University of Oulu

Kiinteistön energiakulutuksen optimointi digitaalisten teknologioiden avulla

Saved in:
Author: Tainio, Johanna1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201804041414
Language: Finnish
Published: Oulu : J. Tainio, 2018
Publish Date: 2018-04-09
Physical Description: 97 p.
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Majava, Jukka
Reviewer: Majava, Jukka
Description:

Tiivistelmä

Ilmastonmuutos ja nopeasti kehittyvät digitaaliset teknologiat muovaavat elinympäristöämme ja ajavat eteenpäin energia-alan murrosta. Rakennuskannan energiankulutuksella on merkittävä vaikutus, kun pyrimme kohti hiilineutraalia yhteiskuntaa, sillä se muodostaa merkittävän osan Suomen energian loppukäytöstä ja kasvihuonepäästöistä. Rakennuskannan energiankulutuksen optimoinnissa on näin ollen suuri potentiaali. Digitaalisten teknologioiden tuomat innovaatiot tulevat olemaan ratkaisevassa asemassa, kun sopeudumme muutoksiin ja kehitämme resurssirikkaampaa tulevaisuutta. Ennusteet tulevaisuuden muutoksista innostivat tutkimaan, miten kiinteistöt voisivat valmistautua tulevaisuuteen digitaalisten teknologioiden avulla.

Tämän diplomityön lopullisena tavoitteena oli selvittää, tuottavatko erilaiset lämmitysprosessin säätötavat lisäarvoa asiakkaalle ja tukevatko ne yhteiskunnallista energiamarkkinan murrosta. Teoriaosiossa haluttiin tutustua monipuolisesti säätötapojen taustalla vaikuttaviin kokonaisuuksiin. Kirjallisuuden perusteella tutustuttiin kiinteistöjen lämmitysprosesseihin ja niiden optimointiin, digitaalisten teknologioiden mahdollistamiin älykkään ohjauksen keinoihin, sekä energiamarkkinaan ja erityisesti kaukolämpöliiketoimintaan. Monipuolisen teoriaosion selvityksen uskottiin auttavan säätötapojen vaikutusten kokonaisvaltaisessa vertailussa ja muodostuvan lisäarvon arvioinnissa.

Käytännönosio koostui kolmen erilaisen säätötavan mittaustulosten monipuolisesta vertailusta valituilla parametreilla. Näitä parametreja olivat kaukolämmön mitattu ja normeerattu kulutus, vastaavan energiamaksun suuruus, kiinteistön ominaiskulutus, tunnittainen huipputehontarve, laskennallinen tehontarve mitoitusulkolämpötilassa ja sen suhde kaukolämmön sopimustehoon, vastaavan tehomaksun suuruus, tehontarpeen tasaisuus sekä kiinteistön olosuhteiden taso samalla vertailujaksolla. Vertailluista säätötavoista ensimmäinen perustui kiinteistön alkuperäiseen käyttötapaan, toinen perinteisiin energiatehokkuustoimenpiteisiin ja kolmannessa lisäoptimoitiin digitaalisten teknologioiden avulla kehitetyllä älykkäällä ohjauksella.

Tehtyjen vertailujen perusteella pyrittiin vastaamaan kysymyksiin lisäarvosta asiakkaan, yhteiskunnan ja energiayhtiön näkökulmasta. Lisäarvoon liittyviä kysymyksiä olivat muun muassa käyttökustannusten ja energiankäytön pienentyminen, kiinteistön sisäilman laadun säilyminen, kiinteistön arvon kasvaminen, maalämpöön investoinnin potentiaalin parantuminen ja energiajärjestelmän kuormituksen tasaantuminen.

Työn tulokset tukivat alkuperäistä hypoteesia eli sitä, että älykkään ohjauksen avulla tuotetaan eniten lisäarvoa. Älykkään ohjauksen arvioitiin pienentävän kohdekiinteistön huipputehon tarvetta, sekä vähentävän energiankulutusta etenkin tilanteissa, joissa säätilassa tapahtuu muutoksia. Älykkäällä säätötavalla saavutettiin vertailujen perusteella eniten lisäarvoa. Kaikkia näitä lisäarvoja ei kuitenkaan saavuteta, ellei perinteisiä energiatehokkuustoimenpiteitä tehdä ensin. Saatavaa lisäarvoa tunnistettiin asiakkaan, yhteiskunnan ja energiayhtiön näkökulmasta. Seurantaa on kuitenkin jatkettava pidemmällä vertailujaksolla, jotta tuloksia voitaisiin pitää paremmin yleistettävänä.

Tutkimuksen lopputuloksena todettiin, että yhteiskunnallista muutosta tuetaan parhaiten, kun toiminnassa pystytään yhdistämään useita näkökulmia. Kaikista näkökulmista optimaalisin säätötapa on sellainen, jossa yhdistetään perinteisiä ja nykyaikaisia ohjaustapoja. Optimaalisimman tuloksen saavuttamiseksi tarvitaan kiinteistön prosessien vahvaa tuntemusta, digitaalisia teknologioita, ICT-alan ennakkoluulottomuutta ja energiamarkkinan ymmärrystä. On vastuullista valmistautua muutokseen ottamalla käyttöön digitaalisia teknologioita, sillä niiden avulla kiinteistöä voidaan optimoida myös tulevaisuuden energiajärjestelmän vaatimusten mukaisesti. Näin voidaan varmistaa asiakkaan paras mahdollinen asema energiantuotannon arvoketjussa ja taata edullisin energia myös tulevaisuudessa.

see all

The optimization of building energy consumption with digital technologies

Abstract

Climate change and rapidly developing digital technologies shape our environment and drive the change of energy industry. The energy consumption of buildings has a remarkable effect when moving towards a carbon neutral society. Buildings form a significant part of Finland’s energy usage and greenhouse gas emissions. Thus, there is great potential in the optimisation of building energy consumption. The innovations of digital technologies will have an integral part, when adjusting to the changes and in developing a better future. The forecasts of the future changes inspired to research, how buildings could be better prepared with digital technologies.

The objective of this Master’s Thesis was to find out whether different control methods of heating systems produce added value to customers and support the energy industry transition. The Thesis consisted of a theory section, in which the goal was to get familiar with the complex systems behind different control scenarios. Based on literature building heating systems were researched as well as ways to optimize them. In addition, the intelligent control methods made possible by digital technologies as well as the energy market and the district heating business were studied. This was seen as an important part in being able to compare the effects of the different control scenarios and the added value.

The empirical section composed of the diversified comparison of the three control scenarios. The control scenarios were compared based on chosen parameters that included the measured and normalized consumption of district heating, the corresponding energy cost, specific consumption based on building cubic volume, hourly peak power, calculated peak power in design outdoor temperature and the difference to contract peak power, the corresponding peak power cost, the steadiness of the peak power and the quality of the indoor air conditions. The first control scenario was based on the original control methods of the building, the second on traditional energy efficiency methods and the third on intelligent control method developed with digital technologies.

Questions indicating whether added value was created, were answered based on the comparisons. The viewpoints were customer, society and energy companies. The questions included topics like the reduction of energy costs, the development of the indoor air quality, the increase in the value of the building, the increase in the potential of investing in geothermal heating solutions and the reduction of the capacity burden of the energy system.

The results of this research supported the original hypothesis. The intelligent control method was believed to have most added value creating features. It was believed to reduce the buildings peak power demand and energy consumption, especially when there are remarkable changes in the weather conditions. Based on a single control scenario, the intelligent control method created most added value. Still, it should be noted that all of the added value would not be created without the traditional energy efficiency methods implemented first. For the results to be more generalizable, the comparison data needs to be gathered from a longer period.

As a result of the research it was noted, that the societal change is best supported when multiple viewpoints are combined. The best control scenario is one that combines traditional and modern control methods. The most optimal result is reached when the strong knowledge of buildings processes, digital technologies, unconventional ICT-fields methods and the understanding of the energy market is combined. It is responsible to prepare for the change by implementing digital technologies. With them the building can be optimized based on the requirements of the future energy market. This way it can be made sure, that the customer has the best possible position in the energy market in the future as well.

see all

Subjects:
Copyright information: © Johanna Tainio, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.