Kalliolämpö osana uusiutuviin energioihin perustuvaa arktista lämmitysjärjestelmää

Transkriptio

1 AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Energiatekniikan laitos Johanna Nylund Kalliolämpö osana uusiutuviin energioihin perustuvaa arktista lämmitysjärjestelmää Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten. Espoo Työn valvoja Työn ohjaaja Professori Kai Sirén Tekniikan tohtori Jukka Paatero

2 AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Diplomityön tiivistelmä Tekijä: Johanna Nylund Työn nimi: Kalliolämpö osana uusiutuviin energioihin perustuvaa arktista lämmitysjärjestelmää Päivämäärä: Tiedekunta: Laitos: Professuuri: Työn valvoja: Työn ohjaaja: Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Energiatekniikan laitos Ene-58 LVI-tekniikka Professori Kai Sirén Tekniikan tohtori Jukka Paatero Sivumäärä: 98 + liitteet Tämä diplomityö on osa MATKA - hanketta. MATKA - hankkeen tarkoituksena on tutkia ja kehittää matkailua yhdyskuntarakenteessa ja selvittää miten matkailuteollisuus integroituu kestävään aluekehitykseen. Tämän tutkimuksen tavoitteena on mitoittaa Ylläkselle rakennettavaan uuteen matkailukylään ekotehokas aluelämmitysjärjestelmä. Aluelämmitysjärjestelmän energiantuottomuotoina tutkitaan lämpöpumppuihin, biomassaan ja aurinkolämpöön perustuvaa järjestelmää. Uusi matkailukylä on tarkoitus toteuttaa passiivi- ja matalaenergiatekniikalla. Siitä kuinka laajalle aluelämmitysjärjestelmä ulotetaan muodostettiin kaksi eri skenaariota. Skenaariot osoittautuivat kuitenkin niin samanlaisiksi, että kaikki laskelmat tehtiin skenaarion 2 lämmitysenergiantarpeilla. Lisäksi matalaenergiarakentamisen hyödyllisyys osoitettiin referenssitapauksen avulla. Matalaenergiarakentaminen säästää lämmitysenergiassa 7,6 GWh/a. Tutkittavia energiajärjestelmiä oli kaksi. Energiajärjestelmän 1 perusenergiantuotannosta vastaa lämpöpumppu ja kulutushuipusta pelletti, sekä energiajärjestelmän 2 perusenergiantuotannosta vastaa hake ja kulutushuipusta pelletti. Energiajärjestelmien sisällä valittiin osuudet eri energiamuodoille, mutta valitut energiaosuudet perustuvat arvioon, eivätkä ne välttämättä vastaa taloudellista optimia. Aurinkolämpöä voi energiajärjestelmien tukena käyttää lämpimän käyttöveden tuottamiseen kesällä sekä lämpökaivokentän lataamiseen. Aurinkolämmön suhteen tultiin tulokseen, että siihen on tuskin kannattavaa investoida. Energiajärjestelmän 1 lämpökaivokenttä mitoitettiin EED:llä, joka on lämpökaivojen mitoitukseen tarkoitettu ohjelmisto. EED:llä tehtiin monta eri mitoitusta, mutta lämpökaivokentän lämmönsiirtonesteen lämpötilaa ei saatu tasaantumaan. Tähän vaikuttivat se, että kentästä ainoastaan otettiin lämpöenergiaa, jolloin lämmönsiirtonesteen lämpötilan lasku oli odotettavissakin. Lisäksi Sodankylä korkeudella maanpinnan keskilämpötila on -1 ºC, jota geoterminen gradientti nostaa vain noin 1 ºC /100 m. Nämä seikat aiheuttivat yhdessä lämmönsiirtonesteen lämpötilan laskemisen niin matalaksi, että voi kyseenalaistaa onko pelkästään lämmitykseen tarkoitettu lämpökaivokenttää edes viisasta rakentaa Lappiin. Energiajärjestelmien 1 ja 2 ekotehokkuutta verrattiin laskemalla kummallekin elinkaarikustannukset sekä CO 2 -päästöt, 30 vuoden elinkaarella. Energiajärjestelmän 1 elinkaarikustannukset nousivat noin 2 milj.euroa eli noin 33 % korkeammiksi kuin energiajärjestelmällä 2. CO 2 -päästöjä arvioitaessa energiajärjestelmän 2 koko elinkaaren CO 2 -päästöt olivat yli kaksi kertaa suuremmat eli noin 137 % kuin energiajärjestelmällä 1. Avainsanat: aluelämmitys, kalliolämpö, kalliolämpökenttä, lämpöpumppu, ekotehokkuus 1

3 AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Abstract of Master s Thesis Author: Johanna Nylund Title of the Ground source heat pump as part of the renewablesbased arctic heating system Thesis: Date: 31 May 2010 Faculty: Department: Professorship: Supervisor: Instructors: Faculty of Engineering and Architecture Department of Energy Technology Ene-58 HVAC Technology Professor Kai Sirén Jukka Paatero, D.Sc. (Tech.) Number of pages: 98 + app. This thesis is part of the MATKA - project. MATKA - project is designed to explore and develop tourism in urban structure and examine how the tourism industry integrades sustainable regional development. The aim of this study was to dimension eco-efficient district heating system for the new tourist village in Ylläs. Heat pumps, biomass and solar energy-based system were examined for source of energy for district heating system. The new tourist village is planned to use passive and low-energy technology. Scenarios 1 and 2 with different district heating system extensions were constructed. Scenarios, however, proved to be almost identical that all the calculations for heating energy demand were done by using scenario two. In addition, the utility of low-energy technology was demonstrated through reference case. The annual saving of the heating energy was 7.6 GWh by using low-energy construction. Two different energy systems were explored. On the energy system 1 the basic energy is produced by heat pump and the peak energy by pellet. On the energy system 2 the basic energy was produced by wood chip and the peak energy by the pellet. The chosen energy shares based on an estimate and do not necessarily corresponds to economic optima. The solar energy can be used for production of hot water on the summer time and loading the boreholes in the ground. The conclusion was that it is hardly profitable to invest to solar energy. Boreholes of energy system 1 were dimensioned by EED which is a PC-program for borehole heat exchanger desing. Sevaral dimensionings were done by EED but the temperature of heat transfer fluid did not settled. Thermal energy was only extracted from the ground when the decrease in temperature of heat transfer fluid was expected. In addition, in Sodankylä district the ground surface temperature is -1 º C, which is risen by the geothermal gradient 1 º C / 100 m. These facts caused that heat transfer fluid temperature decreased so low, that it may call into question whether it merely is not even wise to build heating system based on multiple boreholes in Lapland. Eco-efficiency of the energy systems 1 and 2 was compared by calculating both the lifecycle costs and CO 2 - emissions, by using 30-year life cycle. Life-cycle costs of energy system 1 rose about 2 million euros (33%) higher than for the energy system 2. CO 2 - emissions of energy system 2 were more than two times higher (137%) than for the energy system 1. Keywords: district heating, GSHP, GHE, BTES, heat pump, eco-efficiency 2

4 Esipuhe Tämä diplomityö on tehty MATKA-hankkeeseen Aalto-yliopiston teknillisen korkeakoulun tutkimusapulaisena. Työn valvojana toimi professori Kai Sirén ja ohjaajana tekniikan tohtori Jukka Paatero. Olen kiitollinen, että sain tehdä diplomityöni tästä mielenkiintoisesta ja ajankohtaisesta aiheesta. Kiitokset Jukka Paaterolle, jolta löytyi aina aikaa ja neuvoja ongelmia kohdatessani. Erityisen lämpimät kiitokset haluan välittää Kai Sirénille, joka näkemyksillään ja neuvoillaan auttoi minua saattamaan tämän työn päätökseen. Erityiskiitos myös vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet ja kannustaneet sekä uskoneet minuun koko opintojeni ajan. Espoossa Johanna Nylund 3

5 Sisällysluettelo Diplomityön tiivistelmä... 1 Abstract of Master s Thesis... 2 Esipuhe... 3 Symboliluettelo Johdanto Tutkimuksen tausta Tutkimusongelma Tutkimuksen tavoite ja rajaus Aluelämmitys Lämmitysmuodot Lapissa Ulkolämpötila Energian tuotanto Kalliolämpökaivo Taustaa Maaperän vaikutus Lämmön siirtymisprosessi Lämpökaivokenttä Alueellinen kalliolämpöjärjestelmä TRT-mittaus Lämmönsiirtonesteen ja lämpökaivokentän lämpötilat Lämpökaivokentän muoto ja kytkennät Lämpöpumpun toiminta Lämpöpumpun termodynamiikkaa Carnot-prosessi Todellinen prosessi Lämpöpumpun tehokkuutta kuvaavat kertoimet Lämpökerroin (COP) Vuoden keskimääräinen lämpökerroin (SPF) Lämpöpumpun toimintalämpötilat Lämpimän käyttöveden tuottaminen Yleistä Tulistusjärjestelmä Loppulämmitys sähköllä tai vaihtuvalla lauhdutuksella Lämpöpumput sarjassa Täydentävät lämmöntuottomuodot Hakelämmitys Puu polttoaineena Kattilat Saatavuus

6 6.2 Pelletti lisälämmityksenä Aurinkolämpö Auringon säteily Passiivinen aurinkolämpö Aktiivinen aurinkoenergia Keräimet SAGSHP Kohde-esittely Alue Lämmitysenergiantarpeisiin vaikuttaneita tekijöitä Taustaa Sää Toimintalämpötilat Lämmitysenergiantarpeet Alueittain Käyttöaste Tunneittain Energiajärjestelmävaihtoehdot Taustaa Energiajärjestelmä Energiajärjestelmä Aurinkolämpö Kalliolämpökentän mitoitus EED Mitoitus Mitoitus Mitoitus Vertailu Ekotehokkuus Taustaa Elinkaarikustannukset Ympäristövaikutukset Päätelmät Johtopäätökset Suositukset Lähdeluettelo Liite 1:Mitoitus 1, lämpökaivokentän mitoitus EED:llä Liite 2:Mitoitus 2, lämpökaivokentän mitoitus EED:llä Liite 3:Mitoitus 3, lämpökaivokentän mitoitus EED:llä 5

7 Symboliluettelo Latinalaiset aakkoset A Ac COP COPc D Ein FR G GT H H y kalliolämpökentän pinta-ala keräimen pinta-ala lämpökerroin Carnot-prosessin mukainen lämpökerroin lämmönkeruuputken halkaisija systeemin syötetty sähköenergia keräystehokkuus kalliolämpökentän geometriakerroin auringonsäteilyn intensiteetti lämpökaivon syvyys lämpökaivon ylin osa H e energian hinta nykyhetkellä h h h k h l höyrystimessä tapahtuva entalpian muutos kompressorissa tapahtuva entalpian muutos lauhduttimessa tapahtuva entalpian muutos K e energiakustannusten nykyarvo K h huoltokustannusten nykyarvo K k kunnossapitokustannusten nykyarvo. K i investointikustannus km maaperän lämmönjohtavuus kt lämpökaivon täyteaineen lämmönjohtavuus 6

8 Ltot m n PK Q Qau lämpökaivojen yhteispituus kylmäaineen massavirta tarkasteluajan pituus kompressorin teho tuotettava energia aurinkokeräimen energiantuotto Qgr maaperästä saatava lämpöenergia Qcool jäähdytysenergiantarve Qheat QL Qused q q gr, h R ' R1 ' R2 ' R12 Rb lämmitysenergiantarve ja lauhduttimen tuottama lämpöenergia systeemistä saatu lämpöenergia lämpövirta lämpökaivojen ominaiskuorma lämpökaivon kokonaislämpövastus lämpövastus lämmönsiirtonesteen(meno) ja lämpökaivon seinän välillä lämpövastus lämmönsiirtonesteen(paluu) ja lämpökaivon seinän välillä lämpövastus lämmönsiirtonesteen meno- ja paluuputkien välillä. lämpövastus lämpökaivon sisäpuolella Rs r rb lämpövastus lämpökaivon ulkopuolella etäisyys lämpökaivon säde re energiakustannusten laskentakorko 7

9 S s TH TL Ti keräimestä absorboitunut energia terminen diffusiviteetti höyrystymislämpötila lauhtumislämpötila ja keräimeen sisään virtaavan nesteen lämpötila Tu t t0 ulkolämpötila lämpötila maaperän keskilämpötila tb lämpökaivon seinän lämpötila t f lämmönsiirtonesteen keskilämpötila t f 1 lämmönsiirtonesteen menolämpötila t f 2 lämmönsiirtonesteen paluulämpötila. th U L V v Wk huipunkäyttöaika keräimen katteen lämmönläpäisykerroin kalliolämpökentän tilavuus lämmönsiirtonesteen nopeus vuotuinen kompressorin käyttämä energiamäärä Kreikkalaiset aakkoset au kuormituskerroin keräimen hyötysuhde c Carnot-hyötysuhde lämmönsiirtonesteen tiheys 8

10 k ( ) max H L aika keräimen katteen läpäisysuhde keräimen efektiivinen absorptiokerroin lämmönsiirtonesteen dynaaminen viskositeetti huipputeho höyrystimen teho lauhduttimen teho Lyhenteet COP EED HWB IPCC LCC SAGSHP SPF TRT Coefficient of Performance Earth Energy Designer Hotter-Whillier- Bliss - yhtälö Intergovernmental Panel on Climate Change Life Cycle Costs solar assisted ground-source heat pump Seasonal Performance Factor Thermal Response Test 9

11 1 Johdanto 1.1 Tutkimuksen tausta Huoli ilmastonmuutoksesta on johtanut siihen, että ympäristövaikutuksiin kiinnitetään entistä enemmän huomiota. Myös Lapissa tähän on paneuduttu, kun Lapin liitto käynnisti vuoden 2008 lopulla maakunnallisen energiastrategian valmistelun. Tavoitteena oli tuoda energia-asiat voimakkaammin osaksi maakunnan pitkän aikavälin suunnittelua. Energiastrategian lähtökohtana oli erityisesti uusiutuvien energialähteiden hyödyntäminen, energian saatavuuden turvaaminen kilpailukykyisellä hinnalla sekä energiayrittäjyyden tukeminen. Tämä tutkimus on osa MATKA - hanketta. MATKA - hankkeen tarkoituksena on tutkia matkailua yhdyskuntarakenteessa ja selvittää miten matkailuteollisuus integroituu kestävään aluekehitykseen. Keskeisenä yhdyskuntarakenteeseen vaikuttavana toimintona tarkastellaan erityisesti matkailualueiden energiahuoltoa. Projekti on laajuutensa takia jaettu neljään osaan ja tämä tutkimus on osa Ekotehokkaan matkailualueen energiahuolto-tutkimuskokonaisuutta. Ekotehokkaana matkailualueena tutkitaan erityisesti pohjoisiin ilmasto-olosuhteisiin soveltuvia ratkaisuja, esimerkkialueena käytetään Yllästä ja sinne suunnitteilla olevaa uutta matkailukylää. Ekotehokkaalla tarkoitetaan toteutuksen keskeisimpiä suunnittelukriteerejä, jotka ovat järjestelmän elinkaaren aikana aiheutuva ympäristörasite sekä kokonaisjärjestelmän taloudellisuus. Energiatuotantomenetelminä tullaan tutkimaan uusiutuvia energianlähteitä, jotka tukevat maakunnallista energiastrategiaa eivätkä aiheuta suurta ympäristörasitetta. Niinpä kiinnostavimmat lämmöntuotannon ratkaisut ovat lämpöpumppuihin ja biomassaan pohjautuva alueellinen lämmitysjärjestelmä. Myös aurinkolämmön hyödyntämiseen paneudutaan kesäajan lämpimän käyttöveden lämmittämisen ja kalliolämpökentän lataamisen kannalta. Energiantuotantoratkaisujen lisäksi hankkeessa kiinnitetään erityishuomiota myös energiankulutukseen. Energiankulutusta vähentämällä saadaan samalla vähennettyä aiheutuvaa ympäristörasitetta ja kustannuksia. Näin ollen koko matkailukylä tullaan suunnittelemaan matalaenergia-alueeksi. Loma-asunnot suunnitellaan niin että ne 10

12 täyttävät passiivitalolle asetetut energiatavoitteet, sekä hotelli- ja liikerakennukset suunnitellaan niin että ne täyttävät matalaenergiatalolle asetetut energiatavoitteet. 1.2 Tutkimusongelma Matkailukylään suunnitellaan alueellinen lämmitysjärjestelmä. Yksi osa tutkimusongelmaa on, miten laajalle aluelämmitysjärjestelmä on järkevää ulottaa ilman, että kustannukset nousevat liian korkeiksi. Matkailukylän laitamilla on alueita, joiden aluetehokkuus on niin matala, että nämä rajautuvat aluelämmityksen ulkopuolelle. Tutkimukseen otetaan mukaan kaksi erilaajuista skenaariota siitä, miten suuren osan koko matkailukylän energiantuotannosta keskitetty lämmitysjärjestelmä kattaa. Toinen osa tutkimusongelmaa on aluelämmitysjärjestelmän mitoitus. Lämmitysjärjestelmä koostuu useasta eri energiamuodosta, jotka ovat kalliolämpö, hake ja pelletti. Näille tulisi kullekin löytää sopiva teho-osuus mitoitustehosta, niin että järjestelmä toimii kustannus- ja energiatehokkaasti ilman suurta ympäristörasitetta. Lisäksi tulee huomioida aurinkolämmön hyödyntämismahdollisuus kesäaikaisen lämpimän käyttöveden tuottamiseksi. Ensisijaisena lämmitysjärjestelmänä tarkastellaan kalliolämpöön perustuvaa järjestelmää, jota verrataan hakelämpöön perustuvaan järjestelmään. Kummassakin tapauksessa energian kulutushuipusta vastaa pellettilaitos. Matkailukylä suunnitellaan kokonaan matalaenergia-alueeksi, joka pienentää huomattavasti kokonaislämmitysenergiantarvetta. Matalaenergiarakentamisen hyödyllisyys pyritään kuitenkin osoittamaan vertaamalla matalaenergia-aluetta ns. normaalienergialueeseen, kuinka paljon suuremmaksi pitää lämmitysjärjestelmä kasvattaa jos ei tehdäkään passiivi- ja matalaenergiarakennuksia. Tärkeä osa lämmitysjärjestelmää on lämpimän käyttöveden tuottaminen. Kalliolämpö on matalalämpöjärjestelmä, joka toimii tehokkaimmin alhaisilla lauhtumislämpötiloilla. Lämpimän käyttöveden tuottamiseksi on useita eri vaihtoehtoja ja ratkaistavaksi jää, miten lämmin käyttövesi on järkevintä tuottaa. 11

13 1.3 Tutkimuksen tavoite ja rajaus Tutkimuksen tavoitteena on mitoittaa matkailukylän aluelämpöjärjestelmä. Aluelämpöjärjestelmä mitoitetaan konseptitasolle, joka tarkoittaa sitä että työssä ei tulla syventymään järjestelmämitoituksen yksityiskohtiin vaan pysytään suhteellisen karkealla ja yleisellä tasolla. Eri energiamuotojen osuuksia mitoitustehosta ei tulla selvittämään optimoimalla ja näin ollen ratkaisut eivät välttämättä tule vastaamaan ekotehokkainta minimiä. Energiaratkaisuja on kaksi erilaista, peruslämmön tuotannosta vastaa joko kalliolämpö tai hake, joista kalliolämpöjärjestelmän tapauksessa tullaan mitoittamaan järjestelmän tarvitsema lämpökaivokenttä. Kumpaankin energiajärjestelmään voidaan yhdistää aurinkolämmön hyödyntäminen ja tätä mahdollisuutta tullaan tarkastelemaan lähemmin. Lisäksi kummallekin energiaratkaisulle lasketaan elinkaarikustannukset ja aiheutuva ympäristörasite. 12

14 2 Aluelämmitys 2.1 Lämmitysmuodot Lapissa Lapin runsaat energiavarat ovat luoneet hyvät edellytykset energiantuotannolle maakunnan alueella. Lapissa hyödynnetään runsaasti vesivoimaa, sekä paikallisia puupolttoaineita, turvetta ja metsäteollisuuden jäteliemiä. Sähköntuotannon suhteen Lappi on hieman yliomavarainen, ja sähköntuotannossa uusiutuvan energian osuus on yli 91 %. Sähkön ja lämmöntuotantoon käytettävistä polttoaineista uusiutuvien osuus on 70 %. Lämpöenergiaa tuotetaan erityisesti teollisuudessa tuotannon omiin tarpeisiin, sekä taajamissa kauko- ja aluelämpöverkkoihin. (Lapin liitto, 2008) Lapissa rakennusten lämmitysmuodot vaihtelevat voimakkaasti riippuen siitä huomioidaanko vain erilliset pientalot vai kaikki rakennukset. Kuvassa 1 on tarkasteltu rakennusten energiankulutusta lämmitysmuodoittain. Kuvasta voidaan huomata, että otettaessa huomioon kaikki rakennukset, yleisin lämmitysmuoto on kauko- ja aluelämpö. Kun taas erillisten pientalojen, joiksi myös loma-asunnot voidaan laskea, yleisin lämmitysmuoto on sähkö. Pääasiassa haja-asutuksen vuoksi pientalojen kauko- ja aluelämmityksen osuus on pieni. Kuva 1. Rakennusten energiankulutus lämmitysmuodoittain Lapissa vuonna 2008 (Lapin liitto, 2008) 13

15 Ylläkselle sijoittuvaan uuteen matkailukylään tullaan suunnittelemaan aluelämmitysjärjestelmä. Aluelämmitys on rakennusten ja käyttöveden lämmittämiseen tarvittavan lämmön keskitettyä tuotantoa ja julkista jakelua asiakkaina oleville kiinteistöille (Energiateollisuus, 2006). Aluelämmitys soveltuu hyvin tähän kohteeseen, koska tavoitteena on löytää ekotehokas ja kestävää matkailualuetta palveleva energiaratkaisu. Aluelämpöjärjestelmässä on edullista hyödyntää uusia teknologioita ja vähentää päästöjä, koska kustannukset ovat jaettavissa useiden asiakkaiden kesken. Lisäksi suuria lämpökeskuksia sitovat päästörajoitukset ja monet päästöjen vähentämismenetelmät ovat sellaisia, joita voidaan hyödyntää vain suurissa kohteissa. (IEA, 1992) 2.2 Ulkolämpötila Lämmityksen tehontarve on voimakkaasti vuodenajasta ja ulkolämpötilasta riippuvainen. Rakentamismääräyskokoelman osassa D5 Suomi on jaettu neljään eri säävyöhykkeeseen. Lappi ja näin ollen myös Ylläs kuuluvat vyöhykkeeseen IV, jonka mitoittava ulkoilman lämpötila on -38 ºC, vuoden keskimääräinen ulkoilman lämpötila on 0 ºC ja lämmityskauden keskimääräinen ulkoilman lämpötila on -5 ºC. (Ympäristöministeriö, 2007) Kuvassa 2 on esitetty Sodankylästä vuonna 2004 mitattujen lämpötilojen jakauma. Kuvassa 3 samat lämpötilat on esitetty aika, lämpötilakoordinaatistossa. Kuvista 2 ja 3 on helppo huomata, että aivan kylmimpiä ulkolämpötiloja esiintyy harvoin ja niitä ei ole vuodessa montaakaan tuntia. 14

16 Lämpötilan pysyvyys [h/a] Ulkolämpötila [ o C] Kuva 2. Sodankylän ulkolämpötilojen jakauma vuoden 2004 mittaustulosten perusteella. (Jokiranta, 2010) Lämpötila [ o C] Aika [h] Kuva 3. Sodankylän ulkolämpötilojen pysyvyyskäyrä vuoden 2004 mittaustulosten perusteella. (Jokiranta, 2010) 15

17 2.3 Energian tuotanto Aluelämmön tuotantolaitosta suunniteltaessa on otettava huomioon sekä luotettavuus että taloudellisuus. Suunnittelun lähtökohtana pidetäänkin usein sitä, että tarvittava teho jaetaan vähintään kahden tuotantoyksikön kesken. Pienissä järjestelmissä ei ole teknisesti järkevää jakaa kapasiteettia kovin moneen tuotantoyksikköön, mutta perusja huipputeho kannattaa yleensä tuottaa erillisillä yksiköillä. Tällöin huippulaitos voi toimia varalaitoksena ja sillä voidaan tuottaa myös päälaitoksen huollon aikana tarvittava energia. Erillinen huippulaitos on hyödyllinen senkin takia, että lämmöntarpeen huiput esiintyvät harvoin ja niiden osuus kokonaisenergiasta on pieni. (Energiateollisuus, 2006; Gustavsson, 1993) Viitteellisen esimerkkilämpölaitoksen tehon pysyvyyskäyrä on esitetty kuvassa 4. Kuvasta on helppo huomata, että kulutushuippu on todella kapea ja valitsemalla peruslaitoksen huipputehoksi 30 % koko lämpölaitoksen huipputehosta, saadaan sillä kuitenkin katettua hyvin suuri osa koko vuoden lämmitysenergiantarpeesta. Kuvassa on vielä erotettu kesäaikaisen lämpimän käyttöveden tuottaminen peruslaitoksesta. Näin ei ole välttämätöntä tehdä, mutta monesti kesäaikainen lämmitysenergiantarve on melko vähäistä, jolloin esimerkiksi peruslaitoksen kattilaa ei pystytä käyttämään niin pienellä teholla. Kuva 4. Viitteellinen esimerkki lämpökeskuksen tehon pysyvyyskäyrästä. 16

18 Perustehosta vastaavan laitoksen huipun käyttöajan tulisi olla vähintään h/a. Huipputehon käyttöajalla tarkoitetaan kulutetun energian ja huipputehon suhdetta. Huipputehon käyttöaika t h lasketaan kaavalla (IEA, 1996): t h Q max (1) jossa Q tuotettu energiamäärä ja max huipputeho. Kalliolämpöjärjestelmää ei ole järkevää mitoittaa kattamaan koko lämmitysenergiantarvetta, koska tällöin käyttöaste jäisi liian alhaiseksi, jotta investointi olisi kannattava. Myös hakekattilan tapauksessa huippulaitoksen erottaminen peruslaitoksesta on perusteltua. Hakekattila toimii yleensä parhaalla hyötysuhteella ja sen hallittavuus on helpompaa suurilla tehoilla. Siksi hakekattila sopii hyvin peruslämmön tuottajaksi, jolloin sen kuorma on tasainen ja huipputehon käyttöaika mahdollisimman suuri. (Energiateollisuus, 2006; Valdimarsson, 1993) 17

19 3 Kalliolämpökaivo 3.1 Taustaa Maalämpöjärjestelmä perustuu maaperään, kallioon tai vesistöön varastoituneen aurinkoenergian hyödyntämiseen rakennuksen lämmityksessä ja jäähdytyksessä. Näistä suosituimmaksi on noussut kalliolämpö, koska kalliolämpökaivon energiasaanto on noin kaksinkertainen putkimetriä kohti verrattuna maalämpöputkistoon. (Aittomäki, 2001) Kuvassa 5 on esitetty lämmönkeruuputkiston eri sijoitusvaihtoehdot. Kuva 5. Aurinkoenergian hyödyntäminen kalliosta, maaperästä tai vesistöstä. (Geologian tutkimuskeskus, 2008) Tavallisin menetelmä saada aikaan lämmön vaihtumista lämpökaivossa on sijoittaa sinne yksi tai useampi U:n muotoinen polyeteeniputki. Kuvassa 6 on esitetty lämmönkeruuputkiston sijoittuminen lämpökaivoon kaksiputkijärjestelmässä. Kaivoon upotettavat putket liitetään alapäästään silmukaksi messinkisellä U-kappaleella, johon kiinnitetään kaivosyvyyden mukaan laskennallisesti määritetty paino, jonka tehtävä on vetää putket suorana alas. Putkistoja asennetaan kaksiputkijärjestelmän lisäksi myös kolmi- ja neliputkijärjestelminä, joista kolmiputkijärjestelmä on harvemmin 18

20 käytetty. Neliputkijärjestelmää puolestaan käytetään suuremmissa kohteissa ja se koostuu kahdesta rinnan kytketystä putkisilmukasta. Lämmönkeruuputket on eristettävä rakennuksen sisältä lämpökaivon huoltokaivoon asti ja mielellään itse kaivossa vielä routarajan alapuolelle asti. (Lund et al. 2004; Sulpu, 2009) Kuva 6. Lämmönkeruuputkisto lämpökaivossa. (Suomen ympäristökeskus, 2009) Kaivon halkaisija on Suomessa tyypillisesti 140 tai 165 mm ja yhden reiän syvyys on rakennuksen energiatarpeesta riippuen yleensä m. Käytännössä kaivoa ei ole järkevää porata 200 m syvemmäksi, jolloin pumppauskustannukset kasvaisivat suhteettoman suuriksi. Suurissa järjestelmissä on kuitenkin mahdollista käyttää syvempiäkin lämpökaivoja, aina 300 m asti. Lämmönsiirron tehostamiseksi lämpökaivo täytetään vedellä, jos se ei itsestään täyty pohjavedellä. Lämpökaivon teholliseksi syvyydeksi luetaan vain kaivon vedellä täyttynyt syvyys. Täyteaineena voidaan käyttää 19

21 myös muuta kuin vettä, mikä onkin tavallista muualla Euroopassa ja USA:ssa. (Lund et al. 2004; Sulpu, 2009) Termisesti parannetut täyteaineet ovat olleet USA:ssa käytössä jo yli 10 vuotta. Täyteaineen etu on se, että sillä saadaan pienennettyä lämpökaivon lämpövastusta. Mitä pienempi lämpökaivon lämpövastus on, sitä suurempi on kaivosta saatava lämpövirta. Taulukossa 1 on vertailtu täyteaineen lämmönjohtavuuden vaikutusta lämpövastukseen, kaksi- ja neliputkijärjestelmillä. Voidaan huomata, että varsinkin neliputkijärjestelmän tapauksessa täyteaine pienentää lämpövastusta huomattavan paljon. Suomessa lämpökaivon täyteaineena toimii vesi, jonka lämpövastus on 0,6 W/(m/K). (Lund et al. 2004) Taulukko 1. Täyteaineen lämmönjohtavuuden vaikutus lämpökaivon sisäpuoliseen lämpövastukseen, kaksi- ja neliputkijärjestelmissä. (Lund et al. 2004) Lämpökaivon Täyteaineen Lämpövastus tyyppi lämmönjohtavuus lämpökaivon sisäpuolella k t [W/(m/K)] R b [K/(W/m)] 2-putkijärjestelmä 0,8 0,196 1,6 0,112 4-putkijärjestelmä 0,8 0,134 1,6 0, Maaperän vaikutus Energia on varastoitunut kallioon pääosin auringosta, mutta pieni osa siitä on geotermistä lämpöenergiaa. Maan pinnan lämpötila vaihtelee ilman lämpötilojen ja vuodenaikojen mukaan. Taulukossa 2 on esitetty maanpinnan keskilämpötilat muutamalla paikkakunnalla. Kuvasta 7 voidaan puolestaan havaita, että jo 15 m syvyydessä kalliossa lämpötila on vuodenajasta riippumaton. (Leppäharju, 2008) 20

22 Taulukko 2. Maanpinnan keskilämpötilat paikkakunnittain. (EED, 2008) Paikkakunta Maanpinnan keskilämpötila, [ºC] Helsinki 5,6 Turku 4,8 Lappeenranta 3,6 Jyväskylä 2,6 Oulu 2,0 Sodankylä -1,0 Kuva 7. Maan pintakerroksen (0-16m) teoreettiset lämpötila-syvyyskäyrät joka toiselle kuukaudelle. (Leppäharju, 2008) Maaperän lämpötila 15 m alapuolella on maanpinnan keskilämpötilan ja geotermisen gradientin säätelemää. Geoterminen gradientti nostaa lämpötilaa 8-15 K/km, joten 100 m syvyydessä lämpötila on noussut maanpinnan keskilämpötilasta noin 1 ºC ja 200 m syvyydessä noin 2 ºC. Kuvassa 8 on esitetty kuvaa 7 vastaavat lämpötilasyvyys-käyrät, nyt myös geoterminen gradientti (10 K/km) on otettu nyt huomioon. (Gehlin, 2002; Leppäharju, 2009) 21

23 Kuva 8. Maaperän (0-100m) teoreettiset lämpötila-syvyyskäyrät joka toiselle kuukaudelle. (Leppäharju, 2008) Suomen kallioperän kivilajien lämmönjohtavuuksissa ei ole kovin suurta vaihteluväliä. Poikkeuksena on kvartsipitoinen kallio, jonka lämmönjohtavuus voi olla poikkeuksellisen hyvä. Enemmän on vaikutusta sillä kuinka rikkonaista kallio on ja kuinka paljon siinä liikkuu vettä. Vesi johtaa lämpöä paremmin kuin kivi, joten rikkonaisesta kalliosta voi saada lämmön tehokkaammin talteen, toisaalta taas liian rikkonaiseen kallioon poraaminen voi johtaa porareiän sortumiseen. (Gehlin, 2002; Geologian tutkimuskeskus, 2008) Hyvä sijoituspaikka lämpökaivoille on esimerkiksi pysäköintialueen alla. Tumma asfaltti tehostaa kesällä aurinkoenergian imeytymistä maaperään ja talvella asfaltti toimii eristeenä, joka hidastaa maaperän jäätymistä. (Geologian tutkimuskeskus, 2008) 22

24 3.3 Lämmön siirtymisprosessi Lämmön siirtymisprosessi maaperän ja lämpökaivon välillä on hyvin monimutkainen, koska siihen vaikuttavat monet eri seikat. (Jun, 2009) 1. Paikalliset ominaisuudet ilmasto- ja hydrogeologiset olosuhteet maaperän lämpöominaisuudet ja lämpöjakauma 2. Maalämpöjärjestelmän parametrit lämpökaivon tyyppi, syvyys ja halkaisija putkien sijoitus lämpökaivon sisällä, materiaali ja koko lämmönsiirtonesteen tyyppi, lämpötila ja nopeus putkessa 3. Operatiiviset olosuhteet lämmitys- ja jäähdytystarve järjestelmän ohjaus käyttöominaisuudet Lämpövastuksen avulla voidaan kuvata lämmön siirtymistä lämpökaivon sisä- ja ulkopuolella Lämmön siirtyminen mallintamiseksi lämpökaivossa ja sen ulkopuolella on kehitetty lukuisia eri malleja. Malleja on sekä analyyttisia ja numeerisia ja tämän lisäksi markkinoilla on monia eri tietokoneohjelmia. Tässä työssä tullaan käyttämään lämpökaivojen mitoitukseen ja suunnitteluun tarkoitettua ohjelmaa EED (Earth Energy Designer). EED on kehitetty Lundin yliopistossa Ruotsissa ja se perustuu Eskilsonin malliin. Eskilsonin malli on yhdistelmä analyyttisistä ja numeerisista ratkaisumenetelmistä. (Jun, 2009) 23

25 Eskilsonin mallin mukaan maaperän lämpötila-yhtälön kirjoittamiseksi tarvitaan sylinterikoordinaatteja (Yang, 2010): 2 2 t 1 t t 1 t 2 2 r r r z s t( r,0, ) t0 t( r, z,0) t0 H y H 1 t q( ) 2 rk m dz H r H y r rb (2) jossa t on lämpötila, r on etäisyys, rb on lämpökaivon säde, on aika, km on maaperän lämmönläpäisykerroin, s on maaperän terminen diffusiviteetti, H on lämpökaivon syvyys, H y on lämpökaivon ylin osa joka voidaan termisesti jättää ottamatta huomioon. Lämpötilaeroksi lämpökaivon ja maaperän välillä saadaan (Yang, 2010): t q t0 g( /, rb / H ) 2 k b s (3) jossa t b on lämpökaivon seinän lämpötila. G-funktio on dimensioton muuttuja, joka voidaan ratkaista numeerisesti. EED sisältääkin tietokannan, johon on valmiiksi laskettu 6385 g-funktion arvoa. (EED, 2008) Maaperän lämpövastus voidaan ratkaista kaavan 3 ja g-funktion arvojen avulla. Maaperän lämpövastus R s lasketaan (Hellström, 2003 ): tb t R s q 0 (4) 24

26 Lämpövastus lämpökaivon sisällä on lämpövastus lämmönsiirtonesteen ja lämpökaivon seinämän välillä, kuvan 9 mukaisesti. Lämpökaivon sisäpuolinen lämpövastus koostuu siis lämmönsiirtonesteen konvektiosta, lämmönsiirtoputkien konduktiosta sekä täyteaineen lämpövastuksesta. (Lamarche, 2010) Kuva 9. Lämpövastuksen muodostuminen lämpökaivon sisäpuolella. Lämpökaivo on leikattu vaakatasossa ja se sisältää yhden U-putken (kaksiputkijärjestelmä) ja kaivo on täytetty täyteaineella. (Lamarche, 2010) Kuvassa 9: T on lämpökaivon seinän lämpötila, T f 1, T f 2 b lämmönsiirtonesteen menoja paluulämpötila, ' R 1, ' R2 on lämpövastus lämmönsiirtonesteen ja lämpökaivon seinän välillä ja ' R12 on lämpövastus lämmönsiirtonesteen meno- ja paluuputkien välillä. 25