Laskennallinen malli lumen sulamiselle – Tutkimusryhmä optimoi Naantalin tekonurmikentän lämmitystä

Computational Engineering and Analysis (COMEA) sai tilaisuuden pohtia Karvetin tekonurmikentän lämmitystä. Aikaisemmin tekonurmikentän lämmitys on alkanut tammikuun puolella, lumisateiden ja kovien pakkasten myötä. Kentän lämmityksellä halutaan varmistaa kentän ympärivuotinen käyttö, mikä on tärkeää alueen jalkapalloharrastajille.

Teksti: Siiri Welling 

Eero Immosen tutkimusryhmä sai toimeksiannon Naantalin kaupungilta. Tekonurmikentän alle on vuonna 2007 rakennettu lämmitysputket, jotka pitävät kentän sulana lumesta talvisin. Lämmitysputkien asentamisen on yleisesti ajateltu olevan kaikkein huoltovarmin keino pitää kenttä käyttökunnossa, sillä lumen poisto mekaanisesti rikkoo keinonurmen kumirouhepinnan ja kuplahallin ylläpito voi tulla kalliiksi.  

– Meidän toimeksiantomme Naantalin kaupungin puolesta oli selvittää, mikä olisi optimaalisin tapa lämmittää Karvetin tekonurmikenttää. Aiempina vuosina kentän lämmitys on aloitettu tammikuussa, ja sitä atkettu maaliskuun loppuun asti. Lumisateiden ja pakkasen mahdollisuus on tällä ajalla suurin. Me pohdimme, voisiko kentän lämmityksen aloittaa aikaisemmin ilman, että lämmitykseen käytetään enemmän energiaa, selventää COMEA-tutkimusryhmän vetäjä ja yliopettaja Immonen.  

Tutkimusryhmä tutustui aluksi kentän prosessikaavioihin ja siihen, miten kenttä on rakennettu. Tämän lisäksi he tutkivat säädataa kahdeksan vuoden ajalta ja pohtivat lumensulamismallia. Työhön liittyi epävarmuustekijöitä, sillä historiatietoja lämmitysohjaussignaaleista ei ollut saatavana.  Dataa esimerkiksiputkissa kiertävän vesi-glykoliseoksen lämpötilasta ei ollut. Siksi tutkimusryhmä päätyi mallintamaan myös ilman lämpötilasta riippuvat ohjaussignaalit.  

– Huomioimme tutkimuksessamme tarkkaan kentän materiaalit ja eri kerrokset, joita on yhteensä neljä kerrosta, kun lumi otetaan huomioon. Alta löytyy stabiloiva kerros, jonka päälle putkisto on rakennettu. Kokonaisuudessaan lämmitysjärjestelmä on noin 20 senttimetrin syvyydessä. Laskimme tilaajan pyynnöstä, mitä tapahtuisi, jos lämmitysjärjestelmä olisikin vain kymmenen sentin syvyydessä. Kävi ilmi, että samalla energiamäärällä kentällä olisi mahdollista pelata peräti kymmenen päivää enemmän, jos lämmitysjärjestelmä olisi lähempänä kentän pintaa, kertoo Immonen.  

Lumen käyttäytyminen monimutkaista 

Ryhmä havaitsi myös, että vesi-glykoliseoksen virtausmäärät kentän eri osissa eivät olleet samanlaiset. Kolmiulotteisen virtausmallin mukaan virtausmäärissä on jopa 20 prosentin heitto, mikä vaikuttaa lämmönsiirto-ominaisuuksiin. 

Tutkimusryhmän laskelmien mukaan järkevä tapa lämmittää tekonurmikenttää on aloittaa lämmityskausi tammikuussa, eikä esimerkiksi marraskuussa. Lumen sulattamiseen tarvitaan paljon energiaa, minkä vuoksi suuri lämmitysteho on pidettävä lumisella kaudelle. Immosen mukaan tulos ei lopulta yllättänyt.  

– Emme toisaalta testanneet muita skenaarioita, että olisiko esimerkiksi lämmityksen aloittaminen joulukuussa tehokkaampaa. Keskityimme vain marraskuun ja tammikuun vertailuun optimoinnissa. Tärkeintä näissä tuloksissa on se, että pystyimme luomaan sellaisen kevyen laskennallisen mallin lumen sulattamisella, jolla erilaisia skenaarioita voidaan nopeasti tutkia, sanoo Immonen.  

Kävi ilmi, että samalla energiamäärällä kentällä olisi mahdollista pelata peräti kymmenen päivää enemmän, jos lämmitysjärjestelmä olisi lähempänä kentän pintaa.

Lumen käyttäytyminen on Immosen mukaan monimutkaista sulattamisen yhteydessä. Se voi sulaa vedeksi ja höyrystyä. Tällä hetkellä siis tietokone on opetettu ymmärtämään sitä, miten lumi sulaa. Tietoa pystytään huomioimaan jatkokehityksessä, eli esimerkiksi siinä, kuinka kauan tietyn alueen tai osan sulattaminen kestää.  

– Oma näkemykseni jatkotutkimukselle olisi kehittää ohjelmisto, joka yhdistäisi sääennusteen ja luomamme lumen sulamismallin. Sen perusteella voisi ennakoida sitä, miten kovalla teholla lämmityskapasiteettia pitäisi käyttää, jotta kenttä pysyisi sulana ja käyttökunnossa tarvittaessa, sanoo Immonen.  

Tällä tavalla voisi myös tehokkaasti selvittää erilaisia nyrkkisääntöjä ihmisasiantuntemuksen tueksi energiatehokkaaseen lämmityksen ohjaukseen. Voi esimerkiksi osoittautua, että joissain ennustetuissa hankalissa sääolosuhteissa kenttää ei ole hyödyllistä lämmittää lainkaan. Asian tutkimukset jatkuvat tutkimusryhmässä. Tuloksia voisi hyödyntää muiden lämmitysjärjestelmien optimointiin.  

– Uskoisin, että samankaltaista mallinnusstrategiaa voisi soveltaa esimerkiksi julkisten tilojen lämmityksen tai ilmanvaihdon optimointiin tulevaisuudessa, päättää Immonen. 

Tutustu tutkimusraporttiin.

Artikkeli on julkaistu 22.9.2023 aiemmalla turkuamk.fi -sivustolla.

Tutustu tutkimukseen