Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut

Translated title of the contribution: Integrated heating and cooling production in sport halls

Kari Sipilä, Miika Rämä, Antero Aittomäki, Ali Mäkinen, Jarmo Söderman

Research output: Book/ReportReport

Abstract

Tutkimuksessa selvitettiin urheilupaikkojen jäähdytyksen ja lämmön tuotannon integrointimahdollisuutta sekä hiilidioksidin käyttöä jäähdytyksen siirrossa ja lämpöpumpun jaksollisen ajotavan käyttöä jäähdytyksen ja lämmön tuotannossa varastosäiliöiden avulla. Höyrystyvän hiilidioksidin lämmönsiirtokerroin on suuri, ja lämmönsiirtokapasiteetti eli tiettyyn jäähdytystehoon tarvittava massavirta jää pieneksi. Lisäksi viskositeetti on pieni, mikä pienentää siirtopainehäviöitä ja siten mahdollistaa pienempien putkikokojen käytön. Tämä puolestaan vähentää järjestelmän investointikustannuksia ja tilavaatimuksia putkien osalta. Tehokkaan lämmönsiirron takia voidaan jäähdytyskoneiston höyrystymislämpötila pitää korkeammalla, mikä pienentää energiankulutusta. Urheilupaikkojen energiankulutuksien laskentaa varten luotiin simulointimalli, joka koostuu osamalleista kuten kompressorikoneisto (lämpöpumppu) ja lämmön sekä kylmän käyttökohteet. Jäähdytyskoneisto on jaettu komponentteihin: kompressori, tulistuksen jäähdytin, lauhdutin, alijäähdytin ja höyrystin. CO2-putkiston mitoitusta ja kustannuksia tarkasteltiin verkostomallilla. Painehäviö, pumppausteho sekä kompressorin sähkönkulutus riippuvat putkien halkaisijoista ja kertavastuksista. Kompressorin sähkönkulutus lisääntyy painehäviön kasvaessa, koska CO2-säiliön paine laskee. CO2-lämmönsiirron laskentaan kehitettiin verkkolaskentamalli, jota on aiemmin käytetty hiilidioksidia siirtoaineena käyttävän kaukojäähdytysverkon simulointiin. Laskentamallia kehitettiin pienputkiverkon simulointiin ja siihen lisättiin osio, jossa virtauksen tila muuttuu merkittävästi kuten esimerkiksi hiihtoputken latuputkistossa. Vahterus Ringin hiihtoputki Uudessakaupungissa oli tutkimuksen mittauskohde. Hiihtoputki on maan päälle elementeistä rakennettu 1 000 metriä pitkä ja 5 metriä leveä putki, jossa on korkeuseroa 7 metriä. Hiilidioksidi toimii lämmönsiirron väliaineena sekä latuputkissa että ilman jäähdytysverkostossa. Varsinainen kylmäkone toimii ammoniakilla. Järjestelmän mitoitusjäähdytysteho on 400 kW, joka on jaettu siten, että 350 kW (87,5 %) tarvitaan ilmapattereissa ja 50 kW (21,5 %) maaputkistossa. Ilmapattereita on 1 000 metrin hiihtoputkessa 20 kpl ja latuputkistoa 2 lenkkiä, joissa molemmissa on rinnakkain 20 kpl 514 metrin putkea. Hiihtoputken vieressä kiertää "kuntoputki", jota käytetään lenkkeilyyn sekä rullaluisteluun ja -hiihtoon. Kuntoputkea lämmitetään kylmäkoneen lauhdelämmöllä glykolikierrolla. Hiihtoputkijärjestelmästä kerättiin mittausdataa, jonka perusteella selvitettiin järjestelmän toimintaa. Suurin mielenkiinto kohdistui CO2-kiertoon. Kiinteistövalvontajärjestelmän kautta saatiin tietoja kiinteistöhuollollisista muuttujista, kuten lämpötiloista ja kosteuksista. Kompressorien ohjausjärjestelmästä saatiin tietoa jäähdytyskoneiston lämpötiloista ja paineista. Tehosta saatiin arvio kompressorin paineiden sekä kierrosnopeuden perusteella. Massavirran määrittämiseksi hiilidioksidin menoputkeen asennettiin mittalaippa ja paine-erolähetin. Paine-eron perusteella määritettiin CO2:n massavirtaus. Hiihtoputken ilman lämpötila pysytteli melko tarkasti 0 °C:n tuntumassa suuremmin riippumatta ulkolämpötilasta. Latupohjan lämpötila oli hieman alempana, noin -3 °C:ssa. Hiilidioksidiputket ovat eristämättömät, ja käytön aikana niiden päälle on kertynyt paksu jää- ja huurrekerros, joka toimii eristeenä. Hiilidioksidijäähdytystä verrattiin myös glykolikiertoiseen jäähdytykseen. Merkittävimmät erot hiihtoputken jäähdytysjärjestelmässä ovat suuremmat putkikoot sekä niiden eristämisen välttämättömyys. Glykoliliuoksen käyttö johtaa isompiin lämmönsiirtimiin ilmapattereissa. Lisäksi latuputkistoa ei voida toteuttaa kahtena lenkkinä hiilidioksidiratkaisun tapaan vaan useampana putkiryhmänä, jotta lämpötilaero lumikerroksen ja putkissa virtaavan glykoliliuoksen välillä saadaan pysymään riittävän suurena. Hiilidioksidilla lämpö sitoutuu virtaukseen hiilidioksidin höyrystyessä, joten lämpötila pysyy lähes samana ja käytännössä laskee paineen mukana. Aluejäähdytyksen tuotanto voidaan toteuttaa kompressori- tai absorptiojäähdytyksellä. Hiilidioksidia lämmönsiirtoaineena käyttävä jakelu vaatii putkistolta normaalia kaukojäähdytysputkea suurempaa paineenkestävyyttä, koska hiilidioksidin painetaso on noin 40 bar. Hiilidioksidikiertoa rajoittavana tekijänä onkin sisäisen jakeluputkiston lämmönsiirtoaineen jäätymispiste. Alhaisimmillaan tulevan hiilidioksidin lämpötila saisi olla 3-4 ºC tätä korkeammalla. Kuluttajalla höyrystyy säädetty määrä virtauksesta, ja paluuputkissa vallitsee kaksifaasivirtaus. Lämpöpumpun jaksollisessa ajotavassa lämpöpumpun kompressori käy jatkuvasti, mutta paine-ero kompressorin yli vaihtelee. Tämä saadaan aikaan muuttamalla höyrystimeen tulevan lämmönlähteen lämpötilaa. Vastaavasti muutellaan lauhdutinpuolen jäähdytysveden lämpötilaa jaksottaisesti ja saadaan aikaan samanlainen vaikutus lämmityspuolella. Idean toimivuuden kokeilemiseksi rakennettiin koelaitteisto. Koelaitokseen hankittiin standardilämpöpumppu, jonka nimellislämpöteho on 7,5 kW ja kompressoriteho on 2,5 kW. Kylmäaineena käytettiin R407C-seosta. Lämpötilan muutokset saatiin aikaan kuudella muovisäiliöllä, jotka oli jaettu kahteen ryhmään. Jäähdytyspuolen säiliöissä kiersi jäähdytysverkon vesi ja lämmityspuolen säiliöissä vastaavasti lämmitysverkon vesi. Jaksollinen ajotapa oli tuloksen perusteella tehokkaampi kuin jatkuva ajotapa.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages78
Edition2476
ISBN (Electronic)978-951-38-7282-3
ISBN (Print)978-951-38-7281-6
Publication statusPublished - 2009
MoE publication typeNot Eligible

Publication series

SeriesVTT Tiedotteita - Research Notes
Number2476
ISSN1235-0605

Fingerprint

Intsia bijuga
sports
cooling
heat

Keywords

  • Coal dioxide cooling
  • Integrated heating and cooling
  • Skiing pipe

Cite this

Sipilä, K., Rämä, M., Aittomäki, A., Mäkinen, A., & Söderman, J. (2009). Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut. (2476 ed.) Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. VTT Tiedotteita - Research Notes, No. 2476
Sipilä, Kari ; Rämä, Miika ; Aittomäki, Antero ; Mäkinen, Ali ; Söderman, Jarmo. / Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut. 2476 ed. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2009. 78 p. (VTT Tiedotteita - Research Notes; No. 2476).
@book{b03adced9e8b41ecbb583c1d385be64d,
title = "Urheilupaikkojen integroidut l{\"a}mmitys- ja j{\"a}{\"a}hdytystekniset ratkaisut",
abstract = "Tutkimuksessa selvitettiin urheilupaikkojen j{\"a}{\"a}hdytyksen ja l{\"a}mm{\"o}n tuotannon integrointimahdollisuutta sek{\"a} hiilidioksidin k{\"a}ytt{\"o}{\"a} j{\"a}{\"a}hdytyksen siirrossa ja l{\"a}mp{\"o}pumpun jaksollisen ajotavan k{\"a}ytt{\"o}{\"a} j{\"a}{\"a}hdytyksen ja l{\"a}mm{\"o}n tuotannossa varastos{\"a}ili{\"o}iden avulla. H{\"o}yrystyv{\"a}n hiilidioksidin l{\"a}mm{\"o}nsiirtokerroin on suuri, ja l{\"a}mm{\"o}nsiirtokapasiteetti eli tiettyyn j{\"a}{\"a}hdytystehoon tarvittava massavirta j{\"a}{\"a} pieneksi. Lis{\"a}ksi viskositeetti on pieni, mik{\"a} pienent{\"a}{\"a} siirtopaineh{\"a}vi{\"o}it{\"a} ja siten mahdollistaa pienempien putkikokojen k{\"a}yt{\"o}n. T{\"a}m{\"a} puolestaan v{\"a}hent{\"a}{\"a} j{\"a}rjestelm{\"a}n investointikustannuksia ja tilavaatimuksia putkien osalta. Tehokkaan l{\"a}mm{\"o}nsiirron takia voidaan j{\"a}{\"a}hdytyskoneiston h{\"o}yrystymisl{\"a}mp{\"o}tila pit{\"a}{\"a} korkeammalla, mik{\"a} pienent{\"a}{\"a} energiankulutusta. Urheilupaikkojen energiankulutuksien laskentaa varten luotiin simulointimalli, joka koostuu osamalleista kuten kompressorikoneisto (l{\"a}mp{\"o}pumppu) ja l{\"a}mm{\"o}n sek{\"a} kylm{\"a}n k{\"a}ytt{\"o}kohteet. J{\"a}{\"a}hdytyskoneisto on jaettu komponentteihin: kompressori, tulistuksen j{\"a}{\"a}hdytin, lauhdutin, alij{\"a}{\"a}hdytin ja h{\"o}yrystin. CO2-putkiston mitoitusta ja kustannuksia tarkasteltiin verkostomallilla. Paineh{\"a}vi{\"o}, pumppausteho sek{\"a} kompressorin s{\"a}hk{\"o}nkulutus riippuvat putkien halkaisijoista ja kertavastuksista. Kompressorin s{\"a}hk{\"o}nkulutus lis{\"a}{\"a}ntyy paineh{\"a}vi{\"o}n kasvaessa, koska CO2-s{\"a}ili{\"o}n paine laskee. CO2-l{\"a}mm{\"o}nsiirron laskentaan kehitettiin verkkolaskentamalli, jota on aiemmin k{\"a}ytetty hiilidioksidia siirtoaineena k{\"a}ytt{\"a}v{\"a}n kaukoj{\"a}{\"a}hdytysverkon simulointiin. Laskentamallia kehitettiin pienputkiverkon simulointiin ja siihen lis{\"a}ttiin osio, jossa virtauksen tila muuttuu merkitt{\"a}v{\"a}sti kuten esimerkiksi hiihtoputken latuputkistossa. Vahterus Ringin hiihtoputki Uudessakaupungissa oli tutkimuksen mittauskohde. Hiihtoputki on maan p{\"a}{\"a}lle elementeist{\"a} rakennettu 1 000 metri{\"a} pitk{\"a} ja 5 metri{\"a} leve{\"a} putki, jossa on korkeuseroa 7 metri{\"a}. Hiilidioksidi toimii l{\"a}mm{\"o}nsiirron v{\"a}liaineena sek{\"a} latuputkissa ett{\"a} ilman j{\"a}{\"a}hdytysverkostossa. Varsinainen kylm{\"a}kone toimii ammoniakilla. J{\"a}rjestelm{\"a}n mitoitusj{\"a}{\"a}hdytysteho on 400 kW, joka on jaettu siten, ett{\"a} 350 kW (87,5 {\%}) tarvitaan ilmapattereissa ja 50 kW (21,5 {\%}) maaputkistossa. Ilmapattereita on 1 000 metrin hiihtoputkessa 20 kpl ja latuputkistoa 2 lenkki{\"a}, joissa molemmissa on rinnakkain 20 kpl 514 metrin putkea. Hiihtoputken vieress{\"a} kiert{\"a}{\"a} {"}kuntoputki{"}, jota k{\"a}ytet{\"a}{\"a}n lenkkeilyyn sek{\"a} rullaluisteluun ja -hiihtoon. Kuntoputkea l{\"a}mmitet{\"a}{\"a}n kylm{\"a}koneen lauhdel{\"a}mm{\"o}ll{\"a} glykolikierrolla. Hiihtoputkij{\"a}rjestelm{\"a}st{\"a} ker{\"a}ttiin mittausdataa, jonka perusteella selvitettiin j{\"a}rjestelm{\"a}n toimintaa. Suurin mielenkiinto kohdistui CO2-kiertoon. Kiinteist{\"o}valvontaj{\"a}rjestelm{\"a}n kautta saatiin tietoja kiinteist{\"o}huollollisista muuttujista, kuten l{\"a}mp{\"o}tiloista ja kosteuksista. Kompressorien ohjausj{\"a}rjestelm{\"a}st{\"a} saatiin tietoa j{\"a}{\"a}hdytyskoneiston l{\"a}mp{\"o}tiloista ja paineista. Tehosta saatiin arvio kompressorin paineiden sek{\"a} kierrosnopeuden perusteella. Massavirran m{\"a}{\"a}ritt{\"a}miseksi hiilidioksidin menoputkeen asennettiin mittalaippa ja paine-erol{\"a}hetin. Paine-eron perusteella m{\"a}{\"a}ritettiin CO2:n massavirtaus. Hiihtoputken ilman l{\"a}mp{\"o}tila pysytteli melko tarkasti 0 °C:n tuntumassa suuremmin riippumatta ulkol{\"a}mp{\"o}tilasta. Latupohjan l{\"a}mp{\"o}tila oli hieman alempana, noin -3 °C:ssa. Hiilidioksidiputket ovat erist{\"a}m{\"a}tt{\"o}m{\"a}t, ja k{\"a}yt{\"o}n aikana niiden p{\"a}{\"a}lle on kertynyt paksu j{\"a}{\"a}- ja huurrekerros, joka toimii eristeen{\"a}. Hiilidioksidij{\"a}{\"a}hdytyst{\"a} verrattiin my{\"o}s glykolikiertoiseen j{\"a}{\"a}hdytykseen. Merkitt{\"a}vimm{\"a}t erot hiihtoputken j{\"a}{\"a}hdytysj{\"a}rjestelm{\"a}ss{\"a} ovat suuremmat putkikoot sek{\"a} niiden erist{\"a}misen v{\"a}ltt{\"a}m{\"a}tt{\"o}myys. Glykoliliuoksen k{\"a}ytt{\"o} johtaa isompiin l{\"a}mm{\"o}nsiirtimiin ilmapattereissa. Lis{\"a}ksi latuputkistoa ei voida toteuttaa kahtena lenkkin{\"a} hiilidioksidiratkaisun tapaan vaan useampana putkiryhm{\"a}n{\"a}, jotta l{\"a}mp{\"o}tilaero lumikerroksen ja putkissa virtaavan glykoliliuoksen v{\"a}lill{\"a} saadaan pysym{\"a}{\"a}n riitt{\"a}v{\"a}n suurena. Hiilidioksidilla l{\"a}mp{\"o} sitoutuu virtaukseen hiilidioksidin h{\"o}yrystyess{\"a}, joten l{\"a}mp{\"o}tila pysyy l{\"a}hes samana ja k{\"a}yt{\"a}nn{\"o}ss{\"a} laskee paineen mukana. Aluej{\"a}{\"a}hdytyksen tuotanto voidaan toteuttaa kompressori- tai absorptioj{\"a}{\"a}hdytyksell{\"a}. Hiilidioksidia l{\"a}mm{\"o}nsiirtoaineena k{\"a}ytt{\"a}v{\"a} jakelu vaatii putkistolta normaalia kaukoj{\"a}{\"a}hdytysputkea suurempaa paineenkest{\"a}vyytt{\"a}, koska hiilidioksidin painetaso on noin 40 bar. Hiilidioksidikiertoa rajoittavana tekij{\"a}n{\"a} onkin sis{\"a}isen jakeluputkiston l{\"a}mm{\"o}nsiirtoaineen j{\"a}{\"a}tymispiste. Alhaisimmillaan tulevan hiilidioksidin l{\"a}mp{\"o}tila saisi olla 3-4 ºC t{\"a}t{\"a} korkeammalla. Kuluttajalla h{\"o}yrystyy s{\"a}{\"a}detty m{\"a}{\"a}r{\"a} virtauksesta, ja paluuputkissa vallitsee kaksifaasivirtaus. L{\"a}mp{\"o}pumpun jaksollisessa ajotavassa l{\"a}mp{\"o}pumpun kompressori k{\"a}y jatkuvasti, mutta paine-ero kompressorin yli vaihtelee. T{\"a}m{\"a} saadaan aikaan muuttamalla h{\"o}yrystimeen tulevan l{\"a}mm{\"o}nl{\"a}hteen l{\"a}mp{\"o}tilaa. Vastaavasti muutellaan lauhdutinpuolen j{\"a}{\"a}hdytysveden l{\"a}mp{\"o}tilaa jaksottaisesti ja saadaan aikaan samanlainen vaikutus l{\"a}mmityspuolella. Idean toimivuuden kokeilemiseksi rakennettiin koelaitteisto. Koelaitokseen hankittiin standardil{\"a}mp{\"o}pumppu, jonka nimellisl{\"a}mp{\"o}teho on 7,5 kW ja kompressoriteho on 2,5 kW. Kylm{\"a}aineena k{\"a}ytettiin R407C-seosta. L{\"a}mp{\"o}tilan muutokset saatiin aikaan kuudella muovis{\"a}ili{\"o}ll{\"a}, jotka oli jaettu kahteen ryhm{\"a}{\"a}n. J{\"a}{\"a}hdytyspuolen s{\"a}ili{\"o}iss{\"a} kiersi j{\"a}{\"a}hdytysverkon vesi ja l{\"a}mmityspuolen s{\"a}ili{\"o}iss{\"a} vastaavasti l{\"a}mmitysverkon vesi. Jaksollinen ajotapa oli tuloksen perusteella tehokkaampi kuin jatkuva ajotapa.",
keywords = "Coal dioxide cooling, Integrated heating and cooling, Skiing pipe",
author = "Kari Sipil{\"a} and Miika R{\"a}m{\"a} and Antero Aittom{\"a}ki and Ali M{\"a}kinen and Jarmo S{\"o}derman",
year = "2009",
language = "Finnish",
isbn = "978-951-38-7281-6",
series = "VTT Tiedotteita - Research Notes",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "2476",
address = "Finland",
edition = "2476",

}

Sipilä, K, Rämä, M, Aittomäki, A, Mäkinen, A & Söderman, J 2009, Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut. VTT Tiedotteita - Research Notes, no. 2476, 2476 edn, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut. / Sipilä, Kari; Rämä, Miika; Aittomäki, Antero; Mäkinen, Ali; Söderman, Jarmo.

2476 ed. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2009. 78 p. (VTT Tiedotteita - Research Notes; No. 2476).

Research output: Book/ReportReport

TY - BOOK

T1 - Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut

AU - Sipilä, Kari

AU - Rämä, Miika

AU - Aittomäki, Antero

AU - Mäkinen, Ali

AU - Söderman, Jarmo

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Tutkimuksessa selvitettiin urheilupaikkojen jäähdytyksen ja lämmön tuotannon integrointimahdollisuutta sekä hiilidioksidin käyttöä jäähdytyksen siirrossa ja lämpöpumpun jaksollisen ajotavan käyttöä jäähdytyksen ja lämmön tuotannossa varastosäiliöiden avulla. Höyrystyvän hiilidioksidin lämmönsiirtokerroin on suuri, ja lämmönsiirtokapasiteetti eli tiettyyn jäähdytystehoon tarvittava massavirta jää pieneksi. Lisäksi viskositeetti on pieni, mikä pienentää siirtopainehäviöitä ja siten mahdollistaa pienempien putkikokojen käytön. Tämä puolestaan vähentää järjestelmän investointikustannuksia ja tilavaatimuksia putkien osalta. Tehokkaan lämmönsiirron takia voidaan jäähdytyskoneiston höyrystymislämpötila pitää korkeammalla, mikä pienentää energiankulutusta. Urheilupaikkojen energiankulutuksien laskentaa varten luotiin simulointimalli, joka koostuu osamalleista kuten kompressorikoneisto (lämpöpumppu) ja lämmön sekä kylmän käyttökohteet. Jäähdytyskoneisto on jaettu komponentteihin: kompressori, tulistuksen jäähdytin, lauhdutin, alijäähdytin ja höyrystin. CO2-putkiston mitoitusta ja kustannuksia tarkasteltiin verkostomallilla. Painehäviö, pumppausteho sekä kompressorin sähkönkulutus riippuvat putkien halkaisijoista ja kertavastuksista. Kompressorin sähkönkulutus lisääntyy painehäviön kasvaessa, koska CO2-säiliön paine laskee. CO2-lämmönsiirron laskentaan kehitettiin verkkolaskentamalli, jota on aiemmin käytetty hiilidioksidia siirtoaineena käyttävän kaukojäähdytysverkon simulointiin. Laskentamallia kehitettiin pienputkiverkon simulointiin ja siihen lisättiin osio, jossa virtauksen tila muuttuu merkittävästi kuten esimerkiksi hiihtoputken latuputkistossa. Vahterus Ringin hiihtoputki Uudessakaupungissa oli tutkimuksen mittauskohde. Hiihtoputki on maan päälle elementeistä rakennettu 1 000 metriä pitkä ja 5 metriä leveä putki, jossa on korkeuseroa 7 metriä. Hiilidioksidi toimii lämmönsiirron väliaineena sekä latuputkissa että ilman jäähdytysverkostossa. Varsinainen kylmäkone toimii ammoniakilla. Järjestelmän mitoitusjäähdytysteho on 400 kW, joka on jaettu siten, että 350 kW (87,5 %) tarvitaan ilmapattereissa ja 50 kW (21,5 %) maaputkistossa. Ilmapattereita on 1 000 metrin hiihtoputkessa 20 kpl ja latuputkistoa 2 lenkkiä, joissa molemmissa on rinnakkain 20 kpl 514 metrin putkea. Hiihtoputken vieressä kiertää "kuntoputki", jota käytetään lenkkeilyyn sekä rullaluisteluun ja -hiihtoon. Kuntoputkea lämmitetään kylmäkoneen lauhdelämmöllä glykolikierrolla. Hiihtoputkijärjestelmästä kerättiin mittausdataa, jonka perusteella selvitettiin järjestelmän toimintaa. Suurin mielenkiinto kohdistui CO2-kiertoon. Kiinteistövalvontajärjestelmän kautta saatiin tietoja kiinteistöhuollollisista muuttujista, kuten lämpötiloista ja kosteuksista. Kompressorien ohjausjärjestelmästä saatiin tietoa jäähdytyskoneiston lämpötiloista ja paineista. Tehosta saatiin arvio kompressorin paineiden sekä kierrosnopeuden perusteella. Massavirran määrittämiseksi hiilidioksidin menoputkeen asennettiin mittalaippa ja paine-erolähetin. Paine-eron perusteella määritettiin CO2:n massavirtaus. Hiihtoputken ilman lämpötila pysytteli melko tarkasti 0 °C:n tuntumassa suuremmin riippumatta ulkolämpötilasta. Latupohjan lämpötila oli hieman alempana, noin -3 °C:ssa. Hiilidioksidiputket ovat eristämättömät, ja käytön aikana niiden päälle on kertynyt paksu jää- ja huurrekerros, joka toimii eristeenä. Hiilidioksidijäähdytystä verrattiin myös glykolikiertoiseen jäähdytykseen. Merkittävimmät erot hiihtoputken jäähdytysjärjestelmässä ovat suuremmat putkikoot sekä niiden eristämisen välttämättömyys. Glykoliliuoksen käyttö johtaa isompiin lämmönsiirtimiin ilmapattereissa. Lisäksi latuputkistoa ei voida toteuttaa kahtena lenkkinä hiilidioksidiratkaisun tapaan vaan useampana putkiryhmänä, jotta lämpötilaero lumikerroksen ja putkissa virtaavan glykoliliuoksen välillä saadaan pysymään riittävän suurena. Hiilidioksidilla lämpö sitoutuu virtaukseen hiilidioksidin höyrystyessä, joten lämpötila pysyy lähes samana ja käytännössä laskee paineen mukana. Aluejäähdytyksen tuotanto voidaan toteuttaa kompressori- tai absorptiojäähdytyksellä. Hiilidioksidia lämmönsiirtoaineena käyttävä jakelu vaatii putkistolta normaalia kaukojäähdytysputkea suurempaa paineenkestävyyttä, koska hiilidioksidin painetaso on noin 40 bar. Hiilidioksidikiertoa rajoittavana tekijänä onkin sisäisen jakeluputkiston lämmönsiirtoaineen jäätymispiste. Alhaisimmillaan tulevan hiilidioksidin lämpötila saisi olla 3-4 ºC tätä korkeammalla. Kuluttajalla höyrystyy säädetty määrä virtauksesta, ja paluuputkissa vallitsee kaksifaasivirtaus. Lämpöpumpun jaksollisessa ajotavassa lämpöpumpun kompressori käy jatkuvasti, mutta paine-ero kompressorin yli vaihtelee. Tämä saadaan aikaan muuttamalla höyrystimeen tulevan lämmönlähteen lämpötilaa. Vastaavasti muutellaan lauhdutinpuolen jäähdytysveden lämpötilaa jaksottaisesti ja saadaan aikaan samanlainen vaikutus lämmityspuolella. Idean toimivuuden kokeilemiseksi rakennettiin koelaitteisto. Koelaitokseen hankittiin standardilämpöpumppu, jonka nimellislämpöteho on 7,5 kW ja kompressoriteho on 2,5 kW. Kylmäaineena käytettiin R407C-seosta. Lämpötilan muutokset saatiin aikaan kuudella muovisäiliöllä, jotka oli jaettu kahteen ryhmään. Jäähdytyspuolen säiliöissä kiersi jäähdytysverkon vesi ja lämmityspuolen säiliöissä vastaavasti lämmitysverkon vesi. Jaksollinen ajotapa oli tuloksen perusteella tehokkaampi kuin jatkuva ajotapa.

AB - Tutkimuksessa selvitettiin urheilupaikkojen jäähdytyksen ja lämmön tuotannon integrointimahdollisuutta sekä hiilidioksidin käyttöä jäähdytyksen siirrossa ja lämpöpumpun jaksollisen ajotavan käyttöä jäähdytyksen ja lämmön tuotannossa varastosäiliöiden avulla. Höyrystyvän hiilidioksidin lämmönsiirtokerroin on suuri, ja lämmönsiirtokapasiteetti eli tiettyyn jäähdytystehoon tarvittava massavirta jää pieneksi. Lisäksi viskositeetti on pieni, mikä pienentää siirtopainehäviöitä ja siten mahdollistaa pienempien putkikokojen käytön. Tämä puolestaan vähentää järjestelmän investointikustannuksia ja tilavaatimuksia putkien osalta. Tehokkaan lämmönsiirron takia voidaan jäähdytyskoneiston höyrystymislämpötila pitää korkeammalla, mikä pienentää energiankulutusta. Urheilupaikkojen energiankulutuksien laskentaa varten luotiin simulointimalli, joka koostuu osamalleista kuten kompressorikoneisto (lämpöpumppu) ja lämmön sekä kylmän käyttökohteet. Jäähdytyskoneisto on jaettu komponentteihin: kompressori, tulistuksen jäähdytin, lauhdutin, alijäähdytin ja höyrystin. CO2-putkiston mitoitusta ja kustannuksia tarkasteltiin verkostomallilla. Painehäviö, pumppausteho sekä kompressorin sähkönkulutus riippuvat putkien halkaisijoista ja kertavastuksista. Kompressorin sähkönkulutus lisääntyy painehäviön kasvaessa, koska CO2-säiliön paine laskee. CO2-lämmönsiirron laskentaan kehitettiin verkkolaskentamalli, jota on aiemmin käytetty hiilidioksidia siirtoaineena käyttävän kaukojäähdytysverkon simulointiin. Laskentamallia kehitettiin pienputkiverkon simulointiin ja siihen lisättiin osio, jossa virtauksen tila muuttuu merkittävästi kuten esimerkiksi hiihtoputken latuputkistossa. Vahterus Ringin hiihtoputki Uudessakaupungissa oli tutkimuksen mittauskohde. Hiihtoputki on maan päälle elementeistä rakennettu 1 000 metriä pitkä ja 5 metriä leveä putki, jossa on korkeuseroa 7 metriä. Hiilidioksidi toimii lämmönsiirron väliaineena sekä latuputkissa että ilman jäähdytysverkostossa. Varsinainen kylmäkone toimii ammoniakilla. Järjestelmän mitoitusjäähdytysteho on 400 kW, joka on jaettu siten, että 350 kW (87,5 %) tarvitaan ilmapattereissa ja 50 kW (21,5 %) maaputkistossa. Ilmapattereita on 1 000 metrin hiihtoputkessa 20 kpl ja latuputkistoa 2 lenkkiä, joissa molemmissa on rinnakkain 20 kpl 514 metrin putkea. Hiihtoputken vieressä kiertää "kuntoputki", jota käytetään lenkkeilyyn sekä rullaluisteluun ja -hiihtoon. Kuntoputkea lämmitetään kylmäkoneen lauhdelämmöllä glykolikierrolla. Hiihtoputkijärjestelmästä kerättiin mittausdataa, jonka perusteella selvitettiin järjestelmän toimintaa. Suurin mielenkiinto kohdistui CO2-kiertoon. Kiinteistövalvontajärjestelmän kautta saatiin tietoja kiinteistöhuollollisista muuttujista, kuten lämpötiloista ja kosteuksista. Kompressorien ohjausjärjestelmästä saatiin tietoa jäähdytyskoneiston lämpötiloista ja paineista. Tehosta saatiin arvio kompressorin paineiden sekä kierrosnopeuden perusteella. Massavirran määrittämiseksi hiilidioksidin menoputkeen asennettiin mittalaippa ja paine-erolähetin. Paine-eron perusteella määritettiin CO2:n massavirtaus. Hiihtoputken ilman lämpötila pysytteli melko tarkasti 0 °C:n tuntumassa suuremmin riippumatta ulkolämpötilasta. Latupohjan lämpötila oli hieman alempana, noin -3 °C:ssa. Hiilidioksidiputket ovat eristämättömät, ja käytön aikana niiden päälle on kertynyt paksu jää- ja huurrekerros, joka toimii eristeenä. Hiilidioksidijäähdytystä verrattiin myös glykolikiertoiseen jäähdytykseen. Merkittävimmät erot hiihtoputken jäähdytysjärjestelmässä ovat suuremmat putkikoot sekä niiden eristämisen välttämättömyys. Glykoliliuoksen käyttö johtaa isompiin lämmönsiirtimiin ilmapattereissa. Lisäksi latuputkistoa ei voida toteuttaa kahtena lenkkinä hiilidioksidiratkaisun tapaan vaan useampana putkiryhmänä, jotta lämpötilaero lumikerroksen ja putkissa virtaavan glykoliliuoksen välillä saadaan pysymään riittävän suurena. Hiilidioksidilla lämpö sitoutuu virtaukseen hiilidioksidin höyrystyessä, joten lämpötila pysyy lähes samana ja käytännössä laskee paineen mukana. Aluejäähdytyksen tuotanto voidaan toteuttaa kompressori- tai absorptiojäähdytyksellä. Hiilidioksidia lämmönsiirtoaineena käyttävä jakelu vaatii putkistolta normaalia kaukojäähdytysputkea suurempaa paineenkestävyyttä, koska hiilidioksidin painetaso on noin 40 bar. Hiilidioksidikiertoa rajoittavana tekijänä onkin sisäisen jakeluputkiston lämmönsiirtoaineen jäätymispiste. Alhaisimmillaan tulevan hiilidioksidin lämpötila saisi olla 3-4 ºC tätä korkeammalla. Kuluttajalla höyrystyy säädetty määrä virtauksesta, ja paluuputkissa vallitsee kaksifaasivirtaus. Lämpöpumpun jaksollisessa ajotavassa lämpöpumpun kompressori käy jatkuvasti, mutta paine-ero kompressorin yli vaihtelee. Tämä saadaan aikaan muuttamalla höyrystimeen tulevan lämmönlähteen lämpötilaa. Vastaavasti muutellaan lauhdutinpuolen jäähdytysveden lämpötilaa jaksottaisesti ja saadaan aikaan samanlainen vaikutus lämmityspuolella. Idean toimivuuden kokeilemiseksi rakennettiin koelaitteisto. Koelaitokseen hankittiin standardilämpöpumppu, jonka nimellislämpöteho on 7,5 kW ja kompressoriteho on 2,5 kW. Kylmäaineena käytettiin R407C-seosta. Lämpötilan muutokset saatiin aikaan kuudella muovisäiliöllä, jotka oli jaettu kahteen ryhmään. Jäähdytyspuolen säiliöissä kiersi jäähdytysverkon vesi ja lämmityspuolen säiliöissä vastaavasti lämmitysverkon vesi. Jaksollinen ajotapa oli tuloksen perusteella tehokkaampi kuin jatkuva ajotapa.

KW - Coal dioxide cooling

KW - Integrated heating and cooling

KW - Skiing pipe

M3 - Report

SN - 978-951-38-7281-6

T3 - VTT Tiedotteita - Research Notes

BT - Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Sipilä K, Rämä M, Aittomäki A, Mäkinen A, Söderman J. Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut. 2476 ed. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 2009. 78 p. (VTT Tiedotteita - Research Notes; No. 2476).