YMPÄRISTÖENERGIAN AURINKOLÄMPÖJÄRJESTELMÄ- OPAS 2011 T:mi Timo Jodat Ympäristöenergia Uittosalmentie 210 35990 KOLHO. puh.: 040 77 321 39 timo.jodat@y-energia.com www.y-energia.com www.energiakauppa.com
Aurinkolämpöjärjestelmän kurssi Tammikuu 2011 ilmanpoisto keräinanturi aurinkokeräimet akkuvaraaja painemittari P varoventtiili T lämpömittarit vapaakiertoesteet pumppu paisuntaastia kattila lämmitys -verkko varaajan anturi huuhtelu-, ja täyttöryhmä käyttövesimoduuli Aurinkolämpöjärjestelmät eivät ole kovin monimutkaisia, mutta niiden hyvä toimivuus riippuu tietyistä suunnittelun ja toteutuksen yksityiskohdista. Osien oikeaan mitoittamiseen ja sijoittamiseen, järjestelmän mitoittamiseen ja muihin toimivuuteen olennaisesti vaikuttaviin seikkoihin kannattaakin perehtyä ennen aurinkolämpöjärjestelmän rakentamista tai ostamista. Kurssin myötä vältät pahimmat virheet ja saat kaipaamaasi lisätietoa siitä, miten aurinkolämpöjärjestelmä toimii ja kuinka sitä voidaan parhaiten hyödyntää. Toisena kurssipäivänä rakennamme aurinkokeräimen, joten käytäntökin tulee tutuksi. Kurssin runko: - perustietoja auringosta - aurinkolämpöjärjestelmien ekologisuus - keräimet ja arkkitehtuuri - pientalon energiankulutus ja aurinkoenergia - aurinkolämpöjärjestelmän mitoittamisen - nyrkkisäännöt - GETSOLAR-tietokonesimulaatio - aurinkolämpöjärjestelmän kustannukset - aurinkolämpöjärjestelmän osat - aurinkokeräin - putkisto - pumppuyksikkö - ohjausyksikkö - varaajat - aurinkopiirin kierukka - lämmönsiirtoneste - aurinkolämpö yhdistettynä toisiin lämmitysjärjestelmiin 1
Aurinkolämpöjärjestelmät käyttöveden ja kostean tilan lämmityksessä Tiesitkö, että yhden tunnin aikana aurinko säteilee maahan enemmän energiaa kuin kaikki maapallon ihmiset kuluttavat vuodessa? Keväällä, kesällä ja syksyllä pilvettömältä taivaalta paistavan auringon teho on vajaa 1000 W/m². Etelä- ja Keski-Suomessa aurinko säteilee noin 850 950 kwh/m² vuodessa. Suomalainen perhe voisikin lämmittää auringon energialla käyttövedestään jopa 60 prosenttia. Aurinkolämpöjärjestelmä koostuu aurinkokeräimistä, varaajasta, putkistosta, turvaryhmästä (eli varoventtiilistä, paisunta-astiasta ja painemittarista), pumppuyksiköstä ja ohjausyksiköstä. Toimintaperiaate on varsin yksinkertainen. Aurinkokeräimet ottavat auringon säteilyn vastaan ja muuttavat sen absorbaattorissa lämmöksi. Absorbaattorina toimii lämpöä johtava tummapintainen kuparipelti, jonka alapinnalla kulkee putkisto. Putkistossa kiertää jäätymätön vesiglykoliseos, joka siirtää auringon lämmön varaajaan. Varaajan alaosassa kierukka lämmittää kylmän veden. Sen jälkeen lämpönsä luovuttanut vesi-glykoliseos pumpataan takaisin aurinkokeräimeen ja kierto alkaa uudestaan. Järjestelmän toimintaa säätelee ohjausyksikkö. Se tasaa aurinkokeräimen ja varaajan lämpötilat ja käynnistää pumpun, kun keräimen lämpötila on noin kuusi celsiusastetta korkeampi kuin veden lämpötila varaajan alaosassa. Pumppu pysähtyy lämpötilojen eron laskettua noin kahteen asteeseen. Vain osa lämmitysjärjestelmää Käytännössä aurinkolämpöjärjestelmä muodostaa vain osan lämmitysjärjestelmästä. Siksi järjestelmän kokonaisuuteen ja auringon energian hyödyntämisen tapaan tämän kokonaisuuden osana on kiinnitettävä erityistä huomiota. Keräimen hyötysuhde ja tuotto ovat parhaimmillaan matalissa käyttölämpötiloissa. Tämän vuoksi koko lämpöjärjestelmä kannattaa suunnitella matalalämpöjärjestelmäksi. Vaikka järjestelmän lämpötaso olisi hyvin matala, se ei todellakaan tarkoita tinkimistä arjen mukavuuksista, kuten lämpimästä käyttövedestä ja lämpimästä huoneilmasta. Matalalämpöjärjestelmä on taloudellinen etenkin lattialämmityksessä ja käyttöveden esilämmityksessä. Järjestelmää suunniteltaessa kannattaa olla erityisen tarkkana käyttöveden kierukkojen sijoittelun suhteen. Tavalliset varaajat, joissa on vain yksi käyttövesikierukka varaajan yläosassa, tarvitsevat huomattavasti korkeampia lämpötiloja käyttöveden lämmittämiseksi. Suosittelemmekin kahta käyttövesikierukkaa, joiden yhteispinta-alaksi muodostuu noin 4,6 m². Omakotitalon aurinkolämpöjärjestelmä mitoitetaan siihen, että kesällä kaikki lämmin käyttövesi ja mahdollisesti kosteiden tilojen lattialämmitys lämmitetään auringolla ja muut lämmitysjärjestelmät kytketään pois päältä. 2
Aurinkokeräin Mikä on aurinkokeräin? Aurinkokeräin on laatikon, levyn tai putken muotoinen laite, joka kerää aurinkosäteilyä ja muuttaa sen lämmöksi. Tasokeräin on katettu vähärautaisella, karkaistulla lasilla, joka suojaa absorbaattoria tuulelta ja sateelta. Se on tummapinnoitteinen kuparipelti, jonka alla sijaitsevat hitsaamalla yhdistetyt vesi-glykoliseosta kuljettavat putket. Pinnoitteen erikoisuus on sen selektiivisyys: auringonsäteet siepataan (absorptio α:0,95) ja muutetaan lämmöksi. Energiasta vain murto-osa palautuu ympäristöön (emissio ε:0,05). Tästä on huomattavaa etua etenkin auringon säteillessä heikosti, esimerkiksi keväisin ja syksyisin sekä matalissa ulkolämpötiloissa. Kehikon pohjan ja sivujen paksut eristeet suojaavat absorbaattoria lämpökadolta Mihin eri keräimet soveltuvat parhaiten? Erilaiset keräimet soveltuvat eri käyttötarkoituksiin. Jos sovellus vaatii korkeita lämpötiloja, kuten jäähdytyslämmön tapauksessa, tehokkaat tyhjiökeräimet saattavat olla tarpeen. (Tarkista joka tapauksessa keräimen hyötysuhde ja tehokäyrät.) - Jos keräimillä sen sijaan halutaan lämmittää käyttövesi tai tukea lattialämmitystä, selektiiviset tasokeräimet ovat usein paras vaihtoehto. - Jos tavoitteena on lämmittää uima-allasta kesäisin, kannattaa valita edullinen uima-allaskeräin. - Ja jos tahdotaan lämmittää ilmaa ja siten esimeriksi kuivata kesämökin rakenteita, on järkevintä hankkia ilmakeräimiä. Keräimen sijoittaminen ja asennus Keräimet asennetaan katolle, seinälle tai pihalle paikkaan, johon aurinko paistaa varjostamatta mahdollisimman pitkään (etelän suuntaisella asennuksella aurinkolämpöjärjestelmän työpäivä alkaa kesällä siinä aamuyhdeksältä ja loppuu illansuussa viiden aikoihin). Paras asennussuunta on etelään, mutta kaakon (-45 ) ja lounaan (45 ) välinen asennuskin on vielä hyvä. Itä- ja länsisuuntaa kannattaa välttää, koska niitä voidaan hyödyntää ainoastaan kesäisin. Etäisyyden varaajaan tulisi olla mahdollisimman lyhyt, etteivät putkiston lämpöhäviöt ja kustannukset käy liian mittaviksi. 10 metrin etäisyys on vielä oikein hyvä, 20 metriä on pienelle järjestelmälle jo vähän pitkä. Keräimen kaltevuuden pitäisi olla 30 60. Loiva asennuskulma (30 +) tuottaa eniten energiaa keskikesällä. Loivan asennuskulman tapauksessa ei ole niin kohtalokasta, vaikka suunta olisikin enemmän kaakkoon tai lounaaseen kuin etelään. Jyrkemmät asennuskulmat (60 45 ) on optimoitu kevät- ja syysauringon talteen ottamiseen. Niiden tapauksessa etelän suunta on huomattavasti tärkeämpi, koska keväisin ja syksyisin aurinko paistaa tehokkaasti lähinnä keskipäivällä, kello kymmenen ja neljäntoista välillä. Nyrkkisääntöjä 1. Pienet ylimitoitetut järjestelmät, kuten 4 5 m² keräinpinta-alan ja 300 litran varaajan järjestelmä (pelkkä lämmin käyttövesi) kahdelle hengelle, asennetaan mieluummin 60 kulmaan ja etelään. 2. Alimitoitetut käyttövesijärjestelmät, kuten 5 6 m² keräinpinta-alan ja 500 litran käyttövesivaraajan järjestelmä neljälle tai viidelle hengelle, voi hyvin asentaa 30 kulmaan kaakkoon tai lounaaseen. Jos järjestelmää käytetään myös osittain talon lämmitykseen, kannattaa erottaa kaksi erillistä tavoitetta: 3
3. Pelkästään kosteiden tilojen lämmitys kesäisin, jolloin loiva kulma ja kaakon ja lounaan välinen asennussuunta on ok. 4. Jos sen sijaan keväällä ja syksyllä halutaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti aurinkoenergiaa, jyrkempi asennuskulma etelän suuntaan on järkevin. Lämmitysjärjestelmissä 3 ja 4 käytetään yleensä isompia akkuvaraajia. Tarkempi mitoitus ja varaajan valitseminen riippuvat talon lämmöntarpeesta ja päälämmitysjärjestelmästä. Tällaisia järjestelmiä suunniteltaessa kannattaa ehdottomasti pyytää asiantuntijan neuvoa! Pikamitoitus Käyttövettä lämmitettäessä tarvitaan keräinpintaa henkilöä kohti noin 1,2 1,5 m² (päiväkulutus 1,3 2,7 kwh/henkilö). Käyttövesivaraajan tilavuussuositus on noin 75 100 litraa/henkilö. Jos talossa on vesikiertoinen lattialämmitys erityisesti kosteissa tiloissa, keräimen pinta-alaa voi laajentaa huomattavasti (noin 0,5 m² keräinpinta-alaa/m² kosteiden tilojen lattialämmitystä). Kosteiden tilojen lattialämmitys kuluttaa vuorokaudessa noin 0,5 1,7 kwh. Sen yhteydessä käytetään yleensä akkuvaraajia, joiden tilavuus alkaa 750 litrasta. Pienemmästä akkuvaraajasta ei useinkaan ole juuri iloa, sillä sen kapasiteetti on yksinkertaisesti liian pieni. Varaajan tilavuutta arvioitaessa lasketaan noin 100 200 l asukasta kohti, mutta talokohtainen lämmitystarve edellyttää monesti tätäkin suurempia tilavuuksia. Mihin kannattaa kiinnittää huomiota aurinkokeräintä tai koko järjestelmää hankittaessa? Suomeen on tullut viime vuosina monia uusia aurinkokeräimiä ja aurinkolämpöjärjestelmiä myyviä toimijoita. Valitettavasti kaikki myynnissä olevat keräimet eivät kuitenkaan sovellu täkäläisiin olosuhteisiin. Kaupan on monia hinnaltaan edullisia, mutta heikosti eristettyjä tasokeräimiä, jotka on suunniteltu eteläeurooppalaiseen ilmastoon. Keräimen toimivuuden meikäläisissä sääolosuhteissa voi tarkistaa nopeimmin keräimen paksuudesta. Keräimen paksuus on tosiaan vain yksi kriteeri. Alle 90 mm paksut rakenteet viittaavat 40 mm tai sitäkin ohuempaan eristeeseen. Sellainen ei riitä Suomessa käyttövesijärjestelmän keräimen eristeeksi keväisin eikä syksyisin. Toinen ongelma liittyy keräimen katteeseen. Keräintä peittävä 3,2 mm paksu karkaistu lasi voi rikkoutua runsaslumisen talven aikana, jos keräin on pinta-alaltaan 2 m² tai suurempi. Onkin järkevämpää valita keräin, jota suojaa 4 mm paksu, karkaistu vähärautainen lasi. Tyhjiöputkikeräimissä on usein vain 1,6 mm paksu lasi, joka ei sinänsä ole ongelma, koska sylinterimäinen muoto on erittäin kestävä. Putkien kiinnitys on kuitenkin joissakin malleissa niin jäykkä, että kovalla pakkasella jäätyvä loska voi rikkoa putket puutteellisen liikkumisvaran vuoksi. Keräinten mainoksiin kannattaa suhtautua kriittisesti. Usein näkee luvattavan aivan hurjia tuottoja, jotka eivät voi mitenkään pitää paikkaansa Suomen olosuhteissa. Voit tutkia asiaa tarkemmin täältä. Kannattaa aina selvittää, vastaako alustavasti kiinnostavalta kuulostava keräin minimilaatuvaatimuksia. On varsin helppo tarkistaa, onko keräimelle myönnetty Solar keymark -sertifikaattia. Tämä sertifikaatti takaa, että keräin on testattu EN 12975 -normin mukaisesti ja on läpäissyt testin. Sertifikaatin yhteydessä mainitaan keräimen tekniset tiedot, joita voi käyttää eri keräinten tehoa vertailtaessa. Jos joku kauppias mainitsee tuotteidensa olevan Solar keymark -testattuja, häneltä kannattaa pyytää keräimen viralliset tekniset tiedot. Täältä voit myös itse etsiä tiedot testatuista keräimistä. www.dincerto.de hakusana: solar keymark Lyhyesti: Hyvällä keräimellä on korkea hyötysuhde ja sen hyötysuhdekäyrä laskee vain loivasti. Hyvä keräin on vankkarakenteinen, hyvin eristetty ja kestävä. Hyvällä keräimellä on pitkä tehdastakuu. Teollisuuskeräimet on yleensä testattu ja niillä on Solar Keymark -sertifikaatti. 4
Keräimen kytkeminen Keräimen kytkentäratkaisulla on suuri merkitys järjestelmän toimivuuteen. Oleellista on, että nestevirtaus pysyy samana koko kentässä, tavallisesti 30 50 l/m²/tunti. 1. Sarjakytkentä Tässä kytkennässä jokaisen keräimen virtaus on luonnollisesti sama. Haittana on lähinnä, että isommassa keräinkentässä virtausvastus kasvaa, jolloin pumppu kuluttaa enemmän virtaa. 2. Sarja- ja rinnakkaiskytkentä Tätä kytkentää käytetään yleisti suuremmissa keräinkentissä tai järjestelmissä, joihin ei saada sovitettua yhtä suurta kenttää. On olennaista, että ryhmät ovat saman kokoisia ja niiden syöttölinjat saman pituisia. 3. Rinnakaiskytkentä Tämä kytkentäratkaisu pienentää virtausvastusta eniten. Sen seurauksena pumppu kuluttaa vähiten energiaa. On erittäin tärkeää, että jokaisen keräimen meno- ja paluuputkilinjat ovat samanpituiset. Jotta virtaus jokaisessa keräimessä olisi saman vahvuinen, kytkentä on suoritettava Tichelmannin systeemin mukaan. 1 2 3 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- Teho ja tuotto Miten tunnistaa hyvä keräin? Joskus aurinkokeräimistä kiinnostuneen maallikon on vaikeaa ymmärtää, mihin ominaisuuksiin kannattaisi kiinnittää huomiota aurinkokeräintä valittaessa. Kauppateksteissä vilisee runsaasti teknisiä termejä kuten pinta-ala (brutto-, apertuuri- ja absorbaattoripinta-ala), hyötysuhde, absorptio, emissiokerroin sekä keräimen maksimilämpötila ja vuosituotto (joka saattaa kuulostaa huiman suurelta, usein yli 700 kwh/m²/vuosi). Samat arvot voidaan ilmoittaa monin eri tavoin, mikä hämmentää kuluttajaa entisestään. Lisäksi ilmoitetut arvot on saatettu mitata tarkoitushakuisesti eivätkä ne siten vastaa keräimen todellista tehoa tavallisessa käytössä. Aurinkokeräimen ostamista harkitsevalta puuttuvatkin yhteismitalliset suureet, joiden avulla hän voisi vertailla keräinten tuottoa eri olosuhteissa. Parhaita työvälineitä keräinten vertailuun on keräimen hyötysuhdekäyrästä riippuva tehokäyrä. Se ilmoitetaan yleensä W/keräinmoduuli, mutta vertailun helpottamiseksi sen voi ilmoittaa myös W/m². Kohdepinta-alana on tällöin apertuuripinta-ala. Keräimen tehokäyrä voidaan laskea viiden arvon avulla, joista kolme on ilmoitettu valmiiksi suurimmassa osassa Euroopassa myytävistä keräimistä. Saksalaiset ja sveitsiläiset tutkimuslaitokset kuten esim. SPF Rapperswil (www.solarenergy.ch), ISE Frauenhofer (www.ise.fhg.de) ja ISFH Hameln (www.isfh.de) varmistavat, täyttävätkö aurinkokeräimet EU-normin DIN EN 12975. Ne mittaavat sitä varten keräinten optisen hyötysuhteen (eta 0), lineaarisen lämmönläpäisykertoimen (k 1 (a 1 )) ja toisen potenssin lämmönläpäisykertoimen (k 2 (a 2 )). Näiden mittaustulosten lisäksi tehokäyrän laskemiseen tarvitaan enää aurinkosäteilyn teho (W/m²) sekä keräimen ja ympäristön välinen lämpötilaero T (K). 5
Keräimen pinta-alat 1. bruttopinta-ala (keräimen ulkomitta: pituus x leveys) 2. apertuuripinta-ala (lasiaukon pinta-ala) 3. absorbaattoripinta-ala (tasokeräimessä toimiva pinta-ala) Keräimen tehovertailuun käytetään yleisesti apertuuripinta-alaa. Tasokeräimissä pinta-alan laskeminen on hyvin yksinkertaista: leveys x pituus = pinta-ala. Jos tyhjiöputkikeräimen absorbaattori on sylinterinmuotoinen, pinta-ala on laskettava eri tavalla. Heijastimeton putkikeräin ei pysty käytännössä tuottamaan energiaa koko pinta-alallaan, koska aurinko ei tietenkään yllä varjon puolelle. Sen takia sen pinta-ala lasketaan näin: Bruttopinta-ala: leveys x pituus = bruttopinta-ala. Apertuuripinta-ala heijastimettomassa tyhjiöputkikeräimessä: putken pituus (- varjostavat osat, kuten putkipidikkeet) x putken ulkohalkaisija x putkien lukumäärä. Apertuuripinta-ala heijastimella varustetussa tyhjiöputkikeräimessä: heijastimen leveys x pituus (- varjostavat osat, kuten putkipidikkeet). Absorbaattoripinta-ala sylinterinmuotoisessa absorbaattorissa: absorbaattorin halkaisija x Π x absorbaattorin pituus x putkien lukumäärä. Myös monesti mainittu ajatus 360 keräyskulmasta on käytännössä hyödytön. Aurinkosäteilyä pohjoisen suunnasta ei yleensä voida hyödyntää, koska talon katto on keräimen ja auringon välissä. Myöskään aamu- ja ilta-aurinko eivät tuota merkittävää lisähyötyä, sillä aurinko osuu ainoastaan yhteen keräimen putkista. Hyötysuhde Esim. Wagner & Co Euro C20 AR -keräimen tärkeimmät tekniset tiedot ovat: Apertuuripinta-ala: 2,373 m² Keräimen optinen hyötysuhde eli eta 0: 0,854 Lämmönläpäisykerroin k: 3,37 W/m²*K Toisen potenssin lämmönläpäisykerroin k 2 : 0,0104 W/m²*K 2 Hyötysuhde lasketaan seuraavan kaavan avulla: Hyötysuhde kannattaa laskea monella eri säteilyn voimakkuudella ja lämpötilaerolla, jotta saadaan useampi hyötysuhdekäyrä, jotka yhdessä selittävät keräimen suorituskyvyn eri olosuhteissa. 6
Neliömetriteho Seuraavassa kuvassa esitetään keräimen neliömetritehokäyrät eri säteilyn intensiteeteillä. Neliömetritehon laskemiseen käytetään seuraavaa kaavaa: P=η * Ee Moduuliteho Keräinmoduulin tehokäyrät lasketaan seuraavan kaavan mukaan: 3. moduulitehokaava P = η * Ee * m² (kohdepinta on aina keräimen apertuuripinta-ala) Onko valitsemani keräin hyvä? Tämä aurinkokeräinten vertailemisen työkalu ei kerro suoraan, onko jokin keräin hyvä, vaan se kertoo keräimen suorituskyvystä eri säteilyolosuhteissa. Tietyn keräimen laadukkuudesta saa aika hyvän kuvan osittain keräimen valmistajan myöntämän takuun pituuden sekä keräimen kokoonpanon ja materiaalien laadukkuuden perusteella. Esimerkiksi lasin paksuus kertoo jo jonkin verran, miten keräin kestää lumikuormaa. Moduulin paksuus puolestaan kielii eristeiden tasosta. Jotta tästä vertailutyökalusta olisi hyötyä, sinun pitää tietää vertailtavista keräimistä muutama muuttuja. Jos et ole löytänyt näitä arvoja mistään, käänny maahantuojan puoleen ja pyydä virallisten keräintestien tuloksia. Jos maahantuoja ei tiedä näitä arvoja, syynä voi olla, ettei keräintä ole lainkaan testattu Euroopassa. Tällaisen keräimen toimivuuden ja tavoitteisiisi soveltuvuuden onnistunut arvioiminen vaatii tiukkaa asiantuntemusta. Euroopassa testaamattoman keräimen hankkiminen voikin olla melkoista sian säkissä ostamista tuskin ostaisit tyyppihyväksymätöntä autoakaan! Keräimen tuotto Keräimen hyötysuhde ja tehokäyrät ovat puhtaita matemaattisia suhteita, joka kertovat täsmällisesti keräimen ominaisuudet ja suorituskyvyn. Nämä tulokset ovat toistettavissa, koska kaavat ja lähtötiedot pysyvät samoina. Pelkästään niiden avulla ei voida kuitenkaan päätellä keräimen todellista tuottoa. Järjestelmiä on niin monenlaisia, että esimerkiksi reilusti ylimitoitetussa käyttövesijärjestelmässä tietyn keräimen neliömetrituotto on vain 250 kwh/m²/a, vaikka alimitoitetussa esilämmitysjärjestelmässä sama keräin tuottaa 450 kwh/m²/a. Keräimen tuottoa voi arvioida myös tietokonesimulaation avulla. Käytämme Getsolar-nimistä simulaatioohjelmaa, joka antaa melko tarkan kuvan siitä, mihin tietty aurinkolämpöjärjestelmä pystyy. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Varaaja Aurinkokeräimessä tuotettu lämpö varastoidaan hyvin eristettyyn lämminvesivaraajaan. Yleisimmin käytetty varastointitapa on siirtää lämpöä nesteen avulla veteen. Vedellä on suhteellisen hyvä lämpökapasiteetti ja se on halpaa. Lisäksi vettä on perinteisesti käytetty lämmön siirtämiseen ja varastoimiseen. Yleensä aurinkolämmön varastoimiseen riittää yksi varaaja. Useimmissa järjestelmissä lämpöä siirretään varaajaan pakkasnesteellä täytetyn kierukan avulla. Kierukka sijoitetaan säiliön alaosaan, jossa veden lämpötila on alhaisin. Tällöin säiliö lämpiää koko tilavuudeltaan. 7
Akkuvaraaja Suomessa käytetään yleisesti paineettomia (1,5 baaria) akkuvaraajia, joissa on kaksi tai kolme kierukkaa. Näitä varaajia käytetään yleensä kiinteän polttoaineen ja vesikiertoisen lämmityksen yhteydessä. Akkuvaraajia kannattaa käyttää etenkin lattialämmitykseen, jonka myötä voidaan hyödyntää myös matalat paluulämpötilat (usein alle 30 C). Akkuvaraajan tilavuudeksi suositellaan vähintään noin 100 200 litraa henkilöä kohti. Monissa lämpöjärjestelmissä talon lämmitystarve määrää varaajan koon. Esimerkiksi puukattilan tapauksessa varaaja on syytä mitoittaa siten, että kovallakin pakkasella riittää yksi päivittäinen lämmitys. Ympäristöenergia suosittelee kolmikierukkaisia akkuvaraajia. Varaajan alaosassa on aurinkokeräimen pinta-alan mukaan mitoitettu aurinkokierukka, keskivaiheilla käyttöveden esilämmityskierukka (usein LK35) ja varaajan yläosassa käyttöveden viimeistelykierukka. Jotta ratkaisu toimisi erinomaisesti, asenna käyttövesikierukoiden väliin vielä termostaattisekoittaja. Jos varaajan yläosassa on vain yksi käyttövesikierukka, lämpimän veden juoksuttaminen sekoittaa erilämpöiset vesimassat. Kierukan luota painuu viileää vettä kohti varaajan alaosaa. Matka on silti niin pitkä, ettei viileä vesi kerrostu varaajan alaosaan. Se sekoittuu kuumaan varaajaveteen ja viilentää sitä. Jos on käytössä kaksi käyttövesikierukkaa, esilämmityskierukka viilentää varaajan alaosaa ja luo aurinkolämpöjärjestelmälle optimaaliset lämpötilaolosuhteet. Esimerkiksi 8 C kylmä vesi esilämmitetään 30 celsiusasteeseen, jolloin se siirtyy viimeistelykierukan luo varaajan yläosaan. Näin samalla lämpömäärällä saadaan enemmän lämmintä käyttövettä ja vesi aurinkokierukan luona säilyy viileämpänä, mikä parantaa järjestelmän hyötysuhdetta. Käyttövesivaraaja Toinen vaihtoehto on käyttövesivaraaja, jossa on yksi tai kaksi kierukkaa. Alempi aurinkokierukka on välttämätön. Ylempää jälkilämmityskierukkaa suositaan Keski- Euroopassa, jossa ei juurikaan käytetä Suomessa tavallisia kattilavaraajia. Varaajatilavuutta tarvitaan noin 75 100 litraa per henkilö. Varaaja mitoitetaan siten, että keräimet tuottavat kesäkuukausien aikana lähes kaiken tarvittavan lämpimän käyttöveden. Henkilöä kohti varataan noin 1,2 1,5 m² keräinpinta-alaa. Näin turvataan lämpimän veden saanti myös parina peräkkäisenä pilvisenä päivänä. On myös kätevää, että talon lämmöntuottojärjestelmä voidaan sulkea kesäajaksi, jos sen ainoa tarkoitus on tuottaa lämmintä käyttövettä. Näin vältetään kattilan huono hyötysuhde. Kierukka Aurinkokierukka mitoitetaan siten, että kierukan pinta-ala on noin neljäsosasta viidesosaan keräimen pinta-alasta. Lämmönvaihtimia on kahdentyyppisiä: sileitä putkikierukoita ja kampakuparikierukoita. Mitoitus riippuu siitä, kummanlainen kierukka valitaan. Kampakuparikierukkaa käytetään noin 0,35 m²/m² keräinpinta-ala. 22 mm Cu-kampakupariputken pinta-ala on noin 0,25 m²/m. Esimerkki: Jos haluat kierukan 10 m² keräinpinta-alalle (apertuuri), tarvitset 22 mm kampakuparia seuraavasti: Kierukkapinta-alaa tarvitaan 10 m² x 0,35 m²/m²= 3,5 m². Putken pituus on silloin 3,5 m²/ 0,25 m²/m = 14 m. Tarvitset kampakuparikierukkaan 14 metrin pätkän 22 mm kampakupariputkea. Valitsisin tällöin valmiin LK 60 -kierukan, jossa on 18,8 m putkea. LK 60 -kierukan pinta-ala on 4,7 m², joten järjestelmään jää vielä hieman laajennuksen varaa. 8
Sileäputkikierukkaa käytetään noin 0,25 m²/m² keräinpinta-ala. Kierukat voi valmistaa myös itse esimerkiksi 18 mm hehkutetusta kupariputkesta. Putken luovutuspintaala on noin 0,0565 m²/m. Esimerkki: Jos haluat kierukan 10 m² keräinpinta-alalle (apertuuri), tarvitset 18 mm Cu-putkea seuraavasti: Kierukkapinta-alaa tarvitaan 10 m² x 0,25 m²/m²= 2,5 m². Putken pituus on silloin 2,5 m²/ 0,0565 m²/m = 44,2 m. Tarvitset omatekoisen kierukan, joka tehdään 44,2 metristä 18 mm Cu-putkea. Tekisin kierukkaan kaksi 25 metrin kieppiä eli putkea tarvittaisiin tällöin yhteensä 50 m. Omatekoisen kierukkaan saa myös CTC-läpivientinipat, joiden avulla kierukan voi asentaa laippaan. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Pumppuyksikkö sisältää kaikki aurinkopiirin tarvitsemat laitteet kuten kiertovesipumpun, sulku- ja takaiskuventtiilit, varoventtiilin sekä paine- ja lämpömittarit. Pumppuyksikkö on eristetty lämpöhävikin minimoimiseksi. Pumppuyksikössä on vapaakierron esto sekä meno- että paluuputkessa. Näin estetään vapaakierto keräinten ja varaajan välillä sekä meno- ja paluuputken sisäinen vapaakierto. Pumppu on varustettu molemmin puolin sulkuventtiileillä. Mahdollisen pumpun huollon tai vaihdon yhteydessä koko aurinkolämpöjärjestelmän putkistoa ei tarvitsekaan tyhjentää. Turvaryhmä (eli varoventtiili, painemittari ja paisunta-astian liitäntä) on sijoitettu pumpun yläpuolelle paluupiiriin lämpökuormituksen minimoimiseksi. Keräimen ja turvalaitteiden välillä ei saa olla sulkuja huoltohanoja lukuun ottamatta. Yksikössä on mittarit meno- ja paluulämpötiloille sekä järjestelmän paineelle. Lisäksi siihen kuuluu virtausmittari, jonka avulla keräinpiirille voidaan säätää oikea virtausnopeus. Ohjausyksikköön sisältyy myös yksinkertainen energiamittari, joka ilmoittaa järjestelmän tuottaman energian. Pumppuyksikköön FlowConC kuuluu valmiiksi asennettuna ohjausyksikkö RESOL DeltaSolC. Pumppu- ja ohjausyksikkö yhdistetään sähköverkkoon pistokeliitännällä. Pumppuyksikön Airstop-ilmanpoisto tekee mahdolliseksi järjestelmän pannuhuoneessa ilmaamisen. Pumppuyksikön osat 1. pumppu 2. flowcheck-virtausmittari 3. täyttö- ja huuhteluliitäntä (asennetaan ennen varaajaa järjestelmän pohjaan) 4. Airstop-ilmanpoisto 5. menolämpömittari, sulku ja vapaakiertoeste 6. ohjausyksikkö Resol DeltaSol C/4 7. paluulämpömittari, sulku ja vapaakierron esto 8. varoventtiili 9. painemittari Pumppuyksikön liitäntöihin käytetään 4 kpl 3/4 sisäkierreliittimiä. Putkilinjan liittämiseen tarvitset vielä 4 kpl putkiliittimiä. Pumppuyksikön voi rakentaa myös itse. Se antaa lisää vapautta osien räätälöintiin ja tulee lisäksi edullisemmaksi. 9
Ohjausyksikkö vastaa aurinkolämpöjärjestelmän aivoja. Se vertaa keräimen ja varaajan lämpötilaa ja käynnistää pumpun lämpötilaeron mukaan. Nykyään pumpun kiertonopeutta muunnellaan lähes aina lämpötilaeron mukaisesti (esimerkiksi standardiohjausyksikössä Resol DeltaSolBS/4). Tällöin järjestelmä kykenee reagoimaan sään vaihteluihin. Kun aurinko piiloutuu pilvien taakse, pumppu vähentää virtausta. Silti järjestelmä tuottaa edelleen lämpöä toisin kuin perinteinen on/off -kytkin (esimerkiksi Resol DeltaSolAx). Monet ohjausyksiköt pystyvät hoitamaan perustoimintojen lisäksi muitakin tehtäviä, esimerkiksi jälkilämmityksen käynnistyksen ja sammutuksen. Integroitu energiamittaus ja jopa koko lämmitysjärjestelmän ohjaus ohjausyksikön avulla on aivan mahdollista (esimerkiksi Resol DeltaSolM -ohjausyksikössä). ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Putkilinja Aurinkokeräin ja varaaja pitää yhdistää putkilinjan avulla. Keräimestä varaajaan johtavaa putkea kutsutaan menoputkeksi ja varaajasta keräimeen johtavaa putkea paluuputkeksi. Paluuputkeen asennetaan järjestelmän tekniikka, kuten pumppu, turvaryhmä ja paisunta-astia. Menoputkeen asennetaan pelkästään lämpömittari ja mahdollisesti vapaakierron esto. Varaajan kierukasta lähtevät putket on hyvä johtaa ensin varaajan pohjatasolle ennen ylös keräimelle viemistä. Nämä ylimääräiset lenkit toimivat luonnollisina vapaakierron estoina sekä estävät lämmön karkaamisen kylmälle vintille tai keräimeen. Joka tapauksessa pumpun päälle pitää asentaa yksi mekaaninen vapaakierron esto, joka estää ison vapaakierron. Putkilinja kannattaa asentaa siten, että se viettää loivasti keräimestä varaajaan. Tällöin putkilinjan voi helposti ilmata ja tarvittaessa tyhjentää. Putkilinjan pohjalenkkiin asennetaan kaksi letkuventtiiliä järjestelmän täyttämistä, huuhtelemista ja tyhjennystä varten. Niiden välillä pitäisi olla yksi sulku. Järjestelmän korkeimpaan kohtaan on asennettava lämmönkestävä ilmausventtiili. Jos käytetään automaattista ilmauskelloa, sen eteen on asennettava sulkuventtiili, joka suljetaan, kun järjestelmä on ilmattu. Aurinkolämpöjärjestelmien perinteinen putkimateriaali on kupari, mutta myös rst-haitariputkea voi käyttää. Mustaa teräsputkea käytetään vain harvoin. Muoviputkia ei voi missään nimessä käyttää, koska ne eivät kestä häiriötilanteiden lämpötiloja eivätkä sitä, että järjestelmä on auringon paistaessa pois päältä. Sama pätee putken eristeisiin. On erittäin tärkeää eristää putket hyvin. Eristemateriaalin on kestettävä yli 160 C lämpötiloja. Tavalliset rautakaupan muovipohjaiset putkieristeet eivät käy, koska ne voivat sulaa. Mineraali- ja lasivillakourueristeet sekä EPDM-pohjaiset eristeet (esim. Aeroflex SSH tai Armaflex HT) soveltuvat putkilinjan eristämiseen. Jos järjestelmässä on pitkiä suoria putkilinjoja, on otettava huomioon putken lämpölaajeneminen. Kupariputken pituusero per aste on: 0,017 mm/m x K. Esimerkiksi jos suora kupariputki on 10 metriä pitkä ja oletettu lämpötilaero on vain 100 K (käytännössä se voi olla paljon suurempikin), putken pituuseroksi tulee 17 mm. Tavallisesti fosforikuparilla juotetussa putkilinjassa riittää, että ylempi putkipidike asennetaan noin metrin päähän kaaresta. Joissakin tapauksissa voi olla tarpeen asentaa laajenemiskaari. Jos käytetään joustavaa rst-haitariputkea, putken laajenemisesta ei tarvitse murehtia. Putkilinjan koko riippuu aurinkolämpöjärjestelmän koosta ja putkilinjan pituudesta. Alla on suuntaa-antava ohjetaulukko. Eri virtausten kohdalla ilmoitetaan kyseiseen putkeen kytketyn keräimen maksimipinta-ala. 10
Tämä taulukko esittää suurimman mahdollisen keräinkentän ja noin 15 metrin yhteisputkilinjan (meno ja paluu 7,5 m). Cu-putki 15 x 1 18 x 1 22 x 1 28 x 1,5 35 x 1,5 50 l/m²/h 5 m² 9 m² 16 m² 27 m² 50 m² 30 l/m²/h 8 m² 16 m² 26 m² 45 m² 80 m² Paisunta-astia Paisunta-astia asennetaan paluuputkeen pumpun yläpuolelle. Keräimen ja paisunta-astian välille ei saa laittaa sulkua! Ainoastaan huoltohana on sallittu, jolloin putki voidaan sulkea hetkellisesti huollon ajaksi. Paisuntaastia kannattaa sijoittaa hieman päälinjasta syrjään, jotta neste jäähtyy ennen kuin se menee paisuntaastiaan. Tästä syystä paisunta-astian liitosputkeakaan ei eristetä. Paisunta-astian tehtävä on tasata putkiston painetta lämpötilan vaihdellessa ja nesteen tilavuuden muuttuessa. Erityisesti keräimen kiehuessa tyhjäksi paisunta-astian pitää ottaa paljon nestettä vastaan. LVItekniikan usein toisteltu nyrkkisääntö kymmenen prosenttia järjestelmän tilavuudesta ei päde aurinkolämpöjärjestelmässä, koska muissa lämmitysjärjestelmissä ei oleteta kattilan kiehuvan tyhjäksi. Paisunta-astia mitoitetaan siten, että se voi ottaa vastaan järjestelmän paisumisnesteen (noin kymmenen prosenttia järjestelmän tilavuudesta) sekä keräimen ja ylemmän putkiston tilavuuden verran nestettä. Sen paine saa nousta maksimissaan 90 prosenttiin varoventtiilin avaamispaineesta. Paisunta-astian koko: Oletus: varoventtiili 6 bar, maksimipaine 5,4 bar, ylipaine keräimessä 0,2 bar, työneste paisunta-astiassa 10 prosenttia järjestelmän tilavuudesta, minimissään 3 litraa, keräintilavuus/m² 0,6 l. Järjestelmän Keräimen paisunta-astian tilavuus eri järjestelmän Tilavuus pinta-ala korkeudessa 2,5 5 7,5 10 12,5 15 18 5 12 12 12 18 18 18 20 7,5 18 18 18 18 18 25 23 10 18 18 18 18 25 25 24 12,5 25 25 25 25 25 25 25 15 25 25 25 25 25 35 29 17,5 25 25 25 25 35 35 35 20 25 25 35 35 35 35 37 25 35 35 35 35 35 50 40 30 35 35 35 50 50 50 Jos valitset hieman isomman paisunta-astian, kalvo rasittuu vähemmän ja sen käyttöikä pitenee. Tarkista ennen asennusta paisunta-astian esipaine ja järjestelmän paine: Tärkeimmät tekijät ovat järjestelmän korkeus paisunta-astian yläpuolella (esimerkiksi 10 metrin korkeus aiheuttaa 1 baarin staattisen paineen) ja ylipaine keräimessä (yleisesti 0,2 0,5 bar). Esimerkki: järjestelmän korkeus 10 m = 1 bar, keräimen ylipaine = 0,2 bar, paisunta-astian painekorotus 0,3 bar. Paisunta-astian esipaine on: staattinen paine + ylipaine: 1 bar + 0,2 bar = 1,2 bar Järjestelmän paine on : paisunta-astian esipaine + painekorotus: 1,2 + 0,3 = 1,5 bar Pakkasneste Jotta aurinkolämpöjärjestelmä ei vaurioituisi pakkasella, lämmönsiirtonesteen on oltava vesipropyleeniglykoliseosta (esim. Tyfocor L, LS tai DC20). Pakkasnesteen osuus seoksesta on 40 50 prosentin välillä. Korkeampi pakkasnestepitoisuus ei paranna nesteen ominaisuuksia, mutta saattaa vaurioittaa tiivisteitä. Alle 40 prosentin pakkasnestepitoisuudella taas neste voi jäätyä umpeen ja rikkoa putkiston. 11
Laske järjestelmän kokonaistilavuus. Jos se on esimerkiksi 20 litraa, voit käyttää 8 10 litraa sataprosenttista pakkasnestettä ja 12 10 litraa vettä. Nesteen saat järjestelmään täyttöpumpun, porakone- tai koeponnistuspumpun avulla. Jos järjestelmässä on energiamittari, sinun pitää tietää tarkasti pakkasnesteen osuus. Sen tarkistamiseen voi käyttää ominaispainomittaria, refraktometriä tai muita propyleeniglykolille soveltuvia mittareita. Neste tulisi tarkistaa viiden vuoden välein ja vaihtaa 8 15 vuoden välein. Kytkennät Aurinkolämpöjärjestelmä kytketään aina lämpö- tai käyttövesijärjestelmään. Kytkennällä on suuri merkitys kokonaisuuden toimivuuden kannalta. Seuraavilla sivuilla esitellään muutamia kytkentävaihtoehtoja. Koska mahdollisuuksia on paljon, aurinkolämpöjärjestelmää miettiessäsi sinun kannattaa ottaa heti yhteyttä, jotta voimme alusta alkaen räätälöidä järjestelmän vastaamaan juuri sinun tarpeitasi! ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Sähkövaraajalla Aurinkolämpöjärjestelmä voidaan kytkeä sähkölämmitykseen kahdella tavalla. Aurinkolämpöjärjestelmä käyttövesivaraajalla Pelkkä käyttövesijärjestelmä on aurinkolämpöjärjestelmistä yksinkertaisin, mutta erittäin tehokas. Aurinkokeräimet kytketään käyttövesivaraajan aurinkokierukkaan. Kylmä käyttövesi takaa järjestelmälle matalat lämpötilat, joiden myötä keräin on keväisin ja syksyisin erinomainen käyttöveden esilämmittäjä. Sähkövastus lämmittää esilämmitetyn veden toivottuun käyttölämpötilaan asti. Sopivia varaajia ovat Solar 300 ja Solar 500. Aurinkolämpöjärjestelmä akkuvaraajalla <vasen kuva> Aurinkolämpöjärjestelmän ja sähkölämmitteisen akkuvaraajan yhdistelmässä talteen otettua lämpöä käytetään sekä käyttöveden että talon lämmitykseen. Lattialämmitys sopii hyvin akkuvaraajaa käyttävän aurinkolämpöjärjestelmän yhteyteen, koska matalat paluulämpötilat takaavat keräinjärjestelmän hyvän hyötysuhteen. Patterilämmitys pienentää viileänä vuodenaikana keräimen tuottoa paluuveden korkean lämpötilan takia. Sopivia varaajia ovat esim. AKVA EKK tai AKVAir. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Aurinkolämpöjärjestelmän yhdistäminen puu- tai pellettikattilaan Puu- tai pellettikattilajärjestelmä toimii parhaiten, kun lämmittäminen tapahtuu ison akkuvaraajan kautta. Puukattilan puskurivaraaja mitoitetaan yleensä niin, että talvella tarvitsee lämmittää korkeintaan kerran päivässä. Silloin puukattilaa ei tarvitse pitää jatkuvasti lämpimänä ja pellettipolttimenkin palamista on helpompi säätää. Kattila lämmittää täydellä teholla akkuvaraajan, joka on kooltaan noin 500 3000 litraa. Joskus käytössä on suurempiakin varaajia. 12
Aurinkolämpöjärjestelmän ja öljylämmityksen voi yhdistää kahdella tavalla Energiaa tuottaa tehokkaimmin käyttöveden esilämmitysvaraaja, joka kytketään ennen kattilaa. Keräinpinta-ala mitoitetaan pelkälle käyttövedelle. Aurinkokeräimet kytketään käyttövesivaraajan aurinkokierukkaan. Kylmä käyttövesi takaa järjestelmälle matalat lämpötilat, joiden myötä järjestelmä on keväisin ja syksyisin erinomainen esilämmittäjä. Öljykattila lämmittää esilämmitetyn veden asetettuun käyttölämpötilaan asti. Kesällä kattila ohitetaan. Jos ylituotantoa halutaan käyttää talon lämmitykseen, voidaan käyttää Solar 300 tai 500 Economy -varaajia. Niissä on ylimääräinen liitäntä, josta kuumaa käyttövettä voidaan siirtää erillisen käyttövesipumpun avulla kattilan käyttövesikierukkaan. Toinen vaihtoehto on käyttää öljykattilassa varaajaa, johon on valmiiksi asennettu aurinkokierukka. Pienen kattilatilavuuden takia tämä järjestelmä soveltuu mainiosti pieniin kahden tai kolmen henkilön talouksiin. Koska kattila on suoraan kytketty lämmitysjärjestelmään, kattilan lämpötila laskee iltaisin nopeasti ja poltin käynnistyy automaattisesti. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Suunnittelu Lämpimän veden tuottaminen aurinkoenergialla on taloudellisesti ja ekologisesti järkevää. Järjestelmän tuotto vähentää vedenlämmityksen energiakustannuksia jopa 60 prosenttiin saakka. Seuraavat yksityiskohdat ovat tärkeitä talon rakentamisen tai remontin suunnittelussa: 1. Katon kaltevuuden on syytä olla 30 60. Kaltevuus eteläsuuntaan on auringon säteilyn maksimihyödyn kannalta paras (lounas ja kaakko menettelevät). Keräimet voidaan asentaa asuinrakennuksen katon sijaan myös autotallin tai muun sivurakennuksen katolle tai pihalle (jolloin oikea kaltevuus saadaan aikaan asennustelineillä). Keräimiin ei saa osua liikaa puiden tai muiden rakennuksien varjoja! 2. Aurinkolämpöjärjestelmään tarvitaan tilava varaaja. Suosittelemme akkuvaraajaa, jossa on kolme kierukkaa: yksi iso kierukka aurinkopiirille varaajan pohjalla ja kaksi käyttövesikierukkaa varaajan keski- ja yläosassa. Mikäli kyseessä on uusi lämmitysjärjestelmä, pelkkä tavanomainen kattilavaraaja ei sovellu aurinkolämmön varastointiin. Erillinen varaaja on välttämätön. 3. Katolle sijoitettavien keräimien ja varaajan välille on asennettava lämpöeristetyt kupariputket (meno- ja paluuputki läpimitaltaan 15 22 mm). Putkieristeen on oltava lämmönkestävää, kuten mineraalikouru, Aeroflex SSH tai Armaflex HT. Uutta rakennettaessa tai remontin yhteydessä putket eristeineen on helppoa asentaa jo vastaisen varalle. Saman tien vedetään keräimien ja varaajan välille kaksivaiheinen sähköjohto (2 x 0,75 mm²) keräinanturia varten. Hyvä rakentaja, kun olet ottanut huomioon nämä toimenpiteet, voit toteuttaa yksinkertaisesti ja edullisin kustannuksin toiveesi aurinkoenergian hyödyntämisestä ja tuottaa sen avulla perheesi lämpimän käyttöveden nyt tai tulevaisuudessa. 13
Muistiinpanot: 14
SOLUTION (EU CONCERTO -hanke 2009 2014) Tavoitteena energiaomavaraiset mallikaupungit: Paikallinen energiatuotanto Uusiutuvat energialähteet Parempi energiatehokkuus Lapuan kohteet: 1. Eko-asuinalueita Alanurmo: Lämmitys biomassaa käyttävästä aluelämpöverkosta, Uusi energiatehokas koulu Pouttu: Lämmitys joen sedimenttilämmöstä lämpöpumpuilla 2. Energiansäästöä mittaroinilla ja ohjauksella 3. Energiatehokkuutta korjausrakentamisessa Niittypuiston vanhasta asuinkerrostalosta energiatehokas palvelukoti Ritamäen koulurakennuksen energiatehokas saneeraus 4. Biokaasuvoimala Kiviniemen teollisuusalueen yrityksille biokaasua ja sähköä prosessienergiaksi 5. Tuulipuisto Jouttikallion teollisuusalueen kylkeen 6. Biokaasutuslaitos Härsilän pk-yritysalueelle tuotetaan sähköä, lämpöä ja kaasua kiinteistöihin ja prosesseihin 15