Martin Svenn
Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän mi- toitus ja rakentaminen kaukolämpö- verkkoon
Case Paulig
Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK)
Talotekniikka Insinöörityö 31.05.2021
Tekijä(t) Otsikko
Martin Svenn
Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän mitoitus ja rakentaminen kaukolämpöverkkoon
Sivumäärä Aika
30 sivua + 8 liitettä 31.05.2021
Tutkinto insinööri (AMK)
Tutkinto-ohjelma talotekniikka Suuntautumisvaihtoehto LVI-urakointi
Ohjaajat yliopettaja Jukka Yrjölä
tekninen aluepäällikkö Marko Alen
Työn tarkoitus on olla suunnittelu- ja mitoitusohje tulevaisuudessa vastaavanlaisille projek- teille. Työ oli Helsingin kaukolämpöverkossa ensimmäinen projekti, jossa hukkalämpöä myydään takaisin energialaitokselle, joten opinnäytetyön tarkoituksena on helpottaa vastaa- vanlaisten projektien suunnittelua ja karsia ongelmakohtia projektista pois jo ennen niiden syntymistä.
Työssä kerrotaan, kuinka asiakkaan lämmönmyyntiliittymän lämmönjakohuone ja sen lait- teet tulee suunnitella ja mitoittaa sekä mitä suunnittelun ja mitoittamisen ohjeistuksia ja säännöksiä työssä tulee käyttää ja noudattaa. Työn tarkoitus on myös kertoa ongelmista, joita ilmeni projektin aikana niiden välttämiseksi.
Opinnäytetyötä tehtiin lämmönmyyntiliittymää rakennettaessa, ja pääsin työn ansiosta seu- raamaan rakennustöiden etenemistä sekä kaukolämpölaitteiden käyttöönottoa. Työn ede- tessä ilmeni ongelmia laitteiston toiminnassa ja pääsin miettimään ratkaisuja, joilla laitteisto saatiin toimimaan halutulla tavalla.
Avainsanat kaukolämpö, lämmönmyyntiliittymä
Author Title
Martin Svenn
Design and Construction of Heat Sales Interface for Customer to District Heating Network
Number of Pages Date
30 pages + 8 appendices 31 may 2021
Degree Bachelor of Engineering
Degree Programme Building Services Engineering Specialisation option HVAC Contracting
Instructors Jukka Yrjölä, Principal Lecturer Marko Alen, Regional manager
The primary goal of this thesis was to be design and construct the first ever guide for future projects where waste heat is being sold back to the energy provider. One of the main goals of this thesis was to explain the encountered shortcomings and to share examples of how to avoid them in the similar projects that might be implemented in the future.
This thesis followed the construction process of a customer’s heat sales interface. During the installation and deployment of the equipment, a set of complications were discovered in the installed equipment that had to be resolved on the site. Solutions for these complications were presented in this thesis.
This thesis resulted in design and construction guides for the customer’s heat sales interface and equipment in the heat distribution room. It also included specifications that must be followed during the design and construction of similar projects.
Keywords district heat, heat sales interface
Sisällys
1 Johdanto 1
2 Helen Oy 2
3 Kaukolämpö 2
3.1 Yleistä 3
3.2 Kaukolämmön historia Suomessa 3
3.3 Kaukolämmön tuotantotavat 4
3.4 Käyttötarkoitus 5
4 Asiakkaan hukkalämmön myyntiliittymä ja sen laitteet 5
4.1 Lämmöntalteenotto 6
4.2 Lämmönsiirrin 6
5 Asiakkaan lämpöliittymän suunnittelu ja mitoitus 6
5.1 Lämpöliittymän rakentamis- ja mitoitusohje 7
5.2 Tekninen laitetila 7
5.3 Ensiöpuoli 8
5.3.1 Ensiöpuolen putket 8
5.3.2 Ensiöpuolen laitteet 8
5.3.3 Mittauskeskus 12
5.3.4 Säätöventtiili 14
5.4 Lämmönsiirrin 16
5.5 Toisiopuolen laitteet 18
6 Lämmön talteenotto 23
6.1 Toimintaperiaate 23
6.2 Mitoitus- ja suunnitteluohje 24
7 Myyntiliittymää suunniteltaessa huomioon otettavia asioita 25 7.1 Ensiöpuolen paluuvesi ei pysy asetusarvossaan 25
7.1.1 Syy ongelmaan 25
7.1.2 Ratkaisu 25
7.2 Toisiopuolen ylikuumeneminen 27
8 Myyntiliittymän toimintaperiaate 28
8.1 Toisiopuoli 28
8.2 Ensiöpuoli 28
8.3 Ohjaus 28
9 Yhteenveto 29
Lähteet 31
Liitteet
Liite 1. Kaukolämpösuunnitelmissa käytetyt piirrosmerkit
Liite 2. SWEP SSP-sovelluksesta tulostettu siirtimen mitoitustaulukko s.1 Liite 3. Fiksu valvomo, aloitussivu
Liite 4. Fiksu valvomo, Pauligin lämmönmyyntiliittymän kytkentä ja säätökaavio Liite 5. Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän toisiopuolen kytkentäkaavio
Liite 6. Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän ensiöpuolen pumppu
Liite 7. Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän ensiöpuolen pumpun ominaiskäyrä Liite 8. Ensiöpuolen säätöventtiilin tekninen tuote-esite
1 Johdanto
Opinnäytetyö tehdään yhteystyössä Helen Oy:n kanssa. Työ liittyy ensimmäiseen Hele- nin verkon projektiin, jossa hukkalämpöä myydään takaisin energialaitokselle, joten opin- näytetyön tarkoituksena on helpottaa vastaavanlaisten projektien suunnittelua ja mitoi- tusta sekä karsia ongelmakohtia projektista pois jo ennen niiden syntymistä. Opinnäyte- työ eteni projektin kanssa samaan aikaan, ja projektissa ilmeni ongelmakohtia, jotka saa- tiin ratkaistua. Ongelmat ja ratkaisut kirjattiin työhön, jotta asiat osattaisiin ottaa huomi- oon jo suunnitteluvaiheessa tulevaisuudessa.
Projektin idea syntyi Helenin ja Pauligin yhteisen energiatehokkuuskartoituksen myötä.
Energiatehokkuus ja ympäristövastuullisuus ovat nousseet suuren huomion kohteeksi energia-alalla. Helen pyrkii hiilineutraaliin lämmöntuottoon vuoteen 2035 mennessä, ja yritykset yrittävät keksiä mahdollisimman hyviä ja energiatehokkaita ratkaisuja lämpö- energian käyttöön ja hyödyntämiseen. Pauligin kahvipaahtimoiden on todettu tuottavan hukkalämpöä 1 000 kerrostalokaksion lämmöntarpeen verran. Helen ja Paulig totesivat, että Helenin avointa kaukolämpöä voisi hyödyntää hukkalämmön uudelleenkäyttöön.
Työssä kerrotaan, kuinka asiakkaan lämmönmyyntiliittymän lämmönjakohuone ja sen laitteet tulee suunnitella ja mitoittaa sekä mitä suunnittelun ja mitoittamisen ohjeistuksia ja säännöksiä työssä tulee käyttää ja noudattaa. Työssä kerrotaan ongelmista, joita il- meni projektin aikana. Tarkoituksena on edesauttaa niiden välttämistä jatkossa.
Suunnittelu- ja mitoitusohje keskittyy lämmönmyyjän suunnittelun vastuualueeseen, eli lämmönjakohuoneen sisällä oleviin laitteisiin ja putkistoihin. Lähteinä työssä käytetään alan ohjeistuksia, säännöksiä, kirjallisuutta sekä haastatteluita Helenin työntekijöiden kanssa, jotka ovat olleet mukana projektissa. Lämmönlähteen laitteiden kuvaaminen ja tarkempi ohjeistus eivät kuulu tähän työhön.
2 Helen Oy
Helen Oy on vuonna 1909 perustettu Helsingin kaupungin omistama energiaosakeyhtiö.
Helen Oy on yksi Suomen suurimmista energiakonserneista, ja se tarjoaa asiakkailleen sähköä, kaukolämpöä ja -jäähdytystä sekä muita monipuolisia palveluita energian pien- tuotantoon sekä asiakkaiden omaan energiakäyttöön ja sen tehostamiseen. Helen-kon- serniin kuuluu emoyhtiö Helen Oy sekä tytäryhtiöt Helen Sähköverkko Oy, Mankala Ab ja Helsingin Energiatunnelit Oy. Osakkuusyhtiöitä ovat Voimapiha Oy sekä Merituuli Oy.
[6;8.]
Kuva 1. Helen Oy:n konsernirakenne [8]
3 Kaukolämpö
Luvussa kerrotaan lyhyesti, mitä kaukolämpö on ja mistä se on saanut alkunsa. Luvun tarkoituksena on myös kertoa kaukolämmön tuotanto- ja lämmönsiirtotavoista sekä sel- ventää lukijalle, mihin kaukolämpöä käytetään.
3.1 Yleistä
Kaukolämpö on lämpölaitoksissa lämmitettyä vettä, joka toimitetaan asiakkaiden läm- mönsiirtimille kaukolämpöverkon avulla. Kaukolämpö sopii jokaiseen rakennusmuotoon ja sillä hoidetaan rakennusten käyttöveden sekä tilojen lämmitys. Kaukolämmön käyttö keskittyy erityisesti kaupunkien sekä tiheästi asuttujen alueiden lämmitykseen, mutta sii- hen on mahdollista liittyä, kunhan rakennuksen lähellä on valmiina kaukolämpöverkko tai semmoista ollaan suunnittelemassa alueelle. [1] Kaukolämpö on Suomen yleisin läm- mitysmuoto, sen markkinaosuus lämmitysratkaisuvalinnoissa on 46 prosenttia, ja uudis- rakennuksissa yli 60 prosenttia valitsee kaukolämmön. Vuonna 2017 kaukolämpöjohto- jen kokonaispituus Suomessa oli yhteensä noin 15 000 km. [2]
Kuva 2. Lämmitysmuotojen markkinaosuudet uusissa ja peruskorjatuissa rakennuksissa [1]
3.2 Kaukolämmön historia Suomessa
Suomessa kaukolämpö sai alkunsa, kun sähköteollisuudessa huomattiin, että sähkön- tuotannon yhteydessä syntyi hukkaan menevää lauhdelämpöä, jota voitaisiin hyödyntää rakennusten lämmittämiseen. Suomen ensimmäinen koko asuinalueen kattava kauko-
lämpöjärjestelmä rakennettiin jo vuonna 1940 Helsingin olympiakylään, mutta varsinai- nen vesikaukolämmitys otettiin käyttöön vasta vuonna 1957 Helsingissä. Vuonna 1973 kaukolämmön merkitys alkoi kasvaa energiakriisin seurauksena, ja 1980-luvulla kauko- lämpöverkkoja alettiin laajentaa. 1990-luvulla kaukolämmöstä tuli taajama-alueiden ylei- sin lämmitysmuoto. [6;7.]
3.3 Kaukolämmön tuotantotavat
Yleensä kaukolämpö tuotetaan laitoksissa yhdessä sähkön kanssa, mutta sitä voidaan myös tuottaa laitoksissa, jotka tuottavat pelkästään lämpöä. Laitokset, jotka tuottavat sähköä ja kaukolämpöä yhdessä, ovat polttolaitoksia, joissa kivihiiltä, puuta, maakaasua, turvetta, jätettä tai öljyä polttamalla tuotetaan sähköä. Samalla polttoprosessista synty- vällä lämmöllä lämmitetään kaukolämpövettä. Polttolaitoksissa käytettävä polttoaine on paikkakunta- ja tuotantolaitoskohtaista, ja sen valintaan vaikuttavat tuotantovarmuus, ta- loudellisuus sekä ympäristövaikutukset. Polttolaitoksia hyödynnettäessä kaukolämpöve- den lämmittämiseen Helen tuottaa lämpöä pääsääntöisesti yhteistuotannolla sen ympä- ristöystävällisyyden ja tehokkuuden takia. Kaukolämpövettä lämmitettäessä yhdessä sähkön tuotannon kanssa tarvitaan huomattavasti vähemmän polttoainetta ja polttoai- neen sisältämä energia voidaan hyödyntää lähes kokonaan. Ympäristövaikutukset ovat nykyään hyvin suuressa osassa polttoaineen valinnassa, ja kaukolämmön tuottamisessa pyritään hiilineutraaliuteen, jonka myötä fossiilisten polttoaineiden käyttäminen vähenee ja uusiutuvien luonnonvarojen käyttö lisääntyy. Biomassojen osuus kaukolämmön tuot- tamisessa on jo noin kolmanneksen. Helenin tavoite on hiilineutraali energiantuotanto vuoteen 2035 mennessä ja kivihiilestä luopuminen vuonna 2029. [3]
Kaukolämpöä on alettu myös tuottamaan muillakin kuin polttoon perustuvilla tavoilla.
Tuotantotapoja ovat erilaiset hybridiratkaisut, joilla tuetaan kaukolämpöä, kuten lämpö- pumput, joilla saadaan otettua lämpöä talteen maaperästä, ilmasta tai jätevedestä. Läm- pöpumppujen lisäksi toinen hybridiratkaisu on lämmöntalteenotto, jonka avulla voidaan uudelleen hyödyntää rakennusten poistoilmaa tai teollisuusprosesseissa syntyvää huk- kalämpöä.
3.4 Käyttötarkoitus
Kaukolämpö on voimalaitoksissa lämmitettyä vettä tai vesihöyryä, joka kiertää kauko- lämpöverkon avulla rakennusten lämmönjakohuoneisiin. Lämmönjakohuoneessa on lämmönsiirtimet, joissa kaukolämpövesi kiertää lämmittäen rakennuksen eri käyttötar- koituksiin tarkoitettua vettä haluttuun lämpötilaan. [9] Kaukolämpöä käytetään käyttöve- den sekä rakennuksen lämmittämiseen. Kaukolämmöllä lämmitetään käyttövettä sekä verkostoissa kiertävää vettä, kuten patteriverkosto, ilmanvaihdon lämmitysverkosto, uima-altaiden lämmitysverkosto ja lattialämmityspiiri.
4 Asiakkaan hukkalämmön myyntiliittymä ja sen laitteet
Hukkalämmöllä tarkoitetaan tuotantolaitoksista sekä rakennuksista ilmaan tai veteen ka- toavaa käyttämätöntä lämpöä [15]. Pauligin tapauksessa kaukolämpöön hyödynnettävä hukkalämpö on kahvinpaahtoprosessissa syntyvä lämpöä, joka siirtyy käyttämättömänä ilmaan. Paahtoprosessissa syntyy sivutuotteena noin 300 °C:n lämpöistä savukaasua, josta lämpöä siirretään LTO-järjestelmän sekä lämmönsiirtimen avulla Helenin kauko- lämpöverkkoon.
Kaukolämmöllä tarkoitetaan lämpölaitoksessa lämmitettyä vettä, jota energialaitokset myyvät asiakkaille lämmitystarkoituksiin. Kaukolämmön asiakkaan myyntiliittymällä kui- tenkin tarkoitetaan järjestelmää, jolla asiakas myy rakennuksen tai prosessin tuottamaa hukkalämpöä takaisin energialaitokselle. Asiakkaan myyntiliittymään tulee kuitenkin läm- mönjakohuone, johon tulee lämmönsiirtimet ja tavalliset laitteet kuin normaalissa kauko- lämpöliittymässä, mutta toisiopuoli on erilainen, sillä kaukolämmöllä ei lämmitetä toisio- puolen nestettä vaan toisiopuolen nesteellä lämmitetään kaukolämpövettä.
Kuvassa 3 esitetään asiakkaan lämmönmyyntiliittymän kytkentäkaavio, jolla näkyvät en- siö- ja toisiopuolen meno- ja paluuputket. Kuvasta ei näy kaikkia laitteita, jotka lämmön- myyntiliittymään on asennettu.
Kuva 3. Asiakkaan myyntiliittymän kytkentäkaavio
Tässä luvussa eritellään asiakkaan myyntiliittymässä olevat lämmönsiirtolaitteet. Projek- tissa on kaksi laitetta: lämmönjakohuoneessa oleva lämmönsiirrin sekä toisiopuolella sa- vukaasuista lämpöä verkostoon siirtävä lämmöntalteenottopatteri.
4.1 Lämmöntalteenotto
Lämmöntalteenoton eli LTO:n tehtävä tässä projektissa on siirtää prosessissa syntyvä hukkalämpö lämmöntalteenottopatterin avulla hukkalämmönlähteestä verkostossa kier- tävään nesteeseen. Neste kierrätetään toisiopuolen verkostossa lämmönsiirtimelle, josta lämpöenergia siirretään lämpölaitoksen menoveteen.
4.2 Lämmönsiirrin
Lämmönsiirrin on energiatekniikan laitteisto, jolla lämpöenergiaa siirretään eri lämpöti- loissa olevien nesteiden välillä [4]. Lämpö voi siirtyä aineesta joko rekuperatiivisiin tai regeneratiivisiin lämmönsiirtimiin.
5 Asiakkaan lämpöliittymän suunnittelu ja mitoitus
Tässä luvussa kerrotaan suunnittelu- ja mitoitusohjeita lämmönmyyjän eli Helenin lait- teille sekä muille lämmönjakohuoneessa oleville laitteille. Ohjeistuksessa on kerrottu säännökset, joiden mukaan projekti on suunniteltu ja rakennettu. Suunnittelu- ja mitoi- tusohjeeseen on kerätty ohjeet vain niiden laitteiden osalta, joita projektissa on käytetty.
5.1 Lämpöliittymän rakentamis- ja mitoitusohje
Asiakkaan myyntiliittymä on suunniteltu ja mitoitettu vuonna 2013 julkaistun Rakennus- ten kaukolämmitys Määräykset ja ohjeet (K1/2013) mukaisesti. Julkaisu on Energiateol- lisuus ry:n laatima, ja se pitää sisällään kaiken sen julkaisuhetkellä vaikuttavan lainsää- dännön kaukolämpöön liittyen. Energiateollisuus ry on julkaissut uuden version K1 mää- räykset ja ohjeet, joka on K1/2020, mutta myyntiliittymä suunniteltiin ja mitoitettiin ennen uuden määräyksen astumista voimaan. K1:n lisäksi työssä on käytetty painelaitteita kos- kevaa säännöstä [Painelaitelaki 1144/2016] sekä projektiin soveltuvia standardeja, ra- kennusmääräyskokoelmia ja Helenin omia määräyksiä.
5.2 Tekninen laitetila
Tässä luvussa käsitellään teknisen laitetilan suunnittelu- ja mitoitusohjetta. Laitetila ja sinne tulevien putkien sijainti sovitaan yhdessä lämmönmyyjän kanssa. [12] Pauligin ta- pauksessa teknisenä laitetilana lämmönsiirtimelle toimii merikontti, joka on sijoitettu Pau- ligin tontille. Tästä syystä laitetilan sijainti on suunniteltu yhdessä lämmönmyyjän sekä Pauligin henkilöstön kanssa.
Jos teknisessä laitetilassa on lämmönmyyjän laitteita, sinne pitää järjestää sisäänpääsy lämmönmyyjälle. Tekninen laitetila on mitoitettava sinne tulevien laitteiden tilantarpeen mukaiseksi. Laitteille on varattava riittävä tila ottaen huomioon laitteiden huolto sekä käy- tön tarpeet. Jos tekniseen laitetilaan tulee kaukolämmön lisäksi muita laitteita, niille pitää varata erikseen tarpeeksi tilaa. Teknisen laitetilan lattian suurin sallittu korkeusasema on 30 metriä, ja laitetilan tulee sijaita mahdollisimman lähellä Helenin runkoverkkoa. [12]
Tekniseen laitetilaan on rakennettava viemäröinti mahdollisten vuotojen varalle. Viemä- röintiä suunnitellessa on otettava huomioon toisiopuolen verkostossa kiertävä aine ja sen haittavaikutukset ympäristölle. [12]
Mittauskeskus on sijoitettava lämpölaitoksen putkistoon liittymisjohdon kannalta edulli- simpaan paikkaan, ja siten, että sen huoltotilat täyttyvät. Mittauskeskuksen eteen on jää- tävä 800 mm ja sivuille 600 mm huoltotilaa. Mittauskeskuksen huoltotilan korkeuden on oltava vähintään 2000 mm. [12]
5.3 Ensiöpuoli
Ensiöpuolella tarkoitetaan putkiston ja laitteiden osuutta, jossa kaukolämpövesi virtaa ja mihin sen paine vaikuttaa. Ensiöpuolen korkein lämpötila, johon se suunnitellaan, on 120
°C ja suurin käyttöpaine 1,6 MPa [12]
5.3.1 Ensiöpuolen putket
Puristusliittimien käyttö ensiöpuolella on kielletty. Putket mitoitetaan niiden kokonaispai- nehäviön mukaisesti. Ensiöpuolella tulee käyttää hitsattuja teräsputkia. Saumattomina teräsputkina käytetään SFS-EN 10216-2:n mukaan valmistettuja putkia. Pituus- ja kier- resaumahitsattuina teräsputkina käytetään standardien SFS-EN 10217-1,10217-2 tai 10217-5 mukaisesti valmistettuja putkia. [12] Taulukossa 1 esitetään teräsputkien tyypit, viitestandardit ja materiaalit.
Taulukko 1. K1/2013 Taulukko D Teräsputkien tyypit, viitestandardit ja materiaalit [12, s. 19.]
5.3.2 Ensiöpuolen laitteet Ensiöpuolelle on asennettava
• lämpölaitoksen sekä asiakkaan sulkuventtiilit
• lämpö ja painemittarit/anturit
• mittauskeskus
• lianerotin
• varoventtiili
• pumppu
• tyhjennykset
• yksitieventtiili
• säätöventtiili
• tyhjennysventtiilit.
Kuvassa 4 on esitetty esimerkki ensiöpuolen laitteista. Kuvassa ensiöpuolen paluuput- keen on lisätty pumppu, jolla säädetään siirtimen virtaamaa. Suunnitelmassa ei näy kau- kolämpölaitoksen venttiileitä eikä säätöventtiiliä. Liitteessä 1 ovat selitteet kytkentäkaa- viossa käytetyille piirrosmerkeille.
Kuva 4. Pauligin kaukolämpöpaketin kytkentäkaavion ensiöpuoli
Sulkuventtiileinä käytetään hitsattavia tai laipallisia palloventtiilejä. Palloventtiilin DN- koko on oltava sama kuin putken koko, johon venttiili liitetään. [12]
Lianerottimen suodatinverkon tulee olla ruostumatonta (EN 14301) tai haponkestävää (EN 1.4404) terästä, jonka silmäkoko on enintään 1,0 mm. Lianerottimen DN-koon on
oltava sama kuin putken, johon lianerotin asennetaan. Lianerotinta ei saa poistaa, sillä se kuuluu laitetoimittajan verkon varusteisiin. [12]
Lämpö- ja painemittarit tulee sijoittaa asiakkaan sulkuventtiilien ja lämmönsiirtimen väli- seen putkiosuuteen.
Ensiöpuolen pumppu mitoitetaan lämmönsiirtimen virtaaman mukaan niin, että se voittaa kaukolämpöverkon paine-eron sekä mittauskeskuksen laitteiden painehäviöt. Helenin verkon menoputken, eli lämmönmyyntiliittymän ensiöpaluuputken paine on 4 bar suu- rempi kuin menoputken paine. Tästä johtuen paine-ero on käytännössä negatiivinen, eli energialaitoksen verkoston paine yrittää työntää virtausta väärään suuntaan. Ensiöpuo- len pumpun on ensin voitettava ensiöpuolen paine-ero, joka on Pauligin tapauksessa 400 kPa. Tämän jälkeen pumpun tulee voittaa lämmönsiirtimen, putkien ja varusteiden painehäviöt ja kerta- ja kitkavastukset. Pumppua mitoitettaessa tulee myös huomioida asiakkaalle ilmoitettu painehäviö. Jos mitoituksessa otetaan huomioon vain kerta- ja kit- kavastukset sekä laitteiden ja putkien painehäviö, ei pumppu vielä riitä siirtämään nes- tettä ensiöpuolella. Kun laitteiden ja putkien painehäviöt ja kerta- ja kitkavastukset sekä energialaitoksen putkien paine-ero on saatu selville, täytyy siihen lisätä vielä asiakkaalle ilmoitettu käytössä oleva painehäviö. Pauligin tapauksessa valittu paine-ero on 100 kPa mittauskeskuksella. Pumppua mitoitettaessa on käytetty kaavaa 1.
(1)
∆𝑝 = ∆𝑝𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖𝑠𝑡𝑜+ ∆𝑝𝑙𝑖𝑎𝑛𝑒𝑟𝑜𝑡𝑖𝑛+ ∆𝑝𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑚𝑖𝑡𝑡𝑎𝑟𝑖+ ∆𝑝𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖𝑠𝑡𝑜𝑣𝑎𝑟𝑢𝑠𝑡𝑒𝑒𝑡+ ∆𝑝𝑙ä𝑚𝑚ö𝑛𝑠𝑖𝑖𝑟𝑟𝑖𝑖𝑛+
∆𝑝𝑘ä𝑦𝑡𝑒𝑡𝑡ä𝑣𝑖𝑠𝑠ä 𝑜𝑙𝑒𝑣𝑎 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒+ ∆𝑝𝑟𝑢𝑛𝑘𝑜𝑗𝑜ℎ𝑡𝑜
jossa
∆pputkisto on tonttijohdon painehäviö [kPa]
∆plianerotin on lianerottimen painehäviö [kPa]
∆penergiamittari on energiamittarin painehäviö [kPa]
∆pputkistovarusteet on putkiston varusteiden painehäviö [kPa]
∆plämmönsiirrin on lämmönsiirtimen painehäviö [kPa]
∆pkäytettävissä oleva paine on mittauskeskukselle valittu paine-ero [kPa]
∆prunkojohto on runkojohdon vallitseva paine-ero [kPa]
∆𝑝 = 24 + 4 + 12 + 3 + 49 + 100 + 400 = 592 𝑘𝑃𝑎
Pumpun paineenkorotukseksi valittiin 592 kPa ja virtaama mitoitettiin lämmönsiirtimen ensiöpuolen virtaaman mukaan. Näiden tietojen perusteella saatiin tilattua pumppuval- mistajalta ensiöpuolen pumppu. Pumpun toimintapiste muuttuu pumpun toimintakäyrällä maksimin ja minimin välissä riippuen kaukolämpöverkon vaihtelevasta paine-erosta sekä LTO-piirin tehoa vastaavasta virtaamasta. Jos LTO-piirin teho kasvaa, niin ensiöpuolen virtaamaa täytyy kasvattaa, jotta kaukolämpöverkkoon siirrettävä lämpötila pysyy va- kiona. Liitteessä 7 on esitetty pumpun ominaiskäyrä.
Yksitieventtiilin tehtävä on estää veden virtaamaa väärään suuntaan. Yksitieventtiili mi- toitetaan samankokoiseksi kuin putki, johon yksitieventtiili asennetaan. Ensiöpuolen va- roventtiilin koko määräytyy siirtimen tehojen mukaisesti. Ohje varoventtiilin mitoittami- seen löytyy taulukosta 2. Jos varoventtiileitä on useampia, tulee jokaiselle varoventtiilille asentaa oma ulospuhallusputki. Ulospuhallusputket johdetaan 100 mm:n etäisyydelle lattiasta. Ensiöpuolen varoventtiilin asennuksesta täytyy ensin keskustella lämmönmyy- jän kanssa. [13] Taulukossa 2 esitetään varoventtiilin DN koon valinta lämmönsiirtimen tehojen mukaan.
Taulukko 2. K1/2013 Taulukko H. Varoventtiilien mitoitusohje [12, s. 28.]
5.3.3 Mittauskeskus
Mittauskeskuksen ja mittarin suunnitteluun ja mitoitukseen sovelletaan Kaukolämmön mittaussuositusta K13/2008. Mittauskeskuksella tarkoitetaan lämmönmyyjän mittauslait- teistoa, johon kuuluvat mittauslaitteet, lämmönmyyjän sulkuventtiilit, tyhjennysventtiilit, lianerottimet ja mahdolliset virtauksen rajoittimet. Mittauskeskuksen suunnittelupaine on 1,6 MPa ja suunnittelulämpötila 120 °C Kuvassa 5 on esimerkki mittauskeskuksen kytken- nästä. Mittauskeskus sijoitetaan yleensä samaan tilaan kaukolämpölaitteiden kanssa.
Mittauskeskukselle tulee varata huoltotila. Keskuksen eteen 800 mm, sivuille 600 mm.
Huoltotilan korkeuden tulee olla 2000 mm. Virtausanturille rakennetaan rauhoitusosuus ennen ja jälkeen mittauskohdan. Rauhoitusosuus 5D määritetään mittausosuuden put- ken sisähalkaisijan mukaan kertomalla se viidellä. [14]
Mittauskeskus suunnitellaan niin, ettei mittauskeskuksen painehäviö kasva liian suu- reksi. Jos huippuvirtaamalla mittauskeskuksen painehäviö kasvaa liian suureksi, joudu- taan valitsemaan isompi energiamittari, jolloin myös mittauskeskuksen koko kasvaa. Mit- tauskeskuksen koko ja energiamittarin koko ovat samat. [14;11.]
Kuva 5. K13/2008 Liite 4 Mittauskeskuksen kytkentäesimerkki [14, s. 53.]
Energiamittari mitoitetaan suurimman käytössä olevan virtauksen mukaan. Energia- mittaria mitoitettaessa tulee kuitenkin huomioida se, että mittari on osa mittauskeskusta.
Jos mittauskeskuksen painehäviö kasvaa liian suureksi, joudutaan valitsemaan isompi energiamittari. Mittarin painehäviön tulee olla huippuvirtaamalla alle 25 kPa. Mittarin va- lintaan vaikuttaa myös mittaustarkkuus. [14]
Mittarivalmistajien mallistosta valitaan ensin mittarin paineluokka, eli mittariksi valitaan ensiöpuolelle sopiva mittari. Mittauskeskuksen suunnittelupaine on 16 bar, joten mittari valitaan sen mukaan. Paineluokan valitsemisen jälkeen valitaan mittareista huippuvesi- virran mukaan mittarin malli ja tarkastetaan, ettei painehäviö tällä mittarilla nouse liian suureksi. [14] Tyhjennysventtiilit tulee asentaa niin, että lämmönjakokeskus saadaan tyhjennettyä kokonaan tarvittaessa. Tyhjennysventtiileinä käytetään palloventtiileitä. [11]
Laitteita mitoitettaessa on huomioitava ensiöpuolen jäätymisen esto. Pauligin tapauk- sessa kahvipaahtimot eivät käy koko ajan, joten ensiöpuolelle on varmistettava pieni vir- taama kiertolenkillä paahtimoiden ollessa kiinni talviaikana. Lämpölaitoksen sulkuvent- tiilien jälkeen on asennettu omavoimainen venttiili, joka säätää kierron virtaamaa asete- tun lämpötilan mukaan. Kiertolenkin tarkoitus on kierrättää pieni osa kaukolämmön tulo- vedestä takaisin paluuveteen, mikä pitää virtauksen yllä ensiöpuolella ja estää putkia jäätymästä. Kiertolenkkiin asennetun omavoimaisen venttiilin toimintalämpötiloja voi- daan muuttaa haluttuun lämpötilaan. Kun lämmönsiirtimeltä palaava vesi rupeaa jäähty- mään tarpeeksi, alkaa omavoimainen venttiili avautumaan ja ohjaamaan kaukolämpö- veden virtaamaa kiertolenkkiin. Pauligin lämmönmyyntiliittymän kiertolenkin alarajaksi on asetettu 70 °C, jonka jälkeen omavoimainen venttiili rupeaa avautumaan ja ohjaamaan pientä virtaamaa takaisin paluuverkkoon. [13]
5.3.4 Säätöventtiili
Säätöventtiilin tehtävä on kuristaa lämmönsiirtimen virtaamaa ja siten säätää sen tehoa.
Säätöventtiili mitoitetaan lämmönsiirtimen mitoitusarvojen mukaan. Säätöventtiilin mitoi- tuksessa käytetään lämmönsiirtimen ensiöpuolen virtaamaa sekä mitoituspaine-eroa.
Säätöventtiiliä mitoittaessa käytetään kaavaa 2. Venttiilin kv-arvo kertoo venttiilin läpi kul- kevan virtaaman (m3/h) silloin, kun paine-ero venttiilin yli on 1 bar.
𝑘𝑣= 𝑞𝑣
√∆𝑝 (2)
jossa
qv on mitoitusvirtaama [m3/h]
∆p on mitoituspaine-ero [bar]
Venttiilin koko ilmoitetaan kvs-arvona. Venttiilivalmistajilla on taulukot venttiilien kokoihin, ja säätöventtiiliksi valitaan kaavasta saatua vastausta lähin venttiili. Pauligin myyntiliitty- män säätöventtiilin mitoituksessa käytetään virtaamana lämmönsiirtimen ensiöpuolen virtaamaa 6,8 l/s ja paine-ero on 100 kPa. Ensiöpuolen virtaama on esitetty kuvassa 8.
𝑘𝑣= 24,48
√100= 24,48
Säätöventtiilin koko kaavan mukaan olisi kvs 25, mutta kyseisessä työssä kvs 25-venttiili olisi aiheuttanut liikaa painehäviöitä mittauskeskukselle. Jos kyseessä olisi normaali kau- kolämpöliittymä, jossa kaukolämpövesi kiertäisi normaaliin suuntaan ja ensiöpuolella ei olisi erillistä pumppua, valittaisiin säätöventtiiliksi kvs 25. Säätöventtiilin auktoriteetin β eli vaikutusasteen tulisi olla vähintään puolet säätöpiirin kokonaispainehäviöstä, jotta se pystyy säätämään siirtimen läpi kulkevaa virtaamaa. Auktoriteetti lasketaan kaavalla 3.
Säätöventtiiliä valittaessa auktoriteetin tulisi olla ≥ 0,5.
β= ∆𝑝𝑠𝑣
∆𝑝𝑚𝑖𝑡 (3)
jossa
∆psv on valitun säätöventtiilin aiheuttama painehäviö mitoitusvirtaamalla
∆pmit on energialaitoksen ilmoittama käytettävissä oleva paine-ero Säätöventtiilin aiheuttama painehäviö lasketaan kaavalla 4.
∆𝑝𝑠𝑣= (𝑞𝑣
𝑘𝑣𝑠)2 (4)
jossa
qv on mitoitusvirtaama [m3/h]
kvs on säätöventtiilin kvs arvo
Mitä suuremmaksi virtaama kasvaa, sitä tiukemmaksi säätöventtiili valitaan, jolloin auk- toriteetti saadaan pysymään ≥ 0,5. Pauligin tapauksessa mittauskeskuksen paine-ero luodaan ensiöpuolen pumpulla. Tästä johtuen säätöventtiiliä valittaessa ei säätöventtiilin auktoriteetti ole niin suuressa asemassa, koska pumpun nostokorkeutta säätämällä sää- töventtiilin auktoriteettia pystytään muuttamaan. Säätöventtiiliä valittaessa on kaksi vaih- toehtoa, valita pienempi säätöventtiili ja nostaa pumpun tehoa, tai valita suurempi vent- tiili, jolloin painehäviö ei kasva liian suureksi ja pumpun tehoa ei tarvitse kasvattaa.
Koska pumpun teho saadaan pidettyä mahdollisimman pienenä, säästyy prosessissa sähköä. Venttiiliä valittaessa todettiin energiatehokkaammaksi ratkaisuksi valita kohtee- seen venttiilivalmistajan taulukosta seuraava, kvs 40-säätöventtiili. [13]
5.4 Lämmönsiirrin
Yleensä lämmönsiirrin mitoitetaan tehontarpeen mukaan sellaiseksi, että jäähtymä saa- daan mahdollisimman suureksi. Asiakkaan lämmönmyyntiliittymässä, jossa asiakkaalta tulevaa hukkalämpöä myydään energialaitoksen verkkoon, tulee lämmönsiirrin mitoittaa lämmöntalteenoton kokonaistehon mukaiseksi siten, että lämmönsiirrin pystyy lämmittä- mään ensiöpuolen paluuveden kaukolämpöön soveltuvaksi kuitenkin niin, ettei lämmön- siirrin kasva liian suureksi.
Lämmönsiirrin on mitoitettu SWEP:in SSP-siirrinmitoitusohjelmalla. Lämmönsiirrin mitoi- tetaan LTO:n tehon, asiakkaan paluu- sekä menoveden lämpötilojen ja Helenin meno- ja paluuveden lämpötilojen mukaan. [11]
Kuvassa 6 näkyy Pauligin tapauksen lämmönsiirtimen mitoitus ja sen alapuolella on se- litteet kullekin kohdalle.
Kuva 6. SWEP SSP sovellus, lämmönsiirtimen mitoitus
1) Tarvittava teho lämmönsiirtimeltä. Pauligilla on kolme LTO-patteria, joiden kunkin yksit- täinen teho on 424 kW. Patterien tehot yhteen laskettuna saadaan lämmönsiirtimen tar- vittavaksi tehoksi 1 272 kW.
2) Toisiopuolen menolämpötila. Lämpötila on tilaajan, eli Pauligin määrittämä. Tilaajalle an- nettiin ensiöpuolen lämpötila, jonka mukaan tilaaja määritti toisiopuolen lämpötilat 3) Toisiopuolen paluulämpötila. Tilaajan määrittämä
4) Ensiöpuolen menoveden lämpötila. Helenin ilmoittama alueen paluulämpötila.
5) Ensiöpuolen paluuveden lämpötila. Helenin määrittämä. Lämpötila on määritetty sem- moiseksi, että lämmönsiirtimen koko ei kasva liian suureksi. Kahden asteen muutos tässä lämpötilassa voi nostaa lämmönsiirtimen levyjen määrää yli sadalla levyllä, mikä kasvat- taisi siirtimen kokoa merkittävästi. Lämmönsiirtimen koko katsottiin muuttamalla meno- lämpötilan arvoa ja kokeilemalla eri lämpötiloja. Kokeilun jälkeen todettiin, että 85 °C on kannattavin lämpötila, jota siirtimeltä halutaan.
6) Toisiopuolella kulkeva aine. Pauligin tapauksessa toisiopuolella kulkee 40 prosenttista etyleeniglykolia. Tämä tarkoittaa, että 40 prosenttia lämmönsiirtonesteen massasta on etyleeniglykolia.
7) Ensiöpuolella kulkeva aine. Ensiöpuolella kulkee normaalia kaukolämpövettä.
8) Suunnittelupainehäviö
Kun sovellukseen on syötetty tarvittavat tiedot, se ehdottaa annetuille tiedoille sopivinta lämmönsiirrintä, joista valitaan kohteeseen sopivin. [11]
Kuva 7. SWEP SSP-sovelluksen suosittelemat lämmönsiirtimet
Sovellukseen syötetään tarvittavat tiedot, minkä jälkeen sovellus antaa eri lämmönsiir- rinvaihtoehtoja, joista valitaan kohteeseen sopivin lämmönsiirrin. Kuvassa 7 on sovelluk- sen suosittelemat lämmönsiirrinmallit Pauligin tapauksessa. Lämmönsiirtimeksi valittiin B349Hx305/2P, josta B349H on siirtimen malli ja 305 kertoo siirrinlevyjen määrän. Sil- loin, kun lämmönsiirrintä mitoitettiin, ei ollut kuvassa 7 ylimpänä näkyvää siirrinmallia, joten sovellus ehdotti parhaaksi mahdolliseksi malliksi kuvassa toisena näkyvää mallia.
Mitoituksen jälkeen sovelluksesta tulostetaan tekninen tuloste siirtimen mallista, ja se toimitetaan laitetoimittajalle. Kuvassa 8 on esitetty tekninen tuloste Pauligin siirtimen mi- toituksesta.
Kuva 8. Osa SWEP SSP-lämmönsiirtimen mitoitussovelluksesta tulostetusta teknisestä tulos- teesta.
5.5 Toisiopuolen laitteet
Toisiopuolen putket ja laitteet on mitoitettu painelaitedirektiivin 2014/68/EU (PED) mu- kaisesti. Toisiopuolen varolaitteet ovat Helenin määrittämiä, ja paisunta-astiat on mitoi- tettu Rakennustietosäätiön ohjekortin LVI 11-10472 mukaisesti. [13]
Toisiopuolen suunnittelupaineena on käytetty 10 baria mutta maksimi käyttöpaine toisio- puolella on 5 - 6 bar. Toisiopuolella suunnitteluun käytetty maksimi lämpötila on 150 °C.
[13]
Toisiopuolelle on asennettava
• pumppu
• paine- ja lämpömittarit/anturit, joista näkyy verkostoon menevät ja verkostosta palaavat paineet sekä lämpötilat.
• paisuntajärjestelmä, johon kuuluu paisunta-astiat ja varoventtiilit
• tyhjennysventtiilit
• lianerotin
• täyttöryhmä toisiopuolen nesteelle.
Kuvassa 9 esitetty lämmönjakohuoneen sisäpuolella olevat toisiopuolen laitteet. Liit- teessä 1 on esitetty piirrosmerkit, joita kytkentäkaaviossa on käytetty. Kuvassa pumppu on toisiopuolen paluuputkessa, mutta todellisuudessa pumppu on asennettu menoput- keen.
Kuva 9. Asiakkaan myyntiliittymän lämmönjakokeskuksen kytkentäkaavio, toisiopuoli
Toisiopuolen pumppu mitoitetaan laskemalla yhteen toisiopuolen putken, varusteiden ja lämmöntalteenoton tuottama kerta- ja kitkavastus. Mitoituksessa tulee myös ottaa huo- mioon toisiopuolella käytetty neste. [5]
Paisuntajärjestelmänä tulee käyttää suljettua järjestelmää. Jos rakennus on korkea, tu- lee paisuntajärjestelmänä käyttää kompressori- tai pumppuohjattua suljettua paisunta- järjestelmää. [12]
Paisuntaputki sijoitetaan pumpun imupuolelle, eli ennen pumppua. Paisuntaputkeen asennetaan sulkuventtiili paisunta-astian viereen, minkä jälkeen asennetaan varovent-
tiili. Jos varoventtiilin ja lämmönsiirtimen väliin asennetaan sulku, tulee siirtimelle asen- taa ylimääräinen varoventtiili. Varoventtiilien koon tulee olla vähintään DN15, ja on suo- siteltavaa käyttää kahta varoventtiiliä. Varoventtiilissä pitää lukea venttiilin DN-koko ja avautumispaine. [12]
Julkaisun K1/2013 kohdan 10.2.3 Varoventtiilit ja varusteet mukaan varoventtiilien ulos- puhallusyhde johdetaan 100 mm:n etäisyydelle lattiasta, mutta Pauligin tapauksessa pai- suntaputkeen on asennettu pumppuasema, johon varoventtiilien puhallusputket on joh- dettu [12].
Kuva 10. Paisuntajärjestelmään asennettu pumppuasema
Pumppuasema näkyy kuvassa 10. Ideana pumppuaseman asennuksessa oli se, että varoventtiilien vuotaessa ulospuhallusputket eivät vuoda etyleeniglykolia lattialle, vaan astiaan, josta sitä voi sähköisellä pumpulla pumpata tarvittaessa takaisin järjestelmään.
Kuva 11. Asiakkaan myyntiliittymän paisuntajärjestelmä
Paisunta-astiat ja varoventtiilit on mitoitettu Rakennustietosäätiön ohjekortin LVI 11- 10472 kohtien 2, 2.5, 2.6 ja 2.7 mukaisesti. Suljettua paisuntasäiliötä mitoittaessa tulee huomioida, että järjestelmän veden tilavuus voi muuttua 2-2,5 % mitoituslämpötilan mu- kaan.
6 Lämmön talteenotto
Tässä luvussa kerrotaan lyhyesti LTO:n toimintaperiaate ja esitetään LTO:n kytkentä- kaavio. Kytkentäkaaviosta ei kuitenkaan näe virtaamia eikä laitteiden tehoja yrityssalai- suuksien takia. Laitteistosta ei myöskään voi tarkemmin kertoa eikä tehdä suunnitteluoh- jetta, koska se kuuluu yrityssalaisuuden piiriin.
6.1 Toimintaperiaate
Paahtoprosessin käynnistyessä ja toisiopuolen lämmetessä asetettuun arvoon puhallin 301PK01 käynnistyy, minkä jälkeen sulkupelti 301SP01 aukeaa ja rupeaa ohjaamaan palokaasuja vanhan hormin sijaan uuteen hormiin. Savukaasut kulkeutuvat LTO-patterin läpi lämmittäen patterin läpi virtaavaa nestettä. LTO-patterilta lämmin neste siirtyy Hele- nin laitteistolle, jossa lämpöenergia siirretään lämmönsiirtimen avulla Helenin menoverk- koon, eli asiakkaan myyntiliittymän ensiöpuolen paluuputkeen. Kuvassa on 12 LTO:n kytkentäkaavio, josta näkyy puhallin sekä sulkupelti.
Kuva 12. Pauligin asiakkaanmyyntiliittymän LTO-kytkentäkaavio, paahdin 1
6.2 Mitoitus- ja suunnitteluohje
Toisiopuolen laitteet ja suunnitelmat ovat asiakkaan ja suunnitteluyrityksen välinen asia.
Suunnittelu ja mitoitukset ovat yrityssalaisuuksia, joista ei saa jakaa tietoa muille. Tästä syystä LTO-suunnittelusta ei voi kirjoittaa tarkempaa ohjeistusta.
7 Myyntiliittymää suunniteltaessa huomioon otettavia asioita
Tässä luvussa kerrotaan ongelmista, joita projektia rakennettaessa ja viritettäessä tuli vastaan ja jotka on hyvä huomioida vastaavaa projektia tehtäessä. Luvussa kerrotaan havaitut ongelmat sekä niiden syyt ja ratkaisut.
7.1 Ensiöpuolen paluuvesi ei pysy asetusarvossaan
Laitteiston toimintaa kokeiltaessa ilmeni ongelma, jonka seurauksena lämmönsiirtimeltä Helenin verkkoon kulkeutuva vesi oli liian kylmää. Kahvin paahtoprosessin ollessa käyn- nissä LTO:lta lämmönsiirtimelle siirtyvä veden lämpötila oli noin 90 °C, mutta silti lämön- siirtimeltä Helenin verkkoon siirtyvän veden lämpötila oli vain noin 55 °C. Lämmönsiirti- meltä kaukolämpöverkkoon siirtyvän veden lämpötilan halutaan olevan yli 80 °C paahto- prosessin käydessä.
7.1.1 Syy ongelmaan
Ensiöpuolen pumpun on käytävä jatkuvasti täydellä teholla, jotta se jaksaa voittaa kau- kolämpöverkon paineen ja pystyy pitämään virtaamaa yllä. Pumpulle valittiin uudeksi toi- mintapisteeksi nostokorkeus 592 kPa, virtaama 6,8 l/s. Jos ensiöpuolen pumppu ei käy täydellä teholla, pysähtyy ensiöpuolen virtaama kaukolämpöverkon paineen takia. Pum- pun käydessä täydellä teholla ensiöpuolen virtaama kuitenkin kasvoi liian isoksi, ja läm- mönsiirrin jäähdytti vettä liian suurella teholla. Tämän seurauksena kaukolämmön paluu- veden lämpötila oli liian alhainen, eikä laitteisto toiminut suunnitellulla tavalla.
7.1.2 Ratkaisu
Ongelmaa yritettiin aluksi ratkaista säätämällä pumppujen virtaamia FIKSU-valvomosta nostamalla pumpun tehoa, mutta laitetta ei saatu sillä toimimaan. Lopulta keksin kokeilla säätää ensiöpuolen virtaamaa kuristamalla sitä sulkemalla ensiöpuolen paluuventtiiliä.
Kokeen aikana pidimme ensiöpuolen pumppua täydellä teholla ja samaan aikaan sul- jimme sulkuventtiiliä pikkuhiljaa. Seurasimme koko ajan, miten sulkuventtiilin sulkeminen vaikutti kaukolämpöverkkoon siirtyvän veden lämpötilaan. Kun venttiiliä oli suljettu noin 60 % ensiöpuolen paluuveden lämpötila alkoi nousta lähelle 80 °C:ta. Totesimme, että kuristamalla virtaamaa saadaan lämmönsiirrin toimimaan suunnitellulla tavalla ja asen- nutimme ensiöpuolen menoputkeen säätöventtiilin. Kuvassa 13 näkyy säätöventtiili
asennettuna lianerottimen oikealle puolelle. Liitteessä 8 esitetään säätöventtiilin tekniset tiedot.
Kuva 13. Ensiöpuolen tuloputki, jossa on yksitieventtiili, lianerotin ja säätöventtiili.
Säätöventtiilin tarkoitus on automaattisesti säätää ensiöpuolen virtaamaa paahtoproses- sin käydessä anturilta 100TE41 saadun lämpötilan mukaan pitäen lämpötilan noin 80°C:ssa. Kun paahtoprosessi pysähtyy ja ensiöpuolen paluulämpötila laskee tarpeeksi, säätöventtiili sulkeutuu. Kuvassa 14 esitetään laitteiston toiminta tällä hetkellä, kun sää- töventtiili (100FV01) on asennettu ja toiminnassa. LTO:lta lämmönsiirtimelle tulevan ve- den lämpötila (1400TE42) on 87 °C ja paluulämpötila on (1400TE41) 51 °C. Ensiöpuolen menoputken veden lämpötila (100TE42) on 50 °C ja siirtimeltä kaukolämpöverkkoon siir- tyvän lämmitetyn veden lämpötila (100TE41) on 80 °C, joka on haluttu lämpötila.
7.2 Toisiopuolen ylikuumeneminen
Laitetta viritettäessä toisiopuolen vesi ylikuumeni laitteiston käynnistyksen yhteydessä aiheuttaen häiriötilan LTO-laitteistolle, mikä häiritsi paahtoprosessia. Syynä ylikuumene- miselle oli se, että säätöventtiili yritti säätää ensiöpuolen paluuvettä sen asetusarvoon 85 °C, vaikka toisiopuolen neste oli ensiöpuolen asetusarvoa viileämpää. Tämän seurauk- sena toisiopuolen neste virtasi siirtimen läpi jäähtymättä, ja toisiopuolen paluuvesi siirtyi liian kuumana takaisin LTO-patterille.
Säätöventtiilille asetettiin 300 sekunnin viive. Tämä tarkoittaa sitä, että LTO:n käynnisty- essä säätöventtiili aukeaa kokonaan 300 sekunniksi ja ensiöpuolen pumppu käynnistyy.
Säätöventtiilille on asetettu viive, sillä ilman viivettä säätöventtiili yrittäisi säätää jatku- vasti toisiopuolelle sille määritettyä lämpötilaa. Toisiopuolen veden lämmetessä pikku- hiljaa säätöventtiili pysyisi kiinni, koska se yrittäisi rajoittaa virtaamaa niin, että ensiöpuo- len paluuneste lämpenisi 80 °C: seen. Tämä tarkoittaisi sitä, että ensiöpuolen pumppu ajaisi jatkuvasti ns. seinää vasten ja toisiopuolen paluuvesi olisi yhtä kuumaa kuin menovesi. Liian kuuma paluuvesi taas haittaisi paahtoprosessia ja voisi johtaa LTO-laitteiston häiriötilaan.
Viiveen ansiosta lämmönsiirtimelle saadaan prosessin alusta asti viileää vettä, joka jäähdyt- tää toisiopuolen paluunestettä ja pitää laitteiston toiminnan kunnossa. [5]
Kuva 14. Fiksu valvomo. Pauligin etäluenta.
8 Myyntiliittymän toimintaperiaate
Tässä luvussa kerrotaan yksinkertaistettuna asiakkaan myyntiliittymän toimintaperiaate.
Toimintaperiaate on jaettu ensiö- ja toisiopuolen osioihin erikseen, jotta toimintaperiaate pysyisi mahdollisimman selkeänä.
8.1 Toisiopuoli
Paahtoprosessin käynnistyessä sulkupelti aukeaa ja LTO-puhallin käynnistyy ja rupeaa ohjaamaan savukaasuja vanhan hormin sijaan uuteen hormiin, johon on asennettu LTO- patteri. Samalla käynnistyy toisiopuolen pumppu ja rupeaa kierrättämään toisiopuolen nestettä LTO-patterille. Savukaasut kulkeutuvat LTO-patterin läpi lämmittäen patterin läpi virtaavaa toisiopuolen nestettä lämpötilaan 90 °C. LTO-patterin paluuputkeen on asennettu säätöventtiili, joka säätää toisiopuolen virtaamaa pitäen lämmönsiirtimelle pa- laavan toisiopuolen liuoksen lämpötilan asetusarvossaan. Paahtoprosessin sammuessa toisiopuolen pumppu sekä puhallin sammuvat ja säätöpelti sulkeutuu. [5]
8.2 Ensiöpuoli
Paahtoprosessin käynnistyessä ja toisiopuolen nesteen lämmetessä 65 °C:seen käyn- nistyy ensiöpuolen pumppu. Pumpun käynnistyessä ensiöpuolen säätöventtiili aukeaa 300 sekunniksi, jotta lämmönsiirtimelle saadaan tarpeeksi viileää vettä jäähdyttämään toisiopuo- len nestettä. 300 sekunnin jälkeen säätöventtiili rupeaa ohjaamaan virtaamaa pitäen en- siöpuolen paluuveden asetusarvossa 85 °C. Ensiöpuolen pumpulle on asetettu vakioteho, joten pumppu pyörii koko ajan samalla teholla, mutta säätöventtiili ohjaa ensiöpuolen virtaa- maa. Paahtoprosessin sammuessa toisiopuolen neste alkaa jäähtymään, ja ensiöpuolen pumppu sammuu, kun toisiopuolen neste on jäähtynyt lämpötilaan 60 °C. Tämän jälkeen säätöventtiili sulkeutuu kokonaan, ja jäätymisen eston omavoimainen venttiili rupeaa ohjaa- maan ensiöpuolen virtaamaa suoraan paluuputkesta menoputkeen pitäen lämmönmyyjän putkissa pientä virtaamaa yllä, jotta putket eivät pääsisi talvella jäätymään. [5]
8.3 Ohjaus
Laitteistoa ohjataan etänä Högfors GST-FIKSU-valvomon kautta. Laitteistoa säätää ja ohjaa Helen Oy.
Fiksuvalvomon kautta pystytään etänä ohjaamaan lämmönjakohuoneen sisällä olevia laitteita, kuten ensiö- ja toisiopuolen pumppuja, säätöventtiilin toimintaa sekä asetta- maan lämpötiloille asetusarvoja. Valvomon kautta pystytään seuraamaan laitteiston toi- mintaa lämpötilojen ja paineiden avulla. Fiksuvalvomosta näkee myös kaikki hälytykset ja ne voidaan kuitata pois etänä. Valvomo helpottaa laitteiston ohjausta siten, ettei myyn- tiliittymän toimintaa tarvitse käydä päivittäin seuraamassa paikan päällä.
9 Yhteenveto
Opinnäytetyö tehtiin yhteystyössä Helen Oy:n kanssa. Työn tarkoitus on olla suunnittelu- ja mitoitusohje Helenille tulevaisuudessa vastaavanlaisille projekteille. Työ liittyy ensim- mäiseen Helenin verkon projektiin, jossa hukkalämpöä myydään takaisin energialaitok- selle, joten opinnäytetyön tarkoituksena on helpottaa vastaavanlaisten projektien suun- nittelua ja karsia ongelmakohtia projektista pois jo ennen niiden syntymistä. Opinnäyte- työ eteni projektin kanssa samaan aikaan, ja projektissa ilmeni ongelmakohtia, jotka saa- tiin ratkaistua. Ongelmat ja ratkaisut kirjattiin työhön, jotta asiat osattaisiin ottaa huomi- oon jo suunnitteluvaiheessa tulevaisuudessa.
Projektin idea syntyi Helenin ja Pauligin yhteisen energiatehokkuuskartoituksen myötä.
Energiatehokkuus ja ympäristövastuullisuus ovat nousseet suuren huomion kohteeksi energia-alalla. Helen pyrkii hiilineutraaliin lämmöntuottoon vuoteen 2035 mennessä, ja asiakasyritykset kehittävät mahdollisimman hyviä ja energiatehokkaita ratkaisuja lämpö- energian käyttöön ja hyödyntämiseen. Pauligin kahvipaahtimoiden on todettu tuottavan hukkalämpöä 1 000 kerrostalokaksion lämmöntehotarpeen verran. Helen ja Paulig tote- sivat, että Helenin avointa kaukolämpöä voisi hyödyntää hukkalämmön siirtämiseen uu- delleenkäyttöön.
Opinnäytetyön tarkoitus on olla suunnittelu- ja mitoitusohje koko lämmönmyyntiliitty- mälle, ja tarkoituksena oli jakaa tarkempaa tietoa laitteiston toiminnasta toisiopuoli mu- kaan lukien. Toisiopuolen toiminta ja kahvipaahtimoiden ajat ovat kuitenkin salassa pi- dettyjä asioita, eikä niistä saatu tietoa työhön, joten suunnittelu- ja mitoitusohjeet painot- tuivat pääsääntöisesti lämmönjakohuoneen sisällä oleviin laitteistoihin, jotka ovat Hele- nin suunnittelemia ja mitoittamia.
Opinnäytetyötä tehtiin lämmönmyyntiliittymää rakennettaessa, ja pääsin työn ansiosta seuraamaan rakennustöiden etenemistä sekä kaukolämpölaitteiden käyttöönottoa. Työn
edetessä ilmeni ongelmia laitteiston toiminnassa ja pääsin miettimään ratkaisuja, joilla laitteisto saatiin toimimaan halutulla tavalla.
Projekti on valmistunut ja viritysten jälkeen lämmönmyyntiliittymän on todettu toimivan halutulla tavalla. Laitteiston tuottamasta energiamäärästä ja tehosta ei saa salassapito- sopimuksen takia jakaa tarkempaa tietoa.
Lähteet
[1] Kaukolämmön asiakkuus. Verkkoaineisto. Energiateollisuus. <https://energia.fi/ener- giasta/asiakkaat/kaukolammon_asiakkuus> Luettu 08.12.2020
[2] Kaukolämpöverkot Suomessa, Harri Hillamo, Finnish Energy, Kaukolämpöpäivät 28.- 29.6.2019, Vaasa <https://energia.fi/files/3982/Hillamo_Kaukolampoverkot_Suo- messa_KL-paivat_2019_.pdf> Luettu 05.01.2021
[3] Energiatuotanto Helsingissä. Verkkoaineisto. Helen Oy <https://www.helen.fi/helen- oy/energia/energiantuotanto/energiantuotanto2> Luettu 07.01.2021
[4] Lämmönsiirrinpalvelut, Lämmönsiirtimet, KL-Lämpö <https://www.kl-lampo.com/lo- make/palveluratkaisut/teollisuuden-palvelut/lammonsiirrinpalvelut/158> Luettu 09.02.2021
[5] Alen, Marko. 2021 Tekninen aluepäällikkö, Helen Oy, Helsinki. Keskustelu 19.04.2021
[6] Historia. Verkkoaineisto. Helen Oy <https://www.helen.fi/helen-oy/helen-oy/tietoa- meista/helen-oy-pahkinankuoressa/historia> Luettu 19.2.2021
[7] Kaukolämmön käsikirja. 2006 Helsinki Energiateollisuus ry, Libris Oy
[8] Helen konserni. Verkkoaineisto. Helen Oy, Helen konserni <https://www.helen.fi/he- len-oy/helen-oy/tietoa-meista/organisaatiomme/helen-konserni> Luettu 24.02.2021 [9] Lämpöä kotiin keskitetysti. Lämmitysjärjestelmät, kaukolämpö. Verkkoaineisto. Mo- tiva.
<http://www.motiva.fi/files/7963/Lampoa_kotiin_keskitetysti_Kaukolampo.pdf> Luettu 15.02.2021
[10] Energiatulevaisuus. Verkkoaineisto. Helen Oy <https://www.helen.fi/helen-oy/ener- gia/energiantuotanto/energiatulevaisuus> Luettu 17.01.2021
[11] Sivonen, Aleksi. 2021 Tekninen Tuotepäällikkö, Helen Oy, Helsinki. Keskustelu 15.03.2021
[12] Rakennusten kaukolämmitys määräykset ja ohjeet. 2014. Energiateollisuus, Kauko- lämpö,
Julkaisu K1/2013. Päivitetty 9.5.2014.
[13] Alen, Marko. 2021 Tekninen aluepäällikkö, Helen Oy, Helsinki. Keskustelu 10.02.2021
[14] Kaukolämmön mittaus, Suositus K13/2008, Energiateollisuus ry 2008, Kaukolämpö [15] Rämä, Miika & Klobut Krzystof. 2020. Hukkalämpö kaukolämpöjärjestelmissä, asia- kasraportti. Verkkoaineisto. VTT-CR-00340-20. 13.05.2020 <https://energia.fi/fi- les/4831/Hukkalampo_kaukolampojarjestelmissa_-_maarittely_ja_luokit-
telu_VTT_2020.pdf> Luettu 21.04.2021
Liitteet
Kaukolämpösuunnitelmissa käytetyt piirrosmerkit
Kaukolämpökuvissa käytetyt piirrosmerkit (K1/2013: s.35)
SWEP SSP sovelluksesta tulostettu siirtimen mitoitustaulukko s.1
SWEP SSP-siirtimen mitoitussovellus
Fiksuvalvomo, aloitussivu
Högfors GST Fiksu-valvomo, aloitussivu
Fiksu-valvomo, Pauligin lämmönmyyntiliittymän kytkentä ja säätökaavio
Högfors GST Fiksu-valvomo, Pauligin lämmönmyyntiliittymän lämmönjakohuoneen kyt- kentä ja säätökaavio
Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän toisiopuolen kytkentäkaavio
LTO-järjestelmän kytkentäkaavio
Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän ensiöpuolen pumppu
VeroLine-IP-E 40/150-3/2-R1-pumpun tietolehti
Asiakkaan lämmönmyyntiliittymän ensiöpuolen pumpun ominaiskäyrä
VeroLine-IP-E 40/150-3/2-R1-pumpun ominaiskäyrä
Ensiöpuolen säätöventtiilin tekninen tuote-esite
Belimo H640SP-säätöventtiilin tekninen tuote-esite
