Projekt

1. Termodünaamika projekt “Lumesulatussüsteemi rakendamine Eesti teedel” Tallinna Tehnikaülikool Anette Laamann ja Nele Kund (EACB21)

2. Mis on projekti sisu?

3. Puhtad teed talvel - tõeline väljakutse

4. Lumesulatussüsteemid • Lumesulatussüsteem takistab lume ja jää kogunemist kõnniteedele, siseõuedele ning sõiduteedele. • Süsteem on loodud tormi ajal toimima, parandades seeläbi turvalisust ja välistades talvised hooldustööd. • Lumesulatussüsteem võib pikendada betooni, asfaldi või sillutuskivide eluiga. • See välistab soolade või muude jäätõrjevahendite kasutamise. • Süsteemid jagunevadjärgmiselt: elektritakistusega soojus, tavapärasest katlast (või ahjust) saadud soojus või maaküte hüdrooniliselt (vedelikus).

5. Elektrilinelumesulatussüsteem • Elektrilisedlumesulamissüsteemidkoosnevadkolmestpõhikomponendist: küttekaabel, juhtplokk ja aktiveerimisseade. • Küttekaabel on ehitatudvastupidamakarmidestingimustes, et see sobikskasutamiseksvälitingimustes. • Paljudneistkoosnevadühestvõikahestjuhistkooskaitsekatte ja/võiisolatsiooniga. • Paljudekaablitetemperatuur on 105°C ja nendevõimsus on 6 - 50 vattijalakohta.

6. Elektrilinelumesulatussüsteem • Enamikuusilumesulatussüsteemetöötavadkoosautomaatseaktiveerimisseadmega, mis lülitabsüsteemisissesiis, kuitajubsademeid ja külmumistemperatuure, ninglülitabsüsteemivälja, kuitemperatuur on üle nulli. • Seda tüüpiseadmedtagavadsüsteemiaktiivsuseainultkasulikelperioodidel ja vähendavadenergiakulu.

7. Hüdroonilinelumesulatussüsteem • Hüdrooniliselumesulatussüsteemikütteelemendiks on suletudahelagatorudvõimodulaarnetermapaneelisüsteem, mis on valmistatudpainduvastpolümeeristvõisünteetilisestkummist, millesringlebkuuma vee ja propüleenglükooli (antifriis) segu. • Vedeliksoojendataksetemperatuurini 16°C kuni 60°C ümbritsevateasfalt- võibetoonilaoturitesoojendamiseks, et lumi ja jäähakkaksidsulama. • Hüdroonilistelumesulamissüsteemidemehaanilinesüsteemitehnoloogiapõhinebkiirgusküttesüsteemidegasamalideel.

8. Hüdroonilinelumesulatussüsteem • Edukatorupõhisehüdroküttesüsteemikõigeolulisemosasõltubtorudeõigestvahekaugusest ja paigutusest • Torud on soovitatavasetadaspiraalivõiserpentiinikujul, mis aitabsoojustühtlaseltjaotada. • Naguelektrilisedlumesulamissüsteemid, võib ka hüdroonilisilumesulamissüsteemepaigaldadaalusmaterjalialla.

9. Matid • Need ühendatakseveekindlassepistikupessa ja neidsaabpaigaldadakõnniteedele, sissesõiduteedele, treppidele, ratastoolikaldteedele ja laadimisdokkidele. • Soojendusegamatidkoosnevadkahestkihist: libisemiskindlastkummist ja kütteelemendist. • Matidvõivadlume ja jääsulatadatundidevõiminutitejooksul (sõltuvaltkuumusest ja lumetasemest). • Matidlülituvadsisse ja väljasõltuvaltpraegustestilmastikutingimustest.

10. Parafiiniõlisisaldavbetoonkate • Teadlasteüheksavastuseks on parafiinõlilisaminebetoonileehkteematerjal, mis on võimelinelumekiireminisulatama. • Parafiiniõlituntaksekeemiasfaasivahetusmaterjalina, ta salvestabenergiat ja võibsedasoojusekujulvabastada, kui teed vajavadsulatamist. • Faasivahetusmaterjalesaabbetoonisisseviia, kasutadespoorsetkergettäitematerjalivõisisseehitatudtorusid. Kuimaterjalmuundubjahutamiselvedelasttahkeks, võib see eraldadatermilistsoojust, midasaabkasutadajää ja lumesulatamiseks. • Insenerid on just sellekatsetamiseksvalinud, sest see on orgaaniline, laialtkättesaadav ja odav. • Parakuei ole teada, kas parafiinvahakasutaminevõikstoimidaefektiivselt ka vägamadalateltemperatuuridel

11. Elektrilinevshüdrooniline

12. Süsteemi maksumus • Lumesulatussüsteemide käitamise kulud varieeruvad suuresti sõltuvalt töödeldava ala suurusest, kohalikest kommunaalkuludest, keskmisest lumesaju tundidest ja sellest, kui kiiresti süsteemi kasutaja lume sulatada soovib. • Suurimmuutuja on see, kuikaugelvarjatudtorudjõuallikastasuvad. Midakaugemalasuvadkommunaalteenused, sedasuuremad on paigaldus- jategevuskulud. • Elektrilistelumesulatuskaablitehinnadjäävadvahemikku 7 - 13 eurotruutjalakohta. Kaabeleraldabruutjalakohtakuni 50 vatti, olenevaltsellevahekaugusest. • Hüdrosüsteemitorudehinnad on vahemikkus 5 - 10 eurotruutjalakohta. • Uuridesteekatetehinduruutjalakohta, siisüldiseltmaksabsillutuskiviumbes 8 eurot, asfaltvahemikus 3 - 10 eurotjabetoonvahemikus 5 - 8 eurot. • Ennekuihakatarajamasüsteemi, tuleb ka arvessevõttateguvuskulusidehkkuipaljuühetalvelumesulataminemaksmaläheks. • Elektrilisesüsteemipuhulolenevadtegevuskuludlumehulgast. ArvestadesEestiilmavõibühetalvetegevuskulutullaumbes 250 eurot 1000 ruutjalakohta. • USA hüdrosüsteemidetarnijaütleb, et aastasedtegevuskuludjäävadvahemikku 10 - 20 sentiruutjalakohtaehkkeskmiseltmaksakslumesulatamine 1000 ruutjalasuuruseltteeltigaltalvel 100 - 200 eurot.

13. KuirakendadaEestislumesulatussüsteemi? • Selleks, et väljauurida kas ja kuimõttekas on Eestisteedelepaigutadalumesulatussüsteemi, tulebuurida: • Kuipaljuenergiatlähebvajalumesulatamiseks? • Kuipaljuläheksenergiatkaduma? • Kuipalju on süsteemimaksumus? • Uuritavobjekt: 1 km pikkuneteelõikTallinnalinnas

14. 1.probleem - energiakulu Mis andmeid läheb vaja energiakulu arvutamiseks?

15. 1.probleem - energiakulu • Teelõigu pindala: • Teelõigu pikkuseks võetakse 1 km (a = 1 km = 1000 m). • Laius oleks umbes 10 m, kui tegemist on neljarealiseteega (b = 10 m). • Saame pindala: ) • Keskmised temperatuurid: • Lumi sulab 0°C juures. See on ülesandes lõpptemperatuur. • Algtemperatuurideks on võetud 2020.aasta detsembri ning 2021.aasta jaanuari ja veebruariöised õhutemperatuurid. • Kuna terve talve jooksul olid paljud temperatuurid samad, siis korrutati temperatuur päevade arvuga, näiteks temperatuur -1°C esines talvel kokku 6 päeval. • Lume mass: • Lume mass sõltubtemaveesisaldusest, mahasadanudlumimuutubraskemaks ja tematihedussuureneb. • Veebilehe (rb.gy/bhsrze) andmetel on 3 kuukeskminesademete hulk 16,3 cm. Kuna tegemist on lumega, milletihedus on vee omast 10x väiksem, saame 16,310 = 163 cm. Kuijagada see 3 kuupäevadearvuga (90), on lumekõrguseks 1,8 cm/päev Saame ruumala: • Värskelt mahasadanud lume tihedus on ligikaudu 100 kg/m3 (ρ = 100 kg/m3) • Tiheduse valemi järgi saame avaldada lume massi antud teelõigul • Saame massi:

16. 1.probleem -energiakulu • Energiakulu arvutamisekskasutativalemit: • Q = Q1 + Q2 Q1 , kus • m - lume mass (kg) • c - lumeerisoojus () • t1 - algtemperatuur (°C) • t2 - lõpptemperatuur (°C) • Q2 = m · H • m – lume mass (kg) • H – lumesulamisentalpia(H = 333000 ) • EnergiakuluarvutamiseksvõetiappiPythoniprogramm

17. Vastus • Tervetalveenergiakulusaamisekstulebliitasaadud Q väärtusedkokku • Minimaalneenergiakulu on 126363,42 MJ

18. 2.probleem - energiakadu • Erinevaidlumesulatussüsteemekasutadestulebarvestada ka energiakadudega • Soojendatud ala servadestvõibkadumaminnapärissuur hulk energiat • Niihüdroonilisekuielektrilisesüsteemipuhulmängibolulistrolliplaatideisolatsioon, mis aitabkadusidvähendada • Artiklison toodudhüdroonilisesüsteemienergiakadudeväärtused, olenevaltolukorrast • Isolatsiooniolemasolul on energiakadu 4% ehkumbes 126363・0,04= 5055 MJ • Isolatsioonipuudumisel on energiakadu juba 20% ehkligikaudu126363・0,2= 25273 MJ

19. 2.probleem - energiakadu • Kirjanduses on elektrilisesüsteemienergiakadudekohtaüsnaväheandmeid • Lehelrb.gy/frarwcon infotküttekaablite ja nendeefektiivsusekohta • Süsteemiefektiivsus on 95-98% • Energiakaodjäävadseega 2-5% vaheleehk 126363 ・0,02= 2527 MJ kuni 126363・0,05= 6318 MJ

20. Kui palju maksaks lumesulatussüsteem? Kuna tegemist on suure autoteega, on lihtsam sellele maa-alale paigaldada elektriline lumesulatussüsteem. Selleks valiti elektrilise süsteemi hinnad ning arvutati, kui palju läheks maksma 1 kilomeetrisel teelõigul vajav materjal ja tegevuskulu ühe talve jooksul. • Materjali kulu: • Keskmiseks materjali hinnaks ruutjala kohta võeti 10 eurot (USA hinnad materjali kohta) • Saame materjali kulu uuritava maa-ala kohta: summa = 10・107639 ≈ 1,08 milj eurot

21. Kui palju maksaks lumesulatussüsteem? • Energiakulu: • Keskmine võimusus elektrilisel lumesulatussüsteemil on 50 W ruutjala kohta • Kuna uuritava ala pindala on 10000 m2 ehk 107639 ft2, siis kogu võimsus on 50・107639 = 5381950 W = 5381,59 kW • Elektrihind Eestis varieeruvad olenevalt kuudest • Talvekuudel detsember, jaanuar ja veebruar on vastavalt 5,70; 6,61 ja 7,31 senti/kWh (2020. ja 2021.aasta andmed) • Kui võtta nende keskmine, siis tuleb see ligikaudu 6,54 senti/kWh = 0,0654 eurot/kWh - Uuritava ala lume sulatamine tunnis maksab 5381,59・0,0654 = 352 eurot/h - 2020. ja 2021.aasta talvel sadas Tallinnas ligikaudu 236 tundi lund - Saame arvutada ligikaudse elektrimaksumuse terve talve jooksul, mis kulub lume sulatamiseks: 352・236 ≈ 83072 eurot

22. Kokkuvõte • Energiakulu 1 km-selteelõigulolevalume/jääsulatamiseksühetalvejooksulEestiskuluksligikaudu126363 MJ • Energiakaodvarieeruvadningsõltuvadsüsteemist • Lumesulatussüsteemimaterjalläheksmaksma1,08 miljeurot ja energiakulud0,083 miljeurot, millelisanduvadveeltööjõu- ja ehituskulud • KuivõrreldalumekoristusemaksumusegaTallinnas (nt 2010.a ligikaudu 0,32 miljeurotkuluslumekoristusele), siismehhaanilinelumekoristus on odavamkuisüsteemimaksumus • Konkreetseteelõigupuhastamiselemasinategakuluksumbes 320000 : 991 (Tallinnateedepikkus) ≈ 323 eurot

23. Kokkuvõte • Kuna viimaste aastate Eesti talved on olnud pigem pehmed ja soojemapoolsed, siis meie arvates ei ole mõttekas rajada teedele lumesulatussüsteeme, sest: 1) Süsteemi ehitamine ja selle pidamine on rahaliselt kallis. Eesti on väike riik, mis tähendab ka väiksemaid investeeringuid eelarves, selle tõttu on meil väiksemad võimalused sellise tehnoloogia paigaldamiseks. 2) Kui eraldada raha selle süsteemi ehitamiseks, siis tuleks kärpida eelarvet teistes olulistes valdkondades

24. Kasutatud allikad • https://en.wikipedia.org/wiki/Snowmelt_system • https://www.warmlyyours.com/en-US/posts/how-much-does-a-heated-walkway-cost • https://www.warmlyyours.com/en-US/snow-melting • https://www.pmengineer.com/articles/87603-radiant-snowmelt-systems-at-work • https://www.engineeringtoolbox.com/snow-melting-d_1082.html • https://www.e-education.psu.edu/egee102/node/2059?fbclid=IwAR159fg-DheWt1I7b00YoiaFC0cNqE2hjb_zDAF8jFvnaeTjFzHJ4RpYcEw • https://www.ilmateenistus.ee/ilm/ilmavaatlused/vaatlusandmed/ • https://www.postimees.ee/363901/tallinn-eraldas-lumekoristuseks-veel-viis-miljonit • https://www.pmengineer.com/articles/85513-designing-snowmelting-systems

25. Kasutatud allikad • https://www.researchgate.net/profile/John-Pomeroy/publication/252454769_Snow_Ecology/links/5863689108ae8fce490a7cfc/Snow-Ecology.pdf • https://kodus.ee/artikkel/kui-palju-kaalub-lumi-ja-mida-see-teeb-maja-katusega • https://losangeles.cbslocal.com/2017/09/19/road-that-melts-ice-and-snow/ • https://www.concretepavements.org/2017/09/19/wax-on-melt-off-adding-paraffin-to-concrete-can-help-roads-clear-themselves-in-the-winter/ • https://www.warmquest.com/radiant-heat-applications/roof-deicing/13-radiant-heat • https://www.energia.ee/era/elekter/elektriturg • https://www.weather-atlas.com/en/estonia/tallinn-climate • https://www.warmlyyours.com/en-CA/products/line/snow-melting-cable