivon kansi suljetaan. Kaikissa kaivoissa puhelinyhteys säilyi. Testikohteet olivat kaupunkialueella, ja kohteissa puhelimen maanpäällinen GSM-kenttävoimakkuus oli täysi. Kokemusten mukaan GSM-verkon kenttävoimakkuudessa saattaa olla katvealueita, joilta osin pitäisi varautua asentamaan lisäantenni kaivon sisälle [Liite 2]. Puhelinkustannukset jäisivät kohtuullisiksi, koska vain tekstiviestejä lähetettäisiin. GSM-verkkoa voitaisiin käyttää langattomana yhteytenä kaukolämpöjohdon vuodonvalvontajärjestelmässä. 6 PITKÄKESTOISET VIRTALÄHTEET Tavoitteena oli, että kaivon tarkastusväli on oltava yli kaksi vuotta. Tässä tutkimuksessa selvitettiin saatavilla olevien pitkäkestoisten virtalähteiden soveltuvuutta kaivohälyttimen virtalähteeksi. Akku voisi kokonsa puolesta soveltua kaivohälyttimen virtalähteeksi, mutta markkinoilla olevien akkujen pisinkin latausväli on alle vuoden. Vaatimuksena on vähintään kahden vuoden huoltoväli, eli akku ei sovellu kaivohälyttimen virtalähteeksi. Polttokennon soveltuvuutta elektroniikan virtalähteeksi tutkitaan paljon maailmalla. Sitä käytetään jo muun muassa kannettavien tietokoneiden virtalähteenä. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että polttokennojen tekniikka ei ole vielä tähän kohteeseen kehittynyt kilpailukykyiseksi.
13 Aurinkopaneeli pitkäkestoisena virtalähteenä ei voi tulla kyseeseen kaukolämpökaivon hälyttimen virtalähteeksi, koska liikennealueilla aurinkokennoja on käytännössä mahdotonta sijoittaa kaivojen läheisyyteen Litiumparisto on kehitetty pitkän toiminta-ajan sovelluksiin. Valmistajan verkkosivun (kuva 4) mukaan sen toiminta-aika on tyypillisesti yli viisi vuotta. Pariston kapasiteetti on 13 Ah ja jännite 3,7 V. Nämä ovat kaukolämpökaivon kaivohälyttimelle riittäviä arvoja, edellyttäen että laitteen virrankulutus saadaan pieneksi. Kuva 4. Litiumpariston ominaisuuksia (lähde: www.saftbatteries.com) Fig. 4. Properties of a lithium battery (source: www.saftbatteries.com)
14 7 EHDOTUS VUODONVALVONTAJÄRJESTELMÄKSI 7.1 Yleiskuvaus Tuulettuvan kaukolämpöjohdon vuodonvalvontajärjestelmä olisi mahdollista rakentaa langattomilla yhteyksillä, kun sovelletaan jo olemassa olevaa tekniikkaa ja varustetaan kaukolämpökaivot esimerkiksi GSM-hälyttimillä. Kaukolämpökaivoissa ei ole verkkovirtaa, mikä on ongelma. Ongelma voidaan ratkaista, koska kaivohälyttimen virrankulutus voidaan ohjelmoida niin pieneksi, että yksi litiumparisto riittää yli kahdeksi vuodeksi. Kaivohälytin olisi koteloitu yhdeksi helposti siirrettäväksi rasiaksi, eikä sitä tarvitsisi asentaa kaivoon kiinteästi. Kotelon ulkomitat voisivat olla alle 250 mm. Kaivohälyttimeen voidaan liittää lämpötilan, kosteuden ja vedentunnistimen anturit. Jonkin anturin asetusarvon ylittyessä tai hengissäoloviestinä kaivohälytin lähettäisi viestin valvojan tietokoneelle. Kaivoista saadut tiedot käsiteltäisiin tiedonhallintaohjelmassa, josta hälyttäviksi katsottavia tietoja voitaisiin tarvittaessa lähettää automaattisesti eteenpäin, esimerkiksi päivystäjän puhelimeen. Kuva 5. Kaukolämpökaivon periaate Fig. 5. The principle of a district heating well
15 7.2 Järjestelmän kustannusarvio Valvontajärjestelmän kustannus riippuu valmistussarjan suuruudesta. Hintatiedot on kerätty eri arvioista ja ne ovat suuntaa antavia. Esimerkkinä on 100 kaivon järjestelmä, jolla voitaisiin valvoa ehkä noin 20 km:n kaukolämpöjohtopituus. Investoinnit Kaivohälytinlaite 1 kpl 500 100 kpl 50 000 Puhelinliittymät 1 kpl 3 100 kpl 300 Muut järjestelmän aloituskustannukset - valvomon PC 500 - valvomon GSM-modeemi ja -liittymä 200 - valvomon tiedonkeräysohjelma 1 000 Käyttökustannukset Kaivohälyttimen tekstiviestit, 0,10 /kpl x 52 kpl/a 5 /a Liittymän kuukausimaksut noin 1 /kk x 12 kk 12 /a Kaivohälyttimen paristot, 1 kpl x 20 /kpl /2vuotta 10 /a Käyttökustannus, 1 kpl kaivohälytin 27 /a - 100 kpl kaivohälyttimiä 2 700 /a
16 8 LOPPUARVIO 8.1 Arvio vuodonvalvontajärjestelmän toteutusmahdollisuudesta Tuulettuvalle kaukolämpöjohdolle on mahdollista kehittää langaton vuodonvalvontajärjestelmä. Järjestelmä voisi perustua kaukolämpökaivojen kaukovalvontaan. Tutkimuksen aikana ei tullut esiin mitään perusteltua syytä, miksi järjestelmä ei voisi toimia. Järjestelmän päätelaitteena olevan kaivohälyttimen yhtäjaksoinen toiminta-aika kaukolämpökaivossa voisi olla yli kaksi vuotta. Tässä vaiheessa hintaa voidaan arvioida vain suuruusluokkana, joka riippuu esimerkiksi valmistussarjan suuruudesta. Arvioiden mukaan kustannus yhtä valvottavaa kaivoa kohti voisi olla noin 500 euroa. Sadan kaivon valvontajärjestelmä maksaisi siten noin 50 000 euroa, ja sillä hoidettaisiin noin 20 kilometrin pituus kaukolämpöjohtoa. Elektroniikan asiantuntijoiden mukaan vuodonvalvontajärjestelmän päätelaitteena oleva GSM-kaivohälytin on teknillisesti mahdollista toteuttaa ja se voisi toimia kaukolämpökaivossa. Tämän raportin liitteenä on kaksi lausuntoa elektroniikan asiantuntijoilta: Elektroniikan suunnittelutoimisto Tietomyrsky Oy [liite 1] ja Lappeenrannan teknillisen yliopiston elektroniikan suunnittelukeskus [liite 2]. Yleisesti voidaan todeta että kaukolämpöverkko on kaukolämpöyrityksessä ehkä haastavinta aluetta, jossa häiriöitä ei voida heti poistaa varajärjestelmällä, kuten esimerkiksi varakattiloilla, joten verkon valvonnan ja kunnossapidon kehittäminen koetaan tärkeäksi. Kaukovalvonnalla voitaisiin pidentää kaukolämpöjohtojen elinikää. Tähän raporttiin haastateltujen kaukolämpöyritysten kaukolämpöverkoista vastaavien henkilöiden viesti oli, että kiinnostusta kaukolämpöjohtojen kaukovalvontaan on edellyttäen, että järjestelmä on luotettava. Jos järjestelmästä tulee virhehälytyksiä, sen käyttö loppuu lyhyeen. Henkilökuntaa on vähän eikä kukaan halua lisätöitä, joita mahdollisista haamuhälytyksistä aiheutuu. Luotettavasti toimiakseen langaton vuodonvalvontajärjestelmä vaatisi vielä tuotekehitystyötä ja testaamista.
17 TIETOMYRSKY OY LAUSUNTO LIITE 1 Fimator Oy Ruotsulantie 37 45100 KOUVOLA LAUSUNTO KAUKOLÄMPÖKAIVOHÄLYTTIMEN TOIMIVUUDESTA Olemme tehneet langattoman kaukolämpöhälyttimen elektroniikan laitesuunnitelman Fimator Oy:n toimeksiannosta, tarjouspyynnön 29.6.2007 pohjalta. Laitesuunnitelma sisältää toimintaselostuksen sekä kytkentäkaaviota 6 kappaletta. Toimivan laiteen toteutus on mielestämme teknillisesti mahdollista. Vedenilmaisimena toimii kaksi toisistaan galvaanisesti erillään olevaa johdinta, tunnistus perustuu sähkönjohtavuuteen. Kun johtimet yhdistyvät vedellä, niiden välillä kulkee sähkövirta. Sähkönjohtavuuden mittaus on kaksitilainen: ei johda/johtaa. Koska vedenilmaisu on kaksitilainen, suorittaa laitteen mikro-ohjain tunnistuksen yhteydessä liitäntäelektroniikan testauksen. Tällöin varmistutaan, että ei johda mittaustulos ei voi johtua elektroniikan vikaantumisesta. Lisäksi laitteessa on ympäristön suhteellisen kosteuden ja lämpötilan mittaukset. Lisäksi tarvitaan laitteen oman (pariston) käyttöjännitteen mittaus. Nämä mittaukset ovat analogisia mittauksia. Hälytysviestien lisäksi laitteen ohjelma lähettää sopivin väliajoin ns. toimintatilaviestin. Toimintatilaviestillä varmistetaan, että hälytinlaite on yhä toimintakunnossa. Toimintatilaviesti voi sisältää samalla tiedon laitteen pariston jännitteestä, laitteen (kaivon) lämpötilasta sekä suhteellisesta kosteudesta. Laitteen ohjelma lähettää hälytysviestin, jos tunnistin havaitsee ylimääräistä vettä tai lämpötila tai kosteus muuttuu ratkaisevasti. Toimintatilaviestin yhteydessä laite voidaan jättää vastaanottamaan paluuviestiä hetken ajaksi. Näin menetellen voidaan valvomosta saada tarvittava (ohjaus-) yhteys hälytinlaitteelle aika ajoin. Oikein toimiakseen laite vaatii mikro-ohjaimen ohjelman suunnittelun ja testauksia, joita emme myöskään pidä mahdottomina. Kouvolassa 8.2.2007 Jari Koskinen Tutkimus- ja tuotekehitysinsinööri Tietomyrsky Oy +358 40 526 7465 jari.koskinen@tietomyrsky.com www.tietomyrsky.com
LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO TEKNINEN PALVELUKESKUS ELEKTRONIIKAN SUUNNITTELUKESKUS Fimator Oy Ruotsulantie 37 45100 Kouvola LAUSUNTO GSM-KOSTEUSHÄLYTIN Lappeenrannan teknillisen yliopiston elektroniikan suunnittelukeskukselle annettiin 7.11.2007 toimeksianto tutustua tuulettuvan kaukolämpöverkon vuodonvalvontajärjestelmään ja antaa lausunto GSMkosteushälyttimen toimivuudesta. Lausunto perustuu GSM-kosteushälyttimen toimintaselosteeseen (Tietomyrsky Oy / Jari Koskinen). Pekka Torrin luonnos projektiraportista Tuulettuvan kaukolämpöverkon vuodonvalvontajärjestelmä toimii sille taustatietona. Laitesuunnitelma perustuu tavanomaiseen ja tunnettuun tekniikkaan, eikä suunnitelmissa ole nähtävissä mitään syytä miksi laite ei toimisi. Käytetyt komponentit ovat yleisesti saatavilla useammalta toimittajalta. GSM-verkon hyödyntäminen on järkevää, eivätkä tiedon siirrosta aiheutuvat kustannukset nouse nykyhinnoilla kohtuuttomiksi. Suurin haaste laitteen toiminnalle tulee kuuluvuudesta. Vaikka kaupungeissa on kattavat ja hyvätasoiset GSM-verkot, niin siellä on myös heijastuksia ja katvealueita, joten on melko varmaa, ettei jokaisesta kaukolämpökaivosta saada yhteyttä verkkoon. Tällöin täytyy varautua käyttämään suuremmalla vahvistuksella olevia antenneja tai pahimmassa tapauksessa jättämään osa kaivoista edelleen perinteisen valvonnan piiriin. Litiumparisto on toimiva teholähde tähän sovellukseen. Laitteen virrankulutus on arvioitu melko pessimistisesti, mikä on toisaalta hyvä asia. Virran säästötilaa voitaneen tehostaa, jolloin virran-kulutus laskisi murto-osaan ja laitteen toiminta-ajan määräisi lähinnä patteri(e)n sisäinen purkautuminen. Akkujen sarjaankytkennän voisi välttää nostamalla käyttöjännite hakkurilla ylemmäksi korkeampaa jännitettä vaativille osille, jolloin tarvittavien patterien määrä puolittuu. Tarvittava elektroniikka on huomattavasti patteria edullisempi vaihtoehto. Tällä ratkaisulla, yhdistettynä tehostettuun virran säästämiseen, saavutettaisiin todennäköisesti neljän vuoden toiminta-aika yhdellä litiumpatterilla, mikä säästäisi huomattavasti laitteen käyttökustannuksia. Laitteen komponentti-, kotelo- ja valmistuskustannuksia arvioitaessa, 500 euron myyntihinta vaikuttaa täysin realistiselta. Vaikka laitteessa ei suunnitelmien mukaan havaittu mitään ajatus-, eikä muitakaan virheitä tai vakavia puutteita, suositellaan prototyyppien valmistamista ja testaamista lopullisen toiminnan varmistamiseksi useissa eri kaukolämpökaivoissa. Lappeenrannassa 2.12.2007 Tony Vesterinen Matti Iskanius Johtaja, elektroniikan suunnittelukeskus Suunnitteluinsinööri tony.vesterinen@lut.fi matti.iskanius@lut.fi p. 0400-186 839 p. 040-8226 597 PL 20, 53851 LAPPEENRANTA, p. (05) 621 11 (keskus), fax. (05) 621 6799
LIITE 3 19 FIMATOR OY 10.12.2007 TULOKSIA KAUKOLÄMPÖKAIVOJEN LÄMPÖTILA- JA KOSTEUSMITTAUKSISTA Mittauskohteina oli viisi kaukolämpökaivoa Kouvolassa Vari Oy:n kaukolämpöverkossa. Mittaukset suoritettiin USB-tiedonkeräysmuistitikulla. Mittauslaitetta pidettiin suljetussa kaivossa noin vuorokauden ajan. MITTAUKSET 1 Kaukolämpökaivon sijainti Marjoniemi Kiskokatu Pajakatu Uimahalli Terveysk.mäki Kaivon tyyppi V= ventt.,t=tyhjenn.,i=ilmanpoistokaivo V T V T V T T I Kanavarakenne Epu Emv Mpul Mpul Epu Johdon koko DN 400 DN 250 DN 125 DN 50 DN 400 Mittausajankohta 20.9.2007 26.9.2007 28.9.2007 5.11.2007 17.11.2007 Ulkolämpötila noin C + 12 + 10 + 14 + 2-2 KL-menoputken lämpötila o C 78 78 77 85 88 KL-paluuputken lämpötila o C 44 44 45 43 46 Kaivon tilanne normaali normaali normaali vuototilanne normaali Kaivon kosteus pohja kostea vettä 10 cm pohja kostea märkä märkä Lämpöeristetty osuus putk. % 70 90 10 70 100 Putkieristeiden kunto hyvä tyyd. huono tyyd. hyvä Muuta kaivo oli täynnä matala sivukaivo höyryä tuulet. höyryilee Mittaustulokset Kaivon sisäilman lämpötila o C 37,0 29,0 36,0 31,0 19,5 Kaivon suhteellinen kosteus % 50,0 50,5 58,0 98,0 83,5 MITTAUKSET 2 Kaukolämpökaivon sijainti Marjoniemi Kiskokatu Pajakatu Kaivon tyyppi V= ventt.,t=tyhjenn.,i=ilmanpoistokaivo V T V T V T Kanavarakenne Epu Emv Mpul Johdon koko DN 400 DN 250 DN 125 Mittausajankohta 30.11.2007 29.11.2007 28.11.2007 Ulkolämpötila noin C - 5-6 - 6 KL-menoputken lämpötila o C 91 91 91 KL-paluuputken lämpötila o C 47 47 47 Kaivon tilanne normaali normaali normaali Kaivon kosteus kuiva vettä 10 cm kuiva Lämpöeristetty osuus putk. % 70 90 10 Putkieristeiden kunto hyvä tyyd. huono Mittaustulokset Kaivon sisäilman lämpötila o C 37,0 25,5 33,5 Kaivon suhteellinen kosteus % 26,5 37,0 45,5