Techno-economic optimization of the water supply systems in high-rise buildings
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2021-01-25
Department
Major/Subject
Sustainable Energy in Buildings and Built Environment
Mcode
ENG3068
Degree programme
ENG30 Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
80+8
Series
Abstract
Commonly, tall buildings refer in Finland to exceptional tall buildings which are usually 16 floors high or higher. Public water distribution systems cannot produce enough pressure for tall buildings’ domestic water supply systems. Therefore, booster stations are needed to provide water for each floor. Booster stations can be considered as networks of interconnected single rotary pumps, and one supply raiser is commonly used to supply water. Booster stations are either in the basement or buildings are divided into zones with the equal pressure level and booster stations are below of each zone. However, there are huge potential to decrease life cycle costs of domestic water supply systems in high-rise buildings with techno-economic optimization. The objective of the thesis was to study how different variables impact on domestic water supply systems’ topologies and booster stations selections. Three different variables were considered: electricity price, real interest rate of electricity and investment costs of booster stations. Furthermore, additional costs of resilient domestic water supply systems were studied. The resilient domestic water supply system is able to provide water even though specific number of pumps are not working. The suitability of techno-economic optimization in domestic water supply systems design in high-rise buildings was studied. The objective was to find how much can be saved with the optimization. Three different domestic water design guides were studied to find out which one of the guides should be used in designing domestic water supply system in high-rise buildings: Finnish building code D1, SFS EN 806-3 and Din 1988-300. Life cycle costs were calculated for four different kind of domestic water supply systems: basement, one branch, zone divided and multi branch systems. Domestic water supply systems were modelled with MATLAB software. The domestic water supply systems life cycle costs were minimized with particle swarm optimization (PSO) algorithm and results were validated with brute force optimization algorithm. The electricity price and the investment costs of the booster stations impact the most on the domestic water supply systems’ booster stations selections in the study. Energy consumptions covered 46.5-78.6 % of the life cycle costs. Booster stations were preferred to add in each pressure zone when either electricity price is approximately 0.35 €/kWh, or the investment costs of the booster stations are 11,000-13,000 €. For this case, pressure zones were 10 floors high (30 meters). The life cycle costs were increased by 3.4-9 % with the resilient domestic water supply systems. The particle swarm optimization algorithm is efficient for the one branch systems and less complicated facility location problems. However, global best values cannot be guaranteed with PSO. The life cycle costs were decreased by 4.8-11.9 % with the techno-economic optimization. Design flow rates were based on the measured data in DIN 1988-300 water design guide. In consequence, more realistic design flow rates were achieved with DIN 1988-300 than with D1 or SFS EN 803-3 water design guides.Suomessa korkeilla rakennuksilla viitataan erityisen korkeisiin rakennuksiin, jotka ovat yleisesti 16 kerrosta korkeita tai korkeampia. Kunnallinen vesijohtojärjestelmä ei pysty tuottamaan riittävästi painetta korkeiden rakennusten käyttövesijärjestelmään. Kyseisestä syystä paineenkorotusasemia tarvitaan, jotta vettä voidaan taata jokaiseen kerrokseen. Paineenkorotusasemat koostuvat rinnakkain kytketyistä pumpuista, ja yleensä ne ovat palvelleet yhtä pystynousua. Paineenkorotusasemat sijaitsevat joko kellarissa tai rakennus on jaettu useampaan yhtä suureen painevyöhykkeeseen, jolloin paineenkorotusasemat sijaitsevat näiden vyöhykkeiden alapuolella. Teknillistaloudellisella optimoinnilla on kuitenkin valtava potentiaali pienentää korkeiden asuinrakennusten käyttövesijärjestelmän elinkaarikustannuksia. Työn tavoitteena oli tutkia, kuinka eri tekijät vaikuttavat käyttövesijärjestelmien ratkaisuihin. Työssä tarkasteltiin sähkön hinnan, sähkön hinnan todellisen koron sekä paineenkorotusasemien hinnan vaikutusta. Tämän lisäksi tutkittiin, kuinka paljon käyttövesijärjestelmän joustavuus aiheuttaa ylimääräisiä kustannuksia. Joustava käyttövesijärjestelmä on kykenevä toimittamaan vettä jokaiseen kerrokseen, vaikka osa pumpuista ei toimi samanaikaisesti. Työssä tutkittiin, miten hyvin teknillistaloudellinen optimointi soveltuu korkeiden asuinrakennusten käyttövesijärjestelmän suunnitteluun. Tavoitteena oli löytää, kuinka paljon optimoinnin avulla voidaan säästää kustannuksia. Työssä keskityttiin kolmeen erilaiseen käyttövesijärjestelmän suunnitteluohjeeseen: Suomen rakennusmääräyskokoelma D1, SFS EN 1986-3 ja DIN 1988-300. Tavoitteena oli selvittää, millä ohjeella korkeiden asuinrakennusten käyttövesijärjestelmät kannattaisi suunnitella. Elinkaarikustannukset laskettiin neljälle käyttövesijärjestelmälle: kellari- (basement), yhden putkinousun (one branch), vyöhykkeisiin jaetun (zone divided) sekä usean putkinousun (multi branch) järjestelmille. Käyttövesijärjestelmät mallinnettiin MATLAB ohjelman avulla. Käyttövesijärjestelmien elinkaarikustannukset minimoitiin hiukkasparvioptimointialgoritmilla (PSO) ja tulokset varmistettiin raaka voima (brute force) optimointialgoritmin avulla. Tutkimuksessa selvisi, että sähkön ja paineenkorotusasemien hinnat vaikuttavat eniten käyttövesijärjestelmien paineenkorotusasemien valintoihin. Energian kulutus aiheutti 46.5-78.6 % käyttövesijärjestelmien elinkaarikustannuksista. Paineenkorotusasemia kannattaisi lisätä jokaiselle painevyöhykkeelle, kun sähkön hinta on noin 0.35 €/kWh tai paineenkorotusasemien hinnat ovat suunnilleen 11.000 -13.000 €. Työssä vyöhykkeet olivat 10 kerrosta (30 metriä) korkeita. Käyttövesijärjestelmien joustavuus kasvatti elinkaarikustannuksia 3.4-9 %. Hiukkasparvioptimointialgoritmi on tehokas ja tarkka yhden putkinousun järjestelmälle ja sitä yksinkertaisimmille kapasiteettilaitosongelmille. Elinkaarikustannuksia saatiin pienennettyä 4.8-11.9 % teknillistaloudellisen optimoinnin avulla. Korkeiden asuinrakennusten käyttövesijärjestelmät kannattaisi suunnitella DIN 1988-300 suunnitteluohjeen avulla, sillä mitoitusvirtaamat perustuvat mitattuihin arvoihin.Description
Supervisor
Virtanen, MarkkuThesis advisor
Alanne, KariKeywords
domestic water supply system, booster station, resilience, optimization
