LÄMPÖPUMPPUSOVELLUTUKSET KIINTEISTÖJEN LÄMMITYKSESSÄ

Transkriptio

1 LÄMPÖPUMPPUSOVELLUTUKSET KIINTEISTÖJEN LÄMMITYKSESSÄ ELLO - Etelä-Suomen logistiikka WP4:EcoHub konseptin kehittäminen Forssa Maria Virtanen Maria Virtanen

2 TIIVISTELMÄ FORSSA WP4:EcoHub konseptin kehittäminen Tekijä Maria Virtanen Vuosi 2010 Työn nimi Lämpöpumppusovellutukset kiinteistöjen lämmityksessä TIIVISTELMÄ ELLO on Euroopan aluekehitysrahaston osittain rahoittama hanke, jonka tavoitteena on kehittää Etelä-Suomen kuljetuskäytävän kilpailukykyä. Hämeen ammattikorkeakoulu vastaa WP4 EcoHub konseptin kehittämisen toteutuksesta. EcoHub konseptilla tarkoitetaan tässä yhteydessä kolmen eri liikennemuodon (ilma, maantie ja rautatie) solmukohtaa ja välittömässä läheisyydessä olevaa logistiikka-aluetta. Aiheeni Lämpöpumppusovellutukset kiinteistöjen lämmityksessä sisältää teoriaosuuden lämpöpumpuista, niiden tekniikasta ja mitoituksesta. Lisäksi käsittelen ilmastointi- ja ilmanvaihtojärjestelmiä, jäähdytysmenetelmiä ja lainsäädäntöä sekä EcoHub-alueelle mahdollisesti lämpöpumppusovellutusten sijoittamista, mitoittamista ja sähkönkulutusta. Raportissa sovelletaan pääosin professori Antero Aittomäen tutkimustuloksia, RT- ja LVI-kortistosta saatua teoriaa, Kirssin diplomityötä Kaukojäähdytysverkon rakennevaihtoehdoista sekä Junkalan ylemmän ammattikorkeakoulun tutkinnon lopputyötä Maalämpöpumppulämmitys IKEAtavarataloissa. Lisäksi olen saanut tietoa tulevaisuuden näkymistä Rakennustekniikka- ja Rakennuslehdestä. Tässä raportissa sain myös ohjausta professori Timo Kalemalta. Päätulokset löytyvät kohdasta 8 Tulevaisuuden näkymät ja erityisesti Ellohanke otsikon alta. Tässä kohdassa tarkastellaan kahta vaihtoehtoa, joista A-vaihtoehdossa saadaan lentokentän toimistorakennuksen, lentoasemarakennuksen ja pelastusaseman lämpöenergian tarpeeksi 704 MWh/a ja sähkönenergian tarpeeksi 449 MWh/a. B-vaihtoehdossa edellisten kiinteistöjen lisäksi on otettu mukaan lentokonehalli. Tällöin vastaavat luvut lämpöenergian osalta on MWh/a ja sähköenergian osalta 1477 MWh/a. C vaihtoehto sisältää koko alueen kiinteistöt ja lämpöenergian tarpeeksi saatiin MWh/a ja sähköenergian osuudeksi MWh. Käyttövettä ei lämmitetä erikseen vaan se hoidetaan tulistuksen tai sähkövastusten avulla. Lämmönjaossa käytetään lattialämmitystä, sillä lattialämmityksen matala lämpötilataso mahdollistaa lämpöpumpun alemman lauhtumislämpötilan. Myös aurinkokeräinten käyttö lämpimän käyttöveden lämmittämiseen mahdollistaa lämpöpumpun toimimisen alemmalla lauhtumislämpötilalla. Avainsanat Energia, geoterminen energia, maalämpö, uusiutuvat energiat Sivut 28 s, liitteet 1 s.

3 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO MAALÄMPÖPUMPUN TOIMINTA Maalämpötekniikka Lämmönjakojärjestelmä Lämpöpumppu Lämmönkeruuputkisto Lämpökerroin Maalämpöpumpun tyypit Käyttövesivaraajalla varustettu maalämpöpumppu Järjestelmässä erillinen lämmitysvaraaja käyttövesikierukalla Kalliolämpötekniikka Paalut Jätelämmönlähteet Vesilämpötekniikka Lämpöpumppu ja aurinkolämpö Suurten kiinteistöjen maalämpöjärjestelmät Mitoittaminen Maalämpöputkiston mitoittaminen Kalliolämpöputkiston mitoittaminen Järvilämpöputkiston mitoittaminen SUORAHÖYRYSTYSLÄMPÖPUMPPU ILMALÄMPÖPUMPPU Ilmalämpöpumppu Poistoilmalämpöpumppu ILMASTOINTI- JA ILMANVAIHTOJÄRJESTELMÄT Ilmanvaihtojärjestelmät Painovoimainen ilmanvaihto Koneellinen poistoilmajärjestelmä Koneellinen tulo- ja poistoilmajärjestelmä Energiatarkastelu KÄYTÄNNÖN KOKEMUKSIA Suvilahden lämpöverkko Vaasassa Tampereen Ikean kalliolämpö RAKENNUKSEN ENERGIAKULUTUS Rakennuksen lämmitys Rakennuksen jäähdytys Vapaa jäähdytys Absorptiojäähdytin Kompressoritekniikka Lämpöpumput Jäähdytysenergian tarve Hiilidioksidipäästöt

4 8 TULEVAISUUDEN NÄKYMÄT Inex Partners Oy:n logistiikkakeskuksen energialaitos ELLO-hanke Yleistä Ello-hankkeesta EcoHub-alueen lämpöenergiatarpeet Vuosittainen lämmityskulu maalämmöllä Sähkönkulutus Ehdotukset Tulevaisuuden visiot LAINSÄÄDÄNTÖ SUOMESSA Maankäyttö- ja rakennuslaki (132/1999) Kiinteistönmuodostamislaki (554/1995) Ympäristönsuojelulaki (86/2000) Vesilaki (264/1961) Kemikaalilaki (744/1989) Terveydensuojelulaki (763/1994) Kuntien ympäristönsuojelumääräykset ja rakennusjärjestys Rakentamismääräyskokoelma LÄHTEET Liite 1 Lämpöpumpun lämpökertoimen vaikutus energiaosuuksiin 3

5 1 JOHDANTO Lämpöpumppu ottaa talteen maahan, kallioon, veteen tai ilmaan auringosta varastoituvaa lämpöenergiaa ja siirtää sitä rakennuksen ja käyttöveden lämmittämiseen. Lämpöpumpun ympäristöystävällisyys energian säästön ansiosta on vaikuttanut lämpöpumppulämmityksen yleistymiseen viime vuosina. Lämpöpumpun tehokkuutta mitataan lämpökertoimella, joka on saadun lämmitystehon suhde tarvittavaan sähkötehoon. Lämpöpumpun suorituskyvyn ilmaisee sen tuoman lämpömäärän suhde koneen tekemään työhön: Jos lämpökerroin =4 (vastaa 100 %), höyrystyy tällöin -1= 75 %, sillä sähköä vastaa 1(=25 %). 2 MAALÄMPÖPUMPUN TOIMINTA Lämpöpumppulämmitys on keskuslämmitys, mikä tarkoittaa sitä, että lämpö siirretään joko veden tai ilman välityksellä lämmitettävään tilaan. (Aittomäki 2001, 6). Maalämpöjärjestelmää käytetään yleisimmin pientaloissa, mutta järjestelmä on sitä kannattavampi, mitä suurempi rakennus ja energiankulutus ovat. Maalämmitys soveltuu hyvin esimerkiksi liike-, toimisto- ja teollisuusrakennuksiin tai asuinkerrostaloihin ja rivitaloihin. (RT , 2001, 1). 2.1 Maalämpötekniikka Maalämpöjärjestelmä muodostuu kolmesta eri osa alueesta: Lämmönjakojärjestelmästä, maalämpöpumpusta ja lämmönkeruuputkistosta Lämmönjakojärjestelmä Lämmönjakojärjestelmänä rakennuksissa tulee olla vesikiertoiset patterit, vesikiertoinen lattialämmitys tai vesikiertoiset puhallinpatterit. Maalämpöjärjestelmän paras hyötysuhde saadaan, kun lämmönjakojärjestelmän lämpötila on mahdollisimman alhainen. Paras mahdollinen lämmönjakotapa on valettu betonilattia. Patteriverkoston korkea hyötysuhde saadaan, kun pattereiden yhteenlaskettu pinta-ala on suuri. Vesikiertoiset puhallinpatterit perustuvat suhteellisen alhaiseen veden lämpötilaan. (Senera Oy). Parhaat lämmönjakotavat ovat lattialämmitys ja ilmalämmitys. Lattialämmityksessä putkistoon menevän veden lämpötilaoptimi on hieman yli 30 C. Ilmalämmityksen ilmavirrasta riippuva lämpötila on edelleen riippuvainen rakennuksen lämmöntarpeesta lattia-m 2 kohti. (Aittomäki 2001, 7). 4

6 2.1.2 Lämpöpumppu Lämpöpumpun tärkeimmät osat ovat höyrystin, kompressori ja lauhdutin. Kylmäainetta kierrätetään lämpöpumpun tai kylmäkoneen suljetussa prosessissa. Kylmäaine höyrystyy esimerkiksi -15 C, ja muuttuu nesteeksi korkeammassa paineessa huolimatta korkeammasta lämpötilasta esimerkiksi (+50 C). Kylmäaineen höyrystyminen sitoo lämpöä ja lauhtuminen luovuttaa lämpöä. Luonnollisia kylmäaineita ovat ammoniakki, propaani ja hiilidioksidi. (LVI , 2002, 2). Keinotekoisia kylmäaineita ovat kloorivapaat HFC- ja HCFC- yhdisteet (R407C, R404a ja R410), mutta niillä on kasvihuoneilmiötä lisäävä vaikutus. Hiilidioksidi on ympäristölle haitatonta. (Aittomäki 2005, 9). Kompressori kasvattaa painetta, mikä nostaa kylmäaineen lämpötilaa. Lauhduttimessa kaasu lauhtuu ja siirtää energiansa rakennuksen lämmitysveteen, joka siis lämpenee. Kylmäaine on lauhtumisen ansiosta palautunut nestemäiseen olomuotoon, paisuntaventtiili päästää paineen laskemaan, ja kaikki alkaa taas alusta höyrystimessä. (Hemgren & Wanfors 2002, 165) Lämpöpumppukoneiston toimintakaavio on kuvassa 1 (Aittomäki 2001, 6). Kuva 1 Lämpöpumppukoneiston toimintakaavio Lämmönkeruuputkisto Maalämmössä pumppu noutaa maahan kesällä varastoitunutta auringon lämpöä vaakasuuntaisella putkistolla noin 1,2 metrin syvyydestä. Lämmönkeruuputkiston pituus on yleensä noin metriä. Lämmönkeruuputkisto edellyttää sopivaa maalajia ja riittävää maa-alaa putkistolle. Maalajeista savi ja siltti soveltuvat hienorakeisuutensa ja kosteutensa vuoksi parhaiten. (Aittomäki 2001, 17). 5

7 Taulukko 1 Ohjeellisia arvoja maasta vuotuisesti saatavalle lämpöenergialle kwh/m. (SULPU) Sijainti Savi Hiekka Etelä ¹ Linjan Suomi¹ Keski Kokkola - Savonlinna Suomi eteläpuoli Pohjois Suomi² ² Lappia lukuun ottamatta Kuva 2 Maaperän vuotuinen keskilämpötila Kuvassa 2 on alueittain Suomen maaperän vuotuinen keskilämpötila. Kartta perustuu Ilmatieteen laitoksen ja Geologian tutkimuskeskuksen tutkimuksiin. Paikkakunnan vuosittainen ilman keskilämpötila määrää maankamaran lämpötilan: Tmaa = 0.71 Tilmaa+2,93 Kuva 3 Maankamaran lämpötila eri vuodenaikoina 6

8 Kuvan 3 mukaan maan pinnan lämpötila vaihtelee ilman lämpötilan mukaan (vuodenaikojen mukaan). Noin 15 metrin syvyydeltä lähtien lämpötila on vuodenajasta riippumaton. kallioperän lämpötila 100 metrin syvyydessä on n. 7-8 C. Pyhäsalmen kaivoksessa lämpötila on 1450 metrin syvyydessä n. 22 C ja Outokummussa 2500 metrin syvyydessä 40 C. (Leppäharju & Kukkonen, 2008). Vierekkäisten putkien etäisyys toisistaan on 1,5 metriä. Putkea ei tule sijoittaa ilman eristystä 2 m:ä lähemmäksi perustuksia ja se tulee eristää vesijohtojen ohitusten kohdalta. Putket asennetaan kahtena rinnakkaisena lenkkinä, mikäli putken pituus ylittää 400 metriä. Putkikaivanto tiivistetään veden avulla ja se täytetään kivettömällä maalla. (Aittomäki 2001, 17). Muoviputken seinämä toimii myös eristeenä, joten paksumpi putken seinämä heikentää lämmön siirtymistä maaperästä, kalliosta tai vesistöstä lämmönkeruunesteeseen. Lämmönkeruuputkistossa kiertää veden lisäksi bioetanolia, jotta liuoksen jäätymispiste olisi tarpeeksi alhaalla. Tämä siksi, että lämmönkeruuneste voi jäähtyä 5 C. Jos lämmönkeruujärjestelmä vaurioituu, voi maaperään tai vesistöön vuotaa veden ja bioetanolin seosta, mutta toisaalta bioetanoli haihtuu helposti ja liukenee veteen. 400 metrin matkalla lämmönkeruuputkistossa on vesibioetanoli-seosta 440 litraa, josta bioetanolin osuus on n.132 litraa. Bioetanoli on alkoholi. Lämmönkeruuneste lämpiää n. 3 astetta, kun se kiertää maa-, kallioperässä tai vesistössä. (Senera Oy) Lämpökerroin Lämpökertoimella mitataan lämpöpumpun tehokkuutta ja se saadaan jakamalla lämmitysteho tarvittavalla sähköteholla. Lämpökertoimen arvo 3 tarkoittaa, että jokaista 1 kwh kulutettua sähköenergiaa kohti saadaan lämpöä 3 kwh. Lämpökertoimen arvo riippuu lämpötiloista lämmönoton (lämmönlähteen) ja lämmön käytön (lämmitysjärjestelmän) puolella. Lämpökertoimelle on laadittu eurooppalainen normi (EN 255). (Aittomäki 2001, 7). 2.2 Maalämpöpumpun tyypit Käyttövesivaraajalla varustettu maalämpöpumppu Lämpöenergiaa luovutetaan kylmäaineesta höyryn jäähdytinlämmönsiirtimessä lämpimän käyttöveden kuumentamiseen varaajaan ja sen jälkeen lauhdutinlämmönsiirtimessä vesikiertoiseen lattialämmitysjärjestelmään tai käyttöveteen. Suomessa käytetään tulistuksen jäähdytintä lämpimän käyttöveden kuumentamiseen. Tulistuksen jäähdyttimessä kompressorilta lähtevän tulistuneen kuuman kaasun annetaan luovuttaa kuumimman osan lämpöään lämmönsiirtimen avulla lämpimän käyttöveden kuumentamiseen. (LVI , 2002, 4). 7

9 2.2.2 Järjestelmässä erillinen lämmitysvaraaja käyttövesikierukalla Käyttövesi kuumennetaan lopuksi erillisessä varaajassa sähkövastuksella. Lämpöenergia luovutetaan lauhdutinlämmönsiirtimessä vesikiertoiseen lattialämmitysjärjestelmään tai ilmalämmitysjärjestelmään ja /tai käyttöveden esilämmittämiseen. (LVI , 2002, 4). 2.3 Kalliolämpötekniikka Kallioon porataan pystysuuntaan reikä, johon lämmönottoputki sijoitetaan. (ks. kuva 4). Mikäli kallion päällä on irtomaata, joudutaan tämä osuus varustamaan suojaputkella. Suojaputki estää myös pintaveden pääsyn porareikään. Lämpö otetaan kalliosta suljetulla kierroksella liuoksen välityksellä. Reikään asennetaan 2-4 kpl putkea, osa on liuoksen menoputkia, osa paluuputkia. Reikien kokonaissyvyys riippuu lämmön tarpeen lisäksi kallion vedentuottokyvystä tai pohjaveden pinnan tasosta. Pystyputkistosta saadaan kaksinkertainen määrä lämpöä vaakaputkistoon verrattuna. Koepumppauksella saadaan selville veden virtaus. Jäätymisen vuoksi lämpökaivoa ei voi käyttää talousvedenottoon. Normaalisti reiän syvyys on m, mikäli tarve ylittää 200 m tarvitaan useampia kaivoja 15 metrin etäisyydelle toisistaan. (Aittomäki 2001, 17 18). Kuva 4 Normilämpökaivo (Poratek) 2.4 Paalut Rakennuksien pohjarakentamisessa käytettäviin paaluihin asennetaan keräysputkisto, jossa lämmönkeräysnestettä voidaan kierrättää. Kostea ja savinen maaperä soveltuu termisiltä ominaisuuksiltaan termisen energian 8

10 hyödyntämiseen. Paalujen lämpövaste on parempi kuin kallion tai maan, ja teräsbetonilla on suurempi lämpökapasiteetti. Maahan asennetaan sylinterin muotoinen teräksinen tukihäkki, johon on kiinnitetty keräysputkisto venttiileineen. Kun painekokeet on tehty, se valetaan täyteen betonia. Paalujen pituudet vaihtelevat välillä m ja halkaisijat 0,4 0,6 m. Energiapaalutusta toteuttanut yritys on arvioinut paalujen avulla saavutettavan lämpövirrantiheydeksi W/m, kun ko. maalla on hyvät termiset ominaisuudet. Energiapaaluja on hyödynnetty lämmitykseen ja jäähdytykseen toimisto-, liike- ja kokoontumisrakennuksissa mm. Itävallassa, Sveitsissä, Saksassa ja Kanadassa. (Pesonen 2005, 60 61). 2.5 Jätelämmönlähteet Jätevesilaitoksissa prosessi-, huolto- ja konttoritiloja lämmitetään öljyllä tai sähköllä, vaikka jäteveden mukana poistuu suuria lämpömääriä melko korkeassa lämpötilatasossa (yli 5 C). Suomessa jätevesilaitokset ovat hyvä kohde lämpöpumpulle, jolla jätevedestä voitaisiin saada ilmaisenergiaa yhteensä n. 160 TWh/a. Sähkölämmitetyissä laitoksissa sähkön säästö olisi merkittävä. Lämmöntarpeeltaan merkittäviä kunnallisia laitoksia Suomessa on 420 ja lämpöenergiaa ne käyttävät yhteensä 300 TWh/a. Suomessa on rakennettu muutama laitos lämmitysjärjestelmien saneerauksina käyttäen lämmönottoon ilmastusaltaan seinille sijoitettua putkistoa. Tehokkaampi tapa on ottaa lämpö suoraan höyrystimen läpi virtaavasta puhdistetusta jätevedestä. Teoreettisten vertailujen perusteella parhaalta näyttänyt kylmäaine R507 oli lauhduttimessa selvästi parempi paremman lämmönsiirron takia. Kiteen vesikunnan laitoksella tehtyjen tutkimusten perusteella saatiin selville, että höyrystinpuolella ongelmana oli nesteputkien liian tiukka mitoitus. R507:n massavirta on noin 50 % suurempi kuin R407C:llä ja tämän takia painehäviö nestesyötössä oli liian suuri eikä paisuntaventtiiliä saatu toimimaan kunnolla. Lämpöpumpun optimaalinen mitoitusaste on noin 70 %, riippuen hieman lämmitysjärjestelmän lämpötilatasoista ja energian(yleensä sähkön) hinnasta. Lämpöpumpun toimintaan vaikuttavia lämpötiloja ovat ilman menolämpötilan mitoitusarvo (ohjaus ulkolämpötilan mukaan), jäteveden lämpötila ja hallin lämpötila. Hallin lämpötiloina oli kaksi tapausta, 10 ja 15 celsiusastetta. Lämpötilatason mukana nousee luonnollisesti energian tarve noin 25 %. Lämpöpumpulla saatavissa oleva säästön osuus pysyy kuitenkin suunnilleen samana, mutta absoluuttinen määrä kasvaa lämmöntarpeen suhteessa. Koska samalla lämpöpumpun tehokin nousee (jos mitoitusaste pidetään samana), ei kannattavuus juuri muutu. Korkeammalla prosessihallin lämpötilatasolla mitoitusaste on suurempi, koska vuotuinen lämmöntarve on suurempi. Jäähdytysenergian ominaistuotto (kj/m3) on suurimmalla osalla aineista vajaa 3000 kj/m3. R410-seoksilla se on selvästi muita suurempi, (n kj/m3). Huonoimmat tässä suhteessa ovat R134a, R152a ja R409A, joilla tilavuustuotto matalista paineista johtuen on vain vajaat 2000 kj/m3. Mitä 9

11 pienempi on tuotto, sitä suurempi kompressori tarvitaan. (Aittomäki 2000, 5,7,11,22). 2.6 Vesilämpötekniikka Putki pitäisi asentaa riittävän lähelle kiinteistöä omassa kaivannossaan meno- ja paluuputki. Jos putki asennetaan matalaan kohtaan, on se upotettava pohjasedimenttiin. Putkesta saatava teho on W/m. Putki on ankkuroitava pohjaan betonisilla painoilla. Rannassa putket on kaivettava pohjaan, etteivät jäät vie niitä mennessään. Lämmönotto ei vaikuta vesistön ekologiaan, sillä otettu lämpömäärä on pieni verrattuna vesistön ja auringon kokonaislämpömäärään.(aittomäki 2001, 17 19). 2.7 Lämpöpumppu ja aurinkolämpö Aurinkolämmityksen kerääjästä saatavan energian määrää voidaan lisätä kytkemällä mukaan lämpöpumppu. Lämpöpumpusta saatava hyöty on sitä suurempi mitä suurempi kerääjä on. Parhaimmillaan lämpöpumppujärjestelmällä saadaan hyödynnetyksi kaksinkertaisesti auringon energiaa pelkkään nestekerääjään verrattuna. Kerääjästä saatavan hyötyenergian määrä kasvaa myös siksi, että lämmönsiirtonesteen lämpötila voidaan pitää kerääjässä alhaisena. Tämä on mahdollista kuvan 5 mukaisella lämpöpumppujärjestelmällä, jossa lämpöpumppu on kytketty kahden varaajan väliin. Lämpöpumpun lämmönlähteenä toimii matalassa lämpötilassa oleva glykolivaraaja, josta lämpö siirretään korkeassa lämpötilassa olevaan vesivaraajaan. Kun kerääjästä ei saada riittävästi lämmitysenergiaa, sitä tuotetaan vesivaraajaan sähkövastuksella. Kerääjästä saatava energia voidaan viedä joko glykolivaraajaan tai vesivaraajaan riippuen niiden lämpötiloista. (Seppänen & Seppänen 1997, ). Kuva 5 Aurinkoa lämmönlähteenään käyttävän pientalon lämpöpumppulaitoksen kytkentäesimerkki.1) Kerääjä, 2) Glykolivaraaja, 3) Tasaaja, 4) Lämpöpumpun kompressori, 5) Vesivaraaja, jossa sähkövastus, 6) Lämmönsiirrin (tuloilman lämmitys), 7) Lämmönsiirrin (kierrätysilman lämmitys), 8) Lämmönsiirrin (käyttöveden lämmitys). 10

12 2.8 Suurten kiinteistöjen maalämpöjärjestelmät Suuria kiinteistöjä varten valmistetaan maalämpöpumppuja (IVT Greeneine), jotka ovat teholtaan 21 kw, 26 kw, 35 kw, 45 kw, 55 kw ja 70 kw. Maalämpöpumput voidaan kytkeä rinnakkain. Master pumppu käy silloin, kun lämmön tarve on vähäinen, slave pumput lähtevät käymään lämmön tarpeen kasvaessa. Jotta master - pumpun käyntiaika ei nousisi huomattavasti suuremmaksi kuin slave - pumppujen, vaihtavat maalämpöpumput viikon väliajoin roolejaan master:sta slave:ksi. Mikäli tarvitaan erityisen runsaasti lämpöenergiaa, käytetään useampia n. 400 m pitkiä lämmönkeruupiirejä. Lämmönkeruupiirit kytketään kytkentäkaivon avulla maalämpöpumpulle lähtevään ja maalämpöpumpulta tulevaan runkolinjaan. Kytkentäkaivosta lämmönkeruuliuos ohjataan jakautumaan tasaisesti useampaan lämmönkeruupiiriin. Virtauksenjakajien avulla varmistetaan virtauksen tasainen jakautuminen useisiin lämpökaivoihin tai lämmönkeruupiireihin maaperässä tai vesistössä. Suomen suurimmat lämmönkeruujärjestelmät ovat kokonaispituudeltaan n. 8 km. (Senera Oy). 2.9 Mitoittaminen Maalämpöputkiston mitoittaminen Vaakaputkiston lämmönkeruu perustuu maaperän jäätymislämmön hyödyntämiseen, Maaperän ominaislämpökapasiteetti vaihtelee 0,2 1,2 kwh/m 3 C riippuen maalajista ja sen kosteudesta. Maalajien lämmönjohtavuus puolestaan vaihtelee 0,5 3,25 W/m C maalajista ja sen kosteudesta riippuen. Taulukossa 2 on maalajin jäänmuodostuslämpömäärä kwh/m 3. Taulukko 2 Maalajien jäänmuodostuslämpömäärä kwh/m 3. Maalaji Maksimi, kwh/m 3 Minimi, kwh/m 3 Savi Kuiva savi Savinen siltti Siltti Hiekka Moreeni Turve Esimerkki vaakaputkiston mitoituksesta: Rakennuksen lämpöenergiantarve kwh/a Lämmöntuotto maalämpöpumpulla, jonka COP = 3 Maaperä savea Vaakaputkistolla kerättävä lämpömäärä lasketaan kaavalla: Q maa = kwh/a * 0, 67 = kwh/a (1) kaavassa 1 arvo 0, 67 saadaan liite 1 olevasta taulukosta, jossa on lämpökertoimen vaikutus lämpöpumpun energiaosuuksiin. Vaakaputkiston pituus voidaan laskea kaavalla 2: 11

13 Maa L =13400/55= 245 metriä (2) Kaavan 2 arvot tulevat kaavasta 1 ja taulukosta1. Mikäli vaakaputkiston pituus ylittää 400 metriä, on putket asennettava kahtena rinnakkaisena putkilenkkinä virtausvastusten pienentämiseksi. Putkilenkkien häviöiden tulee olla yhtä suuret. (SULPU, 14 15) Kalliolämpöputkiston mitoittaminen Lämpöpumpun lämmönlähteenä käytetään porattavaa porakaivoa, joka noudattaa PoraTek Ry:n normilämpökaivon vaatimuksia. Lämpökaivo mitoitetaan siten, ettei tapahdu jäätymistä. Lämpökaivosta saatava energian määrä riippuu siitä, kuinka paljon vesi siirtää lämpöenergiaa peruskalliosta. Lämpökaivon tarkkaa syvyyttä ei pystytä määrittämään suunnitteluvaiheessa, sillä veden tuoton arviointi etukäteen on mahdotonta. Lämpökaivon todellinen syvyys saadaan porauksen ja koepumppauksen avulla. Suunnittelun aikana voidaan lämpökaivon syvyyttä määrittää kustannusten arvioinnin vuoksi. Esimerkki lämpökaivon mitoituksesta: Rakennuksen lämpöenergian tarve kwh/a Lämmöntuotto maalämpöpumpulla, jonka COP = 3 Lämmönlähteenä lämpökaivo Lämpökaivosta kerättävä lämpömäärä voidaan laskea kaavalla: Q maa = kwh/a* 0, 67 = kwh/a (3) kaavassa 3 arvo 0, 67 saadaan liitteenä olevasta taulukosta, jossa on lämpökertoimen vaikutus lämpöpumpun energiaosuuksiin. Lämpökaivon aktiivinen syvyys voidaan laskea kaavalla: Kaivo s = (13400/50)* 0, 5 = 134 metriä (4) Kaavan 4 lämpökaivon lämpöenergian määrä on 50 kwh/m. Lämpökaivon oletetaan olevan ns. kuivakaivo, josta saatava energiamäärä on pienempi kuin ns. märästä kaivosta saatava energiamäärä. Lämpökaivon aktiivinen syvyys on se kaivon pituus, joka on koko vuoden veden peitossa. Kun lämpökaivon syvyys ylittää 200 metriä tarvitaan kaksi tai useampia kaivoja. Kaivojen suositeltava etäisyys on 15 metriä. Lämpökaivon mitoituksessa olisi parasta käyttää laitevalmistajan asiantuntemusta parhaan lopputuloksen saamiseksi. (SULPU, 16-17). Lämpökaivojen välisestä minimietäisyydestä voidaan poiketa, jos yksi tai useampi rei'istä on vinoreikä. Tällöin lämpökaivot voidaan porata myös vierekkäin. Sopiva kaltevuuskulma riippuu aina vierekkäisten reikien maaperästä ja syvyydestä. (Juvonen 2009, 22) Järvilämpöputkiston mitoittaminen Vesistöjä voidaan käyttää maalämpöpumpun lämmönlähteenä seuraavilla tavoilla: Ensimmäinen tapa on vastaava kuin vaakaputkiston käyttämien. 12

14 Toinen tapa on vesistön veden pumppaaminen höyrystimeen, mikä vaatii järjestelmän tarkkaa seurantaa jäätymisen välttämiseksi. Lämmönlähteenä vesistö on ylivoimainen verrattuna muihin maalämpöpumpun lämmönlähteisiin, sillä veden teoreettinen jäätymisenergia on 100 kwh/m 3, joten vesistöön asennetun lämmönkeruuputken energian tuotoksi voidaan arvioida kwh/m. Esimerkki vesistöön asennetun lämmönkeruuputken pituuden laskennasta, kun vesistöstä otetaan energiaa kwh/a: Vesi L = 13400/70 =191 metriä Myös vesistöön asennettaessa putkilenkin enimmäispituus on 400 metriä. Mikäli putkipituus on yli 400 metriä, pitää putkisto jakaa kahteen yhtä pitkään rinnakkaiseen lenkkiin.(sulpu, 18). 3 SUORAHÖYRYSTYSLÄMPÖPUMPPU Suorahöyrystyslämpöpumpun höyrystinosa on suoraan maahan tai energiakaivoon asennettu kupariputkisilmukka. Lämpö luovutetaan lauhdutinyksikön tai puhallinkonvektorin kautta suoraan rakennuksen sisäilmaan, vuotuinen lämpökerroin on 2,0 2,8. Lisäksi lämpö voidaan luovuttaa rakennuksen vesikiertoiseen lämmitysjärjestelmään ja/tai käyttöveden lämmittämiseen, vuotuinen lämpökerroin on 1,8 2,2. Suorahöyrystinlämpöpumppu on helppo asentaa ja sillä on alhaiset käyttökustannukset. Lämpökerroin alenee, kun höyrystinputken ympärille muodostuu jäätä. Vaakasuoraan asennetun höyrystinputkiston lämmönkeruualue jäätyy ja routii. (LVI , 4). 4 ILMALÄMPÖPUMPPU 4.1 Ilmalämpöpumppu Ilmalämpöpumppuja on kahdenlaisia. Ilma-vesi-lämpöpumpun avulla voidaan lämmittää sekä taloa että käyttövettä, kun se kytketään keskuslämmitysjärjestelmään. Ilma-ilma-lämpöpumppu lämmittää vain rakennuksen sisäilmaa eikä lainkaan käyttövettä. Lämmitysteholtaan se ei ole hyvä. Kesällä sen voi kääntää toimimaan päinvastoin, joten se jäähdyttää rakennusta. Molemmat tyypit toimivat vielä n. -10 C:een lämpötilassa. Lisälämmön lähteeksi tarvitaan sähkövastus. (Hemgren & Wanfors 2002, ). Ulkoilmalämpöpumppu koostuu ulkoyksiköstä, jossa on ilmasta lämpöä ottavan höyrystin, kompressori ja automatiikka. Lisäksi siinä on sisäyksikkö, jossa on puhallinpatteri, joka kierrättää lämmitettävää ilmaa (kuva 6). Ulkoilmalämpöpumppu luovuttaa ilman joko ilmaan tai lämmitysverkossa kiertävään veteen. (Aittomäki 2001, 8). 13

15 Kuva 6 Kuva 7 Ulkoilmalämpöpumppu 4.2 Poistoilmalämpöpumppu Poistoilmalämpöpumpulla voi lämmittää sekä rakennuksen että käyttöveden, ja lisäksi järjestelmä hoitaa lämmön talteenoton ja ilmastoinnin. Muiden lämpöpumppujen osalta ilmastointi on järjestettävä erikseen. Poistoilmajärjestelmässä otetaan ensiksi lämpöpumpulla talteen ilman energia ja se siirretään lämmitysjärjestelmään. Tämä energiamäärä sisältää vain kolmanneksen lämmöntarpeesta, joten lisäksi tarvitaan sähkövastus. Käytetty ilma johdetaan puhaltimen avulla ulos rakennuksesta (kuva 7). Pumpun ulosmeno pitää lämpöeristää veden tiivistymisriskin vuoksi. Tämä on seurausta siitä, kun 20- asteinen poistoilma jäähdytetään lämpöpumpussa C:n lämpöiseksi ennen kuin se puhalletaan ulos. (Hemgren & Wanfors 2002, ). Ilmavirta on normaali rakennuksen poistoilmavirta. Kuva 8 Poistoilmalämpöpumppu ilmalämmitysjärjestelmänä 14

16 5 ILMASTOINTI- JA ILMANVAIHTOJÄRJESTELMÄT 5.1 Ilmanvaihtojärjestelmät Ilmanvaihtojärjestelmiä on kolmea eri perustyyppiä: painovoimainen ilmanvaihto, koneellinen poistoilmajärjestelmä sekä koneellinen tulo- ja poistoilmajärjestelmä Painovoimainen ilmanvaihto Painovoimainen ilmanvaihto perustuu lämpötilaeroista syntyneisiin tiheyseroihin ulko- ja sisäilman välillä sekä tuulen vaikutukseen. Poistoilma nousee itsestään, sillä se on lämmintä, ja sitten se kulkee ulos ilmanvaihtokanavien kautta. Uusi ilma saadaan sisälle tuloilmaventtiilien, ikkunoiden ja ovien rakojen sekä rakennuksen muiden ilmavuotojen kautta Koneellinen poistoilmajärjestelmä Koneellisessa poistoilmajärjestelmässä virtausta ohjataan sähkökäyttöisellä puhaltimella. Esimerkiksi kylpyhuoneen, WC:n kodinhoitohuoneen ja pukuhuoneen sekä keittiön poistoilmakanavat (ei liesituulettimen kanavat) kootaan yhteiseen kanavaan, jossa oleva puhallin imee ilman ulos ja johtaa sen katolle. Tuloilma saadaan sisälle samalla tavalla kuin painovoimaisessa ilmanvaihdossa. Poistoilmajärjestelmään voidaan liittää myös lämpöpumppu, jolloin järjestelmä pystyy käyttämään hyödyksi suuren osan siitä energiasta, joka muuten puhalletaan suoraan ulos. Poistoilmalämpöpumpulla voidaan hoitaa ilmanvaihdon lisäksi osa talon ja käyttöveden lämmityksestä ottamalla talteen osa käytetystä lämmöstä Koneellinen tulo- ja poistoilmajärjestelmä Koneellisessa tulo- ja poistoilmajärjestelmässä on yksi tai kaksi puhallinta, jotka kuljettavat sekä tulo- että poistoilmaa. Tuloilma tuodaan keskitetysti yhdestä paikasta, johdetaan puhaltimeen ja puhalletaan tiloihin, joissa halutaan raitista ilmaa. Poistoilma johdetaan pois samalla tavalla kuin koneellisessa poistoilmajärjestelmässä. Tämä järjestelmä säädetään siten, että ilmaa puhalletaan ulos hieman enemmän kuin sitä otetaan sisälle, jotta rakennukseen syntyy pieni alipaine. Tämä takaa sen, ettei kostea ilma tunkeudu seiniin ja kattoon ja aiheuta kosteusvaurioita. Poistoilman lämpöenergialla voidaan lämmittää tuloilmaa lämmönvaihtimessa tai lämpöpumpussa. (Hemgren & Wanfors 2002, ) Energiatarkastelu Sisään tuleva ilma täytyy lämmittää 17 C ilman jaon vuoksi, jotta sisällä viihtyisi ja energiaa kuluisi mahdollisimman vähän. Ilmanvaihdon kautta ulos pääsevä energia voidaan lämpöpumpun avulla käyttää uudelleen rakennuksen lämmittämiseen. Tällainen lämmön talteenottolaite edellyttää, että poistoilmakanavat on koottu yhteen ennen ilman johtamista ulos. 15

17 Lämmönvaihdinta käytetään, kun tuloilma on johdettu ilmavaihtojärjestelmään keskitetysti. (Hemgren & Wanfors 2002, 178). 6 KÄYTÄNNÖN KOKEMUKSIA 6.1 Suvilahden lämpöverkko Vaasassa Vaasan asuntomessualueella on vuonna 2007 kaivettu merenlahteen 26 noin 300- metristä muoviputkea. Seitsemän kilometrin pituisen kaltevan putkiston syvin osa on 4-5 metrissä. Putkien reunaosat tuovat nestettä, jonka keskiosa palauttaa viilentyneenä. 48 pientalosta 43 liittyi järjestelmään heti ja yksi liittyy tänä kesänä. Osa on hankkinut heti suositusten mukaisen 400 watin ja 30 metrin nostoon pystyvän pumpun. Meren sedimenteistä tulevan liuoksen lämpötila oli korkeimmillaan 13 astetta viime syyskuussa. Kylmän talven aikana se laski miinus kolmeen. Järjestelmä on toiminut moitteettomasti kaikilla lämpötiloilla. Luopajärven lämpöpumpussa on ollut kahden vuoden aikana kolme häiriötä. Kahdesti paine on laskenut putkistossa liikaa ja kerran katkesi putki merenpohjan ruoppauksessa. Mateven on kehittänyt apilan muotoiset koaksiaaliputket, joiden keskiputken liittymäkohtaa pienennetään ja liitoskohtaa vahvennetaan lämmön siirron estämiseksi. Lämpö liikkuu sedimentissä hitaammin kuin kalliossa. Kalliokaivoihin verrattuna vaihtelu on suurempi, mutta hyötysuhde parempi. Putkia on vain 170 metriä per talo. Suomessa on pohjasedimenttiin tai kallioon liittyviä hankkeita jo noin 30 kunnassa. Maa- ja järvilämpöön perustuvia kohteita on Haminaan kaavailtu neliömetrin kerrostaloalue, Lappeenrannan Sarviniemen alue ja Nokian Pitkäniemen aluerakennuskohde. (Orrenmaa 2010, 26). 6.2 Tampereen Ikean kalliolämpö Ikean vanhin maalämpöjärjestelmä on vain kymmenen vuotta vanha ja suurin osa järjestelmistä on tehty vuosien 2008 ja 2009 aikana. Lämpöpumppuvalmistajista Carrier on toimittanut yli puoleen Ikea: n kaikista maalämpöjärjestelmistä. Tampereen tavaratalossa lämpökaivot (60 kpl) sijoitettiin tavaran vastaanoton alueelle ja niiden vaatima pinta-ala oli yhteensä 1700 neliömetriä. Vinoon poratut reiät ovat lähimmillään 5 metrin päässä toisistaan. Maakentän poraus Tampereella kesti 13 työpäivää kolmella poravaunulla ja lämpökaivoa syntyi metriä (115 mm:n kaivot). Tampereen Ikea:n lattiapinta-ala on m 2 ja sen kokonaistilavuus on m 3. Rakennuksen lämpöenergian tarve on MWh/a ja käyttöveden lämmitysenergian tarve 170 MWh/a. Jäähdytysenergian tarve on 1000 MWh/a. Lämpöpumppuja on kolme kaksi lämmitystä ja yksi jäähdytystä varten. Käytettävä kylmäaine on R134a. Jäähdytysmenetelmänä on vapaa jäähdytys. 16

18 7 RAKENNUKSEN ENERGIAKULUTUS 7.1 Rakennuksen lämmitys Rakennusten lämmitykseen käytettävän energiamäärän muutoksiin vaikuttavat lämmitettävä pinta-ala, eristystaso, käytettävä lämmitysjärjestelmä, lämmitysjärjestelmän hyötysuhde, ulkoilman lämpötila sekä rakennuksessa käytettävistä sähkölaitteista saatava lämpö. Ilmastonmuutoksen odotetaan edellä esitetyn muutoksen lisäksi pienentävän rakennuksen lämmitystarvetta Suomessa 16 prosenttia vuoteen 2050 mennessä. Todennäköisesti öljylämmityksestä on luovuttu vuoteen 2050 mennessä. Taajama-alueilla kaukolämpö korvaa öljylämmitystä erityisesti palvelurakennuksissa, asuinkerrostaloissa sekä osassa rivitaloja ja omakotitaloja. Lämpöpumppujen, sähkölämmityksen sekä puupolttoaineiden ennakoidaan puolestaan korvaavan öljylämmitystä haja-asutusalueen omakotitaloissa. Matalaenergiatalojen sähkölämmityksellä on edulliset investointikustannukset. Merkittävä lämmönlähde rakennuksissa on myös sähkölaitteiden hukkalämmöstä saatava energia. Sähkön käytön odotetaan kasvavan sekä kotitalouksissa että erityisesti palvelusektorilla. Toisaalta sähkölaitteiden energiatehokkuuden odotetaan myös parantuvan tulevaisuudessa, joka puolestaan pienentänee laitteiden lämpöhäviöitä. Hukkalämmön osuus käytetystä laitesähköstä pienentyy. Käyttövesi oletetaan lämmitettävän samalla lämmitysmuodolla kuin rakennuskin, mutta veden lämmitykselle voidaan antaa oma hyötysuhde. Lisäksi osa veden lämmitykseen kuluvasta energiasta oletetaan voitavan käyttää rakennuksen lämmitykseen. (Energiateollisuus ry 2010, liite 1, 41). Taulukko 3 Arvio koko rakennusten keskimääräisestä lämpöenergian tarpeesta vuosina 2009, 2020 ja 2050 Arvio rakennustyypin keskimääräisestä lämpöenergian tarpeesta (kwh/m 2, a) Rakennustyyppi Erilliset pientalot Rivi- ja ketjutalo Asuinkerrostalot Liikerakennukset Toimistorakennukset Liikenteen rakennukset Hoitoalan rakennukset Kokoontumisrakennukset Opetusrakennukset Teollisuusrakennukset Varastorakennukset Taulukossa 3 on arvioitu lämmitysjärjestelmien hyötysuhteiden sekä lämpökertoimien kehittymistä, perustuen prof. Antero Aittomäen asiantuntijuuteen. 17

19 Taulukko 4 Arvio lämmitysjärjestelmien hyötysuhteista ja lämpökertoimista Keskimääräinen hyötysuhde (%) tai lämpökerroin Lämmitysmuoto Öljy Suora sähkölämmitys Varaava sähkölämmitys Puu-uuni Pelletti + vesikierto maalämpöpumppu 3 3,5 4 ilmalämpöpumppu 2,7 3,0 3,3 Taulukko 5 Lämpimän käyttöveden kulutuksen oletusarvot Rakennustyyppi Lämpimän veden kulutus rakennuksen bruttoalaa kohti, Vlkv,omin (dm3/brm2/vuosi) Toimistorakennus 100 Terveydenhoito 520 Päiväkoti 460 Teatteri ja kirjasto 120 Uimahalli Opetusrakennus 180 Myymälä 65 Muut rakennukset 100 sähkö 18 % puu 11 % muut 2 % raskas polttoöljy 4 % kevyt polttoöljy 15 % kaukolämpö 44 % lämpöpumput 6 % Kuva 9 Rakennusten lämmityksen hyötyenergian jakautuminen lämmitysmuodoittain (Tilastokeskus 2009). Kaukolämpö on yleisin lämmitysmenetelmä. Kuvassa 8 on esitetty rakennusten lämmityksen hyötyenergia lämmitysmuodoittain. 18

20 7.2 Rakennuksen jäähdytys Jäähdytysenergia voidaan tuottaa joko jäähdytettävässä rakennuksessa kompressorien ja lämpöpumppujen avulla tai jakelu voidaan hoitaa kaukojäähdytysverkoston avulla. Kun jäähdytysenergia tuotetaan rakennuksessa, voidaan käyttää keskitettyä keskusjäähdytysjärjestelmää. Siinä kylmä vesi kulkee keskusjäähdyttimen kautta ilmankäsittelylaitteille, jotka jakavat viileän ilman rakennuksille tuulettimien avulla. Keskusyksiköt sijaitsevat ympäri rakennusta. Keskitetty kaukojäähdytys on 5-10 kertaa tehokkaampi jäähdytysmenetelmä kuin paikallinen sähkökäyttöinen ilmastointilaite. Paikallinen huonekohtainen jäähdytys tapahtuu huoneissa olevien ilmastointilaitteiden avulla. Palvelurakennukset, toimistot ja asuinkerrostalot ovat kaukojäähdytyksen asiakkaita. Kaukojäähdytystekniikoita ovat vapaajäähdytys, absorptiojäähdyttimet, kompressorit sekä lämpöpumput. (Honkapuro, Jauhiainen, Partanen 2009, 51 52, 54) Vapaa jäähdytys Yleisin jäähdytysmenetelmä on vapaa jäähdytys ks. kuva 9. Jäähdytyksen siirtoaineena on yleensä vettä, mutta myös vesi-glykoliliuosta tai jäähilettä käytetään, jotta saataisiin parempi absorptioteho. Vapaajäähdytteisessä menetelmässä käytetään lähistön vesistön tai vastaavan kylmäenergian käyttöä jäähdytysenergian lähteenä. Lämmönvaihtimien kautta jäähdytysenergia siirretään lämmönjakelujärjestelmään. Lisänä voidaan käyttää muita jäähdytyslähteitä. Vapaajäähdytystä varten tarvitaan riittävän viileää vettä. (Honkapuro, Jauhiainen, Partanen 2009, 52 53). Vapaajäähdytyksen energianlähteenä voidaan käyttää myös jokia, lunta sekä ulkoilmaa tai yleensäkin mitä tahansa kohdetta, johon voidaan siirtää jäähdytysenergiaa. (Kirssi 2009, 19). Kuva 10 Vapaajäähdytyksen periaate (Kirssi 2009). 19