Energiatehokkuutta automaatio-ohjatulla hybridilämmitysjärjestelmällä

Miten automaation avulla voidaan ohjata erilaisia lämmitysjärjestelmiä? Voidaanko sen avulla vähentää kasvihuonepäästöjä, olla energiatehokkaita ja saavuttaa taloudellisia säästöjä? Näihin kysymyksiin olemme hakemassa vastauksia Tarkalla ohjauksella energiatehokkuutta -hankkeessa. Tuloksia ei vielä ole, mutta selvitystyön suuntaviivat ovat kirkastuneet.

Uusiutuvat energialähteet valtaavat alaa energian tuotannossa. Muutosta ovat tuoneet etenkin ilmavesi- ja maalämpöpumput, joilla saadaan alennettua sähkönkulutusta. Auringosta saatavaa energiaa hyödynnetään entistä enemmän, sillä auringon säteilystä voidaan sähkön lisäksi kerätä myös lämpöä, jolloin voidaan saada merkittäviä säästöjä lämmityskustannuksiin. Poliittiset päätökset ajavatkin yhä enemmän päästöjen rajoittamista ja uusiutuvien energiamuotojen käyttöä.

Yhtälössä pienikin asia voi vaikuttaa merkittävästi

Kun yhdistetään päästöjen vähentäminen, uusiutuvien energiamuotojen käyttäminen ja energiatehokkuus, saadaan aikaan yhtälö, jossa pienikin asia voi vaikuttaa merkittävästi toiseen. Hämeen ammattikorkeakoulun (HAMK) Tarkalla ohjauksella energiatehokkuutta -hankkeessa tutkitaan jo olemassa olevien lämmitysjärjestelmien toimintaa, lämmitysjärjestelmien yhdistämistä keskenään, keinoja varastoida lämpöenergiaa tehokkaammin ja mahdollisuuksia hyödyntää säätietoja sekä pörssisähkön hintakehitystä lämmityksen ohjauksessa.

Tavoitteena on energiatehokkuuden edistäminen omakotitalo-, maatila- ja kylämittakaavassa Pirkanmaan alueella. Hankkeessa rakennetaan pilottijärjestelmä, jolla testataan eri lämmön- ja sähköntuottotekniikoiden yhdistämistä energiatehokkaasti ja ekologisesti. Järjestelmän älykkään ohjausjärjestelmän tarkoituksena on tehdä päätös, milloin mikäkin energialähde on kaikkein kannattavin. Lisäksi testataan lämmön varastointia.

Pilottilaitteiston lämmitysjärjestelmän suunnittelu

Pilottilaitteistoa ohjataan ohjelmoitavalla logiikalla. Tämä tarkoittaa sitä, että automaatio-ohjauksella laitteistoa voidaan testata erilaisissa olosuhteissa ja näin saada tietoa olosuhteiden vaikutuksesta vaikkapa polttoprosessin puhtauteen.

Suunnittelussa lähdettiin liikkeelle kaksikattilajärjestelmällä. Kattiloista toinen suunniteltiin bioöljyn ja toinen pelletin polttamista varten. Bioöljy on yhä enemmän tulossa öljyn polttoon, ja jo nykyään kevyt polttoöljy sisältää pienen osuuden bioöljyä. Kattiloiden rinnalle suunniteltiin kahta erilaista lämminvesivaraajaa, joista toisessa olisi aurinkolämmön hyödyntämiseen kierukka ja toisessa kapseloitua faasinmuutosmateriaalia varten täyttöaukko. Pellettipoltin puolestaan mahdollistaisi erilaisten puu- ja turveperäisten polttoaineiden käyttämisen. Alkusuunnitelmassa kattiloiden tehot mitoitettiin noin 20 kW:n teholuokkaan, mutta tehot nostettiin kaksinkertaiseksi. Alettiin myös tutkia ja suunnitella putkituksia sekä varolaitteistoa. Kahden kattilan järjestelmän putkitusten suunnittelu on haasteellinen tehtävä, koska siinä täytyy ottaa huomioon mahdollinen veden kiertäminen kattilassa ja myös mahdollisuus pumpata lämmitetty vesi toiseen vesivaraajaan.

Vaikka suunnitelmat kahdella kattilalla ja varaajalla olivat edenneet, päädyttiin valitsemaan kattila, johon saadaan liitettyä hake- ja öljypoltin. Hakepolttimen ansiosta laitteistossa voidaan polttaa vielä useampaa polttoainetta. Näin saadaan hyvää informaatiota eri puu- ja turveperäisten polttoaineiden päästöistä. Kattiloiden vähentyessä nostettiin varaajien lukumäärä kolmeen, mikä myös mahdollistaa parempien tutkimusten tekemisen esimerkiksi kahden eri faasinmuutosmateriaalin sekä tavallisen veden välillä. Faasinmuutos tarkoittaa aineen latentin lämmön hyödyntämistä, mikä mahdollistaa suurempien lämpömäärien varastoinnin verrattuna veteen. Esimerkiksi talon seiniin voidaan asentaa kapseloitua faasinmuutosmateriaalia. Kuumina päivinä materiaaliin varastoituu lämpöä, joka kylminä öinä vapautuu lämmittämään taloa. Faasinmuutosmateriaaleja on monia. Tärkeää on muistaa haluttu toimintalämpötila, jossa materiaali alkaa sulaa. Suolapohjaista faasinmuutosvesiliuosta ei testeissä ole saatu vielä toimimaan, mutta testauksia jatketaan vielä.

Automaation ja toimilaitteiden suunnittelu

Tämän jälkeen voitiin aloittaa järjestelmän ohjauksen suunnittelu. Lähtökohtana ohjelmoitavalle logiikalle oli helppo laajennettavuus sekä CodeSys-pohjainen ohjelmointi, joka on yleisesti käytetty kansainvälinen ohjelmointiympäristö. Logiikan valinnan jälkeen aloitettiin toimilaitteiden suunnittelu ja mitoitus. Tärkeimpiä kriteereitä olivat käyttöjännite ja antureilla lähettimen lähettämä signaali. Magneettiventtiileillä käyttöjännitteen lisäksi vaikutti eniten se, onko venttiili normaalitilassa kiinni vai auki. Jos venttiili on normaalitilassa auki, sitä joudutaan ohjaamaan jännitteellä kiinni-asentoon, mikä aiheuttaa energian kulutusta enemmän kuin venttiilin auki pitäminen vedenkierron aikana.

Järjestelmässä on antureita virtauksen, lämpötilan ja paineen mittaamiseen. Näillä suureilla voidaan hyvin kattavasti saada tietoa lämmityspiirien toiminnasta ja laskea esimerkiksi energiankulutusta eri lämmitysverkon osissa. Energiankulutuksen laskemiseen tarvitaan virtaus- ja lämpötila-anturit. Lämpötila-antureita on tarkoitus laittaa putkien ohella myös lämminvesivaraajiin ja aurinkolämpöpiiriin. Lämpötilaa tarkkailemalla voidaan päättää, mihin varaajaan ohjataan lämmitettyä vettä kattilasta ja mistä varaajasta otetaan lämpöä lämmitysverkkoon. Samaa periaatetta käytetään myös aurinkolämpöpiirin kanssa. Virtaus- ja paineantureilla saadaan myös tietoa mahdollisista vuodoista. Myös osassa kiertovesipumpuista on mahdollista tehdä lämpötila- ja painemittauksia. Päädyimme käyttämään standardoitua kenttäväylää, joka tarkoittaa laitteiden ja automaation välistä tiedonsiirtoa ilman monimutkaista kaapelointia.

Kun toimilaitteet oli saatu valittua ja mitoitettua, voitiin toimilaitteet jaotella erillisiin ohjauskoteloihin. Niiden avulla automaatiolaitteisto saadaan sijoitettua lähelle mittausantureita. Lyhyet johdotuspituudet vähentävät mittausvirheitä ja kustannuksia.

Ensimmäinen vaihe valmis

Suunnittelu onnistui kokonaisuutena hyvin. Logiikan valinnan jälkeen toimilaitteiden etsiminen sujui suhteellisen helposti. Automaatiolaitteisto tulee vielä muuttumaan, ja antureita tulee vielä putkistoon asennettavien antureiden lisäksi polttimiin ja mahdollisesti savupiippuun. Suurin osa antureista ja niiden kytkennöistä on suunniteltu, ja mahdollisille tuleville antureille on jätetty laajennusvaraa. Kun lämmitysjärjestelmä, putket ja anturit on asennettu, voidaan asentaa automaatiolaitteisto. Samaan aikaan voidaan myös aloittaa logiikan ohjelmointi. Kun koko järjestelmä on valmis ja asennukset tarkastettu, voidaan testata lämmitysjärjestelmän toiminta ja varmistaa kaiken toimivan niin kuin pitäisi.

Pilottijärjestelmän suunnittelun lisäksi tehtiin pörssisähkön hinnan vaihteluiden ja säätietojen digitaalisen seuraamiseen ohjelma, joka seuraa pörssisähköä ja säätietoa tunnin välein. Myöhemmässä vaiheessa tätä ohjelmaa on tarkoitus hyödyntää automaatio-ohjauksen tukena.

Seuraavaksi alkaa pilottijärjestelmän fyysinen rakentaminen. Tavoitteena on saada elokuussa pidettäville Valkeakosken pientalomessuille siirreltävä konttiratkaisu, jossa esitellään erilaisia energiavaihtoehtoja. Tähän samaan tilaan rakennetaan syksyn aikana artikkelissa kuvattu testiympäristö.

Tarkalla ohjauksella energiatehokkuutta on Pirkanmaan liiton rahoittama EAKR-hanke.