Integroidun kaukolämpölaskennan käyttöönotto

Master’s Programme in Energy Technology

Integroidun kaukolämpölaskennan käyttöönotto

Joni Marmo

Diplomityö 2021

Copyright ©2021 Joni Marmo

Tekijä Joni Marmo

Työn nimi Integroidun kaukolämpölaskennan käyttöönotto Koulutusohjelma Energy Technology

Pääaine Energiatekniikka

Vastuuopettaja/valvoja Professori Risto Lahdelma Työn ohjaaja(t) Diplomi-insinööri Jukka Lehtimäki Yhteistyötaho Trimble Solutions Oy

Päivämäärä 30.12.2021 Sivumäärä 75 Kieli Suomi Tiivistelmä

Tavallisesti kaukolämpöverkkoja simuloidaan erillisessä ohjelmassa, jonne laskettava verkkomalli on erikseen toimitettava. Verkkomallia on myös yllä- pidettävä, jotta se olisi aina laskettavissa. On myös tyypillistä, että kauko- lämpölaskentaa suorittaa ulkoinen konsultti. Edellä kuvatut toimintatavat ovat energiayhtiölle kankeita ja kalliita.

Tämän työn tavoitteena oli tutkia integroidun kaukolämpölaskennan hyö- tyjä ja tuloksia energiayhtiöissä. Työssä tutkittiin laskennan käyttöönoton vaiheita ja vaatimuksia kaukolämmön verkkomallille. Vaatimuksista ja las- kentaohjelman käytöstä tullaan myös päivittämään ohjeet tämän työn pe- rusteella.

Lisäksi työssä käytiin läpi käyttöönotoista tehtyjen aineistoselvityksien tyy- pillisimmät ongelmat ja niiden ratkaisut sekä arvioitiin käyttöönoton ja yh- tiöiden tekemien laskentojen onnistumista. Työstä selviää käyttöönottopro- jektien onnistuneen lähes aina. Energiayhtiön verkkoaineiston korjaami- sesta kaukolämpölaskennan vaatimalle tasolle todettiin olevan positiivisia vaikutuksia myös muuhun käyttöön verkkotietojärjestelmässä.

Työn tuloksissa todettiin integroidun kaukolämpölaskennan edut verkkoai- neiston omaisuudenhallinnan kannalta huomattaviksi. Työssä käytiin läpi myös energiayhtiöiden laskennoilla saavutettuja taloudellisia hyötyjä, jotka todettiin merkittäviksi. Integroidussa kaukolämpölaskennassa simuloinnin kynnys pienenee, mistä johtuen useat energiayhtiöt käyttivät laskentaa säännöllisesti normaalissa suunnittelussa.

Avainsanat kaukolämpö, kaukolämpölaskenta, käyttöönotto, verkkotietojärjes- telmä, simulointi, kaukolämpöverkko, verkostolaskenta

Author Joni Marmo

Title of thesis Implementation of Integrated District Heating Calculation Programme Energy Technology

Major Energy Technology

Thesis supervisor Prof. Risto Lahdelma Thesis advisor(s) Jukka Lehtimäki, MSc Collaborative partner Trimble Solutions Oy

Date 30.12.2021 Number of pages75 Language Finnish Abstract

Normally, district heating networks are simulated in a separate program, where the network model to be calculated must be exported. The network model must also be maintained so that it can always be calculated. It is also typical for district heating calculations to be carried out by an external consultant. The procedures described above are cumbersome and expensive for the energy company.

The aim of this thesis was to investigate the benefits and results of integrated dis- trict heating calculation in energy companies. It also examined the steps and re- quirements for the calculation implementation of the district heating network model. Based on this thesis, manuals for the requirements and the use of the calcu- lation software will be updated.

In addition, the thesis identified the most typical problems and their solutions in the data studies on deployments and evaluated the success of the deployment and of the calculations carried out by the companies. It also shows that the deployment projects were almost always successful. The improvement of the energy company's network to the level required for district heating calculation was also found to have a positive impact on other applications of the network information system.

The results of the study showed that the benefits of integrated district heat calcula- tion for network asset management were significant. It also discussed the economic benefits achieved by energy companies through the use of the calculations, which were found to be significant. The integrated district heating calculation reduces the threshold for calculation, which led several utilities to use it regularly in their plan- ning.

Keywords district heating, district heating calculation, implementation, network information system, simulation, district heating network, network calculation

Sisällys

Esipuhe...7

Symbolit ja lyhenteet... 8

Symbolit...8

Lyhenteet... 9

1 Johdanto... 10

1.1 Trimble Inc. ja Trimble Solutions Oy ... 10

1.2 PSI NEPLAN AG...11

2 Kaukolämpölaskennan teoriaa ...12

2.1 Kaukoenergia yleisesti ...12

2.2 Lainalaisuudet ...13

3 Laskenta verkkotietojärjestelmässä ...20

3.1 Trimble NIS yleisesti...20

3.2 NEPLAN 360 ...21

3.3 Laskentamoottorien integrointi ...22

3.4 Laskennan suorittaminen...23

3.5 Aikasarjalaskenta ...26

3.6 Tulosten tarkastelu... 27

4 Vaatimukset verkoston dokumentoinnille... 32

4.1 Kohteiden dokumentointi...32

4.1.1 Putket, solmuvälit ja solmupisteet...33

4.1.2 Pumput...36

4.1.3 Venttiilit ... 41

4.1.4 Syöttöpisteet ...43

4.1.5 Liittymät ja käyttöpaikat... 45

4.1.6 Paisuntasäiliöt ...49

4.2 Eheys ...50

4.3 Ohjaustiedostot...51

5 Käyttöönotto kaukolämpöyhtiössä... 55

5.1 Laskijat ja käyttötapaukset... 55

5.2 Verkon dokumentaatio ...58

5.3 Koulutukset...66

5.4 Validointi... 67

6 Tulokset ...69

6.1 Käyttöönottoprojektin tuloksia ...69

6.2 Tulokset energiayhtiöissä ...70

7 Yhteenveto... 74

Lähteet... 75

Esipuhe

Tämä diplomityö tehtiin Trimble Solutions Oy:lle. Kiitos aiheen keksimisestä kuuluu kollegoilleni. Sain syventyä juuri siihen, josta erityisesti pidän.

Haluan kiittää professori Risto Lahdelmaa ja ohjaajaani DI Jukka Lehtimä- keä neuvoista ja ohjauksesta. Jukan viiltävän tarkat kommentit työn eri vai- heissa tekivät työstä lukijalle paljon selkeämmän, ja sopivat deadlinet pitivät hyvin kirjoitusintoa yllä.

Haluaisin kiittää energiayhtiöiden laskijoita kattavista vastauksista ja yhteis- työstä vuosien varrella. Olen aina aivan täpinöissäni, kun pääsen keskustele- maan verkostolaskennasta ja ratkomaan ongelmia aiheeseen liittyen.

Kiitän toki myös Veikko Sompaa ja hänen ajo-oppilaitaan. Työn valmistumi- nen todennäköisesti osin viivästyi vuosia kestäneen ajo-opetuksen takia, mutta enhän MINÄ! ilman sitä ajaa osaisi.

Erityiskiitoksen haluan sanoa vaimolleni Karitalle. Hämmästelen jatkuvasti sitä vilpitöntä tukea, jota saan missä tahansa asiassa. Karita on ainoa, joka ei ole ikinä painostanut minua valmistumiseni suhteen, arvostellut valintojani tai moittinut heikkouksiani. Kiitos kuuluu myös meidän ihanalle Nuutille, jonka hymy tarttuu poikkeuksetta.

Tämän diplomityön tekeminen on ollut näille aivoille iso haaste ja pitkä pro- sessi. Koin kaikki nämä vuodet pettymyksen tunnetta siitä, etten saanutkaan diplomityötä tehtyä ajallaan töiden ohella. Olen kiitollinen itselleni, järjestä- essäni kirjoittamista varten opintovapaata. Näköjään työn valmiiksi saatta- miseen tarvittiin vapaan mahdollistamaa viileämpää menoa, pienempää pai- netta ja laminaarista virtausta.

Ja koska sivua on vielä reilusti jäljellä, ratkaise seuraava tehtävä:

Käännä järjestys 1 2 3 4 -> 4 3 2 1 siirtämällä yhtä tikkua yhden kerran.

| || ||| ||||

Kirkkonummella 30.12.2021 Joni Marmo

Symbolit ja lyhenteet

Symbolit

𝐀 solmuvälin sisäpinnan pinta-ala cp veden ominaislämpökapasiteetti 𝐃 solmuvälin sisähalkaisija

𝐟 Darcy-Weisbachin kitkavastuskerroin 𝐠 putoamiskiihtyvyys (9,81 m/s²) 𝐡 pumpun nostokorkeus

𝐉⁺ Jacobin pseudoinverssi matriisi

𝐤 karheus

𝐋 solmuvälin pituus ṁ massavirta

𝐦̇_𝐬𝐩 solmun massavirta 𝐦̇_𝐬𝐯 solmuvälin massavirta

𝐍_𝐥 verkoston silmukoiden määrä 𝐍_𝐬𝐩 solmupisteiden määrä

𝐍_𝐬𝐯 solmuvälien määrä

∆𝐩_𝐩 pumpun tuottama paine-ero Q̇ lämpöteho

𝐫_𝐬𝐯 säde solmuvälin poikkipinta-alasta 𝐑𝐞 Reynoldsin luku

𝐓_𝟎 referenssilämpötila 𝐓_𝐲 ympäristön lämpötila

∆T lämpötilaero

𝐔_𝐬𝐯 solmuvälin lämmönjohtavuus v kinemaattinen viskositeetti V̇ tilavuusvirta

𝐰 veden keskimääräinen virtausnopeus 𝐖̇_𝐢𝐝 ideaalin pumpun tehontarve

𝐱 pistemäisen kohteen x-koordinaatti

𝐱_𝟏 viivamaisen kohteen x-koordinaatin alkupiste, Trimble NISissä x- koordinaatisto kulkee pohjois-eteläsuunnassa

𝐱_𝟐 viivamaisen kohteen x-koordinaatin loppupiste 𝐱_𝐧 Newton-Raphson-menetelmän muuttuja 𝐲 pistemäisen kohteen y-koordinaatti

𝐲_𝟏 viivamaisen kohteen y-koordinaatin alkupiste, Trimble NISissä y- koordinaatisto kulkee itä-länsisuunnassa

𝐲_𝟐 viivamaisen kohteen y-koordinaatin loppupiste 𝐳 pistemäisen kohteen korkeuskoordinaatti

𝒛_𝟏 viivamaisen kohteen korkeuskoordinaatin alkupiste 𝐳_𝟐 viivamaisen kohteen korkeuskoordinaatin loppupiste 𝛂_𝐬𝐯^𝐥 solmuvälin silmukan suunnan kerroin

𝛃_𝐬𝐯^𝐬𝐩 massavirran suunnan kerroin solmuvälillä μ dynaaminen viskositeetti

ρ veden tiheys

Lyhenteet

2Mpuk Kiinnivaahdotettu muovisuojaputki polyuretaanieristeellä, jossa yksi putki sisällä

DN putken nimellishalkaisija

EPA Environmental Protection Agency

Mpuk Kiinnivaahdotettu muovisuojaputki polyuretaanieristeellä, jossa kaksi putkea sisällä

Mpul Muovisuojaputki polyuretaanieristeellä, jossa on sisällä kaksi vapaasti liikkuvaa kaukolämpöputkea

NIS Network Information System

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SWMM Storm Water Management Model

TSA Trimble Spatial Analysis, suom. Paikkatietoanalyysit

1 Johdanto

Perinteisesti kaukolämmön verkostolaskentaa on suoritettu ulkoisessa las- kentaohjelmassa. Verkkomallin luomisesta tai viemisestä toiseen järjestel- mään on vastannut joko energiayhtiön edustaja tai ulkopuolinen laskenta- konsultti, ja verkkomallia on pitänyt päivittää erikseen tasaisin väliajoin tai vasta tarpeen tullen. Tämä on energiayhtiön näkökulmasta työlästä, ja ver- kostolaskentaa suoritetaan tästä syystä harvoin.

Tämä diplomityö on tehty Trimble Solutions Oy:lle. Työn tavoitteena on tut- kia verkkotietojärjestelmään integroidun kaukolämpölaskennan käyttöön- oton vaiheita ja vaatimuksia. Tässä diplomityössä selvitetään myös miten energiayhtiöt ovat hyötyneet integroidusta kaukolämpölaskennasta käyt- töönoton jälkeen ja mitä käytännön haasteita on tullut vastaan. Lisäksi dip- lomityötä tullaan käyttämään pohjana kaukolämpölaskennan käytön ohjei- den päivittämiseen.

Integroidussa laskennassa erityisiä hyötyjä on simuloimisen kynnyksen pie- neneminen, jonka vuoksi laskentaa voidaan parhaimmillaan käyttää jokapäi- väisen suunnittelun tukena. Lähtökohtana on, että verkkotietojärjestelmään dokumentoitua verkkomallia voitaisiin käyttää laskennassa. Tällöin ei ole tarvetta viedä aineistoa ulos tai ylläpitää verkkomallia toisessa järjestel- mässä.

Kaukolämpöverkon simuloimisesta löytyy useita tutkimuksia, mutta ne koh- distuvat yleensä tutkimuksen toimeksiantajan verkon jonkin ongelman rat- kaisemiseen. Tässä työssä ei keskitytä mihinkään tiettyyn kaukolämpöver- kon laskentatekniseen ongelmaan. Myös laskentaa suorittavan laskenta- moottorin toiminnot ja kehityskohteet jätetään tämän työn ulkopuolelle.

Diplomityön alussa kerrotaan lyhyesti mitä kaukoenergia on, ja millä kauko- lämpölaskennan lainalaisuuksilla työssä käytetty laskentaohjelma toimii.

Luvussa 3 esitellään laskennan toiminta Trimblen verkkotietojärjestelmässä, mistä siirrytään laskentateknisesti toimivan verkkomallin dokumentoinnin vaatimuksiin. Luvussa 5 käydään läpi kaukolämpölaskennan käyttöönottoja energiayhtiöissä ja luvussa 6 käyttöönottojen jälkeisten laskentojen tuloksia ja hyötyjä.

1.1 Trimble Inc. ja Trimble Solutions Oy

Emoyhtiö Trimble Incin pääasiallinen tehtävä on muuttaa maailman tapaa toimia toimittamalla tuotteita ja palveluita, joilla yhdistetään fyysinen ja di-

gitaalinen maailma. Ydinteknologiat keskittyvät paikannukseen, mallinta- miseen, yhteyksiin ja data-analytiikkaan. Emoyhtiön pääliiketoiminta-alu- eet ovat maatalous, rakentaminen, paikkatieto sekä kuljetus ja logistiikka.

Trimblen ratkaisuja käytetään yli 150 maassa ja työntekijöitä on noin 11500 yli 40 maassa. (Trimble 2021)

Tytäryhtiö Trimble Solutions Oy:n juuret ovat vuonna 1966 perustetussa, suomalaisessa ohjelmistoyritys Teklassa, josta tuli osa yhdysvaltalaista Trimble Inciä vuonna 2011. Trimble Solutions toimittaa ohjelmistoja raken- tamisen sekä energianjakelun, vesihuollon ja julkishallinnon aloille. Ohjel- mistoratkaisujen keskiössä ovat vahvat paikkatieto-ominaisuudet, modu- laarisuus ja yhteentoimivuus. Trimble Solutions toimii emoyhtiön liiketoi- minta-alueilla erityisesti rakentamisessa ja paikkatiedossa. (Trimble Soluti- ons 2021)

1.2 PSI NEPLAN AG

Sveitsiläinen NEPLAN AG perustettiin vuonna 1988 tarkoituksenaan tehdä ohjelmistoja sähkö-, kaasu-, vesi- ja kaukolämpöverkoille sekä tarjota niihin liittyviä erityispalveluita, kuten esimerkiksi simulointikonsultointia verkko- yhtiöille. PSI Software AG osti NEPLAN AG:n vuonna 2021. (PSI NEPLAN AG 2021)

NEPLAN®-analyysityökalun, myöhemmin tässä työssä Neplan, myötä NEPLAN AG:sta tuli yksi johtavista yrityksistä voimajärjestelmäsuunnitte- luohjelmistomarkkinoilla. Sittemmin Neplania on voinut käyttää energia- verkkojen suunnittelussa, analysoinnissa, simuloinnissa, teknisessä ja kau- pallisessa optimoinnissa sähköverkkojen lisäksi myös kaasun, veden ja kau- kolämmön aloilla.

Trimble NISin laskennan suorittajana toimii PSI NEPLAN AG:n toimittama laskentamoottori. PSI NEPLAN AG:lla on myös oma pilvipohjainen ohjel- misto verkostojen simulointiin. (NEPLAN AG 2021)

Tässä työssä laskentamoottorilla tarkoitetaan verkkotietojärjestelmän taus- talla laskennan suorittavia tiedostoja, jonne Trimble NIS syöttää verkkotie- dot laskettaviksi.

2 Kaukolämpölaskennan teoriaa

Tässä luvussa käydään läpi kaukoenergiaa yleisesti ja kaukolämpöverkon toi- mintaa sekä esitellään kaavat, joihin Trimble NISin verkostolaskenta perus- tuu.

2.1 Kaukoenergia yleisesti

Kaukolämmityksellä voidaan lämmittää rakennuksia ja käyttövettä. Vesi- kaukolämmityksen prosessiin kuuluu veden lämmittäminen keskitetysti yh- dessä tai useammassa kohteessa, sen toimittamiseen putkiverkostoa pitkin asiakkaalle ja jäähtyneen veden palauttaminen lämpöä tuottaville laitoksille uudelleen lämmitettäväksi. Kaukolämmitys on liiketoimintaa, missä asuin- taloille, teollisuudelle, liikerakennuksille ja julkisille rakennuksille myydään veteen varastoitua lämpöä. Kaukolämpö kilpailee kiinteistökohtaisten läm- mitystapojen kanssa, kuten esimerkiksi maalämmön kanssa.

Kaukojäähdytys toimii samalla tavalla, mutta erona kaukolämpöön on, että asiakas tarvitsee viileää vettä kiinteistön viilennykseen, jolloin vesi lämpenee asiakkaan laitteissa.

Kaukolämmön ja -jäähdytyksen erityisinä hyötyjä ovat energiatehokkuus ja helppous asiakkaan näkökulmasta. Energiatehokkuuden mahdollistaa muun muassa yhteistuotanto sähkön tuotannon kanssa sekä teollisten prosessien jätelämpöjen hyödyntäminen. Kaukoenergia on asiakkaalle huoletonta ja käyttövarmaa, sillä käyttö- ja huoltotöitä ei ole. Suurimpina ongelmina kau- koenergiassa koetaan laitoksien ja jakeluverkostoon vaadittavat suuret in- vestoinnit sekä vuodenaikojen ja vuorokausien väliset kulutusvaihtelut. Kau- koenergia ei myöskään sovi harvaan asutulle alueelle jakeluverkoston kus- tannuksien ja siirtohäviöiden takia.

Kaukolämpöjärjestelmä voidaan jakaa karkeasti kolmeen osaan: lämmön- tuotantoon, jakeluverkostoon ja asiakkaaseen. Tässä diplomityössä keskity- tään jakeluverkoston simulointiin, joten lämmöntuotannon sisäisiä proses- seja ja asiakaslaitteiden sisäisiä vaikutuksia ei käsitellä.

Verkoston olennaisimmat komponentit ovat meno- ja paluuputket. Lämmin vesi virtaa yleensä yhtä menoputkea pitkin ja palaa vastaavaa paluuputkea takaisin laitokselle. Meno- ja paluuputket voidaan käsittää kahdeksi eri ver- koksi, joiden kummassakin päässä vesi kulkee lämmönsiirtimen läpi.

Koska vesi palautetaan laitokselle, tarvitaan pumppuja liikuttamaan vettä.

Pumppujen tehtävä on, veden liikuttamisen lisäksi, pitää riittävä paine-ero

asiakkaalla, kattaa verkostossa aiheutuneet painehäviöt sekä ylläpitää riittä- vän korkeaa keskipainetta, jotta vesi ei höyrystyisi missään verkon kohdassa.

Kuvassa 1 nähdään periaatekuva kaksiputkijärjestelmästä, jossa lämpö tuo- tetaan kahdessa lämpölaitoksessa, kuljetetaan putkiverkossa pumppujen avulla asiakkaan lämmönsiirtimille ja palautetaan takaisin lämpölaitoksille.

(Energiateollisuus 2006)

Pumppujen lisäksi verkossa on paljon muitakin komponentteja, kuten esi- merkiksi venttiileitä, kaivoja ja kiintopisteitä. Näistä venttiileillä on rooli ver- kostolaskennassa: sulkemalla venttiilejä voidaan rajata veden virtausta ver- kossa sekä joissain erikoistapauksissa kuristusventtiileillä voidaan pitää riit- tävää painetta yllä venttiilien etupuolella.

2.2 Lainalaisuudet

Kaukolämpöverkko voidaan teoreettisella tasolla käsittää koostuvan solmu- väleistä ja -pisteistä. Vesikaukolämpöverkossa lämmön välittäjäaineena on vesi, jolloin verkossa muodostuvan painehäviön ja virtausmäärän välillä on epälineaarinen yhteys. Solmupisteessä vallitsee aina sama paine solmuvälien suunnista tai lukumäärästä riippumatta. Trimble NISin verkostolaskennassa verkkomallin tiedot ja rakenne määrittelee laskentamoottorille meno- ja pa- luutiedon kullekin solmuvälille ja -pisteelle. Virtauksella on myös oletettu suunta. Jos tulokset ovat tätä suuntaa vastaan, näyttäytyvät ne etumerkiltään negatiivisina.

Kuva 1:Kaksiputkijärjestelmän periaatekuva.

Virtaus verkostossa tapahtuu vain solmupisteiden kautta. Virtauksen voi- daan käsittää lähtevän syöttöpisteeltä menopuolta pitkin ja päättyvän kulu- tuspisteeseen, mutta todellisuudessa virtaus ei pääty vaan jatkaa paluupuo- lelle. Sama tapahtuu paluupuolella, mutta päinvastoin. Paluupuolella virtaus oletetaan positiiviseksi, vaikka vesi kulkee kulutuspisteeltä syöttöpisteelle.

Jos virtaus kulkee laskennassa loogisesti, ovat tulokset positiivisia siis kum- mallakin puolella. Kuvassa 2 esitetään teoreettinen kaukolämpöverkko, jossa on syöttöpiste, solmuvälit ja -pisteet sekä kulutuspiste.

Solmuvälit voivat kytkeytyä toisiinsa muodostaen silmukoita. Tällaista verk- koa kutsutaan myös rengasverkoksi. Solmuvälien, solmupisteiden ja silmu- koiden välillä käytetään yhteyttä

𝑁 𝑁_𝑣− 𝑁_𝑝 (1)

missä

l on verkoston silmukoiden määrä

v on solmuvälien määrä

p on solmupisteiden määrä.

Yksi verkostolaskennan pääsäännöistä on, että jokaiselle verkon solmupis- teelle voidaan määritellä jatkuvuusyhtälö, jossa kerrotaan, että solmupistee- seen saapuvien virtausten summa on sama kuin siitä lähtevien virtausten summa:

𝛽_𝑣^𝑝𝑚̇ _𝑣

𝑁𝑣

𝑣=1

𝑚̇ _𝑝 (2)

missä

̇ _v on solmuvälin sv massavirta

̇ _p on solmun sp kulutus eli massavirta ja

Kuva 2:Yksinkertainen silmukkaverkko esitettynä Trimble NISissä.

β _v^p , jos solmuväli sv liittyy pisteeseen sp ja suunta on sitä kohti, β _v^p − , jos solmuväli sv liittyy pisteeseen sp ja positiivinen suunta on siitä poispäin ja

β _v^p , jos solmuväli sv ei liity suoraan pisteeseen.

Toinen pääsäännöistä muodostuu silmukkayhtälöstä. Siinä määritellään, että solmupisteiden painehäviöiden summa tietyn silmukan ympäri on nolla.

Kun silmukalle on määritelty positiivinen suunta, voidaan silmukalle l kir- joittaa (Energiateollisuus 2006)

𝛼 _𝑣∆𝑝 _𝑣

𝑁𝑣

𝑣=1

(3)

missä kerroinα^l_v saa jonkin näistä arvoista:

α^l_v , jos solmuväli sv kuuluu silmukkaan l ja on sen positiiviseen suuntaan,

α^l_v − , jos solmuväli sv kuuluu silmukkaan l ja on sen negatiiviseen suuntaan ja

α^l_v , jos solmuväli sv ei kuulu silmukkaan l.

Trimble NISin taustalla toimiva laskentamoottori käyttää laskenta-algorit- minaan jatkettua Newton-Raphson-menetelmää (engl. Extended Newton- Raphson). Tämä mahdollistaa uusien laskentakomponenttien lisäämisen helposti eikä verkkomallien kompleksisuus ole rajoitettu. (NEPLAN 360 2021). Menetelmän avulla ratkaistaan reaaliarvoisia yhtälöitä ja ne konver- goituvat nopeasti. Newton-Raphson-menetelmässä annetaan ensin alkuar- vaus x⁰, ja sille saadaan ratkaisu x¹. Ratkaisua haetaan iteratiivisesti kaavalla

𝑥 ₊₁ 𝑥 − 𝐽⁺ 𝑥 𝑓 𝑥 (4)

missä

N on joko alkuarvaus x0tai edellisen yhtälön tulos

+ on Jacobin pseudoinverssi matriisi,

kunnes haluttu tarkkuus saavutetaan. Ratkaisua haetaan esimerkiksi paine- korkeuden ja virtauksen muutoksille solmupisteiden välillä. (Awange et al.

2010). Tarkkuustoleranssia ja iterointien määrää voidaan muuttaa ohjelman konfigurointitiedostoissa.

Edellä esitettyjen jatkuvuus- ja silmukkayhtälöiden välillä on yhteys, jota voi- daan esittää Darcy-Weisbachin yhtälössä. Se kuvaa yleistä kitkan aiheutta- maa painehäviötä suorassa putkessa (Energiateollisuus 2006)

∆𝑝 𝑓^𝐿 𝐷

𝜌𝑤²

𝑓 𝐿

𝜋²𝜌𝐷⁵𝑚̇² (5) missä

on Darcy-Weisbachin kitkavastuskerroin on solmuvälin pituus (m)

on solmuvälin sisähalkaisija (m) ρ on veden tiheys (kg/m³)

on veden keskimääräinen virtausnopeus (m/s)

̇ on massavirta (kg/s).

Kokonaispainehäviö koostuu kitkapainehäviön lisäksi verkostosta löytyvistä kertavastuksista. Kertavastuksiksi luetaan esimerkiksi haarat, kulmat, vent- tiilit ja putkiyhteet – oikeastaan kaikki, jotka aiheuttavat veden sulavaan vir- taukseen muutoksia. Kertavastuksia ei Trimble NISissä määritetä manuaali- sesti eikä niitä huomioida automaattisesti verkkomallista, joten ainoa mah- dollisuus vaikuttaa painehäviöihin verkostolaskennassa, on kompensoida häviöitä nostamalla solmuvälien kitkapainehäviötä. Kertavastuksien määrit- täminen komponenttikohtaisesti on erittäin haastavaa, joten on tavallista, että niille on tehtävä joka tapauksessa approksimointia.

Kaavassa 5 esiteltyyn kitkavastuskertoimeen f vaikuttaa virtaavan aineen Reynoldsin luku sekä putken karheus. Pyöreän putken sisällä tapahtuvalle virtaukselle Reynoldsin luku lasketaan kaavasta

𝑅𝑒 𝑤𝐷 𝑣

𝜌𝑤𝐷 𝜇

𝑉̇

𝜋𝑣𝐷

𝑚̇

𝜋𝑣𝐷 (6)

missä

on kinemaattinen viskositeetti (m²/s) μ on dynaaminen viskositeetti (kg/ms)

̇ on tilavuusvirta (m³/s).

Reynoldsin luvun ollessa alle 2300, virtaus on laminaarista. Tällöin kitkavas- tuskertoimen selvittämiseen voidaan käyttää Hagenin–Poiseuillen yhtälöä

𝑓 𝑅𝑒 (7)

Reynoldsin luvun ylittäessä 4000, virtaus on turbulenttista. Käytännössä vir- taus on kaukolämpöverkoissa melkein aina turbulenttista. Turbulenttiselle virtaukselle kitkavastuskerroin lasketaan iteratiivisesti Prandtlin-Colebroo- kin kaavasta

𝑓 −

𝑘 𝐷

𝑅𝑒 𝑓 (8)

missä

on karheus (m).

Kaukolämpöverkossa veden siirtymisen mahdollistaa vallitseva paine-ero.

Paine-eron on oltava riittävä, jotta kaukolämpövesi kiertäisi esimerkiksi asiakaslaitteissa menopuolelta paluupuolelle. Paine-eron lisäksi painetason on oltava tiettyjen raja-arvojen välissä: liian alhaisessa paineessa vesi saattaa höyrystyä ja liian suuressa paineessa putket ja muut verkon komponentit ei- vät välttämättä kestä.

Tarvittavaa paine-eroa ja -tasoa pitää yllä kaukolämpöverkkoon kytketyt pumput. Käytännössä oikean pumpun valinta tehdään pumpun ominais- käyrän avulla, mikä voi toimia myös kaukolämpölaskennassa säätötapana.

Ominaiskäyrässä kerrotaan pumpun nostokorkeus tilavuusvirran funktiona.

Pumppuja voidaan myös simuloida osoittamalla pumpulle jokin kohta ver- kosta, missä se pitää haluttua painetta, paine-eroa tai virtausta. Edellä mai- nittuja arvoja voidaan laskea pumpun tarvitseman tehon kaavalla (Çengel, Cimbala 2006)

𝑊̇ 𝜌𝑉̇𝑔ℎ 𝑉̇∆𝑝_𝑝 𝑚̇𝑔ℎ (9)

missä

̇ _d on ideaalin pumpun tehontarve (W) on putoamiskiihtyvyys (9,81 m/s²) on pumpun nostokorkeus (m)

∆ _p on pumpun tuottama paine-ero (m).

Pumppujen lisäksi paineisiin vaikuttavat paisuntasäiliö ja mahdolliset kuris- tusventtiilit. Paisuntoja on oltava laskettavassa verkossa vähintään yksi ja sille asetetaan painearvo, joka toimii referenssipaineena paluuverkon pai- neille. Myös kuristusventtiileille asetetaan haluttu paine halutussa pisteessä.

Venttiilille ei siis ole tarvetta asettaa tai laskea kuristuksen määrää, jota las-

kentamoottorin olisi laskettava. Kuristuksen määrä on kuitenkin lasketta- vissa laskentatuloksista tarvittaessa. Kumpikin näistä laskennan komponen- teista toimivat ideaaleina, eivätkä ne aiheuta häviöitä verkossa.

Kaukolämpöverkossa koko verkon tehon tarpeen määrittelee Trimble NISissä kulutuspisteille, eli asiakkaille asetetut tehot ja verkon lämpöhäviöt.

Verkossa on oltava vähintään yksi säätävä lämpölaitos, jonka lämpöteho määräytyy, sille asetettavan menolämpötilan mukaan, kuten kaavasta 10 nähdään. Lämpöteho siirtyy kulutuspisteillä saman kaavan mukaan.

Siirrettävä lämpöteho on riippuvainen vesivirran määrästä sekä meno- ja paluuveden lämpötilaerosta (Nussbaumer et al. 2020)

𝑄̇ 𝑚̇ 𝑐_𝑝∆𝑇 𝑉̇𝜌𝑐_𝑝∆𝑇 𝑤𝐴𝜌𝑐_𝑝∆𝑇 (10) missä

̇ on lämpöteho (W)

on veden ominaislämpökapasiteetti (J/kg°C)

∆ on lämpötilaero eli jäähtymä (°C)

on solmuvälin sisäpinnan pinta-ala (m²).

Kulutuspisteelle on tehon lisäksi asetettava laskennassa lämpötilatieto. Se voi olla kiinteä paluulämpötila tai jäähtymä. Veden ominaislämpökapasi- teetti ja tiheys riippuvat veden lämpötilasta. Trimble NISin taustalla toimiva laskentamoottori ottaa nämä riippuvuudet huomioon. Lämpötilan muutos solmupisteiden välillä voidaan selvittää

Paineiden ja paine-erojen laskemisen lisäksi merkittävimpiä laskennassa sel- vitettäviä asioita ovat verkon lämpötilat ja lämpöhäviöt. Lämpötilojen las- kenta on tärkeätä mikäli

1. verkkoon syötetään vettä useammasta kuin yhdestä syöttöpisteestä 2. jäähtymät poikkeavat toisistaan huomattavasti kulutuspisteissä 3. vesi jäähtyy putkistossa lämpöhäviön vaikutuksesta.

Käytännössä verkkoon syötetään lähes aina eri lämpötiloja, kun verkossa on enemmän kuin yksi syöttöpiste. Jäähtymät ovat asiakkailla hyvinkin erilai- sia, mutta laskennassa saatetaan käyttää kaikille samaa jäähtymää. Vesi jäähtyy aina kaukolämpöverkossa, koska vesi voi vain teoreettisessa tilan- teessa olla ympäristön kanssa samassa lämpötilassa. Menovesi on aina sen verran kuumaa, että realistisen laskennan aikaansaamiseksi, on laskettava lämpötilat. Lämpötilojen laskennassa tehdään seuraavat olettamukset:

 solmupisteeseen eri suunnista tulevat virtaukset sekoittuvat täydelli- sesti,

 jäähtyminen solmuvälillä on verrannollinen veden ja ympäristön vä- liseen lämpötilan eroon ja

 solmupisteen jäähdytys riippuu lämmöntarpeesta ja veden tuloläm- pötilasta.

Lämpötilojen laskeminen on tehtävä erikseen meno- ja paluusolmuväleille, koska lämpöhäviöt ja sekoittumisen vaikutukset poikkeavat toisistaan mer- kittävästi. (Energiateollisuus 2006). Kaavasta 11 voidaan johtaa yleisesti pä- tevä lämpötilojen erotus, mutta tarkempi solmuvälin lämpötilan muutos saa- daan kaavalla (Nussbaumer et al. 2020)

∆𝑇 𝑇₀− 𝑇 𝑇₀− 𝑇 𝑒⁻

𝑣2𝜋 𝑝𝐿

𝑐𝑝𝑚̇ (11)

missä

0 on referenssilämpötila (°C) on ympäristön lämpötila (°C)

𝑣 on solmuvälin lämmönjohtavuus (W/mK)

v on säde solmuvälin sisäpinnasta (m).

Trimble NISin laskennassa ei lasketa putkien lämpöhäviöitä lämpövastuk- sien, kuten esimerkiksi putken vaipan tai maan, mukaan. Kaikkien putkien teknisissä tiedoissa annetaan putkityyppikohtainen lämmönjohtavuus, jonka avulla päästään tarvittavaan laskentatarkkuuteen.

Laskentamoottorille voidaan asetuksella kertoa olla laskematta verkon läm- pötiloja, jos esimerkiksi haluttaisiin selvittää verkkomallin ongelmia tilan- teessa, jossa laskenta ei löydä ratkaisua.

Useiden virtauksien virratessa samaan solmupisteeseen, käytetään solmu- pisteen sekoituslämpötilan laskemiseen kaavaa (Energiateollisuus 2006)

𝑇 ∑^𝑁_𝑣=1𝑚̇ 𝑇

∑^𝑁_𝑣=1𝑚̇ (12)

3 Laskenta verkkotietojärjestelmässä

Kaukolämpöverkon simulointiin on käytetty pääsääntöisesti erillistä simu- lointiohjelmaa, johon mallinnetaan laskettava verkko joko alusta asti piirtä- mällä tai tuomalla verkkoaineisto sisään erillisellä tiedonsiirrolla. Näissä ta- pauksissa verkko ei päivity itsestään, joten erillistä verkkomallia on pidettävä yllä, jotta se vastaisi todellisuutta laskettaessa. Verkon simulointia saatetaan tarvita harvoin, joten päivityksen tarve voi olla iso verkostossa tapahtuneiden muutosten vuoksi. Edellä mainitun tapaisia simulointiohjelmia on Suomessa ja Pohjoismaissa ollut käytössä esimerkiksi GRADES Heating, Flowran Lo- gica map ja Netsim. Trimble NISissä on mahdollista kirjoittaa verkkomalli ulos GRADESiin. Tämän lisäksi verkkoaineistoa voi kirjoittaa ulos monessa eri muodossa, kuten esimerkiksi Shape-tiedostona.

Suurimmat yhtiöt suorittavat usein laskentoja itse, mutta niitä teetetään myös konsulteilla. Käytännössä edellä kuvattu toimintatapa vaatii kahden verkkomallin ylläpitoa. Trimble ja Trimblen asiakkaat kuitenkin näkivät tär- keäksi, että kaukolämmön verkostolaskenta olisi osa Trimble NISiä, jotta verkkomallia voisi simuloida jo olemassa olevalla verkkoaineistolla – kirjoit- tamatta verkkotietoa lainkaan ulos. Vuonna 2015 toteutettiin Trimble NISiin integroitu kaukolämmön laskenta, laskentamoottorinaan sveitsiläinen Neplan. Kaukojäähdytyksen verkostolaskenta on ollut mahdollista Trimble NISissä vuodesta 2019.

3.1 Trimble NIS yleisesti

Trimble NIS on verkkotietojärjestelmä sähkö-, kaukolämpö-, vesi- ja kaasu- verkoille. Ohjelmistokokonaisuus on modulaarinen järjestelmäratkaisu, missä verkkoyhtiö voi valita haluamansa sovellukset. Järjestelmä on skaa- lautuva erilaisten jakeluverkkojen omaisuudenhallintaan ja käyttötoimin- taan sekä niihin liittyvien asiakaspalvelu- ja raportointitehtävien suorittami- seen. Kaikkia näitä yhdistää perustuminen paikkatietoon. Tässä luvussa esi- tettyjä sovelluksia ja toiminnallisuuksia käsitellään myöhemmin tässä työssä – kaikki eivät siis välttämättä liity suoranaisesti laskentaan tai niillä on jokin muu päätarkoitus.

Lämpöyhtiöillä on käytössä Trimble NIS -ohjelmisto, joka perustuu kauko- lämpöä varten tuotteistettuun ja asiakaskohtaisesti mukautettavaan Trimble NIS -järjestelmään.

Ohjelmistot koostuvat valmiista, tuotteistetuista sovelluksista sekä integraa- tiorajapinnoista. Tiedonmallinnuksen myötä ohjelmistoa voidaan käyttää usean sadan samanaikaisten käyttäjien ympäristöissä, joissa järjestelmää

käyttävät myös ulkoiset palveluntarjoajat. Trimblen oma teknologia ja ohjel- mistoarkkitehtuuri mahdollistavat ohjelmiston päivittämisen ja siirtämisen ulkoisen teknologian muutoksista riippumatta. Trimble NIS on myös riippu- maton ulkoisista GIS-teknologioista.

Paikkatietoanalyysit (TSA) on sovellus Trimble NISin sisällä, jolla voi analy- soida tietokannan tietoja Trimble NISissä keräämällä tiedot ja esittämällä ne.

Tietoja voidaan kerätä suoraan tietokannasta, yhdistelemällä eri aineistoja ja hakemalla tietoja toisista tietokannoista. Näille tiedoille voi antaa muuttujia ja niitä voi suodattaa. Kerättyjen tietojen esitystapaan vaikutetaan esitysta- van valinnalla, mahdollisilla laskutoimituksilla ja tulosten ryhmittelyllä ja vi- sualisoinnilla.

Trimble NIS -verkkotietojärjestelmä on käytössä yli 200 sähkö-, kauko- lämpö- ja vesihuoltoyhtiössä maailmassa. Suomessa järjestelmää käytetään 27 kaukolämpöyhtiössä.

Ohjelmiston ylläpitopalveluun koostuu versiopalvelusta ja tukipalvelusta.

Versiopalveluun sisältyy ohjelmiston uudet versiot, niistä tiedottaminen ja käyttöönotto. Tuki kaukolämpölaskentaan liittyen hoituu myös ylläpitopal- velun kautta, vaikka tuki olisikin konsultointia.

Energiayhtiö tarkastelee aineistoaan Trimble NISin avulla energiayhtiön tie- tokannasta. Tietokannan rakenne voidaan jaotella neljään eri tasoon: mas- ter-, suunnitelma-, tilasto- ja virtuaalitietokantaan. Master-tietokannassa on tarkoitus olla verkkoyhtiön ajantasainen ja olemassa oleva verkkoaineisto, jota pyritään pitämään mahdollisimman todenmukaisena ja, johon tehdään päivityksiä vain, kun verkko todellisuudessa muuttuu. Suunnitelmatietokan- nasta löytyy Trimble NISin suunnitelmiin tallennetut tiedot, jotka voivat olla esimerkiksi suunniteltuja uusia kaukolämpölinjoja tai erilaisia laskennan ajotilanteita. Esimerkiksi uusi kaukolämpöliittymä putkineen voidaan ensin tallentaa suunnitelmaan, minkä jälkeen liittymä rakennettaisiin oikeasti.

Kun liittymä on rakennettu ja mitattu, viedään suunnitelma master-tietokan- taan masterajolla. Suunnitelmissa voi myös olla tallennettuna aineistoa tai ajotilanteita, joita ei koskaan haluta masteriin.

3.2 NEPLAN 360

NEPLAN 360 on PSI NEPLAN AG:n tuottama pilvipohjainen simulointioh- jelma, jolla voi laskea sähkö-, kaasu-, vesi- ja kaukolämpöverkkoja. Trimble NISissä näistä toimii vain kaukolämpölaskenta. PSI NEPLAN AG tekee myös tietokoneelle asennettavaa versiota, NEPLAN V10, pilvipohjaisen rinnalla.

NEPLAN V10:ntä voi siis käyttää kuten muita ulkoisia laskentaohjelmia,

joita lueteltiin luvussa 3. V10 ja 360 ovat laskennan näkökulmasta sama oh- jelma – vain asennustapa on eri. Trimble NISin Verkostolaskennan testaus- vaiheessa käytettiin Neplanin desktop-versiota ja myöhemmin pilvipohjaista ratkaisua.

Neplanin ohjelmistot toimivat myös verkkotietojärjestelmänä, mahdollis- taen verkoston tallentamisen samaan tietokantaan, jossa sitä simuloidaan.

NEPLAN 360:a voi käyttää myös rajapinnan välityksellä toisista järjestel- mistä. (NEPLAN 360 2021)

3.3 Laskentamoottorien integrointi

Laskentamoottorien integrointi Trimble NISiin aloitettiin vaatimusmääritte- lyllä yhteistyössä Trimblen asiakasenergiayhtiöiden kanssa. Päävaatimuk- sena oli saada Trimble NISiin toimiva staattinen verkostolaskenta, joka ma- daltaisi kynnystä suorittaa laskentoja ja helpottaisi tulosten tarkastelua ja jatkokäyttöä. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että käyttäjä voi syöttää las- kennan lähtötiedot, käynnistää laskennan ja tarkastella tuloksia Trimble NI- Sissä ilman muiden ohjelmistojen käyttöä. Dynaamiselle laskennalle ei nähty tarvetta.

Laskentamoottoreita on kaukolämmölle Trimble NISissä kaksi: staattiselle verkostolaskennalle ja putken tyhjennysajan laskennalle. Näistä ensimmäi- sen toimittaa Trimblelle PSI NEPLAN AG lähettämällä laskennan suorittavat tiedostot.

Verkostolaskennan integroinnissa tarkasteltiin laskentamoottorin tiedosto- jen sisältö. Oli selvitettävä, että mitä mikin verkon komponentti ja laskennan parametri vastaa Neplanissa ja koodattava Trimble NIS niin, että ohjelmat ymmärtäisivät toisiaan. Esimerkiksi putkilinja on Trimble NISin tietokan- nassa HeatPart ja Neplanissa HeatingPipe. Lisäksi on tehtävä vastaavuudet tarvittaville tiedoille, kuten esimerkiksi putkilinjan pituudelle, halkaisijalle, karheudelle ja lämmönjohtavuudelle, jotta Neplanin moottori pystyisi laske- maan halutun verkon toivotuin tuloksin. Tulokset tallentuvat Trimble NISin tietokantaan, jonne oli tehtävä uudet taulut laskennan tuloksia varten.

Verkostolaskentaa testattiin paljon integrointivaiheessa, jotta päästiin halut- tuun lopputulokseen. Testausta tehtiin niin kauan, että saatiin tulokset vas- taamaan toisiaan. Lisäksi testausvaiheessa käytiin läpi myös esimerkkiver- kosta poikkeavat tilanteet, kuten esimerkiksi eri pumppausolosuhteet ja sää- tötavat, korkeuserojen vaikutukset ja aikasarjalaskenta.

Kun laskentamoottorin integrointi näytti Trimble NISissä toimivan Trimblen tarkistusten jälkeen halutusti, Vantaan Energia Oy:n yleissuunnittelija suo- ritti hyväksymistestauksen Vantaan kaukolämpöverkolla. Samalla Trimble sai hyvän testireferenssin suuren, monipuolisen ja aidon kaukolämpöverkon toimivuudesta.

Laskentamoottorin lisäksi Trimble NISin laskenta käyttää hyväkseen kahta Trimble NISistä jo löytyvää toiminnallisuutta: Paikkatietoanalyysejä ja put- ken poikkileikkausta. Laskentamoottorilta tulevat tulokset tallentuvat Trim- ble NISin tietokantaan, jota paikkatietoanalyysit lukevat. Integrointivai- heessa oli siis tehtävä joukko verkostolaskentaan sopivia ja tarvittavia ana- lyysejä, jotta tärkeimmät tulokset olisivat nähtävissä. Integrointivaiheessa Putken pituusleukkaus -näkymään lisättiin mahdollisuus visualisoida las- kentatuloksia putken sijaintitietojen lisäksi.

Tyhjennyslaskenta on toteutettu SWMM-laskentamallinnukseen perustuen.

Laskentamoottorin koodi on ladattavissa yhdysvaltalaisen EPA:n sivuilta.

SWMM:n integrointi oli yksinkertaisempaa kuin verkostolaskennan sen luonteesta johtuen: tyhjennyslaskennassa on kyse vain veden valumisesta tai pumppaamisesta putkesta. Trimble NISiin on siis toteutettu vain edellä mai- nittu osuus SWMM-laskennasta. (US EPA 2014)

3.4 Laskennan suorittaminen

Laskennan suorittaminen Trimble NIS -järjestelmässä on yksinkertaista: va- litaan toiminto Verkon laskenta, laskettava verkko ja painetaan ohjelma las- kemaan. Tässä vaiheessa on kuitenkin oletettava, että verkon dokumentaatio on laskettavassa kunnossa ja, että ajotilanne on säätöineen realistinen. Käyt- töönotettaessa kaukolämpölaskentaa, verkon dokumentaation kunnostami- seen ja ajotilanteen rakenteluun voi mennä aikaa ennen kuin laskentaa kan- nattaa lähteä suorittamaan. Normaalissa tilanteessa, eli verkon dokumentaa- tion ollessa kunnossa, riittää tieto siitä, että ajotilanne on pumppujen, syöt- töpisteiden ja mahdollisten kuristusventtiilien osalta looginen. Käytännössä ajotilanne on usein erilainen kuin valmiiksi master-tietokannasta löytyvä, jo- ten tarvittavat säädöt ja simuloitavat uudet kohteet on tehtävä ennen lasken- nan suorittamista.

Verkon laskenta -dialogilta (kuva 3) löytyy laskennan vaatimat yleiset säätö- arvot. Ensin valitaan laskennan tyyppi: verkko tai tyhjennys. Verkko-vaihto- ehto simuloi normaalin staattisen kaukolämpölaskennan ja tyhjennyksellä voidaan laskea putken valumisen tai pumppaamisen tyhjennysaikoja.

Laskennan alkamisaika vaikuttaa kulutusprofiileihin, joilla voidaan määrit- tää tehokertoimia liittymien tehoille eri vuorokauden- ja vuodenaikoina, mi- käli kulutusprofiilit ovat käytössä. Lisäksi alkamisaika näkyy tallennetuissa tuloksissa simuloinnin ajankohtana, jolloin siitä nähdään helposti simulaa- tion haluttu ajankohta. Alkamisaika määritetään päivämäärä- ja tuntitasolla.

Päivämäärästä ohjelmisto päättelee laskettavan päivän luonteen: onko päivä arki-, aatto- tai pyhäpäivä. Alkamisajan kellonaika määrittää kulutusprofiilin tunnin sekä ulkolämpötilakäyrän alkavan tunnin. Näillä ohjaustiedostojen käyrillä laskenta ymmärtää käyttää automaattisesti oikeaa ulkolämpötilaa ja tehokerrointa, kun alkamisaika määritellään.

Laskennan kestoon asetetaan 0 vuorokautta, kun halutaan simuloida vain yksi staattinen laskenta.

Alkamisajan lämpötilalle on kaksi vaihtoehtoa: joko kiinteä ulkolämpötila tai vuorokauden aikaan perustuva ajokäyrä. Ulkolämpötilan arvolla on vaikutus lähes kaikkeen laskennassa: muun muassa lämpöhäviöihin, syöttöpisteiden menolämpötiloihin ja liittymien tehontarpeisiin.

Verkon laskenta -ikkunassa voidaan vaikuttaa yleisellä tasolla käyttöpaikko- jen tehoihin ja oletuspaluulämpötilaan. Ikkunassa voidaan päättää käyte- täänkö kulutusprofiilien kertoimia kertomaan käyttöpaikoilta tulevia teho- tietoja. Kulutusprofiileja kätevämpi tapa antaa kertoimia on käyttää kulutus- kerrointa kaikille tehoille tai kulutuskertoimia vain sopimusarvoille.

Kuva 3:Verkon laskenta -ikkuna.

Oletuspaluulämpötilan asettaminen on kaukolämpölaskennassa usein käy- tetty tapa määrittämään yhtenäinen paluulämpötilan arvo kaikille liittymille.

Se on myös hyvä olla määritettynä, koska liittymäkohtaisia lämpötilatietoja (paluulämpötilaa tai jäähtymää) on harvoin asetettu kaikille käyttöpaikoille.

Tuloksille voi valita joko tunnittaisen tai vuorokautisen näkymän, kun teh- dään aikasarjalaskentaa. Tunnittainen tulosten tarkastelu on järkevää sil- loin, kun lasketaan vain yksi vuorokausi ja vuorokausittain sitten, kun laske- taan useampaa vuorokautta. Vain minimi- ja maksimiarvot -valinnalla saa- daan tuloksista ainoastaan minimi- ja maksimiarvot käytetyssä aikasarjalas- kennassa. Valinnan käyttäminen on kätevä tapa saada ääriarvojen tulokset näkymään pitkässä sarjalaskennassa eri laskentatunneilta tai -päiviltä yh- dellä kertaa.

Teknisissä tiedoissa asetetaan oletusarvoja ja laskennan ominaisuusarvoja.

Putken oletushalkaisija -kentän tieto korvaa putkien tiedon, joilla halkaisija on teknisissä tiedoissa 0,0 mm. Putkien halkaisijat suositellaan täyttämään ennen ensimmäistä laskentaa, koska oletushalkaisijan käyttäminen tekee laskennasta hyvin epätarkkaa, mikäli verkossa on paljon määrittelemättömiä ja erikokoisia putkia. Sen käyttäminen on kuitenkin parempi kuin ei mitään, koska jos verkossa on yksikin nollahalkaisijan putki, laskenta ei mene läpi.

Oletushalkaisija on hyvä asettaa suureksi, jotta virtausta ei kuristettaisi liikaa eikä se aiheuttaisi liian suuria painehäviöitä ja mahdollista laskennan epäon- nistumista.

Oletuskarheus ja -lämmönjohtavuus määrittelevät karheuden ja lämmön- johtavuuden mikäli niitä ei löydy putkien teknisistä tiedoista. Jos tarkkoja putkikohtaisia tietoja ei löydy tai niitä ei haluta tallentaa järjestelmään, voi- daan näitä oletusarvoja vaihtaa laskentojen välillä helposti. Edellä mainittua tapaa käyttäen, saadaan verkko kalibroitua helpommin vastaamaan verkon todellisia arvoja. Esimerkiksi, jos paineet pysyvät verkon hännille liian kor- keina, voidaan karheutta kasvattaa. Oletukset on hyvä asettaa myös, vaikka oikeat arvot olisivatkin teknisissä tiedoissa jo määritelty, sillä aineistossa voi olla puuttuvia arvoja.

Verkon laskenta -ikkunassa asetetaan laskettavan aineen ominaisuudet: vir- taavan veden tiheys ja ominaislämpökapasiteetti. Nämä on hyvä asettaa lä- helle oikeita veden arvoja laskentatilanteesta riippuen. Oletusasennussyvyys maanpinnasta on etäisyys maanpinnasta alaspäin, kun maastomallin kor- keuksia käytetään hyväksi laskennassa korkeustietojen puuttuessa solmuvä- leiltä. Maastomallin arvo on aina maanpinnassa, joten jos korkeuden arvo puuttuisi ja lähellä olevilla kohteilla olisi mitatut korkeudet, maastomallin

arvo olisi korkeammalla kuin mitattu verkko. Tällä arvolla saadaan siis put- ken sijainti lähemmäksi totuutta.

Tyhjennyslaskenta suoritetaan samasta ikkunasta valitsemalla Tyhjennys.

Ikkunan tiedot muuttuvat tyhjennyslaskennalle ominaisiin tietoihin. Näitä ovat:

 Tyhjennys meno- tai paluuverkosta

 Verkon vesitilavuus

 Mahdollisen pumpun tuotto

 Tyhjennysaukon tiedot o Koko

o Muoto o Tyyppi

 Tyhjennysaukon sijainnin osoitus

Verkon vesitilavuus tulee valitun putkilinjan tiedoista automaattisesti. Mi- käli pumpun tuotto on 0 m³/h, ei tyhjennyslaskenta laske pumppaukselle tyhjenemisaikaa. Kuvassa 4 nähdään tyhjennyslaskennan esimerkki.

3.5 Aikasarjalaskenta

Aikasarjalaskennalla tarkoitetaan Trimble NISissä simulointitapaa, jolla voi- daan yhdellä kertaa simuloida samaa staattista verkoston tilannetta muuttu- vissa olosuhteissa. Tätä laskentatapaa hyödynnetään, kun halutaan saada selville yhden tai useamman vuorokauden sisällä tapahtuvia muutoksia.

Kuva 4:Tyhjennyslaskennan tulokset pumppaamalla sekä vapaalla virtauk- sella lyhyestä putkilinjasta.

Kun aikasarjalaskenta halutaan suorittaa, asetetaan laskennan kestoon 1 tai useampi vuorokausi. Oletuksena ohjelma laskee tunneittain 24 tunnin ajan eli 24 simulaatiota. Aikaväliä voidaan muuttaa ohjelman parametrilla. Pie- nentämällä päivittäistä laskentojen määrää vuorokaudessa vapautuu Trim- ble NIS nopeammin normaaliin käyttöön sarjalaskennan jälkeen.

Päämuuttujana aikasarjalaskennassa on ulkolämpötila. Muuttujina ovat myös tehontarpeet, mikäli tehosuorat ovat luotu liittymille, ja tehokertoimet, mikäli ne ovat määritetty laskettavalle kuukaudelle. Tehontarpeiden ja läm- pölaitokselta lähtevän menoveden lämpötilan tai -tehon muuttujana on ul- kolämpötila ja tehokertoimissa laskenta-ajankohta. Eli simulointisarjan vä- lillä muutokset vaikuttavat tuloksissa suoraan lämpöhäviöihin, lämpölaitok- selta lähtevän veden lämpötilaan ja tehoon sekä verkon tehontarpeeseen ja välillisesti kaikkiin tuloksiin. Verkoston kohteisiin ei voi tehdä muutoksia sarjalaskentojen välillä, eli esimerkiksi toisen lämpölaitoksen lisääminen suorituksen aikana ei ole mahdollista.

3.6 Tulosten tarkastelu

Tuloksia voidaan tarkastella Trimble NISissä monin eri tavoin. Havainnolli- sin ja yleisin tapa on käyttää kaukolämpölaskentaa varten tehtyjä analyysejä.

Analyysit näyttävät tulokset koko verkolle samanaikaisesti. Esitystapoja on useita:

 Symbolilla korostaminen

 Kuvaustavan määrittäminen

 Teksti kartalle

 Teksti tiedostoon

 Sektorikaavio

 Pylväskaavio

 Väritys alueittain

 Väritys ruuduittain

Suurin osa laskentaa varten tehdyistä analyyseistä on symbolilla korostami- sia. Niissä analyysi korvaa verkoston kohteen toisella symbolilla näyttääk- seen laskentatulokset kohteen kuvaustekniikkaa havainnollisemmalla sym- bolilla. Toisin kuin verkoston kohteita yleensä, hyvin usein laskennan tulok- sien visualisoinnissa käytettyjä symboleita käytetään ”pikselikokoisina” eli ruudulla ne ovat samankokoisia riippumatta zoomaustasosta. Tällöin tulok- set ovat aina nähtävillä sopivan kokoisina, vaikka tarkasteltaisiin koko ver- kon sijasta pienempää verkkoa tai verkon osaa. Kuvassa 5 nähdään esimerkki liittymien paine-erojen analyysistä.

Laskennan käyttöönoton alkuvaiheessa Trimble NISiin luodaan kaukoläm- pölaskennan kannalta olennaisimmat analyysit:

1. Liittymien tehot alueittain

2. Liittymän menolämpötilat Exceliin

3. Liittymän paine-ero, max ja min (maksimi- ja minimiarvot) 4. Menoputken lämpötila, max ja min

5. Menoputken paine, max ja min 6. Menoputken painehäviö, bar / km

7. Menoputken virtaussuunta maksimivirtaamalla 8. Paluuputken lämpötila, max ja min

9. Paluuputken paine, min

10. Pumpun paineen nosto, max ja min 11. Syöttöpisteen teho, max ja min 12. Syöttöpisteiden tehot yhteensä

Listatuista analyyseistä symbolilla korostettuja ovat 3.-9., missä visualisoi- daan arvot värein ja tekstein. Pumpun ja syöttöpisteiden analyyseissä näyte- tään vain teksti kartalle joko kysytyn kohteen kohdalla, tai analyysissä 12., Kuva 5: Paine-erot kuvattuna paine-eron suuruuden mukaan väreillä ja tarkka paine-ero tekstinä.

vain yksi yleinen teksti kuvaamaan koko verkon syöttöpisteiden yhteenlas- kettua tehoa. Liittymien menolämpötilat Exceliin -analyysissä Trimble NIS vie laskennasta tulleet tulokset liittymien menolämpötiloista taulukkomuo- toiseen tiedostoon. Tätä tietoa voidaan jatkojalostaa ulkoisilla ohjelmilla niin halutessaan. Analyyseillä voidaan myös värittää alueita, kuten Liittymien te- hot alueittain -analyysissä ja kuvassa 6.

Kaukolämpöverkoissa, joissa on silmukoita, voi olla vaikea tietää mihin suuntaan vesi virtaa putkissa. Se voi olla tärkeä tieto, joten laskentatuloksista voidaan päätellä menopuolen virtaussuunta analyysillä Menoputken virtaus- suunta maksimivirtaamalla. Kuvassa 7 nähdään esimerkki virtaussuunnan analyysistä.

Kuva 6: Verkon väritykset kuvaavat alueen laskennan käyttämien tehojen tiheyttä.

Kuva 7:Esimerkissä menopuolen virtaus ei mennytkään aina kohti pohjoista.

Edellä mainittujen analyysien lisäksi on luotu lisäanalyysejä energiayhtiöi- den erityisiin tarpeisiin, kuten esimerkiksi lista pumppujen nostokorkeuk- sista, liittymien jäähtymät ja verkoston yhteenlaskettu lämpöhäviöteho.

Kiinnostavia ovat lisäksi olleet kriittisten putkien tehot, virtaukset ja paineet.

Monissa kaukolämpöverkoissa on kriittisiä tai muuten tärkeitä paikkoja, joista halutaan lisätietoa laskennan avuksi. Tällaisessa kohtaa voi olla myös mittauspiste, johon laskennan tuloksia halutaan verrata. Kuvassa 8 on valittu kaksi haarautuvaa kaukolämpöverkon oksaa ja näytetty niiden tiedot.

Aikasarjalaskentaan on tehty myös omat lisäanalyysit tulosten tarkastelua varten. Koska Trimble NISin laskenta esittää aina viimeisimmän haetun si- muloinnin tulokset ohjelmassa, sarjalaskennan analyyseillä päästään kiinni haluttujen tuntien tuloksiin.

Analyysien lisäksi tulokset ovat tarkasteltavissa asettamalla hiiren kursori verkkokohteiden päälle haetun tai laskettujen tuloksien jälkeen. Tällä tavalla nähdään nopeasti tulokset halutuista paikoista. Eri kohteet näyttävät erilai- sia tuloksia, kuten kuvasta 9 nähdään.

Kuva 8: Tehot, virtaamat ja paineet meno- ja paluupuolella kahdessa pis- teessä.

Kuva 9:Paisuntasäiliön, syöttöpisteen ja solmupisteen tuloksia.

Kolmas paikka, jossa laskennan tuloksia näytetään, on Putken pituusleik- kaus -näkymä. Pituusleikkaus-näkymässä on myös mahdollisuus näyttää muistakin laskentaohjelmista tuttu painekuvaaja. Lisäksi on mahdollista esittää laskennan tuloksista tuleva painetaso sekä kiehumisraja, nimellis- paine ja putken korkeuden sijainti sekä maastomallin pinta. Kuvassa 10 on painekuvaaja eräästä simuloinnista Vantaan Energian Martinlaakson voima- lalta jätevoimalalle.

Kaukolämpölaskennan tulokset tallentuvat ensin virtuaalitietokantaan käyt- täjän nähtäville. Tallennettaessa laskentatuloksia, tiedot siirtyvät suoraan master-tietokantaan, josta niitä voidaan tarkastella.

Kuva 10:Laskennan painetasot pitkällä siirtolinjalla Vantaalla.

4 Vaatimukset verkoston dokumentoinnille

Kaukolämpölaskentaa käyttöönotettaessa, isoin työ on saada laskettava kau- kolämpöverkko dokumentoitua laskennan läpimenemisen vaatimalle ta- solle. Normaalisti energiayhtiön verkkotietoa ylläpidetään ohjelmassa, joka ei ole laskentaohjelma. Siinä tapauksessa verkkotiedot joko tuodaan uloskir- joituksella laskentaohjelmaan tai dokumentoidaan suurpiirteisesti vastaa- maan todellisuutta. Näissä tilanteissa usein yksinkertaistetaan verkkoa piir- tämällä vain runkolinjat ja alueet, jotka laskennassa kiinnostavat.

Trimble NISin integroidun kaukolämpölaskennan tapauksessa verkkotieto on jo dokumentoituna. Yksinkertaistettu verkko voidaan laskentaa varten piirtää erikseen Trimble NISin suunnitelmaan, mutta järkevämpää on mo- nelta osin korjata master-tietokannassa oleva verkkoaineisto laskettavaan kuntoon. Laskennan käyttöönotoissa on lähdetty liikkeelle verkoston eheyt- tämisestä ja dokumentoinnin parantamisesta. Hyvänä ohjenuorana lasketta- van verkon onnistuneelle dokumentoinnille on dokumentoida se kokonai- suudessaan sellaisenaan kuin se on todellisuudessa.

Jotta laskenta voidaan suorittaa onnistuneesti läpi, laskettavasta verkosta on löydyttävä ainakin yksi syöttöpiste, solmuväli, putki, paisuntasäiliö ja liit- tymä. Realististen tulosten aikaansaamiseksi olisi suotavaa olla dokumentoi- tuna myös pumppu edellä mainittujen kohteiden lisäksi, vaikka laskenta on- nistuisikin.

Tässä luvussa pyritään käymään kaikilta osin läpi kaukolämpöverkon doku- mentoinnin vaatimukset onnistuneen laskennan aikaansaamiseksi.

4.1 Kohteiden dokumentointi

Kohteiden dokumentointiin, kaukolämpölaskentaa varten, liittyy sekä fyysis- ten kohteiden lisäämistä Trimble NISiin että näiden kohteiden tietojen päi- vittämistä. Miltei aina mitattu verkko sekä liittymät löytyvät valmiiksi lasket- tavasta verkosta, koska energiayhtiöillä niitä tarvitaan muutenkin. Doku- mentoinnin on tästä kuitenkin tarkennuttava, jotta se vastaisi laskennan vaa- timuksia. Esimerkiksi välttämättömistä kohteista puuttuvat useimmiten pumput, joita ei ole ennen laskennan hankintaa tarvittu. Tämä luku käsitte- lee kunkin laskentaan vaikuttavan komponentin, tai Trimble NISin termino- logiassa kohteen, tarkan dokumentoinnin.

Trimble NISissä tyhjä tai täyttämättä jätetty tieto on lähes aina tietokannassa arvona nolla tai tyhjä (null). Laskentateknisesti tämä tarkoittaa sitä, että koh- teilla on siis jo valmiiksi tietoja, jotka vaikuttavat laskentaan. Tyhjät tiedot

on joko päivitettävä oikeiksi tai, riippuen tietokentästä eli attribuutista, mah- dollista jättää tyhjäksi tai nollaksi. Tällöin jokin muu vastaava tieto korvaa puuttuvan tiedon. Esimerkiksi yksittäisen solmuvälin karheuden voi jättää nollaksi, kun halutaan käyttää yleisesti kaikkiin solmuväleihin pätevää kar- heuden arvoa. Onnistuneessa kaukolämpölaskennassa voi siis jättää huo- mattavankin määrän tarkkaa tietoa täyttämättä ja käyttää oletusarvoja.

Tämä on tehty mahdolliseksi, jotta laskennan suorittaminen ja läpimenemi- nen onnistuisi paremmin, mikäli kaikkea tietoa ei ole saatavilla.

4.1.1 Putket, solmuvälit ja solmupisteet

Trimble NISissä oikein dokumentoitu kaukolämmön putkiverkosto koostuu putkielementeistä (myöhemmin putki) ja niille luoduista solmuväleistä.

Trimble NISissä yksittäinen solmuväli luodaan automaattisesti kaikille niille putkille, joilla on sama laji sekä samat ominaisuudet. Esimerkiksi putkilin- jalla, jossa on 5 putkea ja, joka on Mpuk, DN65 ja eristeluokaltaan 3, tulisi olla vain yksi solmuväli luotuna. Trimble NISissä putkien on tarkoitus olla mitattua ja olemassa olevaa putkitietoa, toimien samalla oikeana verkkoai- neistona muillekin ohjelman käyttäjille.

Putkelta kerätään laskentaa varten seuraavat tiedot:

 3D-pituus

 korkeustiedot, eli putken alku- (z1) ja loppupään (z2)

 teknisen tiedon määrittävät ominaisuudet:

o Rakenne

o Halkaisija (DN) o Eristeluokka o Laji

 putken suunta (vaikuttaa pumpulla, paisuntasäiliöllä ja kuristusvent- tiilillä).

Sijaintitiedot (x1, y1ja x2, y2) saadaan yleensä suoraan mittausaineistosta. Kä- sin piirrettäessä korkeustiedot, eli z-koordinaatit, on päivitettävä muilla ta- voin.

Putken tekninen tyyppi määräytyy putken ominaisuuksista, jotka löytyvät putken yleistiedot-välilehdeltä: Rakenne, Halkaisija (DN) ja Eristeluokka.

Lisäksi putken tekniseen tyyppiin vaikuttaa putken lajinumero. Kuvassa 11 nähdään putkelle asetettavat attribuutit sekä putkilinjan dokumentointiesi- merkki.

Putken teknisen tiedon määräytyminen voidaan toteuttaa usealla tavalla. Kä- tevin ja hallittavin tapa on luoda yhdestä kolmeen lajia ja tehdä omat valinnat rakenteelle, halkaisijoille ja mahdollisille eristeluokille. Käyttäjä, joka luo uu- den putken, valitsee yksinkertaisimmassa tapauksessa vain yhden lajin, kau- kolämpöputken, ja päivittää sille tarvittavat tiedot. Näin Trimble NIS yhdis- tää putkelle oikeat tekniset tiedot automaattisesti, mikäli kullekin yhdistel- mälle on luotu oma tekninen tyyppi.

Kaikkien putkien tekniset tiedot -ikkunassa putkille voidaan tallentaa paljon tarkentavia tietoja, mutta putkien teknisistä tiedoista laskenta käyttää seu- raavia:

 Putken halkaisija (mm)

 Lämmönjohtavuus (W/mK)

 Karheus (mm)

 Putken materiaali.

Laskennan käyttämistä teknisistä tiedoista tärkein on putken halkaisija, koska ilman sitä halkaisija on nolla. Jos tekninen tieto on annettu, ja halkai- sija on nolla, korvataan se laskennassa oletushalkaisijalla. Tällöin kuitenkin simuloinnin tarkkuus kärsii huomattavasti. Lämmönjohtavuus on hyvä tal- lentaa teknisiin tietoihin, koska arvot vaihtelevat putkirakenteiden ja -koko- jen mukaan merkittävästi.

Karheuden lisäämisestä putkityypeittäin ei suositella, koska koko verkon karheutta halutaan todennäköisesti vaihtaa. Karheuden arvoon sisällytetään kertavastuksien vaikutus, joten putkityyppikohtaisia arvoja on hankala arvi- oida.

Kuva 11:Valittu kohde näkyy kartalla keltaisella.

Putken materiaalin avulla voidaan tarkentaa putkityypin määrittelyä, mikäli muut putken ominaisuuksista täsmäävät. Putken materiaalin käyttäminen on erittäin harvinaista, koska usein putken materiaali määräytyy putken Ra- kenne-kentässä. Harvoin, jos koskaan esimerkiksi muoviputki jakaa rauta- putken kanssa kaikki muut samat tiedot. Energiayhtiöt dokumentoivat usein muoviputket omalla rakenteellaan, jolloin putkityypistä tulee uniikki. Jos kuitenkin on tarve käyttää putken materiaalia erottamaan putkityyppejä toi- sistaan, on se mahdollista tehdä ohjaustiedostoissa.

Laskentamoottorille ei käytä yksittäisten putkielementtien tietoja vaan sol- muväli kerää kaikki putkilinjan tiedot. Solmuväli kulkee yhtenevän putkilin- jan ensimmäisestä pisteestä viimeiseen ja kerää laskentamoottorille put- kielementtien kokonaispituuden sekä alku- ja lopetuskorkeuden. Solmuvälin tulisi katketa aina laskentaan vaikuttavan kohteen kohdalla, jotta katkok- sessa oleva kohde, esimerkiksi pumppu, tulisi laskentaan mukaan. Solmuvä- lillä määritellään myös putkilinjan tekninen tyyppi ja se on vaihdettavissa solmuvälin ominaisuustiedoista toiseen tekniseen tyyppiin niin halutessaan, mutta kyseinen tieto päivittyy automaattisesti normaalissa putkidokumen- toinnissa.

Putken kuuluminen meno- tai paluuverkkoon asetetaan solmuvälillä. Koska meno- ja paluuputket kulkevat lähes poikkeuksetta aina rinnan, voidaan do- kumentoinnin yksinkertaistamiseksi tallentaa putket yhdistettynä putkena.

Tämä tarkoittaa sitä, että samassa viivassa kulkee oikeasti sekä meno- että paluuputki, mutta Trimble NISissä näkyy vain yksi viiva. Virtaussuunnan tie- don ollessa Yhdistetty, laskentamoottori ymmärtää tällöin luoda kummankin putken laskentaa varten automaattisesti. Tällöin saman kohteen yksilöivä ID tuplataan laskentamoottorissa, mutta paluupuolen kohteiden ID:t ovat aina miinusmerkkisiä.

Solmuvälillä voidaan määrittää myös putkilinjan karheus, mikäli se on sel- västi muusta verkosta poikkeava. Tällainen tilanne voisi olla jokin erittäin vanha putkilinja, jossa putki on kulunut ja karheus on merkittävästi kasvanut tai esimerkiksi vaikea junaradan alitus, jossa kertavastukset ovat suuret. Ku- vassa 12 on kuvattu oikein dokumentoitu solmuväli laskentaan vaikuttavine tietoine.

Laskennan käyttöönoton alussa voi olla helpompi arvioida karheutta ja läm- mönjohtavuutta yleisillä oletuksilla ja jättää teknisten tietojen putkityyppi- kohtaiset määrittelyt myöhempään ajankohtaan. Putkivalmistajat ilmoitta- vat karheudet ilman kertavastuksia ja lämmönjohtavuudet putkimalleillensa optimitilanteessa. Putkivalmistajien arvoja ei kannata suoraan käyttää, koska karheuden arvot voivat vaihdella suoran ja uuden putken 0,0375:stä 0,3000:een, johon on huomioitu kertavastukset, vanhat putkityypit sekä ver- kon ikä. Valmistajan lämmönjohtavuuksissa on eroja kanavan koosta ja ra- kenteesta riippuen: 0,130 - 0,860.

Solmupisteet luodaan jokaisen solmuvälin kumpaankin päähän. Solmupis- teeltä välittyy laskennalle sijaintitiedot ja yksilöivä ID-tieto. Solmupisteen tärkeämpi tehtävä on näyttää tulokset kussakin verkon pisteessä sekä toimia säätöpisteinä pumpuille ja venttiileille. Solmupisteitä ei ole tarpeen erikseen dokumentoida, koska Trimble NIS luo ne laskettavalle verkolle automaatti- sesti.

4.1.2 Pumput

Kaukolämpölaskentaa varten tarvitaan kaikki virtaukseen vaikuttavat, yksit- täiset pumput. Pelkkä pumppaamon dokumentoiminen yhdistettyyn putki- linjaan ei riitä laskennalle, koska laskentamoottori ei ymmärrä tilannetta, jossa sama kohde pumppaisi kahteen suuntaan samanaikaisesti. Pumppu on siis dokumentoitava joko meno- tai paluuverkkoon, tarkemmin solmuväliin, jonka virtaussuunnan tieto on Meno tai Paluu.

Putkien ja solmuvälien piirtosuunnan on Trimble NISissä mentävä oikean virtaussuunnan mukaisesti pumpun kohdalla. Laskentamoottori merkitsee Kuva 12:Solmuväli kulkee putkilinjan päästä päähän. Kuvausteknisesti sol- muvälin kannattaa näyttää putkeen verrattuna selvästi erilaiselta, jotta viivat erottuvat toisistaan.

solmupisteiden suunnat putkien piirtosuunnan mukaan. Pumppu pumppaa aina putken piirtosuuntaan (x¹,y¹ -> x²,y²⁾, joten virtaus pumpulla on men- tävä samaan suuntaan kuin putkien koordinaatit. Laskennan lokitiedostot kertovat väärästä virtaussuunnasta laskennan epäonnistuessa, tai tulokset saattavat olla pumpulla huomattavan epäloogisia.

Solmuvälin on katkettava pumpun kohdalla, jotta laskentamoottori tunnis- taa pumpun ja saa luotua pumpun kohdalle solmupisteen. Laskettaessa Trimble NIS luo solmupisteen automaattisesti pumpulle, mutta pumpun ta- pauksessa laskentamoottori tarvitsee kaksi solmupistettä: ennen ja jälkeen pumpun. Trimble NIS luo kuvitteellisen solmupisteen samaan pisteeseen ol- len näin olemassa olevan solmupisteen jälkimmäinen solmupiste. Kuvitteel- linen solmupiste ei ole Trimble NISin kohde, mutta sitä tarvitaan kaukoläm- pölaskennan suorittamiseen sekä tulosten tarkasteluun. Näiden solmupistei- den välillä tapahtuu paineennosto.

Pumpun kuvaustekniikka on kaukolämpöalalla hyvin vakiintunut ja Trimble NISissä käytetään usein PI-kaavioistakin tuttua symbolia: kolmio ympyrän sisällä. Trimble NISissä kohteiden kuvakkeiden pyörittäminen on mahdol- lista, joten pumpun suunta kannattaa pyöräyttää oikean virtaussuunnan mu- kaiseksi. Näin suunnan visuaalinen tarkastelu helpottuu. Kohteen visuaali- sella suunnalla ei ole merkitystä laskennan suorittamisessa.

Pumppaamot voivat olla kytkennältään joskus hyvinkin monimutkaisia. Esi- merkiksi neljän kaukolämpöpumpun pumppaamon dokumentointi voi olla haastavaa kaiken muun dokumentaation keskellä sekä käyttäjän voi olla vai- kea ymmärtää kytkentää. Trimble NISissä on mahdollista tehdä verkon koh- teille oma pumppaamodokumentointiin tarkoitettu kuvaustekniikka. Ku- vaustekniikka perustuu kohteella ennalta valittuun attribuuttiin, jota muut- tamalla Trimble NISissä kohteen kuvaustekniikka muuttuu halutuksi – yleensä pienemmäksi, kuten kuvassa 13 on tehty.

Pumppu on laskennassa olennaisin verkon optimointiin, verkon tilan muut- tamiseen ja laskennan läpimenemiseen vaikuttava kohde. Pumpulle määri- tellään seuraavat tiedot:

 Asetusarvo

 Säätötapa

 Säätöpiste tai -pisteet

 Pumppukäyrä.

Laskennassa on viisi eri säätötapaa, ja riippuen säätötavasta, pumpulle ase- tetaan haluttu asetusarvo mahdollisine säätöpisteineen. Tässä ovat säätöta- vat lueteltuna Trimble NISissä käytetyn järjestysluvun mukaisesti:

0) Painepuolen paine tai etäsäätö solmupisteessä (bar) Output or Remote Controlled Pressure Regulation 1) Pumppukäyrä, ei etäsäätöä

Q-P Characteristic or Parabola (no regulation) 2) Imupuolen paine (bar)

Input Pressure Regulation

Kuva 13: Viivamaiset kohteet ovat kuvassa tehty kuvaustekniikalla, josta nähdään keskilinja sekä arvioitu meno- ja paluuputken etäisyys. Yhdistetty- jen putkien väliin on tehty tarkka pumppaamodokumentointi eritellen kaikki pumput ja venttiilit.

3) Virtaama tai etäsäätö solmupisteessä (l/s) Flow Q Regulation (or Q Remoted controlled) 4) Paine-ero tai etäsäätö solmupisteissä (bar)

Pressure Difference Regulation (or Pdiff Remote controlled).

Kun pumpulle asetetaan säätötavaksi painepuolen paine tai etäsäätö solmu- pisteessä, asetusarvo-kenttään asetetaan paineen taso bareissa ja säätöpiste- kenttään mahdollinen solmupisteen tunniste eli ID. Säätöpisteen ja asetus- arvon ollessa asetettuna, pumppu pitää asetusarvon paineen halutussa pis- teessä ja laskenta laskee tarvitun paineennoston pumpulla. Asetusarvo antaa tallentaa arvon yhden desimaalin tarkkuudella. Solmupisteen ID:n saa sel- ville valitsemalla solmupisteen ja tarkastelemalla kohteen tiedot -reunaikku- nasta ID:n arvon. Mikäli solmupiste on paluuverkossa, asetetaan solmupis- teen ID:n eteen miinus-merkki.

Vaikka säätötavan nimi viittaa painepuolen säätöön, onnistuu paineen aset- taminen myös virtaussuunnassa pumpun imupuolelle. Pumpun säätö tapah- tuu tällöin kohteen teknisissä tiedoissa aivan samalla tavalla kuin painepuo- len tapauksessa. Säätötavalle ominaisia käyttötarkoituksia on useita, mutta tavallisimpia on tietyn painetason määritteleminen meno- tai paluuverkkoon tai tiedossa olevan kuluttajan paluupainetason asettaminen.

Kun säädetään painetta painepuolelle, on paineen asetusarvon oltava isompi kuin vallitseva paine ilman pumppua, ja vastaavasti pienempi imupuolelle.

Tällöin pumppu nostaa tai laskee painetta ja tekee muutoksen laskennan pai- nearvoihin pumpun kohdalla. Mikäli paine on asetettu toisinpäin edellä mai- nittuihin tilanteisiin, eli painepuolella alle ja imupuolella yli vallitsevan pai- netason, laskenta menee läpi huomioimatta pumppua, jolloin pumpun pai- neennosto on 0,000 bar.

Pumppukäyrän säätötavassa ei ole tarvetta asettaa asetusarvoa tai säätöpis- tettä. Kun pumppukäyrän säätötapa on valittuna, laskenta huomioi ainoas- taan pumppukäyrä-kentän pumpun teknisistä tiedoista. Pumpulle ominai- nen pumppukäyrä valitaan Trimble NISissä pumppukäyrän listasta. On kui- tenkin suositeltavaa laskea ensin muilla säätötavoilla, jotta laskenta menisi todennäköisemmin läpi. Pumppukäyriä ei siis ole pakko määrittää.

Imupuolen paine -säätötavalle ei ole käyttöä pumpun tapauksessa.

NEPLAN360 -laskentaohjelmassa on samat säätötapavaihtoehdot pumpulle ja venttiilille, jonka säätötavoista tämä on peräisin. Pumpun imupuolelle voi- daan kuitenkin säätää paineita, mutta ne voidaan tehdä säätötavalla 0.