Kandidaatintyö 25.11.2015 LUT School of Energy Systems Sähkötekniikka

Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttö pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa Ground-source heat pump and PV solar system for hot water production Niko Vesalainen Kandidaatintyö 25.11.2015 LUT School of Energy Systems Sähkötekniikka

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems Sähkötekniikka Niko Vesalainen Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttö pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa 2015 Kandidaatintyö 28 + 7 sivua Tarkastaja: TkT Tero Ahonen Tässä kandidaatintyössä tutkitaan maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttöä pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa. Tarkoituksena on tuottaa päivittäin tarvittava lämmin käyttövesi maalämpöpumpulla, jonka tarvitsema sähkö tuotetaan aurinkosähköjärjestelmän avulla keskimäärin kello 12 15. Aurinkosähköjärjestelmän tuotto simuloidaan kuvitteelliselle Lappeenrannassa sijaitsevalle omakotitalolle Homer-ohjelmistolla. Maalämpöpumpun koko pidetään vakiona ja vertailussa on 4, 5 ja 6 kw:n kokoiset aurinkosähköjärjestelmät. Yli 5 kw:n aurinkosähköjärjestelmällä saadaan katettua talon peruskuorman lisäksi, myös maalämpöpumpun tarvitsema teho kyseisenä ajanjaksona. 4 kw:n aurinkosähköjärjestelmällä ja maalämpöpumpulla saadaan tuotettua päivässä riittävästi energiaa neljän henkilön tarvitsemaan käyttöveteen, mutta tällöin maalämpöpumppua täytyy käyttää pidempi ajanjakso, jos lämmitykseen halutaan käyttää vain tuotettua aurinkosähköä.

ABSTRACT Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems Electrical Engineering Niko Vesalainen Ground-source heat pump and PV solar system for hot water production 2015 Bachelor s Thesis. 28 + 7 pages Examiner: D.Sc. Tero Ahonen In this bachelor s thesis the use of ground-source heat pump and PV solar system in the production of hot water is examined. The ground-source heat pump produces daily hot water with power produced by the PV system between 12 p.m. and 3 p.m. Production of the PV system is simulated using Homer software. The house is imaginary and it is located in Lappeenranta. The size of the ground-source heat pump is constant and the size of the PV system changes. PV systems between 4, 5 and 6 kw are compared. The 5 kw or bigger PV system produces enough power for the house s basic load and ground-source heat pump. 4 kw PV system produces enough energy to make daily hot water for 4 person, but not enough power is made. To produce enough energy the heatpump needs to be used more than for 3 hours.

SISÄLLYSLUETTELO Käytetyt merkinnät ja lyhenteet 1. Johdanto... 6 2. Pientalon energian tarve... 7 2.1 Lämmitykseen tarvittava energia... 7 2.2 Lämpimän käyttöveden tarvitsema energia... 8 3. Maalämpöpumppu... 11 3.1 Maalämpöpumppujärjestelmän osat ja toiminta... 11 3.2 Maalämpöpumpun mitoitus... 12 3.3 Tarvittavat luvat... 13 4. Aurinkosähköjärjestelmä... 14 4.1 Aurinkopaneelin toimintaperiaate ja rakenne... 14 4.2 Aurinkosähköjärjestelmät... 14 4.3 Olosuhteet aurinkosähkön tuotannolle Suomessa... 15 5. Esimerkkikohde... 17 5.1 Esimerkkitalon energiankulutus... 17 5.2 Maalämpöpumppu... 18 5.3 Aurinkosähköjärjestelmä... 19 6. Tulokset... 20 6.1 4 kw:n järjestelmä... 21 6.2 5 kw:n järjestelmä... 22 6.3 6 kw:n järjestelmä... 23 7. Yhteenveto... 25 Lähteet... 26 Liitteet LIITE 1. 1 kw:n aurinkosähköjärjestelmän simuloitu tuotto tunneittain LIITE 2. Aurinkosähköjärjestelmien simuloidut tuotantolukemat, sekä verkosta otettavan tehon tarve.

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET a vuosi c ominaislämpökapasiteetti [kj/kgk] D halkaisija [m] L pituus [m] Q lämpöenergia [kwh] T lämpötila [ C] V Tilavuus [m 3 ] Kreikkalaiset symbolit Δ Muutos ρ tiheys [kg/m 3 ] η hyötysuhde Φ lämpöteho [W/m] Lyhenteet COP lämpöpumpun hyötysuhde (eng. coefficient of performance) ELY-keskus elinkeino, liikenne- ja ympäristökeskus lkv lämmin käyttövesi omin ominaissnt eurosentti SPF lämpöpumpun kausihyötysuhde (eng. seasonal power factor)

6 1. JOHDANTO Nykyisin suosituin uusien pientalojen päälämmitysjärjestelmä on maalämpöpumppu. Vuonna 2014 jo yli 50 % uusista pientaloista varustettiin maalämpöpumpulla. Osuus on ollut jatkuvassa kasvussa, sillä vuonna 2006 maalämpöpumppujen osuus oli hieman alle 30 %:a. Etenkin öljylämmitteisten talojen suosio on laskenut öljyn hinnan kallistuessa. Maalämpöpumppujen suosion kasvuun on vaikuttanut maalämpöpumppujen tekniikan kehittyminen ja maalämpöpumpun mahdollistama lämmityskustannusten aleneminen. (Motiva, 2015) Myös aurinkosähköjärjestelmien suosio on kasvanut viime vuosina voimakkaasti. Etenkin Kiinassa asennetun aurinkopaneelikapasiteetin kasvu on ollut voimakasta. Euroopassa Saksa on ollut edelläkävijä aurinkosähkön tuotannossa. Aurinkopaneelien suosion kasvun syynä on aurinkopaneelien hintojen voimakas aleneminen. (Huoman, et al., 2014) Tässä työssä tarkastellaan maalämpöpumpun sekä aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttöä pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa. Kuvassa 1.1 on periaatekuva järjestelmästä, missä rakennuksen lämmitysjärjestelmänä ja lämpimän käyttöveden tuottajana toimii maalämpöpumppu. Lisäksi rakennukseen on asennettu aurinkosähköjärjestelmä, jolla tuotetaan sähköä. Aurinkosähköjärjestelmä on kytketty osaksi rakennuksen sähköjärjestelmää ja sen kautta osaksi sähköverkkoa. Maalämpöpumpun ohjauksen avulla pyritään käyttämään tuotettu aurinkosähkö lämpimän käyttöveden tuottamiseen, jolloin tuotetun sähkön myynti yleiseen sähköverkkoon saadaan minimoitua. Työssä lasketaan tuotantopotentiaali kolmelle erikokoiselle aurinkosähköjärjestelmälle, kun maalämpöpumpun teho pidetään vakiona. Kuva 1.1 Periaate maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäytöstä lämpimän käyttöveden teossa. Maalämpöpumpun ja aurinkosähköjärjestelmän yhteiskäyttöä on tutkittu Jaakko Saarelan opinnäytetyössä, (Saarela, 2012), missä vertailtiin valmiina olevaan rakennukseen asennettavia aurinkoenergiaratkaisuja. Myös aurinkokeräinten ja maalämpöpumpun yhteiskäyttöä on tutkittu (Kotavuopio, 2011). Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää aurinkosähköjärjestelmän ja maalämpöpumpun yhteiskäytön mahdollisuutta pientalon lämpimän käyttöveden tuotannossa.

7 2. PIENTALON ENERGIAN TARVE Pientaloissa energiaa kuluttavat lämmitys ja mahdollinen kesäaikainen viilennys, ilmanvaihto, käyttövesi, valaistus ja erilaiset kuluttajalaitteet. Suomen kylmissä oloissa lämmitys muodostaa merkittävän osan energiankäytöstä, mutta sen tarve vaihtelee voimakkaasti pitkin vuotta, kuten myös valaistuksen tarve. Käyttöveden ja kuluttajalaitteiden energiankulutus puolestaan on suhteellisen vakio läpi vuoden. Päiväkohtaisesti suurin kulutus energiassa on aamuisin ja iltaisin, koska päiväaikaan ollaan tyypillisesti poissa kotoa ja laitteet ovat pois päältä. (Adato energia, 2013). 2.1 Lämmitykseen tarvittava energia Kaikesta Suomessa kulutetusta energiasta neljännes kuluu rakennusten lämmitykseen. Lämmittämisessä käytetään eniten kaukolämpöä, jolla katetaan noin kolmannes tarvittavasta lämmitysenergiasta. Seuraavaksi suosituimmat lämmitysmuodot ovat puu ja sähkö, joiden molempien osuus on neljännes kulutetusta lämmitysenergiasta. Sähkölämmityksen osuuteen kuuluu myös lämpöpumppujen käyttämä energia. Loppu lämmitysenergia tuotetaan kevyenja raskaan polttoöljyn, maakaasun, turpeen ja hiilen avulla. (Tilastokeskus, 2013) Lämmitysjärjestelmän täytyy kyetä tuottamaan rakennuksen tarvitsema lämpöteho mitoittavassa ulkolämpötilassa. Suomi on jaettu neljään säävyöhykkeeseen, joiden mitoittavat lämpötehot järjestyksessä I-IV ovat 26 C, 29 C, 32 C ja 38 C. Kuvassa 2.1 on esitetty Suomen jakautuminen säävyöhykkeisiin. Kuva 2.1 Suomen säävyöhykkeet (Ilmatieteenlaitos, 2012). Lämmitysjärjestelmän täytyisi kyetä pitämään rakennuksen sisälämpötila mahdollisimman tasaisena, sillä vaihteleva sisälämpötila haittaa asumismukavuutta. Lisäksi eri huoneiden välillä on yleensä eroja lämpötiloissa. Suositeltava lämpötila oleskelutiloihin on 20 22 C ja makuuhuoneisiin sopiva lämpötila on 18 20 C. Nykyisten määräysten mukaisesti rakennettu pientalo kuluttaa vuodessa lämmitysenergiaa tilojen ja tuloilman lämmitykseen keskimäärin 100 120 kwh/m 2, joka on vajaa puolet talon tarvitsemasta kokonaisenergiasta. Vielä 2000-luvun alussa rakennusmääräysten mukaisesti rakennettu talo tarvitsi vuodessa lämmitysenergiaa 100 160 kwh/m 2. Passiivitalossa lämmitysenergian osuus on huomattavasti pienempi. Jotta rakennus olisi passiivitalo, on sen

8 vuotuinen lämmitysenergia oltava alle 25 kwh/m 2. Matalaenergiatalon lämmitysenergiankulutus on puolestaan noin puolet tavallisen pientalon lämmitysenergiankulutuksesta eli 50 kwh/m 2. (Nieminen & Lylykangas, 2009), (Motiva, 2009). 2.2 Lämpimän käyttöveden tarvitsema energia Suomalainen kuluttaa vuorokaudessa keskimäärin 155 litraa vettä, mutta vaihtelu on suurta riippuen kulutustottumuksista. Veden kokonaiskulutuksesta noin kolmannes on lämmintä käyttövettä. Tämän vesimäärän lämmittäminen vaatii vuodessa energiaa 800 1200 kwh:a. Lämpimän käyttöveden tuottamiseen kuluu noin viidennes kotitalouden kokonaisenergiasta. Tämä osuus tulee kasvamaan tulevaisuudessa, koska rakennusten lämmitysenergian tarve todennäköisesti pienenee eristysten parantuessa. Kuvassa 2.2 on esitetty, kuinka yhden henkilön vuorokaudessa kuluttama vesi jakautuu eri käyttökohteiden kesken. (Motiva, 2014a) WC, 40 litraa 26 % Peseytyminen, 60 litraa 39 % Pyykki, 20 litraa 13 % Keittiö, 35 litraa 22 % Kuva 2.2 Yhden henkilön vuorokaudessa kuluttaman veden jakautuminen eri käyttökohteisiin. Mikäli pientalon lämpimän käyttöveden kulutusta ei tiedetä, mitoitetaan kulutus yleensä henkilömäärän mukaan. Tämä on asuinrakennuksissa yleinen tapa ja muuhun käyttöön tarkoitetuissa rakennuksissa lämpimän veden tarve mitoitetaan pinta-alan mukaan. Huoneistokohtaisella vesimittarilla varustetussa asunnossa laskennassa käytetään vuorokausikulutuksena 50 litraa henkilöä kohden ja muussa tapauksessa vuorokausikulutuksen oletetaan olevan 60 litraa henkilöä kohden. (Ympäristöministeriö, 2013)

9 Veden lämmittämiseen tarvittava nettoenergia Qlkv,netto saadaan ρvcvvlkv Δ T Qlkv, netto (2.1.) 3600 missä ρ = veden tiheys, kg/m 3 cv = veden ominaislämpökapasiteetti, KJ/(kg K) Vlkv = lämpimän käyttöveden kulutus, m 3 ΔT = kylmän ja lämpöisen käyttöveden erotus, o C 3600 = kerroin, jolla muutetaan kilojoulet kilowattitunneiksi Lisäksi huomioon tulee ottaa lämpimän käyttöveden siirrosta, varastoinnista ja kierrosta syntyvät häviöt. Varastoinnissa tapahtuva vuotuinen lämpöhäviö Qlkv,varastointi on riippuvainen varaajan koosta ja eristystasosta. Taulukossa 2.1 on esitetty lämminvesivaraajassa syntyvät häviöt vuositasolla. Taulukosta nähdään, että varaajan tilavuuden kasvaessa suhteellinen häviöenergian määrä pienenee. Taulukko 2.1 Lämminvesivaraajan tilavuudesta riippuva vuosittainen lämpöhäviö kahdella eri eristyspaksuudella. Varaajan tilavuus, l Varaajan lämpöhäviö, Q lkv,varastointi kwh/a 40 mm eriste 100 mm eriste 50 440 220 100 640 320 150 830 420 200 1000 500 300 1300 650 500 1700 850 1000 2100 1100 2000 3000 1500 3000 4000 2000 Mikäli pientalossa on kiertojohto, täytyy myös tästä aiheutuvat häviöt ottaa huomioon energiantarvetta laskettaessa. Kiertojohto on pientaloissa harvinainen, mutta sitä käytetään pientaloja suuremmissa rakennuksissa, kuten kerrostaloissa. Kiertojohdossa kierrätetään pumpulla lämmintä käyttövettä, jolloin lämmintä vettä on saatavilla jokaisessa kulutuspisteessä. Ilman kiertojohtoa suurissa rakennuksissa voi lämpöisen veden saaminen kestää, koska ilman kiertoa vesi jäähtyy seisoessaan putkistossa. Jatkuvasta veden kierrosta putkistossa on kuitenkin seurauksena lämpöhäviö Qlkv, kierto ja sen vuotuinen suuruus saadaan laskettua missä Q lkv, kierto lkv, kierto, omin Llkv 8,76 (2.2) Φlkv,kierto,omin = lkv:n kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho, W/m Llkv= Kiertojohdon pituus, m

10 Kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho riippuu eristystasosta. Taulukossa 2.2 on esitetty eri paksuisella eristeellä eristetyn kiertojohdon ominaislämpöteho kiertojohdon pituutta kohden. Kiertojohdossa aiheutuva kokonaislämpöhäviöteho saadaan kertomalla ominaislämpöteho kiertojohdon pituudella. Mikäli kiertojohdon pituutta ei tiedetä, käytetään pientaloissa ja asuinkerrostaloissa kiertojohdon ominaispituutena 0,043 m/m 2. (Ympäristöministeriö, 2013), (Motiva, 2009) Taulukko 2.2 Lämpimän käyttöveden kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho erilaisilla eristystasoilla. Merkintä D tarkoitta kiertojohdon halkaisija. (Ympäristöministeriö, 2013) Eristystaso Kiertojohdon lämpöhäviön ominaisteho Φ lkv,kierto,omin W/m ei tiedossa 40 0,5 D 10 1,5 D 6 suojaputki 15 suojaputki + 0,5 D 8 Suojaputki + 1,5 D 5 Lisäksi lämpimän käyttöveden siirrosta aiheutuu jakoputkistossa häviöitä. Jos kiertojohto on käytössä, on tällöin siirron vuosihyötysuhde 0,96. Ilman kiertojohtoa varustetuissa rakennuksissa siirron vuosihyötysuhteena ηlkv,siirto eristämättömillä putkilla käytetään arvoa 0,75. Mikäli jakoputket on eristetty vähintään 1,5 kertaa putken paksuisella eristeellä, on vuosihyötysuhde 0,92. (Ympäristöministeriö, 2013) Laskemalla kaikki häviöt yhteen saadaan lämpimän käyttöveden lämmittämiseen tarvittava kokonaisenergia Q lämmitys, lkv Qlkv, netto Q Q (2.3) lkv, siirto lkv, varastoint i lkv, kierto

11 3. MAALÄMPÖPUMPPU Auringon paistaessa osa säteilyenergiasta varastoituu maahan ja vesistöihin. Suomessa maan pinnan keskilämpötila on keskimäärin kaksi astetta ilman keskilämpötilaa korkeampi. 15 metrin syvyydessä lämpötila on kuitenkin läpi vuoden noin viisi astetta. Tämä geoterminen lämpö on peräisin Maan kuoressa tapahtuvista radioaktiivisista hajoamisista. Hajoamisten seurauksena syntyvä lämpö johtuu lähemmäs maan pintaa ja tähän johtumiseen vaikuttavat eniten kallioperän lämmönjohtokyky sekä kalliossa olevan veden liike. Maan pinnalta syvemmälle mentäessä lämpötila kasvaa 0,5 1 astetta / 100 m. Tätä maahan varastoitunutta energiaa voidaan hyödyntää rakennusten ja tarvittavan veden lämmityksessä maalämpöjärjestelmän avulla. (Juvonen & Lapinlampi, 2013) 3.1 Maalämpöpumppujärjestelmän osat ja toiminta Maalämpöjärjestelmään kuuluu pumppu, keruuputkisto ja siirtoputkisto. Keruuputkistossa kiertävään nesteeseen sitoutuu lämpöä, joka siirretään siirtoputkiston avulla pumpulle. Sähkötoiminen pumppu siirtää keruunesteessä olevan lämmön rakennuksen lämmitysjärjestelmään. Jos putkiston asennukseen käytettävä maapinta-ala on riittävän suuri, voidaan keruuputkisto asentaa pintamaahan noin metrin syvyyteen. Tällöin vierekkäisillä putkilla täytyy olla väliä vähintään 1,5 metriä, mutta mieluusti enemmän. Vaakatasoon asennettu keruuputkisto käyttää hyväkseen Auringon säteilystä tullutta ja maahan varastoitunutta lämpöä. Noin 30 % maalämpöä käyttävistä kohteista käyttää vaakaputkistoa ja yleensä se on pientalolle edullisin maalämpövaihtoehto (Motiva, 2013). Keruuputkisto voidaan sijoittaa myös kallioon porattuun lämpökaivoon, jolloin maapintaalaa ei tarvita yhtä paljoa kuin vaakaputkistolla. Kaivon halkaisija on 105 165 mm ja syvyys tyypillisesti 100 300 metriä. Yleensä lämpökaivo porataan kohtisuoraan, mutta myös vinoporaus on mahdollinen. Tämä asennus käyttää hyväkseen geotermistä lämpöä. Suomessa suosituin asennusvaihtoehto on lämpökaivo, vaikka se onkin yleensä keruupiirinä kallein vaihtoehto. Yli 60 % maalämpökohteista on Suomessa varustettu lämpökaivolla. (Motiva, 2013) Keruuputkisto voidaan sijoittaa myös vesistön pohjaan. Vedestä on mahdollista saada maata suurempia energiamääriä veden paremman lämmönvarauskyvyn takia. Vesistöasennuksessa täytyy kuitenkin huolehtia, ettei putkien ympärillä oleva vesi pääse jäätymään talvellakaan. Tästä johtuen asennus tehdään yleensä yli kahden metrin syvyyteen. Pientaloille vesistöasennus on yleensä hieman lämpökaivoasennusta halvempi, mutta tarkempi soveltuvuus ja kannattavuus täytyy aina selvittää tapauskohtaisesti. (Motiva, 2013) Ohuesta muovista valmistetussa keruuputkistossa kiertää jäätymätöntä nestettä, johon maassa oleva lämpö siirtyy. Kiertojärjestelmä on suljettu ja kiertopumppu kierrättää lämmönkeruunestettä. Lämmönkeruunesteeltä vaadittavia ominaisuuksia ovat mm. alhainen jäätymispiste ja viskositeetti, hyvä lämmönjohtavuus, korkea ominaislämpökapasiteetti, stabiilius. Lisäksi keruuneste ei saisi aiheuttaa korroosiota putkistossa. Lämmönkeruunesteenä käytetään yleisimmin veden ja etanolin sekoitusta, jonka vahvuus on 28 % ja jäätymispiste 17 C:tta. Aikaisemmin veden seosaineena on käytetty myös etyleeni- ja propyleeniglykolia, metanolia, betaiinia ja kaliumformiaattia. Näistä metanoli ja etyleeniglykoli ovat terveydelle haitallisia, joten niiden käytöstä on luovuttu. (Juvonen & Lapinlampi, 2013)

12 Varsinainen maalämpöpumppu sisältää kompressorin ja lämmönsiirtimiä. Kuvassa 3.1 on esitetty maalämpöpumpun toimintaperiaate ja tärkeimmät osat.. Kuva 3.1 Maalämpöpumpun toimintaperiaate ja tärkeimmät osat. Maan alla kiertänyt ja lämmennyt neste tulee höyrystimeen, missä sen sisältämä lämpö siirtyy pumpussa kiertävään kylmäaineeseen. Lämmön vaikutuksesta nestemäinen kylmäaine höyrystyy. Pumpun kompressori nostaa höyryn painetta ja samalla höyryn lämpötila nousee entisestään. Kompressorissa lämmennyt höyry siirtyy lauhduttimeen, missä sen sisältämä lämpö siirtyy lämmitysjärjestelmään. Kylmäaine muuttuu takaisin nestemäiseen muotoon ja palaa paisuntaventtiilin kautta höyrystimeen, jolloin kierto alkaa alusta. (Juvonen & Lapinlampi, 2013) 3.2 Maalämpöpumpun mitoitus Maalämpöpumpun mitoitukseen vaikuttaa rakennuksessa tarvittava energiamäärä. Maalämpöpumppu voidaan mitoittaa joko osa- tai täystehoiseksi. Osatehoinen maalämpöpumppujärjestelmä tuottaa vain osan rakennuksessa tarvittavasta maksimi lämmitystehosta. Ainoastaan kovimmilla pakkasilla tarvitaan lisää lämmitystehoa. Koska näitä kovia pakkasia on vuodessa vain vähän, kattaa osateholle mitoitettu maalämpöpumppu lähes kokonaan rakennuksessa tarvittavan lämmitystehon. (Juvonen & Lapinlampi, 2013)

13 Täystehoiseksi mitoitettu järjestelmä puolestaan tuottaa kaiken rakennuksessa tarvittavan lämmitysenergian pumpun avulla, eli se on mitoitettu vastaamaan mitoittavalla ulkolämpötilalla talossa tapahtuvaa lämpöhäviötä. Yleensä mitoitus pientaloon tehdään maalämpöpumppuvalmistajien tekemien laskentaohjelmien avulla. (Juvonen & Lapinlampi, 2013) Lämpöpumpun tehokkuutta mitataan COP-arvon (eng. coefficient of performance) avulla, joka saadaan missä Qtuotettu COP (3.1) Q kulutettu Qtuotettu = lämpöpumpulla tuotettu energia Qkulutettu = lämpöpumpun kuluttama energia COP-arvo ei kuitenkaan kerro suoraan lämpöpumpun hyvyyttä, koska se vaihtelee sen mukaan, mistä ja mihin lämpötilaan tarvittava neste lämmitetään. Suurin COP-arvo lämpöpumpulle saadaan, kun lämmitettävän veden lämpötila on mahdollisimman lähellä keruunesteen lämpötilaa. Tämän takia lämpöpumppu soveltuu parhaiten etenkin lattialämmityskohteisiin, joissa lämpimän menoveden lämpötila on alhaisempi kuin patterikiertoisessa. Mitä suuremmaksi lämpötilaero kasvaa, sen matalammaksi COP-arvo laskee. Erityisesti ilmalämpöpumpuilla COP-arvon vaihtelu on suurta ilman lämpötilan vaihdellessa hyvinkin voimakkaasti. Maalämpöpumpuilla COP-arvo pysyy lähes vakiona koko vuoden. (Juvonen & Lapinlampi, 2013) Aikaisemmin lämpöpumppujen COP-arvo mitattiin EN 255 standardin mukaisesti. Kyseisessä mittauksessa lämpimän veden lämpötila on 35 C:ta ja paluunesteen lämpötila 0 C:ta. Lisäksi mittauksessa ei oteta huomioon käytössä olevien kiertopumppujen kuluttamaa sähköenergiaa, mikä laskisi hyötysuhdetta. Nykyisin on käytössä standardi EN 14511, jossa lämpötilat ovat samat kuin EN 255 standardissa, mutta mukaan on huomioitu kiertopumppujen käyttämä energia. (SULPU, 2012) COP-arvon ohella lämpöpumpuista käytetään SPF-arvoa (seasonal performance factor). Tämä kertoo lämpöpumpun kokonaishyötysuhteen tiettynä ajanjaksona. Yleensä ajanjaksona käytetään maalämpöpumppujen osalta koko vuotta, jolloin pumpun toimiminen eri hyötysuhteella erilaisissa olosuhteissa tulee huomioitua. SPF lasketaan jakamalla pumpun tuottama energia pumpun kuluttamalla energialla. Kulutuksessa on huomioitu myös kiertopumppujen kuluttama energia. Yleisin ilmoitettava SPF-arvo on mitattu, kun tuotetun veden lämpötila on +35 C, sillä tämä arvo on suurin ja siten pumpulla on paras hyötysuhde. (Eskola, et al., 2012) 3.3 Tarvittavat luvat Maalämpöjärjestelmään kuuluvan lämpökaivon poraamiseen ja vaakaputkiston rakentamiseen on tarvittu maankäyttö- ja rakennuslain mukainen toimenpidelupa 1.5.2011 lähtien (Maankäyttö- ja rakennuslaki, 126 a). Lisäksi lämpökaivon poraamiseen tarvitaan mahdollisesti vesilain mukainen lupa. Tämä lupa tarvitaan yleensä, jos lämpökaivo sijaitsee pohjavesialueella. Maankäyttö- ja rakennuslain vaatima lupa haetaan kunnan rakennusvalvontaviranomaiselta ja vesilain mukainen lupa aluehallintovirastolta/ely-keskukselta. Uudisrakennuksessa maalämpöjärjestelmään tarvittava lupa sisältyy rakennuslupaan. (Juvonen & Lapinlampi, 2013)

14 4. AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄ Lähes kaikki ihmisten käyttämä energia on joko suoraan tai epäsuorasti peräisin Auringosta. Auringon energiaa varastoituu yhteyttämisessä eliöihin ja näistä muodostuu ajan saatossa hiiltä, öljyä ja kaasua. Aurinkoenergiaa voidaan käyttää suoraan joko keräämällä säteilystä saatava lämpö aurinkokeräimillä tai varastoimalla sitä esimerkiksi seiniin tai muuttamalla säteily sähköksi aurinkopaneelien avulla. 4.1 Aurinkopaneelin toimintaperiaate ja rakenne Aurinkopaneelin kyky tuottaa sähkö perustuu valosähköiseen ilmiöön. Paneeli koostuu kahdesta puolijohdelevystä, joista toinen on negatiivisesti ja toinen positiivisesti varautunut. Levyjen päämateriaalina on pii, johon on sekoitettu joko negatiivisesti tai positiivisesti varautunutta ainetta. Fotonin osuessa levyyn, se luovuttaa osan energiastaan aineen elektroneille, jolloin elektroni irtoaa atomista. Tämä on mahdollista vain, jos fotonilla on riittävän suuri, taajuudesta riippuva energia. Kun negatiivisesti varautuneet elektronit alkavat liikkua kohti positiivista levyä, syntyy levyjen välille jännite. Kun levyt yhdistetään toisiinsa johtimella, saadaan aikaiseksi virtapiiri, jossa varaukset kulkevat ja tämä havaitaan tasasähkönä. (Aarnio, ei pvm) Yleisimmin aurinkopaneelit valmistetaan joko yksi- tai monikiteisestä piistä. Yksikiteisestä piistä valmistettu paneeli on vaikeampi valmistaa ja täten kalliimpi kuin monikiteinen. Yksikiteisestä piistä valmistetun paneelin etuna monikiteiseen verrattuna on kuitenkin parempi hyötysuhde. Yksikiteisen paneelin hyötysuhde on jopa 25 %:a ja monikiteisen noin 20 %:a. (Aarnio, ei pvm) Lisäksi on myös ohutkalvo- ja nanotekniikkaan perustuvia aurinkokennoja. Ohutkalvotekniikkaan perustuvissa paneeleissa valoa sähköksi muuttava osa on 100 1000 kertaa ohuempi, kuin piistä valmistetuissa paneeleissa. Tästä seuraa luonnollisesti raaka-aineen ja energian säästöä. Lisäksi ohutkalvokennoja on helpompi valmistaa suurillekin pinta-aloille. Tärkeimmät yhdisteet ohutkalvokennoissa ovat kadmium-telluridi ja kupari-indium-diselenidi. Näistä valmistettujen paneelien hyötysuhteet ovat 16 18 %:a. (Aarnio, ei pvm) Nanoteknologiaan pohjautuvat paneelit perustuvat titaanioksidinanopartikkeleihin tarttuneiden väriainemolekyylien sähkökemialliseen reagointiin valon kanssa, jolloin syntyy sähköä. Tämän tekniikan etuina ovat alhaiset tuotantokustannukset sekä yksinkertaiset valmistusmenetelmät. Hyötysuhde nanoteknologiaan perustuvilla paneeleilla on noin 11 %:a. (Aarnio, ei pvm) 4.2 Aurinkosähköjärjestelmät Aurinkosähköjärjestelmä voi olla kytketty sähköverkkoon tai se toimii itsenäisenä sähköntuotantolaitoksena. Etenkin sähköverkon ulkopuolisilla kesämökeillä aurinkosähköjärjestelmät ovat suosittuja. Tällöin aurinkosähköjärjestelmään kuuluu paneelien lisäksi akusto, johon sähkö varastoidaan. Akuston ja paneelien välillä on säädin, joka säätää paneelien tuoton mahdollisimman suureksi. Nykyisin säätimenä on MPPT-säädin, joka säätää aurinkopaneelien ulostulojännitettä olosuhteiden mukaan, jolloin järjestelmä toimii parhaalla mahdollisella hyötysuhteella. (Motiva, 2014e)

15 Jos halutaan käyttää vaihtovirralla toimivia laitteita, täytyy järjestelmään lisätä invertteri, joka muuntaa tasasähkön vaihtosähköksi. Invertteri on pakollinen, mikäli aurinkosähköjärjestelmä liitetään yleisessä sähköverkossa olevaan kohteeseen, esimerkiksi omakotitaloon. Alle 3 kw:n aurinkosähköjärjestelmiin on saatavilla yksivaiheisia invertterejä ja tätä suurempien järjestelmien invertterit ovat yleensä kolmevaiheisia. (Motiva, 2014d) Mikäli aurinkosähköjärjestelmä liitetään yleiseen sähköverkkoon, on siitä tehtävä ilmoitus paikalliselle verkonhaltijalle joka myöntää luvan järjestelmän liittämiseen sähköverkkoon. Yhtenä vaatimuksena verkkoliitynnälle on aurinkosähköjärjestelmän luotettava erotus sähköverkosta. Tämä toteutetaan invertterin ja sähkökeskuksen väliin asennettavalla lukittavalla turvakytkimellä. Kuvassa 4.1 on esitetty verkkoon liitettävän aurinkosähköjärjestelmän periaate. (Motiva, 2014d) Kuva 4.1 Aurinkopaneelien liittyminen yleiseen sähköverkkoon rakennuksen sähkökeskuksen kautta. Mikäli aikoo myydä tuottamaansa ylijäämäsähköä verkkoon, on tälle sähkölle oltava ostaja. Useat sähköyhtiöt ostavat alueellaan tuotetun sähkön, mutta tähän voi sisältyä erilaisia ehtoja, kuten asiakkuus kyseisessä yhtiössä (Lappeerannan energia oy, 2015b). 4.3 Olosuhteet aurinkosähkön tuotannolle Suomessa Eteläisessä Suomessa olosuhteet aurinkosähkön tuottamiseen ovat lähes yhtä hyvät kuin Keski-Euroopassa. Kuvassa 4.2 on esitetty Euroopassa saatava Auringon säteilyenergian määrä vuositasolla. Kuvasta nähdään, että Etelä-Suomen säteilymäärä on suuruudeltaan Pohjois-Saksan luokkaa. Suomessa säteily painottuu kuitenkin voimakkaammin kesäajalle kuin lähempänä päiväntasaajaa, sillä Suomessa päivät ovat kesäisin pitempiä, kuin lähempänä päiväntasaajaa ja talvisin päivät ovat Suomessa puolestaan lyhyempiä. (Kosonen, et al., 2014), (Motiva, 2014b).

16 Kuva 4.2 Auringon säteilyenergian suuruus Euroopassa vuositasolla, (Šúri, et al., 2012). Suomessa aurinkosähkön tuotannon sijoittuminen kesäkuukausille ja päiväsaikaan on kotitalouksien kannalta ongelmallinen, koska Suomen kylmistä olosuhteista johtuen energiankulutuksen huipputehontarve on talvella. Lisäksi päiväsaikaan ollaan yleensä poissa kotoa, jolloin kotitalouksissa ei juurikaan kuluteta saatavilla olevaa aurinkosähköä. Kotitalouksien energiankäyttö painottuukin aamuihin ja iltoihin, joten saatavilla olevaa aurinkosähköä pitäisi pystyä varastoimaan näihin hetkiin. Mahdollisia varastointi keinoja ovat akustot, sähköverkko tai energian muunto toiseen muotoon helpomman varastoinnin vuoksi. Akustojen käyttö sähköverkossa olevassa kohteessa ei ole kuitenkaan järkevää akkujen korkean hinnan vuoksi (Motiva, 2014c). Myös sähkön myynti verkkoon ja sieltä ostaminen tarvittaessa on ongelmallista, koska myydystä sähköstä saadaan pienempi hinta kuin ostettavasta joudutaan maksamaan. Esimerkiksi Lappeenrannan Energia Oy maksaa vuoden määräaikaisessa sopimuksessa ostamastaan pientuottajan sähköstä 3,95 snt/kwh, kun taas myyntihinta vastaavan pituisessa määräaikaisessa sopimuksessa on 4,90 snt/kwh. Näihin hintoihin tulee lisäksi siirtomaksu ja sähkövero. Siirtomaksun suuruus ostettaessa Lappeenrannan Energialta sähköä on 4,04 snt/kwh ja perusmaksu kuukaudessa tyypilliselle omakotiliittymälle on 5,27 /kwh. Verkkoon myytävän sähkön siirtohinta puolestaan on 0,07 snt/kwh. Verkkoon myytävästä sähköstä saadaan siis noin 1/3 verrattuna ostettavan sähkön hintaan. (Lappeenrannan energia oy, 2015a) (Lappeerannan energia oy, 2015b).

kwh 17 5. ESIMERKKIKOHDE Esimerkkikohteeksi valittiin Työ- ja elinkeinoministeriön, Sähköturvallisuuden edistämiskeskuksen ja Energiateollisuus ry:n tilaamassa Sähkönkäyttö Suomessa 2011, tutkimuksessa ollut sähkölämmitteinen neljän hengen omakotitalo. Tutkimuksen pääkoordinoijana on toiminut Adato Energia Oy. Lisäksi mukana olivat seuraavat sähköyhtiöt: Fortum Oyj, Helen sähköverkot, Lahti Energia, Pohjois-Karjalan Sähkö Oy ja Turku Energia. (Adato energia, 2013). 5.1 Esimerkkitalon energiankulutus Talous on neljän hengen sähkölämmitteinen omakotitalo, jonka pinta-ala on 120 m 2. Talon kokonaislämmitysenergiankulutus on 16000 kwh:a vuodessa. Tästä 9600 kwh:a tuotetaan sähköpattereilla, 2000 kwh käytössä olevalla puutakalla ja loput 4400 kwh:a syntyy sähkölaitteiden hukkalämmöstä. Kuvassa 5.1 on esitetty esimerkkikohteen lämmitysenergian jakautuminen kuukausien kesken, joka ei sisällä lämpimän käyttöveden tarvitsemaa energiaa. Mikäli oletetaan, että sähkölaitteista syntyvä oheislämpö on joka kuukausi yhtä suuri, saadaan sähkölaitteiden tuottamaksi lämmöksi noin 370 kwh:a kuukaudessa. Tällä lämpöenergialla saadaan katettua talon lämmitysenergian tarve kesäkuun ja elokuun välisenä aikana. Kuukausittainen lämmitysenergian tarve saadaan kertomalla vuoden kokonaistarve lämmitystarveluvun suhteellisella osuudella kutakin kuukautta kohden. Lämmitystarvelukuina on käytetty Ilmatieteenlaitoksen Internet-sivuilta löytyviä Lappeenrannan vertailukauden 1981 2010 lämmitystarvelukuja (Ilmatieteenlaitos, 2014). Nämä ja niiden suhteellinen osuus koko vuoden lämmitystarvelukujen summasta on esitetty taulukossa 5.1. 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Kuukausi Kuva 5.1 Esimerkkikohteen lämmitysenergian jakautuminen kuukausittain. Kuukaudessa tarvittava lämmitysenergia on saatu kertomalla vuosittainen energiantarve lämmitystarvelukujen suhteellisella osuudella koko vuoden lämmitystarvelukujen summasta.

18 Taulukko 5.1 Lappeenrannan lämmitystarveluvut kuukausittain ja niiden suhteellinen osuus koko vuoden lämmitystarvelukujen summasta. (Ilmatieteenlaitos, 2014) Kuukausi Lämmitystarveluku Suhteellinen osuus % Tammikuu 759 16,8 Helmikuu 699 15,5 Maaliskuu 621 13,8 Huhtikuu 403 8,9 Toukokuu 165 3,7 Kesäkuu 22 0,5 Heinäkuu 5 0,1 Elokuu 28 0,6 Syyskuu 184 4,1 Lokakuu 386 8,6 Marraskuu 546 12,1 Joulukuu 692 15,3 Koko vuosi 4510 100 % Sähkönkäyttö Suomessa 2011 tutkimuksen mukaan lämpimään käyttöveteen esimerkkitaloudessa kuluu energiaa 3600 kwh:a vuodessa. Koska lämpimän käyttöveden kulutus pysyy päivästä toiseen lähes vakiona, saadaan päiväkohtaiseksi energiantarpeeksi 9,86 kwh:a. Tämä vastaa 43 litran lämpimän käyttöveden vuorokausikulutusta henkeä kohden, mikä on hieman vähemmän kuin rakennusmääräyskokoelma D5:ssä annettu mitoitusarvo, 60 litraa vuorokaudessa. Talolle hahmoteltiin jatkuvasti tasaisena pysyvä peruskuorma raportissa esitettyjen energiankulutusten perusteella. Peruskuormaan kuuluvaksi luokiteltiin ilmanvaihto, kylmälaitteet, ruuanlaittoon tarvittavat laitteet, pyykinpesuun ja kuivaukseen käytettävät laitteet, kodin elektroniikka ja muu määrittelemätön kulutus. Näiden laitteiden voidaan ajatella olevan päivittäin jatkuvasti päällä, jolloin niiden tarvitsema energiakin pysyy päivittäin lähes vakiona. Todellisuudessa esimerkiksi kylmälaitteet ovat päällä pienissä jaksoissa. Kun esimerkkikohteen kulutukset lasketaan yhteen, saadaan peruskuormaksi 443 W:a. Vuorokaudessa peruskuorman kuluttamaksi energiaksi saadaan siis 10,63 kwh:a. 5.2 Maalämpöpumppu Laskentaa varten maalämpöpumpun tehoksi valittiin 8 kw. Pumpun ottoteho tässä kokoluokassa on noin 2 kw. Esimerkiksi Thermia Diplomat Optimum G3 maalämpöpumpun ottoteho on esitteen mukaan 1,7 kw. Tätä käytettiin laskennassa pumpun ottotehona. SPF-arvoksi esite antaa kyseiselle maalämpöpumpulle 4,4, joka on mitattu EN 14511 standardin mukaan. Koska ei löydetty SPF-arvoa pelkästään lämpimän käyttöveden tuotolle, valittiin arvoksi Lämpöpumppujen laskentaoppaan mukaisesti 2,3 (Eskola, et al., 2012). Tällä kertoimella 1,7 kw:n sähkön ottoteholla varustetusta maalämpöpumpusta saadaan lämpimän veden tuottotehoksi 3,9 kw:a. (Thermia oy, 2015)

Teho, kw 19 Kyseinen maalämpöpumppu on invertterikäyttöinen, joten sitä voidaan käyttää vaihtelevalla nopeudella. Laskennassa pumpun oletettiin kuitenkin toimivan jatkuvasti täysteholla, koska tämä teho saadaan lähes kokonaan kesäisin tuotettua aurinkosähköjärjestelmällä. Pumpun liitäntä sähköverkkoon on kolmivaiheinen. (Thermia oy, 2015) 5.3 Aurinkosähköjärjestelmä Aurinkosähköjärjestelmän mallinnukset tehtiin Homer-ohjelmistolla. Jokaiselle kuukaudelle määritettiin keskimääräinen tuntikohtainen päivätuotto ja simuloinnissa käytettiin 1 kw:n järjestelmää. Todellisuudessa aurinkopaneelin tuotto vaihtelee hyvin voimakkaasti riippuen pilvisyydestä ja paneelien sijoituksesta. Paneelin sijoituspaikaksi valittiin Lappeenranta ja kulmaksi 15 :tta. Paneelit on suunnattu etelään. Paneelin oletetaan olevan lumenpeitossa tammi-, helmi- ja joulukuun ajan, jolloin ei saada ollenkaan aurinkosähköä. Todellisuudessa tuotantoa olisi saatavissa pieniä määriä, jos paneelit olisivat lumesta puhtaat, mutta Suomessa talvisaikaan saatava aurinkoenergia on vuositasolla merkityksettömän pieni. Simuloitua tulosta skaalattiin, jolloin saatiin halutun kokoinen aurinkosähköjärjestelmä. Kuvassa 5.2 on esitetty 1 kw:n kokoisen aurinkosähköjärjestelmän tuntikohtainen tuottoteho maaliskuusta marraskuuhun. Liitteessä I on esitetty taulukkomuodossa 1 kw:n aurinkopaneelin tuotantolukemat tunneittain, sekä päivän kokonaissumma. Suurempien paneelien tehot on laskettu kertomalla 1 kw:n paneelin tuottolukemia halutulla kertoimella. Esimerkiksi 3 kw:n paneelin tuotto saadaan käyttämällä kertoimen arvona lukua 3. 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tunti Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Kuva 5.2 1 kw:n aurinkopaneelin simuloitu keskimääräinen tuotanto yhden päivän ajalta maaliskuusta marraskuuhun. Todellisuudessa päiväkohtaiset kuvaajat vaihtelevat kuukausien sisällä huomattavasti pilvisyyden ja varjostusten mukaan.

20 6. TULOKSET Laskennassa vuorokaudessa tarvittava lämmin käyttövesi tehtiin joka päivä maalämpöpumpulla. Pumpun käyntiajaksi valittiin kello 12 15, jolloin aurinkopaneeleista saadaan oletettavasti suurin teho. Tässä ajassa saadaan tuotettua valitulla maalämpöpumpulla 11,73 kwh:a lämmintä käyttövettä, joka vastaa nelihenkisen perheen laskennallista lämpimän käyttöveden päivittäistä kulutusta. Vaikka esimerkkikohteen kulutus on pienempi kuin laskennallinen kulutus, ei pienoinen ylimitoitus haittaa, sillä veden kulutus vaihtelee päivittäin ja näin saadaan katettua myös päivät, jolloin kulutus on keskiarvoa suurempi. Talouden sähkönkulutuksen peruskuorman suuruus on 0,44 kw:a ja pumpun olleessa päällä on rakennuksen sähkötehontarve vähintään 2,14 kw:a. Sähköenergiaa pumppu käyttää lämpimän käyttöveden tuotantoon 5,10 kwh:a ja kun tämä lasketaan yhteen peruskuorman energiantarpeen kanssa, saadaan päivittäiseksi energiankulutukseksi 15,66 kwh:a. Tämän lisäksi tulee vielä vuodenajasta riippuva lämmitysenergian tarve sekä muu vaihteleva kulutus, esimerkiksi television katseleminen ja valaistuksen tarve. Aurinkopaneelin kokoluokaksi valittiin 4, 5 ja 6 kw:a. Mikäli aurinkopaneelit eivät tuota riittävästi, ostetaan tarvittava sähkö sähköverkosta ja ylijäämäsähkö puolestaan myydään sähköverkkoon. Paneelien tuottama teho pyritään käyttämään taloudessa ja sitä käytetään peruskuorman kulutukseen sekä tuotannon mukaan myös maalämpöpumpun kuluttamaan tehoon. Taulukossa 6.1 on esitetty erikokoisten paneelien päivässä tuottama energia kwh:na sekä tuotetun energian yli- tai alijäämän suuruus kwh:na sekä prosentteina lämpimän käyttöveden sekä peruskuorman vaatimasta energiasta. Negatiiviset luvut tarkoittavat, että tällöin energiaa joudutaan ostamaan verkosta ja positiiviset puolestaan, että energiaa jää käyttämättä. Taulukko 6.1 Eri kokoisten aurinkosähköjärjestelmien päivässä tuotettu energia, sen yli- tai alijäämä peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitseman energian jälkeen sekä % -osuus päivittäisestä peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitsemasta energiasta. kuukausi Tuotettu energia, kwh Yli- / alijäämä % -Osuus tarpeesta 4 kw 5 kw 6 kw 4 kw 5 kw 6 kw 4 kw 5 kw 6 kw Maaliskuu 10,65 13,31 15,97 5,08 2,42 0,24 67,7 84,6 101,5 Huhtikuu 14,55 18,19 21,83 1,18 2,46 6,10 92,5 115,6 138,8 Toukokuu 17,90 22,38 26,85 2,17 6,65 11,12 113,8 142,3 170,7 Kesäkuu 18,13 22,66 27,19 2,40 6,93 11,46 115,2 144,1 172,9 Heinäkuu 17,19 21,49 25,79 1,46 5,76 10,06 109,3 136,6 164,0 Elokuu 13,91 17,39 20,87 1,82 1,66 5,14 88,5 110,6 132,7 Syyskuu 9,76 12,19 14,63 5,97 3,54 1,10 62,0 77,5 93,0 Lokakuu 5,20 6,49 7,79 10,53 9,24 7,94 33,0 41,3 49,5 Marraskuu 2,19 2,74 3,29 13,54 12,99 12,44 13,9 17,4 20,9

21 6.1 4 kw:n järjestelmä Kuvassa 6.1 on esitetty 4 kw:n aurinkopaneelin tuottama teho tunneittain, sekä mustalla kuvattuna maalämpöpumpun ajo. Punaisella on kuvattu talon laskennallinen peruskuorma. Kuvasta ja liitteessä II olevasta taulukosta nähdään, että 4 kw:n paneelilla saadaan tuotettua marraskuuta lukuun ottamatta talon peruskuorman kuluttama teho päiväsaikaan. Lokakuussa peruskuorman teho saadaan katettua 9 16 välisenä aikana ja kesäkuussa 6 20 välisen ajan. Kun maalämpöpumppu laitetaan päälle, ei paneelien tuottama teho riitä kattamaan tarvittavaa tehoa minään kuukautena. Kesäkuussa verkosta joudutaan ottamaan tehoa pumpun käydessä hieman yli 200 W:a ja lokakuussa 1,4 kw:a eli lähes koko pumpun tarvitsema teho. Vaikka paneelin tuottama keskimääräinen teho, vajaa 2 kw:a, ei riitä minään kuukautena kattamaan kaikkea maalämpöpumpun ja peruskuorman kuluttamaa tehoa, riittäisi tuotettu energia kuitenkin touko-, kesä- ja heinäkuussa lämpimän käyttöveden tuotantoon ja peruskuormaan. Yksi vaihtoehto tämän energian käyttöön saamiseksi olisi ohjauslogiikan käyttö veden lämmittämisessä. Tätä vaihtoehtoa on tutkittu aiemmin (Huoman, et al., 2014) ja ohjauslogiikan avulla saatiin hyödynnettyä tuotettu aurinkosähkö huomattavasti tehokkaammin kuin ilman logiikkaa. Taulukosta 6.1 nähdään, että paneelilla saadaan tuotettua peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitsema energia touko-, kesä- ja heinäkuussa. Tällöin verkkoon myytävän sähkön määrä on vuorokaudessa 1,4 2,4 kwh:a. Muina kuukausina energiaa joudutaan ostamaan verkosta 1,2 15,7 kwh:a. Ylitse jäänyt sähkö voitaisiin käyttää taloudessa, jos se pystyttäisiin varastoimaan johonkin tai käyttämään rakennuksen lämmittämiseen. Mikäli toukokuun lämmitystarpeen ajatellaan jakautuvan tasaisesti koko kuukaudeksi, niin päiväkohtainen lämmitysenergian tarve on 18,9 kwh:a. Mikäli kaikki aurinkopaneelilla tuotettu ylijäämäenergia käytettäisiin maalämpöpumpun (spf 3,5) avulla lämmitykseen, saataisiin päivittäin lämmitysenergiaa 7,6 kwh:a. Loppu sähköenergia täytyy ostaa sähköverkosta.

Teho, kw 22 2,50 2,50 2,00 2,00 1,50 1,50 1,00 1,00 0,50 0,50 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tunti 0,00 Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Peruskulutus Pumpun ajo Kuva 6.1 4 kw:n aurinkopaneelin simuloitu päiväkohtainen tuotanto eri kuukausina ja maalämpöpumpun ajo lämpimän käyttöveden teossa. Kulutuksessa on huomioitu esimerkkikohteen laskennallinen peruskulutus, jonka päälle tulee maalämpöpumpun käyttö. 6.2 5 kw:n järjestelmä Kuvasta 6.2 nähdään, että 5 kw:n aurinkopaneelilla pystytään marraskuussakin kello 11 15 kattamaan keskimäärin peruskulutuksen tarvitsema teho, johon ei päästy 4 kw:n paneelilla. Kesäkuussa peruskuorman tarvitsema teho saadaan paneelista 6 20 välisenä aikana ja peruskuorman ja maalämpöpumpun tarvitsema teho saadaan katettua kokonaisuudessaan touko-, kesä- ja heinäkuussa. Muina kuukausina joudutaan ostamaan osa tarvittavasta tehosta pumpun käydessä. Huhtikuussakin on luultavasti mahdollista saada katettua tarvittava teho paneelien avulla, sillä huhtikuun tuotantosimulaatiossa on kello 12:n kohdalla pieni kuoppa, ilmeisesti pilvisyyden vaikutuksesta. Ilman tätä tuotannon pudotusta paneelin tuottama keskimääräinen teho riittäisi oletettavasti myös huhtikuussa maalämpöpumpun käyttöön. Taulukosta 6.1 nähdään, että paneelilla tuotettu energia riittää kattamaan peruskulutuksen ja lämpimän käyttöveden tarpeen huhtikuusta ja heinäkuun loppuun. Touko-, kesä- ja heinäkuussa paneelilla saadaan tuotettua lähes 1,5 kertaa peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitsema energia. Toukokuussa tuotettu energia riittäisi myös rakennuksen lämmitykseen, sillä aurinkopaneeli tuottaa ylijäämäenergiaa taulukon 6.1 mukaan 6,65 kwh:a ja tästä saataisiin maalämpöpumpulla lämpöenergiaa 23,3 kwh:a. Mikäli kuukauden lämmitystarpeen ajatellaan jakautuvan tasaisesti jokaiselle päivälle, niin toukokuussa lämmitysenergiaa tarvitaan päivässä 18,9 kwh:a.

Teho, kw 23 3,00 3,00 2,50 2,50 2,00 2,00 1,50 1,50 1,00 1,00 0,50 0,50 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tunti 0,00 Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Peruskulutus Pumpun ajo Kuva 6.2 5 kw:n aurinkopaneelin simuloitu päiväkohtainen tuotanto eri kuukausin, sekä peruskuorma ja maalämpöpumpun käyttö lämpimän käyttöveden tuotannossa. 6.3 6 kw:n järjestelmä Kuvassa 6.3 on esitetty 6 kw:n aurinkopaneelilla tuotettu päivittäinen teho ja maalämpöpumpun ajo. Kuvasta nähdään, että paneeleilla saadaan tuotettua peruskuorman ja maalämpöpumpun vaatima teho kokonaisuudessaan huhtikuun ja elokuun välisenä aikana. Maaliskuussa saadaan tuotettua lähes kaikki tarvittava teho, sillä verkosta joudutaan ottamaan vain noin 100 W:a. Toukokuun ja heinäkuun välisenä aikana pumpun käydessä tuotetaan ylimääräistä tehoa reilun 500 W:n verran. Peruskuorman tarvitsema teho saadaan katettua toukokuun ja elokuun välisenä aikana kello 7 18. Taulukosta 6.1 havaitaan, että energiaa 6 kw:n paneelilla saadaan tuotettua peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarpeeseen maaliskuusta elokuuhun. Suurimmillaan tuotanto on touko- ja kesäkuussa, jolloin energiaa saadaan 1,7-kertaisesti kulutukseen nähden. Toukokuussa tuotettu energia riittää peruskuormaan, sekä käyttöveden ja rakennuksen lämmittämiseen. Huhtikuussa peruskuorman ja lämpimän käyttöveden tarvitseman energian jälkeen jääneellä energialla saataisiin katettua 45 %:a lämmitysenergiasta.

Teho, kw 24 3,00 3,00 2,50 2,50 2,00 2,00 1,50 1,50 1,00 1,00 0,50 0,50 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tunti 0,00 Maaliskuu Elokuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Peruskulutus Pumpun ajo Kuva 6.3 6 kw:n aurinkopaneelin simuloitu päiväkohtainen tuotanto tunneittain eri kuukausina, sekä rakennuksen peruskuorman kulutus ja maalämpöpumpun käyttö.

25 7. YHTEENVETO Kun nelihenkiselle perheelle tehdään päivittäin lämmin käyttövesi maalämpöpumpulla, tarvitsee 8 kw nimellistehoisen pumpun olla käytössä vajaa 3 tuntia, vaikka tarvittava energiamäärä on reilu 10 kwh:a, johon pitäisi riittää hieman yli tunnin aikajakso. Tämä johtuu maalämpöpumpun pienemmästä hyötysuhteesta tehtäessä kuumempaa käyttövettä, kuin rakennuksen lämmityksessä käytettävää +30 C:sta vettä. Tämä 3 tunnin jakso voitaisiin ohjauksen avulla ajoittaa etenkin kesäkuukausina päiväsajaksi, jolloin päivällä saatavaa aurinkosähköä käytetään maalämpöpumpun pyörittämiseen. Näin saataisiin käytettyä itse tuotettu aurinkoenergia paremmin hyödyksi tuotantokohteessa, jolloin sähkön siirto sähköverkkoon ja takaisin vähenisi. Yli 5 kw:n aurinkosähköjärjestelmä riittää tuottamaan 8 kw:n maalämpöpumpun ja rakennuksen oletetun peruskuorman tarvitseman tehon kesäkuukausina. Mikäli maalämpöpumpun ottotehoa säädettäisiin pienemmäksi ja käyntiaikaa pidemmäksi, saataisiin myös pienemmillä aurinkosähköjärjestelmillä tuotettua lämpimän käyttöveden tarvitsema energia kesäkuukausina. Luonnollisesti aurinkosähköjärjestelmän kokoa kasvatettaessa, saadaan lämmin käyttövesi tuotettua useampana kuukautena aurinkosähköllä. Mikäli käytössä olisi riittävän suuri energiavarasto ja maalämpöpumpun ohjaus osaisi ennakoida mahdollisen pilvisyyden, voitaisiin tarvittava käyttövesi tehdä valmiiksi esimerkiksi edellisenä päivänä, mikäli tuolloin olisi riittävästi aurinkosähköä tarjolla. Tällöin pystyttäisiin hyödyntämään uusiutuvaa energiaa tehokkaammin ja sähköverkosta ostettavan sähkön määrää saadaan vähennettyä.

26 LÄHTEET Adato energia, 2013. Kotitalouksien sähkönkäyttö 2011. [luettu 10.4.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/files/8300/kotitalouksien_sahkonkaytto_2011_tutkimusraportti.pdf Eskola, L., Jokisalo, J. & Siren K., 2012. Lämpöpumppujen energialaskentaopas. [verkkodokumentti], [luettu 10.4.2015], saatavilla http://www.ymparistoministerio.fi/fi- FI/Maankaytto_ja_rakentaminen/Lainsaadanto_ja_ohjeet/Rakentamismaarayskokoelma Aarnio, ei pvm. Helsinki University of technology, laboratory of advanced energy systems, Aurinkosähkö. [verkkodokumentti], [luettu 9.4.2015], saatavilla http://tfy.tkk.fi/aes/aes/projects/renew/pv/pv-tekno.html Huoman, K., Kosonen, A. & Ahola, J., 2014. Intelligent Control of Solar Power with Water Heating System. s.l., Lappeenranta University of Technology. Ilmatieteenlaitos, 2012. Energialaskennan testivuodet nykyilmastossa. [verkkodokumentti]. [luettu 10.4.2015], saatavilla http://ilmatieteenlaitos.fi/image/image_gallery?uuid=9db2c61f-89fe-476e-9c28-00b344cc2e9d&groupid=30106&t=1310461575775 Ilmatieteenlaitos, 2014. Lämmitystarveluku. [verkkodokumentti], [luettu 10.4.2015], saatavilla http://ilmatieteenlaitos.fi/lammitystarveluvut Juvonen, J. & Lapinlampi, T., 2013. Energiakaivo. Maalämmön hyödyntäminen pientaloissa. [verkkodokumentti], [luettu 30.3.2015], saatavilla https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40953/yo_2013.pdf?sequence=4 Kosonen, A., Ahola, J., Breyer, C. & Albo, A. 2014. Large Scale Solar Power Plant in Nordic Conditions, s.l.: Lappeenranta University of Technology. Kotavuopio, R., 2011. Maalämpö ja aurinkojärjestelmien suunnittelutarkastelu. [verkkodokumentti], [luettu 25.5.2015], saatavilla https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/29125/kotavuopio_risto.pdf?sequence=1 Lappeenrannan energia oy, 2015a. Sähkön myyntihinnasto. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla http://www.lappeenrannanenergia.fi/palvelut/lre%20tiedostot/hinnastot/150323-lre- Sahkon-myyntihinnasto-maaraik-1v-web.pdf Lappeerannan energia oy, 2015b. Sähkön ostohinnasto. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla http://www.lappeenrannanenergia.fi/palvelut/lre%20tiedostot/hinnastot/150323-lresahkon-ostohinnasto-web.pdf Motiva, 2009. Pientalojen lämmitysjärjestelmät. [verkkodokumentti], [luettu 31.3.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/files/2701/pientalon_lammitysjarjestelmat.pdf

27 Motiva, 2013. Maalämpöpumppu. [verkkodokumentti], [luettu 30.3.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/rakentaminen/lammitysjarjestelman_valinta/eri_lammitysmuodot/ma alampopumppu Motiva, 2014a. Veden kulutus. [verkkodokumentti], [luettu 31.3.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/koti_ja_asuminen/mihin_energiaa_kuluu/vedenkulutus Motiva, 2014b. Auringon säteilyn määrä Suomessa. [verkkodokumenti], [luettu 10.4.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/aurinkos ahkon_perusteet/auringonsateilyn_maara_suomessa Motiva, 2014c. Aurinkosähköjärjestelmät, Uusia teknologioita ja toimintamalleja. [verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/aurinkos ahkojarjestelmat/uusia_teknologioita_ja_toimintamalleja Motiva, 2014d. Verkkoon liitetty aurinkosähköjärjestelmä. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla http://motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/jarjestelman_v alinta/tarvittava_laitteisto/verkkoon_liitetty_aurinkosahkojarjestelma Motiva, 2014e. Verkkoon kytkemätön aurinkosähköjärjestelmä. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla http://motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko/jarjestelman_v alinta/tarvittava_laitteisto/verkkoon_kytkematon_aurinkosahkojarjestelma Motiva, 2015. Energiatehokas koti, lämmitys. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla http://www.energiatehokaskoti.fi/files/498/lammitysmuotojen_markkinaosuus_uusissa_pi entaloissa_2006-2014.jpg Nieminen, J. & Lylykangas, K., 2009. Passiivitalon määritelmä. [verkkodokumentti], [luettu 1.4.2015], saatavilla http://www.passiivi.info/download/passiivitalon_maaritelma.pdf Saarela, J., 2012. Aurinkoenergian hyödyntäminen pientalossa. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/45330/saarela_jaakko.pdf?sequence=1 SULPU, 2012. SULPU tiedottaa. [verkkodokumentti], [luettu 24.5.2015], saatavilla http://www.sulpu.fi/uutiset/-/asset_publisher/wd1exs3cmra3/content/cop-cop-tosi-o-1 Šúri, M., Huld, T. A., Dunlop, E. D. & Ossenbrink, H. A., 2012. Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries. [verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Thermia oy, 2015. Thermia Diplomat G3. [verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla http://www.thermia.fi/docroot/dokumentbank/fin_thermia_dog3_ddog3_datablad_fi N.pdf

28 Tilastokeskus, 2013. Asumisen energiankulutus. [verkkodokumentti], [luettu 23.5.2015], saatavilla http://www.stat.fi/til/asen/2013/asen_2013_2014-11-14_tie_001_fi.html Ympäristöministeriö, 2013. Suomen rakennusmääräyskokoelma osa D5. [verkkodokumentti], [luettu 31.3.2015], saatavilla http://www.ymparistoministerio.fi/fi- FI/Maankaytto_ja_rakentaminen/Lainsaadanto_ja_ohjeet/Rakentamismaarayskokoelma

LIITE 1. 1 kw:n aurinkosähköjärjestelmän simuloitu tuotto tunneittain Tunti Huhtikukukukulukuu Kesä- Elo- Syys- Jou- 1 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 2 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 3 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 4 0,000 0,000 0,000 0,000 0,003 0,013 0,006 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 5 0,000 0,000 0,000 0,001 0,023 0,041 0,026 0,005 0,000 0,000 0,000 0,000 6 0,000 0,000 0,000 0,021 0,086 0,107 0,082 0,036 0,002 0,000 0,000 0,000 7 0,000 0,000 0,017 0,103 0,171 0,185 0,153 0,107 0,047 0,002 0,000 0,000 8 0,000 0,000 0,099 0,195 0,278 0,260 0,236 0,190 0,110 0,043 0,000 0,000 9 0,000 0,000 0,195 0,280 0,336 0,319 0,327 0,250 0,196 0,101 0,015 0,000 10 0,000 0,000 0,298 0,333 0,400 0,387 0,371 0,310 0,247 0,180 0,068 0,000 11 0,000 0,000 0,328 0,420 0,443 0,443 0,431 0,349 0,290 0,163 0,092 0,000 12 0,000 0,000 0,341 0,414 0,460 0,472 0,448 0,369 0,312 0,192 0,106 0,000 13 0,000 0,000 0,345 0,442 0,480 0,485 0,459 0,407 0,327 0,193 0,103 0,000 14 0,000 0,000 0,359 0,420 0,440 0,429 0,431 0,391 0,286 0,171 0,090 0,000 15 0,000 0,000 0,297 0,357 0,424 0,391 0,399 0,347 0,248 0,128 0,063 0,000 16 0,000 0,000 0,207 0,287 0,379 0,345 0,323 0,283 0,191 0,099 0,010 0,000 17 0,000 0,000 0,130 0,210 0,263 0,270 0,249 0,210 0,126 0,028 0,000 0,000 18 0,000 0,000 0,047 0,120 0,170 0,194 0,189 0,146 0,053 0,000 0,000 0,000 19 0,000 0,000 0,000 0,034 0,088 0,117 0,107 0,066 0,004 0,000 0,000 0,000 20 0,000 0,000 0,000 0,002 0,028 0,053 0,048 0,010 0,000 0,000 0,000 0,000 21 0,000 0,000 0,000 0,000 0,004 0,019 0,013 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 22 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,002 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 23 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 24 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Yht. 0,000 0,000 2,662 3,638 4,476 4,532 4,298 3,479 2,439 1,299 0,548 0,000 Toukokuu Heinäku u Lokakuu Marraskuu Tammikuu Helmikuu Maaliskuu