Maaperä maalämmön lämmönlähteenä
Porakaivo maalämmön lämmönlähteenä
Vesistöt lämmönlähteenä

Käyttövesivaraajalla varustettu maalämpöpumppu, jossa vuosikiertoisen, kesällä varastoituneen aurinkolämmön keruu tapahtuu maahan, kallioon tai vesistöön upotetussa muoviputkistossa kierrätettävällä jäätymättömällä liuoksella höyrystin-lämmönsiirtimelle, jossa lämmön siirtyminen kylmäaineeseen tapahtuu. Kylmäaineesta lämpöenergiaa luovutetaan ensin höyrynjäähdytin-lämmönsiirtimessä lämpimän käyttöveden kuumentamiseen varaajaan ja sen jälkeen lauhdutin-lämmönsiirtimessä vesikiertoiseen, mieluiten matalalämpöiseen lattialämmitysjärjestelmään ja/tai käyttöveteen. Maalämpöpumpun etuna ovat alhaiset käyttökustannukset. Vesikiertoinen lämmön jakojärjestelmä on pitkäikäinen ja joustava järjestelmä mahdollisten muidenkin tulevaisuuden energialähteiden käyttöön. Maapiiriä voidaan tarvittaessa käyttää kesäaikana rakennuksen tuloilman jäähdyttämiseen suhteellisen helposti ja edullisesti kytkemällä tuloilmakanavaan asennettu patteri liuospiiriin ja kierrättämällä maapiiriä tuloilmapatterin kautta. Haittapuolena ovat suhteellisen suuret perusinvestointikustannukset, joten aivan pienten (110 - 120 m²) ja matalaenergiatalojen kyseessä ollessa järjestelmän takaisinmaksuaika on suhteellisen pitkä, 10-15 vuotta. Mitä suurempi talo ja energiankulutus ovat, sitä kannattavampi investointi on. Keskimäärin vuositason lämpökertoimet ovat 2,6 -3,6.

Maalämpöpumppu, jossa vuosikiertoisen, kesällä ympäristöömme varastoituneen aurinkolämmön keruu tapahtuu maahan, kallioon tai vesistöön upotetussa muoviputkistossa kierrätettävällä kylmällä jäätymättömällä liuoksella höyrystin-lämmönsiirtimelle, jossa lämmön siirtyminen kylmäaineeseen tapahtuu. Kylmäaineesta lämpöenergiaa luovutetaan lauhdutin-lämmönsiirtimessä vesikiertoiseen, mieluiten matalalämpöiseen lattialämmitysjärjestelmään ja/tai käyttöveteen. Mitoittaminen mahdollisimman korkeaan höyrystyslämpötilaan ( 0 - +3 ºC) ja vastaavasti alhaiseen lauhtumislämpötilaan (+35 - +40 ºC) parantaa merkittävästi lämpöpumpun hyötysuhdetta. Käyttöveden loppukuumennus (priimaus) suoritetaan erillisessä varaajassa sähkövastuksella. Vesikiertoinen lämmön jakojärjestelmä on pitkäikäinen ja joustava järjestelmä mahdollisten muidenkin tulevaisuuden energialähteiden käyttöön. Maapiiriä voidaan tarvittaessa käyttää kesäaikana rakennuksen sisäilman viilentämiseen suhteellisen helposti ja edullisesti liittämällä liuospiirin kiertoon asennettu patteri (puhallinkonvektori) ja kierrättämällä liuospiiriä sen kautta. Maalämpöpumppujen haittapuolena on suhteellisen suuri perusinvestointikustannus, joten aivan pienten (110 - 120 m²) ja matalaenergiatalojen kyseessä ollessa tähän järjestelmään ei kannata investoida nykyisillä energiahinnoilla. Mitä suurempi talo ja energiankulutus ovat, sitä kannattavampi investointi on. Keskimäärin vuositason lämpökertoimet ovat 2,6 -3,6. Maalämpöpumppu ja porakaivot lämmönlähteenä on mitä oivallisin lämmöntuottaja myös majoitustiloihin, liikekiinteistöihin ja teollisuustiloihin, joita lämmitetään lattialämmityksellä ja/tai ilmalämmityksellä. Tällöin on järkevää kytkeä useita lämpöpumppuja toimimaan vuorottelu ja/tai rinnan lämmöntarpeesta riippuen.

Maalämpöpumppu on teollisesti valmistettu ja verrattain pitkälle kehitetty ja toimintavarma tekninen laite. Lähes kaikki maalämpöpumppuihin aikaisemminkin liittyneet ongelmat eivät ole johtuneet itse lämpöpumpusta, vaan useimmiten virheellisistä liuospiirien ja/tai lämmitysjärjestelmien mitoituksista ja asennuksista. Lämpöpumpun paisuntaventtiili, ylä- ja alapainerajoittimet ja termostaatit säädetään tehtaan koeajopenkissä toimimaan tietyllä lämpötila- ja painealueella. Tämä tarkoittaa sitä, että höyrystimelle on aina taattava tarpeellinen määrä liuospiirin tuomaa maalämpöä. Muussa tapauksessa höyrystimen lämpötila laskee, höyrystyminen heikkenee, kompressorin alapaine laskee, höyrystimen liuospiirin virtaama ja lämmön tulo heikkenee entisestään lämmönsiirtimen liuospiirin lähestyessä jähmepistettä kunnes lämmön siirtyminen tyrehtyy ja alapaineen pressostaatti pysäyttää kompressorin. Yleisimmät syyt liuospiirin toimintahäiriöihin ovat huonosti ilmattu järjestelmä, pumpun toimintahäiriö, pumpun mitoitus putkiston virtausvastukseen nähden, liuoksen koostumus (jähmepiste) ja viskositeetti (pumpattavuus) sekä lämmönkeruuputkiston pituuden mitoitus suhteessa maaperän lämmönluovutuskykyyn. Vastaavalla tavoin lauhduttimen toiminta suunnitellulla tavalla on taattava häiriöttömän toiminnan varmistamiseksi. Tämä tarkoittaa sitä, että on jatkuvasti varmistettava riittävä lämmön siirtyminen pois lauhduttimesta. Muussa tapauksessa kylmäaine (kuumakaasu) ei pääse jäähtymään ja nesteytymään eikä siirtymään prosessissa eteenpäin. Kompressorin tuottama paine ja kuumakaasun lämpötila nousevat kunnes yläpaineen pressostaatti pysäyttää kompressorin. Tämä voi aikaa myöten vahingoittaa lämpöpumppua, koska kylmäaineen mukana kulkevan voiteluaineen lämpötila nousee niin korkeaksi, että voiteluainetta voi krakkautua kompressorin venttiileihin, putkiin ja lauhduttimen seinämiin heikentäen sen lämmönsiirtokykyä ja luonnollisesti myös kompressorin voitelua. Peukalosääntönä voidaan sanoa, että lämpöpumpun maksimiteho tulisi mitoittaa vastaamaan 50-70% rakennuksen lämmitystehon maksimitarpeesta (ns. osatehomitoitus), jolloin lämpöpumppu kuitenkin tuottaa lämmitysenergian kokonaisvuositarpeesta peräti 85-98%. Lämpöpumppu käy hyvällä hyötysuhteella pitkiä jaksoja lämmityskaudella ja huipputehon lisätarve katetaan lisävastuksella muutamina talven kylmimpinä päivinä. Tämä lisävastuksella tuotettu sähköteho on merkittävästi pienempi kuin mitä suurempi kompressori olisi kuluttanut vuodessa enemmän. Lisäksi vähennetään vuositasolla merkittävästi kompressorin pysäytys ja käynnistyskertojen lukumääriä, jotka aiheuttavat myös ylimääräistä sähkönkulutusta, kulumista ja lämpökertoimen alenemista.

takaisin ylös

MAAPERÄ LÄMMÖN LÄHTEENÄ

Maalämpö on aurinkoenergiaa siinä missä vesi-, puu-, turve-, tuuli-, hiili- tai suora aurinkoenergiakin. Aurinkolämpöä saamme yllin kyllin kesäaikana ja sitä varastoituu maa- ja kallioperään sekä vesistöihin auringonpaisteen, lämpimän ilman ja sateiden kautta. Talvella auringon lämmittävä vaikutus on meidän pohjoisilla leveysasteillamme niin vähäistä, että meidän on turvauduttava varastoituneeseen aurinkolämpöön muodossa tai toisessa. Tutkimusten mukaan noin 3 % osuus vuosittaisesta auringon maahan varastoituvasta energiasta riittää vuotuisen lämmöntarpeemme kattamiseen maalämmöllä. Maalämpö on kokemuksen mukaan varma ja tasainen lämmönlähde ympäri vuoden.

Maaperään vaakasuoraan asennettavan lämmönkeruuputkiston mitoitus on järjestelmän vaativin suunnittelutehtävä, koska mitoituksen optimoinnissa on useita toisiaan vastaan vaikuttavia mitoitussuureita ja monia yksilöllisiä epävarmuustekijöitä sekä lisäksi kaikki suunnittelukohteet ovat ainutkertaisia. Merkittävin mitoitustekijä on maaperän lämmönjohtavuus ja kosteuspitoisuus, jotka voivat vaihdella suuresti jopa pienelläkin alueella ja niiden tutkimiseen kannatta uhrata aikaa jo suunnitteluvaiheessa, jotta voitaisiin suunnitella riittävän pitkä putkiverkosto kuitenkaan ylimitoittamatta sitä tarpeettomasti (mieluummin pieni ylimitoitus kuin alimitoitus). Ylimitoitettu putkipituus kuluttaa käytössä enemmän sähköenergiaa suurentuneina pumppauskuluina ja lisäksi investointikustannus on luonnollisesti suhteessa hieman suurempi. Alimitoitettu putkipituus puolestaan johtaa lämmönlähteen "hiipumiseen" ja sen myötä alhaisempaan höyrystymislämpötilaan ja kompressorin alapaineeseen, seurauksena alhaisempi lämpökerroin ja mahdolliset kompressorin pysähtymisjaksot. Karkeana putkimäärän ohjearvona voidaan käyttää arvoa 1-2 putkimetriä lämmitettävää rakennuskuutiota kohti ja tonttimaata tarvitaan noin 1,5 m² yhtä putkimetriä kohti. Käytössä olevan maa-alueen koko ja sijainti näin ollen asettaa myös omat mahdollisuutensa tai rajoituksensa maaputkistolle.

Viime aikoina on ollut yleistymässä käytäntö, että lämpöpumppujärjestelmän toimittaja suunnittelee ja toimittaa koko lämmitysjärjestelmän mitoituksineen, lämmönlähdeputkistoineen ja lämmönjakeluverkostoineen kaikkineen sekä vastaa myös sen suunnitellun mukaisesta toimivuudesta. Kehityssuunta on hyvä, koska tällöin vältytään eri urakoitsijoiden urakkarajoista, erityisosaamisesta ja tietämättömyydestä johtuvista virheistä ja vastuuraja on myös selkeä.

Putkisto kaivetaan noin 0,7 - 1,2 metrin syvyyteen maahan niin, että putkilenkkien väli on noin 1,5 metriä, kuitenkin vähintään 1,2 metriä. Upotussyvyyden oikea valinta on tärkeää. Etelässä matalammalle ja pohjoisessa hieman syvemmälle. Putkena käytetään yleisesti normaalia vesijohtoputkea PELM NS32, NS40 ja NS50/NP 10. Täyttö suoritetaan kaivuumaalla, kuitenkin kivettömällä maalla 20 cm putken ympärillä. Putket eristetään päistään sujuttamalla ne n. 10 - 20 mm seinämänvahvuiseen solumuoviseen eristeputkeen ja sen jälkeen Ø 100 mm taipuisan salaojaputken sisään rakennuksen sisältä alkaen noin 2 m rakennuksen sokkelin ulkopuolelle. Eristämätöntä putkea ei saa tontilla asentaa lähemmäksi kuin 2 metriä rakennuksen ulkoseinästä ja mahdolliset vesi- ja viemärijohtojen, samoin kuin talvella lumiolosuhteissa puhtaana pidettävien kulkuväylien kohdat eristetään paikallisesti routalinssien välttämiseksi. Putkiston asennus tulee toteuttaa siten, että putkisto voidaan varmuudella ilmata, eikä mahdollisia ilmataskuja pääsisi muodostumaan myöhemminkään. Putkistokaivantoon on hyvä laittaa asennuksen yhteydessä myös keltainen muovinen merkkinauha noin puolen metrin syvyyteen.

takaisin ylös

PORAKAIVO MAALÄMMÖN LÄHTEENÄ

Suljetut järjestelmät

Viime vuosina on saatujen kokemusten myötä yleistynyt menetelmä, jossa maalämpöpumpun lämmönlähteenä käytetään rakennuksen viereen porattua porakaivoa siten, että porakaivoon upotetaan liki pohjaan saakka ulottuva muoviputkilenkki maaputkipiirin sijaan. Tällä menetelmällä on etuina se, että porakaivon energiasaanto on noin kaksinkertainen putkimetriä kohti verrattuna maahan kaivettuun putkeen, lisäksi vältytään mittavilta kaivaustöiltä tontilla ja saadaan pitkäikäinen, toimintavarma, routimaton ja helposti ilmattava järjestelmä. Porakaivoa on myös mahdollista hyödyntää esim. puutarhan kasteluveden pumppaamiseen kaivosta. Porakaivon haittapuolena on merkittävästi korkeampi hinta.

Käytännössä kaivoa ei kannata porata 200 metriä syvempään, vaan suurissa järjestelmissä kaivoja porataan tarvittava määrä n. 10 - 20 metrin välein ja ne kytketään rinnakkaisiksi putkisilmukoiksi erillisessä ulkoisessa kytkentäkaivossa, jolloin pumppauskustannukset eivät kasva suhteettoman suuriksi. Kaivoon upotettavat putket liitetään alapäästään silmukaksi messinkisellä U-kappaleella, johon myös kiinnitetään kaivosyvyyden mukaan laskennallisesti määritetty paino, jonka tehtävänä on painollaan vetää putket suorana alas. Mikäli painoa ei käytettäisi, ei putkia saisi upotettua kaivoon, koska ne ovat hieman vettä keveämpiä ja kiemuraisia, jolloin ne pyrkivät pureutumaan kaivon seinämiin. Putkistoja asennetaan edellä kuvatun 2-putkijärjestelmän lisäksi 3- ja 4-putkijärjestelminä, jolloin 3-putkijärjestelmässä pumpataan liuos kahta rinnakkaista putkea käyttäen kaivoon päin ja se palaa kolmatta putkea myöten takaisin kaivosta höyrystimelle. Putket on kytketty yhteen messinkisellä 3-putken U-kappaleella kaivon pohjalla. 4-putkijärjestelmä puolestaan koostuu kahdesta rinnan kytketyistä putkisilmukoista. Porakaivon teholliseksi syvyydeksi luetaan mukaan vain kaivon vedellä täyttynyt syvyys. Molemmat putket on eristettävä rakennuksen sisältä porakaivon huoltokaivoon saakka ja mielellään vielä routarajan alapuolelle saakka kaivossa.

Avoimet järjestelmät

Avoimessa järjestelmässä pumpataan pohjavettä porakaivosta lämmönsiirtimeen, jossa siitä siirretään lämpö useimmiten jäätymättömän väliainepiirin avulla höyrystimelle ja jäähtynyt,
n. +0,5 - +1,0 ºC oleva vesi palautetaan lähistöllä olevaan toiseen porakaivoon, samaan porakaivoon tai avoimeen vesistöön. Järjestelmä on käyttökelpoisempi suurissa laitoksissa, jossa voidaan ottaa talteen lämpöä esim. alhaisessa lämpötilassa olevasta hukkalämmön lähteestä, kuin pientalon lämpöpumppujärjestelmissä, joissa tällaiset järjestelmät ovat jäämässä taka-alalle.

takaisin ylös

VESISTÖT LÄMMÖNLÄHTEENÄ

Vesistön käyttöön lämmönlähteenä soveltuvat kokemuksien mukaan järvet, lammet ja merenrannat, jotka ovat vähintään 2 metriä syviä jo rannan läheisyydessä. Käyttöön soveltuu muuten sama tekniikka kuin maalämpöputkistonkin käytössä, mutta putket täytyy ankkuroida vesistön pohjaan putkien ympärille noin metrin välein kiinnitettävillä n. 5-10 kg betonipainoilla. Tämä siitä syystä, että putken ympärille mahdollisesti muodostuva jääkerros ei nosta putkea pintaan pintajään alle, johon se jäätyy kiinni ja jäidenlähtö voi viedä putken mennessään. Näiden kokemuksien johdosta ei putkia lasketa mielellään jokiin. Betonipainojen kiinnitys tulee tapahtua pitkäaikaista korroosiota kestävällä tavalla, esim. tukevin muovisin nippusitein. Putket on aina vietävä avoveteen pohjan läheltä ja routarajan alapuolelta, koska muuten putket voivat jäätyä kiinni vesistön jääpeitteeseen ja esim. veden pinnan nousu voi repiä putket poikki. Asennuksen yhteydessä on syytä käyttää sukeltajaa apuna tarkistamassa putkien asettuminen pohjaan. Putkiston sijainnista on syytä piirtää kartta ja merkitä lisäksi rannalle ankkuroinnin kieltävät varoituskyltit Alavat joenrantapellot ovat oivallisia kosteita ja tiiviitä maita maalämmön lähteiksi. Vesistöstä vuodessa saatu teho on 70 - 80 kWh/metri putkea. Putket on eristettävä rakennuksesta rantaveteen saakka, koska muuten osa vesistöstä palaavan liuoksen lämmöstä siirtyy kylmempään maahan, etenkin jos meno- ja paluuputket on sijoitettu samaan kaivantoon. Ennen suunnittelua ja asentamista on syytä selvittää vesialueen omistajan kanta hankkeeseen...

takaisin ylös