WHITE PAPER Energiapaaluilla energiatehokkaita rakennuksia www.ruukki.fi
Ruukin energiapaalut yhdistävät rakennuksen perustamisen ja maalämmön keräämisen. Energiapaalut soveltuvat erityisesti toimistoihin, hotelleihin sekä yksi- ja monikerroksisiin liikerakennuksiin, jotka tarvitsevat sekä lämmitystä että jäähdytystä vuodenajasta riippuen. Energiapaaluja hyödynnetään rakennuskohteissa, jotka on joka tapauksessa paalutettava. Energiapaalujen käyttökelpoisuus erityyppisille rakennuksille on selvitetty analyyseillä, testikentille asennetuilla koepaaluilla ja simuloinnilla. Esimerkiksi yksikerroksisessa kaupan rakennuksessa 71 prosenttia lämmitysenergiasta voidaan saada paaluilla ilmaisenergiana ja jäähdytysenergiasta jopa 100 prosenttia. Energiapaaluratkaisu hyödyntää uusiutuvaa, paikallista energiaa. Tämä parantaa kiinteistön ympäristötehokkuutta koko rakennuksen elinkaaren ajan. Sen lisäksi että sertifiointijärjestelmät huomioivat uusiutuvat energiajärjestelmät pisteytyksissään, on niillä merkitystä myös tilojen käyttäjille. Ympäristötehokkaissa rakennuksissa on huomattavasti korkeampi vuokrausaste kuin vastaavissa rakennuksissa, joissa ympäristötehokuutta ei ole huomioitu. Vertailtaessa energiapaaluja perinteiseen kaukolämpö- ja kompressoriratkaisuun oli energiapaaluratkaisu kustannuksiltaan 32 prosenttia alempi. Tarkastelujakso on 25 vuotta ja siihen sisältyivät investointi ja energiakustannukset. Perinteisiin lämmitys- ja jäähdytysratkaisuihin verrattuna investointi teräspaaluihin perustuvaan maalämpöjärjestelmään maksaa itsensä takaisin parhaimmillaan 5-8 vuodessa olosuhteista ja vaihtoehtoisesta lämmitysmuodosta riippuen. Maasta energiaa Ruukin teräspaaluilla Ruukin teräspaaluja voidaan käyttää energiapaaluina maa- ja kallioenergian keräämiseen ja niitä voidaan hyödyntää sekä rakennuksen lämmittämiseen että viilentämiseen. Energiapaaluina käytössä ovat sekä poraamalla asennettavat erd-teräspaalut että lyömällä asennettavat err-teräspaalut. Energiapaaluja käyttämällä edistetään uusiutuvien energian lähteiden käyttöä ja voidaan pitkällä aikavälillä säästää energiakuluissa ympäristö huomioiden. Energiapaalujen tuottopotentiaali riippuu rakennuspaikan pohjaolosuhteista, käytettävien paalujen lukumäärästä ja paalupituudesta sekä rakennuksen ominaisuuksista. Teräspaaluja käytetään erilaisten rakennusten ja rakenteiden kuten pientalojen, monikerrosrakennusten, teollisuusrakennusten, liikenneväylien ja siltojen perustamiseen. Perustamisolosuhteet määrittävät sen, käytetäänkö lyömällä asennettavia vai poraamalla asennettavia teräspaaluja. Ruukin energiapaaluratkaisu yhdistää rakennuksen perustamisen ja maasta saatavan energian keräämisen. Energiapaalu- ja maaenergiajärjestelmä soveltuu esimerkiksi toimistoihin, hotelleihin sekä yksi- ja monikerroksisiin liikerakennuksiin, jotka tarvitsevat sekä lämmitystä että jäähdytystä vuodenajasta riippuen. Kesällä jäähdytyksessä syntynyt lämpö ohjataan maaperään, jolloin maaperän lämpötase saadaan pidettynä energiantuottoon sopivana ja vältetään muun muassa maan jäätyminen. Teräspaaluja kannattaa yleensä hyödyntää maaenergian keräämiseen, jos paalutussyvyys on noin 15 metriä tai enemmän. Niin sanotussa hybridiratkaisussa, jossa teräspaalujen lisäksi maaenergian keräämiseen käytetään kalliolämpökaivoja, on mahdollista hyödyntää myös lyhempiä paaluja. Verrattuna perinteisempään maalämmön keräämiseen lämpökaivoista, tarvitaan energiapaaluja lukumääräisesti enemmän. Teräspaalujen hyödyntäminen on silti taloudellisesti kannattavaa, sillä erillisiä lämpökaivoja energiapaaluissa ei pääsääntöisesti tarvita. Perinteisemmässä maaenergiaratkaisussa kolmannes kustannuksista syntyy juuri lämpökaivojen rakentamisesta. Mitä maalämpö on ja miten sitä kerätään Maalämpöön perustuvilla lämmitys- ja jäähdytysratkaisuilla hyödynnetään ilmaista energiaa. Verrattuna suoraan sähkölämmitykseen tai kaukolämpöön, maalämpö on paikallisesti, kiinteistön alla tuotettua energiaa, jota ei siirretä pitkiä matkoja. Maalämpö on maaperään varastoitunutta aurinkoenergiaa ja geotermistä energiaa. Perinteisesti lämpö kerätään maasta joko vaakasuuntaan noin 1 metrin syvyyteen asennetuilla putkilenkeillä tai kallioon porattuun reikään upotetulla putkistolla. Kallioon poratut lämpökaivot ovat tyypillisesti noin 14 senttimetrin levyisiä ja noin 200 metrin syvyisiä. Jos kallion päällä on irtomaata, joudutaan tämä osuus varustamaan suojaputkella. Sekä pinnassa että lämpökaivoissa kulkevissa putkissa kiertää veden ja jäätymispistettä alentavan lisäaineen muodostama liuos. Tavallisimmat lisäaineet ovat alkoholi tai kaliumformiaatti. Maalämpöä voidaan hyödyntää sekä suurissa rakennuksissa että pientaloissa. Jotta energia voidaan muuttaa lämmöksi, tarvitaan siihen lämpöpumppua. Lämpöpumppukoneiston toiminta perustuu koneistossa kiertävän aineen, ns. kylmäaineen höyrystymiseen ja lauhtumiseen. Höyrystyminen vaatii lämpöä, mikä saadaan putkiston kautta maan syvyydestä. Höyrystyminen tapahtuu 2
lämpöpumpun höyrystimessä. Syntyvä höyry puristetaan kompressorilla korkeampaan paineeseen, jolloin se myös lämpiää. Korkeapaineinen lämmin höyry jäähdytetään lauhduttimessa, jossa se nesteytyy. Vapautuva lämpö lämmittää lauhduttimen läpi virtaavan veden tai ilman. Lämmennyt ilma tai vesi johdetaan lämmitysjärjestelmään. Oikein suunniteltu ja asennettu maalämpöpumppu toimii luotettavasti ja hyvällä lämpökertoimella. Lämpöpumpun tehokkuutta mitataan lämpökertoimella, joka on saadun lämmitystehon suhde tarvittavaan sähkötehoon. Esimerkiksi lämpökertoimella 3 saadaan jokaista 1 kw:n sähkötehoa kohti lämpötehoa 3 kw. Maalämpöratkaisussa kannattaa suosia matalalämpötilaan perustuvia lämmönjakotapoja. Lämpöpumpun kannalta parhaat lämmönjakotavat ovat lattialämmitys ja erilaiset säteilypaneeleihin perustuvat järjestelmät. Vastaavasti jäähdytysratkaisuissa kannattaa suosia suuripinta-alaisia korkealämpötilajärjestelmiä. Maalämpöön perustuvaa lämmitysjärjestelmää ei kustannussyistä kannata mitoittaa kattamaan rakennuksen suurinta hetkellistä tarvetta. Jotta investointi pysyy kannattavana, huipputehoja varten kannattaa olla olemassa toissijainen energianlähde. Esimerkiksi kylmän talven lämmityshuippuina se voi olla vaikka sähkölämmitys. Osan aikaa vuodesta, lähinnä keväällä, koneellinen kompressorijäähdytys voidaan korvata vapaakierrolla. Maaperästä saatavan nesteen alempaa lämpötilaa hyödynnetään sellaisenaan ilman, että jäähdyttämiseen käytetään sähköenergiaa kuluttavaa kompressoria. Kesällä jäähdytyksen synnyttämä lauhdelämpö voidaan ohjata maaperään, mikä parantaa maaperän koko vuoden energiatasetta. Kesäaikana maasta saatava kylmäenergia voidaan hyödyntää myös esimerkiksi ilmanvaihdon esijäähdyttämiseen. Tämä vaihtoehtoa on erityisen käyttökelpoinen esimerkiksi asuinkerrostaloissa, joissa ei yleensä ole erillisiä jäähdytyslaitteistoja. 3
Miten paalun ja energian keräämisen liitto toimii Teräspaalutyyppi valitaan aina perustamisolosuhteiden mukaan ja sen jälkeen valitaan tähän paaluun sopivin lämmönkeräintyyppi. Lämmönkeräysputket asennetaan tyhjään teräspaaluun. Tämän jälkeen paalu betonoidaan, jotta maaperän energia saadaan siirrettyä tehokkaasti putkistossa kulkevaan lämmönsiirtoliuokseen. Kun liuos kulkee paalun alimman pisteen kautta, sen lämpötila muuttuu, talvella lämpenee ja kesällä viilenee. Prosessi etenee sen jälkeen lämpöpumppukoneistossa samaan tapaan kuin perinteisessä lämpökaivoilla toteutetussa ratkaisussa. Energiapaaluja voidaan hyödyntää myös niin sanotussa hybridiratkaisussa, jossa osa energiasta kerätään teräspaaluista ja osa kallioon poratuista perinteisistä lämpökaivoista. Ruukin poraamalla asennettava erd-teräspaaluja käytettäessä voidaan paalun jatkeeksi porata paalun halkaisijaa pienempi kalliolämpökaivo. Näin vältytään maakerroksen pituisen erillisen suojaputken käytöltä. Energiapaalu- ja lämpökaivokentän suunnittelu on aina tapauskohtaista ja periaatteessa seuraavat vaihtoehdot ovat käytössä: Hyödynnetään vain teräspaaluja maaenergian keräämiseen. Hyödynnetään teräspaalujen lisäksi kalliolämpökaivoja ns. hybridiratkaisuna. Kerätään energia vain kalliolämpökaivoista, mutta hyödynnetään teräspaalut suojaputkina kallioperän päällä olevan maakerroksen osalla. Vaihtoehtojen valintaan vaikuttavat saatavilla olevat rinnakkaiset energianlähteet ja se, kuinka suuri osa energiasta paaluratkaisulla voidaan kattaa. Myös rakennuksen muoto ja kerrosluku vaikuttavat valintaan. Esimerkiksi matalassa rakennuksessa on suhteessa enemmän käytettävissä olevia paaluja rakennustilavuutta kohden. Kustannuksia voidaan vertailla elinkaarikustannusten perusteella. Energiapaalujen tehokas hyödyntäminen edellyttää rakennuksen lämmitys- ja jäähdytysratkaisujen suunnittelua maaenergialle sopivaksi. Energiaa ja ympäristöä säästäen Energiapaaluratkaisu vähentää energiankulutusta ja tuo säästöjä kiinteistön käyttökustannuksiin. Paaluja voidaan hyödyntää usean rinnakkaisen energialähteen kanssa. Lämmitysenergian lähde, hankinta voidaan sovittaa markkinahintojen mukaan. Tämä tarkoittaa, että vaikka rinnakkainen energianlähde jouduttaisiin muuttamaan, toimivat energiapaalut myös uuden energialähteen kanssa. Kun kiinteistöä jäähdytetään, toimivat energiapaalut ilmaisena energianlähteenä, eikä liittymisestä kaukoviilennysverkkoon tarvitse maksaa. Perinteisiin lämmitys- ja jäähdytysratkaisuihin verrattuna, investointi teräspaaluihin perustuvaan maalämpöjärjestelmään maksaa itsensä takaisin parhaimmillaan 5-8 vuodessa, olosuhteista ja vaihtoehtoisesta lämmitysmuodosta riippuen. Paalut hyödyntävät uusiutuvaa energiaa, joka kohentaa kiinteistön ympäristötehokkuutta. Paikallisesti tuotettu energia tukee sekä ympäristömyönteistä rakentamista että ympäristömyönteistä rakennuksen käyttöä koko rakennuksen elinkaaren ajan. Siksi useat sertifointifointijärjestelmät huomioivat uusiutuvat energiajärjestelmät pisteytyksissään. Myös tilojen käyttäjille, vuokralaisille uusiutuvan energian käyttö merkitsee entistä enemmän. Yhdysvaltalaisissa tutkimuksessa on osoitettu, että vuokrausaste ympäristötehokkaissa rakennuksissa on huomattavasti korkeampi verrattuna vastaaviin rakennuksiin, joissa ympäristötehokkuutta ei ole samaan tapaan huomioitu. 4
5
Esimerkkejä energiapaalujen soveltamisesta Tehdyssä arvioinnissa energiapaalut todettiin erittäin soveltuviksi uusiutuvan energian hyödyntämiseen. Soveltuvuutta on arvioitu sellaisiin kiinteistöihin, joihin ollut saatavissa mallinnettuja lämmitys- ja jäähdytysenergiaprofiileja. Sovellusarviointi tehtiin simuloimalla. Esimerkkeinä esitellään tulokset yksikerroksisesta liikerakennuksesta ja kolmikerroksisesta toimistorakennuksesta. 1-kerroksinen liikerakennus 1-kerroksiseksi liikerakennukseksi valittiin rautakaupan tyyppinen rakennus. Rakennuksen lämmöneristystaso vastaa vuoden 2010 määräyksiä ja ilmanvaihdon lämmöntalteenotto on tasoltaan hyvä. Rakennuksessa on vesikiertoinen lattialämmitys ja -viilennys. Kokonaispinta-ala = 8400 m 2 264 energiapaalua, paalutussyvyys 20 m Maaperän lämmönjohtavuus 1,1 W/m,K Lämmitysenergian tarve = 34 kwh/m 2,a Jäähdytysenergian tarve = 10,4 kwh/m 2,a Lattialämmitys ja -jäähdytys Energiapaaluratkaisulla ilmaisenergiana saatiin lämmitysenergiasta 71 prosenttia ja jäähdytysenergiasta 100 prosenttia. Mikäli tarkasteltavana olleessa liikkeessä olisi suurempi tarve jäähdytysenergialla, voitaisiin kylmälaitteiden lauhdelämpö varastoida tehokkaasti maaperään energiapaaluilla. Edullisemmasta lämmitys-jäähdytyssuhteesta hyötyisivät ennen kaikkea paljon jäähdytyslaitteita käyttävät elintarvikeliikkeet, kuten supermarketit. 3-kerroksinen toimistorakennus Soveltuvuusarvioinnissa mukana olleen pienehkön 3-kerroksisen toimistorakennuksen energiatehokkuus vastaa lämmöneristykseltään vuoden 2010 määräyksiä ja lämmön talteenotossa on käytössä tyypillinen toimistotaloissa käytetty tekniikka. Kiinteistössä tarvitaan suhteellisen paljon energiaa jäähdyttämiseen. Kokonaispinta-ala = 2700 m 2 30 energiapaalua, paalutussyvyys 15 m Maaperän lämmönjohtavuus 1,6 W/m,K Lämmitysenergian tarve = 54 kwh/m 2,a Jäähdytysenergian tarve = 53 kwh/m 2,a Säteilypaneelilämmitys ja -jäähdytys Paaluilla maaperästä saatavan ilmaisen lämmitysenergian osuus koko lämmittämiseen tarvittavasta energiasta vuositasolla on 58 prosenttia. Maalämpöjärjestelmä hyödyntää paaluista saatavaa energiaa ja vaatii toimiakseen sähköverkosta saatavaa sähköä. Maalämpöjärjestelmällä katetaan lähes 80 prosenttia rakennuksen lämmitysenergiatarpeesta ja loput 20 prosenttia katetaan kaukolämmöllä. 6
Jäähdytysenergiasta maaperästä saadaan ilmaisenergiana peräti 88 prosenttia. Jäähdytysenergian osalta hyvään tasoon päästään, koska se saadaan pääsääntöisesti vapaakierrolla. Kompressorijäähdytys on tarpeen huipputehojen aikaan, eli kuumina ajanjaksoina. Kohteeseen tehdyn 25 vuoden mittaisen elinkaaritarkastelun mukaan perinteisen kaukolämpö- ja kompressorijäähdytysratkaisun kustannukset olivat 513.000 euroa ja energiapaaluratkaisun kustannukset 348.000 euroa. Vertailu sisältää molemmissa tavoissa sekä investointi- että energiakustannukset. Energiapaalujärjestelmän laskennallinen hiilijalanjälki (tn CO 2 ekv.) 25 vuoden ajanjaksolla oli vain noin 40 prosenttia kaukolämpöratkaisun arvosta, kun käyttämättä jääneen kaukolämmön vaikutusta sähköenergian tuotantotapaan ei huomioitu. Lisätietoja Hannu Vesamäki Tuoteryhmäpäällikkö Ruukki hannu.vesamaki@ruukki.com +358 50 31 42979 Jyrki Kesti Teknologiajohtaja Ruukki jyrki.kesti@ruukki.com +358 40 55 30553 Mediayhteydet Tapani Tuominen Viestintäpäällikkö tapani.m.tuominen@ruukki.com +358 50 314 3131 7
Ruukki on metalliosaaja, johon voit tukeutua alusta loppuun, kun tarvitset metalleihin pohjautuvia materiaaleja, komponentteja, järjestelmiä ja ratkaisukokonaisuuksia. Kehitämme jatkuvasti toimintaamme ja tuotevalikoimaamme vastaamaan tarpeitasi. CFI.001FI/05.2011/AN/JJ Rautaruukki Oyj U Suolakivenkatu 1, 00810 Helsinki S 020 5911 w www.ruukki.fi Copyright 2011 Rautaruukki Oyj. Kaikki oikeudet pidätetään. Ruukki, Rautaruukki, More With Metals ja Ruukin tuotenimet ovat Rautaruukki Oyj:n tavaramerkkejä tai rekisteröityjä tavaramerkkejä.