Ekoviikin EUaurinkolämpöjärjestelmien. jatkoseuranta LOPPURAPORTTI

Transkriptio

1 Ekoviikin EUaurinkolämpöjärjestelmien jatkoseuranta LOPPURAPORTTI SOLPROS Marraskuu 2004

2 Tiivistelmä Ekoviikki on ainutlaatuinen ekologisen rakentamisen alue Helsingin Viikissä, jossa luodaan suuntaviivoja kaupunkimaiselle ympäristö- ja asukasystävälliselle asumiselle. Helsingin kaupunki, ympäristöministeriö ja SAFA ovat yhdessä ideoineet aluetta. EU-aurinkolämpöhanke on Ekoviikin merkittävimpiä energiakohteita. Se koostui kahdeksasta kerrostaloihin rakennetuista aurinkolämpöjärjestelmästä. Hanke toteutettiin EU:n Thermie-ohjelman puitteissa ja se päättyi vuoden 2001 lopussa. Tämän jatkona käynnistyi osin ympäristöministeriön tulella seurantaprojekti ( ). Hankkeen tavoitteena oli aurinkolämpöjärjestelmien käyttöönottovaiheen loppuunsaattaminen, suorituskyvyn optimointi ja seurantakokemusten pohjalta esittää parannusehdotuksia. EU-aurinkolämpöjärjestelmien kaksivuotinen seurantavaihe osoittautui hyödylliseksi aurinkolämpöjärjestelmien toiminnan varmistamiseksi ja käytännön kokemusten analysoimiseksi, joita voidaan hyödyntää tulevissa projekteissa. Pidennetyllä käyttöönottovaiheella luotiin myös pohjaa pitemmän aikavälin ylläpidolle. Ratkaisumalliksi valittiin huoltoyhtiöiden koulutus ja aurinkolämpöjärjestelmien asentamiseen osallistuneen yrityksen käyttäminen vaativimmissa tilanteissa. Jatkossa erilaiset energiapalvelukonseptit voisivat myös olla käypä ratkaisu. Aurinkolämpöjärjestelmien energiaseuranta näytti, että vajaat 10 % kaikesta lämmöstä tuotettiin aurinkoenergialla. Lämpimään käyttöveteen suhteutettuna tämä vastaa keskimäärin noin 30 % osuutta. Hajonta eri järjestelmien välillä oli suuri eli aurinkoenergian osuus vaihteli 5-25 % välillä. Syyt tähän olivat pääasiassa mitoitukselliset, mutta osin myös tekniset ratkaisut. Aurinkolämmön suhteellinen tuotto on ollut parhaimmissa järjestelmissä ennätyskorkea eli jopa yli 400 kwh/ker-m 2,v. Aurinkokeräinteknologia on toiminut odotetusti ja varsinaiset ongelmatilanteet ovat esiintyneet lähinnä uuden ja perinteisen teknologian yhdistämisessä. Yhteensä lähes viisi vuotta käsittäneen käyttöjakson ja tehtyjen havaintojen perusteella on kerätty joukko pieniä teknisiä parannusehdotuksia, jotka voisivat olla hyödyksi jatkohankkeille, mm. aurinkokeräinten ilmausratkaisut ja lämmön tehokas purkaminen vesivaraajasta. Eräitä aurinkolämmön suunnitteluarvoja asuntorakentamisessa voitiin myös päivittää. Esimerkiksi kesäajan lämpökuorma osoittautui alkuperäistä suunnitteluarvoa pienemmäksi. Hyvän aurinkolämmön tuottotaso voitaisiin kuitenkin varmistaa käyttämällä hieman suurempaa kallistuskulmaa keräimille (50-60 o ) ja/tai kasvattamalla vesivaraajan kokoa keräinpintaan nähden (~ 100 litraa/ker-m 2 ). Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmien tuottaman lämmön osuutta kaikesta lämmöstä voitaisiin tehtyjen analyysien perusteella nostaa %:iin mm. lisäämällä keräinmäärää ja hyödyntämällä uusia teknologiaratkaisuja. Jatkossa kokonaisenergiaratkaisut, joissa yhdistetään aurinkoenergian eri muotoja, ovat myös kiinnostavia vaihtoehtoja, joilla aurinkoenergian osuutta kaikesta energiantarpeesta voitaisiin edelleen nostaa. Jatkoseurantaan osallistuivat alueen rakennuttajat VVO-R, Helsingin kaupungin asuntotuotantotoimisto (ATT), Skanska Oy, Etelä-Suomen YH-Rakennuttaja Oy (ESY), Helsingin Energia ja Solpros Ay. Hankkeen koordinoinnista vastasi Solpros Ay. Hankkeen vastuuhenkilönä toimi toimitusjohtaja Heidrun Faninger-Lund. SOLPROS 2004

3 Sisällysluettelo Tiivistelmä...1 Sisällysluettelo Johdanto Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmät Yleistä Aurinkokeräinten integrointi Aurinkolämmön lvi-tekninen toteutus Energiamittaukset Aurinkolämmön tuotto Aurinkolämmön osuus talojen lämmöstä Analyysi aurinkolämpöjärjestelmien tuottoeroista Lämpötilatasot Keräinten kallistuskulma Lämpimän käyttöveden kulutusprofiili Aurinko- ja peruslämmön kytkentä Perusmitoituksen vaikutus Tekninen toimivuus Muita kokemuksia Teknisiä kokemuksia Kesän ylilämpö ja talven alilämpö Parannusehdotuksia Perusmitoitus ja suunnittelu Tekniset ratkaisumallit ja ylläpito Koko prosessi Kansainväliset trendit Johtopäätökset...26 LIITE: Aurinkolämpöjärjestelmien mittaukset...27 SOLPROS

4 1. Johdanto Ekoviikki on ainutlaatuinen ekologisen rakentamisen alue Helsingin Viikissä, jossa luodaan suuntaviivoja kaupunkimaiselle ympäristö- ja asukasystävälliselle asumiselle. Helsingin kaupunki, ympäristöministeriö ja SAFA ovat yhdessä ideoineet aluetta. Ekoviikki on 2000 asukkaan yhteisö, jonka rakentaminen ajoittuu vuosille Ekoviikissä on kiinnitetty erityistä huomiota energia- ja ympäristökysymyksiin. Siellä hyödynnetään mm. aurinkoenergiaa. Ekoviikki toteuttaa omalta osaltaan kansallisessa ilmastostrategiassa asetettuja tavoitteita aurinkoenergialle. EU-aurinkolämpöhanke on Ekoviikin merkittävimpiä energiakohteita ja Suomen suurin aurinkoenergiakohde. Se koostui kahdeksasta kerrostaloihin rakennetusta aurinkolämpöjärjestelmästä. Hanke toteutettiin EU:n Thermie-ohjelman puitteissa ja se päättyi vuoden 2001 lopussa. Hanke oli tekniseltä toteutukseltaan hyvin monipuolinen ja saatavilla kokemuksilla voidaan löytää malleja parhaiten olosuhteisiimme sopivista ratkaisuista. Hanke oli laajuutensa vuoksi myös hyvin vaativa. Näistä syistä katsottiin pidempiaikainen seuranta hyödylliseksi, siis sekä käyttöönoton että saatavien käyttökokemusten valossa EU-aurinkolämpöhankkeen jatkona käynnistyi osin ympäristöministeriön tulella seurantaprojekti Hankkeen tavoitteena oli Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmien pidennetyn käyttöönottovaiheen loppuunsaattaminen, suorituskyvyn optimointi ja seurantakokemusten pohjalta esittää parannusehdotuksia. Toteutus käsitti aurinkolämpöjärjestelmien energiaseurannan, teknisiä toimenpiteitä paikan päällä, tulosten analyysejä sekä toimintavarmuuteen liittyviä toimenpiteitä. Jatkoseurantaan osallistuivat alueen rakennuttajat VVO-R, Helsingin kaupungin asuntotuotantotoimisto (ATT), Skanska Oy, Etelä-Suomen YH-Rakennuttaja Oy (ESY), Helsingin Energia ja Solpros Ay. Helsingin Energia vastasi aurinkolämpöjärjestelmien mittauslaitteista ja mittaustiedoista. Hankkeen koordinoinnista ja muusta toteutuksesta vastasi Solpros Ay. Hankkeen johtoryhmässä olivat edustettuina edellä mainittujen osapuolten lisäksi ympäristöministeriö ja Helsingin kaupunki. Tässä raportissa esitetään hankkeet tulokset ja johtopäätökset. SOLPROS

5 2. Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmät 2.1 Yleistä Ekoviikin EU aurinkolämpöprojekti koostuu 8 aurinkolämpöjärjestelmästä, joiden yhteenlaskettu pinta-ala on m 2. Nämä rakennettiin vuosina Aurinkolämpö koskettaa puolta Ekoviikin alueesta. Aurinkokeräimiä on noin 3 m 2 /asunto lukuun ottamatta As.Oy Valkoapila (Skanska 2), jossa on kaksinkertainen määrä. Yleistiedot kohteista on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Yleistiedot Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmistä Kohde [lyh.] Katuosoite Asuntoja [kpl] Pinta-ala [br-m 2 ] Aurinkokeräin [br-m 2 ] Varaaja [m 3 ] ATT 1 Tilanhoitajankaari ATT 2 Tilanhoitajankaari SKANSKA 1 Nuppukuja SKANSKA 2 Nuppukuja SKANSKA 3 Tilanhoitajankaari VVO Norkkokuja 3 & HELAS Nuppukuja ESY Versokuja Yhteensä Kuvassa 1 on esitetty aurinkolämpökohteiden sijainti. Kuvassa 2 ovat kohteet erikseen. Kuva 1. Aurinkolämpökohteiden sijainti Ekoviikissä. [lähde: Helsingin kaupunki] Aurinkolämpö koskettaa lähes 400 asuntoa ja noin puolta koko Ekoviikin alueesta. SOLPROS

6 Kuva 2. EU aurinkolämmitysjärjestelmät Ekoviikissä. Ylhäällä vasemmalta Skanska 1 ja 2, Skanska 3, keskellä ATT1, ATT2 ja VVO, alhaalla ATT2, Helas, ja ESY. Aurinkolämmön tuoton odotusarvo on nettolämpönä 300 kwh/keräin-m 2,v putkistohäviöt huomioon ottaen tai 350 kwh/keräin-m 2,v bruttolämpöä tai 40 % lkv:stä kohteesta ja keräinten määrästä riippuen. Lähtökohtaisesti suurissa järjestelmissä aurinkolämmön osuus lkv:stä on merkittävä, mutta aurinkokeräinten tuotto per m 2 pienempi. Pienissä järjestelmissä aurinko-osuus on taas pienempi, mutta keräinten tuotto per m 2 on suuri. Syy edelliseen on aurinkolämmön tuoton voimakas riippuvuus lämpötilatasoista samoin kuin sen vaikutus aurinkolämmön hyödynnettävyyteen. SOLPROS

7 2.2 Aurinkokeräinten integrointi Aurinkolämpöjärjestelmän keskeisin komponentti on aurinkokeräin. Ekoviikissä on käytetty uudentyyppistä suurkeräinmoduulia, joka soveltuu erityisesti asuintaloihin ja kattoratkaisuihin. Yhden aurinkokeräinmoduulin pinta-ala on 10 m 2. Tämä moduuli voi toimia pellitettynä rakennuksen vesikatteena. Moduulissa on käytetty ns. selektiivistä absorptiopintaa, jolloin lämpöhäviöt saadaan pienennettyä. Aurinkokeräimissä virtaavan nesteen tyypillinen toimintalämpötila on o C, mutta ilman vesikiertoa lämpötila voi nousta jopa 150 o C:een. Saavutettava korkea lämpötila on vaikuttanut mm. aurinkokeräinpiirin paisunta-astioiden koon suurentamiseen. Aurinkokeräimen tekninen kuvaus ja arvot on esitetty kuvassa 3. bruttopinta-ala 10 m 2, netto 9 m 2 5 m x 2 m 4 mm karkaistu lasi erikoismustapinta (selektiivinen) puuraami 55 mm vuorivillaeriste 8 mm takavaneri paino 240 kg nestetilavuus n 5 l max. paine 10 bar max. lämpötila o C U-arvo on 3,6 W/m 2 K Kuva 3. Ekoviikissä käytettyjen aurinkokeräinten rakenne ja tekniset arvot. Aurinkokeräimet on useassa kohteessa integroitu osaksi kattorakennelmaa ns. energiakatoksi. Kuvassa 4 on esitetty integrointitapa. Aurinkokeräimet on kaikissa kohteissa suunnattu etelään ja kallistuskulma on o (taulukko 2). keräinelementti aluskate ruodelaudoitus keräinpellitys vesikate Kuva 4. Aurinkokeräinten integrointi SOLPROS

8 Seurantajakson aikana aurinkokeräimet ovat toimineet moitteettomasti. Taulukko 2: Aurinkokeräinten kallistus ja integrointi rakennukseen. kohde Katuosoite Kallistus Integrointitapa ATT 1 Tilanhoitajankaari Keräimet = huoltorakennuksen katto; keräimet muodostavat vesikatteen osan ATT 2 Tilanhoitajankaari Loiva kattointegrointi; keräimet muodostavat vesikatteen osan SKANSKA 1 Nuppukuja 3 55 Kattoon integrointi; keräimet muodostavat vesikatteen osan SKANSKA 2 Nuppukuja 4 55 Keräimet muodostavat katon vesikatteen SKANSKA 3 Tilanhoitajankaari Kattoon integrointi; keräimet muodostavat katon vesikatteen VVO Norkkokuja 3 & 4 25 Kattoon integrointi; keräimet muodostavat vesikatteen osan HELAS Nuppukuja 6 30 Keräimet integroitu vesikaton päälle; keräimet eivät korvaa vesikatetta ESY Versokuja 3 60 Keräimet integroitu vesikaton päälle; keräimet eivät korvaa vesikatetta 2.3 Aurinkolämmön lvi-tekninen toteutus Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmien lvi-tekninen perusperiaate on esitetty kuvassa 5. Lvi-teknisesti katsottuna uusin komponentti on aurinkokeräin ja sen säätöyksikkö, mutta muuten järjestelmä edustaa perinteistä lvi-tekniikkaa. 2 Lkv:n warm kierto water circulation district heating collector area Lämpövaraaja Peruslämpöjärjestelmä (kaukolämpö) Aurinkokeräimet Purkauspiiri Glykolipiiri energy storage Vesipiiri radiator network Patteriverkosto cold water Kylmä vesi Kuva 5. Aurinkolämpöjärjestelmän kytkentäkaavio. SOLPROS

9 Aurinkolämpö- ja lämmityspiirit ovat toisistaan erillään eivätkä vaikuta toistensa toimintaan. Aurinkokeräimistä saatava lämpö johdetaan lämpövaraajana toimivaan eristettyyn vesisäiliöön. Asuntojen tarvitsema lämmin käyttövesi (lkv) tehdään kylmästä vedestä (n 6 o C), joka ensin esilämmitetään lämpövaraajan kautta lämmönvaihtimen avulla. Jos varaajasta tuleva lkv ei ole riittävän lämmintä (noin 55 o C), nostetaan veden lämpötilaa kaukolämmön avulla. Muutamassa kohteessa pesutilojen lattialämmityspiiri on myös kytketty varaajaan. Lämpimän käyttöveden kiertoa ei ole kytketty varaajaan, koska se nostaisi varaajan lämpötilatasoa ja heikentäisi aurinkolämmön tuottoa. Kesällä, kun varaajan lämpötila on keskimäärin yli 50 o C, voidaan kierto kytkeä käsin sulkuventtiilistä varaajan kautta kulkevaksi, jolloin kierron häviöt saadaan myös varaajasta. Aurinkolämpöjärjestelmä koostuu kolmesta kiertopiiristä: 1) aurinkokeräimissä kiertää jäänestoaine, joka on eristetty vesivaraajasta lämmönvaihtimella, 2) varaajan ja vesivaraajan välissä on vesipiiri ja 3) lämmön purkupiiri vesivaraajasta lämpökuormaan. Kuvassa 6 on havainnollistettu aurinkolämmitysjärjestelmän kiertopiirit. Käytännössä aurinkopiiri lataa varaajan ja purkupiiri purkaa varastossa olevan lämmön. Lataus ja purkaus voi tapahtua yhtäaikaisesti, esimerkiksi päiväaikaan kun taas illalla vain purkupiiri on käytössä. Yhdysputkisto Kaukolämpö Vesivaraaja Aurinkokeräinmoduli Glykolipiiri Vesipiiri Asunnot Kylmä vesi Varaajan purkupiiri Glykolipiiri kiertää keräimissä, lämpötila o C, 150 o C mahdollinen 50% jäänesto-seos ( -30 o C) painetaso kohteesta riippuva, 2-3bar (yl. 2.6 bar) ilmattava huolella virtaukset säädetty pumpun käyntinopeus säätöventtiileillä Vesipiiri keräinlämmönvaihtimen ja varaajan välillä max. 3 bar lämpötilaohjattu 3-tieventtiili ohjaa lämmön varaajan ylätai keskiosaan Purkupiiri varaajan lämmön siirto asuntoihin lämmin käyttövesi (lkv) kaikissa kohteissa, eräissä on myös lattialämmitys pumpun ohjaus: varaajalle pyritään palauttamaan mahdollisimman kylmää vettä ja pyritään välttämään varaajan sekoittuminen Kuva 6. Aurinkolämpöjärjestelmän kiertopiirit. SOLPROS

10 Lämmön purkamisen tehokkuus vesivaraajasta vaikuttaa epäsuorasti myös aurinkolämmön tuotantoon. Mitä alhaisempi varaajan lämpötila on, sitä parempi on aurinkolämmön tuotto, koska aurinkokeräimen hyötysuhde pienenee lämpötilan kasvaessa. Jos lämpöä ei pureta, esimerkiksi lämmön tarvetta ei ole tai purkauspiiri ei toimi tehokkaasti, vähenee aurinkolämmön tuotto. Lämmön purkamisen osalta käyttöönotto kesti ennakoitua kauemmin. Osasyynä tähän oli osin kotimaisten osapuolten kokemattomuus uuden teknologian kanssa, joka on parantunut EU-projektin kuluessa. Vuonna 2001 kaikki lämmönpurkupiirit eivät olleet vielä täydessä kokoonpanossa, mm. kaikkia pumppujen säätöyksikköä ei oltu vielä asennettu. Vuoden 2002 aikana purkauspiirit saatiin lähes lopulliseen kokoonpanoon, joka vaikutti eräissä kohteissa selvästi parempaan varaajalämmön hyödyntämiseen. SOLPROS

11 3. Energiamittaukset Aurinkolämpöjärjestelmien toiminnan ja lämmön tuoton seuraamiseksi aurinkolämpöjärjestelmät on Helsinki Energian toimesta varustettu energiamittareilla. Lämmön tuotto mitataan sekundääri- eli vesipiiristä, ts. varaajaan syötetty aurinkolämpö. Aurinkolämpöjärjestelmien säätöyksiköissä on pumppujen käyntiaikamittarit, jotka antavat myös karkean kuvan järjestelmien toiminnasta. Järjestelmistä mitataan lisäksi lämpötiloja. Energiamittauksissa on esiintynyt ongelmia, erityisesti HELAS ja VVO kohteissa, mutta myös muissa on esiintynyt epätarkkuutta.. Liitteessä on tarkempi kuvaus mittauksista. 3.1 Aurinkolämmön tuotto Aurinkolämmön mitattu tuotto (vesipiiri) vuosina on esitetty kuvassa 7 kohteittain. Vuonna 2001 tuotettiin yhteensä 293 MWh (Skanska 1 kohde ei valmis), vuonna MWh ja vuonna MWh. Tuotettu aurinkolämpö, MWh/v ATT1 ATT2 SKA 1 SKA 3 VVO HELAS ESY SKA2 Kuva 7. Aurinkolämpöjärjestelmien tuotto Ekoviikissä (MWh/v). Aurinkolämmön suhteellinen tuotto eli aurinkolämpö per keräin pinta-ala (kwh/m 2,v) vuosina on esitetty kuvassa 8 kohteittain. Suhteellisen tuoton avulla voidaan verrata järjestelmiä toisiinsa ja arvioida eri tekijöiden vaikutusta energiantuottoon. Lämmön tuotto vaihtelee vuodesta toiseen aurinkoisuuden ja ulkolämpötilan ja lämmön tarpeen mukaan. Tarkastelujaksolla vuosien väliset erot olivat noin 25 %, jotka pääosin johtuvat sään vaihteluista. Havaitut erot eri järjestelmien välillä ovat myös merkittäviä, jopa 30%, jotka johtuvat pääasiassa aurinkolämpöjärjestelmien mitoituksesta suhteessa SOLPROS

12 lämpökuormaan. Eräiden järjestelmien tuotto on suhteellisesti parantunut mm. säädöissä ja kytkennöissä tehdyistä parannuksista johtuen. Aurinkolämmön tuotto per keräin-m2 keräintuotto kwh/m2,v ATT1 ATT2 SKA 1 SKA 3 VVO HELAS ESY SKA vuosi Kuva 8. Aurinkolämmön tuotto keräinpinta-alaa kohde Ekoviikin aurinkolämpökohteissa (kwh/keräin-m 2,v). Aurinkokeräinten vuosituotto vastaa odotusarvoa. Hyvänä vuotena usean aurinkolämpöjärjestelmän keräintuotto ylittää jopa 400 kwh/keräin-m 2,v. Huonona vuotena jäädään tasolle 300 kwh/keräin-m 2,v. Näitä alemman suhteellisen keräintuoton selittävät mm. seuraavat tekijät: suuri keräinpinta-ala suhteessa lämpökuormaan eli korkeampi aurinko-osuus (esim. Skanska 2 keräinpinta-ala kaksinkertainen tavanomaiseen), loivempi kallistuskulma, pitkä lämmönsiirtoverkosto (ATT2), arvioitu pienempi lämminvesikulutus (Skanska 3), laiterikkoutuminen (ESY:n paisunta-astian vaihto kesällä 2003, 6kk katkos). Esimerkki aurinkolämmön ominaistuoton kuukausivaihteluista on esitetty kuvassa 9. Vuonna 2002 tuotantohuiput osuivat toukokuuhun ja elokuuhun. Yli 90 % tuotetusta aurinkolämmöstä saadaan helmikuun ja lokakuun välillä. Tuotetusta aurinkolämmöstä saadaan jopa 55 60% varsinaisen kesäkauden ulkopuolella (tammikuu-toukokuu ja syyskuu-joulukuu) eli aurinkolämpöä voitaisiin myös käyttää jonkin verran varsinaiseen lämmitykseen. Tuntimittaustiedoissa esiintyneiden puutteiden vuoksi kuukausituottoa ei voida esittää kaikille järjestelmille koko tarkastelujaksona. SOLPROS

13 Aurinkolämmön kuukausituotto, kwh/m SKA 1 VVO ATT 2 ATT 1 ESY Kuukausi Kuva 9. Aurinkolämmön suhteellinen tuotto kuukausittain (kwh/m 2, kk) vuonna Aurinkolämmön osuus talojen lämmöstä Ekoviikin aurinkolämpökohteiden peruslämmön lähteenä on kaukolämpö. Vuosina rakennusten kaukolämmön kulutus oli kwh/m 3,v. Vuonna 2001 aurinkolämpö tuotti 8 %, vuonna % ja vuonna % kaikesta lämmöstä häviöt mukaan lukien. Aurinkolämpö tuottaa Ekoviikissä vain lämmintä vettä. Kahdessa kohteessa (Helas ja Skanska 3) mitattiin lämpimän käyttöveden määrä, joka oli 30 35% kaikesta lämmöstä. Tämä perusteella aurinkolämmöllä tuotettiin kaikesta lämpimästä käyttövedestä noin 30 %. Kuvassa 10 on tarkempi erittely aurinko-osuudesta kohteittain. Aurinkolämmön osuus kaikesta lämmöstä on noin 5 %:sta 25%:iin (pl. ESY 2003) tai 15 % -75 % käyttövedestä. SOLPROS

14 Aurinkolämmön osuus lämmöstä aurinkolämmön osuus kaikesta lämmöstä,% aurinkolämmön osuus lkv:stä, % ATT1 ATT2 SKA 1 SKA 3 VVO HELAS ESY SKA HKE vuosi 0 Kuva 10. Aurinkolämmön osuus lämmöstä vuositasolla. Aurinkolämmön osuus kaikesta lämmöstä mitattu ja osuus lkv:stä arvioitu. Vuoden 2003 itse mitattu lämmönkulutus on suurempi kuin Helsingin Energian ilmoittamat arvot. SOLPROS

15 4. Analyysi aurinkolämpöjärjestelmien tuottoeroista Aurinkolämpöjärjestelmien tuotto vaihtelee vuodenajan mukaan. Järjestelmien keskinäisissä tuotoissa esiintyy suuria eroja keräinpinta-alaan suhteutettunakin, vaikka järjestelmäperiaate on kaikissa kohteissa lähes sama. Näitä analysointiin projektissa tarkemmin. Aiempien kokemusten perusteella keskityttiin seuraaviin tekijöihin: (1) Lämpötilatasot keräinten lämpöhäviöt kasvavat lämpötilan kasvaessa (2) Kallistuskulma kallistuksella vaikutetaan säteilyn tulokulmaan ja sen määrään (3) Lämpimän kv:n kulutusprofiili aurinkolämmön tuotto riippuu suoraan tarpeesta (4) Aurinko/peruslämmön kytkentä varastoidun lämmön purku vaikuttaa lämpötilaan (5) Aurinkolämmön mitoitus keräinpinta-ala vaikuttaa suoraan tuottoon ja osuuteen 4.1 Lämpötilatasot Aurinkokeräinten lämpötila riippuu keskeisesti aurinkolämpöjärjestelmän varaajan lämpötilasta. Varaajan lämpötila riippuu vastaavasti mm. keräinten määrästä suhteessa varaajan tilavuuteen sekä lämpimän käyttöveden tarpeesta - suurempi kulutus tiputtaa lämpötilaa ja siten nostaa aurinkokeräinten tuottoa. Siihen vaikuttaa myös miten tehokkaasti lämpöä puretaan kulutukseen (varaajan purkupiiiri). Esimerkiksi 10 o C korkeampi lämpötila varaajassa merkitsee kirkkaana päivänä noin 5% alhaisempaa aurinkokeräimen hyötysuhdetta, mutta puolipilvisenä päivänä ero on jo yli 20%. Kuvassa 11 on esitetty neljästä aurinkolämpöjärjestelmästä varaajan lämpötila tunneittain heinäkuussa Lämpötila nousee päivällä ja laskee yöllä. Lämpötilaerot eri järjestelmien välillä ovat jopa 35 o C, mikä vastaa 20% eroja lämmöntuotossa. Aurinkolämpöjärjestelmät toimivat tässä tapauksessa odotetusti Norkkokuja 3&4 (VVO) Nuppukuja 3 (Skanska 1) Nuppukuja 4 (Skanska 2) Versokuja 3 (Esy) 70 lämpötila, C tunti Kuva 11. Varaajan lämpötila eri järjestelmissä heinäkuussa SOLPROS

16 4.2 Keräinten kallistuskulma Auringon säteilyn tulokulma ja säteily keräinpintaan vaihtelevat vuodenajan mukaan. Loiva pinta tuottaa enemmän kuin kalteva kesällä ja päinvastoin. Ekoviikissä keräinten kallistuskulma vaihtelee 20 ja 60 asteen välillä. Käytännön erojen selvittämiseksi analysoitiin vielä eripituisia toimintajaksoja toukokuun ja joulukuun välillä. Kuvassa 12 on esitetty yhteenveto kuudesta jaksosta. Raportointiajankohdan lisäksi on ilmoitettu erityismittausjakson pituus päivinä. Esimerkiksi touko-1(20) vastaa tuotettua aurinkolämpöä toukokuun 1 päivään mennessä kahdeltakymmeneltä edeltävältä päivältä. Tulokset on suhteutettua Skanska 1:een (=1). Järjestelmäerot, 100=Skanska HELAS (30 as) SKA3 (55) ATT2 (20) SKA1 (55) ATT1 (45) VVO (25) ESY(60) touko-1(20) heinä-1(10) elo-15(36) syys-1(19) joulu-1(56) tammi- 1(31) Kuva 12. Aurinkolämmön suhteellinen tuotto eri vuodenaikoina. Aurinkolämpö on suhteutettu keräinpinta-alaan ja vertailu tehty Skanska 1:een (=100). Kuvassa on esitetty raportointipäivä ja mittausjakson pituus päivissä. Kuvassa 12 näkyviin tuottoeroihin vaikuttavat monet tekijät, mutta loivempi kallistuskulma (ATT2, VVO) näkyy joka tapauksessa pienempänä lämmöntuottona syksyä kohden jyrkempiin kulmiin (ESY, Skanska 1, Skanska 3) verrattuna. ATT1:n kohdalla syksyä kohden tapahtuva tuoton pudotus johtuu pääosin korkeammasta varaajan minimilämpötilan asetusarvosta (noin 30 o C, muissa järjestelmissä o C). 4.3 Lämpimän käyttöveden kulutusprofiili Lämpimän käyttöveden tarpeen vaihtelu eri vuodenaikoina vaikuttaa myös aurinkolämmön hyödyntämisasteeseen. Ihanteellinen kulutusprofiili aurinkolämmön kannalta olisi kesäaikaan painottuva lämmön kulutus. Helas (Nuppukuja 6) ja Skanska 3 SOLPROS

17 (Tilanhoitajankaari 22) kohteissa on myös mitattu lämpimän käyttöveden kulutusta. Lämpimän käyttöveden kulutus kaikesta aurinkolämmöstä on näissä kohteissa 30 35%. Kuvassa 13 on esitetty Helaksen lkv:n kuukausikulutus. Kuvasta nähdään, että lkv:n kulutus vähenee kesällä, mikä on epäedullista aurinkolämmölle. Vaihtelu on +/-35% keskiarvosta. Verrattuna tasaiseen lkv:n kulutukseen ympäri vuoden, joka on usein aurinkolämmön mitoitusperusteena, tämä kulutusprofiili vähentää Helaksessa vuotuista aurinkolämmön tuottoa 5-10 %, mutta hieman ylimitoitetussa järjestelmässä (esim. Skanska 2) vaikutus voi olla jopa 15 20%. Lkv profiili lkv-profiili lkv energia keskiarvo kuukausi Kuva 13. Lkv:n kuukausivaihtelu ( Helas, Nuppukuja 6) lämmin käyttövesi (MWh/kk) 4.4 Aurinko- ja peruslämmön kytkentä Aurinkolämmön purkua vesivaraajasta kulutukseen ei kaikissa kohteissa oltu toteutettu aivan alkuperäisten suunnitelmien mukaisesti, joka näkyi varastoidun lämmön heikompana hyödyntämisenä ja vastaavasti korkeampana varaajalämpötilana. Useassa kohteessa (mm. ATT1, ATT2, Skanska 3, ESY) tehtiin jälkikäteen pieniä muutostöitä tilanteen parantamiseksi. Helas (Nuppukuja 6) aurinkolämpöjärjestelmän kotimaiset urakat jäivät keskeneräisiksi kesällä 2001 yhtiön aurinkoenergiaprojektista riippumattomista taloudellisista ongelmista johtuen. Aurinkolämmön purkaminen varaajasta kuormaan jäi puutteelliseksi. Aurinkolämmön tuotto ei ole vielä tästä syystä tavoitetasolla, vaikka aurinkopiirien toiminta onkin moitteetonta. Kuvan 14 vertailu Helaksen ja ESY:n välillä (lähes samanlaiset järjestelmät ja kuormat) osoittaa, että Helaksen heikompi lämmön purku johtaa paikoitellen lähes 20 o C korkeampiin toimintalämpötiloihin. Vuositasolla tämä voi vaikuttaa jopa kymmenien prosenttien eroihin lämmön tuotossa SOLPROS

18 85 75 Helas aurinkolämmön paluu Esy aurinkolämmön paluu Helas varaaja Esy varaaja Lämpötila (C-aste) tunti Kuva 14. ESY (Versokuja 3) ja Helas (Nuppukuja 6) aurinkolämpöjärjestelmien lämpötilavertailu kesällä Aurinkolämpöjärjestelmät ovat käytännössä lähes identtiset, mutta lämmön purkamisessa varastosta ja lämpökuormassa on eroja. 4.5 Perusmitoituksen vaikutus Aurinkolämmön perusmitoituksella tarkoitetaan aurinkokeräinten määrä tai kokonaispinta-alan (m 2 ) ja vesivaraajan tilavuuden (m 3 ) valintaa suhteessa lämmön tarpeeseen. Keskeiset mitoitussuureet ovat m 2 /asunto ja m 3 /m 2. Mitä enemmän keräimiä eli m 2 /as lisäämällä kasvaa aurinkoenergian osuus lämmöstä, mutta samalla aurinkokeräinten suhteellinen tuotto pienenee, koska lämpötilatasot nousevat (kuva 15). 450 Suhteellinen keräintuotto, kwh/m2,v keräinpinta-ala per asunto, m2/as Kuva 15. Aurinkolämmön suhteellinen tuotto Ekoviikissä vs. keräinten perusmitoitus. SOLPROS

19 Aurinkolämmön suhteellisen tuoton putoamista suuremmilla keräinpinta-aloilla voitaisiin hieman kompensoida vesivaraajan tilavuutta suurentamalla. 4.6 Tekninen toimivuus Edellä kuvatut tekijät yhdessä vaikeammin arvioitavien teknisten tekijöiden kanssa vaikuttavat käytännössä aurinkolämpöjärjestelmien lämmön tuotoissa havaittuihin eroihin (kts. kuva 7 ja 8). Ekoviikissä mitattiin erikseen vuonna 2003 aurinkolämpöglykolipiirien pumppujen käyntiajat, joka antaa karkean kuvan kuinka kauan lämpöä tuotetaan (kuva 16). Erot selittyvät erilaisista varaajan lämpötiloista (lämmön purkamisen teho) ja keräimien kallistuskulmista. Kuvassa 16 esitettyjen mitattujen käyntiaikojen perusteella Helaksen tulisi tuottaa eniten aurinkolämpöä, mutta energiamittausten mukaan lämmön tuotto on kuitenkin alemmasta päästä. Helaksen kohdalla ei ole poissuljettua, että energiamittarin mittausvirhe olisikin vielä suurempi kuin paine-eromittauksissa saatiin selville. Helaksen aurinkolämpöjärjestelmälle tehty tarkka tunnittainen simulointi EUROSOLohjelmalla antaa saman käyntiajan kuin mittaukset, mutta 30% korkeamman lämmön tuoton. ESY:ssä paisunta-astian vaihto pienensi käyntiajan alle puoleen normaalista vuonna Helas ja ESY poislukien käyntiaikaerot vuodessa ovat parin kymmenen prosentin luokka. pumpun käyntiaika (kum.), tuntia SKA2 (5) ATT1 (2) ATT2 (7) SKA1 (1) SKA3 (4) VVO (3) HELAS (6) ESY (8,huolto) päivä Kuva 17. Aurinkopiiriin käyntiajat vuonna ESY:n piiri oli suljettuna paisuntaastian vaihdosta johtuen heinäkuun puolivälistä. Suluissa on järjestelmien paremmuus aurinkolämmön tuotossa (kwh/ker-m 2,v). SOLPROS

20 5. Muita kokemuksia 5.1 Teknisiä kokemuksia Projektissa seurattiin tarkoin Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmien toimintaa yli kahden vuoden aikana ja varmistettiin kuukausittaisilla tarkistuskäynneillä aurinkolämpöjärjestelmien ongelmaton toiminta. Seurantajaksolta kertyi joukko erilaisia teknisiä kokemuksia, jotka on koottu aurinkolämmön jatkohyödyntämistä silmällä pitäen alla olevaan taulukkoon. alla Taulukko 3. Tekniset kokemukset Ekoviikistä. Tilanne Esiintynyt Ratkaisumalli Keräinten ilmaus kaikki Ilmausruuvit sijaitsevat välikatolla keräinten yhdysputkistossa yleensä hankalassa paikassa. Korkeasta lämpötilasta (150 o C) johtuen automaattinen ilmausventtiili ei ole mahdollinen, mutta ilmauksen helppokäyttöisyys olisi tärkeää. Ilmaus hoidetaan pääosin täyttöpumpulla lämmönjakohuoneessa ohittamalla keräinpumppu. Keräinlasin rikkoutuminen ATT1 Yksi keräinlasi rikottu (ilkivalta). Talon huoltoyhtiö vaihtoi lasin. Kalvopaisuntasäiliön vaihto ESY Vaihdettiin takuutyönä. Paisuntasäiliö löytyy kotimaasta. Siirtoputkiston sulkuventtiilin. vuoto ATT1 Pääsiirtoputkiston venttiilissä pieni vuoto, joka tiivistettiin. Lkv:n kierto kaikki pl Skanska1 Linjasäätöventtiilin tiputus Skanska 3 Kesäaikana aurinkolämmöllä voidaan tuottaa myös lkv:n kierto (>50 o C). Tämä edellyttää kahden venttiilin asennon muuttamista käsin ja se on osoittautunut hankalaksi. Käytännössä ei käytössä. Venttiilin karan tiukentaminen. Havaittiin painemittarista. Energiamittarien virhe kaikki Energiamittareihin kiinnittynyt magnetiitti ja lika tiputtavat lukemia. Talvella 2003 tehtiin erilliset painemittaukset oikeiden virtausarvojen määrittämiseksi. Lisäksi energiamittareissa on vuosien maksimiarvot tallessa, joista voidaan laskea korjauskertoimet Keräinvälipellitys irti ATT2 Talvella 2002/2003 myrsky repi keräinten välissä olevan kapean pellityksen auki, joka oli asennettu löysästi kiinni. Nämä kiinnitettiin takaisin parilla ruuvilla puiseen keräinraamiin. Aurinkokeräinten lasien likaantuminen ei ole Ekoviikissä ongelma. Sulava lumi pyyhkii kevät-talvesta pinnat puhtaiksi, samoin vesisateet huuhtovat lian pinnasta pois (kuva 18). Aurinkopiirien häiriöaika vuosina oli 0 tuntia. Kesällä 2003 ESY:n yhdysputkiston paisuntasäiliön kalvossa ilmenneen vuodon vuoksi pysäytettiin aurinkopiirin pumput varmuuden vuoksi. Säiliön vaihto takuutyönä aiheutti n 600 tunnin keräintuoton menetyksen. Maaliskuussa 2004 ATT 1:n yhdysputkiston venttiilin tiivistys aiheutti lyhyen seisokin. SOLPROS

21 Kuva 18. Sulava ja liukuva lumi poistavat tehokkaasti lian ja pölyn keräinpinnalta. Aurinkolämpöjärjestelmien pitkän aikavälin toiminnan varmentaminen on tärkeää hyvän aurinkolämmön tuoton ylläpitämiseksi. Lähtökohtaisesti aurinkolämpöjärjestelmä toimii automaattisesti ilman ylläpitotarvetta. EUaurinkolämpöprojektin puitteissa laadittiin jo huolto- ja käyttöohjeet. Suosituksena on vuosittainen noin 1-2 tunnin toiminnan tarkistuskäynti. Mahdollisille vikatilanteille on toimintaohjeet. Haasteena oli ylläpitotoiminnan siirtäminen asuntoyhtiöissä talo- ja huoltoyhtiöille seurantajakson päättyessä. Seurannan yhteydessä tutkittiin erilaisia toimintamalleja huollon järjestelyille lähtien asuntoyhtiökohtaisesta yhteiseen huoltojärjestelyyn. Huoltoyhtiöitä on myös koulutettu ylläpitoon, mutta yhtiöiden ja henkilöstön suuren vaihtuvuuden vuoksi suuremmissa ongelmatilanteissa suositellaan kääntymistä osan järjestelmistä asentaneen lvi-urakoitsijan puoleen (Mäntsälän LVI-apu). Aurinkolämpökohteisiin on varattu riittävä määrä varaosia, mm. keräinlaseja, jäänestoaineen tyhjennys ja täyttöpumppu, sulakkeita ja ylimääräinen säätöyksikkö. Asuntoyhtiöille pidettiin yhteinen informaatiotilaisuus aurinkolämpöjärjestelmistä ja usean yhtiön kanssa oli erilliskeskusteluja ja koulutusta. 5.2 Kesän ylilämpö ja talven alilämpö Seurannassa olleet Ekoviikin 8 aurinkolämpöjärjestelmää tuottavat yhteensä MWh hyötylämpöä vuodessa. Kesäaikana aurinkolämmön tuotto ylittää useassa kohteessa kulutuksen, jolloin varaajien lämpötila nousee lähelle 90 o C, keräinten lämpötila glykolipiirissä voi nousta yli 100 o C:een ja aurinkolämpöä jää runsaasti hyödyntämättä. Vuositasolla ylijäämälämpöä syntyy noin 100 MWh eli aurinkolämpöä voitaisiin tuottaa pari kymmentä prosenttia enemmän jos käyttöä löytyisi ylilämmölle. Tätä lämpöä riittäisi esimerkiksi muille Ekoviikin taloille, jos aurinkolämpöä saataisiin syöttää kaukolämpöverkkoon kesäaikana varaajista. Talviaikana aurinkolämpöjärjestelmien lämpövaraajat ovat käytännössä tyhjät ja käyttämättömät. Ekoviikin aurinkolämpöjärjestelmissä on 9 vesivaraajaa yhteistilavuudeltaan 73 m 3 ja varauskapasiteettiä on 3,5 MWh tai keskimäärin 200 SOLPROS