Jätevesiverkostojen lämmönsiirtosimulaattorin kehitys ja hukkalämmön talteenoton mallintaminen
Pitkänen, Arttu (2022)
Pitkänen, Arttu
2022
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-03-17
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202202252161
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202202252161
Tiivistelmä
Ilmastosopimukset ja alati tiukkenevat ilmastotavoitteet ovat ajaneet kuntia investoimaan vähäpäästöisempään energiantuotantoon. Tämä diplomityö on osa yhteistutkimushanketta, jossa tutkittiin lämmön talteenottopotentiaalia jätevesiverkoista. Tässä työssä mallinnettiin jätevesiverkostojen virtaus- ja lämpötekninen toiminta talteenottopotentiaalin sekä verkoston ja jätevedenpuhdistamon häiriöttömän toiminnan edellytysten analysoimiseksi eri lämmön talteenottoskenaarioiden yhteydessä. Mallien avulla saatiin myös parempi käsitys jätevesiverkostojen nykyisestä toiminnasta. Työssä rakennetut termodynaamiset jätevesiverkostomallit olivat tähän saakka suurimmat maailmassa.
Koska valmiita tutkimukseen soveltuvia ohjelmistoja ei ollut olemassa, työssä kehitettiin uusi tarvittava toiminnallisuus Fluidit Sewer -mallinnussovellukseen. Kehitys aloitettiin oleellisimpien termodynaamisten prosessien valinnalla. Näiden perusteella muodostettiin termodynaaminen simulaattori hydraulisen simulaattorin rinnalle. Herkkyystarkasteluiden perusteella tärkein parametri prosesseissa oli maaperän lämpötila. Työssä kehitettiinkin erillinen malli maaperän lämpötilan laskemiseksi tietyllä syvyydellä ilman lämpötilahistorian perusteella. Lisäksi työssä tutkittiin yksittäisen virtauskanavan lämmönsiirtokerrointa jäteveden ja ilman välillä sekä lämpötilagradienttia kanavan ympärillä olevassa maaperässä numeerisella virtausmallinnuksella. Lopuksi simulaattori kalibroitiin ja validoitiin (kahdella eri alueella) Helsingissä ja Turussa tehtyjen mittausten perusteella.
Jätevesiverkostomallit rakennettiin simulaattorin kehityksen ja validoinnin jälkeen. Sekä Turusta että Helsingistä saatiin valmiit jätevesiverkostomallit, joihin tehtiin vain termodynaamisen laskennan vaatimat lisäykset ja muutokset. Nämä parametrit sisälsivät muun muassa virtauskanavien lämpöhäviöihin vaikuttavat lämmönsiirtokertoimet eri putkimateriaaleille ja -halkaisijoille.
Mallinnetut skenaariot kuvasivat verkostojen nykyistä toimintaa sekä toimintaa lämmön talteenoton yhteydessä. Mallinnettaviksi kuukausiksi valittiin maalis-, kesä- ja syyskuu. Mallinnustulosten perusteella lämmön talteenotto ei lisännyt verkostojen tukos- tai jäätymisriskiä, ja otollisin aika lämmön talteenotolle on kesäkuusta joulukuuhun, kun maaperän lämpötila on vielä suhteellisen korkea. Tulosten mukaan jätevedenlämpötila voi laskea jätevedenpuhdistamon häiriöttömän toiminnan kannalta liian matalaksi helmi–maaliskuussa. Lämmön talteenotto laski mallinnuksissa jätevedenpuhdistamolle saapuvan jäteveden lämpötilaa 10–18 % riippuen tarkasteltavasta kuukaudesta ja verkostosta. Koska käytetyt verkostomallit olivat hyvin suuria, tarkkojen arvojen ilmoittamiseksi tarvittaisiin enemmän verkostossa tehtyjä lämpötilamittauksia.
Koska valmiita tutkimukseen soveltuvia ohjelmistoja ei ollut olemassa, työssä kehitettiin uusi tarvittava toiminnallisuus Fluidit Sewer -mallinnussovellukseen. Kehitys aloitettiin oleellisimpien termodynaamisten prosessien valinnalla. Näiden perusteella muodostettiin termodynaaminen simulaattori hydraulisen simulaattorin rinnalle. Herkkyystarkasteluiden perusteella tärkein parametri prosesseissa oli maaperän lämpötila. Työssä kehitettiinkin erillinen malli maaperän lämpötilan laskemiseksi tietyllä syvyydellä ilman lämpötilahistorian perusteella. Lisäksi työssä tutkittiin yksittäisen virtauskanavan lämmönsiirtokerrointa jäteveden ja ilman välillä sekä lämpötilagradienttia kanavan ympärillä olevassa maaperässä numeerisella virtausmallinnuksella. Lopuksi simulaattori kalibroitiin ja validoitiin (kahdella eri alueella) Helsingissä ja Turussa tehtyjen mittausten perusteella.
Jätevesiverkostomallit rakennettiin simulaattorin kehityksen ja validoinnin jälkeen. Sekä Turusta että Helsingistä saatiin valmiit jätevesiverkostomallit, joihin tehtiin vain termodynaamisen laskennan vaatimat lisäykset ja muutokset. Nämä parametrit sisälsivät muun muassa virtauskanavien lämpöhäviöihin vaikuttavat lämmönsiirtokertoimet eri putkimateriaaleille ja -halkaisijoille.
Mallinnetut skenaariot kuvasivat verkostojen nykyistä toimintaa sekä toimintaa lämmön talteenoton yhteydessä. Mallinnettaviksi kuukausiksi valittiin maalis-, kesä- ja syyskuu. Mallinnustulosten perusteella lämmön talteenotto ei lisännyt verkostojen tukos- tai jäätymisriskiä, ja otollisin aika lämmön talteenotolle on kesäkuusta joulukuuhun, kun maaperän lämpötila on vielä suhteellisen korkea. Tulosten mukaan jätevedenlämpötila voi laskea jätevedenpuhdistamon häiriöttömän toiminnan kannalta liian matalaksi helmi–maaliskuussa. Lämmön talteenotto laski mallinnuksissa jätevedenpuhdistamolle saapuvan jäteveden lämpötilaa 10–18 % riippuen tarkasteltavasta kuukaudesta ja verkostosta. Koska käytetyt verkostomallit olivat hyvin suuria, tarkkojen arvojen ilmoittamiseksi tarvittaisiin enemmän verkostossa tehtyjä lämpötilamittauksia.