Maalämpö

Maahan ja kallioperään varastoitunutta lämpöenergiaa kutsutaan yleisnimityksellä maa-lämpö. Maailman energiakonferenssissa (World Energy Conference) on arvioitu, että maalämmön potentiaali energian tuotannossa on 10¹² MWh. Tämä vastaa kymmenker-taisesti vuodessa kulutettua energiamäärää maailmanlaajuisesti. [11, s. 2] Maaläm-möstä puhuttaessa, termi on kuitenkin syytä jakaa kahteen osaan: geoenergiaan ja geo-termiseen energiaan. Geoenergialla tarkoitetaan maahan tai vesistöön varastoitunutta lämpöenergiaa, joka on pääsääntöisesti peräisin auringon lämpösäteilystä. Noin 15 met-riin asti varastoitunut energia on täysin auringosta lähtöisin olevaa. [12, s. 6] Kuvasta 5 nähdään, kuinka maanpinnan keskilämpötila on Etelä-Suomessa +6 astetta ja Pohjois-Suomessa +2 astetta. Maanpinnan keskilämpötila on 2–3 astetta ilman keskilämpötilaa suurempi.

Kuva 5. Ilman vuotuinen keskiarvolämpötila (vasemmalla) ja maanpinnan vuotui-nen keskiarvolämpötila (oikealla) Suomessa. [10, s. 7]

Maanpinnalla lämpötila vaihtelut ovat suuria vuodenajoista johtuen. Kuitenkin jo noin 20 metrin syvyydessä saavutetaan sijainnin mukainen vakiolämpötila [13]. Kuvassa 6 on esitetty teoreettinen mallinnus tästä ilmiöstä.

Kuva 6. Teoreettinen mallinnus Suomen vuodenaikojen vaikutuksesta maan läm-pötiloihin eri syvyyksillä. [15]

Tämän mallinnuksen mukaan vuodenajoista johtuvat vaihtelut tasaantuvat jo 16 metrin syvyydessä. Mentäessä syvemmälle kohti maapallon keskustaa, lämpötila nousee kes-kimääräisesti 3 astetta 100:aa metriä kohden. Oltaessa syvemmällä kuin 20 metriä

maanpinnasta, on kyseessä geoterminen energia. Geotermisestä energiasta noin kaksi kolmasosaa on peräisin maassa olevien radioaktiivisten isotooppien hajoamisesta. Lo-put lämmöstä tulee maapallon synnyn aikana ytimeen ja vaippaan varastoituneen ener-gian vapautumisesta. [11, s. 1] Suomessa maan lämpötila nousee keskiarvoa vähem-män. Suomessa lämpötila nousee 0,8–1,5 astetta 100:aa metriä kohden [13]. Kuvassa 7 on esitetty Geologian tutkimuskeskuksen Jyväskylän seudulla suorittamien mittausten tulokset.

Kuva 7. Syvyyden vaikutus maan lämpötilaan, Jyväskylän seudulla toteutetun mit-tauksen pohjalta. [13].

Kuvasta 7 voidaan todeta, että mittaukset on todennäköisesti suoritettu kesällä, koska maanpinnan lämpötila on jopa 11 astetta. Mittauksista ilmenee myös jo aiemmin todettu ilmiö, eli lämpötila vakiintuu 15 metrin syvyydessä 6 asteeseen. Vasta 50 metrin syvyy-dessä lämpötila alkaa nousemaan geotermisen energian vaikutuksesta. Kuvaan 7 on merkattu katkoviivalla geoterminen gradientti, joka kertoo lämpötilan noususta metriä kohden. Tässä kyseisessä mittauksessa gradientti on ollut 1,3 °C / 100 m [13]. Kuvasta nähdään, että 300 metrin syvyydessä on vain 2 astetta korkeampi lämpötila kuin 50 met-rin syvyydessä.

Geotermistä energiaa voidaan hyödyntää myös suuremmissa mittakaavoissa voimalai-tostasolla. Vuonna 2020 Otaniemeen valmistui Suomen ensimmäinen geoterminen läm-pövoimala. Lämpövoimala kerää lämpöenergiaa 6,4 kilometriä syvästä lämpökaivosta.

Tästä syvyydestä saadaan suoraan kaukolämpöverkon vaatimaa 120 asteista vettä.

Teknologia geotermisen lämpövoimalaitoksen taustalla ei ole uutta, sillä ensimmäinen laitos rakennettiin Italiassa jo 1900-luvun alussa. Ennen Otaniemen laitosta, geotermisiä lämpövoimaloita ei pidetty kannattavina Suomessa. Tämä johtui siitä, että Suomen kal-lioperää pidettiin liian kylmänä ja huokoisena tehokkaan lämmöntuotannon kannalta. [14]

3.1.1 Energiapaalut

Suomessa energiapaalujen asennussyvyys on 15–50 metriä [15, s. 43]. Energiapaalujen asennuksessa hyödynnetään tavallisesti rakennusten perustuksina käytettyjä betoni- tai teräspaaluja [15, s. 43]. Nykyisin noin puolet uusista rakennuksista Suomessa rakenne-taan paalujen päälle [15, s. 43]. Energiapaaluissa suosituin käytettävä materiaali on be-toni, sen korkean lämmönjohtavuuden sekä lämmönvarauskyvyn takia [16]. Paalujen si-sään asennetaan lämmönsiirtoputki, jonka sisällä kulkee kiertoneste. Kiertonesteenä voidaan käyttää puhdasta vettä, mutta tavallisesti siihen lisätään jäätymisen estämiseksi etyleeni- tai propyleeniglykolia. Tällaisen seoksen viskositeetti on korkeampi kuin puh-taan veden, joka johtaa pumpun tehon tarpeen kasvuun. Hyöty saavutepuh-taan, kun kierto-nesteen lämmönjohtavuus paranee puhtaaseen veteen verrattuna. [16]

Energiapaalun toiminta perustuu siihen, että putkiston kiertonesteen lämpötila on pie-nempi kuin paalun ja sitä ympäröivän maa-aineksen lämpötilat. Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaisesti lämpötilat pyrkivät tasapainoon [5, s. 55] ja lämpöenergiaa siir-tyy maasta paalun kautta kiertonesteeseen. Lämmönsiirtymisen tehokkuuteen paalun ja maan välillä vaikuttavat monet tekijät. Näitä ovat maa-aineksen lämpötilan diffuusioker-roin ja lämmönjohtokyky. Diffuusiokerdiffuusioker-roin kuvaa, kuinka helposti lämpö leviää ja hajaan-tuu maahan. Lämmönjohtokyky mittaa maan kykyä johtaa lämpöä aikayksikköä kohden.

Näiden arvojen mittaamiseksi tehdään TRT-mittaus (thermal response test). [16]

Lämmönsiirtoputken asennuksessa on useita eri variaatioita, joista yleisimmät on esitetty kuvassa 8.

Kuva 8. Eri asennusvariaatiot lämmönsiirtoputkelle energiapaalun sisällä [9].

Perusajatuksena voidaan pitää, että yhteensä 300–500 metriä paalua riittää kattamaan asuinrakennuksen lämmitystarpeen. Esimerkiksi asennettaessa 38 kappaletta 8 metrin paaluja, saadaan yhteensä 304 metriä lämmönsiirtokapasiteettia. Paalut on mahdollista asentaa joko rinnan tai sarjaan. Rinnankytketyissä paaluissa, jokaisella paalulla on omat sisään- ja ulostulo putkensa. Sarjaan kytkennässä kiertoneste menee ensimmäiseen paaluun, jonka jälkeen se kiertää kaikki kytkennässä olevat paalut, ennen kuin se poistuu kierrosta. [16] Tämä on havainnollistettu kuvassa 9.

Kuva 9. Havainto kuva rinnankytketyistä energiapaaluista (vasemmalla) ja sarjaan kytketyistä energiapaaluista (oikealla) [16].

Rinnan tai sarjaan kytketyistä paaluista voidaan saada jopa 70 % enemmän lämpöener-giaa verrattuna yksittäisiin paaluihin. Kuitenkin yli 15 paalun kytkeminen yhteen ei enää tuota tavoiteltua hyötyä. 15 paalun jälkeen lämmönsiirtokyky ei kasva enää, jolloin kier-tonesteeseen ei saada sidottua lisää lämpöä. Kiertonesteen lämpötilan erotus maan lämpötilaan on kasvanut niin pieneksi, että merkittävää lämmönsiirtymistä ei enää ta-pahdu. [17]

Energiapaaluja voidaan hyödyntää myös rakennusten viilennyksessä. Rakennuksen si-säilman lämpöenergia johdetaan takaisin energiapaaluihin, joista se varastoituu talven aikana viilentyneeseen maaperään. Viilennystä varten lämmitysjärjestelmään täytyy asentaa omat lämmönsiirtoputket. Viilennys voidaan toteuttaa vapaalla kierrolla. Tällöin lämmin ilma siirtyy luonnollisesti paalujen kiertoon lämpötilojen pyrkiessä tasapainoon.

Toinen tapa on koneellinen, jossa järjestelmässä on kaksi lämpöpumppua. Toinen siirtää lämpöä rakennukseen ja toinen sieltä pois. [9]

3.1.2 Lämpökaivo

Lämpökaivon toimintaperiaate on energiapaaluja vastaava. Lämmönkeruuputkessa oleva kiertoneste siirtää lämmön maasta lämpöpumpulle. Rakenteeltaan lämpökaivo on erilainen, koska sen asennussyvyys on suurempi. Lämpökaivojen syvyydet alkavat noin 100 metristä ja yksityistalouksissa ovat syvimmillään yleensä 300 metriä. Suurissa

ra-kennuksissa voi olla tilanne, että 300 metrisestä lämpökaivosta ei saada tarpeeksi läm-pöä. Tällöin on tavallisempaa porata useampi kaivo, kuin porata yksi yli 300 metriä syvä kaivo. [10, s. 33] Lämpökaivon rakenne on esitetty kuvassa 10.

Kuva 10. Lämpökaivon rakenne [10, s. 35].

Lämpökaivoon asennetaan suojaputkea, joka alkaa maanpinnalta ja ulottuu 2–6 metriä peruskallion sisään. Tällä estetään irtonaisen maa-aineksen valuminen kaivoon ja mah-dollinen pohjaveden saastuminen. [10, s. 35] Suomessa kaivon ja lämmönkeruuputken välinen alue täytetään vedellä, mutta esimerkiksi Ruotsissa täytteenä käytetään betoni-laastia. Täyttämisen tarkoituksena on ennaltaehkäistä tilanteita, joissa kiertoneste pää-sisi valumaan pohjaveteen. [12, s. 10]

3.1.3 Maapiiri

Maapiirissä keruupiiri on asennettu maanpintaan horisontaalisti, korkeintaan metrin sy-vyyteen. Maapiirin toiminta pohjautuu samaan ideaan, kuin kahdella edellä mainitulla järjestelmällä. Maapiiriä asennetaan pientalokohteisiin yleensä vähintään 500 metriä, jotta saavutettaisiin yhtä suuri lämmönkeruu potentiaali, kuin energiapaaluilla tai kaivolla. Piiriä ei voi asentaa liian tiheään, jotta maan kyky varastoida ja johtaa lämpö-energiaa säilyy mahdollisimman tehokkaana. Keskiarvoisesti maapiirin vaatima asennus pinta-ala on noin 1,5 m²/m [10]. Tähänkin vaikuttaa maaperän laatu, joka täytyy tutkia

suunnittelu vaiheessa. Maapiirin vaatiman suuren pinta-alan takia se on harvemmin käy-tetty maalämmön sovellus.

3.1.4 Vesistö

Vesistöön asennettava horisontaalinen keruupiiri on viimeinen tässä työssä käsiteltävä maalämmön keruumuoto. Keruuputkisto asennetaan parin metrin syvyyteen vesistön pohjaan. Suomen vesistöissä 3–4 metrin syvyydessä on saatu mitattua jopa 12:n °C lämpötiloja. Vertauksena kuivalla maalla 3–4 metrin syvyydessä on korkeintaan 6 as-tetta. Suurimpana hyötynä on talvella vesistön päälle syntyvä jään ja lumen eristekerros, joka hidastaa pohjakerroksen jäähtymistä. [18] Lisäksi päällä oleva vesimassa auttaa varastoimaan kesän aikana auringosta saatavaa lämpöenergiaa [19].

Olennaisena ongelmana ovat korkeahkot asennuskustannukset verrattuna perinteisem-piin ratkaisuihin, sekä rakennusten lähellä olevien sopivien vesistöjen vähyys. Suo-messa tunnetuin vesistön sedimentissä sijaitseva keruuputkisto asennettiin 2008 Vaa-san asuntomessualueelle, joka on merenrannassa. Keskitalvella pohjasta 4 metrin sy-vyydestä saatiin mitattua keskilämpötilaksi 9 °C. Meren pohjaan porattiin yhteensä lähes 8 kilometriä koaksiaaliputkea. [19]