Kaukolämmityksen kapasiteetin muutokset rakennusten kulutuspisteen muuttuessa
Johdanto
Kaukolämmityksen lämmön toimituslinjojen käyttö eri vuosien välillä on kohtuullisen tasaista. Tilanteissa, joissa asiakkaiden vanhoja rakennuksia puretaan tai uusia rakennetaan, joudutaan arvioimaan uudelleen kyseisen toimituslinjan riittävyyttä, jolloin tapahtuu selkeä muutos tehontarpeessa. Paikallinen maatila Paneliassa toimittaa kaukolämpöä viereisessä sijaitsevalle koululle, joka koostuu kolmesta rakennuksesta, joista yksi puretaan ja uusi rakennetaan tilalle. Tälle muutokselle Turun ammattikorkeakoulun energia- ja ympäristötekniikan koulutuksen (AMK) opinnäytetyössä arvioitiin uusi tehontarve. Kaukolämmön toimituslinja koostuu pääasiassa meno- ja paluuputkesta, jossa lämmitetty kaukolämpövesi kiertää. Linjassa on myös kaksi vesipumppua ja lämmönvaihdin, joka siirtää lämmön kaukolämmön verkosta koulun omaan sisäiseen verkkoon. Haasteena muutostilanteessa on arvioida optimaalisin tapa muuttaa lämmönsiirtokapasiteettia erityisesti tilanteessa, jossa tehontarve kasvaa.
Haasteen tuo kulutuspiikit talvipäivinä
Kaukolämpölinjat viedään äärimmilleen talvipäivininä, jolloin kulutus on korkeimmillaan. Tänä aikana linjastoissa siirretään maksimi lämpötilalla vettä sekä suurimmalla virtausnopeudella, jotta tehoa saadaan maksimaalisesti tuotettua. Linjastot pyritään mitoittamaan niin, että ne olisivat mahdollisimman optimaaliset eikä suuresti ylimitoitetut.
Toimituslinjan optimoinnin kulmakivet
Kulutuspisteen optimoinnilla pyritään mahdollisimman lähelle ideaalia tilannetta, jossa taloudelliset ja ympäristölliset hyödyt ovat korkeimmat. Optimaalinen siirtoverkon veden lämpötila vaikuttaa verkoston energiahäviöihin, liian suuri lämpötila hukkaa lämpöä maaperään. Pumppujen liian suuri koko tekee häviöitä siirtoverkon lämpötilaeron sekä sähkönkulutuksen kautta. Liian pienet putket eivät kykene kuljettamaan riittävää määrää energiaa asiakkaalle, mikä syö toiminnan kannattavuutta ja usein tätä energiavajetta joudutaan paikkaamaan polttamalla öljyä.
Panelian koulun tapaus
Koulun kaukolämpölinja on tehty pienalueverkostoon tarkoitetusta LDPE eli muoviputkesta, joka on sisähalkaisijaltaan 32 mm. Meno- ja paluuputkien pituus on 270 m ja painehäviön kumoamisesta huolehtivat verkoston eri puolilla olevat kaksi pumppua. Menopuolella 3 kW tehoinen ja paluupuolella taajuusmuuttajasäätöinen 1,5 kW:n pumppu. Koululla toimii kaukolämmönvaihtimena ainoastaan yksi vaihdin, joka on mitoitettu 250 kW teholle. Opinnäytetyössä selvitettiin kyseisten komponenttien riittävyyttä kulutuksen kasvaessa ja mahdollisuuksia piikkikuormien aiheuttaman öljynkäytön vähentämistä.
Tehovaatimuskasvun ratkaisuja
Laskemalla uuden sekä vanhan koulun tehontarpeet päästään käsiksi kulutuksen muutokseen. Tehontarpeen pitäisi kasvaa koulurakennuksissa uuden rakennuksen käyttöönoton jälkeen n. 12,7 kW. Nykyisellä kaukolämmön lämmönvaihtimella tämä kasvu pitäisi onnistua kasvattamalla virtausnopeutta. Laskelmat osoittavat, että kaukolämpölinjaston vesivirtaa nostattamalla n. 30 % entisestään saadaan lämmönsiirtotehoa nostettua vähintään 10 kW. Teoreettinen laskenta lämmitystekniikassa harvoin osuu täysin kohdalleen vaan virhemarginaalia on väkisinkin muuttujien suuren määrän takia. Yleisesti on pelattava varman päälle, jotta voidaan estää ylimääräiset investoinnit, jos mitoitus pienjärjestelmässä ei osukaan aivan kohdalleen.
Tehokkaamman lämmönsiirron mahdollisia sivuoireita
Kun veden virtausnopeutta nostetaan putkistossa, niin painehäviötkin kasvavat. Veden kulkiessa putkessa eteenpäin hankautuen seinämään suuremmalla nopeudella aiheutuu enemmän painehäviötä. Tämä puolestaan vaatii pumpuilta enemmän tehoa siirtääkseen vettä. Painehäviöiden osalta virtauksen nostaminen onnistuisi ainakin Panelian koulun päädyn pumpun kokoa kasvattamalla. Nykyinen pumppu on 1,5 kW sähköteholtaan ja uusi pumppu olisi 2,2 kW, joka olisi riittävä tehtävään. Häviöt linjastossa kasvaisivat n. 70 % entisestään, joka on vielä kohtuullinen määrä. Kun virtausta kasvatetaan liikaa, sivuoireina tulee vastaan kohtuuttoman pumppukoon lisäksi kasvavat painehäviöt. Virtaukseen syntyy suuremmassa nopeudessa myös enemmän turbulenttisuutta eli pyörteitä, jotka kasvattavat pienissä määrin lämpöhäviötä matkan varrella. Suurempi määrä turbulenttisuutta aiheuttaa myös putken seinämille kulumaa eli eroosiota (Jokilaakso 1987, 35). Tämäkään ei ole tavoiteltua, koska ylimääräinen putkiston kuluminen vähentää linjaston käyttöikää.
Lähteet
Stenberg, M. 2023: Pienkaukolämpötuotannon kulutuspisteen muutos : toimituslinjan mitoittaminen – Theseus. Opinnäytetyö (AMK), Energia ja ympäristötekniikka, Turun ammattikorkeakoulu.
Jokilaakso, A. 1987. Virtaustekniikan, lämmönsiirron ja aineensiirron perusteet. Espoo: Otakustantamo.