Sähkölämmitys osana resurssitehokasta sähköjärjestelmää Pirkko Harsia & Kari Kallioharju, Tampereen ammattikorkeakoulu 23.4.2019
Sähkölämmitys on yleisin pientalojen lämmitystapa
Sähkölämmityskohteet Omakotitaloista yli 40 % Rivitaloista yli 20 % Yhteensä n. 620 000 huoneistoa Lisäksi : Sähkölämmitys on n. puolessa loma-asunnoista (n.240 000 kpl) TAMK 2015
Uusien pientalojen lämmitysaine ja keskikoko eri lämmitystavoilla
Mitä kulutuksessa on muuttumassa? Siirto + markkinat Tuotanto Kulutus Miten lämmitystapamuutokset vaikuttavat? - Energian kulutukseen - Tehotarpeeseen Mikä vaikuttaa lämmitystapamuutoksiin? Mikä merkitys sähköenergiajärjestelmässä?
Toimintaympäristön muutos Omatuotanto Hinnoittelu muuttuu Pyörivä tuotanto vähenee Säätövoima vähenee Sääriippuva sähköntuotanto Varastointi Kysyntäjousto DR Älykäs sähköverkko Tietoinen ja reagoiva käyttö Resurssiviisas mitoitus ja laitevalinta Sähköenergia on tuoretuote. Tehotasapaino joka sekunti. TUOTANTO = KULUTUS Teho (resurssitehokkuus) vai energia (energiatehokkuus)?
Kysyntäjouston muotoja ja tarpeita Kysyntäjousto Kuluttaja on aktiivinen osa sähköjärjestelmää ja osallistuu ohjauspalveluiden ja/tai hinnoittelun avulla tehotasapainon hallintaan ja resurssitehokkaan energiajärjestelmän mahdollistamiseen Hinta Energian hinta (spot) Aikatariffit (yö/päiväsähkö) Häiriö Tuotanto Siirto Häiriöreservi Kulutus Omatuo tanto Tasapaino Paikallinen hyödyntäminen Alueellinen hyödyntäminen Tehopula/ Ylikuormitus Valtakunnallinen Alueellinen Ylituotanto Valtakunnallinen Alueellinen Mitä voidaan ohjata, milloin ja miten?
Kysynnän jousto ja sähkölämmitys Olemassa olevat sähkölämmityskohteet muodostavat suurimman ohjattavat tehon Ohjauskytkennät valmiina n. 350 000 asunnossa Hinta-ohjaus Tehonrajoitus Helppo ohjattavuus Vähän haittaa Tehonrajoitus jo käytössä Pienet yksittäisten laitteiden tehot eivät aiheuta suuria muutoksia kokonaistehossa (piikit) TAMK 2015/PHa
Sähkölämmitystalon energiatehokkuuden parantaminen Ø joht, katto Lämpötila tarpeenmukaiseksi => vähennetään energiatarvetta (energiansäästö n. 5 % per aste) Ohjaus ja säätö => vähennetään energiatarvetta Vanhojen lämmittimen vaihto Termostaattien vaihto (tarkempi säätö, erilaiset ohjausmahdollisuudet) Kello-ohjaukset mukavuuslattialämmityksiin ja lattialämmityksiin yleisesti => uudet termostaatit sisältävät mm. viikkokellon ja muita ohjaukseen liittyviä ominaisuuksia (EcoDesign-direktiivin muutos) Ø joht,seinä T sisä Ø joht,ikkuna T ulko Ilmanvaihtoratkaisun uudistaminen => vähennetään ostoenergian tarvetta (n. 1/3 lämmityssähköstä kuluu vanhassa talossa ilman lämmittämiseen) IV-uudistaminen esim. kattoremontin yhteydessä, jolloin saadaan toteutettua lämmöntalteenotto PILPin lisääminen poistoilmakanavaan? T lattia Ilmalämpöpumput => vähennetään ostoenergian tarvetta Ei pienennä huipputehotarvetta Ø joht,lattia Tehohallinta => liittymän koko ja (mahdollinen) tehomaksu siirtohinnoittelussa Saunojen ja kiukaan mitoitus Risteilyohjaukset ja tehovahdit Lämmitysenergiaa optimoivat ohjausjärjestelmät ja pörssisähkön hyödyntäminen => vähennetään energian tarvetta ja mahd. sähkön kustannuksia esim. https://www.optiwatti.fi ELVARI-aineisto (Motiva ja Energiateollisuus ry: sähkölämmityksen tehostamisohjelma) https://www.motiva.fi/koti_ja_asuminen/rakentaminen/sahkolammityksen_tehostamisohjelma_elvari/elvar i-ohjelmassa_julkaistut_aineistot
Ilmalämpöpumput osana sähkölämmitystaloa llmalämpöpumpun käyttö tukilämmityslaitteena varsinaisen lämmitysjärjestelmän rinnalla voi alentaa lämmityskustannuksia. Ilmalämpöpumppua voi käyttää myös jäähdytykseen. Jäähdytys lisää rakennuksen energiankulutusta ja syö säästöjä, joita lämmityskäytössä on mahdollisesti saatu talven aikana. Ilmalämpöpumppu ei sovellu rakennuksen ainoaksi lämmityslaitteeksi, koska sen tuottama lämpöenergian määrä vähenee pakkasten kiristyessä. Laitteesta riippuen -15...-20 ºC:n pakkasilla tulee raja, jolloin pumppu tuottaa lämpöä vain saman verran kuin se kuluttaa sähköä. ELVARI-hankkeessa tarkasteltiin 78 kohdetta, joihin oli asennettu ilmalämpöpumppu. Tarkastellussa joukossa oli kymmenen kohdetta, joissa energiankulutus oli hieman kasvanut verrattuna tilanteeseen ennen pumpun asennusta. Muutamassa kohteessa muutos oli vähäinen. Suurimmassa osassa kohteita kokonaisenergian kulutus oli laskenut joko 1000 2000 kwh, 2000 3000 kwh tai 3000 4000 kwh vuositasolla. 17 kohteessa kulutus oli alentunut 4000 kwh tai enemmän. Tarkastellut kohteet sijaitsivat eri puolilla Suomea, pohjoisimmat Muoniossa ja Rovaniemellä ja eteläisimmät Helsingissä ja Uudellamaalla. https://www.motiva.fi/files/3960/jalkiasennetun_ilmalampopumpun_vaikutus_energiankayttoon.pdf
Yhteenveto ELVARI-ilmalämpöpumppukohteista
ELVARI-huomioita: ilmalämpöpumpun asennus Sisäyksikkö on sijoitettava keskeiseen paikkaan, josta lämpö jakaantuu hyvin koko huoneistoon Sisäyksikkö on sijoitettava siten, ettei sen alla tai lähellä jouduta oleskelemaan jatkuvasti. Vaikka äänitaso ja puhallusnopeudet ovat alhaiset, ei laitetta kannata asentaa olohuoneen sohvan päälle tai makuuhuoneeseen. Sisäyksikkö on sijoitettava paikkaan, jossa ilman lämpötila (asetusarvo) voidaan pitää vähän (2-4 C) korkeampana kuin huoneistossa keskimäärin. Tämä edistää lämpötehon jakaantumista ja siten maksimihyödyn saamista laitteesta. Sisäyksikkö on sijoitettava siten, että puhallettava ilma ei törmää muutaman metrin matkalla mihinkään kohteeseen, koska törmättyään lämmin ilmavirtaus nousee nopeasti ylöspäin. Laitetta on päästävä huoltamaan (suodattimien imurointi parin viikon välein). Tukkeutunut suodatin vähentää laitteen ilmavirtaa ja heikentää lämmön siirtymistä. Talon muut lämmitykset ja ilmanvaihdon aiheuttamat virtaukset pitää pyrkiä ottamaan huomioon. Jos talossa on varaava takka tai uuni, kannattaa ilmalämpöpumppu sijoittaa siten, että ilmavirta laittaa myös takan lämmön tehokkaasti liikkeelle ja levittää sen tasaisesti. Älä asenna sisäyksikköä keittiöön. Suodattimet tukkeutuvat nopeasti rasvaisessa ympäristössä. Tämä alentaa laitteen tehoa ja laskee käyttöikää. Ulkoyksikkö on sijoitettava tukevasti ulos tai tilaan, joka on vapaasti yhteydessä ulkoilmaan. Ulkoyksikkö on asennettava niin korkealle maan pinnasta, ettei se jää talvella lumen alle. Asennuskorkeus on n. 50-100 cm, Pohjois-Suomessa korkeampikin. Laite tulee asentaa mieluimmin suojaan voimakkaalta tuulelta ja sateelta (koskee varsinkin lämmityskäyttöä). Lämpöpumpun asennuksen yhteydessä tulisi käydä jälleenmyyjän tai muun asiantuntijan kanssa läpi koko talon lämmitys- ja ilmanvaihtojärjestelmä ja säätää se energiaa säästäväksi kokonaisuudeksi
ELVARI-huomioita: ilmalämpöpumpun käyttö Sisä- tai ulkoyksikön ilman sisääntulo- tai ulostuloaukkoa ei saa peittää tai tukkia. Jos ne ovat tukossa, laite ei toimi hyvin ja saattaa jopa rikkoontua. Suodattimet on pidettävä puhtaina. Likaantuneet suodattimet laskevat laitteen suorituskykyä. Sisäyksikön karkeasuodatin tulee imuroida 1-2 kertaa kuukaudessa ja vaihtaa valmistajan ohjeiden mukaisesti. Myös ulkoyksikön puhtaudesta täytyy huolehtia säännöllisesti. Lämpöpumpun lämpökerroin laskee nopeasti ulkolämpötilan laskiessa, ja laitteesta riippuen noin -15...-20 ºC kylmemmässä lämpöpumppua ei kannata käynnistää laisinkaan. TV ja muut viihdelaitteet on sijoitettava vähintään metrin etäisyydelle pumpusta ja kaukosäätimestä. Kaukosäätimen toiminta saattaa häiriintyä myös elektronisesti ohjatusta loisteputkesta tai LED-valaisimesta. Useimmissa laitteissa sisälämpötilan voi mitata joko laitteesta tai kaukosäätimestä. Jos sisäyksikkö on kaukana oleskelualueesta, voi olla järkevämpää käyttää kaukosäätimen lämpötilamittausta. Kaukosäädin tulee sijoittaa sellaiseen paikkaan, että se mittaa lämpötilaa luotettavasti; ei siis lehtikasan alle tai lämmönlähteen läheisyyteen (uunin pankolle). Yleensä lämpöpumppu on tukilämmitysmuoto varsinaiselle lämmitysjärjestelmälle kuten patteri-, lattia tai kattolämmitykselle. Jos muu lämmitysjärjestelmä on päällä samanaikaisesti, varsinaisen lämmitysjärjestelmän sisälämpötilan asetusarvo on asetettava 2-4 C ilmalämpöpumpun asetusarvoa matalammalle (Käytännössä esim. patteritermostaatit 17-19 C, lämpöpumppu 21 C). Tällöin lämpöpumpun tuottamaa halpaa lämmitysenergiaa saadaan maksimaalisesti huoneiston lämmitykseen. Laitteen tulee olla päällä koko ajan (ilman ajastinta), koska pumppu säästää energiaa vain käydessään. Laite on kytkettävä lämmityskaudella lämmitystoiminnolle ja helteillä jäähdytystoiminnolle (ei automatiikalle). Tällä vältetään yhtäaikainen lämmitys ja jäähdytys esimerkiksi tilanteessa, jossa huonelämpötila nousee hetkellisesti takan lämmityksen yhteydessä. Kylmillä ilmoilla lämpöpumpun lämpötilan asetusarvo ja puhallinnopeus kannattaa pitää korkealla, kuitenkin niin, ettei se vähennä asumisviihtyvyyttä. Tällöin saadaan maksimaalinen lämmitysteho ja pumppu toimii parhaalla mahdollisella hyötysuhteella. Puhallinnopeutta laskemalla laitteen äänitaso alenee, mutta samalla huononee myös lämpökerroin. Talon väliovia kannattaa pitää mahdollisimman paljon avoimina. Tällöin lämpö pääsee leviämään koko rakennukseen. Lämmityskäytössä alle +5 C:n keleillä lämpöpumpun ulkoyksikön patteriin kertyy huurretta, jonka pumpun automaattinen sulatustoiminto poistaa. Joillakin keleillä sulatus tapahtuu jopa 1/2-1 tunnin välein ja pumpusta saattaa kuulua venttiilien suunnanvaihdosääniä. Ul-koyksikön pohjasta tulee automaattisen sulatuksen aikana vettä, myös pakkaskeleillä. Huolehdi, että vesi pääsee esteettömästi valumaan ulkoyksikön pohjasta. Jos pakkanen laskee pidemmäksi aikaa alle -15 C:seen, kytketään pumppu pois kaukosäätimellä valmistajan ohjeiden mukaan. Jäähdytyskäytössä laitetta on käytettävä vain todellisen tarpeen mukaan. Kun rakennuksessa ei oleskella, pumppu on laitettava pois päältä. Jäähdytyskäytössä ei saa antaa auringon paistaa suoraan ikkunoista huoneeseen. Jos huoneen katto- ja lattiarakenteet lämpiävät, huoneen jäähdyttäminen kestää kauemmin. Yleensä jo asteen tai parin viilennys riittää tekemään sisäilman miellyttäväksi, koska huoneilmasta poistuu samalla myös kosteutta. Jottei viileys karkaisi, on pidettävä ikkunat, ovet ja muut luukut suljettuina.
Verkkoon kytketty aurinkosähköjärjestelmä, ominaisuuksia ja huomioitavaa Kari Kallioharju & Aki Kortetmäki, Tampereen ammattikorkeakoulu 23.4.2019
Oleellisia asioita aurinkosähköstä 1) Etelä-Suomessa auringon suorasta säteilyenergiasta saadaan 90 prosenttia maaliskuun ja syyskuun välisenä aikana. 2) Aurinkopaneelien tuotto paranee viileässä, jolloin aurinkoisina kevätpäivinä tuotto on usein suurempaa kuin kesällä. 3) Yleisimmät aurinkopaneelit ovat yksi- tai monikiteistä piitä. Yhden kilowatin (1 000 W p = 1 kw p = piikkikilowatti) paneelijärjestelmä vaatii tyypillisesti 6-8 neliömetrin pinta-alan. 4) Tavallisesti yhden kilowatin tehoisella järjestelmällä voidaan tuottaa sähköä Etelä-Suomessa arviolta 800-1 000 kwh ja Pohjois-Suomessa 700-900 kwh vuodessa. Järjestelmäkoot pientaloissa tyypillisesti 3-8 kwp. 5) Aurinkosähkön myynti on mahdollista, mutta tällä hetkellä sähkö kannattaisi vielä käyttää itse. Optimaalinen aurinkosähköjärjestelmän mitoitus perustuu siis energiantuotannon sijaan kesäpäivän huipputehon suhteen mitoittamiseen. Samalla olisi hyvä miettiä, miten kulutusta voisi siirtää kesäisin päiväaikaan (esim. lämminvesivaraajien käyttö) 6) Kuluttaja ei saa aurinkosähköjärjestelmälle hankintatukea, mutta asennuksista voi hakea kotitalousvähennystä. Aurinkopaneeleiden asennukseen liittyen tulee olla yhteydessä rakennusvalvontaan ja paikalliseen sähköverkkoyhtiöön.
Paljonko auringosta säteilee energiaa? Alla on esitetty vuosittaisen aurinkoenergian määrä Suomessa ja muualla Euroopassa, kun laskentapintana on käytetty vaakatasosta 30 asteen kulmaan kallistettua, etelään suunnattua tasoa. 10.11.2012
Aurinkosähköjärjestelmien sähköenergian tuotantopotentiaali Suomessa Tavallisesti yhden kilowatin tehoisella järjestelmällä voidaan tuottaa sähköä Etelä-Suomessa arviolta 800-1 000 kwh ja Pohjois-Suomessa 700-900 kwh vuodessa. Oheisessa kuvassa on esitetty yhden kilowatin (1 kwp) järjestelmän keskimääräistä tuottoa eri puolilla Suomea. PVGIS European Union, 2001-2012 10.11.2012 17
Järjestelmän mitoitus ja kannattavuus Aurinkosähköjärjestelmä kannattaa mitoittaa omakäyttöä suosivaksi. Mitoituksen voi tehdä esimerkiksi sähköverkkoyhtiöltä saatavaan tuntidataan perustuen. Alla olevassa kuvassa on esimerkki omakotitalon tyypillisestä vuorokautisesta kulutusprofiilista (sininen) ja aurinkosähkön tuotannosta kolmella erikokoisella järjestelmällä kesäpäivänä. Punainen osuus on myytävää sähköä. Oikealla on kaksi esimerkki Motivan laskelmista aurinkosähkön kannattavuuteen liittyen. Pienten järjestelmien avaimet käteen -kustannus on n. 1300-2000 euroa / kwp. Kustannuslaskurit ja lisätietoa www.finsolar.net
Kulutuksen siirtomahdollisuudet?
Yksikiteisistä piikennoista valmistettuja aurinkosähköpaneeleja. Yksikiteiset kennot ovat yleensä viistetyn neliön tai kahdeksankulmion mallisia. KKa / TATE Monikiteisistä piikennoista valmistettuja aurinkosähköpaneeleja. Verkkokytkentäinen aurinkosähköjärjestelmä Verkkokytkentäinen järjestelmä muodostuu: aurinkopaneelit + asennustelineet verkkoinvertteri kaapelointi paneeleilta invertterille ja invertteriltä sähkökeskukseen + turvakytkin dokumentaatio ja käyttöohjeet
Aurinkokeräinten ja -paneeleiden optimaalinen sijoittelu aurinkosähköpaneeliston pitäisi saada optimaalisesti säteilyä auringonpaistetuntien aikana vuodenajasta riippumatta. Suomessa sijoituspaikan valinnassa tulee huomioida erityisesti talvella hyvin matalalta paistavan auringon langettamat pitkät varjot varjostuminen saattaa aiheutua myös likaantumisesta tai lumesta. Suomessa tyypillisin asennuspaikka aurinkoenergialaitteille on rakennusten kattojen etelälappeilla, mikäli eteläinen lape on olemassa.
Aurinkokeräinten ja -paneeleiden optimaalinen suuntaus Paras suuntakulma pohjoisella pallonpuoliskolla on suoraan kohti etelää, mutta esimerkiksi esteiden vuoksi suunta-kulmaa voi säätää hieman itään tai länteen. Suuntakulman muutos itään tai länteen voi tulla kyseeseen myös silloin, kun kuormittavan kohteen huippukulutus osuu aamuun tai iltaan, tai alueella on tavallisesti kirkas taivas vain aamupäivisin. Kallistuskulma voi vaihdella sovelluksen käyttö-tarkoituksen mukaan välillä 30-90. Kallistuskulmalla voidaan vaikuttaa esimerkiksi vuodenaikasidonnaisen energiantuottoon. Jos halutaan painottaa koko vuoden tuottoa, on paras kallistuskulma Suomessa noin 45 astetta. Kevättalven tuottoa optimoitaessa kulma saa olla noin 60 astetta, Pohjois- Suomessa jopa 70-80 astetta. Kesän energiantuottoa painotettaessa kallistuskulma voi puolestaan olla hyvinkin pieni, noin 30 astetta. 10.11.2012
ST-käsikirja 40
Piikennoilla toteutetun 3,6 kw p optimikulmaan asennetun aurinkosähköjärjestelmän tuotto Härmälässä EU PVGIS laskentatyökalu: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php Vuosituotto 2870 kwh. Asennus suoraan etelään 41 asteen kallistuskulmalla. Suurin tuotto huhtitoukokuun vaihteessa, kun vielä viileää ja suhteessa eniten aurinkoisia päiviä KKa / TATE
EL-TRAN -konsortio tutkii, mitä resurssitehokas sähköjärjestelmä tarkoittaa, miten se toteutetaan, millaisia politiikkaongelmia sen toteutuksessa kohtaamme ja kuinka lopulta ratkomme niitä. Hanketta koordinoi Tampereen yliopisto, ja siinä ovat mukana Itä-Suomen yliopisto, Tampereen ammattikorkeakoulu, Turun yliopisto ja VTT Hankeen rahoittajana toimii vv. 2016 2020 Suomen Akatemia www.el-tran.fi
AREA21 AREA 21 on kolmivuotinen kansainvälinen yhteistyö-projekti, jota toteuttaa 10 organisaatiota Itämeren alueelta. Projekti kehittää tulevaisuuden energiatehokkaiden kaupunkialueiden malleja, joissa otetaan strategiseen suunnitteluun ja energiajärjestelmien toteutukseen mukaan eri sidosryhmiä. www.area21-project.eu info@area21-project.eu twitter.com/area21_project 26