Bergansin geoenergiatutkimukset ja energiakaivokentän mallinnus

Länsi-Suomen yksikkö Y99/9999/2010/9/99 19.3.2010 Kokkola Bergansin geoenergiatutkimukset ja energiakaivokentän mallinnus Nina Leppäharju, Tuomo Turunen ja Jarmo Kallio Valokuva: Tuomo Turunen, GTK

Geologian tutkimuskeskus Geologian tutkimuskeskus Länsi-Suomen yksikkö PL 97 (Vaasantie 6) 67101 Kokkola Työn tilaaja Bergans Kiinteistöt Oy Toimitusjohtaja Hilkka Helsti c/o Antti Poikola Laivurinkatu 37 a 5 00150 Helsinki Tekijöiden yhteystiedot Nina Leppäharju Geologian tutkimuskeskus PL 97 67101 Kokkola Puh. 020 550 5263 Fax 020 349 5209 Sähköposti: nina.leppaharju@gtk.fi Jarmo Kallio Geologian tutkimuskeskus PL 97 67101 Kokkola Puh. 020 550 5260 Fax 020 349 5209 Sähköposti: jarmo.kallio@gtk.fi

Geologian tutkimuskeskus GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 19.3.2010 / L/632/42/2008 Tekijät Nina Leppäharju, Tuomo Turunen ja Jarmo Kallio Raportin laji Tilaustutkimusraportti Raportin nimi Toimeksiantaja Bergans Kiinteistöt Oy Tiivistelmä Geologian tutkimuskeskus GTK on suorittanut geoenergiatutkimuksia ja -mallinnusta Bergansin tutkimusalueella Espoossa vuosina 2009 ja 2010. Bergans on yksi GTK:n koordinoiman TEKES-hankkeen Maa- ja kallioenergia yhdyskunnan energiahuollossa GEOENER pilottikohteista. Tutkimusalueen taajamageologisessa kartoituksessa määriteltiin alueen kivilajit ja niiden ominaisuudet. Geologisen kartoituksen, VTT:n energiantarvelaskelmien ja teoreettisten tutkimusten perusteella GTK mallinsi 24 esimerkkikerrostalon energiakaivokenttää. Mallinnuksilla haettiin arviota energiakaivokentän koolle ja tutkittiin kaivojen sijoittamista tontille. Lisäksi tarkasteltiin kuinka matala-/passiivirakennevalinta, kylmävaraston käyttölämpötilan valinta sekä maalämpöpumpun mitoitusprosentti vaikuttavat energiakaivokentän kokoon. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Geoenergia, terminen vastetesti, TRT-mittaus, energiakaivo, Espoo Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi, Espoo, Bergans, Perkkaa Karttalehdet 20 3403 Muut tiedot - Arkistosarjan nimi - Arkistotunnus - Kokonaissivumäärä 11 sivua Kieli suomi Hinta - Julkisuus ei-julkinen Yksikkö ja vastuualue LSY / VA 321 Hanketunnus 416 2000 Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys Nina Leppäharju Jarmo Kallio

Geologian tutkimuskeskus GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND DOCUMENTATION PAGE Date / Rec. no. 19/03/2010 / L/632/42/2008 Authors Nina Leppäharju, Tuomo Turunen and Jarmo Kallio Type of report Bespoken research report Commissioned by Bergans Kiinteistöt Oy Title of report Geoenergy studies and modelling of a BHE system for Bergans residential area Abstract The Geological Survey of Finland (GTK) conducted geoenergy studies and modelling in Bergans in Espoo in 2009 and 2010. Bergans is one of the pilot sites of the project Geoenergy in the energy service of community GEOENER. The project is co-ordinated by GTK and partly funded by Tekes, the Finnish Funding Agency for Technology and Innovation. GTK defined the rock types of the research site and their properties in a geological mapping. The borehole heat exchanger (BHE) system for 24 example buildings was modelled using the results of geological mapping, VTT s energy consumption calculation and theoretical studies. Modelling was used for estimating the size of the BHE field and for planning the positioning of the field. Energy consumption rate of the buildings and sizing of the heat pump dominate the size of the BHE field. Keywords Geoenergy, thermal response test, BHE system, Espoo Geographical area Finland, Espoo, Bergans, Perkkaa Map sheet 20 3403 Other information - Report serial - Archive code - Total pages 11 pages Language Finnish Price - Confidentiality confidential Unit and section LSY / VA 321 Project code 416 2000 Signature/name Signature/name Nina Leppäharju Jarmo Kallio

Geologian tutkimuskeskus Sisällysluettelo Kuvailulehti Documentation page 1 TUTKIMUSALUE 1 2 TUTKIMUSALUEEN GEOLOGINEN KUVAUS 2 3 ENERGIAKAIVOKENTÄN MALLINNUS 4 3.1 Yleistä 4 3.2 Terminen vastetesti eli TRT-mittaus 5 3.2.1 Menetelmän kuvaus 5 3.2.2 Mittaustulokset 5 3.3 Bergansin energiakaivokentän mallinnus 6 3.3.1 Mallinnuksen parametrit 7 3.3.2 Mallinnustulokset 8 3.3.3 Energiakaivokentän sijoitus 10 4 YHTEENVETO 10 KIRJALLISUUSLUETTELO

Geologian tutkimuskeskus 1 1 TUTKIMUSALUE Bergansin tutkimusalue sijaitsee Itä-Espoossa Leppävaaran itäpuolella lähellä Helsingin rajaa, Perkkaan ja Vermon välissä. Tutkimusalueen sijainti esitetään Kuvassa 1. Bergans Kiinteistöt omistavat alueella 6,5 ha maata. Muita maanomistajia alueella ovat Siemens, Sponda ja Espoon kaupunki. Alueelle on tarkoitus rakentaa uusi asuinalue, jossa hyödynnetään geoenergiaa rakennusten lämmittämisessä ja viilentämisessä. Näissä tutkimuksissa keskitytään Bergans Kiinteistöjen omistamalle tontille. Bergansin tutkimuskohde on yksi GTK:n koordinoiman Maa- ja kallioenergia yhdyskunnan energiahuollossa GEOENER -hankkeen pilottikohteista. GEOENER on laaja TEKES-hanke, jonka tavoitteena on liike- ja toimistorakennuksien sekä isojen asuntokohteiden geoenergiajärjestelmien konseptikehitys. Hankkeessa on mukana tutkimusosapuolina Geologian tutkimuskeskus GTK, Valtion teknillinen tutkimuskeskus VTT ja Turun kauppakorkeakoulu TuKKK sekä useita yrityksiä, mm. Bergans Kiinteistöt. Kuva 1. Bergansin tutkimusalueen sijainti on merkitty karttaan punaisella ympyrällä. Pohjakartat: Maanmittauslaitos, lupanro MML/VIR/TIPA/217/10.

Geologian tutkimuskeskus 2 2 TUTKIMUSALUEEN GEOLOGINEN KUVAUS Tutkimusassistentti Tuomo Turunen suoritti tutkimusalueella taajamageologisen kartoituksen syyskuun lopussa 2009. Kallioperägeologista havainnointia haittasi kalliopaljastumien puuttuminen ko. alueelta. Espoon kaupunki on suorittanut alueella pehmeikkökairauksia, joiden mukaan pehmeikön paksuus on paikoin jopa yli 20 metriä. Kallioperähavainnot on tehty alueen välittömästä läheisyydestä tai mahdollisimman lähellä aluetta. Tarkempi kallioperän selvitys alueelta edellyttäisi kairaamista. Kallioperähavaintoja tehtiin yhteensä neljä (TTU$-2009-100 TTU$-2009-103) (Kuva 2). Kalliopaljastumisen etäisyys tutkittavan alueen keskiosaan vaihteli 450 metristä 1050 metriin. Apuna käytettiin myös Helsingin Kallioperäkarttaa vuodelta 1967 (Laitala, 1967). Kartoituksen mukaan Bergansin alueen kallioperä on kivilajeiltaan kvartsimaasälpägneissiä (Kuva 3) ja migmatiittista kiillegneissiä, jota leikkaavat pegmatiittigraniittiset juonet. Ohuehkoina välikerroksina esiintyy myös amfiboliittia. Kvartsimaasälpägneissit ovat avoimesti poimuttuneita. On täysin mahdollista, että kalliokairaus toisi esiin granitoideja. Paljastumalta TTU$-2009-102 löytyi porfyyrista granodioriittia. (Kuva 4) Ko. paljastumalta on kuitenkin toista kilometriä matkaa tutkittavalle alueelle. Tutkimusalueen kallioperä on rakenteellisesti kiinteää ja pääasiallisesti liuskerakenteista sekä harva- tai vähärakoista. Kuva 2. Bergansin tutkimusalueen kallioperähavaintopisteet Google Earth ilmakuvaan lisättynä. Pohjakartta: Google Earth.

Geologian tutkimuskeskus 3 Kuva 3. Bergansin tutkimusalueen paljastumalla TTU$-2009-100 kallioperä on kvartsimaasälpägneissiä, jota leikkaavat pegmatiittigraniittiset juonet. Ohuehkoina välikerroksina esiintyy myös amfiboliittia. Valokuva: Tuomo Turunen, GTK. Kuva 4. Porfyyrista granodioriittia Bergansin tutkimusalueen paljastumalta TTU$-2009-102. Valokuva: Tuomo Turunen, GTK.

Geologian tutkimuskeskus 4 3 ENERGIAKAIVOKENTÄN MALLINNUS 3.1 Yleistä Energiakaivokentän mallintaminen tarkoittaa kaivojen määrän, syvyyden ja sijainnin optimoimista rakennuksen tai rakennusten energiantarpeen ja maankamaran ominaisuuksien mukaan. Energiakaivokentän mallinnuksella varmistetaan, että kaivot tuottavat tarvittavan määrän energiaa vuosien ja vuosikymmenien ajan mahdollisimman tasapainoisesti ja kestävästi välttäen kallioperän liiallista jäähtymistä. Jos energiakaivokenttä on alimitoitettu, kallioperästä otetaan liian paljon energiaa kaivojen määrään ja syvyyteen nähden, jolloin kallioperän lämpötila laskee liikaa. Ylimitoitetussa energiakaivokentässä on puolestaan tarpeettoman monta ja/tai tarpeettoman syviä kaivoja energiantarpeeseen ja maankamaran ominaisuuksiin nähden, jolloin syntyy turhia kustannuksia. Ideaalitapauksessa energiakaivokenttää käytetään sekä rakennuksen lämmittämiseen että sen viilentämiseen ja kallioperään tuotetaan lämpöä viilennyksen aikana yhtä paljon kuin sieltä otetaan lämmityksen aikana. Käytännössä suurin osa Suomen geoenergiakohteista on kuitenkin hyvin lämmityspainotteisia. Tällöin kallioperä energiakaivokentän lähistöllä jäähtyy vähitellen vuosien kuluessa. GTK:n tavoitteena energiakaivokentän mallinnuksessa on varmistaa energiakaivokentän tuotto ja pysyvyys pitkälle ajalle hyvällä lämpöpumpun lämpökertoimella. Alueen geologian selvittäminen on tärkeää, jotta saadaan käsitys alueen kallioperän koostumuksesta ja rakenteesta, irtomaan paksuudesta alueella sekä pohjaveden korkeudesta ja sen mahdollisesta liikkumisesta kallioperässä. Mallinnuksen kannalta tärkeimpiä kallioperän ominaisuuksia ovat erityisesti lämmönjohtavuus ja lämpötila. Eri kivilajien lämmönjohtavuuksissa on huomattavia eroja, ja lisäksi saman kivilajin lämmönjohtavuus voi vaihdella paljon. Tutkimusalueen kallioperän lämmönjohtavuus voidaan selvittää termisellä vastetestillä eli TRT-mittauksella. TRT-mittauksia varten tutkimusalueelle porataan tyypillisesti 1 3 tutkimuskaivoa, joiden sijoitus suunnitellaan geologisen kartoituksen perusteella. Kentän mitoitukseen vaikuttavat myös energiakaivon ja lämmönkeruuputkiston ominaisuudet, kuten energiakaivon halkaisija, putkiston tyyppi ja lämmönkeruuneste. TRTmittausten tuloksena saadaan myös energiakaivojen lämpövastus, joka kuvaa kaivon ja putkiston ominaisuuksia. Geoenergiakenttä voidaan siis mallintaa ja mitoittaa tarkasti vain TRT-mittauksen tuloksien avulla, yhdistettynä kohteen geologisiin ja geofysikaalisiin tutkimuksiin ja tulkintaan. Mallinnuksessa saatavat kaivojen syvyydet ovat aktiivisyvyyksiä, eli ne vastaavat energiakaivon pohjaveden pinnan alapuolella olevaa osaa. Mallinnuksessa oletetaan myös, että kaikki kaivot ovat pystysuoria. Todellisuudessa poratut energiakaivot ovat erittäin harvoin täysin pystysuoria. Kallioperän ominaisuudet, kuten raot ja kaade, voivat ohjata porausta vinoon. Olennaista on, että kaivojen todellinen keskimääräinen etäisyys olisi vähintään sama kuin mallinnetussa kentässä. Mallinnustuloksena saatu teoreettinen energiakaivokenttä tuottaa suunnitelman mukaisen energiamäärän kuukausittain, ja kentän lämpötilakehitys on mallinnuksen mukaista. Todellisuudessa mallinnettu kenttä ja toteutunut kenttä poikkeavat yleensä toisistaan monelta osin: todellinen aktiivisyvyys voi olla suurempi tai pienempi kuin mallinnettujen kaivojen. Todelliset kaivot eivät ole täysin pystysuoria, joten niiden lämpötila ja keskinäinen etäisyys poikkeavat mallista. Todellinen energianottomäärä voi poiketa suunnitellusta, jolloin kaivoja rasitetaan vuosittain enemmän tai vähemmän kuin mallissa. Näitä ja lukuisia muita seikkoja ei pystytä ennustamaan ja siten ottamaan täysin huomioon mallinnuksessa. Mallin ja todellisuuden erot voivat vaikuttaa siihen, että todellinen energiakaivokenttä käyttäytyy hieman toisin kuin mallinnus antaisi olettaa. Energiakaivokenttä olisi pyrittävä toteuttamaan mallinnuksen mukaisesti, eikä energiakaivojen ominaisuuksia tai energianottomääriä saisi muuttaa.

Geologian tutkimuskeskus 5 3.2 Terminen vastetesti eli TRT-mittaus 3.2.1 Menetelmän kuvaus Termisellä vastetestillä (Thermal Response Test, TRT) simuloidaan lämmönkeruuputkiston, energiakaivon ja kallioperän muodostaman kokonaisuuden käyttäytymistä todellisessa lämmönotossa tai -syötössä. TRT-mittauksen tuloksia käytetään energiakaivokentän mallinnuksessa. Mittaus suoritetaan TRT-vaunulla (Kuva 5), ja se kestää tyypillisesti 3 5 vuorokautta. Termisessä vastetestissä energiakaivon lämmönkeruunestettä lämmitetään TRT-laitteessa ja kierrätetään kaivossa laitteen pumpun avulla. Kun mitataan kaivoon menevän ja sieltä tulevan nesteen lämpötila, saadaan tulkittua energiakaivon tehollinen lämmönjohtavuus ja lämpövastus. Tehollinen lämmönjohtavuus kertoo kallioperän lämmönjohtavuudesta ja mahdollisesta veden virtauksesta kaivossa. Korkea lämmönjohtavuus parantaa lämmön siirtymistä kauempaa kallioperästä energiakaivon lähellä ja siitä lämmönkeruunesteeseen. Mitä korkeampi lämmönjohtavuus, sen enemmän lämpöä kalliosta voidaan ottaa. Energiakaivon lämpövastus kuvaa lämmönkeruuputkiston ja energiakaivon ominaisuuksien vaikutusta lämmön siirtymiseen kallioperästä lämmönkeruunesteeseen. Jos energiakaivon lämpövastus on pieni, kallioperän lämpö siirtyy hyvin lämmönkeruunesteeseen. Kuva 5. Geologian tutkimuskeskuksen TRT-vaunu mittauskohteella. TRT-vaunu yhdistetään betonirenkaan sisällä olevaan tutkimuskaivoon mustilla yhdysputkilla. Valokuva: Ilkka Martinkauppi, GTK. 3.2.2 Mittaustulokset Bergansin tutkimusalueella ei ole tehty TRT-mittauksia, koska alueen kaavoitus on vielä kesken. TRT-mittaukset kannattaa tehdä ennen lopullista energiakaivokentän mallinnusta, jotta kenttä voidaan optimoida tapauskohtaisesti. Bergansin tutkimusalueelle kannattaisi tehdä TRT-mittauksia var-

Geologian tutkimuskeskus 6 ten ainakin kaksi tutkimuskaivoa hieman eri puolille aluetta, koska alueen kallioperästä ei saatu tehtyä tarkempaa kallioperäkartoitusta paljastumien puuttumisen takia. Suomen kivilajien keskimääräinen lämmönjohtavuus on Peltoniemen (1996) mukaan 3,24 W/(m*K), ja kivilajien lämmönjohtavuus vaihtelee Suomessa yleisimmin välillä 2 4 W/(m*K). Kallioperäkartoituksen mukaan Bergansin alueen kallioperä on kivilajeiltaan kvartsimaasälpägneissiä ja migmatiittista kiillegneissiä. Mineraaleista erityisesti kvartsipitoisuus nostaa kivilajin lämmönjohtavuutta. Tuomo Turusen arvion mukaan happamien kivilajien, kuten kvartsimaasälpägneissin ja graniitin, kvartsipitoisuus on tyypillisesti 30 60 %. Tämän ja GTK:n aiempien geoenergiatutkimusten perusteella Bergansin kvartsimaasälpägneissin lämmönjohtavuuden voi arvioida olevan melko korkea noin 3,5 3,8 W/(m*K). Kiillegneissin lämmönjohtavuus sen sijaan on tyypillisesti matalampi. Samoin kallion päällä olevalla irtomaalla on selvästi matalampi lämmönjohtavuus kuin kalliolla. Bergansin alueella on savea Espoon kaupungin pehmeikkökairauskartan mukaan noin 7 15 metriä. Pohjaveden pinnan alapuolella olevan saven lämmönjohtavuus on yleensä 0,9 2,2 W/(m*K). Alueen maankamaran lämmönjohtavuutta voidaan siis arvioida geologisen tiedon ja kirja-arvojen perusteella, mutta TRT-mittauksella saadaan todellinen lämmönjohtavuus kaivon syvyydeltä. Myös lämpövastusarvoa voidaan arvioida: polyeteenistä valmistetun yksinkertaisen U-putken lämpövastus pohjaveden täyttämässä energiakaivossa on tyypillisesti 0,10 K/(W/m) (Rosen et al., 2001). Kuitenkin kaivon ja putkiston ominaisuudet vaikuttavat arvoon merkittävästi. Lämmönkeruuputkistoon voidaan lisäksi laittaa asennusvaiheessa ns. erottimet (Kuva 6), jotka GTK:n kokemusten ja teoreettisen mallinnuksen mukaan pienentävät lämpövastusta ja parantavat siten lämpökaivon toimintaa. Kuva 6. Erotin, joka pitää lämmönkeruuputkiston haarat kauempana toisistaan, ja parantaa siten energiakaivon toimintaa. Valokuva: Ilkka Martinkauppi, GTK. 3.3 Bergansin energiakaivokentän mallinnus Geofyysikko Nina Leppäharju teki Bergansin tutkimusalueelle energiakaivokentän mallinnusta useaan otteeseen vuonna 2009 ja alkuvuonna 2010. Mallinnuksissa käytettiin VTT:n laskemia Bergansin esimerkkikerrostalon energiamääriä. Mallinnuksilla haettiin arviota energiakaivokentän koolle, tutkittiin kaivojen sijoittamista tontille ja tarkasteltiin kuinka matala-/passiivirakennevalinta sekä kylmävaraston käyttölämpötilan valinta vaikuttaa energiakaivokentän kokoon

Geologian tutkimuskeskus 7 3.3.1 Mallinnuksen parametrit Mallinnukset tehtiin Earth Energy Designer -ohjelmalla (EED). Bergansin energiakaivokenttän mallinnuksissa käytettiin Taulukossa 1 esitettyjä energiakaivon parametreja. Parametrit on valittu siten, että ne vastaavat Suomessa yleisesti käytössä olevia energiakaivoja. Lämmönkeruunesteen virtausnopeus on valittu siten, että nopeus olisi riittävä turbulenttisen virtauksen muodostamiseen, mutta kustannussyistä ei liian korkea. Turbulenttinen virtaus parantaa huomattavasti lämmön siirtymistä laminaariseen virtaukseen verrattuna. Kallioperän parametrit arvioitiin Bergansin geologisen selvityksen sekä kirja-arvojen perusteella. Lämmönjohtavuusarvoksi valittiin 3,4 W/(m*K), joka on parempi kuin Suomen kivilajien lämmönjohtavuuden keskiarvo. Energiakaivon halkaisija Lämmönkeruuputkiston tyyppi Lämmönkeruuneste Lämmönkeruunesteen virtausnopeus Erottimet 5,5 eli 139,7 mm Polyeteeniputki, ulkohalkaisija 40 mm, seinämän paksuus 2,3 mm tai 2,4 mm 25-prosenttinen vesi-etanoliseos (Vastaa Altian Naturetmaalämpöliuosta) Yksinkertaisessa U-putkessa 0,6 l/s, tupla-u-putkessa yhteensä 1,2 l/s Kaivoissa käytetään 75 mm:n erottimia Taulukko 1. Mallinnuksissa käytetyt energiakaivon parametrit VTT:ltä saatiin Bergansin esimerkkikerrostalon kuukausittaiset lämmitys- ja viilennysenergian kulutustiedot. Bergans Kiinteistöjen tontin Vermontien länsipuoliselle alueelle rakennetaan arviolta 24 esimerkkikerrostalon kokoista taloa. Mallinnuksella haluttiin tarkastella koko alueen energiakaivokenttää, joten mallinnuksia varten laskettiin energiantarve 24 esimerkkikerrostalolle passiivi- ja matalaenergiarakenteilla, eri kylmävaraston käyttölämpötiloilla sekä 30, 40, 50 ja 90 prosentin maalämpöpumpun mitoitusteholla. Mallinnuksia varten energiakaivojen mahdollista sijoituspaikkaa arvioitiin alustavan kaavaluonnoksen pohjalta. Bergans kiinteistöjen tontin Vermontien länsipuolisen osan pinta-ala on arviolta 100 m * 270 m. Mallinnuksissa kaivot sijoitettiin tälle alueelle. (Kuva 7)

Geologian tutkimuskeskus 8 Kuva 7. Alueen alustava kaavaluonnos, johon on merkitty punaisilla viivoilla Bergans Kiinteistöjen tontin Vermontien länsipuolen osa. Sen pinta-ala on arviolta 100 m * 270 m. 3.3.2 Mallinnustulokset Bergansin tutkimusalueen energiakaivokentän mallinnustulokset on esitetty Taulukoissa 2, 3 ja 4. Taulukoissa on esitetty keltaisella pohjalla perusmalli, johon muita malleja verrataan. Perusmallissa on passiivitalot, lämpöpumpun mitoitus 50 %, kylmävaraston lämpötila 10 C ja lämmönkeruuputkistona yksinkertainen U-putki. Taulukon 2 mallinnuksissa on verrattu yksinkertaisen U-putken ja tupla-u-putken käytön vaikutusta kentän kokoon. Tupla-U-putken käyttö vähentää kaivojen määrää sekä kaivojen yhteissyvyyttä. Lämmönkeruuputkea menee tupla-u:ssa kuitenkin tuplasti enemmän kaivometriä kohti, joten sen käyttöä on harkittava tapauskohtaisesti. Taulukossa 2 on lisäksi verrattu maksimissaan 200- ja 300- metristen kaivojen käyttöä. Suomessa yli 200 metriä syvät energiakaivot ovat vielä melko harvinaisia, mutta pienellä tontilla syvempiä kaivoja kannattaa harkita. Saman energiamäärän tuottamiseen syvempiä kaivoja tarvitaan vähemmän kuin matalampia kaivoja, joten ne voidaan myös sijoittaa kauemmaksi toisistaan. Tämä vähentää kaivometrien tarvetta entisestään. Suomessa on kuitenkin vielä melko vähän porauskalustoa, jolla reilusti yli 200 metrisiä kaivoja voidaan porata. Taulukon 2 mukaan syvempiä kaivoja käyttämällä kaivomäärä putoaisi melkein puoleen perusmalliin verrattuna. Taulukon 3 mallinnuksissa on tutkittu, kuinka energiakaivokentän koko muuttuu riippuen siitä, valitaanko passiivi- vai matalaenergiarakenteet. Ero kentän koossa on huomattava, koska ero vuosittaisessa energiantarpeessa on huomattava. Matalaenergiatalot tarvitsisivat noin kaksinkertaisen määrän kaivoja passiivitaloihin verrattuna. Kylmävaraston lämpötilan valinta 10 ja 17 asteen välillä ei vaikuta energiakaivokentän kokoon kovin paljoa, koska talojen vuosittainen energiantarve on lähes sama molemmissa tapauksissa.

Geologian tutkimuskeskus 9 Putkiston tyyppi määrä sijoitus Yksittaisen kaivon syvyys yhteissyvyys välimatka Yksinkertainen U 78 6 x 13 verkko 198 15444 20 Yksinkertainen U, max 300 m 40 4 x 10 verkko 292 11680 30 Tupla-U 65 5 x 13 verkko 200 13000 22 Taulukko 2. Mallinnuksilla tutkittiin tupla-u-putken sekä syvempien kaivojen etuja. Lämpöpumpun mitoitus 50 %, passiivitalot, varasto 10 astetta. määrä sijoitus Yksittaisen kaivon syvyys yhteissyvyys välimatka Passiivitalot Varasto 10 astetta 78 6 x 13 verkko 198 15444 20 Matalaenergiatalot Varasto 10 astetta 152 8 x 19 verkko 193 29336 15 Passiivitalot Varasto 17 astetta 84 6 x 14 verkko 191 16044 20 Taulukko 3. Mallinnuksella tutkittiin passiivi- ja matalaenergiarakenteiden valinnan sekä kylmävaraston lämpötilan vaikutusta energiakaivokentän kokoon. Lämpöpumpun mitoitus 50 %, yksinkertainen U-putki. Taulukon 4 mallinnuksissa verrattiin energiakaivokentän kokoa lämpöpumpun eri mitoitusprosenteilla. Kentän koko kasvaa prosenttiosuuden kasvaessa, koska kaivoista tarvittava energiamäärä kasvaa. Maalämpöpumpun mitoitus kannattaa valita kokonaiskustannuslaskelmien perusteella.

Geologian tutkimuskeskus 10 määrä sijoitus Yksittaisen kaivon syvyys yhteissyvyys välimatka 90 % 84 6 x 14 verkko 191 16044 20 50 % 78 6 x 13 verkko 198 15444 20 40 % 72 6 x 12 verkko 199 14328 21 30 % 60 5 x 12 verkko 189 11340 25 Taulukko 4. Mallinnuksella verrattiin energiakaivokentän kokoa maalämpöpumpun eri mitoitusprosenteilla. Passiivitalot, varasto 10 astetta, yksinkertainen U-putki. 3.3.3 Energiakaivokentän sijoitus Bergansin tutkimusalueen energiakaivokentän mallinnuksissa kenttä ajateltiin sijoitettavaksi Vermontien länsipuoliselle tontin osalle, johon myös asuinrakennukset sijoitetaan. Alueen kooksi arvioitiin alustavan kaavaluonnoksen perusteella 100 m * 270 m. Mallinnusten mukaisissa kentissä kaivot sijoitettaisiin koko alueelle verkkomaisesti, jolloin kaivoja saattaisi olla myös rakennusten alla. Asemakaavan valmistuttua kaivojen sijoittamista voidaan miettiä uudelleen. On myös mahdollista sijoittaa kaivot viheralueiden ja asfalttialueiden alle tai Vermontien itäpuoleiselle alueelle. Jos koko alueella halutaan käyttää geoenergiaa, energiakaivoja tarvitaan useita kymmeniä tai jopa yli sata Taulukoiden 2 4 mukaisesti valinnoista riippuen. Energiakaivojen suuri määrä tarkoittaa sitä, että kaivoille pitää varata mahdollisimman suuri alue käyttöön. Paras tapa olisi sijoittaa kaivot hajalleen tontille talojen, asfalttialueiden ja viheralueiden joukkoon, eikä siis mihinkään erilliselle kaivoille varatulle alueelle. Tällöin kaivot saataisiin mahdollisimman kauaksi toisistaan. Mitä suurempi alue kaivoille saadaan, sen parempi. Myös tontin raja-alueet kannattaa hyödyntää mahdollisimman hyvin. 4 YHTEENVETO Geologian tutkimuskeskus GTK on suorittanut Bergansin tutkimusalueella Espoossa vuosina 2009 ja 2010 taajamageologisen kartoituksen sekä energiakaivokentän mallinnuksia. Tutkimusten mukaan alueen kallioperä on kvartsimaasälpägneissiä ja migmatiittista kiillegneissiä, jota leikkaavat pegmatiittigraniittiset juonet. Ohuehkoina välikerroksina esiintyy myös amfiboliittia. Alueen geologista kartoitusta vaikeutti kuitenkin kalliopaljastumien puuttuminen alueelta paksun irtomaakerroksen takia. Energiakaivokentän mallintaminen tarkoittaa kaivojen määrän, syvyyden ja sijainnin optimoimista energiantarpeen ja maankamaran ominaisuuksien mukaan. Energiakaivokentän mallinnuksella varmistetaan, että kaivot tuottavat tarvittavan määrän energiaa vuosien ja vuosikymmenien ajan mah-

Geologian tutkimuskeskus 11 dollisimman tasapainoisesti ja kestävästi välttäen kallioperän liiallista jäähtymistä. Tällä tavalla lämpöpumpun lämpökerroin pysyy korkeana. Bergansin energiakaivokentän mallinnuksilla haettiin arviota energiakaivokentän koolle, tutkittiin kaivojen sijoittamista tontille ja tarkasteltiin kuinka matala-/passiivirakennevalinta sekä kylmävaraston käyttölämpötilan valinta vaikuttaa energiakaivokentän kokoon. Mallinnuksissa 24 esimerkkikerrostalon geoenergian tarve katettiin 40 152 energiakaivolla, jotka sijoitettiin Bergans kiinteistöjen Vermontien länsipuoliselle alueelle. Asemakaavan valmistuttua tontille kannattaa porata sopiviin kohtiin ainakin kaksi tutkimuskaivoa, joissa tehdään TRT-mittaus. TRT-mittauksella tarkennetaan alueen kallioperän lämmönjohtavuusarvo sekä energiakaivojen lämpövastus. Näillä tiedoilla sekä todellisilla energiantarvearvoilla energiakaivokenttä voidaan mallintaa tarkasti. Kirjallisuus Laitala, M., 1967. Helsinki. 2034. Kallioperäkartta, 1:100000. Geologian tutkimuskeskus, Espoo. Rosén, B., Gabrielsson, A., Fallsvik, J., Hellström, G., & Nilsson, G., 2001. System för värme och kyla ur mark En nulägebeskrivning. Statens geotekniska institut SGI, Linköping, 236 pp.