Jäänmurtajan kansirakennuksen energiatehokkuuden optimointi
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2012
Department
Major/Subject
Laivanrakennusoppi
Mcode
Kul-24
Degree programme
Language
fi
Pages
vi + 63 s. + liitt.
Series
Abstract
The increase in the oil price, the forecasts of the climate change and the stricter emission standards for vessels have made the shipping companies pay more attention to the energy consumption of vessels. Traditionally, the energy consumption has been tried to be reduced by decreasing the ship resistance and improving the efficiency of engines. The energy consumption of the vessels' internal systems has not received so much attention. The HVAC systems and structural solutions of the vessel can be used for finding new opportunities for decreasing the total energy consumption of the vessel. The purpose of this Master's thesis is to introduce a recommendation for improving the energy efficiency of the superstructure of an icebreaker. The thesis introduces the most cost effective solutions for insulation thicknesses, types of windows, wall panels and the ventilation heat recovery maximizing the thermal comfort. The analysis compares the envelope structures of an icebreaker planned for cold circumstances with a reference solution representing the traditional design practice. The design concept developed provides superstructure recommendations and guidelines for energy effective ship-building in cold circumstances. The energy consumption and thermal comfort of the design concept are calculated with a dynamic IDA-ICE simulation program. The life cycle costs are determined by calculating the investment costs for the selected components and the 20 year operating costs based on the energy consumption. The selected decision variables form altogether 23328 design concepts, among which the recommendations are found with multi-objective optimization. The optimization is made with the GenOpt optimization program using a genetic algorithm (GA), the target functions being the heating energy, minimizing the investment and life cycle costs and maximizing the thermal comfort. The thesis introduces a design concept according to the optimization results where annual savings of 38 % in the heating energy consumption of the superstructure and 28 tons in the fuel consumption can be achieved. The results are compared to the original icebreaker superstructure with the Pareto front when the effects can be determined graphically with comparative parameters, such as the effects of the investment costs and energy consumptions on each other. The Pareto front is used to select those design concepts that respond best to the objectives of the target functions. The reliability of the optimization is ensured by comparing the results to the results calculated with the "brute force" method. The method used can be generalized for icebreakers and all types of vessels regardless of their operation environment or size. The optimization of heating and cooling energy would be especially beneficial for developing the energy efficiency of the hotel section in large cruise ships.Öljyn hinnannousu, ennusteet ilmaston lämpenemisestä sekä laivojen tiukentuvat päästörajoitteet ovat saaneet laivavarustamot kiinnittämään aikaisempaa tarkempaa huomiota laivojen energiankulutukseen. Energiankulutusta on perinteisesti pyritty vähentämään laivojen vastusta pienentämällä ja moottorien hyötysuhdetta parantamalla. Laivan sisäisten järjestelmien energiankulutukset ovat sen sijaan jääneet vähäiselle huomiolle. Laivan LVI-teknisistä järjestelmistä sekä rakenteellisista ratkaisuista voidaan siis löytää uusia mahdollisuuksia pienentää laivan kokonaisenergiankulutusta. Tämän diplomityön tavoitteena on esittää suositus jäänmurtajan kansirakennuksen energiatehokkuuden parantamiseksi. Työssä esitetään kustannustehokkaimmat ratkaisut eristyspaksuuksille, ikkunatyypeille, seinäpaneeleille sekä ilmanvaihdon lämmöntalteenotolle lämpöviihtyvyyttä maksimoiden. Tarkastelussa verrataan kylmiin oloihin suunnitellun jäänmurtajan vaipparakenteita perinteistä suunnittelukäytäntöä edustavaan referenssiratkaisuun. Kehitettävä suunnittelukonsepti antaa kansirakennuksen osalta suositukset ja suuntaviivat energiatehokkaalle laivanrakennukselle kylmissä olosuhteissa. Suunnittelukonseptin energiankulutus ja lämpöviihtyvyys lasketaan dynaamisella IDA-ICE-simulointiohjelmalla. Elinkaarikustannukset saadaan, kun valituille komponenteille lasketaan investointikustannukset ja energiankulutuksen perusteella ennustetaan 20 vuoden käyttökustannukset. Valituista paatosmuuttujista muodostuu kaikkiaan 23 328 suunnittelukonseptia, joiden joukosta etsitään suositukset monitavoiteoptimoinnilla. Optimointi suoritetaan GenOpt-optimointiohjelmalla geneettistä algoritmia (GA) käyttäen kohdefunktioina lämmitysenergian, investointikustannusten ja elinkaarikustannusten minimointi sekä lämpöviihtyvyyden maksimointi. Työssä esitellään optimointitulosten mukainen suunnittelukonsepti, jolla kansirakennuksen lämmitysenergiankulutuksessa saavutetaan 38 %:n ja polttoaineenkulutuksessa 28 tonnin vuotuiset säästöt. Tuloksia vertaillaan alkuperäiseen jäänmurtajan kansirakennukseen pareto-rintaman avulla, jolloin selviää havainnollisesti vertailuparametrien, kuten investointikustannusten ja energiankulutuksen, vaikutukset toisiinsa. Pareto-rintaman avulla kyetään valitsemaan suunnittelukonseptit, jotka vastaavat parhaiten kohdefunktioiden tavoitteita. Optimoinnin luotettavuus varmistetaan vertaamalla saatuja tuloksia "bruteforce" -menetelmällä laskettuihin tuloksiin. Käytettävä menetelmä on yleistettävissä jäänmurtajien lisäksi kaikkiin laivatyyppeihin toimintaympäristöstä ja koosta riippumatta. Lämmitys- ja jäähdytysenergian optimoinnista olisi hyötyä erityisesti suurten risteilyalusten hotelliosan energiatehokkuuden kehittämisessä.Description
Supervisor
Kujala, PenttiThesis advisor
Alanne, KariNallikari, Matti
Keywords
multi-objective optimization, monitavoiteoptimointi, energy-efficient icebreaker, energiasimulointi, life-cycle costs, jäänmurtajan lämmitysenergiansäästö, envelope structure, elinkaarikustannukset, indoor comfort, vaipparakenteet, lämpöviihtyvyys