Energiatehokkaita lämmönsiirtoverkkoja pienemmillä kustannuksilla
19.06.2012
Energiatehokkuus on keskeinen keino vaikuttaa ilmastonmuutoksen aiheuttamaan globaaliin haasteeseen. Isoissa teollisuusprosesseissa energiankäyttöä voidaan tehostaa lämmönsiirtoverkoilla, mutta tehostamisen on oltava taloudellisesti kestävää.
Tkt Timo Laukkanen on kehittänyt Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa tarkistetussa väitöskirjassaan uusia lämmönsiirtoverkkojen suunnittelumenetelmiä, joiden avulla lämmönsiirtoverkkojen energiatehokkuutta voidaan parantaa pienemmillä kustannuksilla ja nopeammin kuin aiemmin.
̶ Teollisuusprosesseissa on paljon ainevirtoja, joita pitää lämmittää tai jäähdyttää esimerkiksi höyryllä tai sähköllä. Jos lämmitettävien ja jäähdytettävien virtojen välille rakennetaan lämmönsiirtoverkko, ei tällaista ulkopuolista lämmitystä tarvita läheskään yhtä paljon kuin ilman lämmönsiirtoverkkoa ja energiaa kuluu vähemmän.
Laukkanen selvittää, että lämmönsiirtoverkkojen avulla voidaan tehostaa lämmön talteenottoa. Käytännön esimerkki pienestä lämmönsiirtoverkosta on rakennukseen tulevan raikkaan ilman esilämmitys lämpimällä poistoilmalla. Lämmönsiirtimien rakentaminen kuitenkin maksaa. Jotta lämmönsiirto olisi mahdollisimman kustannustehokasta, lämmönsiirrinten määrä on minimoitava lämmönsiirtoverkkojen suunnittelussa.
̶ Kustannustehokkuus ja energiatehokkuus kilpailevat keskenään, Laukkanen toteaa. Kun energiatehokkuus lämmönsiirtimiä lisätessä kasvaa, kustannustehokkuus heikkenee.
Parempaa ja nopeampaa lämmönsiirtoverkon suunnittelua
Laukkasen kehittämä matemaattinen kaksitaso-optimointimenetelmä auttaa ratkaisemaan, kuinka kannattavaa lämmönsiirtimen rakentaminen virtojen välille eri tilanteissa on. Menetelmän ansiosta löydetään ratkaisut, joilla sekä kustannustehokkuutta että energiatehokkuutta voidaan hieman parantaa.
Laukkanen uskoo, että energian hinnannousun myötä teollisuus tulee investoimaan lämmönsiirtoverkkoihin nykyistä enemmän.
̶ Lämmönsiirtoverkkojen suunnitteluun liittyy matemaattisesti haastava ongelma, jonka ratkaisemiseen menee hyvin paljon aikaa. Kehittämäni menetelmän avulla suunnittelu voidaan toteuttaa aiempaa nopeammin. Energian hinnannousun myötä teollisuus voi innostua hyödyntämään menetelmää.
Matematiikka kaivaa vaihtoehdot esille
Kaksitaso-optimointimenetelmän kehittämisen lisäksi Laukkanen sovelsi lämmönsiirtoverkkojen suunnitteluun interaktiivista monitavoiteoptimointimenetelmää. Sen avulla lämmönsiirtoverkkojen suunnittelijat tai niistä päättävät henkilöt, kuten teollisuusjohtajat, löytävät kaikki Pareto-optimaalisen käyrän vaihtoehdot suhteessa investointeihin ja energiatehokkuuteen.
̶ Matematiikka ei anna vastausta siihen, mikä vaihtoehdoista toteutetaan, sillä valinta tehdään arvojen pohjalta. Matematiikka voi kuitenkin tuoda silmiemme eteen kaikki mahdolliset vaihtoehdot.
Laukkasen mukaan interaktiivinen päätöksentekijä kysyy kokoajan itseltään, mihin suuntaan haluaa mennä. Jos hän ei esimerkiksi halua tehdä suuria investointeja, hän ei katso käyrää siltä osin vaan hakee vaihtoehtoja käyrän toisesta osasta. Näin ratkaisu löydetään ilman suurta laskennallista ja kognitiivista painolastia.
Timo Laukkasen väitöskirja ”Multiobjective heat exchanger network synthesis based on grouping of process streams” tarkistettiin Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa 13.6.2012.
Lisätietoja:
Tkt Timo Laukkanen
Aalto-yliopiston energiatekniikan laitos
timo.laukkanen [at] aalto [dot] fi (timo.laukkanen@aalto.fi
)Puh. +358 50 301 9218
