Asfalttilämpö Erkki Hiltunen, Anne Mäkiranta, Birgitta Martinkauppi Tapio Syrjälä, Thileepan Paulraj, Hafiz Haq, Petri Välisuo Vaasan Energiainstituutti, Teknillinen tiedekunta Vaasan yliopisto 16.05.2017
Vaasan yliopiston geoenergiatutkimus Asfalttilämpö Sedimenttilämpö Kalliolämpö Vesistölämpö Lämmön varastointi
Peruslaitteistot *DTS laitteisto (Distributed Temperature Sensing) keruu-putkien lämpötilojen määrittämiseen *Kaksisuuntainen DTRT *Pyranometri *Energiavuomittari
Miksi asfalttilämpöä? Rakennetuilla alueilla, kaupungeissa, on huomattava osa päällystetty joko asfaltilla tai betonilla. Nämä kummatkin päällysteet absorboivat hyvin auringosta tulevaa lämpöä. Päällysteiden alle rakennetut maakerrokset, hiekka ja sora kerrokset, välittävät energiaa edelleen alempiin kerroksiin. Ilman erityisiä varastointia parantavia toimiakin asfalttikentät toimivat lämmön kausivarastoina. Miten kausivarastointia voidaan tehostaa?
Sovellutuksia maailmalla UK: jalkakäytävien keräämää lämpöä hyödynnetään talojen lattialämmityksessä; kausivarastointia Alankomaat: teiden lämpöä hyödynnetään julkisten rakennusten lämmityksessä Pohjoismaat: miten kausivarastointi tulee kylmemmissä olosuhteissa järjestää
Mittausjärjestely asfalttilämpö mittauksia varten Mittausjärjestelmä: - porauksessa asennettiin mataliin kaivoihin putki, jonka ympärille optinen kuitu kierrettiin - kaivojen syvyydet ilmenevät oheisesta piirroksesta - optinen kuitu asennettiin kaivoihin sekä uriin, jotka kokosivat kuidut liitäntäkaappiin - kaivot vedenpinnan mittausta varten - lämpövuomittarin (asfaltin alla) - pyranometrin (auringon säteilymittaukseen - ja DTS laitteiston. Vertailu tullaan tekemään vastaavaan mittauskenttään, joka on asennettu nurmikolle.
DTS Distributed Temperature Sensing Lämpötila mittaukset on tehty käyttäen optisia kuituja. DTS laitteisto lähettää valokuituun lyhyen laserpulssin, josta osa siroaa takaisin. DTS laitteisto rekisteröi Raman sironnan stokesin ja anti-stokesin komponentit ja laskee lämpötilat. Eri lämpötiloihin liitettävät etäisyydet määräytyvät optisen pulssin lentoaikaan (time of flight) perustuen.
Mittausten suoritus. Peruskysymys: onko katteella (asfaltti tai sementti) vaikutusta lämmön absorboitumiseen ja lämmön siirtymiin alempiin maakerroksiin Mittaukset on aloitettu huhtikuussa 2014. Mittaus tehdään kerran kuussa, paitsi kesäaikaan kahdesti kuussa. Mittaus tehdään samanaikaisesti asfaltti- ja nurmikentällä. Kenttien välimatka on noin 200 m, joten sääolosuhteet ovat yhteneväiset. Molemmilla kentillä kaivojen syvyydet ovat: 10 m, 5 m and 3 m. Syvimmissä 10 m ja 5 m kaivoissa lämpötilat voidaan mitata 1 m etäisyyksillä, mutta 3 m kaivoissa paljon tarkemmin johtuen kuidun kiertämisestä suojaputken ympärille. Molemmilla kentillä käytettiin samanlaisia optisia kuituja. Optiset kuidut on asennetty pysyvästi molemmille mittauskentille. Seuraavassa kuvassa on hyödynnetty vain 1 m resoluutiolla mitattua dataa.
Lämpötilat kaivon syvyyden funktiona Oheiseen kuvaan on valittu vuodenaikojen mukaan neljän eri kuukauden lämpötiladata. Käyräpareissa toinen vastaa asfalttikentän ja toinen ruohokentän mittausta. Tämä data sisältää lämpötiloja 0,5 metristä 10 metriin. Pinta-lämpötilat on mitattu erikseen.
Päätelmiä mittausdatasta Taulukossa on annettu kenttien pintalämpötiloja eri kuukausina vuoden-aikoja vastaten. Korkeimmat lämpötilat on mitattu heinäkuussa ja alhaisimmat maaliskuussa. Vaikka pintalämpötilat ovat negatiivisia, on jo puolessa metrissä lämpötila plussan puolella ja kasvaa tasaisesti noin 7 o C :een. Kuukausi/Pintalämpötila Asphalt [ C] Lawn [ C] Toukokuu 10 2 Heinäkuu 31 19 Lokakuu -1 0 Maaliskuu -3-5 Maaliskuun lämpötilajakautumat ovat kentillä lähinnä toisiaan. Toukokuun ja lokakuun datat eri kentillä eroavat eniten lähinnä noin 1 m syvyydellä. Suurimmat erot yli 3 m syvyydellä havaitaan heinäkuun datoissa. Lämpötilaero kesän ja talven välillä voi olla jopa 5 o C. Puolen metrin (0,5 m) syvyydellä ko ero voi olla yli 20 o C. Syvyyksillä 9 10 m lämpötilat vakioituvat eikä vuodenaikojen aiheuttamia lämpötilaeroja enää ole havaittavissa.
Yhteenveto Lämpökaivoissa havaitaan lämpötilaeroja riippuen siitä onko kaivo asfaltoidulla alueella vai nurmikolla; 1 m syvyydessä, keväällä ja syksyllä. Keväällä ja syksyllä mitatuissa lämpötiloissa asfaltin alla havaitaan käännepiste noin 1 m syvyydellä. Nurmikolla olevilla kaivoilla käännepiste keväällä ja syksyllä on lähempänä 2 metriä. Kesällä asfalttikerros ilmiselvästi lämmittää alla olevia kerroksia. Lämmittävä vaikutus on asfaltilla selvästi suurempi kuin nurmikolla. Päällimmäisellä kerroksella on aivan ilmeisesti olennainen vaikutus lämmön siirtymisessä alempiin kerroksiin. Lämpötilaerot ovat merkittäviä ja lämpöä voitaisiin varastoida myöhempää käyttöä varten. Tulevaisuudessa tutkimusta tulisi suunnata kausivarastointiin. Lämpötilaero todennäköisesti selittää osin myös lämpösaarekeilmiötä. Ylimääräisen lämmön varastointi ja käyttö saattaisi myös vaikuttaa lämpösaarekeilmiöön. Tutkimisen arvoista olisi myös lämpöenergian siirto asfaltin alla oleviin eri kerroksiin.
REFERENCES Allen, Alistair, Dejan, Milenic & Paul Sikora (2003). Shallow gravel aquifers and the urban `heat island`effect: a source of low enthalpy geothermal energy. Geothermics 32: 569 578. Santamouris, M. Cooling the cities a review of reflective and green roof mitigation technologies to fight heat island and improve comfort in urban environments. Solar Energy 103 (2014): 682-703. ICAX. Available on the Internet. (last access in 11.6.2016) <URL: http://www.icax.co.uk/asphalt_solar_collector.html>. Gordon, S., Energy from the ground up [interseasonal heat transfer], in Power Engineer, vol.19, no.4, pp.20-23, Aug.-Sept. 2005. Bobes-Jesus, V., Pascual-Munoz, P., Castro-Fresno, D. and Rodrigues-Hernandez, J. Asphalt solar collectors: A literature review. Applied Energy. 102, pp. 962-970, 2013. Mallick, R. B, Chen, B-L and Bhowmick S. Harvesting heat energy from asphalt pavements: development of and comparison between numerical models and experiment. International Journal of Sustainable Engineering. Vol. 5, No. 2, pp. 159-169, June 2012. Pascual-Munoz, P., Castro-Fresno, D., Serrano-Bravo, P. and Alonso-Estebanez, A. Thermal and hydraulic analysis of multi-layered asphalt pavements as active solar collectors. Applied Energy. 111, pp. 324-332, 2013. Hassn, A., Chiarelli, A., Dawson, A. and Garcia, A. Thermal properties of asphalt pavements under dry and wet conditions. Materials and Design. 91, pp. 432-439, 2016. Martinkauppi, J.B., Mäkiranta, A., Kiijärvi, J. and Hiltunen, E. Thermal Behavior of an Asphalt Pavement in the Laboratory and in the Parking lot. The Scientific World Journal. Vol. 2015. 7 pages, 2015.