Muuntajien häviölämmön hyödyntäminen lämpöpumpputekniikalla
Ristamäki, Heli (2012)
2012
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2012-08-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201208311265
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201208311265
Tiivistelmä
Muuntajan häviöt ja ympäristötekijät aiheuttavat muuntajan lämpenemistä, joka liiallisena kiihdyttää muuntajan vanhenemista. Muuntajaa on täten jäähdytettävä ja usein häviölämpö johdetaan jäähdytyskoneistolla ulkoilmaan. Häviö- ja jäähdytyskustannusten lisäksi muuntajaa lähellä olevien rakennuksien lämmittäminen maksaa. Häviölämmön hyödyntämisellä säästettäisiin sekä lämmityksessä että jäähdytyksessä.
Tämä diplomityö toimii yleistutkimuksena muuntajahäviöiden hyödyntämisestä lämpöpumpputekniikalla sekä tarkempana selvityksenä ja suunnitteluna kahdelle kohteelle, joista toinen toteutetaan myöhemmin. Tarkasteluja tehdään patenttiselvityksin, kustannuslaskelmin ja laitemitoituksin. Ratkaisujen päämääränä on vuotuisten käyttökustannusten pieneneminen ja investointien järkevyys, kun huomioidaan lämmön saatavuus ja tarve käyttötapoineen.
Tarkasteltujen Kruununhaan ja Vallilan muuntajien häviötehoja suunnitellaan käytettäväksi sähköasemarakennuksien lämmittämiseen. Nämä jakeluverkon syöttömuuntajien häviöt ovat ajoittain alle lämmöntarpeen, joten kohteiden lämpöpumput on osatehomitoitettava ja huipputeho tuotettava muilla tavoin. Järjestelmästä riippuen myös tässä osatehomitoituksessa saattaa tarve ylittää häviöt muutamana päivänä vuodesta.
Järjestelmän lämpötilojen tulee sopia käytettyyn lämpöpumpputekniikkaan: jos esimerkiksi paluulämmitysvesi on lämpöpumpulle liian kuumaa, tulee sen jäähtymistä lisätä. Toteutettavan tarkastelukohteen, Kruununhaan, lämmityspatterit uusitaan paitsi käytetyn maalämpöpumpputekniikan, myös nykyisten lämmityselementtien käyttöiän päättymisen vuoksi. Vallilassa ei ole tarvetta lämpöpatteri-investointiin.
Kruununhaassa suurimmat vuotuiset säästöt syntyvät täysvesikiertojärjestelmän lämpöpumpulla katettaessa huipputeho sähköllä. Tällöin pelkän talteenottojärjestelmän takaisinmaksuaika on noin yhdeksän vuotta verrattaessa nykyiseen kaukolämmitykseen ja 2,5 vuotta verrattaessa kalliiseen sähkö–kaukolämpö-järjestelmään. Lämpöpumppukäytön huipputehon tuotto on kannattavampaa sähköllä kuin kaukolämmöllä, ja kaukolämpöjärjestelmän varallapito ei myöskään kannata – lämpöpumpputekniikka on nykyään jo varsin luotettavaa. Toisaalta nykyisenä lämmitystapana kaukolämpöjärjestelmän investointitarve on pienin. Järjestelmien kokonaisinvestointikustannuksiin vaikuttavat lämpöpumpun teholuokan lisäksi esimerkiksi suuret lämmönvaihtimet ja lämpöpatterisaneeraus. Toisessa tarkastelukohteessa, Vallilassa, ilmanvaihtokoneen poisjättö muuntajahäviöiden talteenottojärjestelmästä ei teknis-taloudellisesti kannata. Vallila saattaisi olla muuntajien tasaisen kuormituksen ja luolaston ympärivuotisen lämmitystarpeen vuoksi varteenotettava kohde talteenotolle.
Kruununhakaan suunniteltu järjestelmä toteutetaan diplomityön jälkeen. Se tullaan testaamaan sekä laboratoriossa että loppukäyttöpaikalla, jonne se projektin päätyttyä jää käyttöseurantaan.
Tämä diplomityö toimii yleistutkimuksena muuntajahäviöiden hyödyntämisestä lämpöpumpputekniikalla sekä tarkempana selvityksenä ja suunnitteluna kahdelle kohteelle, joista toinen toteutetaan myöhemmin. Tarkasteluja tehdään patenttiselvityksin, kustannuslaskelmin ja laitemitoituksin. Ratkaisujen päämääränä on vuotuisten käyttökustannusten pieneneminen ja investointien järkevyys, kun huomioidaan lämmön saatavuus ja tarve käyttötapoineen.
Tarkasteltujen Kruununhaan ja Vallilan muuntajien häviötehoja suunnitellaan käytettäväksi sähköasemarakennuksien lämmittämiseen. Nämä jakeluverkon syöttömuuntajien häviöt ovat ajoittain alle lämmöntarpeen, joten kohteiden lämpöpumput on osatehomitoitettava ja huipputeho tuotettava muilla tavoin. Järjestelmästä riippuen myös tässä osatehomitoituksessa saattaa tarve ylittää häviöt muutamana päivänä vuodesta.
Järjestelmän lämpötilojen tulee sopia käytettyyn lämpöpumpputekniikkaan: jos esimerkiksi paluulämmitysvesi on lämpöpumpulle liian kuumaa, tulee sen jäähtymistä lisätä. Toteutettavan tarkastelukohteen, Kruununhaan, lämmityspatterit uusitaan paitsi käytetyn maalämpöpumpputekniikan, myös nykyisten lämmityselementtien käyttöiän päättymisen vuoksi. Vallilassa ei ole tarvetta lämpöpatteri-investointiin.
Kruununhaassa suurimmat vuotuiset säästöt syntyvät täysvesikiertojärjestelmän lämpöpumpulla katettaessa huipputeho sähköllä. Tällöin pelkän talteenottojärjestelmän takaisinmaksuaika on noin yhdeksän vuotta verrattaessa nykyiseen kaukolämmitykseen ja 2,5 vuotta verrattaessa kalliiseen sähkö–kaukolämpö-järjestelmään. Lämpöpumppukäytön huipputehon tuotto on kannattavampaa sähköllä kuin kaukolämmöllä, ja kaukolämpöjärjestelmän varallapito ei myöskään kannata – lämpöpumpputekniikka on nykyään jo varsin luotettavaa. Toisaalta nykyisenä lämmitystapana kaukolämpöjärjestelmän investointitarve on pienin. Järjestelmien kokonaisinvestointikustannuksiin vaikuttavat lämpöpumpun teholuokan lisäksi esimerkiksi suuret lämmönvaihtimet ja lämpöpatterisaneeraus. Toisessa tarkastelukohteessa, Vallilassa, ilmanvaihtokoneen poisjättö muuntajahäviöiden talteenottojärjestelmästä ei teknis-taloudellisesti kannata. Vallila saattaisi olla muuntajien tasaisen kuormituksen ja luolaston ympärivuotisen lämmitystarpeen vuoksi varteenotettava kohde talteenotolle.
Kruununhakaan suunniteltu järjestelmä toteutetaan diplomityön jälkeen. Se tullaan testaamaan sekä laboratoriossa että loppukäyttöpaikalla, jonne se projektin päätyttyä jää käyttöseurantaan.