Ville Poutiainen Aurinkokeräimen suunnittelu käyttöveden lisälämmittimeksi

Transkriptio

1 Ville Poutiainen Aurinkokeräimen suunnittelu käyttöveden lisälämmittimeksi Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikka Helmikuu 2008

2 KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Ville Poutiainen Työn nimi: Aurinkokerääjä Päivämäärä: Sivumäärä: 31 Työn ohjaajat: Heikki Salmela Työn aiheena on omatekoisen aurinkokeräinjärjestelmän valmistaminen. Tavoitteena on suunnitella toimiva ja edullinen järjestelmä, jonka voi valmistaa itse. Järjestelmän tulisi lämmittää lämminvesivaraajaa kesä aikoina. Työn avulla kävi selväksi, että omatekoisen aurinkokeräinjärjestelmän valmistus on kannattavaa verrattuna kaupalliseen järjestelmään. Avainsanat: aurinkoenergia, aurinkokerääjä

3 CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Machine and Production Engineering Educational Program ABSTRACT Author: Ville Poutiainen Name of Thesis: Solar collector Date: Pages: 31 Supervisors: Heikki Salmela Project subject include home made Solar Collector System construction. I aim to design good working and cheap system which you can made by your self. In the summer time system heat water in the Warm Water Tank. When the project was ready turn out that it is economic to build home made solar collector system. Home made system is more cheaper than new one. Keywords: solar energy, solar collector

4 TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 NYKYINEN JÄRJESTELMÄ 2 3 LÄMMITYSMUODON VALINTA Työn kuvaus ja rajaaminen Työn tavoitteet 5 4 AURINKOENERGIA Historia aurinkoenergian käytöstä Aurinko energian lähteenä 6 5 AURINKOSÄTEILY 9 6 SÄTEILYN TEHOSTAMISEN KEINOT 11 7 AURINKOKERÄÄJÄÄJÄN TOIMINTAPERIAATE 13 8 KERÄIMEN RATKAISUMALLEJA Tyhjiöputkikeräin Tasokeräin Lämpöpatterista valmistettu tasokeräin 19 9 KERÄINTYYPPIEN VERTAILU RATKAISUMALLIN VALINTA JÄRJESTELMÄN MITOITTAMINEN Putkisto Kiertovesipumppu Kerääjä KERÄÄJÄN SUUNNITTELU KUSTANNUSARVIO LOPPUARVIO 30 LÄHTEET 31

5 1 JOHDANTO Opinnäytetyön aiheena on suunnitella aurinkokeräinjärjestelmä, jonka voi itse rakentaa. Järjestelmä sijoitetaan jo valmiin kattilalämmityksen rinnalle, jotta kesäaikoina puunpoltto saataisiin minimoitua. Työn pääpaino on kuitenkin aurinkoenergian ja aurinkokeräinjärjestelmän teoriassa. Aluksi käydään läpi aurinkoenergian teoriaa. Työssä käydään myös läpi eri aurinkokerääjien vertailu. Eri aurinkokeräimistä etsitään niiden hyvät ja huonot puolet. Aurinkokerääjistä valitaan helpoiten valmistettava ratkaisu, joka olisi myös luotettava. Lopuksi käydään läpi itse aurinkokeräimen ratkaisumalli ja sen pääpiirteine valmistus suunnitelma.

6 2 NYKYINEN JÄRJESTELMÄ Nykyinen järjestelmä on rakennettu 96m 2 hallirakennukseen, joka on tarkoitettu lähinnä autojen huoltoa ja rakennusta varten (KUVIO 1). Hallin lämmitysjärjestelmä koostuu Arimax 240 puulämmitteisestä yläpalokattilasta, jossa on 70 litran vesitila. Teholtaan kattila on maksimillaan 40kW. Kattilaan on asennettu Honeywell- termostaatti, jolla voidaan säätää haluttu lämpötila, jolloin kattilan kiertovesipumppu alkaa kierrättää vettä. Lämpimän veden noustessa 70 asteeseen varaajaan tulevassa putkessa oleva termostaatti aukeaa ja mahdollistaa lämpimän veden siirtymisen kattilasta varaajaan. Varaajana on 2000 litran käytettynä hankittu omavalmistevesivaraaja. Varaaja ei ollut eristetty, joten se eristettiin 50mm finnfoam lämpöeristeellä. Varaaja on varustettu miesluukulla, johon on integroitu lämminkäyttövesikierukka. Varaajassa on optio kahdelle lämpövastukselle, joilla on mahdollisuus lämmittää varaajaa kattilan sijasta. Lämpimän veden määrää voi seurata kolmella eri tasoon sijoitetulla lämpömittarilla. Siirtopumppuja järjestelmässä on kaksi kappaletta. Molemmat ovat Grundfos TF110 mallisia pumppuja. Toisella pumpuista hoidetaan kylmän veden siirto varaajan alaosasta kattilan vesitilaan ja toisella lämpimän veden siirto varaajan yläosasta lattialämmitysputkiin. Pumpuissa on valittavissa kolme eri nopeutta, joilla ne voidaan säätää järjestelmään sopiviksi kesä- ja talviaikoina. Lattialämmitykseen menevän veden lämpötilan säädön hoitaa Ouman EH-80 automaattinen lämmönsäädin, joka pitää halutun sisälämpötilan sen mukaan kuinka lämmin/kylmä ulkona on. Ouman on asennettu kiinni manuaaliseen lämmönsäätimeen, joka on taasen asennettu lattialämmitysputkiin menevään putkeen. Lattialämmitys on hoidettu neljällä eri lämmityspiirillä. Lämmityspiirejä voidaan säätää erikseen, jotta saadaan haluttu lattialämpö haluttuihin kohtiin. Säätö

7 tapahtuu piirien kiertonopeutta muuttamalla. Kiertonopeus säädetään jakotukista johon kaikki neljä piiriä on kytketty. Käyttöveden lämmitys tapahtuu varaajan miesluukussa olevan kierukan kautta. Kylmä käyttövesi johdetaan kierukkaan, jolloin varaajassa oleva lämpö siirtyy käyttöveteen. KUVIO 1. Hallin pohjapiirrustus

8 3 LÄMMITYSMUODON VALINTA Idea aurinkokerääjän valmistamiseen tuli ongelmasta. Keväästä syksyyn on aika jolloin hallin pannussa ei tarvitsisi pitää tulta hallin lämmitystä varten. Tulen pidon tarve kuitenkin säilyy, koska halliin pitää saada lämmin käyttövesi ympärivuoden ja aina tarvittaessa. Tarve lämpimälle käyttövedelle tulee tarpeesta pestä kädet ja erinäiset koneet, autot yms. Lämpimän veden saisi myös sähkövastuksilla, mutta se todettiin liian kalliiksi vaihtoehdoksi nykyisellä sähkönhinnalla. Aurinkokerääjä kiinnosti myös sen edullisuuden vuoksi. Suurimmat käyttökustannukset tulevat vedensiirtopumpusta ja mahdollisesta automaattisesta ohjausjärjestelmästä. Kustannukset ovat kuitenkin pienet verrattuna siihen, miten huoleton aurinkokeräinlämmitys on. Säästöä tapahtuu myös ajassa, jota menee pannun lämmittämisessä ja tietenkin myös polttopuiden teossa. 3.1 Työn kuvaus ja rajaaminen Työn päätarkoitus on suunnitella aurinkokeräinjärjestelmä, joka on mahdollista valmistaa itse eli järjestelmä on niin sanottu tee se itse järjestelmä. Työ rajautuu teorian osalta lähinnä aurinkoenergiaan ja aurinkokerääjän toimintaperiaatteisiin. Työn alussa vertaillaan eri aurinkokeräin vaihtoehtoja ja valitaan niistä omaan tarpeeseen sopivan ratkaisumalli. Tässä onkin tärkeää tutkia, ettei valitussa järjestelmässä ole sellaisia pulmakohtia, joita ei voisi ratkaista niin sanotusti kotikonstein. Tarkoituksenahan on valmistaa järjestelmä täysin itse niiltä osin kuin se on mahdollista. Aurinkokerääjän suunnittelu onkin tärkein osa työssä. Myös aurinkokerääjäjärjestelmän liittäminen nykyiseen järjestelmään pitää suunnitella tarkoin, koska siihenkin on muutama eri vaihtoehto.

9 3.2 Työn tavoitteet Työn tavoitteena on suunnitella toimiva aurinkokeräinratkaisu, joka on mahdollista ottaa myös käyttöön nykyisen järjestelmän rinnalle. Järjestelmä pitää myös pystyä rakentamaan itse, jotta kustannukset pysyisivät mahdollisimman alhaisina. Ja koska järjestelmä tulee halliin, niin järjestelmän ei tarvitse edustaa viimeisintä teknologiaa, joissa hyötysuhteet ovat kovat. Järjestelmän tulee olla myös niin automaattinen, että se pystyy itse tunnistamaan lämpimänvedentarpeen varaajassa.

10 4 AURINKOENERGIA Mielestäni olisi myös hyvä kertoa hieman aurinkoenergiasta. Tämän avulla hieman näkee, kuinka tehokas energian lähde aurinko on ja kuinka paljon ilmaista energiaa on vapaana valjastettavaksi. 4.1 Historiaa aurinkoenergian käytöstä Ensimmäisiä teollisia aurinkoenergian sovelluksia olivat suolan keräilyaltaat pari tuhatta vuotta sitten. Jälkiä näistä suola-altaista näkee kaikkialla Välimeren alueilla mm. Tunisiassa ja Maltalla. Periaate oli varsin yksinkertainen: rantakallioon kaiverrettiin muutaman kymmenen litran vetoinen kolo, johon merivesi kerääntyi korkean veden aikana pientä, koloon asti kaiverrettua uraa pitkin ja haihtui matalan veden aikana jättäen pelkän suolan jäljelle. Varsinainen ensimmäinen teollinen sovellus otettiin käyttöön luvulla Chielen Salinossa, jossa tuotettiin makeaa vettä merivedestä höyrystämällä sitä auringon avulla. Keckin veljekset kehittivät 1930-luvulla Solar Housin, jossa oli kaksivaippainen seinärakenne ns. kesä- ja talvivyöhyke, jota ajatusta hyödynnetään nykyisin. (Luentomateriaali Oulun Teknillinen Oppilaitos 1981.) 4.2 Aurinko energialähteenä Auringon kokonaisteho on 3,8x10 23 kw, jonka saa aikaan fuusio eli lämpöydinreaktori massamuutoksessa. Maapallolle tästä energia määrästä tulee 1,7x10 14 kw. Tämä auringosta saatu energia vastaa noin kertaa sitä määrä joka nykyään käytetään teollisuuteen ja lämmitykseen eli kyse on suuresta energiamäärästä.(erat, Erkkilä, Löfgren, Nyman, Peltola & Suokivi 2001, 10.)

11 Aurinkovakio on 1353W/m 2, joka on ilmakehän ulkopuolella oleva säteilyn teho. Tämä on myös auringonsäteilyn intensiteetti, joka tarkoittaa sitä kuinka paljon kohtisuorassa olevaan yhden neliömetrin suuruiseen alaan kohdistuu säteilyä. Tässä tapauksessa se on 1353W. (Erkkilä 2003, 20). Kuviosta 3 näkee vuoden kokonaissäteilymäärän minkä saamme auringosta eri kallistuskulmilla Helsingissä, Jyväskylässä ja Sodankylässä. KUVIO 3. Säteilymäärien keskiarvot (Lainattu Erkkilä 2003, 26.) Kokonaissäteilymäärä vuodessa, kwh/m2 Kallistuskulma Helsinki Jyväskylä Sodankylä Maan pinnalle tulevan säteilyn teho vaihtelee. Säteilyn tehoon vaikuttavat tärkeimmät asiat ovat: kuinka kaukana olemme auringosta ja missä asennossa mittaustasomme on auringon säteisiin nähden. Tarkasteltavan tason asennon vaikutus siihen kohdistuvaan auringon säteilytehoon on kaava; I 1 > I 2 > I 3. ja sama tarkemmin; I 2 = I 1 cos(a) ja I 3 = I 1 cos(b) (KUVIO 1). Muita säteilyn tehoon vaikuttavia seikkoja ovat mm. maan kiertoliike auringon ympäri, maan oma kieroliike akselinsa ympäri, maan akselin kallistus ratatasoon nähden ja vielä ilmakehän sisäiset asiat eli pilvet, sumu, pöly ja ilmansaasteet. (Erkkilä 2003, 20.)

12 KUVIO 1. Tason asento (Lainattu Erkkilä 2003, 20.)

13 5 AURINKOSÄTEILY Maan pinnalle saapuva säteily koostuu kolmesta eri säteilykomponentista: suorasäteily hajasäteily heijastunut säteily Suora aurinkosäteily (I A ) tarkoittaa suoraan ilmakehän läpi tullutta aurinkosäteilyä. Hajasäteily (I D ) on ilmakehän molekyylien ja pilvien heijastamaa säteilyä sekä maasta heijastunutta hajasäteilyä. Ilmakehän vastasäteilyä (I V ) aiheuttavat ilmakehän vesihöyry, hiilidioksidi ja otsoni, jotka säteilevät lämpöä takaisin maanpinnalle. Tätä kutsutaan ns. kasvihuonevaikutukseksi. Vastasäteily sisällytetään yleensä hajasäteilyyn. Suoran aurinkosäteily, hajasäteilyn ja ilmakehän vastasäteilyn summa on pinnalle tuleva kokonaissäteilyenergia. Siitä täytyy vielä vähentää pinnan takaisin avaruuteen heijastama pitkäaaltoinen säteily (I U ), jotta voimme laskea pinnan hyväksi jäävän tehon (I). I=I A + I D + I V + I U (Erat ym. 2001, 12.) Säteilykomponenttien osuudet eivät ole aina samat, sillä niihin vaikuttaa katselupaikka, auringon korkeuskulma sekä ilmakehän koostumus. Suoran säteilyn osuudeksi kirkkaallakin säällä jää enintään 800W/ m 2. Säteilyn maksimiarvo saadaan suoran- ja hajasäteilyn summana. Heijastuneen säteilyn ansiosta voidaan saada jopa yli 1000 W/ m 2 :n kokonaisintensiteetti. Tällöin aurinko ei saa olla liian ylhäällä ja edessä pitää olla suuri heijastava pinta, esim. vesi, hanki, peltikatto. Kuviosta 2. erottuu hyvin mistä eri säteilykomponentit tulevat. (Erkkilä 2003, 22.)

14 KUVIO 2. Säteilyn komponentit

15 6 SÄTEILYN TEHOSTAMISEN KEINOT Aurinkokeräimen sijainnilla ja suuntauksilla on merkittävä osuus sen optimaaliselle energiantuotolle. Tästä tärkeästä asiasta tietoa seuraavasti. Koska keräinten pitäisi saada tasaisesti säteilyä, olisi ne hyvä sijoittaa paikkaan, jossa ei olisi varjo paikkoja. Koska nyt ei ole mahdollista vaikuttaa keräinten paikan valitaan muuta kuin katolla eri paikkaan sijoittamalla, niin säteilyn tehostaminen pitää hoitaa varjopaikkoja poistamalla esimerkiksi puita katkomalla/karsimalla. Keräimen paikan merkitys korostuu varsinkin talvella, jolloin aurinko paistaa alhaalta, jolloin varjot ovat kesäistä pitempiä. Erat ja kumppanit suosittelevat kirjassaan, että keräimet sijoitettaisiin mahdollisimman korkealle, jotta mahdollisia esteitä olisi mahdollisimman vähän. Minulla onkin tarkoitus asentaa keräimet hallin harjalle, jolloin ne sijaitsevat noin 8 metriä maanpinnasta. (Erat ym. 2001, 15.) Suuntauksen kannalta olisi hyvä, että keräimet saataisiin suunnattua kohti etelää. Tämän asian kanssa ei tulekaan ongelmia, koska hallin katon lappeet osoittavat suoraan etelään ja pohjoiseen. Jotta tuotto olisi optimaalinen ympärivuotisessa käytössä, suuntauksen kulma voi vaihdella +/- 45 astetta etelästä. Tällä tavalla häviöt ei ole kuin 7% luokkaa. (Erat ym. 2001, 15.) Auringonsäteiden tulokulman olisi hyvä olla 0 astetta eli tällöin auringonsäteet tulevat kohtisuoraan kerääjiä kohti. Tällöin auringosta saatu teho on suurimmillaan. Kallistuskulman tulisi olla asteen välillä. On myös olemassa nyrkkisääntö jonka mukaan kallistuskulman pitäisi olla suurin piirtein saman kuin mikä on keräimen paikan leveysaste. Kuviossa 3 näkyy eri paikkakuntien säteilymäärien keskiarvot eri kallistuskulmilla ja liitteestä 1 löytyy samat asiat jaoteltuna eri kuukausille. (Erat ym. 2001, 15; Erkkilä 2003, 25.)

16 Kerääjiin on myös mahdollista asentaa seurantalaitteet, jotka seuraavat auringon liikettä taivaalla. Tällainen järjestelmä on mielestäni tähän tarkoitukseen liian hieno. Toiminta varmuus kärsii, joka on yksi tärkeä kriteeri järjestelmää suunniteltaessa. Samoin kustannukset nousevat, jotka yritetään pitää mahdollisimman minimissä. Kustannuksien minimoinnilla pyritään saamaan keräinten laitosta mahdollisimman suuri hyöty.

17 7 AURINKOKERÄÄJÄÄJÄN TOIMINTAPERIAATE Aurinkokerääjän toimintaperiaate on todella yksinkertainen. Keräimessä on absorbaattori eli aurinkokerääjän sydän, joka imee auringosta saadun lämpöenergian johtumalla itseensä. Saatu lämpöenergia johtuu absorbaattorin pintaan liitettyjen putkien sisällä juoksevaan nesteeseen. Neste tulee lämminvesivaraajan alaosasta, jossa se on viileää. Putkia pitkin neste siirretään lämminvesivaraajassa olevaan lämminvesikierukkaan. Lämminvesikierukasta lämpö johtuu lämminvesivaraajan nesteeseen, jolloin varaajassa oleva neste lämpenee. Saadulla lämpimällä vedellä lämmitetään haluttuja asioita. Tässä tapauksessa saatu lämminvesi käytetään käyttöveden lämmittämiseen. Järjestelmän liiallinen paineen nousu pidetään kurissa paineastialla. Paineastiaan johdetaan järjestelmässä kiertävää nestettä sen verran, että järjestelmän paine laskee haluttuun paineeseen. Ja kun paine laskee, paineastiaan johdettu neste johdetaan takaisin järjestelmään. Nesteen lämpeneminen aiheuttaa paineen nousua. Lämminvesivaraajaan johdetaan lämmintä nestettä vain silloin kun se on tarpeeksi lämmintä. Liian alhainen nesteen lämpötila viilentää lämminvesivaraajassa olevan nesteen, jolloin kerääjällä viilennetään nestettä eikä lämmitetä. Tämä asia hoidetaan antureilla, jotka tarkkailevat kerääjässä olevaa nesteen lämpötilaa. Lämpötilan noustessa tarpeeksi korkeaksi anturi käynnistää siirtopumpun, joka saa aikaan nesteen siirtymisen keräimestä varaajaan. Kuviosta 4. toimintaperiaate näkyy selvemmin.

18 KUVIO 4. Aurinkokerääjän toimintaperiaate (Lainattu Callidus 2008)

19 8 RATKAISUMALLEJA Keräimen tyyppiä valittaessa vertailen muutamaa erityyppistä keräinrakennemallia tarkoitukseeni sopivan löytämiseksi. Keräimen rakenne pitää olla yksinkertainen jotta sen pystyy valmistamaan kotikonstein. Kustannuksetkaan eivät saa nousta suuriksi, sillä järjestelmän edullisuus on yksi tärkeimmistä asioista. 8.1 Tyhjiöputkikeräin Tyhjiöputkitekniikkakerääjässä on erittäin tehokas tapa hyödyntää aurinkoenergiaa. Tyhjiöputken rakenteen vuoksi (KUVIO 5.) se ottaa talteen paremmin myös hajasäteet, jotka tavallisessa tasokeräimessä jää usein saamatta. Motiva Oy kertoo sivuillaan, että tyhjiöputkikeräin tuottaa jopa 30 % enemmän energiaa kuin mitä tavallinen tasokeräin tuottaa. Tämä on varmasti aivan totta, sillä tyhjiö antaa keräinosalle erittäin hyvä eristeen. Tästä johtuen keräimen hyötysuhde paranee, koska lämpöä ei mene hukkaan. Tyhjiöputkikeräimen hyvästä hyötysuhteesta kertoo se, että talvella putkien päälle satava lumi ei sula. (Alternative 2007.) Hyvää hyötysuhteen omaavana keräimen voi asentaa normaalia pystympään. Näin satava lumikaan ei pääse haittaamaan tuottoa, sillä lumi valuu putkia pitkin pois. Kesällä tuotto ei ole sitten niin suuri, mutta tarpeeksi suuri kuitenkin lämmittääkseen tarvittavan määrän. Jos käyttökohteeseeni tyhjiöputkikerääjät asentaa optimaaliseen kulmaan niin lämpöä saatua energiaa menee hukkaan, koska kesällä ei tarvitse niin paljoa lämpöä jonka verran keräin tuottaa. Tämä johtuu siitä, että tarvitsemani veden lämpötila on niin pieni verrattuna siihen, että tällä pitäisi lämmittää esimerkiksi taloa. Keräimen tiiviinä pysyminen epäilyttää minua suuresti Suomessa olevien kovien lämpötilavaihdosten vuoksi. (Alternative 2007.)

20 Tyhjiöputkikeräin alkaa tuottaa lämpöä jo helmikuun korvilla ja tuotto jatkuu jopa marraskuuhun saakka. Tämä olisikin erittäin hyvä asia minun tarkoituksessani, koska hallia ei yleensä tarvitse lämmittää täyspäiväisesti kuin vasta marrashelmikuussa. Tällä säätäisi alku- ja lopputalven pannun lämmitykset. (Alternative 2007.) KUVIO 5. Tyhjiöputkenrakenne (Lainattu Alternative 2007.) 1. Lasiputken ulkopinta 2. Tyhjiö 3. Absorberi 4. Lämmönsiirtopelti 5. Kuparinen U-muotoinen lämmönsiirtoputki 6. OPC-heijastin 8.2 Tasokeräin Tasokeräimen tarkastelumalliksi otin Kymppimetalli Oy:n valmistaman keräimen. Tasokeräin on todella yksinkertainen rakenteeltaan (KUVIO 6), ja se sopisikin sen takia hyvin tarkoitukseeni. Kyseisen firman keräinosa on saksalainen valmiste. Kymppimetalli Oy kertoo valmistajan lupaavan keräinkomponentille 95 %

21 absorptiokyvyn. Itse pidän arvoa erittäin suurena ja uskonkin siihen hieman varauksella, koska väitteelle ei ollut mitään todisteita. (Kymppimetalli 2007.) Keräinkomponentti on valmistettu kuparista, jonka rakenne on toteutettu niin sanotusti jakotukkikytkennällä. Tämä rakenne on itsekin hyvin helppo toteuttaa. Ennen kuin hain tietoa keräimistä, niin minulla oli jo mielessä juuri vastaavanlainen rakenne. Tämä aiheuttikin hieman ihmetystä, että kuinka yksinkertainen rakenne kaupallisissa keräimissä voi olla. Kaupalliset keräimet erottaakin itsetehdyistä yleensä absorptiopinnoilla käytetystä pinnoitteesta. Kyseisessä keräimessä onkin käytetty Tinox- pinnoitetta. Tinox- pinnoite antaa absorptiolle erittäin hyvän lämmön sitomiskyvyn ja kuulemma lämmön luovutuskin on vain noin 4 %. Koko keräimen rakenteesta löytyi hyvä esimerkki kuva yrityksen sivuilta, josta selviää kuinka yksinkertainen keräimen rakenne on (KUVIO 6). (Kymppimetalli 2007.) Keräimessä käytetty SunPlus-lasi on myös erikoistuote. Lasi on aurinkokeräimiin suunniteltu matalarautainen lasi. Kymppimetalli Oy:n mukaan sen lujuus on tavalliseen karkaisemattomaan lasiin noin viisinkertainen. SunPlus-lasi on Pilgintonin tuotemerkki. (Kymppimetalli 2007.) Juuri tämän keräimen hinta oli tällä hetkellä ( ) todella huokea. Hinta oli 395, keräimen koko oli 1.82 neliömetriä. Kuitenkin hinta on liian suuri, sillä tämän hetkisten laskujen mukaan tarvitsen noin 10 neliömetriä keräinpinta-alaa jolloin hinta on aivan liian suuri. Tarkemmat laskutoimituksen tulee myöhemmin. (Kymppimetalli 2007.)

22 KUVIO 6. Tasokeräimenpoikkileikkaus (Lainattu Kymppimetalli 2007.) 1. Alumiinista valmistettu kehys 2. Kivivilla, vahvuus 20mm 3. Kivivilla, vahvuus 55mm 4. SunPlus-lasi, joka on suunniteltu varta vasten keräimiä varten 5. Keräinlevy, Tinox-pinnoitteella 6. Alumiini kotelo

23 8.3 Lämpöpatterista valmistettu tasokeräin Tämän tyyppistä tasokeräintä ei ole markkinoilla, mutta ratkaisu on yleinen tee-seitse piireissä. Rakenteeltaan lämpöpatterista valmistettu tasokeräin ei eroa tavallisesta tasokeräimestä muuta kuin absorptio komponentista. Absorptiokomponentti on korvattu taloissa käytettävällä lämpöpatterilla. Vaikka lämpöpatterit on valmistettu raudasta, joilla ei ole niin hyvä lämmönjohtokyky kuin kuparista valmistetuissa, saadaan aikaiseksi kuitenkin tarpeeksi suuri lämpö varaajan lämmittämiseksi. Saatu lämpö ei ole yhtä suuri kuin käytettäessä kuparista jakotukkikytkentäistä kerääjää, mutta saatu hyötysuhde on kuitenkin kohtuullinen. Lämpöpatteria käytettäessä kerääjän hinta saadaan todella alas, koska vanhoja pattereita saa pilkkahintaan. Tämä asiahan onkin tärkein tässä projektissa. Lämpöpatteriin ei tarvitse tehdä sen kummempia vaan se sopii semmoisenaan kerääjäksi. Ainoastaan patterin pinnoite pitää muuttaa absorptiota varten sopivaksi eli esimerkiksi Tinox- pinnoite olisi täydellinen vaihtoehto tähän tarkoitukseen, mutta myös muut metallipitoiset mustat maalit sopivat tähän tarkoitukseen loistavasti.

24 9 KERÄINTYYPPIEN VERTAILU Keräintyyppien vertailussa käytän menetelmänä perinteistä +/- jaottelua. Erottelen jokaisesta käsitellystä aurinkokerääjätyypistä edut ja haitat. Näin saatujen tulosten perusteella valitsen sopivan kerääjätyypin. Tyhjiöputkikeräimen edut: Hyvä hyötysuhde Hyödyntää hyvin hajasäteet Erillistä eristettä ei tarvitse Asennuskulma suhteellisen vapaa Pitkä toiminta-aika Tyhjiöputkikeräimen haitat: Keräimen hinta Itse tehtynä lähes mahdoton toteuttaa Tasokeräimen edut: Hyvä hyötysuhde Yksinkertainen rakenne Edullinen valmistaa Tasokeräimen haitat: Keräimessä paljon saumoja Lämpölaajenemisesta johtuvat ongelmat

25 Lämpöpatterista valmistetun tasokeräimen edut: Yksinkertainen rakenne Edullinen valmistaa Varma rakenne Lämpöpatterista valmistetun tasokeräimen haitat: Materiaalin huono lämmönjohtumiskyky Pienehkö hyötysuhde

26 10 RATKAISUMALLIN VALINTA Ratkaisu on edellisessä osiossa olevien tulosten perusteella melko helppo. Tyhjiökerääjää on lähes mahdoton valmistaa itse sen hankalan rakenteen vuoksi. Ensinnäkin mistä saisi valmiita lasi-/muoviputkia, jotka soveltuisivat käytettäväksi aurinkokerääjässä. Toiseksi rakenteen hankala toteuttaminen toisi aikamoisia haasteita, varsinkin kun rakenteen pitää olla toimintavarma. Näistä seikoista johtuen tyhjiöratkaisua en aio toteuttaa. Kaikesta huolimatta tyhjiöratkaisu olisi varsin mielenkiintoinen yrittää toteuttaa. Tasokeräin olisi todella hyvä vaihtoehto, mutta sen varmuus tulee kärsimään pahasti johtuen useista liitoksista kerääjäkomponentissa. Tämä tulisi vastaan silloin kun käytettäisiin jakotukkikytkentää. Serpentiinikytkennässä tämä asia ei olisi esteenä, mutta lämpölaajeneminen tuo molemmissa kytkennöissä lisähaasteita. Kupari muutenkaan ei ole täysin huoleton materiaali, sillä jopa liiallinen nesteen virtausnopeus aiheuttaa kuparin sisäpintojen kulumista. Vaikka tasokeräinkin on suhteellisen edullinen rakentaa, en silti käytä tätä ratkaisumallia projektissani. Lämpöpatterista valmistettu aurinkokerääjä näytti parhaimmalta ratkaisumallilta. Kerääjän rakenne tulee todella yksinkertaiseksi käytettäessä kerääjäkomponenttina lämpöpatteria, joka taasen tekee kerääjästä toimintavarman. Vanhoja lämpöpattereita saa myös ostettua edullisesti, joka auttaa toteuttamaan projektin läpi mahdollisimman vähin kustannuksin. Kerääjään ei myös näin ollen tarvitse suunnitella kuin runko ja eristys patterin ympärille. Tämän tyyppinen kerääjä on suosiossa tee-se-itse piireissä. Ja tätä ratkaisua käyttäneet ovat kertoneet sen olevan myös erittäin hyvin toimiva ja varma ratkaisu. Näitten ominaisuuksien saattelemana toteutan projektissani tämän ratkaisumallin.

27 11 JÄRJESTELMÄN MITOITTAMINEN Järjestelmässä on monta kohtaa, jotka pitää miettiä erikseen. Niitä ovat putkisto, pumppuyksikkö, kerääjä ja näihin liittyvät pienemmät kokonaisuudet Putkisto Putkisto on yksi järjestelmän oleellisempia osia, koska siellä kulkee lämmönsiirto väline eli vesi. Vettä kylläkin terästetään propyleeniglykolilla jotta neste ei jäätyisi talvisaikaan. Tehokkaimmissa keräimissä nesteen lämpötilavaihtelu voi olla jopa 200 astetta, joten putkiston pitää olla luotettava jotta se kestää sen vuotamatta. (Erkkilä 2003, 41) Aurinkolämpöjärjestelmissä käytetään putkimateriaalina yleensä kuparia ja sitä minäkin tulen käyttämään. Käytän järjestelmässä 18mm kupariputkea, jota menee noin 20 metriä hukkapalat mukaan laskettuna. Putki pitää eristää villalla, koska solumuovieristeet ja vastaavat sulavat kovan lämmön johdosta, joten ne sovellu aurinkojärjestelmän eristeeksi. (Erkkilä 2003, 42) Putkistoihin pitää tehdä myös paisuntalenkkejä, jotka estävät putkiston rikkoutumisen kun putkisto elää lämmön vaikutuksesta. Myös kannakoinnissa tulee ottaa huomioon tämä asia. (Erkkilä 2003, 42) Putkistoon kuuluu myös kierukka, jonka ostan valmiina sen edullisuuden takia. Kierukka sijoitetaan varaajaan, lämminvesikierukan alapuolelle. Tällöin lämmitettäväksi vesi määräksi tulee noin 500 litraa. Koska kerääjät ovat 8 metrin korkeudella, niin paisuntasäiliön esipaineeksi tulee säätää 1bar. (Erkkilä 2003, 57.)

28 11.2 Kiertovesipumppu Pumpun tehtävänä on saada aikaan järjestelmässä virtaus, jotta lämmin vesi saadaan johdettua kierukkaan ennen kuin vesi jäähtyy. Kiertovesipumpuksi valitsen saman pumpun, kuin mikä on kattilan järjestelmässä. Grundfossin pumppu on ollut todella luotettava ja se sisältää virtausnopeuden säätimen. Säädin helpottaa järjestelmän säätämistä eikä näin ollen tarvita erillistä ohjausjärjestelmää. Pumppua ohjataan kerääjän poistoputkeen sijoitetulla anturilla, joka ohjaa pannuhuoneeseen sijoitettua termostaattia. Termostaatilla säädetään haluttu lämpötila, jolloin pumppu alkaa kierrättää vettä kierukkaan. Termostaattina käytän Honeywellin mallia, joka on ollut käytössä kattilan ohjauksessa. (Erkkilä 2003, 43.) 11.3 Kerääjä Kerääjiä valmistan 4 kappaletta, jotka yhteen laskettuna saavat aikaan noin 4.8m 2 absorptiopinnan. Neliömäärä tulee patterien koosta, jotka ovat 600x2000mm. Saatu määrä on sopiva 500 litran lämmitykseen. Rakentelu piireissä sanotaan, että nyrkkisääntönä voidaan pitää sitä että neliömetrillä lämmittää noin 100litraa vettä. Tämän säännön puitteissa tarvitsen noin 5 m 2 absorptiopintaa, joka täyttyy suurin piirtein neljällä keräinelementillä. Rakentelupiireissä keräimiä käytetään omakotitalojen lämmitykseen, niin hallin veden lämmitykseen neliöt varmasti riittää, koska lämpimänveden tarve ei ole jokapäiväistä.

29 14 KERÄÄJÄN SUUNNITTELU Kerääjissä käytetään yleensä puurunkoa. Tällöin ei tarvitse välttämättä tuuletusaukkoja keräimen hengitystä varten, koska puu päästää kosteuden lävitseen. Kerääjän rungon valmistan vesivanerista, joka on paksuudeltaan 20mm. Pohja valmistetaan 5mm vesivanerista. Näistä kootaan RST- puuruuveja käyttäen laatikko, joka on kooltaan 780x2200x100mm (KUVIO 7.) Laatikkon kylkiin voidaan porata muutama tuuletus reikä kosteuden välttämiseksi. Kylkiin pitää myös tehdä aukot putkistoa varten. (KUVIO 7. Keräinlaatikko) Seuraavaksi on vuorossa eristeiden laitto, joilla laatikko vuorataan kauttaaltaan (KUVIO 8.). Eristeenä käytän 50mm kovavillaa, joka omaa hyvän lämmöneristyskyvyn. Eristeen laiton jälkeen laatikon koko kutistuu kokoon 640x2160x50mm

30 (KUVIO 8. Eristetty keräinlaatikko) Eristyksen laiton jälkeen laatikkoon pohjalle laitetaan alumiinifoliota, joka heijastaa lämpöpatterin takapuolelta johtuvan lämpösäteilyn takaisin patteriin. Rakentelupiireissä käytetään patterin maalaamiseen teknoksen konepajapohjamaalia, jonka päälle vedetään musta horna, joka toimii absorptiopintana. Maalattu patteri asennetaan patterin omilla kiinnikkeillä laatikon pohjalle, niin että folion ja patterin väliin jää noin 10mm ilmaväli. Seuraavaksi laatikkoon asennetaan kansi joka myös kiinnitetään RST- ruuveilla korroosion estämiseksi (KUVIO 9.).

31 (KUVIO 9. Patteri kotelossa) Runko täytyy koteloida tippapellillä, koska muuten vesi pilaisi puurakenteet. Tämän jälkeen komponentti on valmis asennusta varten. Ennen lasin laittoa patteriin tehdään tarpeelliset kytkennät. Kanteen asennetaan karkaistu lasi, joka on normaalia lasia paljon kestävämpi. Lasi leikataan aukkoa isommaksi, noin 10mm per puoli. Lasi kiinnitetään kanteen listoilla, jotka tiivistetään tiivistemassalla. Valmis kerääjä kuviossa 10.

32 (KUVIO 10. Valmis kerääjä)

33 15 KUSTANNUSARVIO Kustannuksien arviointi omatekoisen aurinkokeräinjärjestelmään on hankalaa. Tässäkin projektissa uutta tavaraa ei tule kuin pumppu ja termostaatti. Muut laitteet hankitaan käytettyinä. Taulukossa 1. on kuitenkin suuntaa antava kustannusarvio järjestelmän rakentamiseksi neljällä keräin elementillä. TAULUKKO 1. Hinnasto TARVIKE MÄÄRÄ HINTA Vaneri 20mm 2.4m2 140 Vaneri 5mm 6.8m2 250 Villa 50mm 8m2 50 Lasi 2-3mm 8m2 100 Kupariputki 18x16mm 20m 220 Kierovesipumppu 1kpl 100 Termostaatti 1kpl 20 Kierukka 1kpl 60 Paisuntasäiliö 1kpl 30 Yhteensä: 970 Loppusumma jää odotettua pienemmäksi. Järjestelmän hinnan kipurajana pidin 2000, joka alittuu reilusti. On otettava tietenkin huomioon, että esimerkiksi lasin hinta voi vaihdella suuresti kun sitä käytettynä lähtee etsimään. Ja kun valmiiden järjestelmien hinta alkaa noin 3000 :sta, joka sisältää parineliötä absorptio pintaa. Omatekoisen keräinelementin hinnaksi jää noin 135, joka sisältää 1,2 m 2 absorptiopintaa. Vaikka elementtejä jouduttaisiin lisäämään, niin hinta jää paljon valmista järjestelmää pienemmäksi.

34 16 LOPPUARVIO Omatekoinen aurinkokeräinjärjestelmä tulee odotettua halvemmaksi. Tästä johtuen tulen tekemään järjestelmän itse, enkä osta valmista. Näin tästä jo ilmaisesta energiasta saadaan vieläkin edullisempi. Todellisen järjestelmän tehon saan tietoon vasta sen valmistuttua, kuin myös järjestelmän käyttökustannukset. Kustannukset kuitenkin jäävät pienimmiksi, kuin puilla lämmittäminen. Aurinkokeräinten yleistyessä valmiiden järjestelmien hinnatkin varmasti tulevat laskemaan. Jos tuleva järjestelmä on toimiva, niin voi olla että otan samanlaisen järjestelmän käyttöön myös omakotitalossa. Aurinkokeräinten valmistukseen löytyy hyvin kirjallisuutta ja myös internetistä tietoa löytyy todella paljon.

35 LÄHTEET Erkkilä Vesa Aurinkolämpöopas itserakentajille. Jyväskylä: Gummerus Erat, Erkkilä, Löfgren, Nyman, Peltola & Suokivi Aurinko-opas: aurinkoenergiaa rakennuksiin. Nurmijärvi: Kirjakas Luentomateriaali Oulun Teknillinen Oppilaitos Alternative. WWW-dokumentti. Saatavissa: Luettu Kymppimetalli Oy. WWW-dokumentti. Luettu Callidus. WWW-dokumentti Saatavissa: Luettu